夏季太湖浊度分布特征及其在水—沉积物界面识别中的应用

周 莉，冯 胜，李忠玉，张运林，白 杨，4（.常州大学石油化工学院，江苏 常州 364；.中国科学院南京地理与湖泊研究所，湖泊与环境国家重点实验室，江苏 南京 0008；3.常州大学环境与安全工程学院，江苏常州 364；4.江南大学环境与土木工程学院，江苏 无锡 4）

夏季太湖浊度分布特征及其在水—沉积物界面识别中的应用

周 莉1，2，冯 胜3*，李忠玉1，张运林2，白 杨2，4（1.常州大学石油化工学院，江苏 常州 213164；2.中国科学院南京地理与湖泊研究所，湖泊与环境国家重点实验室，江苏 南京 210008；3.常州大学环境与安全工程学院，江苏常州 213164；4.江南大学环境与土木工程学院，江苏 无锡 214122）

基于2014年8月对太湖61个采样点的浊度和各物理化学指标的测定，分析夏季太湖浊度空间、垂直分布特征及其影响因素，利用实测的湖泊底层浊度垂直分层对水—沉积物界面进行定量识别.结果表明，夏季太湖浊度表、中、底层浊度平均值分别为（28.3±21.4），（23.0±13.3）， （31.7±15.0） NTU，总体分布趋势为太湖北部贡湖湾、梅梁湾最大，其次为西部及湖心区，较低值出现在胥口湾及东太湖；线性回归分析表明，表、中、底层浊度分别与叶绿素a、无机悬浮物、总悬浮物浓度的拟合关系最好；基于浊度垂直分层定量识别的太湖水—沉积物界面厚度均值为（156.4±53.5） mm，其中贡湖湾及太湖西部厚度最大，其次为湖心区及梅梁湾，东太湖、胥口湾、竺山湾界面厚度最小，界面厚度与中层浊度存在显著的正相关（R2=0.552），风浪引起的频繁的沉积物再悬浮将增加水—沉积物界面厚度.太湖浊度的垂直分层可用于水—沉积物界面的定量识别，为水—沉积物界面营养盐交换和物质循环研究提供科学依据.

太湖；浊度；水—沉积物界面；空间分布；垂直分层

浊度是指水体中悬浮物阻碍光线透过的程度，水中悬浮物包括细微有机物和无机物、浮游生物、微生物、泥土、砂粒等.从光学角度分析，浊度表示水体对光的吸收和散射能力，浊度越大则表示水层对光的吸收和散射能力越强［1］.因此，浊度是表征水体光学现象甚至是湖泊水质的重要物理指标［2］.在大型浅水湖泊，沉积物再悬浮是影响水体浊度的重要因素［3］，同时对生态系统也有重要的影响.一方面，沉积物再悬浮降低了水体透明度，增加了浊度，直接影响光照在水中的垂直分布，从而影响到沉水植物的光合作用及其分布［4］.另一方面，沉积物中的营养盐亦会通过再悬浮释放到水中，增加水体营养盐含量，加剧湖泊富营养化程度和蓝藻水华爆发风险［5］.水体和沉积物间存在边界，为水相和固体相的分界面，即水—沉积物界面［6］.此分界面并非是静态的，在水—沉积物界面上存在复杂的化学、生物学过程，是底部两相物质的“缓冲带”，且随着水、沉积物的相互作用其界面动态变化，在垂直方向上存在一定的变化幅度（厚度）［7］，但以往的研究缺乏有效识别和测定方法.沉积物和水体界面之间存在生物相，包括底栖动物、着生生物、微生物以及植物根系和死亡生物组成的有机碎屑［8］，是两者之间物质输送、交换的重要边界与通道［9］.而光在水体及沉积物中传播、透过的程度不同，两者相差较大，特别是在风浪扰动较强的大型浅水湖泊底部，浊度的变化与风浪扰动息息相关，在水动力扰动频繁的藻型湖区浊度较大，而在相对较为静止的草型湖区透明度较高，浊度较小，以往的研究通过溶解氧确定的水—沉积物界面厚度表现为藻型湖区大于草型湖区［10］，因此水—沉积物界面厚度可能与浊度的高低、空间分布密切相关.然而，对于不同环境要素（浊度、溶解氧、营养盐等）的变化，水—沉积物界面的位置和厚度不尽相同［10-11］，呈现出一定的不稳定性，如物理扰动（如水动力扰动）［12］和生物扰动（如底栖动物活动）［13］等均可能改变水—沉积物界面环境和厚度.太湖是我国大型浅水湖泊，水域面积为2338.1km2，平均水深1.9m，湖盆底部较为平坦，底泥平均厚度为0.65m［14］，由于受风浪扰动影响而具有复杂的水—沉积物环境.夏季是太湖水体受风浪扰动影响较大的季节，沉积物再悬浮发生更为频繁［15］，而且浮游藻类、水生植物生长累积较快，不仅影响水体浊度空间分布，而且对水—沉积物界面动态变化影响更为剧烈.已有的关于太湖浊度的研究主要为浊度和悬浮物浓度定量关系的构建及其模拟［16］、对水生植物生长的影响等［17］，缺少空间分布的定量研究，而这是研究水—沉积物界面的重要内容.另外，长期以来，诸多学者对太湖水—沉积物方面的研究也主要集中在营养元素的形态特征［18］及时空分布［19］，生物对营养盐交换过程的影响等方面［20］，而对水—沉积物界面的定量识别只有基于溶氧的垂直剖面开展的部分研究［10］.本文根据2014年8月份的一次全湖采样，探讨夏季太湖浊度的空间分布及影响因素，并由浊度垂直分层定量识别水—沉积物界面厚度及其分布特征，为太湖水—沉积物界面营养盐交换和物质循环研究提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 野外样点布设与方法

本实验于2014年8月3～6日开展，对太湖布设61个采样点，涵盖全湖草型湖区、藻型湖区及开敞水域等不同生态系统类型，调查水体浊度的水平分布和垂直分层（图1）.在每个采样点记录其经纬度，并用多参数水质速测仪（YSI6600V2，美国YSI公司）由水面缓慢放至湖泊底部，测定水体的温度、溶解氧、浊度等理化指标，过程中采用自动记录方式每隔2s进行数据采集并存储，对应水深间隔0.01～0.02m记录一次数据.同时采集上层（0～50cm）水样，带回实验室分析悬浮物、叶绿素a等水化指标.

图1 太湖采样点分布示意Fig.1 Distribution of sample sites in Lake Taihu

1.2 测试项目与方法

水样用GF/F膜（Whatman公司，英国）过滤，叶绿素a采用分光光度法测定，用90%的热酒精萃取色素，然后在UV-2550紫外分光光度计（岛津公司，日本）上测定，并通过计算得到叶绿素a的浓度［21］.水样用在500℃下烧过的GF/F膜过滤，随后在105℃下烘4h至恒重称量，并随后于马弗炉中500℃下烧4h，并取出称量膜重，进而计算获得总悬浮物、无机悬浮物和有机悬浮物浓度.称量均使用精度为0.01mg的电子天平（赛多利斯公司，德国）.

1.3 界面厚度计算

以往的研究没有关于利用浊度垂直分层来进行水—沉积物界面定量识别的报道，因此参考的依据非常有限，本文采用湖沼学研究中与温跃层和氧跃层判别类似的方法［22-23］，即确定浊度分层的上下两个临界点进而计算获得水—沉积物界面厚度.具体而言就是根据现场多参数水质速测仪测得的浊度垂直剖面数据进行临界点的判断和计算.为了找到水—沉积物界面的临界点，首先计算浊度分层强度：

式中：Ts（i）表示水下第i层的浊度分层强度；Tur（i）表示水下第i层的浊度；D（i）表示水下第i层所对应的深度.实测研究表明Tur（i）会随着i的增大而逐渐增大，当光从水体介质传播接近水—沉积物界面时，Tur（i）突然增大，浊度垂直剖面分布出现第1次拐点，随后浊度急剧增加但深度并未发生较大变化，曲线出现第2次拐点，表明测定深度到达沉积物层（图2）.通过对本次61个采样点的分层强度数据统计分析，可以确定曲线转变的浊度范围及深度，2次拐点对应的Ts（i）值为100～10000，因此研究假定：当Ts（a） ＞ 100时，第a层为临界面，在a层以上为水面，在a层以下为界面；当Ts（b） ＞10000时，此时的b层为水—沉积物界面的另一个临界面，在b层以上为界面，在b层以下为沉积物.因此，界面的厚度就是从a层到b层即100 ＜Ts（i） ＜ 10000的厚度.对应的计算公式为：

式中，T为界面厚度，D（a）为第a层对应的深度，D（b）为第b层对应的深度.

图2 太湖浊度随水深变化示意Fig.2 Depth profile of turbidity in Lake Taihu

1.4 数据处理与分析

根据前人研究和太湖的平均水深［24］，本研究中太湖表层浊度一般为水深0～0.2m处浊度的均值，中层浊度为水深1～1.2m处浊度的均值，底层浊度为界面与水层的临界面（即第a层）深度以上20cm处浊度的均值.本文所有数据均采用Microsoft Excel 2007、Origin 8.5及Arcgis 10.2软件进行统计分析与制图.

2 结果与讨论

2.1 太湖浊度空间分布及影响因素

2.1．1 太湖浊度空间分布特征 太湖表层浊度的平均值为（28.3±21.4） NTU，变化范围为0～107.7NTU，其中贡湖湾以及太湖西北部表层浊度较高，而东太湖、胥口湾等草型湖区表层浊度相对较小（图3（a））.太湖中层浊度平均值为（23.0 ± 13.3）NTU，变化范围为0～55.8NTU，较高值区域在贡湖湾，其次是西太湖及湖心区，低值区域为胥口湾及东太湖湖区（图3（b））.而太湖底层浊度的平均值为（31.7±15.0） NTU，变化范围为4.0～66.2NTU，较高值区域为太湖北部的贡湖湾及梅梁湾湖区，其次是西太湖及湖心区，低值区域为胥口湾及东太湖湖区（图3（c））.太湖水体表、中、底3层浊度的总体分布趋势为太湖北部贡湖湾、梅梁湾最大，其次是太湖西以及湖心区域，而胥口湾及东太湖区域浊度较低.这可能与2014年夏季太湖蓝藻水华爆发有关，聚积的颗粒态藻增加了水体浊度，其分布范围覆盖了除东太湖以外的大部分湖区［25］，影响了太湖浊度的水平分布.

图3 太湖表、中、底层浊度（NTU）空间分布Fig.3 Spatial distribution of turbidity of surface， middle， and bottom layers in Lake Taihu

图4 太湖表层、中层和底层浊度与水体叶绿素a浓度的线性拟合关系Fig.4 Linear fitting of chlorophyll a concentration and turbidity of surface， middle and bottom layers in Lake Taihu

2.1．2 浊度与叶绿素a关系 将表、中、底层浊度分别与叶绿素a浓度进行线性拟合，结果表明3层浊度与叶绿素a浓度均存在显著线性关系，且随着叶绿素a浓度的增大而增大，但表层水体的线性拟合效果较好，决定系数R2值最大（图4）.叶绿素a浓度表征了浮游藻类的生物量大小，夏季与此时优势藻类蓝藻的生长和生物量累积密切相关［26］，其在空间的不同分布影响了不同区域的浊度.本次采样时间为8月份，是一年中藻类生长最为快速的时间，加之在东南盛行风作用下会将大量藻类吹聚在太湖北部［27］，而此水域也是蓝藻水华爆发最严重的区域，如竺山湾、梅梁湾等地区［28］.藻类的聚积致使叶绿素a浓度升高，且蓝藻易上浮至水体表面，导致藻类生物量主要分布在水体表层，影响光线透过水体的程度，从而增加表层浊度.而深层浊度由于藻类生物量相对较小导致相关性有所降低.由于本次研究在浮游藻类大量生长的夏季开展，因此浊度特别是表层浊度受叶绿素a的影响比较大，但在其他季节由于浮游藻类生物量相对较低，浮游藻类对浊度的影响可能也会相对较小，未来将进一步强化其他季节浊度的空间监测，以便更详细阐述大型浅水湖泊浊度的形成机制.

2.1．3 浊度与无机悬浮物关系 将浊度与无机悬浮物浓度进行线性拟合分析，发现表、中、底层相关性均达到显著水平，且中层浊度与无机悬浮物浓度拟合的决定系数R2值为0.515，大于表层（R2=0.422）和底层（R2=0.387）（图5）.悬浮物浓度会受到河流入流、底泥再悬浮、湖内藻类繁殖等的影响，且无机悬浮物是影响浊度的重要因素［29］.太湖藻类等有机悬浮物会漂浮在水体上层，而中层无机悬浮物占总悬浮物比重较大.研究认为当太湖风浪高于0.12m时，太湖底泥沉积物将被扰动再悬浮［30］.再悬浮作用使沉积物中的无机悬浮物进入水体，由于浮力或者风浪作用悬浮于中层，从而影响太湖中层浊度的分布.而表层和底层水体由于藻类、底泥再悬浮导致有机悬浮物所占比重较大，浊度受无机悬浮物的影响可能较中层小.中层浊度的最低值出现在东太湖湖区，由于东太湖湖区存在大量水生植物，一方面水生植物对悬浮物的吸附、吸收作用使悬浮物的浓度降低，另一方面水—沉积物界面因植物根系固着使沉积物再悬浮概率减小［31］，导致浊度较低.

图5 太湖水体表层、中层和底层浊度与无机颗粒物浓度线性拟合关系Fig.5 Linear fitting of inorganic suspended matter concentration and turbidity of surface， middle and bottom layers in Lake Taihu

2.1．4 浊度与总悬浮物关系 浊度与总悬浮物浓度的线性拟合分析表明，在表、中、底层浊度均随着总悬浮浓度的升高而上升，且线性拟合均达到显著水平，底层的拟合效果最好，其决定系数（R2=0.648）大于表层（R2=0.521）和中层（R2=0.478）（图6）.总悬浮物包含无机悬浮物和有机悬浮物.在湖泊水体中总悬浮物浓度受水深、风浪扰动、水生生物等影响较大［32］.而太湖是典型的大型浅水湖泊，水深较浅，在风浪作用下底泥极易再悬浮进入上覆水中.同时再悬浮促进了底泥营养盐及无机离子的释放，增加了上覆水无机悬浮物含量，使得总悬浮物浓度增加，从而影响水下光场的分布及底层水体浊度［33］.另外，底栖动物的活动也能改变水—沉积物界面悬浮物浓度.如在小风浪扰动条件下，底部沉积物静态释放营养盐进入上层水体，对悬浮物浓度影响较小，此时底层生物的扰动可能占主导地位.而且挺水植物、沉水植物吸收营养盐，阻碍底泥再悬浮作用，亦会降低总悬浮含量.虽然研究表明沉积物表层微生物的活动同样会促进营养盐的释放［34］，但对底层悬浮物浓度的增加作用较小.相比叶绿素a和无机悬浮物，总悬浮物与底层浊度的拟合效果较好.对于大型浅水湖泊而言，水体悬浮物浓度很大程度上受制于风浪的扰动［35-36］，因此浊度的变化与风浪扰动息息相关.本研究在全湖布设了61个站点，在一定程度上能体现风浪的影响，但尚缺乏风浪过程对水体浊度影响的数据结果，未来将结合典型风浪过程开展连续高频监测，探讨浊度对风浪扰动的响应.

图6 太湖水体表层、中层和底层浊度与总悬浮物浓度线性拟合关系Fig.6 Linear fitting of total suspended matter concentration and turbidity of surface， middle and bottom layers in Lake Taihu

2.2 太湖浊度的垂直分层

根据太湖不同湖区浊度的垂向分布，将太湖划分为3个湖区，分别为藻型湖区（梅梁湾、贡湖湾）、开敞型湖区（太湖西部、湖心区域）和草型湖区（胥口湾、东太湖）.藻型湖区的浊度随着水深的增加先减小后增大（图7）.由于夏季藻类生长、累积较快，如蓝藻聚集在湖区表面，可能增加藻型湖区表层浊度，而随着深度的增加，藻类生物量减少，浊度也会相应降低.而藻型湖区的中下层浊度临近水—沉积物界面，随着深度的增加而增大.在开敞型湖区，浊度的变化在水深2.25m以上随着深度的增加变化趋势很小，当到达界面时，浊度迅速增加到最大值.相较藻型湖区，开敞型湖区受风浪扰动较大，水—沉积物界面处底泥易被悬浮至水体中，且再悬浮的路径相对较小［5］，导致底层浊度上升较快，出现突然增大的趋势.草型湖区浊度的变化趋势与开敞型湖区相似，但草型湖区的透明度较高，表层浊度约为10NTU，而开敞型湖区表层浊度在35NTU左右，由于后者水域开阔，易受风浪扰动等影响，使沉积物发生再悬浮［37］，导致水体浊度远高于草型湖区.

图7 太湖三种湖区浊度垂直分层Fig.7 Vertical distribution of turbidity in Lake Taihu in three different lake regions

2.3 水—沉积物界面的定量识别 利用浊度的分层进而得到各采样站点水—沉积物界面的厚度值，考虑站点分布相对均匀，利用算术平均计算得出太湖水—沉积物界面的平均厚度为（156.4±53.5） mm，变化范围为45.0～229.0mm.太湖水域中贡湖湾、太湖西区域界面厚度最大，其次是湖心区，而东太湖、胥口湾、竺山湾相对较低，表现为强风浪作用水域界面厚度较厚，而风浪较小的湖湾界面厚度较薄（图8）.对于浅水湖泊而言，由于频繁的水动力扰动，界面的定量识别较为复杂，对于不同的环境要素，水—沉积物界面的位置和厚度会存在明显差异［10-11］.有研究通过溶解氧的垂直分布确定水—沉积物界面位置及厚度，但溶解氧垂直变化有季节性差异，夏季存在突变层，其他季节溶解氧上下差异不明显［38］，温度是影响溶解氧的关键因子，而且夏季浮游植物大量生长会影响溶解氧，说明溶解氧具有很强的不稳定性，利用溶解氧确定的厚度会存在明显季节性差异及不稳定性.影响浊度分布的主要因素是物理扰动及生物扰动，温度、动植物生命活动等因子影响较小，呈现较大的稳定性.

图8 太湖水-沉积物界面厚度（mm）空间分布Fig.8 Spatial distribution of thickness of the water-sediment interface in Lake Taihu

为探讨夏季太湖水—沉积物界面厚度分布的影响因素，消除表层大量藻类覆盖和底部浊度在界面快速变化的影响，对中层浊度与界面厚度进行线性拟合.结果表明界面厚度随着中层浊度的增加而呈增加趋势（图9）.反映了夏季强风浪过程引起的浊度增加会显著增加水—沉积物界面厚度，从而可能改变水—沉积物界面生物地球化学过程.太湖北部、西部湖区界面厚度较大，预示在夏季强风浪扰动下悬浮物容易释放营养盐进入水体，从而有利于藻类特别是蓝藻的生长和生物量的累积，加重该水域的污染程度，使得浊度增加.胥口湾和东太湖的水—沉积物界面厚度较小，由于水生植物对沉积物再悬浮的阻挡作用，悬浮物对浊度的影响有限，使得水体透明度较大，有利于水生植物对光的利用.

图9 浊度与界面厚度的拟合分析Fig.9 Linear fitting between the thickness of watersediment interface and turbidity in Lake Taihu

未来将进一步强化其他季节浊度的空间、垂直分布及对风浪扰动的响应研究，以便更详细阐述大型浅水湖泊浊度的时空格局及影响机制.

3 结论

3.1 夏季太湖表、中、底层浊度平均值分别为（28.3 ± 21.4）， （23.0 ± 13.3）， （31.7±15.0） NTU，总体分布趋势为太湖北部贡湖湾、梅梁湾最大，其次为西部及湖心区域，较低值出现在胥口湾及东太湖区域.叶绿素a主要影响表层浊度，中层和底层浊度分别与无机悬浮物、总悬浮物浓度拟合效果最好.

3.2 夏季太湖藻型湖区浊度随着深度的增加呈先减小后增大趋势，开敞型湖区浊度随着深度的增加缓慢增大后在底层迅速升高，草型湖区浊度变化趋势与开敞型湖区相似，但其浊度明显小于开敞型湖区.

3.3 利用浊度垂直分层获得全湖水—沉积物界面平均厚度为（156.4±53.5） mm，贡湖湾及太湖西部厚度最大，东太湖、胥口湾、竺山湾界面厚度最小，界面厚度随浊度增加而增加.

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致谢：特别感谢中国科学院南京地理与湖泊研究所施坤、周永强、刘刚、张毅博采样提供的数据，感谢刘笑菡在室内实验提供的帮助，感谢吴攀、周永强在作图及文章修改过程中给予的帮助.

Characteristics of turbidity in summer in Lake Taihu and its application to the identification of water-sediment interface.

ZHOU Li1，2， FENG Sheng3*， LI Zhong-yu1， ZHANG Yun-lin2， BAI Yang2，4（1.School of Petrochemical Engineering， Changzhou University， Changzhou 213164， China；2.State Key Laboratory of Lake Science and Environment， Nanjing Institute of Geography and Limnology， Chinese Academy of Sciences， Nanjing 210008， China；3.School of Environmental and Safety Engineering， Changzhou University， Changzhou 213164， China；4.School of Environment and Civil Engineering， Jiangnan University， Wuxi 214122， China）. China Environmental Science，2015，35（10）：3108～3116

A field investigation was conducted of 61stations in Lake Taihu （summer， 2014）. Based on the field measurements of several physical and chemical parameters， we first characterized the turbidity spatial and vertical distribution and analyzed its affecting factors. Then， water-sediment interface was identified using the measured vertical stratification of turbidity at the bottom in Lake Taihu. The results showed that the mean values of turbidity of surface，middle， and bottom layers were （28.3 ± 21.4）， （23.0 ± 13.3）， （31.7 ± 15.0） NTU， respectively. The maximum turbidity appeared in the northern regions of Lake Taihu， including Meiliang Bay and Gonghu Bay， followed by the southwestern open water. However， East Lake Taihu and Xukou Bay showed the lowest turbidity. The best predictor of turbidity of the surface， middle and bottom layers was the concentrations of chlorophyll a， inorganic suspended matter， and total suspended matter， respectively. The thickness of the water-sediment interface ranged from 45.0to 229.0mm with a mean value of （156.4 ± 53.5） mm. The higher thickness was observed in Gonghu Bay and southwestern open water. In contrast，the lower thickness appeared in East Lake Taihu and Xukou Bay. Significantly positive correlation was found between turbidity and the thickness of the water-sediment interface （R2=0.552）. The study suggests that increasing turbidity frequently resulted from strong wind waves would increase the thickness of water-sediment interface. Therefore， thevertical stratification of turbidity can be used to quantitatively identify water-sediment interface thickness， which will provide scientific support for the study of nutrients exchange and material circulation between water-sediment interfaces.

Lake Taihu；turbidity；water-sediment interface；spatial distribution；vertical distribution

X524

A

1000-6923（2015）10-3108-09

周 莉（1990-），女，江苏泰州人，硕士，主要从事湖泊水环境监测与治理等方面的研究工作.

2015-03-30

国家自然科学基金项目（41301376， 41325001）；中国科学院南京地理与湖泊研究所“一三五”重点布局项目（NIGLAS2012135003）；江苏省杰出青年基金项目（BK2012050）

* 责任作者， 副教授， shfeng@cczu.edu.cn