洞庭湖不同形态氮、磷和叶绿素a浓度的时空分布特征

黄代中，李芬芳，欧阳美凤，张屹，龚正，符哲

湖南省洞庭湖生态环境监测中心，湖南 岳阳 414000

洞庭湖位于长江中游荆江河段南岸，是中国第二大淡水湖、亚洲最大的内陆湿地保护区，也是国家重点生物多样性保护和世界淡水鱼类优质种资源基因库。洞庭湖作为湖南省第一大湖，是承纳湘、资、沅、澧四水和吞吐长江的过水性洪道型湖泊，有沟通航运、繁衍水产、调蓄长江和改善生态环境等多种功能。洞庭湖多年平均入湖水量2916亿立方米，其中来自长江三口为951亿立方米，来自四水为1689亿立方米，来自区间为276亿立方米（吴文晖等，2019），多年平均深度为6.39 m，三峡水库建设前换水周期约18 d，建设后大于18 d（黄代中等，2013）。近几十年来，随着湖区经济的快速发展和人口的急剧增长，人类对其自然资源的开发不断加剧，使其生态环境逐渐下降，富营养化进程日益加剧（李利强等，2014；熊剑等，2016）。TN、TP是影响洞庭湖水体富营养化的主要营养指标，两者一直维持较高的水平，20世纪90年代中期后全湖TN、TP超标，成为洞庭湖水质恶化和水体营养化程度加剧的重要因子。

TN和TP作为洞庭湖水体的主要污染物，已引起广泛的关注。对洞庭湖水体营养盐的研究主要集中在TN和TP时空分布特征方面（张光贵等，2016；林日彭等，2018；王艳分等，2018），通过长时间序列数据分析（三峡工程运行前后）TN和TP质量浓度变化规律、影响因素，Tian et al.（2017a）亦研究了洞庭湖氮的时空变化（1997-2014），分析了TN的来源及控氮措施。然而在水体氮磷形态组成和时空分布特征方面，相关研究相对较少。虽然田琪等（2016）和王岩等（2014）研究了洞庭湖氮磷形态组成特征，但研究时间较短（2个月），前者旨在说明悬浮物对氮磷浓度的影响，后者重点研究沉积物和水体中营养盐的时间分布特征。李莹杰等（2019）研究了不同水期洞庭湖水体中磷分布特征，但未涉及对湖区水质影响较大的三口和区间河流华容河，以及对洞庭湖水体Chl-a质量浓度影响的研究内容。本研究于2017年在洞庭湖湖体、出湖口及8条入湖河流设置20个断面，对水体中不同形态的氮、磷和Chl-a质量浓度进行采样检测，研究不同形态氮、磷及Chl-a的时空分布特征，探索氮磷分布变化原因及其对Chl-a的影响，为洞庭湖水污染治理及富营养化防治提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 水样采集与测定方法

所有水质数据来源于湖南省洞庭湖生态环境监测中心。洞庭湖共设有20个常规水质监测断面，即8个入湖口断面、11个湖体断面、1个出湖口断面。入湖口断面具体如下：湘江入湖口S1-樟树港、资江入湖口S2-万家嘴、沅江入湖口S3-坡头、澧水入湖口S4-沙河口、松滋河东支入湖口S5-马坡湖、汨罗江入湖口S6-南渡、新墙河入湖口S7-八仙桥、华容河入湖口S8-六门闸。S1-S4为四水入湖口断面，S5为松滋口入湖口断面，S6-S8为区间入湖口断面。湖体11个断面包括：西洞庭湖湖区3个断面（S9-南嘴、S10-蒋家嘴、S11-小河嘴）；南洞庭湖湖区3个断面（S12-万子湖、S13-横岭湖、S14-虞公庙）；东洞庭湖湖区5个断面（S15-鹿角、S16-扁山、S17-东洞庭湖、S18-岳阳楼、S19-大小西湖）。出湖口断面为S20-洞庭湖出口。洞庭湖常规水质监测断面分布见图1。每个监测断面设左、中、右3条垂线，分别采表层（0.5 m）水样。水质采样于月初进行。

1.2 测定方法

TN、溶解态总氮（DTN）、NH4+-N、NO3--N、TP、溶解态总磷（DTP）、磷酸盐（DPO）、Chl-a、CODMn和透明度（SD）等监测项目均根据《水和废水监测分析方法》（国家环境保护总局，2002）推荐的方法进行分析。DTN、DTP使用过0.45 μm滤膜后的水样进行测定，实验步骤分别与TN、TP一致。颗粒态磷（PP）为TP与DTP的差值。湖泊营养状态评价指标为TN、TP、CODMn、Chl-a和透明度5项指标，采用《湖泊（水库）富营养化评价方法及分级技术规定》中的综合营养状态指数（ΣTLI）评价方法与标准。

1.3 数据分析

运用SigmaPlot 10.0软件作图，运用SPSS 19.0软件进行数据统计。相关性用Pearson相关系数表示，差异性比较用单因素方差分析。以何征等（2015）的方法进行水期划分，枯水期为1-3月、12月，平水期为4-5月和10-11月，丰水期为6-9月。时间变化以水期内该指标月监测数据的算术平均值进行比较。空间变化比较中，四水为S1-S4 4个断面监测数据的算术平均值，松滋口为S5的年均值，区间为S6-S8 3个断面监测数据的算术平均值，湖体为S9-S19的11个断面监测数据的算术平均值，出湖口为S20的年均值。

2 结果与分析

2.1 氮的时空变化

2017年洞庭湖20个断面环境因子的年均值见表1，水体中不同形态氮质量浓度的时空分布见图2。洞庭湖水体中ρ(TN)、ρ(DTN)、ρ(NH4+-N)和ρ(NO3--N)范围分别为1.26-2.48、0.98-2.13、0.10-0.75和0.41-1.56 mg·L-1，全湖年平均值分别为1.83、1.69、0.26和1.27 mg·L-1。

图1 洞庭湖水质监测断面分布 Fig. 1 Sampling sections of water quality monitoring in Dongting Lake

表1 2017年洞庭湖20个断面环境因子的年均值 Table 1 Annual average concentration of environmental factors of 20 sections in Dongting Lake in 2017

图2 2017年洞庭湖不同形态氮质量浓度的时空分布 Fig. 2 Temporal and spatial distribution of various forms of nitrogen concentrations in Dongting Lake in 2017

空间分布上，ρ(TN)总体呈现区间（2.04 mg·L-1）、四水（1.98 mg·L-1）、松滋口（1.94 mg·L-1）＞出湖口（1.78 mg·L-1）、湖体（1.72 mg·L-1）。入湖口断面中，沅江入湖口ρ(TN)最低（1.55 mg·L-1），湘江、资江、澧水及华容河的入湖口断面ρ(TN)较高，均超过2 mg·L-1。湖体断面中，南洞庭湖的虞公庙断面（S14）ρ(TN)最高，年均值为2.07 mg·L-1；东洞庭湖的大小西湖断面（S19）ρ(TN)最低，为1.26 mg·L-1。ρ(DTN)的空间分布与ρ(TN)基本一致。ρ(NH4+-N)呈 现 出 区 间(0.51 mg·L-1)＞四 水(0.30 mg·L-1)＞湖体(0.19 mg·L-1)、出湖口（0.19 mg·L-1）＞松滋口(0.11 mg·L-1)。区间3条河流入湖口断面的ρ(NH4+-N)均较高，松滋口和沅江入湖口的ρ(NH4+-N)较低，年均值仅0.11 mg·L-1。ρ(NO3--N)的空间分布与ρ(NH4+-N)差异较大，ρ(NO3--N)在松滋口入湖口（马坡湖-S5）最高，年均值为1.56 mg·L-1，在区间最低，年均值为1.04 mg·L-1。ρ(NO3--N)呈现出松滋口＞四水＞出湖口＞湖体＞区间的分布特征。

2017年不同水期各形态氮的质量浓度分布见表2。时间分布上，各形态氮质量浓度具有明显的季节变化特征，总体上均表现为枯水期＞平水期＞丰水期。四水、区间、湖体及出湖口的各形态氮质量浓度均呈现逐渐降低再上升的趋势，且均在7-9月较低；松滋口入湖口ρ(TN)、ρ(DTN)和ρ(NO3--N)的月变化趋势与其他水域相反，呈现先上升后下降的趋势，而ρ(NH4+-N)的月变化趋势与其他水域类似。

不同氮形态组成中，溶解态氮占比[ρ(DTN)/ρ(TN)]范围在78.2%-95.3%之间，平均为92.1%。溶解态无机氮占比[(ρ(NO3--N)+ρ(NH4+-N))/ρ(TN)]为59.6%-88.7%，平均为83.3%。可见水体氮营养盐主要以溶解态无机氮形式存在，其中ρ(NO3--N)占比高于ρ(NH4+-N)。

2.2 磷的时空变化

2017年洞庭湖水体中不同形态磷质量浓度的时空分布见图3。洞庭湖水体中ρ(TP)、ρ(DTP)、ρ(DPO)、ρ(PP)范围分别为0.059-0.119、0.046-0.097、0.032-0.084、0.011-0.050 mg·L-1，全湖平均值分别为0.081、0.059、0.049、0.022 mg·L-1。空间分布上，ρ(TP)呈现出区间、松滋口＞出湖口＞湖体＞四水，区间3个入湖口断面及松滋口ρ(TP)高于其他断面，均超过0.1 mg·L-1，四水4个入湖口断面的ρ(TP)相对较低。就湖体ρ(TP)而言，西、南洞庭湖显著低于东洞庭湖（P＜0.05）。ρ(DTP)和ρ(DPO)的空间分布与ρ(TP)基本一致。ρ(PP)在区间最高，其次是湖体和出湖口，四水和松滋口较低。时间分布上，各形态磷质量浓度总体上均呈现枯水期＞平水期＞丰水期的趋势，详见表2。与其他水域相比，四水入湖口和湖体的磷质量浓度变化幅度较小。不同磷形态组成中，洞庭湖水 体 中 溶 解 态 磷 占 比[ρ(DTP)/ρ(TP)]为48.5%-86.8%，平均为73.2%；磷酸盐占比[ρ(DPO)/ρ(TP)]为33.4%-75.3%，平均为60.5%；可见洞庭湖水体中磷以溶解态无机磷为主。

2.3 叶绿素a和综合营养状态指数

洞庭湖水体中ρ(Chl-a)和TLI的时空分布见图4。洞庭湖水体中ρ(Chl-a)范围为1.09-21.54 μg·L-1，全湖平均值为4.84 μg·L-1。空间分布上，ρ(Chl-a)呈 现 为 区 间(11.81 μg·L-1)＞湖 体(4.38 μg·L-1)＞出湖口(3.79 μg·L-1)＞松滋口(2.75 μg·L-1)＞四水(1.68 μg·L-1)。就具体断面而言，东洞庭湖的大小西湖断面（S19）和华容河入湖口断面（S8）的ρ(Chl-a)较高，均超过20 μg·L-1。时间分布上，ρ(Chl-a)波动幅度较大，总体上呈现丰水期＞平水期＞枯水期，详见表2。2017年洞庭湖全湖TLI为50.7，属轻度富营养。20个断面TLI范围为43.4-60.1，其中区间的六门闸断面TLI最高，属中度富营养；7个断面属轻度富营养，包括区间的南渡和八仙桥，东洞庭湖的四个断面（除鹿角外）及出湖口断面；其他12个断面TLI不超过50，属中营养水平。Chl-a与水环境因子的相关性分析见表3。Chl-a与PP、CODMn极显著正相关（P＜0.01），与NH4+-N显著正相关（P＜0.05），与NO3--N极显著负相关（P＜0.01）。

（1）采用焦虑自评表（SAS）对两组进行评分[4]。评分表包含20个条目，4级评分，中国常模的结果为：SAS标准分的分界值是50分，50～59分为轻度焦虑，60～69分为中度焦虑，70分以上为重度焦虑，评定时间分别为3个月和6个月。

3 讨论

3.1 氮磷时空分布的影响因素

入湖污染河流是湖泊污染物的重要来源，大部分点源与面源污染物通过入湖河流进入湖泊（金相灿等，2007）。洞庭湖入湖河流众多，南有湘、资、沅、澧“四水”入湖，北有长江水自松滋、太平、藕池“三口”入湖，来水经湖泊调蓄由城陵矶注入长江，形成复杂的江湖水系格局。研究显示（田泽斌等，2014），2010年洞庭湖经由四水和三口输入的NH4+-N和TP分别为67490 t和15030 t。入湖河流污染物通量作为湖泊污染负荷的重要来源，在一定程度上对湖泊水质起决定性作用（许朋柱等，2005）。西洞庭湖南嘴断面（S9）处于松滋河和澧水合流下游，松滋河和澧水对南嘴水质影响较为明显，松滋河入湖口（S5）TN（1.94 mg·L-1）和TP（0.112 mg·L-1）质量浓度较高，相应地南嘴断面水体中营养盐质量浓度较高（TN为1.86 mg·L-1，TP为0.087 mg·L-1），西洞庭湖3个断面中南嘴断面水质最差，2014-2016年水质均为Ⅴ类。西洞庭湖的蒋家嘴断面（S10）位于沅江入湖口下游，沅江入湖口TN（1.55 mg·L-1）和TP（0.062 mg·L-1）质量浓度较低，蒋家嘴断面ρ(TN)（1.61 mg·L-1）和ρ(TP)（0.061 mg·L-1）的年均值低于南嘴。李莹杰等（2019）研究亦发现洞庭湖入湖河流来水水质背景值的贡献对东、西洞庭湖湖区水体中磷质量浓度的变化影响较明显。南洞庭湖的虞公庙断面（S14）处于湘资合流下游，湘江和资江的背景值对虞公庙断面的水质贡献值较大。湘江和资江的ρ(TN)年均值分别为2.11 mg·L-1和2.14 mg·L-1，ρ(TP)年均值分别为0.076 mg·L-1和0.065 mg·L-1，湘江和资江水体中高浓度TN和低浓度TP导致虞公庙断面的ρ(TN)显著高于南洞庭湖的万子湖（S12）和横岭湖（S13）断面（P＜0.05），ρ(TP)年均值与南洞庭湖其他两个断面差异不显著。区间河流污染物汇入对东洞庭湖局部水质起了一定的作用，新墙河、汨罗江及华容河的污染物含量一直处于较高水平，尤其是ρ(TP)年均值都超过0.1 mg·L-1，这可能是东洞庭湖ρ(TP)年均值显著高于西、南洞庭湖（P＜0.05）的一个重要原因。

表2 2017年洞庭湖不同水期各形态氮、磷及Chl-a的质量浓度分布情况 Table 2 Distributions of N and P in various forms and Chl-a concentrations in different water period in Dongting Lake in 2017

图3 2017年洞庭湖不同形态磷质量浓度的时空分布 Fig. 3 Temporal and spatial distribution of various forms of phosphorus concentrations in Dongting Lake in 2017

图4 洞庭湖水体中ρ(Chl-a)和TLI的时空分布 Fig. 4 Temporal and spatial distribution of Chl-a concentration and TLI in Dongting Lake in 2017

表3 Chl-a与水环境因子的相关性分析 Table 3 Pearson correlation coefficients between Chl-a and water environmental factors

除入湖污染负荷外，洞庭湖水体氮磷质量浓度空间分布的影响因素还包括：（1）洞庭湖沉积物中氮磷含量总体呈由东向西逐渐递减的趋势，东洞庭湖沉积物氮磷含量高于其他湖区（王岩等，2014），且东洞庭湖区鹿角（15）至出湖口（S20）段挖沙船舶较多（平均1.5 km约1艘）（田琪等，2016），采沙频繁导致沉积物再悬浮，致使东洞庭湖区水体泥沙含量较高，再悬浮的沉积物释放营养物使水体氮磷质量浓度增加（Tian et al.，2017b）；（2）作为湖南北部政治、经济、文化中心的岳阳市坐落于东洞庭湖区，该湖区城镇集聚多，人类活动频繁，生产生活导致大量污染物汇入。

时间分布上，各形态氮磷质量浓度总体上均呈现枯水期＞平水期＞丰水期的趋势，这一季节分布规律与鄱阳湖相同（陈波等，2016）。枯水期径流量小，水环境容量较小，水体自净能力弱，氮、磷等污染物不能及时被稀释。丰水期（6-9月）洞庭湖上游来水较多，且夏季雨水充沛，这些水体虽携带有氮磷污染物，但入湖水量大幅增加所起到的稀释效应，可能是导致丰水期洞庭湖氮磷质量浓度降低的主要原因（奚姗姗等，2016）。此外，丰水期湿地植物生产力增加，光合作用增强，植物生长也消耗了部分氮磷，洞庭湖浅水区的芦苇（Phragmites australis）根区总磷最高去除率可达55%（杨丽琼，2014），这也是丰水期氮磷质量浓度较低的原因之一。

3.2 Chl-a质量浓度变化的影响因素

Chl-a是所有浮游植物门类都含有的叶绿素类型，不仅是水体营养状态划分的重要指标，还可表征浮游植物的现存量。研究表明（Noiri et al.，2005；Bowes et al.，2016；严广寒等，2018），光照、温度、营养盐、水文条件都是浮游植物生长的重要影响因素。Wu et al.（2013）在鄱阳湖的研究表明，光照和营养盐是浮游植物生长的限制因子。洞庭湖和鄱阳湖都是长江中下游的通江湖泊，洞庭湖多年平均入湖总沙量为1.3115亿吨（王琦等，2015），受湖水中泥沙的影响，洞庭湖水体透明度较低，2017年平均值仅为0.35 m。浮游植物生长需要适当的光强，水体中悬浮物（如泥沙）的存在削弱了光照，从而抑制浮游植物生长（侯秀富等，2013）。时间分布上，ρ(Chl-a)呈现丰水期＞平水期＞枯水期的趋势，这与王丑明等（2018）的研究结果一致。温度对洞庭湖浮游植物生长有一定的影响，丰水期和枯水期洞庭湖平均水温分别为26 ℃和11 ℃，丰水期水温更适宜各种浮游植物生长繁殖（Butterwick et al.，2005）。

相关性分析结果显示，TN和TP质量浓度与Chl-a相关性不显著，TN和TP对浮游植物生长限制作用不明显，这与田琪等（2016）的研究结果一致。Chl-a与PP、CODMn极显著正相关（P＜0.01），ρ(PP)和ρ(Chl-a)的空间分布也呈现出相似的趋势，均在区间入湖口和东洞庭湖较高，这一结果表明入湖口和东洞庭湖的PP可能以藻源性为主，浮游植物对磷有吸收和储存功能（张毅敏等，2016）。各形态氮与Chl-a相关性结果显示，Chl-a与NH4+-N显著正相关（P＜0.05），与NO3--N极显著负相关（P＜0.01）。洞庭湖水体中TN以溶解态无机氮为主，溶解态营养盐更易被浮游植物吸收利用，浮游植物对NH4+-N的利用优于NO3--N（张国维等，2015）。杨柳等（2011）在太湖的研究发现，浮游植物对NH4+-N的吸收速率最大，其次为尿素态氮，而对NO3--N的吸收速率最小，且浮游植物对NO3--N的吸收速率与ρ(NO3--N)呈显著负相关。虽然洞庭湖各断面ρ(NH4+-N)远小于ρ(NO3--N)，但与其他形态氮相比，浮游植物吸收NH4+-N所消耗的能量最少，NH4+-N是浮游植物最喜好的氮形态，与浮游植物生长关系更为密切。

一般认为，水体易出现富营养化的条件为ρ(TN)大于0.20 mg·L-1、ρ(TP)大于0.02 mg·L-1。洞庭湖水体中ρ(TN)和ρ(TP)均高于富营养化的阈值，但长期以来，洞庭湖并未出现明显的水华现象，全湖ρ(Chl-a)平均值为4.84 μg·L-1。其原因可能在于洞庭湖属过水性湖泊，年径流量大，湖水泥沙含量高，水循环周期短，这一独特水文情势使洞庭湖氮、磷等滞留系数小，对富营养化发展有一定的抑制作用。六门闸断面（S8）和大小西湖断面（S19）7-9月水华频发，全年营养状态在轻度富营养以上（TLI＞50）。S8位于华容河入湖口，但此入湖口为电闸排口（其他入湖口无电闸），入湖水量较小，尤其是电闸不运行期间受水体扰动较小。S19位于君山西北侧，湖区水流流速较小，基本不受入湖河流的水动力影响。流速越低则水滞留时间越长，发生水华的可能性越大，水力滞留时间较短时蓝藻很难有效聚集形成水华（Jones et al.，2007）。流速较低的S8和S19的ρ(Chl-a)年均值均显著高于其他断面（P＜0.01），这两个断面的浮游植物组成亦与其他断面不同。S8和S19两个断面浮游植物优势种群以蓝藻和绿藻为主，而其他断面以硅藻和绿藻为主。研究显示（李飞鹏等，2015），水体流动导致浮游植物种群的变化，蓝藻密度迅速下降，硅藻和绿藻成为优势种。洞庭湖水量较丰富，且水体的扰动比较大，蓝藻生长受到一定抑制，适应流动水体的硅藻成为主要优势种，但受水情扰动相对较小的局部区域已出现轻度富营养化。

4 结论

（1）2017年，洞庭湖水体中ρ(TN)和ρ(TP)的变化范围分别为1.26-2.48 mg·L-1和0.059-0.119 mg·L-1，均值分别为1.83 mg·L-1和0.081 mg·L-1。形态组成中，洞庭湖水体的氮与磷均以溶解态为主。洞庭湖各形态氮和磷的质量浓度均表现为入湖口＞出湖口＞湖体。洞庭湖入湖河流水质背景值对湖体氮与磷质量浓度的影响重大，而人类活动（包括采沙和生产生活）对洞庭湖氮与磷的空间分布亦不可忽视。洞庭湖各形态氮与磷的质量浓度表现出季节性变化特征，具体为枯水期＞平水期＞丰水期。

（2）光照、温度、营养盐都在一定程度上影响了洞庭湖ρ(Chl-a)的时空分布，但它们并不是洞庭湖浮游植物生长的限制因子。洞庭湖未出现明显的富营养化现象，但受水体扰动较小的S8和S19断面ρ(Chl-a)较高，7-9月水华频发，全年营养状态在轻度富营养以上（TLI＞50），不得不引起重视。