千岛湖消落带区域环境监测研究进展

徐高福,叶小青,余梅生, 彭方有,许梅琳

(1.淳安县新安江开发总公司，浙江 淳安 311700； 2.浙江大学，浙江 杭州 310058)

千岛湖位于浙江省淳安县境内，是世界上岛屿最多的湖，当水位在108 m时，面积大于 2 500 m2的岛屿有 1 078 个，故名千岛湖[1]。千岛湖是1959年9月我国建造的大型水力发电站——新安江水力发电站拦坝蓄水形成的人工湖，又名新安江水库。作为长三角地区最大的淡水人工湖和重要水源地，千岛湖平均水深为34 m，水域面积达573 km2，蓄水量高达178.4亿 m3。千岛湖水在中国大江大湖中位居优质水之首，总体上属国家一级水体，被誉为“天下第一秀水”[2, 3]。

千岛湖地处亚热带中部，属于亚热带季风气候，森林覆盖率高，加上千岛湖水体的调节作用，千岛湖地区气候温暖湿润，四季分明，光照充足，雨量充沛[4]。

千岛湖是长三角地区重要的生态屏障，具有十分重要的生态战略地位，因此，对其生态环境的监测与保护十分迫切与重要。

1 消落带及其环境问题

1.1 消落带简介

消落带，是河流、水库及湖泊特有的一种现象，指的是水位季节性涨落而使水陆交界处周期性地淹没和出露水面的特殊区域，又称消落区、涨落区或涨落带[1, 4]。作为陆生生态系统和水生生态系统交替控制的过渡地带，消落带的植被十分稀少，生态系统非常脆弱，易受污染和被破坏，是一类特殊的湿地生态系统[5-7]。消落带是周围泥沙、污染物、化肥农药等进入水域的最后一道屏障，对水陆生态系统起着过滤和屏障等作用，对维持水陆交界处的生态系统的生产力、水陆生态系统的动态平衡、生态安全等方面都起着重要作用[8, 9]。消落带具有巨大的生态服务功能价值，会对区域生态环境产生巨大的影响，其影响受到国内外学者的广泛关注。因此，确切掌握消落带区域的生态环境状况，做好消落带区域植被恢复乃至生态重建等研究迫在眉睫。

1.2 消落带区域存在的环境问题

目前，我国对于消落带区域的生态环境问题研究主要集中在三峡库区消落带[10]，对千岛湖区域的生态环境问题研究较少，尤其是环境监测相关问题。但是，由于消落带区域生态系统的脆弱性，所处环境的特殊性，消落带区域存在较多的环境问题。

1)水陆交叉污染。作为水体与陆地环境系统的过渡地带，消落带区域两岸的垃圾以及消落带自身的土地利用而产生的面源污染物都会残留在消落带，因此，消落带区域的水体和土壤环境都受到较大的污染。

2)水土流失加重。消落带水位周期性地涨落使得消落带区域的水土流失较为严重，同时也加重了该区域的泥沙淤积。

3)生物多样性较少及生态系统受损。消落带水位周期性地变化使得消落带植物存活率降低，生物种类减少，从而导致生态系统受损。

4)流行疾病的诱发。由于被淹没地区残留的污染物不易扩散，尤其是在高温的夏季，消落带区域很容易滋生各种致病菌，从而诱发流行疾病[7, 8, 11]。

千岛湖消落带区域生态环境的优劣对千岛湖水生和陆生生态系统间的物质循环和能量流动，对区域水体和森林的生态安全都起着至关重要的作用[2]。因此，其生态环境问题应引起足够的重视，尤其应该监测消落带区域水陆环境的污染现状，明确该区域的水体、土壤和生物的环境污染程度，为区域环境的改善及污染的治理提供理论和数据基础。

2 环境监测的必要性

2.1 消落带环境污染对生态环境的直接影响

千岛湖风景秀丽，湖光山色，气候宜人，镜子一般的水面一望无际，周围的岛屿一片碧绿，丛生蔓延，宛如大自然的天然屏障。千岛湖不仅拥有令人陶醉的美景，吸引着无数旅客来此旅游，更具有极其重要的生态战略地位。然而，2004年曾报道，千岛湖流域内日生产垃圾总量250t，全年近9万t[12]，消落带区域残留的垃圾、枯萎的植被对消落带区域的生态环境造成直接的影响。因此，开展千岛湖消落带区域生态环境污染的监测，对于消落带环境污染的防治具有着重要意义，对保护千岛湖景区的自然景观和生态环境起着至关重要的作用。

2.2 消落带环境污染物对消落带植物的影响

千岛湖消落带区域的环境污染对消落带植物的生长生理状况存在着一定的影响。已有研究表明，环境污染物暴露会对植物的抗氧化酶系统产生负面影响。研究发现，除草剂2,4-滴丙酸(DCPP)会引起斜生栅藻细胞内过量活性氧(ROS)的产生及增强抗氧化酶的活性，也会引起藻细胞通透性的改变，从而导致亚细胞结构受到损伤[13]。除草剂禾草灵的暴露也会引起铜绿微囊藻细胞内过量ROS的产生及抗氧化酶活性的增强[14]。2004年报道千岛湖所在的淳安县农作物化肥的利用率仅为20%～30%，其余带入环境；每年使用农药达380 t，约70个品种[12]。事实上，在消落带区域植被种植过程中也有一些有机污染物包括除草剂、杀虫剂、化肥等的使用，而这很可能会对消落带植物的生长生理状况产生不利影响。因此，监测消落带区域土壤、水体及植物中除草剂等有机污染物的残留是消落带区域环境污染治理的基础。

2.3 消落带环境污染对人类健康的影响

千岛湖消落带区域的环境污染不仅对消落带植物的生长生理状况有着一定的负面影响，而且对人类的健康也存在着较大的影响。水是生命之源，饮用水的安全对人类的健康起着至关重要的作用。作为长三角地区最大的淡水人工湖和重要水源地，千岛湖水质的好坏与杭州地区甚至是长三角地区民众的健康都息息相关。消落带区域作为水陆交替带，水体污染物与土壤污染物的残留也必然存在较大的相关性。因此，为了确保饮用水质，保障人类的健康，开展千岛湖消落带区域环境监测十分重要。

2.4 环境监测的必要性

鉴于上述问题的迫切性和重要性，对千岛湖消落带区域的环境监测的研究亟待开展和深入。做好环境监测有利于确定消落带植物的生长环境，根据环境监测的结果可更具有针对性地改善消落带植物生长所依赖的环境介质，这有利于更好地掌控饮用水质量，从而减少环境污染对人类健康的危害，也有利于对千岛湖消落带区域整体环境质量的把握和环境污染的治理等。

3 消落带区域环境监测研究进展

目前，消落带区域环境监测主要集中在对土壤基本理化性质、重金属污染、有机质含量及氮磷含量的监测，对水体基本性质包括氮磷元素及化学需氧量(COD)的监测，对植物体内的污染物的监测少之又少，对植物生长存在较大影响的有毒污染物的监测也十分匮乏。

3.1 对环境介质的监测研究

目前，消落带土壤环境的研究主要集中在土壤的水分变化对适生植物的生理生化的影响，土壤重金属的含量及分布特征，土壤氮磷元素的含量与分布特征，以及土壤基本理化性质的研究[15]。王晓阳等人监测了三峡库区小江流域消落带区域重金属Ni、Zn、Cr、Cd、Cu和Pb的含量，发现小江流域消落带整体存在轻微污染，而局部地区存在中度污染，且Cd元素超标最为严重[16]。谌金吾等人检测了三峡库区云阳消落带土壤中重金属的含量，发现云阳消落带存在较为严重的Cd污染[17]。张艳敏等人对三峡库区消落带不同垂直高程的土壤样品分析后发现，三峡库区消落带重金属污染以As、Cd为主，这与王晓阳等人发现的小江流域消落带土壤中重金属污染以Cd元素超标最严重的结果相符合[18]。从这些研究可以发现，三峡库区消落带土壤中重金属的污染需要重视及进一步的治理。然而，目前关于千岛湖消落带土壤中的重金属含量和分布的研究仍然十分匮乏。除了土壤中重金属的研究，三峡库区消落带土壤中有机质和氮磷的含量的相关研究也已有报道[19-21]。余敏芬等人也测定了千岛湖消落带及林地土壤中全氮、碱解氮和硝态氮的质量分数，并用最小二乘法模型计算得到水蚀作用对千岛湖消落带土壤中全氮和碱解氮流失贡献分别为80.13万 t和10.95万 t，硝态氮在消落带综合富积量为913.39 t[22]。消落带生态环境十分脆弱，是富营养化易发区域，因此，关于消落带水体富营养化相关的监测较多，主要包括消落带水体中氮磷元素及叶绿素A含量的检测。余国庆等人研究发现，千岛湖区水质在2001—2013年间，只有2006年和2011年为Ⅰ类，其余各年均为Ⅱ类，且水体富营养化程度在不断加剧，2007—2013年千岛湖水体已为中营养状态[23]。但是关于消落带水体的其他有机污染物情况却少有报道。

3.2 对植物样品的监测研究

现有对消落带植物样品监测的研究更是少之又少。目前已有研究主要集中在水深对消落带植物抗氧化酶系统的影响上。张志永等人探究了三峡水库水深对消落带植物牛鞭草及狗牙根抗氧化酶活性的影响，发现淹水处理会导致牛鞭草和狗牙根根系总蛋白和丙二醛含量及超氧化物歧化酶活性下降，过氧化物酶活性上升[24]。李彦杰等人研究发现，狗牙根在较深水淹胁迫下氧化胁迫程度加剧[25]。除了对植物抗氧化系统影响的检测外，对消落带植物中残留的污染物的检测仍未有报道。

3.3 现有监测的不足之处

随着工农业的快速发展，各种环境污染物进入环境，消落带区域由于生态系统的脆弱性和特殊性，其环境介质中污染物的浓度监测及污染物的防治必不可少。然而，目前对于消落带区域的环境监测主要集中在土壤重金属、氮磷元素等基础研究，对于消落带区域环境介质及植被中其他污染物的残留监测十分匮乏，比如环境中持久存在的污染物POPs，新型污染物等有机污染物。此外，对于消落带水体及植物样品的污染物残留监测也仍然十分匮乏。

4 消落带区域环境监测的研究展望

针对已有的环境监测方面的研究进展和不足之处，笔者对千岛湖消落带区域可开展的环境监测提出以下展望，主要包括应该开展环境监测的污染物，环境监测应该选择的采样时间、采样点，以及可采用的分析方法3个方面。

4.1 应该开展监测的污染物

除了常规检测的基础污染物外，笔者认为，应开展消落带区域持久性有机污染物Persistent Organic Pollutants(POPs)、新型污染物等有机污染物的监测，主要原因如下：1)POPs作为一类持久性有机污染物，具有不易降解、易在环境中蓄积、易生物富集、易迁移转化以及生物毒性大等特点，其在环境介质中的残留很可能对消落带区域植物的生长生理状态产生影响，了解其在环境中的残留情况有助于更好地进行污染治理，从而减少POPs污染残留对植物生长的影响[26]。2)新型污染物如拟除虫菊酯杀虫剂等，由于较低的哺乳动物毒性、容易降解及环境友好等特点，被广泛地应用于控制农业害虫，在环境介质中普遍检出。而拟除虫菊酯会对生物体产生内分泌干扰作用，因此，监测消落带区域中拟除虫菊酯等新型污染物的残留，在明确环境残留情况之余，还能对此类杀虫剂的使用有更好的指导意义，从而减少此类污染物对消落带植被生长的影响[27]。此外，千岛湖消落带区域有机锡化合物的监测也十分必要。有机锡化合物主要应用于船舶防腐涂料，可有效防止水体附着生物对船体的污损，随着千岛湖旅游业的快速发展，湖上游艇、快艇等交通工具的使用愈加频繁，而这些船体外侧的有机锡污染物可能迁移转化至水体及土壤环境中，需要引起重视[28]。不论是POPs还是新型污染物，很多都是内分泌干扰物，它们在环境介质甚至于植物体内的残留都很可能对植物的生长生理生化产生干扰，从而影响消落带植物的生存与恢复。因此，开展千岛湖消落带区域此类有机污染物的监测十分必要。

4.2 环境监测采样时间及采样点的选择

环境监测采样时间及采样点的选择对环境污染状况结果至关重要，而千岛湖消落带区域水位的变化直接影响着其土壤所处的环境。有研究表明，消落带区域水位的变化会改变该区域光照、氧含量等环境因素，这对植物的光合作用与呼吸作用，生长与繁殖都起着至关重要的调控作用，从而可能改变该区域的植被分布、物种丰富度甚至生态功能等[9,29]。因此，对于千岛湖消落带区域环境监测样品采集中，采样时间和采样点的选择一定要根据水位的变化规律而定(图1)。

图1 1961—2016年千岛湖月均水位Fig.1 Monthly average water levels in Thousand-island Lake from 1961 to2016

从图1可以看出，从1961年至2016年这56年来，每年水位的变化幅度逐渐减小，但是每年的月均水位落差值仍然在5～10 m。在千岛湖消落带，每年至少在高水位和低水位期间分别采集一次样品(大部分高水位出现在6—8月，低水位出现在12、1 和2月)。根据千岛湖这56年最高水位和最低水位出现月份的频率，可以选取最高水位出现频率最高的7月份和最低水位出现频率最高的2月份进行样品采集。

同时，分别选取了2008—2016年高水位期7月和低水位期2月的千岛湖日平均水位变化数据(图2)，根据日平均水位值计算得出2008—2016年7月和2月每月日平均水位极差平均值分别为2.05 m和1.09 m。根据独立样本T检验，发现这2个月份日平均水位极差存在显著性差异(p<0.05)，即7月份水位变化极差显著高于2月份水位变化极差。而这2个典型月的日平均水位变化基本均呈单调变化，因此，可以选择月中(15号)进行样品的采集，较能代表该月的平均水平。

图3是2016—2017年2月与2015—2017年7月的小时水位的变化图。可以看出，除2017年7月20日9—11时水位变化剧烈之外，其余天数24小时水位变化均不大。根据这5个月每日小时水位值计算得到7月份每日小时水位极差平均值与2月份每日小时水位极差平均值分别为0.08 m和0.05 m，根据独立样本T检验发现这2个月份每日小时水位极差不存在显著性差异(p>0.05)。因此，就水位而言，采样时间在上午和下午没有明显差异。总的来说，采样时间选择上，一年至少要选高水位和低水位2个月份，且最好在月中，但在具体的某日采样的时间上没有严格要求，只要保持一致即可。

图2 2008—2016年7月和2月千岛湖日平均水位变化(A：7月；B：2月)Fig.2 Daily average water levels in Thousand-islandLake in July and February from 2008 to 2016(A:July ; B: February)

图3 2016—2017年2月与2015—2017年7月小时水位的变化Fig.3 Hourly water levels in Thousand-island Lake inFebruary from 2016 to 2017 and in July from 2015 to 2017

土壤样品监测中，样品的采样误差甚至会大于分析误差。因此，在土壤样品的采集过程中，一定要选择有代表性的采样点，这样才能尽可能地减少采样误差对监测结果的影响。土壤样品的采样布点方法一般有以下4种：对角线布点法、梅花形布点法、棋盘型布点法以及蛇形布点法。具体的采样布点方法要根据具体的地势、土地面积及土壤是否均匀决定[30]。土壤样品的采样深度根据具体监测目的而定。表层土(0～20 cm)的样品可以表征土壤一般污染状况。如果需要了解不同土壤深度的污染状况，则需按土壤剖面的具体层次分层采样[31]。就消落带区域土壤而言，还要根据水位的情况决定。此外，每个样品至少取3～5份平行，从而更好地进行监测的质量控制和质量保证。

4.3 可采用的检测方法

虽然在消落带区域环境及生物样品的监测研究较少，但是，上述污染物在一般环境样品中常被检测，因此，关于上述污染物的检测方法较为成熟。笔者对不同的污染物(POPs及新型污染物等)在环境介质及植物体内的检测方法进行总结。

POPs，主要包括多氯联苯、多环芳烃、有机氯农药、多溴联苯醚等。土壤样品中POPs的检测主要采用气相色谱、质谱联用仪进行测定。样品上机前的预处理步骤比较复杂，概括起来通常可以分为以下几步：1)称重。土壤样品冷冻干燥，研磨过筛，称重。2)提取。常用的有索氏提取、超声萃取、振荡、微波辅助萃取等。3)净化。一般选用硅胶氧化铝层析柱进行净化，也有研究在净化柱中再加入弗罗里土，从而更好地去除土壤样品中的杂质。4)浓缩。一般先选用旋转蒸发再使用氮吹对样品进行浓缩，如有必要，可以置换溶剂。5)定容。根据浓缩倍数及预实验浓度而定，一般在50～500 μL。定容后密封保存于-20 ℃环境中，待上机分析[32]。水体样品相对于土壤样品的预处理要稍微简单一些，不需要冷冻干燥，直接量体积提取即可，后面的步骤与土壤样品基本一致[33]。植物样品中POPs的检测与土壤样品较为相似，也需经过冷冻干燥、研磨、称重、提取、净化、浓缩和定容这几个步骤[34]。

新型污染物，包括邻苯二甲酸酯、双酚A、拟除虫菊酯杀虫剂等。土壤中邻苯二甲酸酯的预处理方法与土壤中POPs检测的预处理方法基本一致，只是过层析柱的步骤时需用其他溶剂再次淋洗[32]。土壤中双酚A的检测也可采用气相色谱——质谱联用技术来测定，预处理方法除萃取、净化和浓缩外，还需要进行衍生化反应[35]。土壤样品中拟除虫菊酯的检测与POPs检测的预处理方法也基本一致[36]。总的来说，土壤中此类污染物的检测及预处理技术的基本步骤一致，但是具体的仪器检测条件、设置参数以及样品预处理过程中溶剂的选择及其他所用试剂的选择都要根据待检测物本身的结构性质而确定。水体中此类污染物的预处理主要是液液萃取或固相微萃取、浓缩、定容及上机分析几个步骤[37]。植物中此类污染物的检测与土壤基本类似，但是由于污染物含量可能存在一定差异，因此在浓缩倍数、各试剂使用体积上需要根据具体情况进行调整。

在环境监测的过程中，无论是对水体、土壤还是植物中哪种物质的检测，都一定要做到质量控制与质量保证。在有机物的分析中，样品预处理和仪器分析过程都严格遵守质量控制和质量保证，才能取得准确的检测分析结果。而只有监测的数据结果真实可靠，才能对环境保护与治理提供准确的指导。在环境样品有机物分析过程中，质量控制和质量保证主要应做到以下几点：1)样品分析过程中不受任何污染。由于环境样品有机污染物的分析一般属于痕量分析，分析过程中引入的任何污染都可能对分析结果产生影响。因此，分析所用的所有玻璃器皿都需经过严格清洗并在450℃下烘烤4 h以上。2)确保方法回收率。为了确定待测物在预处理过程中是否受到污染及是否损失较大，一般在样品提取前加入示踪物，从而确保样品处理过程回收率。一般回收率在80%～120%时认为回收率较好。3)确保分析的精确度。在样品分析过程中，为了确保结果的精确，一般要求所有样品设立3～5个平行，且相对标准偏差不能太大[32, 38]。

5 结语

消落带是周围污染物、化肥农药等进入水域的最后一道屏障，对当地生态环境有着重要的意义。对消落带环境介质及植物中污染物的含量进行监测，有助于了解消落带生态环境质量，有助于更好地因地制宜地对消落带区域的生态环境进行管理与治理。此外，考虑到环境污染物对消落带植物可能存在一定的负面影响，检测消落带环境介质的含量尤其是消落带区域植物体内污染物的残留情况，可以更好地了解消落带植物受到的污染状况，从而更有针对性地对消落带植被恢复提出有效的解决办法。此外，由于不同流域消落带的差异性较大，在借鉴其他区域研究理论和经验的同时，必须结合消落带区域自身实际进行监测研究。总的来说，在千岛湖消落带区域的保护和开发过程中，不仅仅要进行各种污染物的环境监测，也要充分发挥其各种功能，最终建立可持续发展的千岛湖消落带生态系统。

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