基于TLI和PCA的贵州草海水质状况评价

2018-08-15,,,,

长江科学院院报 2018年8期

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(1.黔西县环境监测站，贵州毕节 551500；2.长江大学资源与环境学院，武汉 430100；3.中国科学院水生生物研究所淡水生态与生物技术国家重点实验室，武汉 430072；4.贵州科学院贵州山地资源研究所，贵阳 550001)

1 研究背景

草海，贵州高原上最大的天然淡水湖泊，素有“高原明珠”的美称，它是一个完整、典型的喀斯特高原湿地生态系统，是我国Ⅰ级保护湿地。草海具有水文调节、提供生境栖息地、灌溉、水质净化、科研旅游等重要功能[1]。作为云贵高原最重要的湿地之一，草海为鸟类提供重要的迁徙、越冬生境，是“世界最佳湿地观鸟区之一”。草海共有鸟类203种每年越冬鸟类180余种10万余只，其中有:黑颈鹤、白头鹤等国家一级保护鸟类7种，灰鹤、白琵鹭等国家二级保护鸟类20种;其他保护鸟类50余种[2]。此外，草海有鱼类9种，底栖动物52种，浮游植物91种，浮游动物155种，高等水生植物37种，两栖动物14种，爬行类19种，陆生高等植物673种[2-4]。作为我国为数不多的亚热带高原喀斯特湿地生态系统，草海具有生物多样性、重要性、脆弱性、典型性的特点。由于草海湿地紧邻威宁县城，保护区内有约3万人居住，加之旅游开发，人类活动对草海生态环境产生了巨大的冲击[4-9]。

在湖泊生态系统中，水环境对整个生态系统起着关键性的作用，是湖泊的“血液”，水质评价是开展湖泊生态系统保护的重要前提。湖水是草海其他自然资源的基础[4]，水质的优劣将直接影响草海的鸟类和其他生物，影响整个草海生态系统，并影响草海旅游业和渔业等的发展。草海水体总体是脆弱的:一方面，草海属于喀斯特地形，湖盆周围植被覆盖率低，地表裸露，地势较陡，降雨集中，土壤侵蚀作用强烈，携带大量泥沙和营养物质的地表径流对草海水质产生影响[7]；另一方面，随着城镇化、工业化、旅游业的发展，草海周边生产、生活和旅游产生的废污水、生活垃圾也会直接或间接影响草海水质；此外，草海自然保护区农民的主要收入为农业种植、畜牧业和渔业，滨湖区均为耕地，化肥、农药、饲料等对草海水质影响突出[4-9]。据统计，草海周围每天约有1.5万t未经处理的生活污水直接排放到草海，周边耕地每年使用的化肥量约为10 t[10]。如前所述，研究者已经开展了一些对草海水质的研究工作[10-14]，然而近几年(2010年以后)对草海的水质研究工作几乎均只涉及到部分季度[10, 14-16]，都无法很好地反映草海水质的变化，仅周晨等[17]监测了2014年草海4个季度的11项水质。

目前毕节市在草海湿地设有阳关山和草海中部2个水质监测点，多年的数据表明2001年草海80%的水体水质达到Ⅰ级地表水标准，2003年草海阳关山和草海中部水质则分别降至Ⅴ类、Ⅳ类，至2007年2个监测点的水体中总氮(TN)、总磷(TP)、高锰酸盐指数 (CODMn)、溶氧(DO)全年超标，呈富营养化趋势[8]。本研究根据毕节市2016年1,4,7,10月(分别对应冬、春、夏、秋季)对阳关山和草海中部的季度水质监测数据，运用综合营养状态指数TLI和主成分分析PCA方法，并结合《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)[18]对草海2016年水质进行综合评价，分析水质变化特征的成因，以期为草海的水质保护和污染治理提供依据。

2 研究区概况及研究方法

2.1 研究区概况

草海位于贵州省西北部乌蒙山麓腹地,其经纬度为104°10′16″E—104°20′40″E， 26°47′32″N—26°52′52″N，总面积96 km2(不包括威宁县城区域)，湖区面积23.25 km2，水域面积20.98 km2，库容量4 703.23× 104m3。草海属长江水系，是金沙江支流横江的洛泽河的上源湖泊，其水源补给主要靠大气降水，其次为地下水。汇入草海的河流大多发源于泉水的短小河溪，雨季流量增大，冬季则显著减少甚至断流。草海多年平均降雨量950.9 mm，平均水深2 m，为一浅水湖泊，降雨量的80%集中在5—10月份。草海属亚热带季风气候，年平均气温10.5 ℃，平均相对湿度79%。草海水体总含盐量为0.267‰，属碳酸氢钙型，为偏碱性水[3]。

2.2 水样采集及分析

在草海阳关山和草海中部区域各确定3个重复样点，以3个样点的平均值作为该区域的最终值。采集水样时现场用萨氏盘测定透明度(SD)，用便携式多参数水质分析仪(YSI PROPLUS)测定水温(WT)、溶氧(DO)、电导率(EC)、pH值，用UP/740便携式污泥测度计测定悬浮物(SPM)。用采水器取中层水样，注入用湖水涮洗过的1 L塑料瓶中密封保存并立即带回实验室，按照标准方法测定总氮(TN)、氨氮(NH4+-N)、总磷(TP)、高锰酸盐指数(CODMn)和叶绿素a(Chl.a)[19]。

2.3 水质评价

综合营养状态指数法(TLI)由卡尔森营养状态指数(TSI)衍生而来，其计算公式如下[20]：

TLI(Chl.a)=10×(2.5+1.086×lnChl.a),

(1)

TLI(TP)=10×(9.436+1.624×lnTP),

(2)

TLI(TN)=10×(5.453+1.694×lnTN),

(3)

TLI(SD)=10×(5.118-1.94×lnSD),

(4)

TLI(CODMn)=10×(0.109+2.661×lnCODMn),

(5)

(6)

式中：TLI(∑)为综合营养状态指数；Wj为第j种参数的营养状态指数的权重;TLI(j)为第j种参数的营养状态指数。Chl.a单位为mg/m3，SD单位为m，其他指标单位均为mg/L。

本研究中以Chl.a作为基准参数，按照相关公式，Chl.a,TP,TN,SD,CODMn的W值分别为0.266 3,0.187 9,0.179 0,0.183 4,0.183 4。评价标准为：TLI(∑)< 30时为贫营养型，30 ≤ TLI(∑)≤ 50时为中营养型，50 < TLI(∑)≤ 60时为轻度富营养型，60 < TLI(∑)≤ 70时为中度富营养型，TLI(∑)> 70时为重度富营养型。

同时，依据《地表水环境质量标准》对草海阳关山和草海中部的水质进行类别划分。

2.4 数据分析

主成分分析法(PCA)是可将原来众多的具有一定相关性的变量降维为少数几个综合变量的一种统计分析方法，这些降维后的变量称之为主成分[19]。分别选取草海阳关山和草海中部4个季节、3个样点的11个变量共同构成2个12×11的矩阵，应用SPSS 18.0对标准化数据进行主成分分析。用Oneway ANOVA比较不同季节水质的差异。

图1 草海阳关山和草海中部水质理化特征的季节变化Fig.1 Seasonal changes of physicochemical characteristics of water in Yangguanshan and the central part of Caohai Lake

3 结果与分析

3.1 草海阳关山和草海中部水质的季节变化特征

2016年草海阳关山和草海中部的所有水质指标均呈现出明显的季节差异(图1)。2个区域的SD全年变化范围为1.10～1.40 m，均为冬季显著较高(P<0.05)，春季、夏季和秋季间差异不明显；2个区域秋季的SPM含量显著较高(P<0.05)，达到12 mg/L以上，而草海阳关山SPM在冬季也明显高于春季、夏季(P<0.05)，而草海中部SPM在冬季则明显低于春季、夏季(P<0.05)；全年水温变化范围为4.69～21.57 ℃，各季节间均有明显差异(P<0.05)，即夏季>春季>秋季>冬季；pH值除了秋季明显较低(P<0.05)，其他季节2个区域的pH值几乎均在8.00上下，差异不明显；EC的变化范围为195.0～451.7 μS/cm，各季节间几乎均有明显差异(P<0.05)，即冬季>春季>夏季>秋季；全年的DO水平为4.48～8.14 mg/L，草海阳关山DO季节差异不明显(P>0.05)，而草海中部则在冬季高于其他季节(P<0.05)；全年TN含量为0.58～2.27 mg/L，在秋季明显较高(P<0.05)，其他季节差异不明显(P>0.05)；NH4+-N的变化范围为0.059～0.364 mg/L，在春季明显最低(P<0.05)，草海阳关山和草海中部的最高值则分别出现在夏季和冬季(P<0.05)；2个区域的TP含量均在春季较低，冬季则明显较高(P<0.05)；全年的CODMn含量为4.28～6.79 mg/L，春季明显较低(P<0.05)，秋季则明显最高(P<0.05)；Chl.a含量在夏季最高(P<0.05)，为9～10 mg/m3，冬季则明显最低(P<0.05)，为6 mg/m3左右。

3.2 草海阳关山和草海中部的水体营养状态评价

2016年各季节的单因子营养状态指数TLI和综合营养状态指数TLI(∑)见表1。春季、夏季和冬季2个区域的TLI(∑)均为中营养状态，且春季的TLI(∑)值最低；2个区域在秋季TLI(∑)值则稍高于50，属于轻度污染状态。

表1 草海阳关山和草海中部各季节的水质综合营养状态指数TLITable 1 Seasonal trophic state index (TLI) of water quality at Yangguanshan and the central part of Caohai Lake

3.3 草海阳关山和草海中部的水质类别

草海阳关山和草海中部各季节的水质类别见表2。分析表2可知：2个区域全年的TP和NH4+-N均为Ⅱ类。在阳关山，春季、夏季和冬季，DO为Ⅱ类水质，CODMn和TN为Ⅲ类；秋季则水质较差， DO，CODMn，TN分别为Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ类。在中部，春季DO、夏季与秋季CODMn、春季与冬季TN均为Ⅳ类，TN更是在秋季达到劣Ⅴ类标准；同时冬季DO较优，达Ⅰ类标准。总体而言，草海阳关山和草海中部全年水质为Ⅱ和Ⅲ类类别，主要因子是CODMn和TN。

表2 草海阳关山和草海中部各季节的水质类别Table 2 Classification of seasonal water quality of Yangguanshan and the central part of Caohai Lake

3.4 草海阳关山和草海中部水质的主成分分析

先对数据进行标准化，得出标准化矩阵。PCA分析显示(表3)：①对于草海阳关山，前2个主成分的特征值分别为5.534，3.405，累积描述了81.269%的环境差异。第1主成分F1载荷较高的指标由高到低依次为EC,TN,CODMn,pH,SPM,DO,NH4+-N,Chl.a，第2主成分F2载荷较高的指标由高到低依次为WT,SD,TP,Chl.a。②对于草海中部，前3个主成分的特征值分别为5.996,3.361,1.189，累积描述了97.729%的环境差异。F1中载荷较高的指标由高到低依次为Chl.a,NH4+-N,SD,EC,TP,DO,WT,SPM，F2中依次为pH、TN、CODMn、SPM和WT，F3中则为CODMn。

表3 PCA分析中主成分的特征值和贡献率Table 3 Eigenvalues and contribution rates of the first three principal components in principal component analysis (PCA)

通过初始因子载荷和特征根，得出各主成分的表达式，进而计算主成分的得分，据此及特征根权重算出综合得分F，2个区域的F值由高到低依次为冬季、秋季、夏季、春季(表4)。

表4 PCA分析综合评价指数值Table 4 Values of comprehensive evaluation index of PCA

4 讨论

4.1 草海水体理化指标的季节动态

本研究中11项指标均有明显的季节差异。人类活动和降水可能是影响草海水体透明度和悬浮物的主要原因。威宁降雨主要集中在夏季和秋季，地表径流和土壤侵蚀较强[7]，携带泥沙的雨水进入湖泊，导致这2个季节较低的SD和秋季较高的SPM；而冬季降雨和游客减少，导致枯水期SD升高而SPM降低。草海水体浅，水温对气温变化较为敏感，明显表现出夏季>春季>秋季>冬季的季节性。草海阳关山、草海中部的DO水平(4.48～8.14 mg/L)总体较优，与其他对草海的研究较为接近[11-12, 14, 16-17]。2个区域pH值均在秋季为中性，其他季节为弱碱性。对于TN,TP，虽然春耕使得大量的氮磷进入土壤，但因为降雨较少，大部分氮磷并未进入水体，5月份进入雨季后，强烈的地表侵蚀和径流使得土壤中本来存在和春季施用的氮磷大量进入草海，加之处于旅游旺季，这导致夏季和秋季TN,TP含量较高；冬季TN含量出现明显下降，这可能是因为降雨较少，氮输入降低，同时一部分氮沉积到底部；但TP含量相反出现升高，原因有待进一步研究。

研究表明，即使与典型的富营养化湖泊相比，草海沉积物中TN含量极高，而TP含量较低[21]，这也与本研究部分吻合。周晨等[17]的研究表明草海水体中春季TN,TP的含量最高，其次为秋季，与本研究略有不同。通常认为，当TN和TP含量分别超过0.20,0.02 mg/L时，水体存在发生富营养化的风险[22]，草海阳关山和草海中部水体全年的TN和TP含量均远高于其限制值。此外，氮磷质量比N/P对藻类的爆发具有重要影响，N/P<8时，氮会限制藻类生长;N/P>30时，磷会限制藻类生长;N/P在8～30之间时，适宜藻类生长，而15～16最佳[22-23]。草海阳关山4个季节的N/P依次为18.57,19.48,42.85,9.82，草海中部依次为34.58,26.73,43.93,14.43。这表明2个区域均存在爆发富营养化的可能，且草海阳关山春季、夏季和冬季，草海中部夏季和冬季更易爆发藻类，而秋季则主要受磷限制。Chl.a含量与pH值的变化趋势相反，与水温、TN和CODMn变化较为一致，与TP含量关系不明显，这说明草海阳关山和草海中部藻类生长的主要驱动因素为水温、TN和CODMn。

4.2 草海水质的综合评价

TLI法的评价结果表明草海阳关山和草海中部水体在春季、夏季和冬季为中营养状态，而秋季则均为轻度营养状态，但秋季的TLI值仅略高于中营养状态的阈值，这与蔡国俊等[16]、周晨等[17]研究中草海阳关山和草海中部的TLI法评价结果较为一致。《地表水环境质量标准》的评价结果也表明秋季水质较差，CODMn和TN都低于Ⅲ类标准，也与周晨等[17]2014年调查中春季与夏季水质的主要限制因子为TN和CODMn较为一致。

PCA分析表明2个区域中第1主成分的贡献率均超过50%，对水体水质有决定性意义。草海阳关山第1主成分F1中绝对值较大的包括离子(EC，pH)、氮素(TN，NH4+-N)、有机质(CODMn，SPM)、DO、Chl.a，他们对阳关山水质起主要影响；草海中部F1中绝对值较大的包括Chl.a,NH4+-N,SD,EC,TP,DO,WT,SPM，他们对中部水质起主要影响。欧阳勇等[10]于2010年对草海丰水期水质的PCA评价表明CODMn,BOD5,NH4+-N,COD,TN,TP,DO这7项因子中主要污染因子是CODMn,BOD5,TN,TP,COD，这与本研究结果有一定区别。这可能是由于研究区域、时间、评价指标的差异。PCA综合得分表明草海阳关山和草海中部水质状况为冬季最差，秋季次之，而春季最好，这与TLI法和《地表水环境质量标准》的评价结果(秋季最差)有一定差异，这主要是因为评价方法的不同，后2种评价的指标均只包含5个，而PCA法则是将所有的指标标准化后降维。因此，在湖泊的水质状况评价中可以结合这几种方法。

4.3 影响草海水质的主要因素

尽管PCA法的分析略有差异，但以上3种评价方法均表明TN和CODMn可能是影响草海水质的根本原因，其他指标如NH4+-N,CODMn,DO,Chl.a均主要受其影响，而影响大多数湖泊营养状态的TP则似乎并非草海水质的主要驱动因素。这种评价结果往往与湖泊自身特点和周边环境有关，如洪泽湖水质的主要影响因子为离子和氮盐[19]，丹江口水库则为NH4+-N[24]，三峡库区小江则主要为水文水动力学因素[25]。目前威宁县城每天约有1.5万t污水直接进入草海；县城也无垃圾集中处理场，生活垃圾也会随着雨水、地表径流和淋溶等污染草海；目前草海周边有承包地约2 800 hm2，氮、磷施用量分别为2 322.232,642.264 t/a[2]。此外，大量的毁林开荒、陡坡垦殖导致保护区水土流失面积23.51 km2，占保护区总面积的24.49%[2]。特殊的喀斯特地形导致的更为严重的水土流失大量携带氮磷和有机质的沙、土进入草海，导致N,P,CODMn,SD,SPM过高，大量的有机质分解又会降低溶氧，水体浑浊也会导致水生植物光合作用减弱和沉水植物的消亡，进一步使得水体恶化。根据徐松等的估算[5]，通过畜禽养殖、农业化肥和生活污水进入草海的CODMn和TN分别达1 594，352 t/a。本研究估算通过生活垃圾进入草海的CODMn和TN分别为2 000，40 t/a。即使不考虑通过水土流失进入草海的有机质和氮，草海每年纳入的CODMn和TN也不低于3 594，400 t/a。因此，控制氮和有机质输入是改善草海水质的根本。