鄱阳湖季节性水体水质特征分析

黄学辉，　陈传红，　袁轶君，　余志坚，　金卫根

(东华理工大学 生物系, 江西 南昌　330013)

鄱阳湖位于江西省北部，是中国最大淡水湖，也是重要的季节性浅水湖泊。鄱阳湖湖泊面积季节性变化显著，10月到次年3月为枯水位期，4至9月为丰水位期，多年年内面积变化相差超过10倍(张克祥等，2013)。鄱阳湖水位受“五河”及长江来水的共同影响，使得湖区面积的扩大或萎缩，鄱阳湖洪水和干旱现象交替出现，同时鄱阳湖水位季节性波动产生的巨大差异也给水环境带来一定影响(Zhang et al, 2018)。因近年来随着人口数量上升、经济以及工业化、城镇化的不断发展对环境巨大的影响，鄱阳湖的水质状况发生了明显的变化。鄱阳湖水质变化已越来越受到人们的关注，但大多集中在氮磷污染的研究上(陈晓玲等，2013)，而关于鄱阳湖不同季节营养物质与环境因子调查及其相互关系的报道不多。本研究于2016全年四个季节分别对鄱阳湖流域进行了水体营养现状的系统调查，分析季节性水位波动对水体营养盐浓度变化的关系，通过主成分分析进一步分析影响鄱阳湖水质的主要因素，以达到为鄱阳湖水质的预防控制提供参考。

1　材料方法与实验

1.1　采样布点

采样时间分别为2016年1月、4月、7月和10月，四次采样分别代表了2016年的四个季度。

本研究于鄱阳湖常年有水湖面设置7个采样点(PYH1～PYH7)，见图1。

1.2　样品采集与分析

各点位实时pH、温度(T)、电导率(EC)、溶解氧(DO)等参数现场采用美国哈希(Hydrolab Datasond 5)便携式多参数分析仪(YSI)测定，水体透明度(SD)采用塞氏盘法测定。并现场记录以下数据：水体的表观性质以及天气状况、采样时间、采样地点，同时用GPS测出采样点经纬度。

图1　鄱阳湖水样采集位点Fig.1　Poyang Lake water sampling sites

现场水样采集用5 L有机玻璃采水器(UWITEC-WSC)取表层水样(距水面0.5 m)，水样采集后用5 L酸泡过的聚乙烯塑料桶储存置于低温下避光保存。对部分需测定总氮、总磷等原水样经现场用0.45 μm的Whatman滤膜进行过滤，并冷藏保存。水样运回实验室后立刻进行化学分析，分析项目包括悬浮颗粒物(SS)、叶绿素a (Chl-a)、总氮 (TN)、总磷 (TP)、亚硝态氮 (NO2--N)、硝酸盐氮 (NO3--N)、氨氮 (NH4+-N)、化学需氧量 (CODMn) 等水质参数。

1.3　测定方法及数据收集

水样SS，CODMn，TN，NH4+-N，NO3--N，NO2--N，PO43--P，TP等水质参数测定方法参照国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》编委会(2002)；Chl-a使用热乙醇分光光度法测定。

鄱阳湖水位变化参考星子与波阳两个水文站提供当年的每日水位数据，并计算月平均水位。

1.4　数据分析

Pearson相关性分析、多元方差分析及PCA分析采用SPSS 19.0统计软件进行统计分析与作图，其他用origin 8.0分析与绘图。

2　结果分析与讨论

2.1　水位变化

鄱阳湖星子及波阳水域各月份平均水位变化见图2。数据表明，星子和波阳两水文站全年水位变化趋势几乎一致。以鄱阳湖星子水域为例，鄱阳湖星子水域水位值为9.73～20.43 m(平均值13.84 m)。1至4月份，鄱阳湖水位下降，水位较低(11.32～14.97 m)；5至8月份，水位上升，水位处于高值(17.59～20.43 m)；9至12月份，水位重新回落至低水位期(9.73～12.38 m)。刘霞等(2016)研究表明，当鄱阳湖水位高于15 m时，水面呈水平状，流速较慢；水位低于15 m时，水面呈南高北低的趋势，流速相对较快；可认为15 m是鄱阳湖高低水位的临界水位值。

图2　2016年鄱阳湖各月份平均水位Fig.2　Monthly mean water level of Poyang Lake s in 2016

2.2　鄱阳湖水体理化参数分析

鄱阳湖2016年四个季度及各点位理化参数测定结果见表1。结果显示，鄱阳湖水体理化参数在各点位不同的季节水体CODMn，TN，NO3--N，TP，Chl-a，T，pH和DO差异极其显著(P<0.001)，TN/TP，NH4+-N，SD，SS和EC差异显著(P<0.05)，NO2--N差异不显著(P>0.05)。鄱阳湖水体理化参数在相同季节不同点位点间水体差异不显著(P>0.05)。

2.3　鄱阳湖不同季节水体COD含量变化分析

水体CODMn值是一个表征环境水体有机物污染的特定指标，鄱阳湖各季度水体CODMn含量结果见图3。结果显示，2016年鄱阳湖表层水体CODMn含量7月>10月>1月>4月，且在不同季节不同点位间鄱阳湖水体CODMn含量差异显著(表1)。2016年全年各点位CODMn含量均达地表水环境质量(GB3838—2002)Ⅱ类标准，7月份CODMn含量明显高于其他月份，特别是PYH6位点最高达到5.8 mg/L，可能是由于7月份江西连续暴雨，鄱阳湖水位上涨至20.45 m，很多地方被淹没，使得植被腐烂和入湖水体有机物含量增加有关，导致整体CODMn含量上升。通过Pearson相关性分析结果显示鄱阳湖CODMn与NO2--N相关性极其显著(r=0.850，P<0.001),且为正相关。

表1　鄱阳湖2016年各季度及点位水体理化参数分析

注：* 为多元方差分析的P值

图3　2016年鄱阳湖各点位季度水体CODMn含量Fig.3　CODMn concentrations of all sits in Poyang Lake in 2016

2.4　鄱阳湖不同季节氮、磷含量变化分析

鄱阳湖水体各季度TN，NH4+-N，NO3--N，NO2--N含量平均值见表1。结果显示，2016年鄱阳湖水体TN，NH4+-N，NO3--N以及NO2--N含量低水位期均显著高于高水位期。此外，2016年鄱阳湖高水位期TP含量低于低水位期，且两时期差异显著(P<0.001)。

鄱阳湖水体的氮素形式以NH4+-N和NO3--N为主。氮为不稳定元素，因此TN在各采样点之间波动较大，不同形态的氮在沉积物与水界面之间发生循环转变，且鄱阳湖不同季节，不同点位之间自然条件存在差异所致。对照地表水环境质量标准(GB3838—2002)，除10月份部分位点受到污染外，其余各季度鄱阳湖水体TN含量基本在地表水环境质量Ⅲ类水标准范围之内。鄱阳湖4至7月份的高水位期周边县市农业生产活动(如施肥、水产养殖)频繁，加之水位上升对周边土壤的冲刷，营养盐从土壤及沉积物中被释放出来，但由于鄱阳湖2016年高水位期水位上升近10.7 m，湖泊水位上升对水体氮营养盐的稀释作用极大地抵消了人类活动与土壤冲刷带来的氮营盐增加效应，使得鄱阳湖高水位期间TN浓度较低水位期要低。

研究发现，鄱阳湖位于棠荫水域的PYH2位点4月份有效氮含量显著高于其他月份，可能是由于该地区4月份为旅游旺季，人流量较大，生活污水排放增多等因素造成的。

鄱阳湖水体各季度TP含量平均值见表1，基本为Ⅲ至Ⅳ类水质。其中1月份都昌水域PYH3位点TP含量显著高于同期其他水域，原因可能是都昌采砂区多，据胡春华等(2011)调查发现，都昌地区采砂区高达14个，采区面积达100 km2，水流搅动引起湖泊底质颗粒磷及内源营养盐释放，增大了磷含量。Meybeck(1982)指出，磷的滞留机制主要为颗粒磷的沉降作用，水体中的磷酸根能被悬浮颗粒物吸附或包裹，TP受泥沙的运输影响较大。此外，研究表明，各点位低水位期水体TP含量大多数高于高，可能与低水位期水流流速较快有关，水流对泥沙的冲刷力及运输量升高。

在7月份和10月份，鄱阳湖水体TN/TP比值波动较小，各取样点无显著差异(r=0.114，P>0.05)。在1月份和4月份TN/TP比值波动较大，差异十分显著(r=0.635，P<0.001)。刘霞等(2016)研究发现，高水位期鄱阳湖水温和SD较高，氮形态营养盐度较低，TN/TP比值较低，Chl-a浓度较高；反之，低水位期水体水温和SD较低，氮形态营养盐浓度较高，TN/TP比值比较高，Chl-a浓度较低，其结果与本研究基本相符。

2.5　鄱阳湖不同季节水体叶绿素a含量变化分析

鄱阳湖水体的叶绿素a(Chl-a)含量见图4。鄱阳湖水体Chl-a总体上含量较低，1月份变化范围为1.95～6.38 μg/L(平均值3.06 μg/L)，4月份变化范围为1.87～7.73 μg/L(平均值3.69 μg/L)，7月份变化范围为7.40～22.97 μg/L(平均值15.37 μg/L)，10月份变化范围为4.29～11.66 μg/L(平均值8.44 μg/L)。7月份及10月份鄱阳湖水体Chl-a含量显著高于其他月份。刘倩纯等(2013)发现鄱阳湖Chl-a质量浓度具有一定的空间分布特征，空间分布上南湖区大于北湖区。本研究调查显示2016年鄱阳湖水体Chl-a含量除7月份外南湖区大于北湖区。7月份星子的PYH5位点、鞋山西侧的PYH6位点以及湖口的PYH7位点Chl-a含量高于其他点位，原因可能是这三个位点透明度高，分别为0.6 m，0.8 m和0.9 m，吴召仕等(2014a)研究显示，水体中叶绿素a含量与水体透明度显著正相关。

图4　鄱阳湖2016年各季度点位水体Chl-a含量Fig.4　Poyang Lake 2016 quarterly water Chl-a content

水体Chl-a浓度反应了浮游植物的生物量(吴召仕等，2014b)。在淡水湖泊或水库中，Chl-a含量或藻类的生长是由多因素(Wu et al.，2014)协同控制的。翁笑艳(2006)认为影响藻类生长的因子主要有水动力条件、气象条件、营养盐等。Karl等(1997)认为，当环境中的氮磷比达到某个值时浮游植物生长繁殖达到饱和，正负偏离都将影响浮游植物生物量。结果表明，7月份鄱阳湖湖水中藻类等浮游植物的生物量相对于其他月份要高。鄱阳湖Chl-a浓度受水温、SD和氮营养盐等多种理化因子的共同影响，据Pearson相关性分析，Chl-a浓度与SD呈正相关(r=0.876，P<0.001)，与SS呈负相关(r=-0.799，P<0.001)，与氮营养盐浓度呈负相关，与其他营养盐浓度不相关。鄱阳湖Chl-a浓度还与水体交换时间有关，水体交换时间较长，较利于浮游植物的生长。鄱阳湖高水温湖泊环境促进了浮游植物的生长和繁殖。鄱阳湖水位波动与水温变化具有高度同步性，高水位与高水温对应；其次，鄱阳湖水位波动加强了高水温促进浮游植物生长的这种效应，主要原因是，高水位期时鄱阳湖水流流速缓慢导致湖水交换时间较慢，且水体SD高，水环境平静加之水下通透度高光照充足都对浮游植物的生长繁殖起到了促进作用，特别是蓝藻的繁殖聚集。

2.6　鄱阳湖不同季节理化因子的主成分分析

鄱阳湖流域不同时期理化因子的主成分分析见图5，PCA前两轴分别解释了鄱阳湖2016年四个季度环境变量的67.81%、71.94%、56.96%和68.01%。其中分析结果表明，按照影响因子大小排序，影响1月份鄱阳湖水质的主导因子是PO4--P，EC，NO2--N，NO3--N和CODMn；影响4月份水质的主导因子是SD，PO4--P，NO2--N，NO3-N，SS，TP，Chl-a和T；影响7月份水质的主导因子是SD，Chl-a，pH，NO2--N，T和CODMn；而10月的主导因子是TN，NO2--N，NO3--N，NH4+-N，T，CODMn和PO4--P。

低水位期(10月至次年1月期间)鄱阳湖水质主要受氮磷营养盐与CODMn的影响，而高水位期(4月至9月期间)主要受水温、水体透明度与叶绿素a的影响，高水位期营养盐浓度对鄱阳湖水质影响较小，因为水位的上升对营养盐的稀释作用会掩蔽水体营养盐对水质影响。

图5　鄱阳湖2016各季度主成分分析Fig.5　Poyang Lake 2016 quarterly principal component analysis

3　结论

2016年鄱阳湖全年水位为9.73～20.43 m，全年最大水位差10.70 m。鄱阳湖低水位期水体流速快、浊度高，水体特征表现为低水温，营养盐浓度高，TN/TP比值较高，Chl-a含量低，水质为Ⅲ至Ⅳ类水标准；高水位期水体流速慢、透明度高，水体特征表现为高水温，营养盐浓度相对低，TN/TP比值较低，Chl-a浓度高，水质基本达到Ⅲ类水标准。鄱阳湖水体理化参数在相同季节不同点位点间水体差异不显著(P>0.05)。

PCA多元分析结果显示，鄱阳湖水体低水位期(1月与10月)水质主要受氮磷营养盐与CODMn的影响，而高水位期(4月与7月)营养盐浓度对水质影响较小，主要受水温、水体透明度与叶绿素a的影响。

致谢：采样过程中得到了中国科学院南京地理与湖泊所鄱阳湖湖泊湿地观测研究站站长张奇研究员、陈宇炜研究员及其课题组成员刘宝贵博士、刘金福博士、刘贺等的大力帮助，在此一并表示感谢!