滇池草海水體枯水期不同形態(tài)氮磷空間分布差異性

(昆明市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，云南 昆明 650228)

滇池是云貴高原上最大的高原淡水湖泊，位于昆明市主城區(qū)下游，由海埂節(jié)制閘將其分割為草海和外海，其中外海為滇池的主體部分，水面面積298km2；草海為昆明市的城市內(nèi)湖，水面面積10.8km2,占滇池水面積的3.6%。滇池流域是云南省人口最密集、經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū)，由于毗鄰昆明主城區(qū)，滇池水質(zhì)一直受到人類活動(dòng)的嚴(yán)重影響。隨著污染物產(chǎn)生量的迅速增加，富營(yíng)養(yǎng)化已經(jīng)成為滇池主要的環(huán)境問(wèn)題[1]。眾所周知，氮、磷是水體富營(yíng)養(yǎng)化最為主要的限制性因子。近年來(lái)，許多學(xué)者對(duì)滇池污染治理和富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題的調(diào)查和研究主要是針對(duì)滇池全湖，如湖區(qū)氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的時(shí)空分布[2]、富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)狀[3]以及湖區(qū)生物群落特征[4]等。草海作為滇池的重要組成部分，是滇池保護(hù)和治理工作中不可或缺的部分。本文基于2016年11月對(duì)滇池草?？臻g16個(gè)采樣點(diǎn)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用ArcGIS空間插值的方法對(duì)草海水體中不同形態(tài)氮磷及藍(lán)藻密度的空間分布情況進(jìn)行直觀分析，研究氮、磷組成結(jié)構(gòu)特征，探索不同形態(tài)氮、磷與藍(lán)藻密度的相關(guān)性，通過(guò)聚類分析法對(duì)草海的污染特征進(jìn)行分類，以期為滇池草海的污染治理提供參考和借鑒。

1 材料與方法

1.1 區(qū)域概況

滇池草海位于滇池東北部，由海埂節(jié)制閘與滇池外海分割，與外海沒(méi)有水體的交換。草海流域覆蓋了昆明市主城區(qū)約30%的面積，人口密度大、建成區(qū)比例高，以居住用地和公共服務(wù)用地為主，呈現(xiàn)出典型的城市流域特征[5]。入湖河流有7條，分別為大觀河、烏龍河、西壩河、船房河、新運(yùn)糧河、老運(yùn)糧河、王家堆渠。2015年昆明市實(shí)施了牛欄江-草海補(bǔ)水通道建設(shè)工程，自2015年5月5日起，將牛欄江水通過(guò)盤龍江引入大觀河、西壩河，最后進(jìn)入草海作為生態(tài)補(bǔ)水，以提升草海水體置換效率。2016年將新運(yùn)糧河、老運(yùn)糧河、王家堆渠3條河流河水引入東風(fēng)壩，不再進(jìn)入草海湖體。因此目前進(jìn)入草海的河流有大觀河、烏龍河、西壩河、船房河4條。

1.2 樣品采集與測(cè)試

按照網(wǎng)格在草海布設(shè)16個(gè)點(diǎn)位(圖1)，研究時(shí)間為 2016 年 11月，采集0.5m表層水，加保存劑帶回實(shí)驗(yàn)室分析測(cè)試。檢測(cè)指標(biāo)包括總磷(TP)、溶解性總磷(DTP)、總氮(TN)、溶解性總氮(DTN)、藍(lán)藻密度等。TP、TN按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行分析測(cè)試，DTP、DTN將水樣經(jīng)0.45μm濾膜的濾液消解后測(cè)定，藍(lán)藻密度使用哈希便攜式水質(zhì)多參數(shù)測(cè)定儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

按照國(guó)家《GB3838-2002地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(表1)評(píng)估草海氮、磷污染情況。采用綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法對(duì)草?？菟谒|(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)因子為TN、TP、Chla、SD及CODMn。使用ArcGIS10.1對(duì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)濃度含量進(jìn)行空間插值分析，得到各指標(biāo)空間分布。采用Excel 2010和SPSS19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 滇池草海氮、磷及藍(lán)藻密度狀況

滇池草海TN濃度值范圍在3.13～4.63 mg/L，平均濃度為3.54 mg/L，平均值及16個(gè)測(cè)點(diǎn)均超出地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。DTN濃度值范圍在2.30～3.32 mg/L，平均濃度為2.68 mg/L。草海水體中DTN占TN的比例在62.4%～91.0%，平均占比76.1%，表明水體中DTN為氮的主要賦存形式，氮主要以可溶態(tài)氮的形式存在，少量以顆粒態(tài)氮的形式存在。TP濃度值范圍在0.048～0.191 mg/L，平均濃度為0.096 mg/L，平均值達(dá)到地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。16個(gè)測(cè)點(diǎn)中Ⅲ類水占12.5%，Ⅳ類水占43.75%，Ⅴ類水占43.75%；DTP含量很低，濃度值范圍在0.005～0.064 mg/L，平均濃度為0.025 mg/L。DTP占TP的比例在6.3%～47.7%，平均占比24.5%，表明水體中磷主要以顆粒態(tài)磷的形式存在，極少量以可溶性總磷形式存在。藍(lán)藻密度范圍在3481～40564萬(wàn)個(gè)/L，平均值為19402萬(wàn)個(gè)/L。

表1 草海水體氮磷及藍(lán)藻密度結(jié)果

2.2 氮磷及藍(lán)藻密度空間分布特征

使用ArcGIS對(duì)滇池草海水體氮、磷濃度及藍(lán)藻密度進(jìn)行空間插值分析，可以較直觀地獲得其空間變化趨勢(shì)。從圖4～圖8可以得出：不同形態(tài)的氮磷濃度及藍(lán)藻密度的空間分布具有一定的差異性，其中TN、TP的空間分布與藍(lán)藻密度的空間分布一致性較好，氮磷濃度以草海南部海埂船閘一帶最高，其次是草海北部，湖體中心水域最低。在河水水動(dòng)力驅(qū)動(dòng)和常年西南風(fēng)的驅(qū)動(dòng)下，草海北部藻類不容易積聚，藍(lán)藻密度呈明顯的從北向南逐漸增高的趨勢(shì)。DTN、DTP空間分布總體呈現(xiàn)由北向南逐漸降低的趨勢(shì)，由于藍(lán)藻生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)吸收大量氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽，漂浮藍(lán)藻是顆粒氮磷的主要存在形式，尤其在高密度藍(lán)藻聚積未腐爛的水體中，氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽主要賦存在藻體內(nèi)[12]，因此DTN與DTP的變化與藻類的變化是一致的。

2.3 草海水體富營(yíng)養(yǎng)化特征分析

調(diào)查期間草?？傮w富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)為輕度富營(yíng)養(yǎng)，綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)為58.9。1#～16#測(cè)點(diǎn)綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)范圍在54.1～65.2，富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)為輕度富營(yíng)養(yǎng)和中度富營(yíng)養(yǎng)，16#測(cè)點(diǎn)綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)最高為65.2。

目前國(guó)際上一般認(rèn)為當(dāng)水體中的TN和TP濃度分別達(dá)到0.2mg/L和 0.02mg/L，就有可能發(fā)生水華現(xiàn)象[6]，草海水體TN和TP濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化的氮、磷條件。TN/TP作為湖庫(kù)營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)的重要表征，可以在一定程度上反映營(yíng)養(yǎng)物輸入負(fù)荷對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)的影響，同時(shí)也是水體中浮游生物種群營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)的重要影響因素和體現(xiàn)[7-8]。Guildford等[9]提出的水中營(yíng)養(yǎng)物限制性標(biāo)準(zhǔn)指出，TN/TP≤9.0(質(zhì)量比,摩爾比為20)為氮限制狀態(tài)，TN/TP≥22.6(質(zhì)量比,摩爾比為50)為磷限制狀態(tài)。本次調(diào)查草海水體TN/TP比均>22.6，說(shuō)明草海水體處于磷限制狀態(tài)，但由于富營(yíng)養(yǎng)化的復(fù)雜性，仍然要考慮氮的影響。

利用雙側(cè)Pearson相關(guān)性分析來(lái)分析藍(lán)藻密度和不同形態(tài)氮磷的關(guān)系。結(jié)果表明本次調(diào)查期間藍(lán)藻密度與TN呈顯著正相關(guān)(相關(guān)系數(shù) 0.627，0.01 置信水平上顯著相關(guān))、DTP呈顯著負(fù)相關(guān)(相關(guān)系數(shù) -0.717，0.01 置信水平上顯著相關(guān))。說(shuō)明枯水期草海藻類生長(zhǎng)可能主要受TN和DTP影響。TN、TP無(wú)顯著相關(guān)性，表明草海氮磷補(bǔ)給的異源性。

表2 藍(lán)藻密度和不同形態(tài)氮磷相關(guān)性

注：*-在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；**-在 .01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

2.4 聚類分析

聚類分析法是一種將研究對(duì)象的諸多特性進(jìn)行分類的分析方法，其通過(guò)在變量之間定義相似系數(shù)來(lái)代表變量之間的相似程度，然后將相似程度大的優(yōu)先聚合到一起，最終按照類別的綜合性質(zhì)將多個(gè)變量聚合，直至所有變量聚為一類[10]。將草海16個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行空間聚類分析，可聚類成3組(見(jiàn)圖9)，第1組包括7#～15#測(cè)點(diǎn)，第2組包括1#～6#測(cè)點(diǎn)，第4組為16#測(cè)點(diǎn)。目前進(jìn)入草海主體水域的有大觀河、烏龍河、西壩河、船房河4條河流，這4條河流大多由草海北面進(jìn)入，結(jié)合空間特征的分析結(jié)果，隨著水動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)和湖水的稀釋凈化，入湖斷面高于湖心區(qū)域，1#～6#測(cè)點(diǎn)所處區(qū)域?yàn)椴莺１辈开M長(zhǎng)型水域，7#～15#測(cè)點(diǎn)是草海湖體中心水域，16#測(cè)點(diǎn)由于是藍(lán)藻比較集中的區(qū)域，與其它測(cè)點(diǎn)空間差異較大，可見(jiàn)聚類分析結(jié)果和實(shí)際情況相符。

3 結(jié)論

(1)調(diào)查期間，滇池草海水體TN濃度平均值為3.54mg/L，超過(guò)Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；TP為0.096mg/L，達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。DTN為氮的主要形態(tài)，占TN的76.1%；DTP僅占TP的24.5%，顆粒態(tài)磷是磷的主要形態(tài)。

(2)TP、TN濃度的空間分布呈現(xiàn)隨水流方向由北向南逐漸降低隨后升高的趨勢(shì)，草海南部海埂船閘一帶最高，其次是草海北部，湖體中心水域最低。藍(lán)藻密度的空間分布呈現(xiàn)隨水流方向由北向南逐漸升高的趨勢(shì)，草海南部海埂船閘一帶最高，其次是湖體中心水域，最低為草海北部。DTN、DTP濃度的空間分布呈現(xiàn)隨水流方向由北向南逐漸降低的趨勢(shì)。

(3)調(diào)查期間草海水質(zhì)處于輕度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)。氮磷Pearson相關(guān)性分析指出TN、TP無(wú)顯著相關(guān)性，表明草海氮磷補(bǔ)給的異源性，藍(lán)藻密度與TN呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，與DTP呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)。N/P顯示磷是草海的限制因子，但由于富營(yíng)養(yǎng)化的復(fù)雜性，仍然要考慮氮的影響。

(4)由聚類可以將草海劃分為3個(gè)區(qū)域，與實(shí)際情況較為符合。