松雅湖湿地公园水环境特征及富营养化评价

李巧云，廖菊阳，胥 雯，刘 艳，廖 鹏，吴林世，宋 胤，王 玲，张 娟，黄雅奇，谭知虎

（1湖南省植物园，长沙410116；2湖南长株潭城市群森林生态系统定位观测研究站，长沙410116）

0 引言

湿地是介于陆地和水体间的过渡生态系统，是人类重要的生存环境之一，具有独特的水文、植被、土壤和生物特征[1]。湿地公园在保护湿地生物多样性和生态环境，在休闲、科学教育、文化服务价值方面扮演着重要的角色[2]。中国的水资源短缺形式十分严峻，其中400多个城市常年供水不足，114个城市水资源严重匮乏[3]。而城市湿地因生态和社会服务功能，被认为是城市重要的生态基础设施之一，更是城市可持续发展依赖的重要自然系统[4]。城市湿地水系自然要素密集，自然过程丰富，由于其在城市中的特殊性，所以与人类活动物质流、信息流、能量流等交换过程更加复杂[5]。城市湿地水体由于流动性较差、水源来源复杂及水体的自净能力弱，水体中磷、氮等营养物质的富集[6]。城市湿地公园的建设是开展城市湿地生态保护的有效途径，同时也是衡量国家或地区生态保护发展水平和生态文明建设的重要指标之一[7]。人类活动高度依赖区域水系，但又对区域水系产生显著影响[8]。人类活动影响下的水体富营养化、有机污染等是湖泊污染的主要来源，其受污染程度与人类的生产生活强度密切相关[9]。水体富营养化指的是随着水体氮、磷等生物要素的富集，浮游植物繁殖异常并伴随着生态系统的完整性和服务功能下降的现象[10]。水体富营养化会导致水体老化速率增加、造成水体缺氧、改变水体颜色等[11]。城市湿地水系受到人们越来越多的关注，成为国内外学者研究的热点问题[12-13]。

松雅湖国家湿地公园位于湖南省长沙市北部长沙县，是湖南省目前最大的城市湖泊，具有特殊的功能特征。该湿地公园不仅与长沙的水环境密切相关，还可对湘江水系的水生系统产生较大影响[14]。松雅湖湿地公园具有湖泊、草本与沼泽、人工岛屿以及湖岸生态带等复合生态景观，是退田还湖恢复重建生态湿地工程的典型代表。本研究以松雅湖湿地公园2018年6月—2019年5月5个样点水质的月监测数据为基础，分析松雅湖湿地水质时空分布特征，并应用修正的卡尔森营养状态指数法(TSI)对该区域开展水质富营养化评价，以期为湖湘水域富营养化治理和水环境保护提供理论和数据支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

研究区域位于松雅湖国家湿地公园(113°5′5′′—113°6′55′′E、28°15′38′′—28°17′17′′N)，园内总用地面积约489.62 hm2，其中湿地面积274.4 hm2[15]。属中亚热带向北亚热带过渡的大陆性季风湿润气候，年均温度17.3℃，年均降水量为1472.9 mm，平均相对湿度81%[16-17]。松雅湖国家湿地公园共分为湿地保育区、恢复重建区、宣教展示区、休闲体验区和管理服务区5个区，其中湿地保育区是公园的主体水域，总面积为236.5 hm2。园内水体主要补给来源为自然降水补给与人工补给2种。自然降雨是湿地公园水体主要补给来源，能够有效保证水质的稳定性。人工补给是适当引入捞刀河水源，因捞刀河上游是企业集中的区域，直接引灌捞刀河的水质存在一定的污染风险，通常是对捞刀河水质检测发现无污染后再适量引入作为枯水季节的水源补充。

1.2 样品采集与处理

2018年6月—2019年5月每月月底，以每月1次的监测频率对松雅湖国家湿地公园进行水质监测。按照松雅湖国家湿地公园水域现状及水质监测需求本次监测共设5个样点（图1）。1#样点位于A区人工湿地系统出水口，2#样点位于B区水治理，3#样点位于C区水治理，4#样点位于大湖礼乐广场，5#样点位于湖区中央香岛。

图1 松雅湖国家湿地公园水质监测样点平面图

采用便携式多参数水质检测仪（美国YSI EXO2）现场测定pH、溶解氧(DO)等水质因子，重复3次，取平均值。现场采集各断面水下0.5 m处500 mL水样（当断面水深≥0.5 m，采样点深度位于0.5 m处，当断面水深＜0.5 m，采样点位于水面与水底中间层即可）于塑料瓶中，迅速带回实验室置于4℃冰箱保存，所有水质指标检测均在48 h内完成。叶绿素a(Chla)含量将水样经孔径为0.45 μm的醋酸纤维滤膜过滤，用丙酮萃取后使用荧光计(Turner-Design 10)测定，氨氮(NH3-N)、总氮(TN)和总磷(TP)的浓度按照《水与废水监测分析方法（第四版）》（国家环境保护总局，2006）中的方法分析测定。

1.3 水质富营养化综合评价

富营养化评价方法多样，主要有营养状态指数法、修正的营养状态指数、综合营养状态指数(TLI)、营养度指数法和评分法[18-19]。本研究采用修正的卡尔森营养状态指数法(trophic state index，TSI)对松雅湖国家湿地公园5个样点水质的营养状态进行综合评价[20]。采用0～100的一系列数字对湖泊营养状态进行分级，当0＜综合TSI≤37时，定义为贫营养；当37＜综合TSI≤53时，定义为中营养；当综合TSI＞53时，定义为富营养[21]。

具体的计算如式(1)～(4)所示。

式中 ，TSIM(Chla)、TSIM(TN)、TSIM(TP)分别是以Chla、TN、TP为基准的营养状态指数。

1.4 数据分析统计

数据分析使用SPSS 26.0统计软件和Excel软件进行。

2 结果与分析

2.1 松雅湖国家湿地公园湿地水质特征分析

表1为松雅湖国家湿地公园5个样点水质情况，5个样点的DO浓度含量均较高，整体处于富氧状态，最低值出现在5#湖区中央香岛，其DO含量为8.17 mg/L。松雅湖湿地水平均pH 8.2，整体偏弱碱性，pH由大到小排序为2#水治理B区＞3#水治理C区＞4#礼乐广场＞5#湖区中央香岛＞1#湿地出水口。水体中TN的含量是评价江河湖泊水体富营养化程度的重要指标，表示水体受营养物质污染的程度[22]。松雅湖湿地水TN含量偏高，平均值最低的2#样点只符合国家地表水Ⅲ类标准。TP是藻类生长和繁殖的限制性因子，当水体中的TP浓度超过0.02 mg/L时，就有可能导致水体富营养化[23]。松雅湖湿地水TP年平均含量较高，为国家地表水水质标准（湖、库）Ⅳ类标准，监测单次最大值(0.28 mg/L)与最小值(0.01 mg/L)相差28倍，变化幅度较大。NH3-N是水体中含氮有机物在有氧条件下经微生物分解后的产物，其含量变化可以判断出水体受有机物污染的程度[24]，NH3-N平均含量最高的是3#样点，说明3#样点受有机物污染的程度最高。水体中Chla的含量是反映水体浮游植物生物量的一个重要指标[25]，松雅湖湿地水Chla平均含量最高为4#样点，最低为2#样点，说明松雅湖湿地公园在2#样点的水质治理取得了一定成效。

表1 不同采样点湿地水质指标平均值及变化范围（最大值和最小值）

2.2 松雅湖湿地水时间变化特征

松雅湖国家湿地公园5个样点的水质指标的年内变化情况见图2。由图2a可以看出，松雅湖湿地水DO月平均含量在2018年6—9月先减少后增加，在2018年12月—2019年5月呈下降趋势。图2b为松雅湖水质pH情况，在监测期内其变化范围在pH 7.21～9.48之间，其中2018年6月平均pH最高，可能由于长沙地区夏季高温高湿导致水生植物大量繁殖，水生植物利用水中二氧化碳进行光合作用，水中氢氧根离子含量增加，打破碳酸氢根的电离平衡，水体中碳酸根离子浓度增加，pH较高[26]。由图2c知，松雅湖湿地水TN浓度最高值出现在2018年6月，TN呈现明显的下降趋势，说明松雅湖国家湿地公园在治理水质方面的取得了一定成果。图2d为松雅湖湿地水TP浓度情况，其中2018年6月TP月平均含量最高为0.65 mg/L，远远超出了国家地表水（湖、库）Ⅴ类标准(≤0.20 mg/L)；且监测期内TP月平均含量均较高，呈现出夏季浓度高于冬季，该结果与陈洁等[27]研究一致，因为夏季高温会影响微生物活性和藻类的降解，进而影响磷的释放，通常高温情况下沉积物的磷释放量比低温时高。NH3-N是判断水体受有机物污染程度的重要指标[28]，由图2e可以看出松雅湖湿地水在2018年6月NH3-N月平均含量最高，达到0.65 mg/L，说明水体受有机物污染比较严重，且NH3-N月平均含量在2018年6显著高于其他月份(P＜0.05)。由图2f知，松雅湖湿地水Chla月平均浓度在2018年6—11月变幅不大，但2018年12月出现大幅增加，说明该时间段内水体浮游植物生物数量增加；Chla的标准偏差较大，说明各采样点间浓度变化两级分化现象严重。

图2 松雅湖湿地水质指标月变化情况

2.3 松雅湖湿地水富营养化状况及月变化情况

按照中国环境监测总站对湖泊、水库富营养化评价方法及分级技术方法，以式(4)计算松雅湖国家湿地公园5个样点的在不同月份的富营养化状况，综合2018年6月—2019年5月各采样点具体情况，松雅湖湿地水5个样点的水质富营养化状态各有差异，富营养化程度由轻到重分别是2#水治理B区＜3#水治理C区＜1#湿地出水口＜4#礼乐广场＜5#湖区中央香岛，其中除2#样点为中营养，其余样点均为富营养。松雅湖湿地水5个样点监测期内水质富营养化程度如图3所示，1#样点除2019年2月处于中营养状态外，在监测期内均处于不同程度的富营养化状态；2#样点水质富营养化状态表现出明显的季节变化特征，夏季＞秋季＞春季＞冬季，夏季综合营养状态指数明显高于其他季节(P＜0.05)，春、秋、冬季综合营养状态指数差异不明显(P＜0.05)；3#样点水质富营养化状况从2018年6—9月呈不断减轻趋势，由富营养化降为中营养化，2018年10月—2019年1月表现为富营养化状态，在2019年2—5月又降为中营养化状态；4#样点在监测期内始终处于富营养化状态，在2019年4月富营养化程度相对较低；5#样点与4#样点在监测期内一直处于富营养化状态，在2019年5月富营养化程度相对较低。

图3 松雅湖湿地水体富营养化变化情况

2.4 松雅湖湿地水富营养状态月变化趋势

松雅湖湿地水总体富营养化程度如图4。由图4知，松雅湖湿地水在监测期内每月都处于富营养化状态，在2018年6—8月和2019年1—2月2个时间段内，水体的富营养化程度呈显著下降趋势，在2018年8月—2019年1月期间松雅湖湿地水体综合营养状态指数相对平缓。在监测期内，水质富营养化状态的季节变化特征为夏季＞秋季＞冬季＞春季，四季综合富营养状态指数差异不明显(P＜0.05)。夏季的降雨在带入大量营养盐的同时，还会冲刷湿地表面产生地表径流，导致其中含有的大量营养物质流入湖中，营养状态水平最高[29]。

图4 松雅湖湿地水体富营养化月变化情况

2.5 松雅湖湿地水富营养状态与水质因子的关系

水体富营养化是指由于水体TN、TP等污染物浓度满足藻类生长条件，从而引起藻类数量、密度呈几何增长以及Chla浓度显著上升的现象，同时藻类的代谢也会引起水体DO、pH等指标的动态变化[30]。松雅湖湿地水监测期内富营养状态与水质因子的相关关系见表2。由表2可以看出，TSIM与DO、pH、TN在0.01水平下呈显著正相关(P＜0.01)，相关系数为0.914、0.894、0.882；与Chla在0.05水平下呈显著负相关(P＜0.05)，相关系数为-0.681；与TP、NH3-N的相关性不显著。松雅湖湿地水TSIM与水质因子的相关分析表明，TN是影响松雅湖浮游植物生物量的重要营养盐因素，松雅湖湿地水质富营养化越严重，DO、pH和TN的值就越大，Chla的值反而越小。Chla与TN在0.01水平下呈显著负相关(P＜0.01)，相关系数为-0.818；与pH、TP在0.05水平下呈显著负相关(P＜0.05)，相关系数为-0.590、-0.621；与DO、NH3-N的相关性不显著；该研究结果与已有研究结论基本一致[31-32]。Chla与水质因子的相关分析表明，当Chla浓度显著上升时，藻类的季节性生长繁殖会引起水体中TN、TP浓度的显著降低。

表2 松雅湖湿地水富营养状态与水质因子的相关系数

3 结论与讨论

（1）在监测期内松雅湖湿地水平均pH 8.2，其中2018年6月pH月平均值最高为pH 8.8，夏季高温少雨的情况下水体表面的物理蒸发和生物蒸腾作用增加，松雅湖湿地水水体容量急剧减少，导致总碱度发生变化。松雅湖湿地水TN平均浓度为0.98 mg/L，TP平均浓度为0.062 mg/L，都超过国际公认的营养化阈值(TN=0.20 mg/L，TP=0.02 mg/L)。

（2）松雅湖国家湿地公园5个样点NH3-N的平均含量为0.30 mg/L，TN的的平均含量为0.98 mg/L，TN的变化趋势与NH3-N基本一致，呈现出夏季高、冬季低的趋势。研究结果与王书航等[33]一致，由于夏季高温会导致水体沉积物中的氮矿化速率加快，在风浪扰动下水体中TN浓度升高，而冬季水温较低，水体中悬浮颗粒物溶解度下降更利于其沉积，进而导致水体中TN浓度降低。松雅湖国家湿地公园水质有持续改善的趋势，NH3-N和TN浓度呈现下降趋势。

（3）松雅湖国家湿地公园5个样点富营养化程度最低的为2#水治理B区，最高的为5#湖区中央香岛，说明松雅湖国家湿地公园在水质治理上取得了一定成效。在不同月份间松雅湖湿地水质差别较大，夏季水体富营养化程度要高于春、秋、冬季，在监测期内2018年6月综合营养状态指数最高，达到富营养状态，2019年2月综合营养状态指数最低，为中营养状态。

（4）松雅湖国家湿地公园TSIM与DO、pH、TN均有极显著正相关(P＜0.01)，与Chla呈显著负相关(P＜0.05)，与TP、NH3-N的相关性不显著。

（5）城市湿地公园藻类集体爆发和死亡引起的水体污染依旧是一个重大的现实和科研问题，后期可以研究通过生物治理抑制藻类爆发，以净化水质、提高城市水体质量。