鄂东南不同营养水平湖泊水体悬浮物分布特征

吴 超，吴晓东①，林贵英，冯 恋，俞新慧，赵晋珑，杨梓文，任伟祥

〔1.湖北师范大学城市与环境学院，湖北 黄石 435002；2.中国自然资源航空物探遥感中心，北京 100083；3.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京 100083〕

水体悬浮物是判定湖泊水质优劣的重要指标之一，按组成性质，可将其分为无机悬浮物(ISS)和有机悬浮物(OSS)[1-2]。水体悬浮物含量增大会使微生物生长速度加快，水环境中的生物链受到威胁，水体光学特性如透明度、光学衰减系数、水色和浊度等发生改变，湖泊景观性下降[3-5]。悬浮物中氮、磷的再释放已被认为是影响湖泊富营养化的重要因素之一[6]。悬浮物在水体中的环境行为，如吸附、絮凝、沉积和再悬浮等，也会引起水体局部污染，易造成水华等严重生态灾害[7]。研究湖泊水体悬浮物的分布规律与环境效应，对控制湖泊富营养化与开展生态修复等工作具有重要的现实意义。

国内外学者对水体悬浮物的含量和运移机理等方面展开了大量研究。目前针对水体悬浮物的研究方法主要包括实测采样、遥感反演和水动力数值模拟3种方法[7-10]。高晨等[11]以鄱阳湖丰水期为例，利用高分一号卫星数据结合水体实测光谱数据，创建了总悬浮物浓度的反演模型。邱辉等[12]利用非结构有限体积近海海洋模型(FVCOM)对太湖底泥在不同气象条件下的再悬浮情况进行了模拟。相对于遥感反演和水动力数值模拟，实测采样虽然获取的样品量有限且耗时耗力，但由于其精度较高，易于对悬浮物组成机理进行细致分析，在小区域内仍然被大多数人所采用[13-15]。在自然水体中，影响悬浮物沉降的因素有很多，如风速、水动力、pH值、风向、温度等，其中风速和水动力起主要作用[16-17]。太湖这种大型浅水湖泊受风的影响较大，悬浮物的沉降通量与风速大小有关，且风速对表层悬浮物运动的影响不如底层[18-20]。在微风或者无风条件下，悬浮物沉降对云南异龙湖水体悬浮物含量贡献较小，底泥的再悬浮对其贡献较大[21]。

鄂东南地区湖泊众多，且多为浅水湖泊，但关于该区域湖泊水体悬浮物的研究较少，其水体悬浮物的含量特征和运移机理也有待进一步被揭示，以助力于长江大保护战略的实施。因此，研究选取鄂东南4个不同营养水平的湖泊(仙岛湖、梁子湖、磁湖、策湖)，基于周年采样调查和室内分析，揭示水体悬浮物的分布特征和影响因素，为不同营养水平湖泊的污染控制和生态修复提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

仙岛湖(29°47′18″ N，114°50′07″ E)又名王英水库，位于湖北省黄石市阳新县，坝址控制流域面积243.00 km2，总库容5.82亿m3，被誉为“世界三大千岛湖之一”[22-23]。梁子湖(30°14′53″ N，114°32′47″ E)地处长江中游南岸，以梁子山为界分为东、西2湖，东梁子湖属鄂州市，西梁子湖属武汉市，为湖北省第二大湖泊，湖泊水面面积271.00 km2，水源除降水补给外，主要由源自咸宁的高桥河自南向北汇入，湖水经长港从樊口排入长江[24]。磁湖(30°12′30″ N，115°03′01″ E)是黄石市最大的城市湖泊，横跨黄石港区、西塞山区和下陆区，由杭州路和团城山将其分为南、北2个湖区，经胜阳港闸与长江相通，湖面东西长5.10 km，南北最大宽4.50 km，流域面积62.19 km2，水面面积10.50 km2，彭家堑港是磁湖最大的入湖河流[24-26]。策湖(30°14′49″ N，115°09′32″ E)位于黄冈市浠水县，为该县第一大湖，湖面东西长7.10 km，南北最大宽2.80 km，水面面积10.30 km2，湖水自茅山新闸排入长江[27]。

1.2 样品采集与测定

分别于2018年4月(春)、7月(夏)、10月(秋)和2019年1月(冬)对各湖泊水体展开调查。根据湖泊面积与形态，在仙岛湖、梁子湖、磁湖和策湖分别设置了8、12、10和6个采样点(图1)。

采样天气为晴朗无风或微风，用GPS导航仪对各采样点定位，用2 L有机玻璃采水器采集表层水样，装入2.5 L聚乙烯采样瓶中，置于4 ℃恒温箱中运回实验室分析。悬浮物采用重量法测定[28]。取一定体积的原水样，充分摇匀后用真空泵抽滤，抽滤使用的滤膜为预先烘干(105 ℃烘4 h)并称重好的干净Whatman GF/C滤膜，将抽滤后的滤膜于105 ℃条件下烘干至恒重，滤膜上截留的固体颗粒物即总悬浮物(TSS)。截留的固体物质质量与抽滤的水样体积之比即为TSS浓度。之后再将已烘干至恒重的滤膜放入马弗炉中，于550 ℃温度下煅烧6 h至恒重，滤膜置于干燥器中冷却后再称量，残余部分为无机悬浮物(ISS)，主要包括碎屑矿物、黏土矿物等，煅烧后滤膜上残余的物质质量与抽滤的水样体积之比为ISS浓度。煅烧损失的部分为有机悬浮物质，主要是浮游动植物残体和其他有机碎屑等，TSS浓度与ISS浓度之差为有机悬浮物(OSS)浓度。用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法测定总氮(TN)浓度，钼锑抗分光光度法测定总磷(TP)浓度，酸性法测定高锰酸盐指数(CODMn)，90%丙酮法测定叶绿素a(Chl-a)浓度，详细步骤参照文献[29]。透明度(SD)用塞氏盘现场测定。

图1 鄂东南湖泊采样点分布示意

1.3 综合营养状态指数

以Chl-a作为基准参数，选取SD、CODMn、TP、TN、Chl-a这5项指标计算综合营养状态指数[30]。

(1)

(2)

式(1)～(2)中，ITL(∑)表示综合营养状态指数；ITL(j)为第j种参数的营养状态指数；Wj为第j种参数的营养状态指数的相关权重；rij为第j种参数与Chl-a基准参数的相关系数。湖泊Chl-a与其余参数之间的rij、rij2及权重Wj见表1。

各水质指标的营养状态指数的计算公式为

ITL(Chl-a)=10[2.5+1.086lnρ(Chl-a)]，

(3)

ITL(TP)=10[9.436+1.624lnρ(TP)]，

(4)

ITL(TN)=10[5.453+1.694lnρ(TN)]，

(5)

ITL(SD)=10[5.118-1.94ln SD]，

(6)

ITL(CODMn)=10[0.109+2.661ln CODMn]。

(7)

表1 Chl-a与其他参数之间的相关关系rij及权重Wj

1.4 数据处理与分析

根据经纬度数据，利用Google Earth和ArcMap 10.7绘制仙岛湖、梁子湖、磁湖和策湖采样点分布图，采用Pearson相关系数法进行相关性分析，实验数据选择Excel 2010、Origin 2019及SPSS 21软件进行统计检验和绘图。在显著性描述中，P<0.01为极显著，0.01≤P<0.05为显著，P≥0.05为不显著。

2 结果与分析

2.1 营养盐特征

鄂东南4个湖泊水体的TN浓度差别较大(图2)。仙岛湖ρ(TN)年均值最低，为(0.19±0.10) mg·L-1，变化范围为0.04～0.35 mg·L-1，随着季节变化，仙岛湖水体ρ(TN)在冬季取得最大值，秋季取得最小值，分别为(0.23±0.09)和(0.14±0.12) mg·L-1。梁子湖水体ρ(TN)较低，全年平均值为(0.57±0.33) mg·L-1，最高值出现在冬季〔(0.69±0.19) mg·L-1〕，最低值出现在夏季〔(0.30±0.18) mg·L-1〕，且冬季和春季之间存在极显著差异(P<0.01)。相比于仙岛湖和梁子湖，磁湖和策湖水体的ρ(TN)较大，波动范围也较广，年均值分别为(1.25±0.63)和(1.68±0.69) mg·L-1，且2个湖泊之间存在显著性差异(P<0.05)。

图2 鄂东南湖泊水体的营养水平

4个不同营养水平湖泊水体的ρ(TP)年空间分布总规律与ρ(TN)相同(图2)，表现为仙岛湖〔(0.04±0.02) mg·L-1〕<梁子湖〔(0.08±0.04) mg·L-1〕<磁湖〔(0.20±0.06) mg·L-1〕<策湖〔(0.39±0.21) mg·L-1〕。策湖水体ρ(TP)年均值最大，变化范围为0.12～0.78 mg·L-1，最大值出现在夏季，为(0.71±0.12) mg·L-1，极显著高于冬季〔(0.17±0.04) mg·L-1〕(P<0.01)。仙岛湖水质较好，ρ(TP)较低，全年变化范围为0.01～0.08 mg·L-1，最低值出现在夏季，最高值出现在秋季，分别为(0.02±0.01)和(0.05±0.01) mg·L-1。梁子湖水体ρ(TP)的季节变化规律与策湖相同，均表现为夏季>秋季>春季>冬季。相比于策湖，磁湖水体ρ(TP)波动较小，变化范围为0.09～0.33 mg·L-1，极显著高于梁子湖(P<0.01)。

鄂东南4个湖泊营养水平分布的总规律为仙岛湖<梁子湖<磁湖<策湖。仙岛湖和梁子湖是鄂东南地区典型的草型湖泊，水生植被发育较完善，水质常年保持在Ⅱ～Ⅲ类，TLI值分别为29.67和50.62。磁湖和策湖受污染较严重，水质较差，TLI值分别为61.78和69.34。

2.2 悬浮物空间分布特征

鄂东南4个湖泊水体ρ(TSS)变化范围为4.00～67.00 mg·L-1，ρ(TSS)年均值分布总规律与ρ(TN)、ρ(TP)相同(图3)。仙岛湖营养水平最低，ρ(TSS)年均值也最低，为(10.16±4.57) mg·L-1，变化范围为4.00～24.00 mg·L-1。不同季节仙岛湖TSS的空间分布特征也不相同，但大致呈现出北部大于南部的趋势，春季和夏季ρ(TSS)高值区主要分布在东部的X1、X2和西部的X6样点附近，秋季ρ(TSS)的高值区分布在中部的X5样点附近，冬季则主要分布于中部的X5样点和西南部的X7样点附近。梁子湖水体ρ(TSS)较低，年均值为(12.42±6.86) mg·L-1，变化范围为4.00～30.00 mg·L-1，其高值区多分布于东梁子湖的L1样点附近。西梁子湖水体的ρ(TSS)较低，年均值为(11.18±5.94) mg·L-1，低于东梁子湖〔(14.15±7.80) mg·L-1〕，但2个湖区之间差异不显著(P>0.05)。磁湖水体ρ(TSS)较高，年均值为(25.03±13.42) mg·L-1，各采样点ρ(TSS)在8.00～65.00 mg·L-1之间变化。北磁湖ρ(TSS)年均值为(26.65±16.10) mg·L-1，南磁湖为(23.40±10.25) mg·L-1，呈现出北磁湖大于南磁湖的趋势，且2个湖区的ρ(TSS)在秋季呈现出显著性差异(P<0.05)。策湖水体ρ(TSS)最高，年均值为(45.17±14.72) mg·L-1，春季最高值可达63.00 mg·L-1，出现在南部的E1样点附近；夏季和冬季的最高值均出现在中部的E4样点附近，分别为60.00和32.00 mg·L-1；秋季策湖西部ρ(TSS)较高，东部较低，全年各采样点ρ(TSS)变化范围为17.00～67.00 mg·L-1。

2.3 悬浮物季节变化特征

鄂东南不同营养水平湖泊水体悬浮物季节变化特征较明显(图4)。

图3 鄂东南湖泊水体悬浮物空间分布特征

图4 鄂东南湖泊水体悬浮物季节变化特征

仙岛湖各季节水体TSS含量较低，悬浮物在夏、秋、冬季以ISS为主，ρ(ISS)分别为(5.25±0.46)、(4.38±0.52)、(10.63±4.93) mg·L-1，占比分别为59.15%、53.03%、67.46%，春季则以OSS为主，ρ(OSS)为(4.63±1.19) mg·L-1，占比为59.68%。梁子湖水体ρ(TSS)在秋季取得最大值，为(20.08±6.50) mg·L-1，显著高于春季(P<0.05)，极显著高于夏季和冬季(P<0.01)，且悬浮物在各个季节均以ISS为主。磁湖水体ρ(TSS)在春、夏、秋和冬季分别为(27.00±4.76)、(37.30±20.34)、(19.70±3.74)、(16.10±6.19) mg·L-1，季节变化规律为夏季>春季>秋季>冬季，且各个季节悬浮物均以ISS为主。策湖各个季节水体ρ(TSS)均较高，最高值出现在秋季，可达(57.00±5.59) mg·L-1，极显著高于冬季〔(24.50±5.75) mg·L-1〕(P<0.01)。除秋季水体悬浮物以OSS为主外，策湖其余3个季节水体悬浮物均以ISS为主。

3 讨论

3.1 鄂东南不同营养水平湖泊水体悬浮物分布差异

不同营养水平湖泊水体悬浮物的含量不同，同一湖泊不同季节悬浮物的含量特征也不尽相同。一般而言，水体ρ(TSS)与水体营养水平呈正相关[31]。调查的4个湖泊中，水体ρ(TSS)分布规律与湖泊营养水平一致，仙岛湖、梁子湖、磁湖、策湖的营养水平依次增加，其水体ρ(TSS)也逐渐增大。与国内不同研究区域水体ρ(TSS)对比(表2)，发现仙岛湖、梁子湖水体ρ(TSS)与浅水草型湖泊洪湖和昆山市水源傀儡湖相近，低于城市湖泊(嘉兴南湖、武汉东湖、无锡蠡湖)和典型富营养化浅水湖泊(巢湖、太湖、滆湖)。磁湖虽然也是城市湖泊，但其水体ρ(TSS)明显高于武汉东湖和无锡蠡湖，与天然湖泊鄱阳湖相近。策湖水体ρ(TSS)处于较高水平，与巢湖、嘉兴南湖和滆湖相近。调查中发现仙岛湖和梁子湖水生植被发育较好，水中有菹草、苦草、菱角、金鱼藻、马来眼子菜、轮叶黑藻、微齿眼子菜、芦苇等大量水生植物，丰富的沉水植物减弱了风浪引起的沉积物再悬浮，与洪湖和傀儡湖水质情况相似。策湖在夏秋季节经常出现水华现象，悬浮物季节变化特征与巢湖、太湖、和滆湖相似。

仙岛湖作为水源地，为贫营养型深水湖泊，水质常年保持在Ⅱ类及以上，水生植被发育也比较完善。苦草、菹草、马来眼子菜、轮叶黑藻、微齿眼子菜等水生植物减弱了风浪、船只等对水体的扰动，同时，由于仙岛湖水较深，平均水深可达26 m，不容易对底泥造成扰动，底泥再悬浮现象较弱，所以其悬浮物浓度较低。梁子湖ρ(TSS)高值区主要集中在东梁子湖，该区域过去养殖面积较大，大量残留在底部的淤泥极易受到风浪和船只的扰动而出现再悬浮现象，所以ρ(TSS)高于西梁子湖。此外，梁子湖属于浅水草型湖泊，春夏水生植被生长旺盛[32]，虽然减弱了底泥再悬浮作用，但在秋季菱角、金鱼藻等植物会自然衰亡，残体腐烂分解后会悬浮在表层水体，故秋季有大面积区域ρ(TSS)出现高值。磁湖是黄石市最大的城市湖泊，20世纪70年代以后，大量工业废水和居民生活污水直排入湖，加之大型水产养殖企业——南湖渔场的主要淡水鱼养殖基地大量投放饵料，以及南岸黄荆山北麓长期开山取石，大量泥沙淤塞湖床，致使水体富营养化严重[24]。21世纪以来，虽然相关部门围绕磁湖开展了大量水体治理工作，水质也得到了一定改善，但由于受之前污染的影响，水体ρ(TSS)仍较高。此外，磁湖处于中心城区，夏季温度高于郊区，高温会使底泥中微生物活性加快，加剧了颗粒物的悬浮状况，致使磁湖夏季ρ(TSS)处于较高水平[33]。策湖水体ρ(TSS)最大，这与策湖的养殖活动有一定的关系。策湖曾因养殖业而导致湖内有较多的淤泥并含有较高的营养盐，目前仍有面积广阔的养殖场分布(策湖养殖场和策湖山洲坪项目区)，且秋季湖水收获作业多，捕捞等活动造成的底泥再悬浮和大量的藻类使得湖泊水体ρ(TSS)维持在较高水平[34]。

表2 不同研究区域水体TSS浓度比较

不同营养水平湖泊水体悬浮物的分布特征存在差异，与湖泊所在的地理位置、水深状况、水体温度、盛行风向、风力大小、水生植被覆盖率以及藻类生长量等因素有关[35-38]。4个不同营养水平的湖泊均处于鄂东南，属亚热带季风气候区，不同区域盛行风的方向和速度的变化造成湖泊底部沉积物悬浮的差异，浅水湖泊受风力扰动较大，深水湖泊扰动小。该研究中，仙岛湖为深水湖泊，受底泥再悬浮影响较小，其悬浮物多来自于随地表径流输入到水体中的细颗粒泥沙、腐屑等。梁子湖、磁湖和策湖悬浮物除来自于外源输入，还来自于底泥再悬浮、藻类颗粒物和水生植物残体等。策湖虽然在夏秋季节经常出现水华，但仅秋季OSS占比高于ISS，其余季节均为ISS占比高于OSS，表明策湖全年悬浮物仍然以外源输入和底泥再悬浮引起的无机悬浮物为主。梁子湖和磁湖各个季节则均表为ISS占比高于OSS，说明外源输入和底泥再悬浮引起的无机悬浮物也是梁子湖和磁湖悬浮物的主要组成部分。

3.2 水体中悬浮物与氮磷之间的关系

研究表明，水体中悬浮物可以释放或者吸附氮、磷等营养元素，与TN、TP浓度具有正相关关系[44-45]。由表3可见，各湖泊水体的TSS与TN、TP浓度均表现出正相关关系，但其相关性强弱不同。在仙岛湖中，TSS与TN、TP浓度分别呈显著正相关(P<0.05)和极显著正相关(P<0.01)，Pearson相关系数分别为0.360和0.530；在磁湖中，TSS与TN、TP浓度均表现出极显著正相关关系(P<0.01)，Pearson相关系数分别为0.416和0.454；在策湖中，TSS与TN、TP浓度具有显著正相关关系(P<0.05)，Pearson相关系数分别为0.453和0.489。与TN相比，仙岛湖、磁湖和策湖水体的TSS与TP浓度具有更好的相关性，这与蠡湖、云蒙湖、嘉兴南湖、滆湖等地的研究结果相似[2,4,13,41]。梁子湖水体中，TSS与TN、TP浓度呈极显著正相关(P<0.01)，Pearson相关系数分别为0.475、0.434，TSS与TN浓度的相关性更优。

表3 鄂东南湖泊水体TSS与TP、TN浓度的相关关系

水体中悬浮物与氮、磷的关系密切，悬浮物的再悬浮等环境行为会导致悬浮物中氮、磷大量释放，使得悬浮物与TN、TP浓度具有较强的正相关关系。因此，在湖泊生态修复过程中，应着眼于控制外源性氮、磷的输入，削减底泥中营养物质的负荷，以减少悬浮物的吸附、沉积和再悬浮等环境行为对湖泊水质的影响，进一步削减水体中悬浮物含量，降低湖泊的富营养化水平。

4 结论

(1)鄂东南4个湖泊的营养水平差别较明显，TLI值分布的总规律为仙岛湖(29.67)<梁子湖(50.62)<磁湖(61.78)<策湖(69.34)。

(2)仙岛湖、梁子湖、磁湖、策湖ρ(TSS)年均值分别为(10.16±4.57)、(12.42±6.86)、(25.03±13.42)、(45.17±14.72) mg·L-1，其分布规律与营养水平一致。梁子湖和磁湖各个季节水体悬浮物均以ISS为主，ρ(TSS)最高值分别出现在秋季〔(20.08±6.50) mg·L-1〕和夏季〔(37.30±20.34)mg·L-1〕。策湖秋季水体悬浮物以OSS为主，春、夏、冬季均以ISS为主；仙岛湖则春季以OSS为主，其他季节以ISS为主。

(3)仙岛湖悬浮物多来自于随地表径流输入到水体中的细颗粒泥沙、腐屑等。梁子湖、磁湖和策湖悬浮物除来自于外源输入，还来自于底泥再悬浮引起的细颗粒物、藻类颗粒物和水生植物残体等，整体上以ISS为主。

(4)4个不同营养水平湖泊水体的TSS与TN、TP浓度均呈显著正相关关系，悬浮物含量在一定程度上可以反映湖泊的营养盐水平。