宁夏太阳山湿地水质现状与富营养化评价

2021-06-25孙旭杨赵增锋邱小琮王世强欧阳虹

水土保持通报 2021年2期

孙旭杨, 赵增锋, 尹娟, 邱小琮, 王世强, 欧阳虹, 郭琦

(1.宁夏大学土木与水利工程学院, 宁夏银川 750021; 2.宁夏大学生命科学学院, 宁夏银川 750021)

湖泊作为地表水资源的重要组成部分，是地区社会经济发展的重要自然资源[1]，除了具有调节河川径流、提供灌溉用水、旅游观光和沟通航运等方面的功能外，还在干旱地区脆弱的生态环境保护方面有不可替代的作用[2]。近年来随着区域气候环境的变化，以及工农业和旅游行业等人为不合理开发活动的增加，使得湖泊的形态、数量发生了巨大变化[3]，水体水质逐年恶化、浮游植物的种类及多样性也逐年减少[4]，湖泊富营养化问题日益突出。湖泊富营养化是指在自然因素或人为活动影响下，氮、磷等营养盐含量在水体中急剧增加，使生产力较低的贫营养湖泊转变成为高生产力的富营养湖泊[5]。湖泊富营养化会使得水生植物和藻类爆发式生长，水体颜色发生变化和水体透明度降低[6-7]，进而造成水质恶化以及破坏湖泊生态系统平衡能力[8]，因此分析并评价湖泊水体水质现状及富营养化程度，对湖泊水环境治理具有十分重要的意义。

太阳山温泉国家湿地公园位于吴忠市红寺堡太阳山开发区，东经106°32′01″—106°40′58″，北纬37°23′59″—37°29′17″。湿地公园总面积2 447.50 hm2，湿地面积1 492.7 hm2，水域面积654.8 hm2，其中湿地类型丰富，包含了河流湿地中的季节性河流，湖泊湿地中的永久性淡水湖、季节性咸水湖等诸多种类。太阳山温泉国家湿地公园是宁夏中部干旱带稀有和独特的湿地类型，处于宁夏多个重要生态功能区交汇处，对蓄洪抗旱、调节小气候、提供水鸟繁殖地和保护中部干旱带生物多样性等方面具有重要战略意义。但近年来，由于当地工业快速发展、水土流失严重、土地沙化日益加速，以及水资源的不合理开发利用，使得湖面水域减小、生物多样性降低、湿地水环境日趋恶化，现急需对湿地湖泊水质和富营养化现状进行评价并积极主动寻找保护对策。目前太阳山温泉国家湿地公园的水质与富营养化研究尚缺乏，且部分学者[9-11]对水体富营养化评价时主要的考虑对象为叶绿素a和氮、磷营养盐含量等非生物指标，这对湖泊生态系统的富营养化评价是不全面的，应同时考虑非生物指标和藻类生物指标的角度对湖泊富营养化状态进行评价。为此，本研究针对太阳山湿地4个主要湖泊，除将常规的非生物指标和藻类生物指标纳入评价范围外，还考虑当地湖泊水体高氟的特殊情况。采用灰色关联法和水质生物学法对水质进行分析，运用藻类生物学法和综合营养状态指数法评价水体富营养化状态，旨在为太阳山温泉国家湿地公园的水生态修复和水资源合理开发利用提供依据。

1 材料与方法

1.1 样点布设与采样时间

依据研究目标，并结合太阳山湿地湖泊的地理位置、补给水源以及相似水文特征，使用GPS定位，布设西湖(S1-S3)、南湖(S4-S6)、小南湖(S7-S8)和东湖(S9-S11)11个采样点位。为了更好地描述太阳山湿地湖泊水质及营养化现状，采样时间为2019年4，7，10月和2020年1月以代表春、夏、秋、冬四季，具体采样点位置如图1所示。

图1 太阳山湖泊水样采集点分布图

1.2 样品的采集和测定

水样采集按照采样技术指导(HJ494-2009)、采样方案设计技术(HJ495-2009)以及水质样品的保存和管理技术(HJ493-2009)中的要求进行[12-13]。其中水体透明度指标SD使用塞氏盘现场进行测量，采用5.0 L有机玻璃采水器采集水样并保存，带回实验室当天测定高锰酸盐指数CODMn(GB/T11892-92)、氨氮NH3-N(HJ535-2009)、氟化物F(HJ487-2009)、总磷TP(GB/T11893-89)、总氮TN(HJ632-2012)、5 d生化需氧量BOD5(HJ505-2009)和叶绿素Chl.a(SL88-2012)等指标。浮游植物样品采集及检测方法参照规定[14]进行，浮游植物样品包括定性标本和定量标本，定性标本使用25号浮游生物网在设计样点处采集，并用鲁哥氏液现场固定。用1 L采水器采集定量标本，现场用鲁哥氏液固定，带回实验室后先经24 h沉淀浓缩至200 ml，再经24 h浓缩至50 ml，然后每50 ml加入2 ml甲醛保存。浮游植物的定性标本使用400倍显微镜进行观察鉴定，一般鉴定到种，至少鉴定到属，定量标本则采用视野法，计浮游植物个体数。

1.3 水质评价方法

1.3.1 灰色关联法灰色关联法的基本思路是以《地表水环境质量标准GB3838-2002》中规定的5类水质分级标准作为比较序列，以各采样点水环境因子实测值为参考序列[15]，从而得到两者的关联程度。具体的方法是，先对所选样点的试验数据和水质标准等级阈值进行归一化处理，然后选取各个样点的水环境因子指标值和相应水质的标准等级进行关联，并根据每一个指标的权重计算出各样点和5个水质标准等级的灰关联序[16]，最后依据最大隶属度的原则来判断每个点位所对应地表水水质标准等级。

1.3.2 水质生物学法浮游植物群落中各种参数变化可以很好地反应水体环境的变化，通常被用作水体环境的生物评估指标[17]。当水体环境变化时，浮游植物对其群落结构的适应性也会发生改变，因此可通过浮游植物的优势度指数(Y)、Shannon-Wiener多样性指数(H′)和Pielou均匀度指数(J)来衡量水体环境质量的优劣，具体计算公式为：

Y=Pi·fi

(1)

(2)

(3)

式中：Pi为第i个属细胞密度ni占总细胞密度N的比例，fi为第i个属出现的频率，Y≥0.02为优势种，S为浮游植物总属数。参考宋勇军[18]对湖泊水质生物学的研究，多样性指数(H′)和均匀度指数(J)的水质生物学评价标准详见表1。

表1 浮游植物水质生物学评价标准

1.4 富营养化评价方法

1.4.1 藻类生物学法目前水体富营养化的生物评价法常选取浮游植物细胞密度、优势种和多样性指数指标[19]，不同营养状态的水体中存在不同的生物物种，尤其是浮游植物细胞密度、多样性指数(H′)以及均匀度指数(J)与水体营养状态存在某种对应关系，因此可以通过浮游植物群落特征作为评价富营养状态的依据[20]，水体营养状态多样性指数评级标准[21]详见表2。

表2 水体营养状态评价的多样性指数及标准

1.4.2 综合营养状态指数法综合营养状态指数法指标简单、反馈灵敏，且考虑了相关权重的差异，故采用综合营养状态指数法评价太阳山湿地湖泊的营养状态。选取了Chl.a，TP，TN，SD和CODMn作为评价因子，参照金相灿等[22]提出的评价方法，具体计算公式为：

(4)

式中：TLI(∑)是综合营养状态指数；Wj是第j种参数营养状态指数的相关权重； TLI(j)为代表第种参数的营养状态指数;m为评价指标的个数，以Chl.a为基准参数，各指标营养状态指数计算公式为：

TLI(Chl.a)=10(2.5+1.086lncChl.a)

(5)

TLI(TP)=10(9.436+1.624lncTP)

(6)

TLI(TN)=10(5.453+1.694lncTN)

(7)

TLI(SD)=10(5.118-1.94lncSD)

(8)

TLI(CODMn)=10(0.109+2.661lncCODMn)

(9)

式中：除Chl.a单位为mg/m3，SD单位为m外，其他指标单位均为mg/L。

将湖泊的营养状态等级[23]按0～100的一系列连续数字进行划分，综合营养指数越大则表明水体的富营养化状态越高。水体营养状态指数小于30为贫营养，30～50为中营养，50～60为轻度富营养，60～70为中度富营养，大于70为重度富营养。

2 结果与分析

2.1 灰色关联法评价

在进行关联度计算时，结合太阳山湿地水体高氟情况，选取NH3-N，TN，TP，CODMn，BOD5和F作为评价因子。将湖泊季度平均值做归一化处理，分辨系数选为0.1后，根据最大关联度得出太阳山湿地湖泊的水质级别详见表3。结果显示，西湖在夏、秋季水体最好，为Ⅲ类水标准，春季和冬季较差，分别为Ⅴ类和Ⅳ类，呈现出明显的季节性变化特点，这种特点同样也出现在南湖水体中。南湖在夏、秋季水体水质要稍好于西湖，可达到Ⅱ类水，在春、冬季水质为Ⅳ类和Ⅴ类，小南湖和东湖水质最差，全年均为Ⅴ类水。

表3 灰色关联法评价结果

2.2 水质生物学评价

太阳山湿地2019年各湖泊水体的浮游植物生物量、Shannon-Wiener多样性指数(H′)和Pielou均匀度指数(J)如图2所示。其中西湖的多样性指数(H′)在夏季达到最大为3.99，秋季其次为3.43，均匀度指数(J)变化幅度较小。南湖同样夏季多样性指数(H′)最高为3.899，均匀度指数(J)变幅为0.04～0.08，此时水体达到全年最优状态。小南湖和东湖情况略差，多样性指数(H′)变化分别处于2.35～3.56和1.71～3.10，春、冬季接近中度污染状态。

图2 太阳山各湖泊浮游植物生物量、多样性指数和均匀度指数

从整体来看，2019年太阳山湿地湖泊的浮游植物指数时空变化较为明显，浮游植物生物量年平均生物量西湖最高，为24.15 mg/L，南湖最低，为15.13 mg/L。各样点中，生物量最低出现在冬季的东湖，为4.10 mg/L，最高点出现在夏季的西湖，为33.06 mg/L。其中多样性指数(H′)处于1.718～3.990，均匀度指数(J)均在0.8及以上，说明太阳山湿地湖泊浮游植物多样性丰富，且均匀度较好。在夏季各湖泊的生物量、Shannon-Wiener多样性指数(H′)和Pielou均匀度指数(J)均达到各自峰值，此时浮游植物种类数最为丰富，这是因为此时湖泊水体温度较高，加上营养成分充足，各种藻类大量繁殖造成的，而春、冬季浮游植物以硅藻占绝对优势，种类数下降的同时，多样性指数也随之下降。

2.3 藻类生物学法评价

太阳山湿地各湖泊2019年浮游植物细胞密度如图3所示。其中西湖年浮游植物细胞密度平均值为1.25×107cells/L，其中春、夏和秋季密度分别为1.52×107cells/L，2.14×107cells/L和1.16×107cells/L，水体呈中营养，冬季密度较小为1.66×106cells/L，处于贫中营养状态。南湖年浮游植物细胞密度平均值为6.77×106cells/L，其中夏季富营养程度最大，细胞密度为1.48×107cells/L，为中营养状态，春、秋和冬季密度分别为4.83×106cells/L，6.16×106cells/L和1.29×106cells/L，均呈贫中营养状态。小南湖年浮游植物细胞密度平均值为7.32×106cells/L，同样夏季达到中营养状态，植物细胞密度为1.69×107cells/L，而在其他季节依次为4.58×106cells/L，6.42×106cells/L和1.38×106cells/L，水体处于贫中营养。东湖年浮游植物细胞密度平均值为1.00×107cells/L，同样在夏季密度最大，为2.52×107cells/L，处于中营养，在春、秋和冬季密度分别为6.24×106cells/L，7.78×106cells/L和8.83×105cells/L，呈现贫中营养状态。

图3 太阳山各湖泊浮游植物细胞密度分布

在浮游植物优势种指示湖泊营养状况[24]中，贫营养型湖泊一般以黄藻和金藻类为主，中营养型湖泊以隐藻、硅藻和甲藻为主，而富营养型湖泊优势种大多为蓝、绿藻。其中太阳山湿地湖泊春季优势种共14种，分别属于硅藻门、甲藻门和绿藻门，夏季优势种有15种分别属硅藻门、绿藻门和蓝藻门，秋季优势种共有13种属于硅藻门、甲藻门、蓝藻门和绿藻门，冬季优势种为8种，均属硅藻门。由此也可看出，太阳山湿地湖泊在夏、秋季已到达富营养程度，春、冬季多为中营养状态。

2.4 综合营养状态指数法评价

按照湖泊营养状态评价标准，对太阳山湿地湖泊进行综合营养指数等级评价，评价结果详见表4。

由表4可以看出，2019年太阳山湿地湖泊富营养化具有较明显的季节变化，普遍呈现夏季营养化程度高，春、冬季营养化程度低的趋势。其中西湖夏季最高，水体呈现轻度富营养，春、秋和冬季为中营养状态；南湖情况较好，全年水体均呈现中营养。而小南湖情况较差，在夏、秋季为中度富营养，春、冬季则为轻度富营养。东湖与小南湖相差不大，除夏季水体呈现中度富营养外，其余季节均为轻度富营养状态。

表4 综合富营养状态评价结果

3 讨论与结论

3.1 水质特征分析

应用水环境理化因子灰色关联法和浮游植物水质生物学法，对太阳山湿地湖泊的水质进行评价，其结果差异不大，具有较好的一致性。其中西湖夏、秋季为Ⅲ类水标准，南湖为Ⅱ类水标准，此时水体浮游植物的生物量、多样性指数(H′)和均匀度指数(J)也达到各自峰值，其次为秋季，均呈微污染状态。而春、冬季浮游植物种类数下降，多样性指数(H′)随之下降，此时水质较差，接近中度污染状态。这些表明，水体中浮游植物多样性指数(H′)和均匀度指数(J)能较好反映水质情况[25]，如果水体中浮游植物种类多且分布均匀性越高，则相对应的水环境污染也就越小。

水环境评价结果还显示，太阳山湿地湖泊水质具有明显的季节性特点，即夏、秋季节水环境质量要优于其他季节。这是由于外部降雨多集中于夏、秋季，湖内污染因子被稀释，而在春、冬季时，由于入湖水量减少，使得湖内污染物浓度较高，水环境质量也就较差。西湖和南湖的季节性变化较为明显，夏、秋季受外部降水和周围地下水补给量大，水质较好，而春、冬相反，水体内氮类营养盐TN含量过高，多为Ⅳ类和Ⅴ类水。小南湖与东湖情况较为复杂，季节特点变化不明显，全年均为Ⅴ类水，这是因为湖水主要补给水源为苦水河上游来水，湖内CODMn，F和NH3-N造成的水环境污染较为严重。这一方面与当地水文地质条件有关系，经监测小南湖和东湖中水环境指标F超Ⅴ类水标准2.2～4.2倍，这是流域内含氟岩石等通过淋溶和解吸后[26]，在水体中蒸发、浓缩与累积等富集而成。另一方面由于湿地公园处于太阳山开发区内，受周围工业排放与城镇面源污染影响，湖内水体有机物CODMn和氨氮营养盐NH3-N含量过高，因此而造成全年均为Ⅴ类水标准。

3.2 富营养化特征分析

在太阳山湿地湖泊富营养状态评价中，浮游植物生物学评价结果与水环境理化因子评价结果有所差异，这种差异的存在不仅是因为湖泊生态环境本身具有复杂性和影响因素多样性，还因为从不同角度去评价水体富营养程度均有其局限性，因此应综合考虑两种结果才能更为全面地评价太阳山湿地湖泊富营养化状态。综合以上两种方法分析，西湖和南湖情况较好，多呈中营养状态，小南湖和东湖较差，分别已达到中度富营养和轻度富营养水平。

小南湖和东湖的富营养化程度较大，一方面小南湖作为苦水河过水河道，是东湖的常年补给水源。在苦水河沿流域调查[27]中表明，其水体中营养元素过多，这主要与当地农田灌溉方式以及农业化肥的不当使用有关，农田灌溉退水中含有大量的氮、磷等营养盐流入湖内，使得小南湖和东湖营养化程度较高。另一方面，也有学者[28]研究表明浅水水体更易发生富营养化，小南湖和东湖常年水位在1.2～1.6 m，属于浅水型湖泊，在夏、秋季受温度、pH值和风浪等因素影响，导致湖底沉积物中大量的营养盐悬浮和释放而造成水体营养化较为严重。湿地南湖附近有多处泉眼，受地下水补给较多，由于地下水量补给充足，氮、磷等营养元素被稀释，使得南湖水体营养化程度相对较低，全年均呈中营养状态。但南湖水域面积较小为41.6 hm2，环境容量有限，应密切监测其水体状况变化趋势。西湖西南区域村庄聚集，人为影响较为明显外加湖内水生植物种类丰富，鸟类和两栖类动物多且活动频繁，致使夏季有机物污染较严重，水体呈现轻度富营养，春、秋和冬季活动较弱为中营养状态。