胡倩倩，梁 越，丁新航，肖 浩，羅 笠

(東華理工大學(xué)江西省大氣污染成因與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，水資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西南昌 330013)

富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題一直是國(guó)內(nèi)外湖泊研究的重點(diǎn)之一，目前我國(guó)66%以上的湖泊、水庫(kù)處于富營(yíng)養(yǎng)化水平，其中重富營(yíng)養(yǎng)和超富營(yíng)養(yǎng)占22%，美國(guó)的Apopka、George和Okeechobee 湖及日本的霞浦湖都是富營(yíng)養(yǎng)化湖泊，富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題已成為湖泊相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)的重大水環(huán)境問(wèn)題[1-2]。隨著經(jīng)濟(jì)、城鎮(zhèn)化、工業(yè)和農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，來(lái)自于五大河流的鄱陽(yáng)湖流域的污染源排放呈上升趨勢(shì)，鄱陽(yáng)湖對(duì)這些來(lái)源的氮、磷具有顯著的滯留作用[3]。鄱陽(yáng)湖的過(guò)水性湖泊特征，一定程度上減輕和掩蓋了其水體富營(yíng)養(yǎng)化程度，同時(shí)也出現(xiàn)了豐水期和枯水期水體富營(yíng)養(yǎng)化程度差異較大的現(xiàn)象。研究表明，鄱陽(yáng)湖水體具備發(fā)生“水華”現(xiàn)象的營(yíng)養(yǎng)鹽基礎(chǔ)，水體富營(yíng)養(yǎng)化主要限制因子是化學(xué)需氧量(COD)、總氮(TN)、總磷(TP)，同時(shí)TN/TP的比值也影響水體富營(yíng)養(yǎng)化程度，其中，TP和TN/TP是鄱陽(yáng)湖水體富營(yíng)養(yǎng)化的主導(dǎo)因子[4-5]。我國(guó)湖泊營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)方法主要采用的是基于經(jīng)驗(yàn)頻率曲線的隨機(jī)評(píng)價(jià)方法[6]、模糊評(píng)價(jià)方法[7]和灰色評(píng)價(jià)方法[8]，這些富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)方法的計(jì)算精度基本相當(dāng)[6]。

由于鄱陽(yáng)湖是通江湖泊，水體交換快，豐水季節(jié)帶走了大量營(yíng)養(yǎng)鹽，而枯水期主航道水流速度快，水體渾濁不利于藍(lán)藻生長(zhǎng)聚集。然而，鄱陽(yáng)湖邊緣有較多的小湖泊，豐水期與鄱陽(yáng)湖主體連成一片，枯水期幾乎是封閉的積水洼地，營(yíng)養(yǎng)鹽滯留在很淺的小湖內(nèi)，容易富營(yíng)養(yǎng)化，藻類(lèi)大量增殖[9]。鄱陽(yáng)湖氮的生物地球化學(xué)循環(huán)主要發(fā)生在邊緣緩水湖區(qū)，因此研究邊緣湖區(qū)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)特征有助于對(duì)鄱陽(yáng)湖營(yíng)養(yǎng)循環(huán)過(guò)程的深入認(rèn)識(shí)[10]。鄱陽(yáng)湖國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)位于贛江主支與修河入湖的尾閭地區(qū)，是典型的鄱陽(yáng)湖邊緣湖區(qū)，是冬季候鳥(niǎo)主要棲息地。筆者選取贛江和修河的入湖尾閭——大湖池和沙湖為采樣地，監(jiān)測(cè)其水質(zhì)參數(shù)，運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)頻率曲線的隨機(jī)評(píng)價(jià)方法分析不同月份和水位的營(yíng)養(yǎng)狀況，旨在為鄱陽(yáng)湖邊緣湖區(qū)的水生態(tài)開(kāi)發(fā)與保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1研究區(qū)域與樣品采集大湖池和沙湖為鄱陽(yáng)湖邊緣湖區(qū)，位于江西省北部，永修縣境內(nèi)，吳城鎮(zhèn)的西面，是鄱陽(yáng)湖兩大支流贛江和修河尾閭復(fù)合三角洲上的堤間洼地，水流隨江河水位而變，流向不定。在每年鄱陽(yáng)湖退水后的枯水季節(jié)成為湖灘地上的滯水性湖泊，在洪水季節(jié)與周邊河流和鄱陽(yáng)湖主體連成一片。湖中苔草茂盛，魚(yú)蝦資源豐富，是越冬候鳥(niǎo)覓食和棲息的良好場(chǎng)所，鄱陽(yáng)湖候鳥(niǎo)主要保護(hù)區(qū)之一。

大湖池和沙湖的水深隨季節(jié)的變化而變化，8月是豐水期，水深6.0 m左右，10月至第2年的4月為枯水期，水深0.3～0.8 m，5月為平水期，也是水位上漲時(shí)期，水深3.0 m左右，水位的差異主要是由于鄱陽(yáng)湖流域季節(jié)性降雨，5—8月為汛期。該研究采樣時(shí)間為2016年12月15日、2017年3月15日、4月15日、5月20日、8月1日及10月1日。水樣采集使用有機(jī)玻璃采水器，枯水期由于水淺在水面0.1 m以下采集，豐水期在水面下0.5 m處采集，水樣數(shù)量為8～10個(gè)。采樣點(diǎn)如圖1所示。

圖1 大湖池和沙湖及周?chē)虿蓸狱c(diǎn)Fig.1 Sampling sites in Dahuchi Lake and Shahu Lake and around its watersheds

1.2水體理化參數(shù)測(cè)定水體理化參數(shù)TN、TP、NH4+-N、NO3--N分別采用過(guò)硫酸鉀氧化紫外分光光度法、過(guò)硫酸鉀氧化鉬銻抗分光光度法、納氏試劑光度法、酚二磺酸光度法進(jìn)行測(cè)定，具體方法參考 《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》[11]。用水質(zhì)分析儀(HACH)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定pH、電位、溶解氧(DO)及葉綠素a(Chl-a)(HACH HYDROLAB)等參數(shù)。

1.3湖泊富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)方法基于經(jīng)驗(yàn)頻率曲線的湖泊富營(yíng)養(yǎng)化隨機(jī)評(píng)價(jià)方法[6]，可以對(duì)湖泊的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行分析。各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)(如Chl-a、TP、TN、COD、SD等)及水質(zhì)評(píng)價(jià)級(jí)別是隨機(jī)變量，評(píng)價(jià)級(jí)別是樣本從大到小的序號(hào)，每個(gè)評(píng)價(jià)級(jí)別對(duì)應(yīng)的各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)取值是從大到小的樣本，這樣出現(xiàn)大于或等于某個(gè)水質(zhì)指標(biāo)濃度以及評(píng)價(jià)級(jí)別的經(jīng)驗(yàn)頻率(P)，由以下公式來(lái)計(jì)算。

式中，m表示排序后的樣本序號(hào)；n為樣本容量，計(jì)算各項(xiàng)隨機(jī)變量的經(jīng)驗(yàn)頻率Pi，根據(jù)Chl-a、TP、TN、COD、SD評(píng)價(jià)指標(biāo)與Chl-a的相關(guān)系數(shù)，得到各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)在富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)中所占的權(quán)重Wi。根據(jù)加權(quán)平均公式求出各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的綜合經(jīng)驗(yàn)頻率P=∑Wi×Pi，即湖泊富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)級(jí)別的經(jīng)驗(yàn)頻率，進(jìn)一步得到湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

1.4數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)運(yùn)用SPSS 19.0和 Sigmaplot 12.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1水質(zhì)參數(shù)各月含量特征大湖池和沙湖湖水DO含量較為豐富(7.2～8.9 mg/L)，僅在10月略偏低，分別為6.7±0.4和6.9±0.5 mg/L。湖水偏弱堿性(pH=7.3～8.9)。2個(gè)湖泊CODMn濃度在10月較高，分別為9.4±0.7 mg/L和11.2±0.5 mg/L，其次是12月較高，其他月份為3.9～7.9 mg/L(圖2、3)。不同月份NH4+-N濃度變化明顯，尤其是12月和10月明顯偏高，大湖池分別為1.19±0.06和0.85±0.06 mg/L，沙湖分別為1.38±0.06和1.07±0.05 mg/L；5月NH4+-N濃度最低，兩湖分別為0.34±0.01和0.38±0.02 mg/L，與其相鄰的贛江和修河中的濃度相差不大，尤其與修河中的濃度更接近0.37±0.08 mg/L(表1、圖2、3)，兩湖泊的NH4+-N濃度在8月比5月明顯升高，而河流的NH4+-N濃度在8月比5月也偏高，7、8月經(jīng)常遇到暴雨，雨水的沖涮帶來(lái)農(nóng)業(yè)、畜禽、城鎮(zhèn)廢水進(jìn)入河流，并進(jìn)入連通的湖泊。NO3--N濃度在5月明顯偏高，其他月份差別不大，這是由于5月是農(nóng)業(yè)第一季水稻種植期，也是汛期，經(jīng)常雨水不斷，NO3--N主要來(lái)源于農(nóng)業(yè)的面源污染；8月湖泊NO3--N濃度比河流中低(表1)，表明湖泊和河流水體交換不如5月徹底，5月湖水和河水都在上漲，水流速度較快，8月受長(zhǎng)江水位的頂托作用，湖水水流較慢。湖泊無(wú)機(jī)氮除5月NO3--N濃度超過(guò)NH4+-N外，其他月份以NH4+-N為主，而河流無(wú)機(jī)氮均以NO3--N為主(表1)。

反映藻類(lèi)生長(zhǎng)量的四大參數(shù)為T(mén)N、TP、Chl-a及TN/TP，TN在8月和12月濃度比其他月份高(圖2、3)，8月大雨的沖涮作用使陸地氮源和土壤有機(jī)質(zhì)進(jìn)入湖泊，12月由于冬季候鳥(niǎo)棲息使底泥再懸浮以及糞肥作用使得TN含量偏高。兩湖TP濃度在10月最高，分別為0.27±0.01和0.33±0.02 mg/L 。兩湖的TN/TP(摩爾比)在10月分別為9.2∶1和7.4∶1，低于16∶1，磷供給充足，10月初是秋季，光照和溫度25～30 ℃也有利于藻類(lèi)形成，兩湖泊Chl-a含量在10月顯著地比其他月份高，分別為10.4±1.2和15.6±1.7 μg/L，TN/TP結(jié)合Chl-a(反映藻類(lèi)的含量)，能夠反映此時(shí)藻類(lèi)含量較高，事實(shí)上10月秋季湖面可見(jiàn)藻類(lèi)富集，沙湖更明顯。兩湖TP濃度在12月也較高，分別為0.21±0.02和0.25±0.02 mg/L，受到候鳥(niǎo)覓食草根莖，棲息于湖面[12]，使底泥懸浮，底泥中的TP釋放以及糞肥的影響，12月TN/TP分別為28.4∶1和21.3∶1，高于16∶1，結(jié)合Chl-a含量(分別為6.5±0.3、7.7±0.4 μg/L)，TN和TP濃度也較高，但是冬季寒冷，光照和溫度較低不適合藻類(lèi)大量形成[4]。

圖2 大湖池水質(zhì)參數(shù)特征Fig.2 Parameters characteristic of water quality of Dahuchi Lake

圖3 沙湖水質(zhì)參數(shù)特征Fig.3 Parameters characteristic of water quality of Shahu Lake

兩湖泊在10月初湖水已退去30 d左右，湖泊營(yíng)養(yǎng)鹽濃度總體升高較多，藻類(lèi)富集，通過(guò)分析Chl-a與其他水質(zhì)參數(shù)的相關(guān)性(表2)可知，Chl-a與TN、TP、COD、NH4+-N正相關(guān)，尤其與COD顯著相關(guān)，與TP極顯著相關(guān)；Chl-a與DO和NO3--N負(fù)相關(guān)，尤其與NO3--N顯著負(fù)相關(guān)。藻類(lèi)從水體中攝取碳元素，一定濃度范圍內(nèi) COD 的增大，會(huì)促進(jìn)藻類(lèi)生長(zhǎng)繁殖，同時(shí)，藻類(lèi)的增多會(huì)使COD上升，水體中DO下降。當(dāng)?shù)⒘缀可邥r(shí)，極大地促進(jìn)了藻類(lèi)的生長(zhǎng)，同時(shí)，藻類(lèi)生物量的增加，使氮、磷富集，TN、TP 濃度增加[10，13]。秋季湖內(nèi)礦化、氨化作用較強(qiáng)，NH4+-N濃度升高，有利于藻類(lèi)的繁殖[14]。藻類(lèi)生物量的增多會(huì)消耗硝酸鹽，NO3--N濃度相對(duì)降低。

表1 贛江和修河水質(zhì)參數(shù)特征

兩湖泊在不同月份各水質(zhì)參數(shù)略有不同，沙湖的理化參數(shù)含量相對(duì)于大湖池更高，是由兩湖泊所處的地理位置和周邊的環(huán)境因素決定[15]。但是兩湖泊各參數(shù)的變化趨勢(shì)大致相同(圖2、3)，這是由鄱陽(yáng)湖的水情及兩湖的水位變化一致所決定。

表2沙湖10月Chl-a與其他水質(zhì)參數(shù)的相關(guān)性

Table2CorrelationcoefficientsbetweenChl-aandenvironmentalfactorsinOctoberinShahuLake

水質(zhì)參數(shù)WaterqualityparametersChl-a水質(zhì)參數(shù)WaterqualityparametersChl-aCOD0.833*NH4+-N0.624TN0.834NO3--N-0.444*TP0.925**DO-0.623

注：*表示P<0.05顯著相關(guān)；**表示P<0.01顯著相關(guān)

Note：* stands for significant correlation at 0.05 level；** stands for significant correlation at 0.01 level

2.2水質(zhì)各月?tīng)I(yíng)養(yǎng)狀態(tài)

2.2.1水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)結(jié)果。參照湖泊富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及水質(zhì)指標(biāo)的經(jīng)驗(yàn)頻率[6](表3)，以沙湖為例計(jì)算綜合經(jīng)驗(yàn)頻率P值，得到各月的營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知，沙湖12月是枯水期，水位最低(水深0.5 m左右)，營(yíng)養(yǎng)鹽濃度較其他月份高，處于富營(yíng)養(yǎng)化，12月冬季候鳥(niǎo)棲息于大湖池和沙湖，覓食于草根，使得底泥懸浮，TN和TP釋放，增加水體營(yíng)養(yǎng)，加上候鳥(niǎo)糞肥，銨氮濃度也升高，但是Chl-a濃度不高，冬季較高的 N/P、持續(xù)下降的溫度及光照強(qiáng)度已難以維系藻類(lèi)的大規(guī)模增殖[4]。3、4月也是枯水期，處于中等富營(yíng)養(yǎng)化，濃度較12月下降，隨著冬季候鳥(niǎo)的遷徙，底泥懸浮顆粒沉降，春季雨水也增多，湖水營(yíng)養(yǎng)鹽進(jìn)一步稀釋。5月是平水期，處于中營(yíng)養(yǎng)化，鄱陽(yáng)湖流域汛期，水位上漲，大湖池和沙湖與鄱陽(yáng)湖主體連通，營(yíng)養(yǎng)鹽隨主體水流進(jìn)入長(zhǎng)江，難以滯留在湖內(nèi)。8月是豐水期，處于初等富營(yíng)養(yǎng)化，此時(shí)湖水受長(zhǎng)江水頂托作用，水流緩慢，營(yíng)養(yǎng)鹽在湖內(nèi)有一定滯留[3]，濃度比5月升高。10月是枯水期，處于富營(yíng)養(yǎng)化，鄱陽(yáng)湖在8月中旬開(kāi)始退水，大湖池和沙湖在8月底和9月初已退水完畢，基本是封閉區(qū)域的濕地，湖水濃縮，營(yíng)養(yǎng)鹽濃度升高，加上秋季充足的光照及較高的溫度，湖內(nèi)礦化和氨化作用較強(qiáng)，使得營(yíng)養(yǎng)鹽濃度進(jìn)一步升高，容易形成密集的藻類(lèi)聚集區(qū)(Chl-a濃度最高)[6，16]。前人研究也發(fā)現(xiàn)，沙湖區(qū)域暴發(fā)了秋季藍(lán)藻水華，位于永修縣境內(nèi)的大汊湖區(qū)域出現(xiàn)部分藍(lán)藻富集，有發(fā)生水華的趨勢(shì)[15]。鄱陽(yáng)湖的邊緣湖區(qū)在枯水期基本是封閉的濕地，湖水很淺，營(yíng)養(yǎng)鹽濃度較高，容易發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化。

表3 富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及水質(zhì)指標(biāo)的經(jīng)驗(yàn)頻率[8]

2.2.2水質(zhì)類(lèi)型分類(lèi)。從單因子分析，按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(表5)，兩湖泊的CODMn，月變化為3.9～11.7 mg/L(圖2)，3—8月達(dá)到Ⅱ～Ⅲ類(lèi)水質(zhì)，10和12月達(dá)到Ⅳ類(lèi)水質(zhì)，8月是豐水期，COD相對(duì)前3個(gè)月較高，是周?chē)彐?zhèn)的生活污水和農(nóng)業(yè)灌溉用水直接流入河流和湖泊，夏季較高的溫度也導(dǎo)致水體中有機(jī)質(zhì)的降解。湖泊TP 的月變化范圍為 0.07～0.33 mg/L(圖2)，按《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》僅5月份達(dá)到Ⅲ類(lèi)水體；枯水期的10月和12月，TP濃度大于0.2 mg/L，達(dá)到Ⅴ類(lèi)水質(zhì)，其他月份為Ⅳ類(lèi)水質(zhì)。TN月濃度差異較大，其中12月TN的月均濃度超過(guò)Ⅴ類(lèi)水質(zhì)的限值，8月也達(dá)到Ⅳ類(lèi)水質(zhì)的濃度限值。NH4+-N濃度除12月在1.0～1.5 mg/L達(dá)到 Ⅲ～Ⅳ類(lèi)水質(zhì)，沙湖10月NH4+-N濃度達(dá)到 Ⅲ類(lèi)水質(zhì)外，其他月份在Ⅰ～Ⅲ類(lèi)水質(zhì)。NO3--N除5月份較高外，趨勢(shì)與NH4+-N相似。

表4 沙湖水質(zhì)各月?tīng)I(yíng)養(yǎng)狀態(tài)分析

表5地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)基本項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)限值(GB3838—2002)

Table5Environmentalqualitystandardsofsurfacewater(GB3838-2002)

mg/L

2.3鄱陽(yáng)湖邊緣湖泊(以沙湖為例)與鄱陽(yáng)湖主體水質(zhì)比較由鄱陽(yáng)湖邊緣湖區(qū)與主體湖區(qū)各月的氮、磷含量比較可知[4](表6)，水質(zhì)類(lèi)型不僅與氮、磷含量有關(guān)，還與氮、磷比值有關(guān)[4]。3、4月鄱陽(yáng)湖主體是Ⅲ類(lèi)水質(zhì)，中營(yíng)養(yǎng)化，而沙湖是Ⅳ水質(zhì)，中富營(yíng)養(yǎng)化，雖然此時(shí)鄱陽(yáng)湖主體TN濃度比沙湖高，但是TN/TP也高，TP濃度相對(duì)較低；5月鄱陽(yáng)湖主體是Ⅳ類(lèi)水質(zhì)，中富營(yíng)養(yǎng)化，但沙湖是Ⅲ類(lèi)水質(zhì)，中營(yíng)養(yǎng)化，TN/TP高，沙湖在5月水源主要來(lái)自于修河和贛江，而鄱陽(yáng)湖主體水源是來(lái)自于五大河流的混合水體；8月和10月鄱陽(yáng)湖主體是Ⅲ類(lèi)水質(zhì)，中營(yíng)養(yǎng)化，而沙湖8月是Ⅳ類(lèi)水質(zhì)，中富營(yíng)養(yǎng)化，10月是Ⅴ水質(zhì)，富營(yíng)養(yǎng)化，TN/TP低?？傮w而言，除5月邊緣湖區(qū)水質(zhì)比鄱陽(yáng)湖主體好外，其他月份都是邊緣湖區(qū)水質(zhì)比鄱陽(yáng)湖主體水質(zhì)差，鄱陽(yáng)湖主體水體流動(dòng)性強(qiáng)，而邊緣湖區(qū)在枯水期幾乎是封閉的濕地，湖水蒸發(fā)濃縮，水體流動(dòng)性差，營(yíng)養(yǎng)鹽易積累。

表6 鄱陽(yáng)湖主體與邊緣湖泊的營(yíng)養(yǎng)狀況對(duì)比

注：Ⅲ.中營(yíng)養(yǎng)化;Ⅳ.中富營(yíng)養(yǎng)化;Ⅴ.富營(yíng)養(yǎng)化

Note：Ⅲ.Eutrophication;Ⅳ.Eutrophic;Ⅴ.Eutrophication

3 結(jié)論

鄱陽(yáng)湖邊緣湖泊——大湖池和沙湖由于鄱陽(yáng)湖的水位變化及自身所處的地理位置，營(yíng)養(yǎng)鹽含量偏高，只在5月水位上漲時(shí)期，由于周邊河水進(jìn)入湖泊進(jìn)行水體交換，處于Ⅲ類(lèi)水質(zhì)，中營(yíng)養(yǎng)化，豐水期處于Ⅲ～Ⅳ類(lèi)水質(zhì)，初等富營(yíng)養(yǎng)化外，從退水后的秋季枯水期到第2年的春季枯水期都是Ⅳ或Ⅴ類(lèi)水質(zhì)，達(dá)到中富或富營(yíng)養(yǎng)化。

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