固城湖及上下游河道富營養化和浮游藻類現狀

曾慶飛,谷孝鴻,毛志剛,2,孫明波,2,谷先坤,2 (.中國科學院南京地理與湖泊研究所湖泊與環境國家重點實驗室,江蘇 南京 20008；2.中國科學院研究生院,北京 00049)

固城湖位于江蘇省高淳縣,水源主要來自于沿湖的官溪河、胥河、漆橋河、橫溪河等,還受源自皖南山區的河流補給,其次是長江高水位時倒灌和湖區周圍山地丘陵的地表徑流[1].湖岸平直,水位易陡漲陡落,原為水陽江的過水性湖泊.

官溪河建楊家灣節制閘后,已轉變為相對封閉的水庫型湖泊. 在“十一五”至“十二五”期間,江蘇省計劃對蕪申線航道高溧段進行整治,蕪申線高淳段航道長約61km,其中約有8km經由固城湖湖區.通過整治,到2013年左右基本達到三級航道標準,屆時來自安徽和長江中、上游地區轉移和誘增的運量將有較大幅度增長,并將導致入湖污染物的組成與排放量發生一定的變化.因此,研究固城湖及其航道的水質和生物資源現狀,可以為評估和預測航線運力增加對固城湖水環境的影響奠定基礎.

早在20世紀90年代初已有學者對固城湖的生物資源利用和富營養化問題進行了研究[2-3].王小林等[4]運用210Pb、137Cs計年探討了固城湖近代沉積模式及與圍湖墾殖、流域植被破壞等人類活動的關系. 谷孝鴻等[5-6]研究了固城湖近 20年的生物資源群落組成和結構特征,認為在人類活動的嚴重干擾下,固城湖環境質量下降,湖泊富營養化加劇,達到中營養-輕度富營養狀態. 楊文斌等[7]又詳細評價了固城湖水質和水草的空間變異規律,并用數學方法探討了污染源分布和水生植被密度的相互關系.

但上述研究大多集中在固城湖湖區的水質和生物資源狀況,基本未涉及固城湖上下游河道.受蕪申線運力增加的影響,是否會對固城湖和河道的生態環境產生重要的影響?目前,有關河道整治前后水環境變化的研究還較少[8].本研究通過對蕪申線高淳段長約61km的航道和固城湖湖區水體水質、細菌總數和浮游藻類生物量差異進行調查和分析,以期為評價航道整治對固城湖富營養化的影響和環境保護對策及措施提供參考.

1 采樣點布設與采樣方法

于2009年4月下旬和7月下旬,在丹農磚瓦廠至朱家橋沿線設置了19個觀測采樣點,其中上游設置4個監測點,下游5個監測點,固城湖湖區共設置10個監測點,對蕪申線高淳段航道沿線及固城湖湖區進行水體生態環境綜合調查.監測點位分布見圖 1.在實地調查中,按《湖泊富營養化調查規范》[9]要求采集水和浮游植物樣品.水體理化指標葉綠素a(Chla)、懸浮顆粒物(SS)、透明度(SD)、化學耗氧量(CODMn)、生化耗氧量(BOD5)、氮化合物(TN、NH4+-N、NO3--N、NO2--N)、總磷(TP)、糞大腸桿菌和細菌總數等指標按“水環境監測規范”[10]及“地表水環境質量標準”[11]的有關規定和要求進行分析.

圖1 采樣點示意Fig.1 Sampling sites

2 分析方法

為了全面反映固城湖及上下游河道沿線監測各點水體的營養狀況,采用綜合營養狀態指數法對固城湖水源地營養狀態進行評價.綜合營養狀態指數采用Carlson方法[12]:

式中:TLI(∑)為綜合營養狀態指數;Wj為第j種參數的營養狀態指數;TLI(j)為第j種參數的營養狀態指數;rij2為以Chla為基準參數,第j種參數與基準參數 Chla的相關系數;m為評價參數的個數.富營養化狀況評價指標選用Chla、TP、TN、SD、CODMn五項參數,計算公式為:

式中:Chla單位為mg/L,SD單位為m,其他指標單位均為mg/L.

采用 0～100的一系列連續數字對蕪申線航道沿線水體富營養狀態進行分級(表1):

表1 淡水湖泊(水庫)營養狀態分級Table 1 Classification standard of lake (reservoir) tropic level

式中:H為多樣性指數;N為藻類個體總數;ni為第I屬的藻類個體數.

3 結果與分析

3.1 固城湖及上下游河道水質時空變化特征

由圖2所示,TP濃度在上游河段運糧河、官溪河附近和下游固城大橋處較高,其他水域均較低,平均為0.05mg/L,固城湖湖區水體TP濃度平均為0.06mg/L,略超Ⅲ類水質標準(￡0.05mg/L).TN濃度除了上游水陽江在枯水期平均為0.85mg/L,固城湖湖心在豐水期為0.64mg/L之外,航道沿線其他點位均超標.其中官溪河一帶的TN濃度最高,達到3.0mg/L;胥河下游枯水期TN含量也較高,平均達到2.0mg/L.

從上游水陽江-運糧河-官溪河-固城湖-下游胥河,NH4+-N濃度呈現雙峰曲線,即官溪河和胥河上游段濃度較高,最高達到1.03mg/L,水陽江和固城湖區域較低,水質較好.蕪申線航道NO2--N濃度的變化范圍在 0.001～0.509mg/L,豐水期濃度高于枯水期.NO2--N濃度在沿程河道較高,固城湖較低,特別是楊家灣和下壩船閘處較高.

枯水期,胥河上游段 CODMn數值最高,為(5.53±0.62)mg/L,水陽江最低,為1.91mg/L,呈現由上游水陽江向下游胥河濃度逐漸升高的趨勢.但在豐水期,固城湖湖區的CODMn濃度較高,大小湖區的平均值達到5.24mg/L,高于官溪河水體5.03mg/L的CODMn濃度.高淳段航道沿線各水體BOD5均符合Ⅲ類水 BOD5(￡4mg/L)標準,下游胥河段濃度普遍高于上游水陽江段.但上游官溪河污水處理廠附近(19#點)的BOD5濃度較高,平均為2.80mg/L.固城湖大湖區 BOD5濃度相對較低,7個測點的平均濃度值為2.13mg/L,其中湖心區在豐水期僅為1.70mg/L.

高淳段航道沿線水體Chla濃度以固城湖大湖區濃度最小,8個觀測點的平均濃度在枯水期為0.015mg/L,豐水期略高,為0.018mg/L,而漆橋河內、外河口屬于固城湖水域監測點上的高值區,Chla濃度均在 0.02mg/L以上.水陽江、運糧河、官溪河、胥河沿線航道中Chla濃度相差不大,其中枯水期水質劣于豐水期.2009年4月蕪申線航道沿線水體懸移質濃度波動在6～48mg/L之間,數值不高,水體相對清澈.其中以運糧河、官溪河與小湖區SS濃度相對較大,均在37mg/L左右,而大湖區水體中的SS濃度相對較小,平均為21mg/L.

目前,高淳段沿線航道水體中細菌總數在豐水期遠大于枯水期.枯水期,水陽江、運糧河、官溪河及固城湖細菌總數差異不大,平均為3.3×104個/L,下游胥河平均為2.6×105個/L,并隨水流方向逐漸增加.而在豐水期,除了官溪河污水處理廠排水口附近為2.3×108個/L,其他水域差異不大,平均為3.3×107個/L,略有超標.糞大腸桿菌群遠遠低于Ⅲ類水質標準,豐水期平均為386個/L,略高于枯水期的307個/L,其中固城湖區較低.在枯水期表現為由上游到下游逐漸增多的趨勢;而在豐水期,上下游間差異不顯著,官溪河附近由于污水排水口的影響,數值偏高.

圖2 各采樣點水質主要化學指標枯水期和豐水期變化Fig.2 Water quality indexes from every sampling site during high-water and withered-water period, respectively

3.2 水質富營養化評價

固城湖及其過水航道總體上呈現輕度富營養-中度富營養狀態,豐水期略好于枯水期,但差異不明顯(表2).4月份枯水期沿程各監測點的變化規律比較明顯,水陽江和固城湖湖區水質較好,處于輕度富營養化狀態,官溪河污水處理廠排污口附近和胥河處于中度富營養化狀態,并且綜合富營養化指數在下游隨水流方向逐漸增高;而 7月份豐水期各監測點波動較大,入湖河口處綜合富營養化指數較高.在5個評價因子中,TP、TN、Chla的營養狀態指數相對較高,說明固城湖及其航道沿線營養狀態是氮磷控制.

3.3 浮游植物種類、數量及其分布

固城湖及其上、下游河道水體中共發現浮游植物9門22科36屬74種.其中綠藻門種類數最多,有 36種,占總種數的 48.6%;硅藻門次之,有19種,占 25.7%;藍藻門種類數為6種,占8.1%;另外,金藻門種類數為4種,裸藻門3種,隱藻門2種,甲藻門2種,黃藻門1種以及定鞭藻門1種.

表2 2009年固城湖及上下游河道各采樣點富營養化評價Table2 Trophic level index of sampling sites in Guchenghu Lake and canal route during 2009

表3 2009年固城湖及上下游河道浮游植物數量Table 3 Phytoplankton abundance in Guchenghu Lake and canal route during 2009

湖區浮游植物優勢和常見種群:藍藻門有微囊藻、魚腥藻和束絲藻,綠藻門有球衣藻、小球藻和纖維藻,隱藻門有隱藻和藍隱藻,硅藻門有小環藻,金藻門有色球藻等.

河道浮游植物優勢和常見種群:藍藻門有微囊藻、魚腥藻、束絲藻、平裂藻和顫藻,綠藻門有衣藻、小球藻、蹄形藻、盤星藻、柵藻和十字藻,隱藻門有隱藻,硅藻門有小環藻和直鏈藻.

固城湖及其上下游河道浮游植物不同門數量分布差異較大(表3).4月份固城湖湖區藍藻數量占優勢,達56%,其次是綠藻;湖區航道綠藻數量稍占優勢,比例達38%,其次是隱藻和藍藻;而上下游河道數量占優勢的是綠藻和隱藻,比例在30%左右.7月份所有采樣點藍藻數量占絕對優勢,均在80%以上,除了綠藻數量比例有10%左右,其他藻門類數量均較少.

表4 2009年固城湖及上下游河道浮游植物多樣性指數Table 4 Shannon-Wiener index of Phytoplankton in Guchenghu Lake and canal route during 2009

Wilhm 等[13]認為,Shannon-Wiener指數在0～0.93為富營養化,0.93～3.30為中營養化,大于3.30為貧營養化.兩次調查結果表明,只有在4月份東岸湖濱帶和7月份的南部湖區水體中浮游植物多樣性指數H值大于0.93,屬于中富營養化,其他在湖區、小湖區、湖區航道沿線、上下游河道水體中H值都屬于富營養化范圍(表4).其中,在4月份湖區生物多樣性指數H值是其他區域H值的2倍以上,在7月份湖區H值也比其他區域高出16%～37%.

4 討論

固城湖及其過水航道水質和藻類多樣性分析表明,固城湖水體整體較好,上下游河道污染較為嚴重,這同水流流向和河道沿岸的污染排放狀況有關.所研究航線西起丹農磚瓦廠(上游水陽江),東至朱家橋(下游胥河),地勢總體上是東高西低,水流主要是由東向西流動.固城湖水位低時引水陽江進行補給,水位高時向外排水.由于下壩船閘和茅東節制閘的節制,胥河上、下游水體間基本沒有交換.胥河上游段河水向西流經固城鎮后注入固城湖,胥河下游段河水則向東流入太湖.官溪河接納縣城污水處理廠尾水排放,有大量工業廢水、生活污水等注入,與固城湖小湖區直接相通,在船舶航行,風力擾動等外界因素作用下水體間存在著一定的交換,官溪河水對固城湖水質的影響不容忽視.通過對高淳縣污染源及其排污口調查,全線水體現狀主要污染源由工業、生活、農田、畜禽和水產養殖五部分組成,其主要污染物質負荷匯總情況如表5所示.可以看出,全年共受納 TN3229t,TP379t,CODcr10058t.航道現狀屬等外級,石油類與 NH4+-N污染排放量的影響較小,在此次統計中忽略.從各類污染源的貢獻份額看,TN負荷中生活污水污染源貢獻最大,占29%;其次是水產養殖污染源,占27%;農田徑流與工業源各占21%.TP負荷中水產養殖污染是最大污染源,占30%,其次是農田徑流污染和城鎮農村生活污染,占 26%～29%,工業污染源的貢獻相對較小,僅占 9%.因此,為改善和保持控制蕪申線航道沿線水體,特別是固城湖水域的水質,必須對各類污染源加強綜合管理,對各類主要污染源制定嚴格的減排和限排措施.根據排污口設置和水流流向,固城湖受納的污染負荷所占比例最大:TN約為1301t,TP約為134t,CODCr為4442t,基本上達到全部航道水體所受納污染負荷的35%～44%.其次是胥河下游段,所占份額約19%～23%,主要對下游的南溪河流域產生影響(圖3).但固城湖是草型湖泊,水體自凈能力強[5-7],庫容較大,因此目前水體水質整體較好.

表5 固城湖及上下游河道沿線水體受納的主要污染物質負荷(t/a)Table 5 Main pollution loads in Guchenghu Lake and canal route (t/a)

對固城湖的富營養狀態研究表明,近年來水體總體呈輕度富營養水平,年度變化不大,枯水期水體的綜合富營養化指數相對較低,一些年份為中營養程度.2009年,TP和TN的營養狀態指數明顯增加,說明固城湖水體富營養化過程加劇,雖然目前還處于輕度富營養化狀態,但向中度富營養化發展的趨勢明顯(表6).航道水體普遍為中度富營養狀態,枯水期水質劣于豐水期.

圖3 固城湖及上下游河道水體受納的污染物質百分比Fig.3 Percentage of the main pollution load in different parts of the Guchenghu Lake and canal route

表6 固城湖近年來富營養化評價結果比較Table 6 Variation of trophic level in Guchenghu Lake

在環境監測、水體污染及凈化能力的評價工作中,通常將藻類作為水域環境的一項重要生物學評價指標[3].近二、三十年來,固城湖由于受人為影響及人工控制下的湖泊漁業的相互作用,浮游植物群落結構發生了明顯變化.從1981～1988年,浮游植物數量增幅為4.29倍,生物量增幅為5.60倍;從1988～1999年,浮游植物數量在此基礎上又增加 7.65倍,生物量增加 5.31倍;而從1999～2009年,浮游植物數量又從660.54萬個細胞/L增加到1112萬個細胞/L[6].浮游植物在其數量上快速增長,顯現出固城湖在人類活動、外源污染輸入劇增影響下急速的富營養化過程.

從二、三十年來其群落演變看,固城湖在20世紀80年代初期仍屬貧營養湖泊,浮游植物中種類雖達130余種,但總量較低,湖泊的原初生產力較低.在20世紀80年代中后期,固城湖的浮游植物總數量達100萬個細胞/L以上,浮游植物種類也達100余種.若以生物量百分比評價,固城湖中浮游植物仍以硅藻、隱藻占優勢,達到75%左右,在其數量百分比中藍藻、綠藻分別只占29%和27%,而硅藻、隱藻仍占27%和15%,固城湖屬中-富營養湖泊.在20世紀90年代末,固城湖浮游植物的可見屬種僅70余中,其群落組成藍藻、綠藻數量占絕對優勢,在有的月份甚至可占95%以上.生物量百分比中藍藻、綠藻平均也占60%以上,有的月份甚至高到85%[6].發展到2009年,藍藻和綠藻數量再次增加,尤其是在7月份所占比重達95%以上.以浮游植物數量、生物量評價,固城湖已屬于富營養狀態.

5 結語

探討了蕪申線航道整治工程前固城湖及其過水航道的水質現狀和主要污染源貢獻,結果表明,航道沿線和固城湖目前主要為氮磷污染,污染源主要來自生活污水和水產養殖.上游水陽江的污染負荷最小,其水質處于輕度富營養化狀態,其它航道水體為中度富營養狀態,枯水期水質劣于豐水期;固城湖湖區受納的污染負荷占到全部航道水體的35%～44%,枯水期的水質略好于豐水期,水質整體屬于輕度富營養化狀態,但近年來總氮和總磷的營養狀態指數明顯增加,富營養化過程加劇.調查期間共發現浮游植物9門22科36屬74種,湖區藻類生物多樣性指數明顯高于航道沿線.

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致謝：感謝高淳縣環境保護局提供的歷史監測數據(文中涉及到的鉻法COD濃度,即CODCr,均來自高淳縣環保局存檔數據),感謝陳源高、楊龍元在2009年調查期間資料采集和整理上所作的工作.