何勇鳳，李昊成，朱永久，楊德國(guó)

(中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院長(zhǎng)江水產(chǎn)研究所，農(nóng)業(yè)部淡水生物多樣性保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430223)

湖北長(zhǎng)湖富營(yíng)養(yǎng)化狀況及時(shí)空變化(2012-2013年)*

何勇鳳，李昊成，朱永久，楊德國(guó)**

(中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院長(zhǎng)江水產(chǎn)研究所，農(nóng)業(yè)部淡水生物多樣性保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430223)

為評(píng)估長(zhǎng)湖水體富營(yíng)養(yǎng)化程度，2012-2013年分4個(gè)季度對(duì)全湖區(qū)20個(gè)采樣點(diǎn)的物理、化學(xué)和生物要素進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在評(píng)價(jià)水質(zhì)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上采用綜合營(yíng)養(yǎng)狀況指數(shù)法和浮游植物細(xì)胞豐度指數(shù)法綜合評(píng)價(jià)水體營(yíng)養(yǎng)狀況，并應(yīng)用典型相關(guān)分析(CCA)方法揭示水體富營(yíng)養(yǎng)化狀況與湖泊理化要素之間的典型相關(guān)性. 結(jié)果顯示：4個(gè)季節(jié)長(zhǎng)湖全湖區(qū)的水質(zhì)均處于地表水IV類～劣V類水標(biāo)準(zhǔn)；綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)值在49.54～82.55之間，浮游植物細(xì)胞豐度在2.88×106～61.73×106cells/L之間，均顯示其處于富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)；長(zhǎng)湖富營(yíng)養(yǎng)化狀況的分布呈現(xiàn)一定的時(shí)空差異性；CCA分析顯示，長(zhǎng)湖理化要素變量可解釋68.6%的水體富營(yíng)養(yǎng)化狀況變量的變異，影響其富營(yíng)養(yǎng)化狀況的主要理化因素有水體總磷、總氮、溶解氧、亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮濃度，水深和沉積物總磷、總氮含量. 長(zhǎng)湖水體富營(yíng)養(yǎng)化主要是由于外源的磷污染，其次是氮污染，富營(yíng)養(yǎng)化最嚴(yán)重的夏、秋季浮游植物的生長(zhǎng)主要受氮營(yíng)養(yǎng)限制，而冬、春季則部分受磷營(yíng)養(yǎng)限制，部分屬于過(guò)渡類型. 因此，建議大力削減圍網(wǎng)/圍欄養(yǎng)殖量，同時(shí)考慮結(jié)合水生植物栽種等生態(tài)工程建設(shè)措施以降低長(zhǎng)湖水體發(fā)生嚴(yán)重富營(yíng)養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)，并進(jìn)一步改善長(zhǎng)湖的水質(zhì)現(xiàn)狀.

長(zhǎng)湖；富營(yíng)養(yǎng)化；時(shí)空變化；典型相關(guān)分析；綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法

長(zhǎng)湖位于湖北省中部，是湖北省境內(nèi)的第3大湖泊，同時(shí)也是長(zhǎng)江中下游地區(qū)最具代表性的大型淺水湖泊. 它擁有水域面積140 km2，岸線全長(zhǎng)約310 km，有“百里長(zhǎng)湖”之稱，是我國(guó)長(zhǎng)江中下游流域和江漢平原地區(qū)重要的生態(tài)功能區(qū). 它不僅具有調(diào)蓄、灌溉、生活供水、旅游、漁業(yè)、航運(yùn)等多種功能，同時(shí)其水域內(nèi)生物多樣性也十分豐富，是重要的水產(chǎn)種質(zhì)資源庫(kù)，農(nóng)業(yè)部于2010年批準(zhǔn)建立了長(zhǎng)湖鲌類國(guó)家級(jí)水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū). 但近年來(lái)，由于水質(zhì)污染、圍墾、圍欄養(yǎng)魚和過(guò)度開發(fā)等原因，長(zhǎng)湖原始的開放生態(tài)系統(tǒng)已逐漸演變成半封閉生態(tài)系統(tǒng)，水體自凈能力下降，并開始富營(yíng)養(yǎng)化，部分區(qū)域生態(tài)功能出現(xiàn)退化趨勢(shì)，生態(tài)調(diào)節(jié)功能變得較為脆弱. 自從21世紀(jì)初以來(lái)，長(zhǎng)湖的水質(zhì)污染狀況才逐漸受到重視，但關(guān)于長(zhǎng)湖的研究報(bào)道不多，其中大部分是關(guān)于水污染方面[1-6]，還包括少量水生生物學(xué)方面的[7-10].

為評(píng)估長(zhǎng)湖水體富營(yíng)養(yǎng)化程度，本文在利用單因子水質(zhì)評(píng)價(jià)法對(duì)水質(zhì)現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)估的基礎(chǔ)上，采用綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法(TLI)[11-12]和浮游植物細(xì)胞豐度指數(shù)法[13]對(duì)其水體的營(yíng)養(yǎng)狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，應(yīng)用典型相關(guān)分析法(canonical correlation analysis，CCA)分析長(zhǎng)湖水體富營(yíng)養(yǎng)化與湖泊理化要素之間的典型相關(guān)性，篩選出影響長(zhǎng)湖水體富營(yíng)養(yǎng)化狀況的主要因素，并揭示其時(shí)空變化特征及成因，從而掌握長(zhǎng)湖的富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)程，以期為長(zhǎng)湖富營(yíng)養(yǎng)化預(yù)測(cè)模型的建立及水質(zhì)改善措施的制定提供科學(xué)依據(jù).

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況及樣點(diǎn)位置

長(zhǎng)湖地跨湖北省荊州、荊門、潛江3市，處于長(zhǎng)江中下游江漢平原“四湖”(長(zhǎng)湖、三湖、白露湖和洪湖)流域上游，介于長(zhǎng)江和漢江之間. 湖水來(lái)源除大氣降水外，主要依靠地表徑流，如拾橋河、龍會(huì)橋河、太湖港和廣平港等，出湖河流主要有四湖總干渠、田關(guān)河等. 2012-2013年根據(jù)長(zhǎng)湖的湖泊形態(tài)特征和功能區(qū)特點(diǎn)共設(shè)置20個(gè)采樣點(diǎn)(圖1)，分別于2012年7、10月和2013年1、4月進(jìn)行4個(gè)季度的采樣調(diào)查.

圖1 長(zhǎng)湖采樣點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of sampling sites in Lake Changhu

1.2 樣品采集與指標(biāo)測(cè)定

利用彼得森采泥器采集湖底淤泥，除去表面的一些碎石、貝殼等大塊異物，樣品充分混合后取適量裝入干凈的樣本瓶中，帶回實(shí)驗(yàn)室制成風(fēng)干樣備用. 首先采用烘干法測(cè)定底泥樣品的含水量，其次利用重鉻酸鉀法測(cè)定底泥中TOC含量，利用凱氏定氮法測(cè)定底泥中TNs含量，利用氫氧化鈉熔融—鉬銻抗比色法測(cè)定底泥中TPs含量[14].

1.3 水質(zhì)評(píng)價(jià)

采用單因子評(píng)價(jià)法對(duì)長(zhǎng)湖水質(zhì)現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià). 參照我國(guó)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)，僅選取TP、TN和COD 3項(xiàng)與水體富營(yíng)養(yǎng)化狀況緊密相關(guān)的參數(shù)作為長(zhǎng)湖的水質(zhì)評(píng)價(jià)因子，依據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)級(jí)別分為6類，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類水質(zhì)定義為達(dá)標(biāo)，Ⅳ、Ⅴ、劣Ⅴ類水質(zhì)定義為超標(biāo).

1.4 水體營(yíng)養(yǎng)狀況評(píng)價(jià)

本文采用2種方法對(duì)長(zhǎng)湖水體的營(yíng)養(yǎng)狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià).

1) 綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)法：以Chl.a為基準(zhǔn)參數(shù)，同時(shí)選取TNw、TPw、SD和COD 4個(gè)參數(shù)，其計(jì)算公式為[14]：

(1)

(2)

各參數(shù)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的計(jì)算公式如下：

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

(3)

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

(4)

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

(5)

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

(6)

TLI(COD)=10(0.109+2.661 ln(COD))

(7)

TLI法的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為：TLI(∑)<30時(shí)為貧營(yíng)養(yǎng)；30≤TLI(∑)≤50時(shí)為中營(yíng)養(yǎng)；TLI(∑)>50時(shí)為富營(yíng)養(yǎng)，其中5070時(shí)為重度富營(yíng)養(yǎng)[14].

2) 浮游植物細(xì)胞豐度指數(shù)法.湖泊營(yíng)養(yǎng)類型評(píng)價(jià)的藻類生物學(xué)細(xì)胞豐度標(biāo)準(zhǔn)為：小于1×106cells/L為貧營(yíng)養(yǎng)；1×106～40×106cells/L為中營(yíng)養(yǎng)；大于40×106cells/L為富營(yíng)養(yǎng)[13].

圖2 長(zhǎng)湖2012-2013年水體中TPw、TNw和COD濃度的變化規(guī)律(圖中橫向虛線代表不同級(jí)別的國(guó)家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)線)Fig.2 Variation of TPw， TNw and COD concentrations in Lake Changhu during 2012-2013(The horizontal dotted lines represent different water quality levels based on Environmental Quality Standard for Surface Water)

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

首先，應(yīng)用軟件Statistica[16]中的典型相關(guān)分析方法研究長(zhǎng)湖水體富營(yíng)養(yǎng)化狀況與湖泊理化要素兩組變量之間的典型相關(guān)性，探討影響水體富營(yíng)養(yǎng)化狀況的主要因素. 其中，湖泊理化要素變量包括14個(gè)水質(zhì)指標(biāo)和4個(gè)底質(zhì)指標(biāo)，選取Chl.a濃度、浮游植物細(xì)胞豐度和TLI3個(gè)能直接反映水體富營(yíng)養(yǎng)化狀況的指標(biāo)作為水體富營(yíng)養(yǎng)化狀況變量. 值得注意的是，在進(jìn)行CCA分析前，需對(duì)兩組變量組內(nèi)、組間的相關(guān)性進(jìn)行檢驗(yàn)，即采用Bartlett球形度檢驗(yàn)組內(nèi)相關(guān)性，采用方差膨脹因子檢驗(yàn)組內(nèi)是否存在嚴(yán)重的多重共線性關(guān)系，采用Wilks檢驗(yàn)組間相關(guān)性. 若兩組變量在組內(nèi)、組間均存在相關(guān)性，且組內(nèi)變量間不存在嚴(yán)重的多重共線性關(guān)系，方可進(jìn)行典型相關(guān)分析. 分析之前均對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理(即對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換).

其次，考慮到富營(yíng)養(yǎng)化治理與控制氮、磷營(yíng)養(yǎng)物輸入之間的關(guān)系，在計(jì)算水體中TNw/TPw比值、DIN/TPw比值的基礎(chǔ)上，對(duì)水體中Chl.a/TPw與TNw/TPw、Chl.a/TPw與DIN/TPw、Chl.a/TNw與TPw/TNw、Chl.a/DIN與TPw/DIN進(jìn)行回歸分析，對(duì)水體中浮游植物細(xì)胞豐度/總磷比值(Abundance/TPw)與TNw/TPw、Abundance/TPw與DIN/TPw、Abundance/TNw與TPw/TNw、Abundance/DIN與TPw/DIN進(jìn)行回歸分析，以探討TPw、TNw、DIN對(duì)Chl.a和浮游植物細(xì)胞豐度的影響. 分析之前對(duì)所有數(shù)據(jù)均進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理.

最后，采用配對(duì)t檢驗(yàn)方法揭示影響水體富營(yíng)養(yǎng)化狀況的主要因素在兩兩季節(jié)間的差異性，采用單因素方差分析方法揭示這些因素在不同采樣點(diǎn)之間的差異性，以探討影響長(zhǎng)湖水體富營(yíng)養(yǎng)化狀況主要理化指標(biāo)的時(shí)空分布特征.

2 結(jié)果

2.1 長(zhǎng)湖水質(zhì)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)

參照我國(guó)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，2012-2013年不同季節(jié)長(zhǎng)湖絕大部分樣點(diǎn)水質(zhì)均處于IV～劣V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(圖2). 其中夏季水質(zhì)最差，分別有100%、95%和74%樣點(diǎn)的水體TPw、TNw和COD濃度處于IV～劣V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；春、秋季次之，其中秋季分別有100%、85%和55%樣點(diǎn)的水體TPw、TNw和COD濃度處于IV～劣V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，春季則分別有100%、53%和45%樣點(diǎn)的水體TPw、TNw和COD濃度處于IV～劣V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；冬季水質(zhì)則相對(duì)較好，分別有50%、50%和65%樣點(diǎn)的水體TPw、TNw和COD濃度處于IV～劣V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn). 總體來(lái)看，長(zhǎng)湖水體TPw濃度超標(biāo)嚴(yán)重，其次是TN，COD則相對(duì)較輕.

2.2 長(zhǎng)湖水體富營(yíng)養(yǎng)化程度

圖3 2012-2013年長(zhǎng)湖浮游植物細(xì)胞豐度的變化規(guī)律(圖中橫向虛線代表藻類生物學(xué)細(xì)胞豐度湖泊營(yíng)養(yǎng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)線)Fig.3 Variation of phytoplankton cell abundance in Lake Changhu during 2012-2013(The horizontal dotted lines represent different trophic levels based on phytoplankton cell abundance)

除HD4樣點(diǎn)冬季水質(zhì)的TLI值為49.54(屬于中營(yíng)養(yǎng)型)外，幾乎整個(gè)長(zhǎng)湖4個(gè)季節(jié)水質(zhì)的TLI值均大于50. 根據(jù)TLI法的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，長(zhǎng)湖4個(gè)季節(jié)的水質(zhì)基本呈現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，但富營(yíng)養(yǎng)化程度稍有差異. 其中，夏、秋季富營(yíng)養(yǎng)化程度最嚴(yán)重，大部分樣點(diǎn)(約55%)都處于重度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，約35%的樣點(diǎn)處于中度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，約10%的樣點(diǎn)處于輕度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)；春季次之，約45%的樣點(diǎn)處于重度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，約25%的樣點(diǎn)處于中度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，約30%的樣點(diǎn)處于輕度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)；冬季則相對(duì)較輕，約10%的樣點(diǎn)處于重度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，約45%的樣點(diǎn)處于中度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，約40%的樣點(diǎn)處于輕度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，約5%的樣點(diǎn)處于中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài).

調(diào)查結(jié)果還顯示，2012-2013年長(zhǎng)湖浮游植物細(xì)胞豐度的變化范圍為2.88×106～61.73×106cells/L(圖3)，春、夏、秋、冬季的平均值分別為14.65×106、34.84×106、17.22×106和12.18×106cells/L. 統(tǒng)計(jì)分析表明，長(zhǎng)湖浮游植物細(xì)胞豐度在夏季與其它3個(gè)季節(jié)之間、秋季與冬季之間均呈顯著差異(P<0.05)，但其它季節(jié)兩兩之間無(wú)顯著差異(P>0.05). 在春、秋、冬季，海子湖區(qū)的浮游植物細(xì)胞豐度比馬洪臺(tái)航道區(qū)、大湖區(qū)的低，而在夏季，海子湖區(qū)與大湖區(qū)的浮游植物平均細(xì)胞豐度相當(dāng)，均高于馬洪臺(tái)航道區(qū). 參照湖泊營(yíng)養(yǎng)類型評(píng)價(jià)的藻類生物學(xué)細(xì)胞豐度標(biāo)準(zhǔn)，2012-2013年長(zhǎng)湖呈現(xiàn)中營(yíng)養(yǎng)到富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，尤其是夏季，約有40%樣點(diǎn)均呈現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，而春、秋、冬季則基本全部處于中營(yíng)養(yǎng)水平.

2.3 長(zhǎng)湖水體富營(yíng)養(yǎng)化狀況與湖泊理化要素間的典型相關(guān)性

CCA分析前，對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行組內(nèi)、組間相關(guān)性檢驗(yàn). Bartlett球形度檢驗(yàn)結(jié)果顯示，長(zhǎng)湖水體富營(yíng)養(yǎng)化狀況變量組內(nèi)和湖泊理化要素變量組內(nèi)均呈極顯著相關(guān)(P<0.001)；共線性檢驗(yàn)結(jié)果顯示僅TSS的方差膨脹因子值為11.531，大于10，其余變量的方差膨脹因子值均小于10，說(shuō)明TSS與湖泊理化要素組內(nèi)其它變量間存在嚴(yán)重共線性關(guān)系；Wilks檢驗(yàn)結(jié)果顯示兩組變量在組間存在顯著相關(guān)性(P<0.05). 因此，在進(jìn)行CCA分析前，須首先剔除TSS變量.

剔除TSS變量后，CCA分析結(jié)果顯示，長(zhǎng)湖湖泊理化要素變量可解釋約66.4%的水體富營(yíng)養(yǎng)化狀況變量的變異. 2012-2013年長(zhǎng)湖水體富營(yíng)養(yǎng)化狀況與湖泊理化要素間的第1、第2和第3典型變量的相關(guān)系數(shù)分別為0.977、0.829和0.488，其中第1和第2典型變量均達(dá)到顯著相關(guān)水平(卡方檢驗(yàn)，P<0.001)，而第3典型變量則無(wú)顯著相關(guān)性(P>0.05)，且冗余分析結(jié)果顯示第1和第2典型變量的重疊指數(shù)值均大于0.05.

表1 各變量與長(zhǎng)湖水體富營(yíng)養(yǎng)化狀況和湖泊理化要素第1、2典型變量間的典型結(jié)構(gòu)系數(shù)

1)表示呈現(xiàn)高度相關(guān)性.

長(zhǎng)湖水樣的氮磷比波動(dòng)范圍較大，TNw/TPw為0.21～180， DIN/TPw為0.20～146.10. 長(zhǎng)湖浮游植物細(xì)胞豐度、Chl.a濃度均與水體中氮磷比之間呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，表明給定水體TPw濃度時(shí)，其浮游植物細(xì)胞豐度、Chl.a濃度均隨著TNw、DIN濃度的增加而顯著升高；給定TNw或DIN濃度時(shí)，則浮游植物細(xì)胞豐度隨著TPw濃度的增加而顯著升高(圖4).

2.4 長(zhǎng)湖水體富營(yíng)養(yǎng)化狀況主要影響因素的時(shí)空變化特征

長(zhǎng)湖水體中TPw濃度的季節(jié)變化表現(xiàn)為夏、秋季最高，冬、春季較低，其4季變化范圍為0.24±0.36 mg/L到0.74±0.39 mg/L，在夏、秋季之間和春、冬季之間無(wú)顯著性差異(P>0.05)，但夏、秋季與冬、春季之間卻存在極顯著差異(P<0.01). 長(zhǎng)湖水深的4季變化表現(xiàn)為夏季最高、其余3個(gè)季節(jié)較低，其4季變化范圍為1.93±0.65 m到2.56±0.79 m，僅春、秋季之間無(wú)顯著差異(P>0.05)，其它季節(jié)之間均有顯著差異(P<0.05).

長(zhǎng)湖沉積物TPs含量和水體DO濃度的季節(jié)變化趨勢(shì)一致，表現(xiàn)為夏季最低，冬季最高，春、秋季居中. TPs含量的4季變化范圍為0.009%± 0.002%到0.017%±0.002%，僅春、秋季之間無(wú)顯著差異(P>0.05)，其余季節(jié)之間均呈極顯著差異(P<0.01)；水體DO濃度的季節(jié)變化范圍為7.50±2.27 mg/L到13.29±1.39 mg/L，在4個(gè)季節(jié)兩兩之間均呈顯著差異(P<0.05).

圖5 2012-2013年影響長(zhǎng)湖水體富營(yíng)養(yǎng)化狀況的8個(gè)主要指標(biāo)的季節(jié)變化Fig.5 Seasonal variation of eight main factors affecting water eutrophication of Lake Changhu during 2012-2013

2.4.2 空間變化 2012-2013年影響長(zhǎng)湖水體富營(yíng)養(yǎng)化狀況的主要指標(biāo)在空間分布上表現(xiàn)出不一樣的規(guī)律(圖6).

圖6 2012-2013年影響長(zhǎng)湖水體富營(yíng)養(yǎng)化狀況的8個(gè)主要指標(biāo)的空間變化Fig.6 Spatial variation of eight main factors affecting water eutrophication of Lake Changhu during 2012-2013

長(zhǎng)湖水體水深在不同樣點(diǎn)之間波動(dòng)較大，范圍為1.0～3.6 m，其中樣點(diǎn)H9水深最小，而樣點(diǎn)Y2水深最大，大湖區(qū)水深普遍比海子湖區(qū)、馬洪臺(tái)航道區(qū)稍高.

長(zhǎng)湖水體TPw濃度僅在少數(shù)樣點(diǎn)如M1與Y5、H4與Y3/Y4/Y5、HD3與Y5之間差異顯著(P<0.05)，其中M1、H4和HD3樣點(diǎn)最高，而Y3、Y4和Y5樣點(diǎn)則最低. 總體來(lái)看，大湖區(qū)TPw比海子湖區(qū)和馬洪臺(tái)航道區(qū)偏低. 而沉積物TPs含量?jī)H在樣點(diǎn)M1與HD1/HD3/Y2/Y3之間呈顯著差異(P<0.05)，樣點(diǎn)M1最高.

3 討論

3.1 長(zhǎng)湖富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)及影響因素分析

參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》和實(shí)際調(diào)查結(jié)果，2012-2013年4個(gè)季節(jié)長(zhǎng)湖水體均處于IV類～劣V類水標(biāo)準(zhǔn)，但根據(jù)湖北省人民政府辦公廳文件(鄂政辦發(fā)[2000]10號(hào))《湖北省地表水功能區(qū)劃類別》規(guī)定，長(zhǎng)湖水體應(yīng)執(zhí)行Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，由此可見(jiàn)當(dāng)今長(zhǎng)湖水體水質(zhì)嚴(yán)重超標(biāo). 結(jié)合浮游植物細(xì)胞豐度指數(shù)法和TLI法的評(píng)價(jià)結(jié)果，長(zhǎng)湖水體處于富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，但尚未達(dá)到超富營(yíng)養(yǎng)水平.

一般認(rèn)為，營(yíng)養(yǎng)鹽濃度可顯著影響或反映浮游植物的種群組成和生物量大小[17]，本研究表明長(zhǎng)湖浮游植物細(xì)胞豐度、Chl.a濃度均與水體中氮、磷濃度存在顯著相關(guān)性，進(jìn)一步佐證了這一觀點(diǎn). 傳統(tǒng)觀點(diǎn)以氮磷比(TN/TP)為指標(biāo)來(lái)判別浮游植物營(yíng)養(yǎng)限制類型，但不同學(xué)者提出的氮磷比閾值差異很大，如10～17、10～30和7～15[18-22]，也因此遭到諸多學(xué)者的質(zhì)疑. 王海軍等通過(guò)對(duì)長(zhǎng)江中下游流域45個(gè)淺水湖泊的TN、TP與Chl.a濃度之間關(guān)系進(jìn)行深入分析，結(jié)合國(guó)外最新研究進(jìn)展，指出淺水湖泊中氮磷比并不能直接反映浮游植物的營(yíng)養(yǎng)限制類型[23-24]. Bergstr?m等[25]和Ptacnik等[26]則于2010年提出DIN/TP是反映浮游植物營(yíng)養(yǎng)限制類型的最好指標(biāo)，在湖泊系統(tǒng)中當(dāng)DIN/TP從1.5上升至3.4時(shí)，浮游植物則從氮營(yíng)養(yǎng)限制類型向磷營(yíng)養(yǎng)限制類型轉(zhuǎn)變. 本研究中長(zhǎng)湖大部分樣點(diǎn)的TNw/TPw在7以下，僅少數(shù)樣點(diǎn)的TNw/TPw超過(guò)15，而約有55%樣點(diǎn)(幾乎全部是夏、秋季樣點(diǎn))的DIN/TPw都小于1.5，約有27.5%樣點(diǎn)(基本是春、冬季樣點(diǎn))大于3.4，其它春、冬季樣點(diǎn)則介于1.5和3.4之間. 綜合來(lái)看，長(zhǎng)湖浮游植物的生長(zhǎng)并不是單純的氮營(yíng)養(yǎng)限制或磷營(yíng)養(yǎng)限制類型，在不同季節(jié)這兩種營(yíng)養(yǎng)限制類型相繼出現(xiàn)，即富營(yíng)養(yǎng)化最嚴(yán)重的夏、秋季節(jié)主要受氮營(yíng)養(yǎng)限制，而冬、春季節(jié)則部分受磷營(yíng)養(yǎng)限制，部分屬于從氮營(yíng)養(yǎng)限制向磷營(yíng)養(yǎng)限制過(guò)渡類型.

同時(shí)，浮游植物的生長(zhǎng)必不可缺的重要環(huán)境條件還有DO濃度，當(dāng)湖泊處于嚴(yán)重富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)時(shí)，DO濃度會(huì)成為浮游植物生長(zhǎng)的限制性因素，而當(dāng)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化處于發(fā)展階段時(shí)，DO濃度并不能成為其限制性因素[27]. 本研究中DO濃度與浮游植物細(xì)胞豐度之間存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系(R2=0.19，P=0.00005)，與TNw、TPw等營(yíng)養(yǎng)鹽濃度呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(R2=0.10，P<0.05；R2=0.13，P<0.05)，即隨著營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的增加，浮游植物細(xì)胞豐度反而下降或持平，DO濃度急劇降低，成為浮游植物生長(zhǎng)的限制性因素，反映出長(zhǎng)湖富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)已趨嚴(yán)重.

3.2 長(zhǎng)湖富營(yíng)養(yǎng)化狀況的時(shí)空分布特點(diǎn)

長(zhǎng)湖水體富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)的分布呈現(xiàn)一定的時(shí)空差異性，其中夏季富營(yíng)養(yǎng)化程度最嚴(yán)重，大部分樣點(diǎn)都處于重度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，其次是秋、春季，冬季則相對(duì)較輕，這與不同季節(jié)的不同環(huán)境條件有關(guān)[28]. 冬季為枯水期，具水溫低、光照強(qiáng)度低、日照短、營(yíng)養(yǎng)鹽輸入較少等特點(diǎn)，不能滿足絕大多數(shù)浮游植物的生長(zhǎng)所需，僅能滿足少數(shù)耐寒物種的生長(zhǎng)，導(dǎo)致浮游植物總生物量較低，富營(yíng)養(yǎng)化程度也相對(duì)較輕. 春季，隨著水溫、光照強(qiáng)度和營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的升高，個(gè)體較小的浮游植物可充分利用水體中的營(yíng)養(yǎng)而快速生長(zhǎng). 夏季為豐水期，水深較大，一些個(gè)體較大、不易被攝食的種類則較普遍發(fā)生，從而常易造成綠藻和藍(lán)藻的大量增殖，富營(yíng)養(yǎng)化程度最嚴(yán)重. 秋季，隨著水溫、光照強(qiáng)度的降低，浮游植物總生物量有所下降，其富營(yíng)養(yǎng)化程度有所降低.

同時(shí)，除TN外，長(zhǎng)湖湖體其他營(yíng)養(yǎng)鹽指標(biāo)最高的均是上游的海子湖區(qū)，其次是中部的馬洪臺(tái)航道區(qū)，下游大湖區(qū)的各營(yíng)養(yǎng)鹽指標(biāo)相對(duì)較小，為全湖最低水平，呈現(xiàn)自西向東由高營(yíng)養(yǎng)程度向低營(yíng)養(yǎng)程度擴(kuò)散的趨勢(shì)，這與已有的文獻(xiàn)報(bào)道一致[3，6，18，29]. 這種區(qū)域性分布特點(diǎn)可能是因?yàn)殚L(zhǎng)湖上游有多條主要入湖河道，如拾橋河、龍會(huì)橋河、太湖港等，區(qū)域內(nèi)人口較密集，農(nóng)業(yè)十分發(fā)達(dá)，是污染源較為集中的區(qū)域. 長(zhǎng)湖水體中TNw濃度則表現(xiàn)為中部的馬洪臺(tái)航道區(qū)最低，其次是上游的海子湖區(qū)，而下游的大湖區(qū)則相對(duì)較高，這可能與大湖區(qū)Y5樣點(diǎn)夏季TNw濃度特別高(高出平均值約6倍)有關(guān)，該采樣點(diǎn)位于圍欄養(yǎng)殖區(qū)域邊緣，可能其產(chǎn)生的TN污染量較高.

3.3 長(zhǎng)湖富營(yíng)養(yǎng)化的成因及應(yīng)對(duì)策略分析

長(zhǎng)湖水體富營(yíng)養(yǎng)化主要表現(xiàn)為磷污染，但氮污染和有機(jī)物污染也不容忽視，它們的污染程度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)長(zhǎng)江中下游江漢平原“四湖”流域下游洪湖的歷史水平[30]. 這與吳翠等[6]的調(diào)查結(jié)果一致，但與陳紅兵等[3]和盧進(jìn)登等[4]的調(diào)查結(jié)果稍有差異，他們認(rèn)為長(zhǎng)湖水體中氮污染比磷污染嚴(yán)重，這主要是因?yàn)樗麄兊脑u(píng)價(jià)均是基于一次采樣的結(jié)果，而本文實(shí)際調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)湖水質(zhì)在不同季節(jié)之間確實(shí)存在顯著差異.

從驅(qū)動(dòng)力分析來(lái)看，長(zhǎng)湖水體富營(yíng)養(yǎng)化主要來(lái)自于外源污染. 長(zhǎng)湖地處江漢平原，位于“四湖”流域的上游區(qū)域，流域內(nèi)人口密集，農(nóng)業(yè)十分發(fā)達(dá)，是湖北省重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地，正面臨著水資源萎縮的嚴(yán)重局面. 帥方敏等的研究表明，流域內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)如農(nóng)村生活廢水、水產(chǎn)養(yǎng)殖、畜禽養(yǎng)殖等所產(chǎn)生的面源污染較嚴(yán)重，未被有效利用的化肥、農(nóng)藥、飼料等殘留物較多，隨地表徑流或直接進(jìn)入長(zhǎng)湖水體，極易造成長(zhǎng)湖水質(zhì)的惡化，是導(dǎo)致長(zhǎng)湖水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要原因[31]. 其中，水產(chǎn)養(yǎng)殖所產(chǎn)生的TN和TP量是各面源污染排放污染物總量中最高的. 而圍網(wǎng)養(yǎng)殖是長(zhǎng)湖流域水產(chǎn)養(yǎng)殖的主要方式，其養(yǎng)殖面積約有45 km2，占長(zhǎng)湖總水域面積的32%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)2002年發(fā)布的《湖北省實(shí)施<中華人民共和國(guó)漁業(yè)法>辦法》中關(guān)于大中型湖泊、水庫(kù)漁業(yè)圍欄養(yǎng)殖面積不得超過(guò)該水域總面積10%的規(guī)定. 長(zhǎng)湖圍欄/圍網(wǎng)養(yǎng)殖的主要對(duì)象為鰱、鳙、草魚等，其中鰱、鳙平均放養(yǎng)密度約為1600 kg/hm2. 盡管根據(jù)非經(jīng)典生物操作理論鰱、鳙可控制浮游植物的生長(zhǎng)，但需注意，非經(jīng)典生物操作理論相對(duì)更適用于藍(lán)藻水華嚴(yán)重的超富營(yíng)養(yǎng)湖泊，且有研究表明鰱、鳙遏制水華的有效放養(yǎng)密度(即有效生物量)僅為46～50 g/m3[32]. 然而長(zhǎng)湖目前富營(yíng)養(yǎng)化程度還較輕，水體中浮游植物生物量并沒(méi)有達(dá)到高存量的狀況，其鰱、鳙平均放養(yǎng)密度也已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)遏制水華的有效生物量，其產(chǎn)生的負(fù)面影響可能會(huì)超過(guò)正面作用，這可能是長(zhǎng)湖營(yíng)養(yǎng)鹽的最主要來(lái)源[29]，這也與“四湖”流域下游洪湖的富營(yíng)養(yǎng)化成因極其相似[30，33-34]. 同時(shí)，有研究表明，長(zhǎng)湖草魚的放養(yǎng)也在一定程度上造成長(zhǎng)湖水生植物生物量的大幅下降[9]. 由此可見(jiàn)，優(yōu)化漁業(yè)管理和養(yǎng)殖模式，尤其是評(píng)估鰱、鳙、草魚的合適放養(yǎng)密度，在長(zhǎng)湖水質(zhì)改善過(guò)程中能起到重要作用.

但在目前長(zhǎng)湖營(yíng)養(yǎng)鹽濃度過(guò)高、浮游植物生物量并未達(dá)到高存量的背景下，以控制營(yíng)養(yǎng)鹽濃度為基礎(chǔ)的“上行效應(yīng)”策略應(yīng)當(dāng)是長(zhǎng)湖水質(zhì)管理的首選. 鑒于長(zhǎng)湖浮游植物生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)限制類型在不同季節(jié)存在差異，夏、秋季節(jié)應(yīng)以控氮為主，冬、春季節(jié)則以控磷為主. 然而，生物生長(zhǎng)策略是復(fù)雜的，在控氮的同時(shí)，并不能放松對(duì)磷污染的控制，控磷時(shí)亦要注意對(duì)氮污染的控制. 除了通過(guò)在一定程度上減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)排放的污染物入湖量來(lái)降低營(yíng)養(yǎng)鹽的輸入量，還可通過(guò)栽種微齒眼子菜、苦草、黑藻等水生植物來(lái)增強(qiáng)長(zhǎng)湖水體的自凈能力，這些水生植物均是長(zhǎng)湖歷史上的優(yōu)勢(shì)種，而目前已淪為伴生種，甚至消失[9]，但它們均能有效去除水體中的氮、磷[35].

綜上所述，針對(duì)長(zhǎng)湖水體已呈富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，但尚未達(dá)到超富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的現(xiàn)狀，借鑒洪湖治理經(jīng)驗(yàn)，建議在降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)排放污染物的入湖量、優(yōu)化漁業(yè)管理及養(yǎng)殖模式的基礎(chǔ)上，大力削減圍網(wǎng)/圍欄養(yǎng)殖量，同時(shí)考慮通過(guò)水生植物栽種等生態(tài)工程的建設(shè)來(lái)實(shí)現(xiàn)生態(tài)修復(fù)，從而降低長(zhǎng)湖水體發(fā)生嚴(yán)重富營(yíng)養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)，并進(jìn)一步改善長(zhǎng)湖的水質(zhì)現(xiàn)狀，以盡早達(dá)到III類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn).

致謝：長(zhǎng)湖管理處和海子湖漁場(chǎng)相關(guān)人員在樣本采集過(guò)程提供了大量幫助，長(zhǎng)江大學(xué)柴毅老師、羅靜波老師及其學(xué)生參加了野外調(diào)查工作，同時(shí)陶峰在野外調(diào)查、水質(zhì)和底質(zhì)樣本分析中開展了大量工作，李學(xué)梅博士在論文修改中提出了修改意見(jiàn)，在此一并表示感謝.

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HE Yongfeng， LI Haocheng， ZHU Yongjiu & YANG Deguo

(KeyLaboratoryofFreshwaterBiodiversityConservation，MinistryofAgricultureofChina，YangtzeRiverFisheriesResearchInstitute，ChineseAcademyofFisherySciences，Wuhan430223，P.R.China)

In order to assess the water eutrophication status of Lake Changhu， 20 sampling sites with physical， chemical and biological elements of lake were monitored seasonally during 2012-2013. On the basis of evaluated water quality by single-factor water quality assessment method， two other methods(phytoplankton cell abundance index method and comprehensive trophic level index(TLI) method) were chosen to assess water eutrophication status of Lake Changhu. Then canonical correlation analysis(CCA) was used to demonstrate the canonical relationships between variables of “water eutrophication status” and variables of “physical/chemical elements of lake”. The results indicated that water quality of Lake Changhu in four seasons conformed to the standard of type IV to bad V surface waters.TLIvalues ranged from 49.54 to 82.55， and phytoplankton cell density varied from 2.88×106cells/L to 61.73×106cells/L， both of which exhibited the state of eutrophication of Lake Changhu. The water eutrophication of the lake was characterized by significant spatial-temporal variations. The CCA revealed that variables of “physical/chemical indices of lake” could explain 68.6% of the variations of the variables of “water eutrophication status”， and the main factors affecting eutrophication of Lake Changhu were total phosphorus， total nitrogen， nitrite-nitrogen and nitrate-nitrogen of water， total phosphorus and total nitrogen of sediment， dissolved oxygen， water depth. Water eutrophication in Lake Changhu was mainly from the pollution of external phosphorus， followed by external nitrogen. In summer and autumn， eutrophication was the worst， and the growth of phytoplankton was mainly influenced by nitrogen limitation. However, in winter and spring， eutrophication could be limited by phosphorus and transitional type. Therefore， we suggest that slashing enclosure culture in the lake， together with transplanting aquatic plants and other measures of ecological engineering， should be carried out with great care in order to reduce the risk of severe water eutrophication and to improve water quality in Lake Changhu in the future.

Lake Changhu; eutrophication; spatial-temporal variations; canonical correlation analysis;trophiclevelindex

*國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAD25B08-03)資助．2014-08-25 收稿；2015-01-14 收修改稿．何勇鳳(1983～)，女，博士，助理研究員；E-mail: heyf@yfi．a(chǎn)c．cn．

J.LakeSci.(湖泊科學(xué))， 2015， 27(5)： 853-864

DOI 10.18307/2015.0511

?2015 byJournalofLakeSciences

**通信作者；E-mail: yangdg@yfi.ac.cn．