滇池草海水体枯水期不同形态氮磷空间分布差异性

(昆明市环境监测中心，云南 昆明 650228)

滇池是云贵高原上最大的高原淡水湖泊，位于昆明市主城区下游，由海埂节制闸将其分割为草海和外海，其中外海为滇池的主体部分，水面面积298km2；草海为昆明市的城市内湖，水面面积10.8km2,占滇池水面积的3.6%。滇池流域是云南省人口最密集、经济最发达的地区，由于毗邻昆明主城区，滇池水质一直受到人类活动的严重影响。随着污染物产生量的迅速增加，富营养化已经成为滇池主要的环境问题[1]。众所周知，氮、磷是水体富营养化最为主要的限制性因子。近年来，许多学者对滇池污染治理和富营养化问题的调查和研究主要是针对滇池全湖，如湖区氮磷营养盐的时空分布[2]、富营养化现状[3]以及湖区生物群落特征[4]等。草海作为滇池的重要组成部分，是滇池保护和治理工作中不可或缺的部分。本文基于2016年11月对滇池草海空间16个采样点的水质监测数据，利用ArcGIS空间插值的方法对草海水体中不同形态氮磷及蓝藻密度的空间分布情况进行直观分析，研究氮、磷组成结构特征，探索不同形态氮、磷与蓝藻密度的相关性，通过聚类分析法对草海的污染特征进行分类，以期为滇池草海的污染治理提供参考和借鉴。

1 材料与方法

1.1 区域概况

滇池草海位于滇池东北部，由海埂节制闸与滇池外海分割，与外海没有水体的交换。草海流域覆盖了昆明市主城区约30%的面积，人口密度大、建成区比例高，以居住用地和公共服务用地为主，呈现出典型的城市流域特征[5]。入湖河流有7条，分别为大观河、乌龙河、西坝河、船房河、新运粮河、老运粮河、王家堆渠。2015年昆明市实施了牛栏江-草海补水通道建设工程，自2015年5月5日起，将牛栏江水通过盘龙江引入大观河、西坝河，最后进入草海作为生态补水，以提升草海水体置换效率。2016年将新运粮河、老运粮河、王家堆渠3条河流河水引入东风坝，不再进入草海湖体。因此目前进入草海的河流有大观河、乌龙河、西坝河、船房河4条。

1.2 样品采集与测试

按照网格在草海布设16个点位(图1)，研究时间为 2016 年 11月，采集0.5m表层水，加保存剂带回实验室分析测试。检测指标包括总磷(TP)、溶解性总磷(DTP)、总氮(TN)、溶解性总氮(DTN)、蓝藻密度等。TP、TN按国家标准规范进行分析测试，DTP、DTN将水样经0.45μm滤膜的滤液消解后测定，蓝藻密度使用哈希便携式水质多参数测定仪进行现场校准测定。

1.3 数据处理

按照国家《GB3838-2002地表水环境质量标准》(表1)评估草海氮、磷污染情况。采用综合营养状态指数法对草海枯水期水质富营养化状态进行评价，评价因子为TN、TP、Chla、SD及CODMn。使用ArcGIS10.1对监测指标浓度含量进行空间插值分析，得到各指标空间分布。采用Excel 2010和SPSS19.0进行数据处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 滇池草海氮、磷及蓝藻密度状况

滇池草海TN浓度值范围在3.13～4.63 mg/L，平均浓度为3.54 mg/L，平均值及16个测点均超出地表水Ⅴ类标准。DTN浓度值范围在2.30～3.32 mg/L，平均浓度为2.68 mg/L。草海水体中DTN占TN的比例在62.4%～91.0%，平均占比76.1%，表明水体中DTN为氮的主要赋存形式，氮主要以可溶态氮的形式存在，少量以颗粒态氮的形式存在。TP浓度值范围在0.048～0.191 mg/L，平均浓度为0.096 mg/L，平均值达到地表水Ⅳ类标准。16个测点中Ⅲ类水占12.5%，Ⅳ类水占43.75%，Ⅴ类水占43.75%；DTP含量很低，浓度值范围在0.005～0.064 mg/L，平均浓度为0.025 mg/L。DTP占TP的比例在6.3%～47.7%，平均占比24.5%，表明水体中磷主要以颗粒态磷的形式存在，极少量以可溶性总磷形式存在。蓝藻密度范围在3481～40564万个/L，平均值为19402万个/L。

表1 草海水体氮磷及蓝藻密度结果

2.2 氮磷及蓝藻密度空间分布特征

使用ArcGIS对滇池草海水体氮、磷浓度及蓝藻密度进行空间插值分析，可以较直观地获得其空间变化趋势。从图4～图8可以得出：不同形态的氮磷浓度及蓝藻密度的空间分布具有一定的差异性，其中TN、TP的空间分布与蓝藻密度的空间分布一致性较好，氮磷浓度以草海南部海埂船闸一带最高，其次是草海北部，湖体中心水域最低。在河水水动力驱动和常年西南风的驱动下，草海北部藻类不容易积聚，蓝藻密度呈明显的从北向南逐渐增高的趋势。DTN、DTP空间分布总体呈现由北向南逐渐降低的趋势，由于蓝藻生长过程中会吸收大量氮磷营养盐，漂浮蓝藻是颗粒氮磷的主要存在形式，尤其在高密度蓝藻聚积未腐烂的水体中，氮磷营养盐主要赋存在藻体内[12]，因此DTN与DTP的变化与藻类的变化是一致的。

2.3 草海水体富营养化特征分析

调查期间草海总体富营养状态为轻度富营养，综合营养状态指数为58.9。1#～16#测点综合营养状态指数范围在54.1～65.2，富营养状态为轻度富营养和中度富营养，16#测点综合营养状态指数最高为65.2。

目前国际上一般认为当水体中的TN和TP浓度分别达到0.2mg/L和 0.02mg/L，就有可能发生水华现象[6]，草海水体TN和TP浓度远远超出了发生富营养化的氮、磷条件。TN/TP作为湖库营养结构的重要表征，可以在一定程度上反映营养物输入负荷对水体营养结构的影响，同时也是水体中浮游生物种群营养结构的重要影响因素和体现[7-8]。Guildford等[9]提出的水中营养物限制性标准指出，TN/TP≤9.0(质量比,摩尔比为20)为氮限制状态，TN/TP≥22.6(质量比,摩尔比为50)为磷限制状态。本次调查草海水体TN/TP比均>22.6，说明草海水体处于磷限制状态，但由于富营养化的复杂性，仍然要考虑氮的影响。

利用双侧Pearson相关性分析来分析蓝藻密度和不同形态氮磷的关系。结果表明本次调查期间蓝藻密度与TN呈显著正相关(相关系数 0.627，0.01 置信水平上显著相关)、DTP呈显著负相关(相关系数 -0.717，0.01 置信水平上显著相关)。说明枯水期草海藻类生长可能主要受TN和DTP影响。TN、TP无显著相关性，表明草海氮磷补给的异源性。

表2 蓝藻密度和不同形态氮磷相关性

注：*-在 0.05 水平(双侧)上显著相关；**-在 .01 水平(双侧)上显著相关。

2.4 聚类分析

聚类分析法是一种将研究对象的诸多特性进行分类的分析方法，其通过在变量之间定义相似系数来代表变量之间的相似程度，然后将相似程度大的优先聚合到一起，最终按照类别的综合性质将多个变量聚合，直至所有变量聚为一类[10]。将草海16个测点进行空间聚类分析，可聚类成3组(见图9)，第1组包括7#～15#测点，第2组包括1#～6#测点，第4组为16#测点。目前进入草海主体水域的有大观河、乌龙河、西坝河、船房河4条河流，这4条河流大多由草海北面进入，结合空间特征的分析结果，随着水动力的驱动和湖水的稀释净化，入湖断面高于湖心区域，1#～6#测点所处区域为草海北部狭长型水域，7#～15#测点是草海湖体中心水域，16#测点由于是蓝藻比较集中的区域，与其它测点空间差异较大，可见聚类分析结果和实际情况相符。

3 结论

(1)调查期间，滇池草海水体TN浓度平均值为3.54mg/L，超过Ⅴ类水质标准；TP为0.096mg/L，达到Ⅳ类水质标准。DTN为氮的主要形态，占TN的76.1%；DTP仅占TP的24.5%，颗粒态磷是磷的主要形态。

(2)TP、TN浓度的空间分布呈现随水流方向由北向南逐渐降低随后升高的趋势，草海南部海埂船闸一带最高，其次是草海北部，湖体中心水域最低。蓝藻密度的空间分布呈现随水流方向由北向南逐渐升高的趋势，草海南部海埂船闸一带最高，其次是湖体中心水域，最低为草海北部。DTN、DTP浓度的空间分布呈现随水流方向由北向南逐渐降低的趋势。

(3)调查期间草海水质处于轻度富营养化状态。氮磷Pearson相关性分析指出TN、TP无显著相关性，表明草海氮磷补给的异源性，蓝藻密度与TN呈现显著正相关，与DTP呈现显著负相关。N/P显示磷是草海的限制因子，但由于富营养化的复杂性，仍然要考虑氮的影响。

(4)由聚类可以将草海划分为3个区域，与实际情况较为符合。