劉聚濤 溫春云 韓 柳 戴國飛 王法磊 胡 芳 樓 倩

(江西省水利科學研究院，江西省鄱陽湖水資源與環(huán)境重點實驗室,江西 南昌 330029)

水文水動力條件是湖泊生態(tài)系統(tǒng)的重要驅(qū)動因子和控制因素，適宜的水位是維護湖泊生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能穩(wěn)定以及生物完整性的重要保障[1]2142。水位變化是驅(qū)動氮磷等營養(yǎng)鹽和重金屬在環(huán)境中遷移轉(zhuǎn)化的重要因子[2],[3]340，改變湖泊內(nèi)營養(yǎng)鹽濃度會間接改變浮游生物群落結(jié)構(gòu)構(gòu)成，并促使沉積物中氮磷含量、形態(tài)及生物有效性發(fā)生變化，進而影響湖泊水質(zhì)[4]。氮磷是引起水體富營養(yǎng)化的主要因素，氮磷等營養(yǎng)鹽濃度受水位變化的影響很大[5]，不同水位期內(nèi)，湖泊水環(huán)境特征和生物響應(yīng)不同[1]2142。

鄱陽湖是長江流域最大的通江湖泊，水位具有規(guī)律的波動特征，年際、年內(nèi)變化顯著。2000年以來，鄱陽湖水質(zhì)呈下降趨勢，富營養(yǎng)化水平呈上升趨勢[6]。同時，水位下降導致鄱陽湖氮磷等營養(yǎng)鹽的自凈能力和環(huán)境承載力下降[7]，氮磷等營養(yǎng)鹽濃度變大[8]。氮磷是鄱陽湖的主要污染物[9-10]，并且鄱陽湖水位呈現(xiàn)周期性變化特征。已有研究多集中于水質(zhì)的時空變化特征或者單一年份水位與營養(yǎng)鹽相關(guān)關(guān)系研究[11-13]，缺乏長時間序列水位與氮磷營養(yǎng)鹽關(guān)系研究，此外鄱陽湖豐平枯時段多以時間和水位為依據(jù)進行劃分，缺乏考慮營養(yǎng)鹽要素的時段劃分，有必要從長時間序列分析鄱陽湖TN和TP對水位的響應(yīng)特征，并以水位、TN和TP監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù)，劃定水位-營養(yǎng)鹽豐平枯時段，為鄱陽湖水環(huán)境保護和水位調(diào)控提供支撐。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

鄱陽湖是我國第一大淡水湖，位于長江中下游南側(cè)，承納江西省境內(nèi)贛江、撫河、信江、饒河和修水“五河”來水，經(jīng)過鄱陽湖調(diào)蓄后由北部湖口注入長江。鄱陽湖屬典型的吞吐型湖泊，水位變幅較大，呈現(xiàn)“高水湖相，低水河相”“洪水一片，枯水一線”的獨特自然景觀。鄱陽湖年均徑流量為1 525億m3，約占長江流域年均徑流量的16.3%，在區(qū)域和長江流域中下游的生態(tài)安全和水安全保障中發(fā)揮著重要的作用和功能。

1.2 監(jiān)測點布置與樣品檢測

選擇星子水文站作為鄱陽湖的參考站，監(jiān)測2012—2017年鄱陽湖日平均水位(吳淞高程，下同)。同時，從2012年開始連續(xù)定位監(jiān)測鄱陽湖水環(huán)境狀況，監(jiān)測時段包括2012年1月至2018年1月，監(jiān)測月份主要在1月、2月、4月、6—10月和12月，監(jiān)測時段為監(jiān)測月份的下旬，共設(shè)置監(jiān)測點35個，其中平水期和枯水期設(shè)16個點位，豐水期設(shè)35個點位(見圖1)?，F(xiàn)場采用5 L有機玻璃采水器采集上(水面以下0.5 m)、下(距離湖底0.5 m)水層等量水樣，混合均勻后，采用5 L酸泡處理的塑料桶儲藏，冷藏保存并帶回實驗室進行化學指標分析，監(jiān)測指標主要為TN、TP，檢測方法參照文獻[14]。

圖1 鄱陽湖位置與監(jiān)測點布置Fig.1 Sketch of the position and sampling points in Poyang Lake

1.3 分析方法

采用SPSS 16.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，分析過程中，首先檢驗數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布，如不符合正態(tài)分布，則需要進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化。水位與TN、TP相關(guān)分析采用Pearson相關(guān)分析；水位、TN、TP聚類分析采用樣本聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 鄱陽湖水位變化特征

鄱陽湖水位呈現(xiàn)周期性變化(見圖2)，總體上1—2月水位較低，7—8月水位達到最高值后逐漸下降，12月水位又基本降至最低。2012—2017年，月均最低水位分別為8.73、8.10、7.75、7.96、9.83、8.46 m，月均最低水位主要集中在12月、1月和2月；月均最高水位分別為18.58、16.40、17.78、18.15、20.55、19.27 m，月均最高水位主要集中在7月。

鄱陽湖水位變幅較大(見表1)，日水位變幅區(qū)間集中于10～13 m，水位極值比為2.29～2.68；月均水位變幅區(qū)間集中在8～11 m，水位極值比為2.02～2.29。

2.2 鄱陽湖TN、TP變化特征

經(jīng)統(tǒng)計，鄱陽湖2012—2017年TN年均質(zhì)量濃度分別為2.258、2.260、1.721、2.442、1.532、1.540 mg/L，TP年均質(zhì)量濃度分別為0.088、0.106、0.121、0.115、0.056、0.057 mg/L。2012—2017年鄱陽湖TN、TP變化趨勢分別見圖3、圖4。由圖3、圖4可見，鄱陽湖TN、TP濃度呈周期性波動變化，總體來看TN濃度年最大值集中在10—12月，最小值集中在7—8月；TP最大值集中在10月至次年2月，最小值多集中在8月。

2012—2017年，TN濃度年內(nèi)變化幅度呈逐漸減小趨勢；TP濃度年內(nèi)變化幅度在2012—2014年呈增加趨勢，在2014—2017年呈減小趨勢。2012年，TN濃度變幅最大，極值比為4.87；2017年變幅最小，極值比為1.65。2014年，TP濃度變幅最大，極值比為11.88；2017年變幅最小，極值比為2.10。鄱陽湖TN和TP年內(nèi)變幅逐漸變小，表明豐水期和枯水期TN、TP濃度逐漸趨于一致。而豐水期TN、TP濃度年際變化不大，表明枯水期TN、TP濃度降低。

圖2 2012—2017年鄱陽湖月平均水位變化特征Fig.2 Characteristics of monthly mean water level variation in Poyang Lake in 2012-2017

表1 2012—2017年鄱陽湖水位變化情況

圖3 2012—2017年鄱陽湖TN變化特征Fig.3 Change characteristics of TN in Poyang Lake in 2012-2017

圖4 2012—2017年鄱陽湖TP變化特征Fig.4 Change characteristics of TP in Poyang Lake in 2012-2017

2.3 鄱陽湖水位與TP、TN關(guān)系分析

2012—2017年鄱陽湖水位與TN、TP相關(guān)關(guān)系分析見圖5、圖6。根據(jù)鄱陽湖水位與TN、TP的Pearson相關(guān)分析結(jié)果，鄱陽湖水位與TN、TP均呈顯著負相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.319、-0.396，說明鄱陽湖水位對TN、TP濃度有一定影響。鄱陽湖水體中TN、TP相關(guān)性并不顯著(P>0.05)，表明水體中氮磷來源存在一定的差異性。鄱陽湖規(guī)律的水位波動不僅會影響湖泊濕地生物的生長、分布，還會對水體環(huán)境產(chǎn)生諸多方面的影響[3]340。磷的主要來源為地表徑流和大氣中含磷物質(zhì)的直接沉降以及內(nèi)源循環(huán)。降雨能夠增加外源磷輸入，同時降雨導致的水位增加有利于水體中顆粒物的沉降從而減少內(nèi)源磷的循環(huán)[15]。已有的關(guān)于大型淺水湖泊的研究指出，底泥的內(nèi)源補給相對于水體氮的影響要小于水體磷的影響，水體氮與浮游植物和水生植物生長有直接關(guān)系[16]289。另外，鄱陽湖頻繁干濕交替促使氮磷固定量增大[17]，對上覆水內(nèi)源磷負荷蓄積具有促進作用[18]。由于氮磷的來源及水體遷移轉(zhuǎn)化過程不同，導致鄱陽湖氮磷無顯著相關(guān)關(guān)系。

圖5 2012—2017年鄱陽湖水位與TN關(guān)系Fig.5 Relationship between water level and TN in Poyang Lake in 2012-2017

圖6 2012—2017年鄱陽湖水位與TP關(guān)系Fig.6 Relationship between water level and TP in Poyang Lake in 2012-2017

2.4 鄱陽湖不同時段水位與TN、TP特征分析

以監(jiān)測的水位、TN和TP為樣本，用樣本聚類分析對不同采樣時段進行聚類，結(jié)果見圖7。39個有效樣本可分為3個類別，第1類共14個監(jiān)測樣本，重點包括6—8月監(jiān)測樣本；第2類共16個監(jiān)測樣本，重點包括10月至次年2月監(jiān)測樣本；第3類共9個監(jiān)測樣本，重點包括4—5月和8—9月監(jiān)測樣本，其中8月樣本數(shù)據(jù)監(jiān)測時間在8月下旬，接近9月。根據(jù)分類結(jié)果，結(jié)合鄱陽湖豐水期、平水期、枯水期特征，第1類對應(yīng)豐水期，監(jiān)測時間段為6—8月；第2類對應(yīng)枯水期，監(jiān)測時段為10月至次年2月；第3類對應(yīng)平水期，監(jiān)測時段為4—5月和9月。總體看來，近年來鄱陽湖枯水期時段提前至10月，枯水期相應(yīng)延長。

圖7 鄱陽湖水位、TN、TP聚類分析Fig.7 Cluster analysis of water level, TN and TP in Poyang Lake

根據(jù)聚類分析結(jié)果，分別統(tǒng)計豐水期、平水期、枯水期3個時段的水位、TN和TP濃度特征值，結(jié)果如表2所示。由表2可見，豐水期和平水期TN濃度相差不大，均小于枯水期，TP濃度呈現(xiàn)豐水期<平水期<枯水期的特征，表明鄱陽湖水位越高，TN、TP濃度越低，鄱陽湖水位越低，TN、TP濃度越高。鄱陽湖豐水期和平水期水質(zhì)類別相同，TN屬于Ⅴ類，TP屬于Ⅳ類；枯水期，TN屬于劣Ⅴ類，TP屬于Ⅴ類，豐水期和平水期水質(zhì)優(yōu)于枯水期一個級別。

表2 2012—2017年豐水期、平水期、枯水期的水位及氮磷特征1)

3 討 論

3.1 鄱陽湖氮磷污染特征

鄱陽湖流域非點源污染是鄱陽湖水體污染的主要來源。2012年以來，鄱陽湖TN、TP總體呈波動下降趨勢，但并無顯著下降趨勢。導致這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因可能是近年來江西省實施生態(tài)文明建設(shè)，嚴格控制氮磷化肥施用量造成的，2012—2017年，氮肥施用量和磷肥施用量分別減少9.46%、7.23%[19]。

3.2 鄱陽湖氮磷與水位的響應(yīng)

鄱陽湖周期性水位變化是氮磷濃度變化的重要原因。鄱陽湖沉積物豐水期氮磷釋放量分別為144.73、176.27 t，平水期氮磷釋放量分別為605.22、70.21 t，枯水期氮磷釋放量分別為44.39、-7.93 t，氮磷釋放量呈現(xiàn)豐水期>平水期>枯水期的特征[20]。同時，水位也呈現(xiàn)出豐水期>平水期>枯水期的特征，但鄱陽湖氮磷濃度與水位呈顯著負相關(guān)關(guān)系。高水位條件下，“五河”和長江來水較大，鄱陽湖水環(huán)境容量增加，高水位造成的污染物稀釋作用可能是影響湖泊年內(nèi)水質(zhì)波動的主要因素。

鄱陽湖TN與水位呈顯著負相關(guān)關(guān)系。鄱陽湖水位上升時期，出露水面沉積物覆水后，營養(yǎng)鹽釋放量增加[21]449；雖然農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動導致高水位期鄱陽湖氮營養(yǎng)鹽使用量增加，但高水位大大稀釋了氮營養(yǎng)鹽濃度，導致氮營養(yǎng)鹽濃度降低[1]2145；最后，鄱陽湖藍藻生物量占浮游植物生物量百分比可超過15%[1]2147，高水位期氮營養(yǎng)鹽增加可能引起藍藻等固氮藍藻的大量生長，進而使鄱陽湖局部發(fā)生藍藻水華現(xiàn)象。有研究指出，夏季水體氮濃度的快速下降，與夏季水華期湖體反硝化脫氮能力大幅提升，以及湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)中反硝化脫氮速率隨溫度升高而提高也有關(guān)[16]290。在低水位期，水體會普遍出現(xiàn)水質(zhì)下降現(xiàn)象[21]449。低水位期鄱陽湖呈河流狀態(tài)，水力沖刷和風浪作用導致對營養(yǎng)鹽產(chǎn)生擾動并進入水體；另外，鄱陽湖水質(zhì)還因為洲灘植物分解作用而釋放營養(yǎng)鹽，導致TN濃度升高[22]。營養(yǎng)鹽與水位呈負相關(guān)關(guān)系現(xiàn)象在長江中下游湖泊中廣泛存在[23]。

張建林等[24]認為，TP與水位變化趨勢一致，但沒有顯著相關(guān)性，這與本研究發(fā)現(xiàn)的水位與TP呈顯著負相關(guān)不一致，這可能由以下幾方面原因造成：一是研究尺度不同，本研究從多年時間序列開展研究，有別于文獻[24]集中單一年份監(jiān)測數(shù)據(jù)的研究；二是鄱陽湖高水位期水體流速變緩，顆粒物在自身作用下聚集沉降，使豐水期TP濃度減小；三是近年來實施農(nóng)業(yè)肥藥雙控和生活污水減磷控制措施，匯入鄱陽湖的磷污染減少。

根據(jù)2012—2017年鄱陽湖監(jiān)測結(jié)果可知，TN濃度年內(nèi)極值比為1.65～4.87，TP濃度年內(nèi)極值比為2.10～11.88，并且在整個水位周期中，氮磷等營養(yǎng)鹽濃度最高值均出現(xiàn)在最低水位階段。WU等[25]通過對長江中下游33個淺水湖泊(包括鄱陽湖)研究指出，低水位期TN濃度是高水位階段的2～3倍，并且該結(jié)果在國外的類似湖泊中得到證明[26]，與本研究結(jié)果基本相一致。

4 結(jié) 論

鄱陽湖水位呈現(xiàn)周期性變化，總體上1—2月水位較低，7—8月水位達到最高值后開始逐漸下降，至12月水位又基本降至最低。鄱陽湖水位變幅較大，日水位極值比為2.29～2.68；月均水位極值比為2.02～2.29。2012—2017年，鄱陽湖TN、TP濃度總體呈逐漸下降趨勢，鄱陽湖水位與TN、TP呈顯著負相關(guān)關(guān)系，受鄱陽湖水位波動影響，TN、TP呈周期性波動變化，枯水期TN、TP濃度較豐水期和平水期高。考慮TN、TP，鄱陽湖枯水期提前，并且持續(xù)時間延長，枯水期氮磷維持高濃度時間變長。