鄱阳湖边缘湖区水体营养状态分析<br/>——以大湖池和沙湖为例

鄱阳湖边缘湖区水体营养状态分析
——以大湖池和沙湖为例

2018-03-30胡倩倩丁新航

安徽农业科学 2018年9期

胡倩倩，梁越，丁新航，肖浩，罗笠

(东华理工大学江西省大气污染成因与控制重点实验室，水资源与环境工程学院，江西南昌 330013)

富营养化问题一直是国内外湖泊研究的重点之一，目前我国66%以上的湖泊、水库处于富营养化水平，其中重富营养和超富营养占22%，美国的Apopka、George和Okeechobee 湖及日本的霞浦湖都是富营养化湖泊，富营养化问题已成为湖泊相当长一段时期内的重大水环境问题[1-2]。随着经济、城镇化、工业和农业的快速发展，来自于五大河流的鄱阳湖流域的污染源排放呈上升趋势，鄱阳湖对这些来源的氮、磷具有显著的滞留作用[3]。鄱阳湖的过水性湖泊特征，一定程度上减轻和掩盖了其水体富营养化程度，同时也出现了丰水期和枯水期水体富营养化程度差异较大的现象。研究表明，鄱阳湖水体具备发生“水华”现象的营养盐基础，水体富营养化主要限制因子是化学需氧量(COD)、总氮(TN)、总磷(TP)，同时TN/TP的比值也影响水体富营养化程度，其中，TP和TN/TP是鄱阳湖水体富营养化的主导因子[4-5]。我国湖泊营养状态评价方法主要采用的是基于经验频率曲线的随机评价方法[6]、模糊评价方法[7]和灰色评价方法[8]，这些富营养化评价方法的计算精度基本相当[6]。

由于鄱阳湖是通江湖泊，水体交换快，丰水季节带走了大量营养盐，而枯水期主航道水流速度快，水体浑浊不利于蓝藻生长聚集。然而，鄱阳湖边缘有较多的小湖泊，丰水期与鄱阳湖主体连成一片，枯水期几乎是封闭的积水洼地，营养盐滞留在很浅的小湖内，容易富营养化，藻类大量增殖[9]。鄱阳湖氮的生物地球化学循环主要发生在边缘缓水湖区，因此研究边缘湖区营养状态特征有助于对鄱阳湖营养循环过程的深入认识[10]。鄱阳湖国家级自然保护区位于赣江主支与修河入湖的尾闾地区，是典型的鄱阳湖边缘湖区，是冬季候鸟主要栖息地。笔者选取赣江和修河的入湖尾闾——大湖池和沙湖为采样地，监测其水质参数，运用经验频率曲线的随机评价方法分析不同月份和水位的营养状况，旨在为鄱阳湖边缘湖区的水生态开发与保护提供科学依据。

1 材料与方法

1.1研究区域与样品采集大湖池和沙湖为鄱阳湖边缘湖区，位于江西省北部，永修县境内，吴城镇的西面，是鄱阳湖两大支流赣江和修河尾闾复合三角洲上的堤间洼地，水流随江河水位而变，流向不定。在每年鄱阳湖退水后的枯水季节成为湖滩地上的滞水性湖泊，在洪水季节与周边河流和鄱阳湖主体连成一片。湖中苔草茂盛，鱼虾资源丰富，是越冬候鸟觅食和栖息的良好场所，鄱阳湖候鸟主要保护区之一。

大湖池和沙湖的水深随季节的变化而变化，8月是丰水期，水深6.0 m左右，10月至第2年的4月为枯水期，水深0.3～0.8 m，5月为平水期，也是水位上涨时期，水深3.0 m左右，水位的差异主要是由于鄱阳湖流域季节性降雨，5—8月为汛期。该研究采样时间为2016年12月15日、2017年3月15日、4月15日、5月20日、8月1日及10月1日。水样采集使用有机玻璃采水器，枯水期由于水浅在水面0.1 m以下采集，丰水期在水面下0.5 m处采集，水样数量为8～10个。采样点如图1所示。

图1 大湖池和沙湖及周围水域采样点Fig.1 Sampling sites in Dahuchi Lake and Shahu Lake and around its watersheds

1.2水体理化参数测定水体理化参数TN、TP、NH4+-N、NO3--N分别采用过硫酸钾氧化紫外分光光度法、过硫酸钾氧化钼锑抗分光光度法、纳氏试剂光度法、酚二磺酸光度法进行测定，具体方法参考《水和废水监测分析方法》[11]。用水质分析仪(HACH)现场测定pH、电位、溶解氧(DO)及叶绿素a(Chl-a)(HACH HYDROLAB)等参数。

1.3湖泊富营养化评价方法基于经验频率曲线的湖泊富营养化随机评价方法[6]，可以对湖泊的营养状态进行分析。各项水质指标(如Chl-a、TP、TN、COD、SD等)及水质评价级别是随机变量，评价级别是样本从大到小的序号，每个评价级别对应的各项水质指标的标准取值是从大到小的样本，这样出现大于或等于某个水质指标浓度以及评价级别的经验频率(P)，由以下公式来计算。

式中，m表示排序后的样本序号；n为样本容量，计算各项随机变量的经验频率Pi，根据Chl-a、TP、TN、COD、SD评价指标与Chl-a的相关系数，得到各项水质指标在富营养化评价中所占的权重Wi。根据加权平均公式求出各项水质指标的综合经验频率P=∑Wi×Pi，即湖泊富营养化评价级别的经验频率，进一步得到湖泊富营养化的评价标准。

1.4数据统计运用SPSS 19.0和 Sigmaplot 12.0软件进行数据统计分析和作图。

2 结果与分析

2.1水质参数各月含量特征大湖池和沙湖湖水DO含量较为丰富(7.2～8.9 mg/L)，仅在10月略偏低，分别为6.7±0.4和6.9±0.5 mg/L。湖水偏弱碱性(pH=7.3～8.9)。2个湖泊CODMn浓度在10月较高，分别为9.4±0.7 mg/L和11.2±0.5 mg/L，其次是12月较高，其他月份为3.9～7.9 mg/L(图2、3)。不同月份NH4+-N浓度变化明显，尤其是12月和10月明显偏高，大湖池分别为1.19±0.06和0.85±0.06 mg/L，沙湖分别为1.38±0.06和1.07±0.05 mg/L；5月NH4+-N浓度最低，两湖分别为0.34±0.01和0.38±0.02 mg/L，与其相邻的赣江和修河中的浓度相差不大，尤其与修河中的浓度更接近0.37±0.08 mg/L(表1、图2、3)，两湖泊的NH4+-N浓度在8月比5月明显升高，而河流的NH4+-N浓度在8月比5月也偏高，7、8月经常遇到暴雨，雨水的冲涮带来农业、畜禽、城镇废水进入河流，并进入连通的湖泊。NO3--N浓度在5月明显偏高，其他月份差别不大，这是由于5月是农业第一季水稻种植期，也是汛期，经常雨水不断，NO3--N主要来源于农业的面源污染；8月湖泊NO3--N浓度比河流中低(表1)，表明湖泊和河流水体交换不如5月彻底，5月湖水和河水都在上涨，水流速度较快，8月受长江水位的顶托作用，湖水水流较慢。湖泊无机氮除5月NO3--N浓度超过NH4+-N外，其他月份以NH4+-N为主，而河流无机氮均以NO3--N为主(表1)。

反映藻类生长量的四大参数为TN、TP、Chl-a及TN/TP，TN在8月和12月浓度比其他月份高(图2、3)，8月大雨的冲涮作用使陆地氮源和土壤有机质进入湖泊，12月由于冬季候鸟栖息使底泥再悬浮以及粪肥作用使得TN含量偏高。两湖TP浓度在10月最高，分别为0.27±0.01和0.33±0.02 mg/L 。两湖的TN/TP(摩尔比)在10月分别为9.2∶1和7.4∶1，低于16∶1，磷供给充足，10月初是秋季，光照和温度25～30 ℃也有利于藻类形成，两湖泊Chl-a含量在10月显著地比其他月份高，分别为10.4±1.2和15.6±1.7 μg/L，TN/TP结合Chl-a(反映藻类的含量)，能够反映此时藻类含量较高，事实上10月秋季湖面可见藻类富集，沙湖更明显。两湖TP浓度在12月也较高，分别为0.21±0.02和0.25±0.02 mg/L，受到候鸟觅食草根茎，栖息于湖面[12]，使底泥悬浮，底泥中的TP释放以及粪肥的影响，12月TN/TP分别为28.4∶1和21.3∶1，高于16∶1，结合Chl-a含量(分别为6.5±0.3、7.7±0.4 μg/L)，TN和TP浓度也较高，但是冬季寒冷，光照和温度较低不适合藻类大量形成[4]。

图2 大湖池水质参数特征Fig.2 Parameters characteristic of water quality of Dahuchi Lake

图3 沙湖水质参数特征Fig.3 Parameters characteristic of water quality of Shahu Lake

两湖泊在10月初湖水已退去30 d左右，湖泊营养盐浓度总体升高较多，藻类富集，通过分析Chl-a与其他水质参数的相关性(表2)可知，Chl-a与TN、TP、COD、NH4+-N正相关，尤其与COD显著相关，与TP极显著相关；Chl-a与DO和NO3--N负相关，尤其与NO3--N显著负相关。藻类从水体中摄取碳元素，一定浓度范围内 COD 的增大，会促进藻类生长繁殖，同时，藻类的增多会使COD上升，水体中DO下降。当氮、磷含量升高时，极大地促进了藻类的生长，同时，藻类生物量的增加，使氮、磷富集，TN、TP 浓度增加[10，13]。秋季湖内矿化、氨化作用较强，NH4+-N浓度升高，有利于藻类的繁殖[14]。藻类生物量的增多会消耗硝酸盐，NO3--N浓度相对降低。

表1 赣江和修河水质参数特征

两湖泊在不同月份各水质参数略有不同，沙湖的理化参数含量相对于大湖池更高，是由两湖泊所处的地理位置和周边的环境因素决定[15]。但是两湖泊各参数的变化趋势大致相同(图2、3)，这是由鄱阳湖的水情及两湖的水位变化一致所决定。

表2沙湖10月Chl-a与其他水质参数的相关性

Table2CorrelationcoefficientsbetweenChl-aandenvironmentalfactorsinOctoberinShahuLake

水质参数WaterqualityparametersChl-a水质参数WaterqualityparametersChl-aCOD0.833*NH4+-N0.624TN0.834NO3--N-0.444*TP0.925**DO-0.623

注：*表示P<0.05显著相关；**表示P<0.01显著相关

Note：* stands for significant correlation at 0.05 level；** stands for significant correlation at 0.01 level

2.2水质各月营养状态

2.2.1水质富营养化评价结果。参照湖泊富营养化评价标准及水质指标的经验频率[6](表3)，以沙湖为例计算综合经验频率P值，得到各月的营养化状态，结果见表4。由表4可知，沙湖12月是枯水期，水位最低(水深0.5 m左右)，营养盐浓度较其他月份高，处于富营养化，12月冬季候鸟栖息于大湖池和沙湖，觅食于草根，使得底泥悬浮，TN和TP释放，增加水体营养，加上候鸟粪肥，铵氮浓度也升高，但是Chl-a浓度不高，冬季较高的 N/P、持续下降的温度及光照强度已难以维系藻类的大规模增殖[4]。3、4月也是枯水期，处于中等富营养化，浓度较12月下降，随着冬季候鸟的迁徙，底泥悬浮颗粒沉降，春季雨水也增多，湖水营养盐进一步稀释。5月是平水期，处于中营养化，鄱阳湖流域汛期，水位上涨，大湖池和沙湖与鄱阳湖主体连通，营养盐随主体水流进入长江，难以滞留在湖内。8月是丰水期，处于初等富营养化，此时湖水受长江水顶托作用，水流缓慢，营养盐在湖内有一定滞留[3]，浓度比5月升高。10月是枯水期，处于富营养化，鄱阳湖在8月中旬开始退水，大湖池和沙湖在8月底和9月初已退水完毕，基本是封闭区域的湿地，湖水浓缩，营养盐浓度升高，加上秋季充足的光照及较高的温度，湖内矿化和氨化作用较强，使得营养盐浓度进一步升高，容易形成密集的藻类聚集区(Chl-a浓度最高)[6，16]。前人研究也发现，沙湖区域暴发了秋季蓝藻水华，位于永修县境内的大汊湖区域出现部分蓝藻富集，有发生水华的趋势[15]。鄱阳湖的边缘湖区在枯水期基本是封闭的湿地，湖水很浅，营养盐浓度较高，容易发生富营养化。

表3 富营养化评价标准及水质指标的经验频率[8]

2.2.2水质类型分类。从单因子分析，按照《地表水环境质量标准》(表5)，两湖泊的CODMn，月变化为3.9～11.7 mg/L(图2)，3—8月达到Ⅱ～Ⅲ类水质，10和12月达到Ⅳ类水质，8月是丰水期，COD相对前3个月较高，是周围村镇的生活污水和农业灌溉用水直接流入河流和湖泊，夏季较高的温度也导致水体中有机质的降解。湖泊TP 的月变化范围为 0.07～0.33 mg/L(图2)，按《地表水环境质量标准》仅5月份达到Ⅲ类水体；枯水期的10月和12月，TP浓度大于0.2 mg/L，达到Ⅴ类水质，其他月份为Ⅳ类水质。TN月浓度差异较大，其中12月TN的月均浓度超过Ⅴ类水质的限值，8月也达到Ⅳ类水质的浓度限值。NH4+-N浓度除12月在1.0～1.5 mg/L达到 Ⅲ～Ⅳ类水质，沙湖10月NH4+-N浓度达到 Ⅲ类水质外，其他月份在Ⅰ～Ⅲ类水质。NO3--N除5月份较高外，趋势与NH4+-N相似。

表4 沙湖水质各月营养状态分析

表5地表水环境质量标准基本项目标准限值(GB3838—2002)

Table5Environmentalqualitystandardsofsurfacewater(GB3838-2002)

mg/L

2.3鄱阳湖边缘湖泊(以沙湖为例)与鄱阳湖主体水质比较由鄱阳湖边缘湖区与主体湖区各月的氮、磷含量比较可知[4](表6)，水质类型不仅与氮、磷含量有关，还与氮、磷比值有关[4]。3、4月鄱阳湖主体是Ⅲ类水质，中营养化，而沙湖是Ⅳ水质，中富营养化，虽然此时鄱阳湖主体TN浓度比沙湖高，但是TN/TP也高，TP浓度相对较低；5月鄱阳湖主体是Ⅳ类水质，中富营养化，但沙湖是Ⅲ类水质，中营养化，TN/TP高，沙湖在5月水源主要来自于修河和赣江，而鄱阳湖主体水源是来自于五大河流的混合水体；8月和10月鄱阳湖主体是Ⅲ类水质，中营养化，而沙湖8月是Ⅳ类水质，中富营养化，10月是Ⅴ水质，富营养化，TN/TP低。总体而言，除5月边缘湖区水质比鄱阳湖主体好外，其他月份都是边缘湖区水质比鄱阳湖主体水质差，鄱阳湖主体水体流动性强，而边缘湖区在枯水期几乎是封闭的湿地，湖水蒸发浓缩，水体流动性差，营养盐易积累。