西湖不同湖區營養鹽特征及富營養化現狀研究

楊 俊，吳芝瑛，徐 駿，姚思鵬，陳 鋆，蔡婷婷，丁秀穎

(杭州西湖風景名勝區環境監測站，浙江杭州310008)

杭州西湖是中國主要的觀賞性淡水湖泊之一，面積約6.39km2，平均水深2.27m，水體容量約為1429萬m3［1］。蘇堤、白堤橫貫湖中，把西湖分割成外湖、北里湖、西里湖、岳湖和小南湖5個主湖區。2002年底，杭州市政府啟動“西湖西進工程”恢復了茅家埠、烏龜潭等共計70hm2的水面面積，并與西里湖水面貫通，從而保持整個西湖地區生態系統的良性循環［2］。考慮到錢塘江引水、入湖溪流的補給、截污、水生植物種植等舉措對各湖區的影響不同［3～4］，本文以西湖最具代表性的幾塊水域為研究對象，在2012年1—12月每月監測1次，利用所取得的原位數據分析各湖區的水體富營養化水平以及水中營養鹽和浮游植物的季節性變化特征，并探討各因素之間的相互關系，為進一步治理西湖提供參考。

1 監測與分析、評價方法

1.1 監測布點

以蘇堤為界，2012年1—12月在西湖東西水域各取兩個湖區開展采樣監測，湖泊監測點位設置如圖1所示，1～4號點分別為北里湖、外湖、西里湖、茅家埠，在0.5m左右深處采集亞表層水樣，采樣頻次為每月1次。

1.2 監測項目與分析方法

重點選取與水體富營養化密切相關的監測項目:水溫、pH、透明度、溶解氧、高錳酸鹽指數、總磷、總氮、氨氮、硝氮、葉綠素a以及浮游植物群落分析。其中水溫、pH、溶解氧在現場通過YSI多功能水質儀測得，透明度使用白色塞克圓盤進行測量，其它監測項目檢測方法按照《地表水環境質量標準》 (GB3838－2002)以及《水和廢水監測分析方法》(第四版)中要求的方法測定。

1.3 評價方法

水體富營養化程度按評價湖泊富營養化的統一方法綜合營養指數法［5］進行評價，本文評價項目選取了反映水體營養程度的主要指標:葉綠素、總磷、總氮、透明度、高錳酸鹽指數5項。綜合營養狀態指數公式為:

式中:TLI(Σ)表示綜合營養狀態指數;TLI(j)代表第j種參數的營養狀態指數;Wj為第j種參數的營養狀態指數的相關權重。

式中:rij為第j種參數與基準參數Chla的相關系數;m為評價參數的個數。

采用0～100的一系列連續數字對湖泊營養狀態進行分級:TLI(Σ) ＜30為貧營養;30≤TLI(Σ)≤50為中營養;TLI(Σ)＞50為富營養，其中50＜TLI(Σ)≤60為輕度富營養;60＜TLI(Σ)≤70為中度富營養;TLI(Σ)＞70為重度富營養。

2 結果與討論

2.1 營養鹽變化特征分析

(1)氮鹽

西湖4個監測湖區TN含量差異較大，茅家埠、西里湖、外湖、北里湖 TN年均值分別為3.015mg/L、2.433mg/L、 1.802mg/L、 1.679mg/L。這一結果與錢塘江引水有著很大的關系，自2003年起，錢塘江水經沉淀池處理后引入西湖，由表1可以看出，經過脫磷降濁后西湖引水中的TN年均值為2.68mg/L。西里湖是西湖引水的主要配水區域，茅家埠有兩個錢塘江引水口，且湖區較小，使得引水帶來的氮鹽有部分在這兩個湖區聚集，此外攜帶氮鹽污染物的上游溪流也是通過湖西區域進入西湖。北里湖距引水口較遠，外湖湖面面積、庫容較大，邊界線較為復雜，而且這兩個湖區浮游植物密度較高，會消耗部分氮鹽，因此北里湖、外湖的氮鹽含量總體低于西部湖區的茅家埠和西里湖。

就全年季節變化趨勢來看，北里湖、外湖都表現為2月份達到最大值后開始呈下降趨勢，夏秋季節處于一年中較低水平，11月份起緩慢升高。春季氣候轉暖，水溫回升，水體中微生物活動開始活躍起來，氮鹽的吸收加快，夏季湖水O2的含量較低，反硝化作用的速率較快［6］，冬季水溫較低，生物活動受到抑制，植物對氮鹽的吸收速率降低應是北里湖、外湖TN季節變化的主要原因。茅家埠、西里湖季節變化較為相似，春季呈下降趨勢，秋冬季呈上升趨勢。這兩個湖區總氮季節變化與溫度有一定關系，但表1引水監測數據表明這一變化特征更大程度上是受引水的影響。

從圖2中可以看出，監測湖區NO3－N季節變化趨勢與TN基本相同，由計算可知北里湖、外湖、茅家埠、西里湖中NO3－N占TN的比例分別為55%、60%、76%、76% ，而NH4－N占TN比例則分別為7.7%、9%、2%、9%、8.2% 。造成這一比例的主要原因可能是錢塘江引水中硝氮比例遠高于NH4－N，從表1中的年均值來看，引水中NO3－N為2.18mg/L，占TN含量的81.3%;NH4－N僅為0.367mg/L，占總氮比例13.7% 。4個監測湖區NH4－N的季節變化趨勢總體表現為冬季較高，春秋季節較低，雖然大部分植物都可吸收多種氮源，但通常傾向于吸收氨氮［7］。冬季水溫較低，生物活動受到抑制，植物對氨氮的吸收速率降低應該是冬季氨氮較高的主要原因。春季氣候轉暖，水溫回升，水體中微生物活動開始活躍起來，促進氨氮的轉化，然后隨溫度進一步上升，氨氮含量迅速降低，轉化為穩定的硝氮。氨氮的這種轉化規律可能影響到水體氮鹽鹽濃度的季節變化。

表1 2012年西湖引水的氮磷值 (mg/L)

(2)總磷

西湖不同點位TP的時空差異較大，北里湖、外湖總磷年均值分別為0.055mg/L、0.049mg/L，季節變化幅度很大，冬季總磷處在較低水平，夏季較高。北里湖極大值為0.084mg/L，出現在6月份，極小值在1月出現，為0.030mg/L。外湖極大值為0.090mg/L，出現在8月份，極小值在1月出現，為0.026mg/L。在水溫相對較低的1—4月份，西湖上游溪流輸入的磷大部分被底泥吸附，同時由于微生物活動受到抑制，有機磷的分解速度較慢，沉積物中磷的釋放量較少，所以這兩個湖區的總磷濃度都處在較低水平。6月份以后，水溫逐漸升高，被吸附的磷重新釋放進入水體，使水體中的總磷含量明顯回升。研究表明［8］，無論好氧還是厭氧條件，底泥釋磷都是隨溫度升高而增加，因此夏秋季節溫度高內源磷釋放最強，同時由于浮游生物活動強烈，可能進一步增加了磷酸鹽的釋放，釋放的磷酸鹽也隨之增大。

西里湖、茅家埠總磷年均值分別為0.030mg/L、0.034mg/L，季節變化幅度較小，波動不太明顯，全年處在一個較低水平。這主要是由于西里湖為引水的主要擴散區域，引水含磷量年均約為0.035mg/L，大量引水進入西里湖后稀釋作用非常明顯。茅家埠是西湖綜合整治工程中開發的新湖區，水生植物豐富，受到的外界磷營養鹽負荷較少，同時茅家埠也有兩個引水口，因此西湖西部兩個湖區的總磷全年含量都是比較低的。

2.2 浮游植物變化特征分析

從圖3浮游植物的檢測結果可以看出，4個監測湖區浮游植物生物量及優勢藻類有很大差異，北里湖、外湖夏秋季節生物量明顯高于冬春兩季，北里湖7月份藻類密度最高，達到了31.1×106cells/L，外湖同樣在7月份達到最高值53.4×106cells/L。從生物量來看這兩個湖區的季節變化都呈現夏＞秋＞春＞冬的特征。從西里湖的生物量來看，1—8月份生物量相對9—12月份較高，2月份最高達到3.07×106cells/L，也僅為北里湖的1/10。茅家埠除6月最高值達到6.93×106cells/L，其他月份生物量季節變化并不明顯，在0.7～2.6×106cells/L波動。從浮游植物組成來看，北里湖在夏秋季節為藍藻型，而春冬季節為隱藻+硅藻型。外湖1—5月份隱藻、硅藻占優勢，而6—12月份則是藍藻占絕對優勢。西里湖主要優勢種群以隱藻為主，全年有6個月的時間隱藻比例在60%以上。茅家埠秋冬季為隱藻+硅藻型，其他月份沒有明顯的優勢種群。

2.3 不同湖區富營養化現狀和特征

結合圖4中2012年西湖不同湖區富營養化評價結果，就年均綜合營養值數來看，北里湖(53.08)＞外湖 (51.99)＞西里湖 (42.32)＞茅家埠 (41.45)。就季節變化趨勢來看，北里湖、外湖富營養化水平季節變化顯著并且有相似的趨勢，二者的營養值數都是在8月份達到最大，在8月份之前呈上升趨勢，從9月份開始逐月下降。同時從圖4也可以看出，北里湖1、2月份處于中營養水平，而外湖全年則有5個月都是處在中營養狀態的。與北里湖、外湖不同，西部湖區西里湖、茅家埠營養指數全年都處在中營養水平，并且季節變化比較穩定，茅家埠在36.5～47.5波動，西里湖則更為平穩，營養值在40.4～46.0波動。結合相關資料［9～10］可以看出，西湖水體的富營養化狀態已經得到了較好的控制。

4個監測湖區綜合營養值數的季節變化特征，與各個湖區不同的自凈能力有很大關系。北里湖距引水口較遠，附近的出水口較小，水流緩慢，引水稀釋作用相對較差，外湖湖面面積較大，庫容大，受引水的影響反而比較小，水交換能力較弱。因此北里湖、外湖的水體自凈能力相對較差，水體中的營養鹽與溫度、風力、降水等氣候因素關系較大，營養值數季節波動較為明顯。茅家埠水域透明度高，光照充足，水草生長茂盛，同時又有引水口，西里湖湖區較小，并且是西湖重要的引水擴散區域，這些因素使得這兩個湖區的水體更新速度較快，自凈能力較強，水質指標受氣候影響相對較小，能夠全年都處在較低的營養水平。

2.4 營養元素與營養值數相關性分析

本文采用SPSS對西湖水體不同點位營養因子、主要水環境因子與綜合營養值數進行K－S檢檢，通過Pearson相關分析方法對各因子與營養值數間的相關性進行研究。從表2中的相關性指數可以看出，各營養因子、浮游植物密度和營養綜合指數分布的相關性各不相同。北里湖與外湖在相關性方面有一定的相似表現，兩個湖區的營養值都與葉綠素、總磷、化學需氧量、溫度、pH呈顯著正相關。與總氮、硝氮、透明度、DO呈現較為顯著的負相關。兩個湖區的不同點表現在北里湖營養值與氨氮、浮游植物呈不明顯正相關，而外湖營養值與氨氮在0.05水平上顯著負相關，與浮游植物在0.01水平上顯著正相關。西里湖的營養值只與葉綠素在0.01顯著性水平上呈正相關，與化學需氧量在0.05顯著性水平上呈正相關，與其他指標的相關性均不夠顯著。與西里湖不同的是，茅家埠的營養值數與葉綠素、總磷、化學需氧量、溫度、pH均呈顯著的正相關，與透明度、溶氧呈顯著負相關，與氮鹽均呈負相關但其相關性并不明顯，與浮游植物呈現不顯著正相關。

表2 不同湖區水質指標與綜合營養值數的相關性分析

3 結論與建議

(1)西湖不同湖區營養鹽及浮游生物的時空差異很大，北里湖、外湖的氮鹽含量總體低于西部湖區，總磷則反之。北里湖、外湖的浮游生物量遠高于西部湖區，浮游生物種類也有很大差別。引起此季節及區域差異性的原因與西湖引水關系密切，同時也與藻類及水生生物的分布以及各湖區的水環境條件有關。

(2)2012年西湖四湖區富營養化水平空間差異較大，其中北里湖、外湖總體處于輕度富營養化水平，季節變化明顯，茅家埠和西里湖全年平穩地處于中營養水平，這與各個湖區的水體自凈能力有關。

(3)盡管受引水影響，北里湖、外湖的自我修復能力差于西部湖區茅家埠及西里湖，但這兩個湖區在冬季的綜合營養值數仍然處在一個較低的水平，因此可以考慮在冬季適當減少引水稀釋，以減少氮鹽的入湖量。

(4)外湖、北里湖、茅家埠三個湖區的綜合營養指數與葉綠素、總磷、水溫有顯著的正相關關系，這說明西湖仍屬于磷限制性湖泊［11］。西里湖營養值數與各營養鹽及環境因子都沒有明顯的相關性，這與西里湖是錢塘江引水的主要配水區有關。

［1］施奠東．歷史的回歸——西湖湖西地區綜合保護與治理［A］．中國風景園林學會第四次全國會員代表大會論文選集［C］．2008:11－12．

［2］陳相強．新西湖博覽 ［M］．杭州:浙江科技技術出版社，2004．

［3］鄧開宇，吳芝瑛，張國亮，等．從葉綠素a的變化淺析西湖綜合保護工程效益 (1998－2007年)［J］．湖泊科學，2009，2(4):518－522．

［4］唐孟成，俞秋紅，王壽祥．雨后入湖溪流磷污染對西湖的影響及其對策［J］．環境污染與防治，2003，25(1):12－15．

［5］王明翠，劉雪芹，張建輝．湖泊富營養化評價方法及分級標準 ［J］．中國環境監測，2002，18(5):47－49．

［6］楊柳，章銘，劉正文．太湖春季浮游植物群落對不同形態氮的吸收 ［J］．湖泊科學，2011，23(4):605－611．

［7］ PresingM，HerodekS，Preston T，et al．Nitrogen uptake and the importance of intemal nitrogen loading in Lake Balaton ［J］．Freshwater Biology，2001，46(1):125 －139．

［8］ Liikanen A，Murtoniemi T，Tanskanen H，et al．Effects of temperature and oxygen availability on greenhouse gax and nutrient dynamics in sediment of a eutrophic mid－boreal lake［J］．Biogeochemistry，2002，59(3):269－286．

［9］毛成澤，余雪芳，邵曉陽．杭州西湖總氮、總磷周年變化與水體富營養化研究 ［J］．水生態學雜志，2010，3(4):1－6．

［10］樓威，周佳音，李共國，等．疏浚后杭州西湖富營養化評價［J］．中國環境監測，2007，23(1):63－66．

［11］錢天鳴，陳超，程詠．杭州西湖水體生態環境參數的相互關系 ［J］．中國環境監測，2002，18(3):41－45．