东平湖菹草(Potamogeton crispus)的遥感定量分析

吴春辉，刘淑芬，桑彦彦，张秋英，李发东，栗照鑫*，肖捷颖

(1.泰安市生态环境局东平分局，山东 泰安 271500；2.山东省泰安生态环境监测中心，山东 泰安 271018；3.泰安市生态环境局，山东 泰安 271018；4.中国环境科学研究院，北京 100012；5.中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101；6.中国科学院大学，北京 100049；7.河北科技大学，河北 石家庄 050011)

人类福祉在很大程度上取决于生态系统的服务功能[1]，水生生态系统由于具有提供可用水、灌溉和食物的作用则更为重要[2-4]。在许多发展中国家的人为活动，如不可持续的土地利用、未经处理的城市和工业废物的排放以及农用化学品的密集使用，都在影响着自然水体的质量[5-6]，并可能损害这些水生生态系统提供食物和功能的能力[7]。湖泊作为重要的水生生态系统，不仅是人类重要的淡水资源，也具有非常重要的生态价值和环境价值[8-9]。东平湖是山东省第二大淡水湖，是国家南水北调水利工程重要的水库调蓄区[10]，同时东平湖是山东省满足日常生活和农业灌溉需要的主要淡水来源[11]。因此，加强东平湖水质的监测和治理意义重大。常规水质监测具有精度高的优点，但难于表达湖泊的整体、大面积水质状况。现代遥感技术获取数据快速、能提供不同时相数据和整个湖泊大面积水质状况，具有监测范围广、成本低和便于进行长期动态监测的特殊优势，在湖泊水质监测中得到了广泛地关注、研究及应用[12]。国内外针对湖泊水质的遥感监测已经具有较为成熟的理论、技术和方法，湖泊水质遥感监测指标主要包括叶绿素a、悬浮物、黄色物质、水温、水深等，其中叶绿素a和悬浮物是影响水体光谱特征的主要物质，同时也是研究和应用中比较成熟的水质参数[13]。针对湖泊水质参数中的化学参数如氮、磷等则是通过间接的方法进行研究，未来研究主要侧重于湖泊各种水质参数的遥感反演[14]。现有湖泊水质遥感反演方法主要根据经验、半经验模型，对内陆重要湖泊和城市水源地的叶绿素含量、蓝藻爆发、总悬浮物含量等水质参数进行遥感监测与空间反演[15]。多数模型应用于明确水中藻类的时空分布、流域营养物质输送模型和湖泊水域水质模型等问题，为水体富营养化现状评价提供信息支持，为水资源管理与污染治理决策提供空间可视化依据。

菹草广泛分布于中国南北地区的淡水水体中，是南水北调东线河湖中常见的沉水植物，也是该地区冬春季沉水植物群落的主要建群种，在水生生态系统初级生产力、营养元素的生物地球化学循环和维持水体稳定性方面起着重要作用[16]，因其生长期间叶、茎、根能大量吸收磷元素而被广泛作为净水植物[17]，同时也可作为水体富营养化程度的指标植物[18]。磷素是造成浅水湖泊富营养化的主要元素[19]，因此测定水体中的磷浓度对分析水体污染程度及治理具有重要意义。以上的研究多集中在对水体污染元素的直接测量以及狭小范围内水草的研究，本研究利用遥感方法定量分析东平湖菹草动态变化，旨在揭示东平湖菹草的季节生物量动态，阐明对东平湖总磷含量的影响，为东平湖水质治理，特别是总磷的治理提供科学支撑。

1 研究区概况和研究方法

1.1 研究区概况

东平湖(35°30′～36°20′N，116°00′～116°30′E)位于山东省泰安市东平县西部(图1)。东通大清河，西连黄河，北起清河口门，南至金线岭围堤，是山东省第二大淡水湖泊，也是中国东部地区典型的浅水型湖泊。

图1 东平湖位置

1.2 研究方法

本研究通过分析遥感影像，探究东平湖水质的周年变化。使用的遥感影像为美国陆地卫星Landsat 8 OLI 数据，数据生成时间为2017年2月16日、5月7日、7月10日、9月12日、9月28日、10月30日、2018年3月23日、4月25日和6月11日，所有数据质量满足本研究要求。

经过校正预处理及波段计算处理，通过目视解译及模型模拟分析东平湖近1年的植被状况。对数据进行方差及显著性分析，得出结果。

2 结果与分析

2.1 东平湖水中植被年变化

植被指湖水中的水草，并非水体中叶绿素。水体中水草的量由图2湖水中的红色区域表示，整体上看，只有2017年5月7日和2018年4月25日的影像，水体中有非常明显且大量的红色区域出现，这是因为东平湖中有大量的菹草及各种其他水草，菹草每年到5月份成长到最旺盛的时期，由于温度高而死亡。2017年5月份湖水中水草广泛分布在除了小区域人类行为(疏浚和养鱼)影响之外的所有区域。2018年4月25日的图像显示湖水中植被的量要少于2017年，主要存在于湖区沿岸，应该是受面源污染的影响；除此之外，梁莉莉等[20]研究表明1991—2017年这26年间东平湖菹草群落不断扩张，并经Spearman秩相关分析,菹草面积与湖水营养化水平显著正相关。2018年菹草生物量低于2017年也可能是由于富营养化水平降低所致，说明当地政府加大了东平湖水体治理力度。

图2 东平湖水体植被变化

2.2 东平湖水质植被空间变化

为更好地表达湖区水体中植被的空间变化，通过对9期遥感影像的处理和计算，对不同时期图像的植被指数利用同一分段标准制图，可以相对准确地描述湖区水体中植被的空间分布及变化特征，见图3。

从总体上看，2017年9月28日和2018年6月11日的影像上体现的水中植被的数量总体偏低，呈从湖中心向岸边同心圆状增加的状态，湖区北部湖口处植被数量偏大。2017年7月10日、9月12日和2018年3月23日3期图像显示，这3个阶段水体中植被的含量较2017年9月底和2018年6月有所增加，同样是湖心相对较低，北部湖口处较高。2017年2、10月水体中植被的量处于中等水平。2017年5月7日和2018年4月25日的分析结果是研究阶段里最高的，高植被量的存在说明，这些区域具备菹草所需的营养条件，符合菹草的生长规律。夏季芽殖体沉入湖底休眠，秋冬缓慢，次年春季大势生长，麦收时节水温升高后死亡。2017年5月水体中植被量高的区域面积非常大，约占1/3，主要分布在东北部和南部。2018年4月的影像显示，高植被量的区域比2017年减少了很多，主要在北部，东部和南部沿岸地带。表明最近当地政府和环保主管部门的治理力度较大，取得了明显的效果。

2.3 东平湖菹草生物量分析

菹草的生物量变化趋势基本一致，即生物量累积曲线呈 S 型[21]。5月份菹草已经成为东平湖水域水生维管束植物的优势种群，覆盖面积可达80%以上，平均生物量3.27 kg/m2(湿重)，最大生物量达到5.33 kg/m2(湿重)，整个东平湖鲜菹草年产量在50万t以上[17]。

每年的4—5月份为湖水中菹草生长最为旺盛的时期，结合现有图像资源，计算了2017年5月7日和2018年4月25日东平湖内菹草干物质的量，见图4。两个时期相比较，2018年湖区的总体上看，所产生的干物质量要少于2017年5月份，这与前面的研究结果一致，东平湖水域治理初见成效。

a)20170216

d)20170912

g)20180323

a)20170507

2.4 湖内菹草生长过程对湖水氮磷含量影响

研究表明菹草在生长时期因其吸收各种水体营养物质而对湖水起到了的净化作用。在夏初季节植株腐烂分解过程中，有大量累积吸收的氮、磷向水体释放。东平湖面积按120 km2，平均水深按2 m，菹草产量按250×104kg/km2，菹草覆盖面积按80%，菹草平均含水率按92%计[17]，年产菹草干重约3.8万t，鲜草约47.5万t，含氮、磷各约6 707、190 t(亦是菹草对湖水中氮、磷的年吸收量，即总磷含量为5 g/kg干重)，表明内源的贡献非常大。菹草在开始腐烂的第4～6 d，磷元素的累积释放率达到91.3%，可以估算出约有173 t的磷会释放到湖中；氮元素的累积释放量则是在第14 d达到最高值。

根据计算，相当于总磷含量为0.73 mg/L(以最大释放量173 t，面积120 km2和水深2 m计算)。因此，若通过打捞的方式降低湖水中的氮、磷元素的含量，最好在菹草生长盛期之后，腐烂分解过程开始之前进行，一旦开始腐烂分解，就会造成东平湖水质中氮、磷元素浓度的急剧升高。邓焕广等[22]研究结果也表明菹草在腐烂过程中会向水体释放大量氮、磷元素及温室气体，对水体造成二次污染。陈志刚等[23]研究也发现菹草在腐烂后氮、磷分别释放9.14%、32.02%；此外，菹草枯落物氮、磷元素积累指数(NAI)平均值分别为46.10和32.23，表明菹草在腐烂分解过程中氮磷元素均以净释放为主。根据2018年5万t打捞量计算，仅可降低10.5%的释放量，即总磷含量仍然可达0.65 mg/L。

3 结论

水生植物和养殖导致湖泊中的氮磷增加，为东平湖的菹草生长提供了丰富的营养。特别是水草的生长，近年呈增加趋势。然而，水草虽然在生长季吸收了大量的氮和磷，对水体中的营养物质有净化作用，每年4—5月底达到盛期，起到了吸收湖水中氮、磷元素的作用。但是，6月后，随着水草枯死、腐烂，磷再次释放进入水体，周而复始而难以清除。有研究结果表明，菹草中总磷含量为5 g/kg干重，每千克干菹草在第25 d时释放磷的量达到高峰，释放总量为5.65 mg 磷，按照菹草平均含水量92%来计算，那么假设每年收割2 212 t的湿菹草，消减磷的释放量为1 t。因此，通过每年收割菹草抑制东平湖富营养化水平升高确实是一种有效的方法，但是要达到彻底消除水体污染的目的，必须得多措并举。