臥龍湖富營養化的時空變化特征研究

趙光輝

摘 要：為給臥龍湖國家良好湖泊生態環境保護試點工作提供決策依據，對臥龍湖的富營養化程度及其時空變化特征進行了評價分析。通過對臥龍湖2014年春夏秋季共53個采樣點的調查監測和統計分析（單因素方差分析和克立格插值預測）得出：臥龍湖綜合營養狀態為中度富營養，季節差異有統計學意義（P<0.01），TLI值夏季>秋季>春季，農業面源產生的氮磷污染可能是造成臥龍湖夏秋季節水質富營養程度加劇的首要原因；臥龍湖各季節富營養化程度呈現從沿岸向湖心梯度降低的趨勢，進一步說明流域農業面源污染是臥龍湖富營養化的主要驅動因素之一。

關鍵詞：臥龍湖 富營養化 綜合營養狀態指數 變化特征

中圖分類號：X52 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）03（b）-0116-03

現在人們談論富營養化時，一般指人類活動導致的氮磷輸入增加引起的富營養化，即由工業化、農業現代化和城市化導致的植物營養物（主要指氮、磷）排放增加所引起的[1]。研究表明，自然條件下湖泊也有可能富營養化，特別是淺水湖泊更容易發生富營養化[2]。湖泊富營養化是當前我國湖泊面臨的主要生態環境問題之一，湖泊富營養化后會導致一系列的生態系統響應異常[3]。

臥龍湖位于遼寧省北部的康平縣（123°8′43″～123° 20′4″E，42°41′4″～42°48′3″N），遼寧省最大的平原型淡水湖泊，也是個淺水湖泊，屬于中國一級生態敏感帶，2012年被列入國家湖泊生態環境保護17個試點之一。該文在監測的基礎上評價了臥龍湖的富營養化程度，重點分析了臥龍湖的富營養化時空變化特征，以期為臥龍湖國家良好湖泊生態環境保護試點工作提供決策依據。

1 材料和方法

1.1 采樣時間和點位設置

2014年5月（春季）、8月（夏季）、10月（秋季）對臥龍湖采樣調查3次，共設置53個采樣點，采用GPS定位。

1.2 采樣和分析方法

依據《水質采樣方案設計技術規定》（HJ 495-2009），湖庫、水庫監測垂線的布設—湖（庫）監測垂線采樣點的設置規定：水深≤5 m，采樣點數設定為1點，采樣深度為水面下0.5 m，水深不足1 m，在1/2水深處設置監測點。

水樣采集后自然沉降30 min，取上層非沉降部分按《地表水環境質量標準基本項目分析方法》中指定的相應方法監測。

1.3 綜合營養狀態指數計算和統計分析

按照《湖泊（水庫）富營養化評價方法及分級技術規定》，采用綜合營養狀況指數評估臥龍湖的富營養化水平[4]。

綜合營養狀態指數的計算公式為：

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的相關權重；

TLI（j）為代表第j種參數的營養狀態指數。

綜合營養狀態指數法以葉綠素a（Chla）為基準參數，由于5個評價參數的量綱不一致，因此在計算各參數相關權重之前需對數據進行歸一化處理，處理后第j個參數相關權重的計算式為：

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。

中國湖泊（水庫）的Chla與其它參數之間的相關關系rij及rij2見表1。營養狀態指數權重見表2。

營養狀態指數TLI（j）計算公式為：

TLI（Chla）=10（2.5+1.086lnChla）

TLI（TP）=10（9.436+1.624lnTP）

TLI（TN）=10（5.453+1.694lnTN）

TLI（SD）=10（5.118-1.94lnSD）

TLI（CODMn）=10（0.109+2.661ln CODMn）

式中：葉綠素a Chla單位為mg/m3，透明度SD單位為m，其他指標單位均為mg/L。

按照《湖泊（水庫）富營養化評價方法及分級技術規定》對臥龍湖進行營養狀態分級，同一營養狀態下，營養狀態指數TLI值越高，其富營養化程度越重。

采用SPSS 22.0單因素方差分析臥龍湖富營養化的季節變化特征；應用地統計學原理，采用克立格（Kriging）插值預測方法分析臥龍湖富營養化的空間分布特征。

2 結果與討論

2.1 臥龍湖綜合營養狀態季節變化特征

臥龍湖綜合營養狀態指數特征見表3。研究期間，臥龍湖湖區各季節綜合營養狀態指數TLI范圍為35.03～73.24，均值為63.61，營養狀態為中度富營養，最小值出現在春季，最大值出現在夏季。春季TLI值為56.79，水質處于輕度富營養狀態，夏季TLI值上升至68.18，水質轉為中度富營養，秋季TLI值為67.29，水質仍為中度富營養。春季各樣點間TLI值差異較大，夏秋季節各樣點間TLI值差異較小。

經單樣本非參數K-S檢驗，臥龍湖湖區水質TLI值非正態分布，將其轉換為正態分布。單因素方差分析顯示臥龍湖湖區水質TLI值各季節差異有統計學意義（P<0.01），夏季>秋季>春季。Levene方差齊性檢驗表明，顯著性概率P=0.793>0.05，方差齊性。進一步的多重比較得出，春季與夏季、秋季之間TLI值差異有統計學意義（P=0.000<0.01），夏季與秋季之間TLI值差異無統計學意義（P=0.550>0.05）。

在5個評價因子中，TP、TN、Chla的營養狀態指數相對較高，說明臥龍湖營養狀態是氮磷控制。由于施肥，位于農業流域的水生態系統具有高無機營養鹽的輸入負荷，建于地表下的農作物地排水系統，會向納水水體排放濃度非常高的氮、磷營養鹽[5]，臥龍湖地處典型的農業區，在2000—2011年間，化肥使用量呈逐年增加趨勢，遠高于我國的平均水平，而肥料的利用率卻呈不斷下降趨勢，夏秋季節地表徑流將大量未被農作物利用的營養鹽帶入臥龍湖，可能造成了臥龍湖夏秋季節水質富營養程度的加劇。

2.2 臥龍湖綜合營養狀態空間變化特征

臥龍湖各季節綜合營養狀態空間分布圖見圖1～圖3。春季水質營養狀態指數從中北部的湖心向其他3個方向梯度遞增，水質由中營養逐漸過渡到中度富營養，東南湖區富營養化程度最重，為重度富營養；夏季湖區水質富營養化程度加劇，TLI值總體上呈現從沿岸向湖心梯度降低趨勢，近岸帶區域為重度富營養，近湖心區域為中度富營養；秋季重度富營養的區域從南部湖區迅速擴張至湖心，湖區面積的50%以上都呈現重度富營養狀態，整個南部湖區成為富營養化的嚴重區域。

氮磷是導致水體富營養化的重要因子，其主要來源于地表徑流、入湖河流、流域降水、底泥釋放以及水體生物代謝等途徑[5]，臥龍湖各季節水質營養狀態的空間變化特征充分說明了農業面源污染對水質富營養化的顯著影響，夏季湖區TN均值由春季的3.00 mg/L升高至10.09 mg/L，TP均值由春季的0.08 mg/L升高至0.23 mg/L，氮磷濃度從湖岸帶向湖心遞減。湖心水域遠離岸邊農業面源污染與人類活動的影響，相對而言比較穩定，因此富營養化程度低。夏秋季節，湖區西北部富營養化程度嚴重，可能與東馬蓮河、五四一排水渠等主要入湖河流在西北部入湖有關。西南部湖區最主要的入湖河流西馬蓮河在夏季干涸，無河水注入臥龍湖，可能是西南部湖區在夏季富營養化程度相對低于湖區其它部分的原因。

3 結語

研究期間，臥龍湖綜合營養狀態為中度富營養，季節差異有統計學意義（P<0.01），TLI值夏季（中度富營養）>秋季（中度富營養）>春季（輕度富營養），農業面源產生的氮磷污染可能是造成臥龍湖夏秋季節水質富營養程度加劇的首要原因。各季節富營養化程度總體上呈現從沿岸向湖心梯度降低的趨勢，進一步說明了臥龍湖流域農業面源污染對水質富營養化的顯著影響。

參考文獻

[1] 秦伯強，高光，朱廣偉，等.湖泊富營養化及其生態系統響應[J].科學通報，2013，58（10）：855-864.

[2] 秦伯強，楊柳燕，陳非洲，等.湖泊富營養化發生機制與控制技術及其應用[J].科學通報，2006（51）：1857-1866.

[3] 龐曉宇，吳靜匯.夏季巢湖葉綠素a的時空分布特征研究[J].環境科技，2013，26（6）：1-4.

[4] 中國環境科學研究院編.湖泊生態安全調查與評估[M].科學出版社，2012.

[5] （瑞士）Jacob Kalff，著.湖沼學：內陸水生態系統[M].古濱河，劉正文，李寬意，等，譯.北京：高等教育出版社，2011.