東平湖菹草(Potamogeton crispus)的遙感定量分析

吳春輝，劉淑芬，桑彥彥，張秋英，李發(fā)東，栗照鑫*，肖捷穎

(1.泰安市生態(tài)環(huán)境局東平分局，山東 泰安 271500；2.山東省泰安生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，山東 泰安 271018；3.泰安市生態(tài)環(huán)境局，山東 泰安 271018；4.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012；5.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101；6.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；7.河北科技大學(xué)，河北 石家莊 050011)

人類福祉在很大程度上取決于生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能[1]，水生生態(tài)系統(tǒng)由于具有提供可用水、灌溉和食物的作用則更為重要[2-4]。在許多發(fā)展中國家的人為活動，如不可持續(xù)的土地利用、未經(jīng)處理的城市和工業(yè)廢物的排放以及農(nóng)用化學(xué)品的密集使用，都在影響著自然水體的質(zhì)量[5-6]，并可能損害這些水生生態(tài)系統(tǒng)提供食物和功能的能力[7]。湖泊作為重要的水生生態(tài)系統(tǒng)，不僅是人類重要的淡水資源，也具有非常重要的生態(tài)價(jià)值和環(huán)境價(jià)值[8-9]。東平湖是山東省第二大淡水湖，是國家南水北調(diào)水利工程重要的水庫調(diào)蓄區(qū)[10]，同時(shí)東平湖是山東省滿足日常生活和農(nóng)業(yè)灌溉需要的主要淡水來源[11]。因此，加強(qiáng)東平湖水質(zhì)的監(jiān)測和治理意義重大。常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測具有精度高的優(yōu)點(diǎn)，但難于表達(dá)湖泊的整體、大面積水質(zhì)狀況?，F(xiàn)代遙感技術(shù)獲取數(shù)據(jù)快速、能提供不同時(shí)相數(shù)據(jù)和整個湖泊大面積水質(zhì)狀況，具有監(jiān)測范圍廣、成本低和便于進(jìn)行長期動態(tài)監(jiān)測的特殊優(yōu)勢，在湖泊水質(zhì)監(jiān)測中得到了廣泛地關(guān)注、研究及應(yīng)用[12]。國內(nèi)外針對湖泊水質(zhì)的遙感監(jiān)測已經(jīng)具有較為成熟的理論、技術(shù)和方法，湖泊水質(zhì)遙感監(jiān)測指標(biāo)主要包括葉綠素a、懸浮物、黃色物質(zhì)、水溫、水深等，其中葉綠素a和懸浮物是影響水體光譜特征的主要物質(zhì)，同時(shí)也是研究和應(yīng)用中比較成熟的水質(zhì)參數(shù)[13]。針對湖泊水質(zhì)參數(shù)中的化學(xué)參數(shù)如氮、磷等則是通過間接的方法進(jìn)行研究，未來研究主要側(cè)重于湖泊各種水質(zhì)參數(shù)的遙感反演[14]?，F(xiàn)有湖泊水質(zhì)遙感反演方法主要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)、半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，對?nèi)陸重要湖泊和城市水源地的葉綠素含量、藍(lán)藻爆發(fā)、總懸浮物含量等水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行遙感監(jiān)測與空間反演[15]。多數(shù)模型應(yīng)用于明確水中藻類的時(shí)空分布、流域營養(yǎng)物質(zhì)輸送模型和湖泊水域水質(zhì)模型等問題，為水體富營養(yǎng)化現(xiàn)狀評價(jià)提供信息支持，為水資源管理與污染治理決策提供空間可視化依據(jù)。

菹草廣泛分布于中國南北地區(qū)的淡水水體中，是南水北調(diào)東線河湖中常見的沉水植物，也是該地區(qū)冬春季沉水植物群落的主要建群種，在水生生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)力、營養(yǎng)元素的生物地球化學(xué)循環(huán)和維持水體穩(wěn)定性方面起著重要作用[16]，因其生長期間葉、莖、根能大量吸收磷元素而被廣泛作為凈水植物[17]，同時(shí)也可作為水體富營養(yǎng)化程度的指標(biāo)植物[18]。磷素是造成淺水湖泊富營養(yǎng)化的主要元素[19]，因此測定水體中的磷濃度對分析水體污染程度及治理具有重要意義。以上的研究多集中在對水體污染元素的直接測量以及狹小范圍內(nèi)水草的研究，本研究利用遙感方法定量分析東平湖菹草動態(tài)變化，旨在揭示東平湖菹草的季節(jié)生物量動態(tài)，闡明對東平湖總磷含量的影響，為東平湖水質(zhì)治理，特別是總磷的治理提供科學(xué)支撐。

1 研究區(qū)概況和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

東平湖(35°30′～36°20′N，116°00′～116°30′E)位于山東省泰安市東平縣西部(圖1)。東通大清河，西連黃河，北起清河口門，南至金線嶺圍堤，是山東省第二大淡水湖泊，也是中國東部地區(qū)典型的淺水型湖泊。

圖1 東平湖位置

1.2 研究方法

本研究通過分析遙感影像，探究東平湖水質(zhì)的周年變化。使用的遙感影像為美國陸地衛(wèi)星Landsat 8 OLI 數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)生成時(shí)間為2017年2月16日、5月7日、7月10日、9月12日、9月28日、10月30日、2018年3月23日、4月25日和6月11日，所有數(shù)據(jù)質(zhì)量滿足本研究要求。

經(jīng)過校正預(yù)處理及波段計(jì)算處理，通過目視解譯及模型模擬分析東平湖近1年的植被狀況。對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差及顯著性分析，得出結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 東平湖水中植被年變化

植被指湖水中的水草，并非水體中葉綠素。水體中水草的量由圖2湖水中的紅色區(qū)域表示，整體上看，只有2017年5月7日和2018年4月25日的影像，水體中有非常明顯且大量的紅色區(qū)域出現(xiàn)，這是因?yàn)闁|平湖中有大量的菹草及各種其他水草，菹草每年到5月份成長到最旺盛的時(shí)期，由于溫度高而死亡。2017年5月份湖水中水草廣泛分布在除了小區(qū)域人類行為(疏浚和養(yǎng)魚)影響之外的所有區(qū)域。2018年4月25日的圖像顯示湖水中植被的量要少于2017年，主要存在于湖區(qū)沿岸，應(yīng)該是受面源污染的影響；除此之外，梁莉莉等[20]研究表明1991—2017年這26年間東平湖菹草群落不斷擴(kuò)張，并經(jīng)Spearman秩相關(guān)分析,菹草面積與湖水營養(yǎng)化水平顯著正相關(guān)。2018年菹草生物量低于2017年也可能是由于富營養(yǎng)化水平降低所致，說明當(dāng)?shù)卣哟罅藮|平湖水體治理力度。

圖2 東平湖水體植被變化

2.2 東平湖水質(zhì)植被空間變化

為更好地表達(dá)湖區(qū)水體中植被的空間變化，通過對9期遙感影像的處理和計(jì)算，對不同時(shí)期圖像的植被指數(shù)利用同一分段標(biāo)準(zhǔn)制圖，可以相對準(zhǔn)確地描述湖區(qū)水體中植被的空間分布及變化特征，見圖3。

從總體上看，2017年9月28日和2018年6月11日的影像上體現(xiàn)的水中植被的數(shù)量總體偏低，呈從湖中心向岸邊同心圓狀增加的狀態(tài)，湖區(qū)北部湖口處植被數(shù)量偏大。2017年7月10日、9月12日和2018年3月23日3期圖像顯示，這3個階段水體中植被的含量較2017年9月底和2018年6月有所增加，同樣是湖心相對較低，北部湖口處較高。2017年2、10月水體中植被的量處于中等水平。2017年5月7日和2018年4月25日的分析結(jié)果是研究階段里最高的，高植被量的存在說明，這些區(qū)域具備菹草所需的營養(yǎng)條件，符合菹草的生長規(guī)律。夏季芽殖體沉入湖底休眠，秋冬緩慢，次年春季大勢生長，麥?zhǔn)諘r(shí)節(jié)水溫升高后死亡。2017年5月水體中植被量高的區(qū)域面積非常大，約占1/3，主要分布在東北部和南部。2018年4月的影像顯示，高植被量的區(qū)域比2017年減少了很多，主要在北部，東部和南部沿岸地帶。表明最近當(dāng)?shù)卣铜h(huán)保主管部門的治理力度較大，取得了明顯的效果。

2.3 東平湖菹草生物量分析

菹草的生物量變化趨勢基本一致，即生物量累積曲線呈 S 型[21]。5月份菹草已經(jīng)成為東平湖水域水生維管束植物的優(yōu)勢種群，覆蓋面積可達(dá)80%以上，平均生物量3.27 kg/m2(濕重)，最大生物量達(dá)到5.33 kg/m2(濕重)，整個東平湖鮮菹草年產(chǎn)量在50萬t以上[17]。

每年的4—5月份為湖水中菹草生長最為旺盛的時(shí)期，結(jié)合現(xiàn)有圖像資源，計(jì)算了2017年5月7日和2018年4月25日東平湖內(nèi)菹草干物質(zhì)的量，見圖4。兩個時(shí)期相比較，2018年湖區(qū)的總體上看，所產(chǎn)生的干物質(zhì)量要少于2017年5月份，這與前面的研究結(jié)果一致，東平湖水域治理初見成效。

a)20170216

d)20170912

g)20180323

a)20170507

2.4 湖內(nèi)菹草生長過程對湖水氮磷含量影響

研究表明菹草在生長時(shí)期因其吸收各種水體營養(yǎng)物質(zhì)而對湖水起到了的凈化作用。在夏初季節(jié)植株腐爛分解過程中，有大量累積吸收的氮、磷向水體釋放。東平湖面積按120 km2，平均水深按2 m，菹草產(chǎn)量按250×104kg/km2，菹草覆蓋面積按80%，菹草平均含水率按92%計(jì)[17]，年產(chǎn)菹草干重約3.8萬t，鮮草約47.5萬t，含氮、磷各約6 707、190 t(亦是菹草對湖水中氮、磷的年吸收量，即總磷含量為5 g/kg干重)，表明內(nèi)源的貢獻(xiàn)非常大。菹草在開始腐爛的第4～6 d，磷元素的累積釋放率達(dá)到91.3%，可以估算出約有173 t的磷會釋放到湖中；氮元素的累積釋放量則是在第14 d達(dá)到最高值。

根據(jù)計(jì)算，相當(dāng)于總磷含量為0.73 mg/L(以最大釋放量173 t，面積120 km2和水深2 m計(jì)算)。因此，若通過打撈的方式降低湖水中的氮、磷元素的含量，最好在菹草生長盛期之后，腐爛分解過程開始之前進(jìn)行，一旦開始腐爛分解，就會造成東平湖水質(zhì)中氮、磷元素濃度的急劇升高。鄧煥廣等[22]研究結(jié)果也表明菹草在腐爛過程中會向水體釋放大量氮、磷元素及溫室氣體，對水體造成二次污染。陳志剛等[23]研究也發(fā)現(xiàn)菹草在腐爛后氮、磷分別釋放9.14%、32.02%；此外，菹草枯落物氮、磷元素積累指數(shù)(NAI)平均值分別為46.10和32.23，表明菹草在腐爛分解過程中氮磷元素均以凈釋放為主。根據(jù)2018年5萬t打撈量計(jì)算，僅可降低10.5%的釋放量，即總磷含量仍然可達(dá)0.65 mg/L。

3 結(jié)論

水生植物和養(yǎng)殖導(dǎo)致湖泊中的氮磷增加，為東平湖的菹草生長提供了豐富的營養(yǎng)。特別是水草的生長，近年呈增加趨勢。然而，水草雖然在生長季吸收了大量的氮和磷，對水體中的營養(yǎng)物質(zhì)有凈化作用，每年4—5月底達(dá)到盛期，起到了吸收湖水中氮、磷元素的作用。但是，6月后，隨著水草枯死、腐爛，磷再次釋放進(jìn)入水體，周而復(fù)始而難以清除。有研究結(jié)果表明，菹草中總磷含量為5 g/kg干重，每千克干菹草在第25 d時(shí)釋放磷的量達(dá)到高峰，釋放總量為5.65 mg 磷，按照菹草平均含水量92%來計(jì)算，那么假設(shè)每年收割2 212 t的濕菹草，消減磷的釋放量為1 t。因此，通過每年收割菹草抑制東平湖富營養(yǎng)化水平升高確實(shí)是一種有效的方法，但是要達(dá)到徹底消除水體污染的目的，必須得多措并舉。