湖泊水、沉積物氮磷的空間分析及其耦合特征研究
——以大通湖為例*

毛 亮 羅叢強 石彭靈 楊品紅 劉 飛 王文彬 羅玉雙

(湖南文理學院生命與環境科學學院 水產高效健康生產湖南省協同創新中心 環洞庭湖水產健康養殖與加工湖南省重點實驗室 動物學湖南省高校重點實驗室 常德 415000)

湖泊水、沉積物氮磷的空間分析及其耦合特征研究
——以大通湖為例*

毛 亮 羅叢強 石彭靈 楊品紅①劉 飛 王文彬 羅玉雙

(湖南文理學院生命與環境科學學院 水產高效健康生產湖南省協同創新中心 環洞庭湖水產健康養殖與加工湖南省重點實驗室 動物學湖南省高校重點實驗室 常德 415000)

大通湖是湖南省面積最大的淡水養殖湖泊,冬季作為捕魚的旺季并且水位較低,水體和表面沉積物中氮、磷容易受到漁業生產的影響。本文從地統計學出發,通過研究冬季大通湖水體和沉積物中有機質(OM)、氮(N)和磷(P)的空間結構特征及其耦合關系,探討大通湖富營養化程度及其影響因素,為可持續水產養殖和生態修復提供科學依據。結果表明:冬季大通湖水體中總氮(TN)、總磷(TP)濃度較高,平均值分別達到了 3.78mg/L和0.29mg/L,為劣Ⅴ類。水體中 NH+4含量相對較低,平均為0.17mg/L,屬于地表水Ⅱ類。與2011年數據比較,沉積物中TP濃度較高,平均升高到了1469mg/kg;而沉積物TN基本持平,平均為1224mg/kg;沉積物TP和水NO-3的“塊金值/基臺值”分別為43.4%和34.5%,表現為中等空間相關性(spatial dependence),其他N、P指標的“塊金值/基臺值”均低于25%,表現為強烈空間相關性。冬季大通湖沉積物OM、TN和TP在空間上呈現出有規律的帶狀分布,而水體N、P大體上呈現出“品”字形的斑塊分布;水體中的氮磷比平均為13.03,比較適合浮游植物生長;沉積物OM只與沉積物TN和TP呈極顯著正相關(P＜0.01),而積物中TN和TP與水體中的TN和TP相關性不顯著。因此,大通湖水體修復在控制外源輸入的情況下,還應考慮綜合的生態系統工程措施。

氮;磷;有機質;大通湖;空間特征;相關分析

為控制農業面源污染和保護湖泊資源,近年來許多養殖湖泊實行了禁用化肥的規定。在外源污染得到有效控制的情況下,內源污染將成為影響湖泊富營養化的主導因素(鐘繼承等,2007)。碳、氮、磷作為生命體最基本的幾種元素,其含量、分布和循環影響著湖泊生態系統的生物地球化學過程。湖泊沉積物對水體富營養化具有重要的影響,它既是氮、磷等元素的匯,同時也發揮著營養源的作用。研究沉積物中氮、磷含量和分布對評估水體富營養化潛在風險和生源要素的動態循環具有重要意義(岳維忠等,2003)。大通湖位于洞庭湖西部,是湖南省面積最大的淡水養殖湖泊(82.67km2),在漁業生產和生態環境方面發揮著重要作用。隨著地理信息技術的發展,遙感和地統計技術被廣泛運用于環境領域,為健康生產和污染物預警提供了直觀的科學依據(Lark,2001)。因此,研究水體和沉積物氮、磷的空間分布及其耦合特點對指導養殖湖泊的污染控制,解決生態環境與經濟發展沖突具有指導意義。

關于大通湖的生態環境已有相關研究。盧奮英等(1964)對大通湖生物和環境因子進行了全面的報道。李德亮等(2012)研究大通湖浮游植物和群落結構和環境因子關系時發現透明度、總磷、水深、水溫、氧化還原電位以及電導率是影響大通湖浮游植物群落結構的主要因子。此外,大通湖沉積物的研究還主要集中在有機污染物和重金屬污染方面(祝云龍等,2008;張光貴,2014)。近年來,大通湖已開始禁止投施化肥,并對湖泊底泥進行清淤。目前,關于大通湖表面沉積物氮、磷的空間分布特性及其相關性的研究較少。冬季作為捕魚的旺季,加之大通湖正值枯水期,水體和表面沉積物中氮、磷容易受到漁業生產的影響。因此本文從地統計學出發,通過研究冬季大通湖水體-沉積物中氮、磷形態的空間分布和耦合特征,探討大通湖富營養化程度及其影響因素,為可持續水產養殖和湖泊生態修復提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區域選擇及采樣點的布設

大通湖(29°09'—29°15'N,112°26'—112°33'E)位于長江中游南岸,湖南省益陽市境內,面積82.67km2。南北寬 13.70km,東西長 15.75km,呈三角形,湖底高程為23.8—26.0m (吳淞高程基準),是洞庭湖區典型的淺水型養殖湖泊,也是湖南省面積最大的淡水養殖湖泊。研究區域屬大陸性季風濕潤氣候,冬季枯水期平均水深為0.8—1.5m。大通湖周邊生態環境優良,無工業污染源,面源和養殖物化產品是主要的潛在污染源。湖泊漁業利用以人工養殖為主,主要包括鳙魚、草魚和鰱魚等。依據湖泊輪廓形態特點,在湖區均勻布設 18個采樣點(圖1),采集水體和表面沉積物樣品。

圖1 大通湖地理位置及采樣點分布Fig.1 Distribution of sampling sites in Datong Lake

1.2 樣品采集與處理

樣品于2016年12月15日一次采集獲得,用手持 GPS記錄采樣點的經緯度坐標。采樣時,湖水平均深度約1m,使用2.5L采水器采集距水面0.5m處水樣,用于總氮(TN)、總磷(TP)、磷酸鹽(P)、硝態氮(N)、銨態氮(N)的測定。用 1/16彼得遜抓斗式底泥采樣器采集沉積物表層樣品。水樣立即送回實驗室分析化驗,沉積物經風干過篩后測定有機質、總氮、總磷含量,每個樣品重復三次。

水體中氮、磷的測定采用 Skalar流動注射儀(荷蘭)分析。沉積物有機質采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定(楊劍虹等,2008)。沉積物總氮和總磷經高氯酸-硫酸消化后使用Skalar流動注射儀分析檢測。

1.3 地統計模型

克里格插值法和半方差函數法分別用來估測土壤有機質、氮和磷的空間分布和變異特征。通過已知采樣點的理化性質的空間結構來預測未采樣點,是地統計學在環境科學的主要應用?？死锔穹椒?Kriging)是以變異函數理論和結構分析為基礎的一種空間局部插值法,對有限區域內的區域化變量進行無偏最優估計的一種方法(Woodard,2000),計算公式如下:

其中,z(x)是在位置xi的估測值;z(xi)是在xi點的觀測值;λi是權重系數;n是研究區用來估算的臨近樣本數。如果數據具有空間連續性,靠近被估算點的樣本將比遠離的樣本具有更高的權重。

半方差函數γ(h)用來描述水體和沉積物氮磷的空間連續變異特征。其計算公式如下:

其中,z(xi)和z(xi+h)是空間位置點xi和xi+h給定的氮磷參數值,N(h)是對應距離h的數據對數目。

半方差本質上是給定距離的數據對的平均方差。理論上,半方差隨著分隔距離的增加而增加,最后到達一個定值,這個常數叫做基臺值。基臺值代表了不再具有空間相關性時的分隔距離上的最大樣本方差。當半方差達到基臺值時的滯后距稱為變程。變程代表著最大的空間相關距離。當滯后距為0時的半方差稱為塊金值。塊金值表示在現有采樣尺度下的隨機性變化。

1.4 數據分析

運用SPSS19.0軟件對數據進行統計性描述分析和皮爾遜相關分析(Pearson,雙尾),用K-S法檢驗數據是否符合正態分布。

半方差函數由 GS+軟件計算。根據殘差平方和(RSS)和決定系數(R2)選擇最優擬合模型。水體和沉積物氮磷指標的預測圖用克里格(Kriging)插值法,由ArcGIS10.0軟件完成運算。

2 結果與分析

2.1 大通湖水體和沉積物氮磷含量的統計分析

冬季大通湖水體和沉積物氮、磷和有機質的統計分析見表1。采樣點沉積物中有機質含量在31.1—59.3g/kg,平均值為43.3g/kg。沉積物 TN含量在829—1687mg/kg,平均值為1224mg/kg。沉積物 TP含量較高,平均值為1469mg/kg,最高達到了1785mg/kg。水體中TN和TP平均值分別為3.78mg/L和0.29mg/L,均為劣 V類。而水體中無機氮主要以N為主,約為水體總氮的 41.8%。N含量相對較低,平均為0.17mg/L,屬于地表水Ⅱ類。水體中的氮磷比平均為13.03,而表面沉積物中的氮磷比平均為0.833。數據的分散度可以用變異系數CV來表示。水N的變異系數最大(58.8%),說明各采樣點 N離散程度較高。沉積物和水體中的 TN、TP、P變異系數在15.6—24.9之間。水 N的變異系數最低(8.2%),說明各采樣點的離散程度較小。單樣本 K-S檢驗表明所有數據均符合正態分布(P＞0.05)。

水體和沉積物N、P的相關系數矩陣見表2。本研究中沉積物 OM 與沉積物 TN和TP呈極顯著(P＜0.01)正相關,相關系數分別為0.608和0.670。除沉積物 TN與水 N達到了顯著水平(P＜0.05)外,沉積物與水體中的其他N、P均未呈現出顯著的相關關系。水體中TN與TP呈現出極顯著負相關(P＜0.01),水P與水TP呈現極顯著正相關(P＜0.01)。

表1 水體和沉積物各指標描述性統計Tab.1 Statistical description of the water and sediment properties

表2 水體和沉積物各指標的皮爾遜相關矩陣Tab.2 Matrix of the Pearson correlation coefficients of water and sediment properties

2.2 大通湖水體和沉積物氮、磷半方差函數

半方差函數(Semivariance)可以用球面模型、指數模型、線性模型和高斯模型來擬合(Ouyangetal,2013)。根據殘差平方和RSS和決定系數R2,除沉積物TN使用球面模型擬合外,其余指標均用高斯模型擬合。8個指標的最佳擬合模型和參數見表3和圖2。

半方差函數的特征可以通過“變程”、“基臺值”和“塊金值”來反映。變程可以用來指示最大空間相關距離。本研究中各指標的變程呈現不同變化,沉積物OM、TN和TP的變程較為接近,在6.8—12.0km之間,這個距離剛好覆蓋大半個大通湖。水 TN、TP、P的變程較接近,在1.28—1.60km。說明水體TN、TP的空間變異比沉積物N、P要劇烈。而N的變程達到了 21km,說明其在整個大通湖區域具有空間相關性,因此受到外界因素的影響較小?！皦K金值/基臺值”可以作為判斷水體和沉積物氮、磷指標空間相關性強弱的依據。當“塊金值/基臺值”超過75%,采樣點的該指標被認為具有弱空間相關性,可以認為受隨機因素影響較大;如果在25%—75%之間,具有中等空間相關性,受隨機因素和自然因素的共同影響;小于25%則認為具有強烈空間相關性,隨機因素的影響較小(Cambardellaetal,1994)。本研究中,沉積物TP和水N的“塊金值/基臺值”分別為43.4%和34.5%,表現為中度空間相關性。其他N、P指標均低于25%,表現為強烈空間相關性。因此從半方差函數來看,在當前采樣尺度下的沉積物TP和水N受外界隨機因素影響較大。

表3 大通湖水體和沉積物氮磷半方差函數的特征參數Tab.3 Semivariance model parameters of water and sediment properties

圖2 有機質和各形態氮、磷的半方差函數圖Fig.2 Semivariance models of water and sediment properties

2.3 大通湖水體和沉積物氮、磷空間分布

Arcgis軟件中進行克里格插值,得到沉積物和水體的空間分布圖(圖3)?？傮w來看,水體和沉積物氮、磷呈現出不同的變化規律。沉積物中OM、TN和TP的空間分布比較相似,大體上表現為從北往南、從東往西逐漸增加的趨勢。沉積物OM的最大值(59g/kg)出現在大通湖的正南方和西南方,而沉積物TN和TP的最大值均出現在西南方。水體N、P空間變化較為復雜,總體上呈現出從中部往四周減小或增大的斑塊變化。其中水體TN和N呈現出中部低,四周高的趨勢,而 TP和TN的變化趨勢相反,呈現出中間高、四周低的趨勢。這些結果表明沉積物中N、P空間分布相對比較穩定,而水體中TN、TP、N、P相對來說容易受到外界因素的影響。

3 討論

3.1 大通湖運營狀況以及水體和沉積物中氮、磷歷史對比

20 世紀 50年代初,由于圍墾,大通湖從洞庭湖隔離開。從20世紀60年代開始,盧奮英等就對大通湖生物和環境因子進行了報道,當時沉積物中有機碳含量很低,平均為0.1% (盧奮英等,1964)。此后的 50年,大通湖漁業生產方式經歷了由自然增殖到人放天養再到人工養殖的發展歷程(李德亮等,2012)。由于水產品價格上升,大通湖水產品的捕撈強度也呈逐年上升趨勢。同時由于大量的人工施肥,大通湖水體營養狀態由中營養向富營養轉變(金宏等,2005;李德亮等,2011)。2016年以來,為控制湖泊水體富營養化已禁止向大通湖投施化肥,以控制外源污染物的輸入。盡管外源污染得到了有效控制,但由于養殖歷史長,養殖強度大,大通湖水體和表面沉積物中N、P含量均較高,其中P的污染程度更令人堪憂。與黎睿等(2015)報道的長江中下游與云南高原湖泊沉積物磷含量相比,大通湖表面沉積物 TP(平均1469mg/kg)已經到了中度污染水平,僅次于滇池(平均2000mg/kg)。王健等(2014)研究東部淺水湖泊沉積物總氮總磷基準閾值也發現,大通湖受磷污染程度高于氮。大通湖水體中TN和TP含量處于地表水劣Ⅴ類。與大通湖 2011—2012年數據相比(楊品紅等,2013),本研究中沉積物TN基本持平,TP升高了2—3倍,而水體中同一季節的TN和TP也升高了1—2倍。這可能與N、P各自的生物地球循環特點有關,N的循環途徑比P復雜,而P則容易發生積累,特別是在水域相對封閉和大量施用化肥的情況下。水體中的氮磷比平均為13.03,根據氮磷限制假說,當氮磷比位于 10—20時,比較適合浮游植物生長(楊品紅等,2016)。

3.2 大通湖氮、磷空間分布特征及其成因

通常情況下,沉積物分布受到湖泊形成方式、自然條件以及外營力作用的影響(王益民等,2014)。大通湖是沖刷形成的湖泊,沉積物分布容易沿沖刷方向形成帶狀分布。此外冬季湖水較淺(約1m),風力擾動的影響較大。大通湖沉積物OM、TN和TP在空間上呈現出有規律的帶狀分布。大體上表現為從東向西、從北往南逐級遞增的趨勢。這可能與冬季湖水較淺,且刮東北風有關。大通湖被人為地用攔網成“品”字形分割為大西湖、蜜蜂夾湖和尼古湖。而水體N、P也大體上呈現出“品”字形的斑塊分布,加上冬季捕魚活動劇烈,水體比沉積物更容易受到擾動,空間變異更大,這一點也可以從沉積物氮磷各自半方差函數中的“變程”和“基臺值/塊金值”比較得出。因此冬季漁業生產活動對水體N、P的空間分布有著重要的影響。

3.3 沉積物與水體中氮、磷的相關性及其污染控制

圖3 大通湖沉積物和水體中有機質、氮和磷的空間分布圖Fig.3 Spatial distribution of organic matter,nitrogen and phosphorus in Datong Lake

通過皮爾遜相關分析發現,大通湖冬季沉積物OM只與沉積物TN和TP呈極顯著正相關,說明沉積物中氮、磷可能主要來自湖泊沉積物有機質的礦化。而沉積物 TN和TP之間并沒有顯著相關性,表明沉積物中N、P的來源由也存在一定差異。此外沉積物中TN和TP與水體中的TN和TP也沒有顯著相關性。說明內源沉積物N、P的釋放并不是完全由初始濃度決定,還與其他環境因子密切相關。這也一定程度上說明了單純依靠控制外源輸入,并不一定能達到恢復生態環境的目的。由于大通湖與周邊河流主要以閘控的方式隔絕,水體的交換較少,其污染物主要是通過各種途徑匯入的氮、磷,以及沉積物中氮、磷的釋放。所以,大氣干濕沉降以及內源的釋放是大通湖水體中氮、磷的主要來源。從國內外開展的富營養化水體的工程治理來看,以外源污染治理為主的措施對于淺水湖泊并不理想(秦伯強,2002)。Smith(1982)的研究也表明富營養化水體中單純削減污染負荷未必能控制水華的發生,而更多的氮磷的輸入也并不一定引起相應藻類的更大增殖。李德亮等(2012)認為由于每年大規模放養濾食性魚類,雖然大通湖水體TN、TP已具備微囊藻水華發生的營養條件,但大通湖藻類總細胞密度偏低,并且沒有出現過典型的水華表征。因此,湖泊污染的治理應該運用生態學原理,使湖泊生態系統處于能量、物質相對平衡的狀態,通過外源控制和生物控制等多種方法綜合治理才能從根本上治理湖泊污染問題。

4 結論

(3)沉積物OM、TN和TP在空間上呈現出從東向西、從北往南逐級遞增的帶狀分布。水體N、P大體上呈現出“品”字形的斑塊分布。

(4)沉積物OM只與沉積物TN和TP呈極顯著正相關,而積物中TN和TP與水體中的TN和TP相關性不顯著,說明冬季大通湖內源氮磷濃度不能實時影響到水體濃度變化,氮、磷的釋放是一個復雜的過程。

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SPATIAL ANALYSIS AND COUPLING CHARACTERISTICS OF NITROGEN AND PHOSPHORUS IN WATER AND SEDIMENT——A CASE STUDY IN DATONG LAKE

MAO Liang, LUO Cong-Qiang, SHI Peng-Ling, YANG Pin-Hong, LIU Fei,WANG Wen-Bin, LUO Yu-Shuang
(Collaborative Innovation Center for Efficient and Health Production of Fisheries in Hunan Province,Key Laboratory of Health Aquaculture and Product Processing in Dongting Lake Area of Hunan Province,Zoology Key Laboratory of Hunan Higher Education,College of Life and Environment Sciences,Hunan University of Arts and Science,Changde415000,China)

Datong lake is the largest freshwater lake for aquaculture in Hunan province.Nitrogen and phosphorus in water and surface sediment can be easily affected during the fishing season in winter because of lower water stage and more human activities.In order to explore the influence factors and eutrophication of Datong lake in winter,geostatistical analysis was carried out to study the spatial characteristics and coupling relationship of organic matter,nitrogen and phosphorus in water and sediment.The results showed that concentration of total N and total T in water reached very high levels (3.78mg/L and 0.29mg/L),which exceed the Ⅴ class of surface water quality standard.The concentration of Nwas only about 0.17mg/L,which belonged to the Ⅱclass of surface water quality standard.Compare with the data of 2011,TP in sediment reached a high level with 1469mg/kg,but TN was still maintained at a steady level with 1224mg/kg.The value of nugget/sill was 43.4% and 34.5% for sediment TN and water N,which indicated a moderately spatial dependent.However,nugget/sill was less than 25% for the other N and P,which indicated a highly spatial dependent.OM,TN and TP in sediment showed an ascending tendency from northeast to southwest.Furthermore,N and P in water showed a patchy distribution.The average value of nitrogen/phosphorus ratio in water was 13.03,which was suitable for phytoplankton growth.OM was significantly correlated with TN and TP in sediment (P＜0.01).But TN and TP in sediment had no significant correlation with them in water.Therefore,aim to restore the lake environment,we should not only control the input of pollutant but also apply ecological measures.

nitrogen;phosphorus;organic matter;Datong lake;spatial characteristics;correlation analysis

S932

10.11693/hyhz20170400104

* “2011計劃”湖南省水產健康生產協同創新中心項目,2014—2018;湖南省水產院士工作站項目,2013;國家淡水漁業工程技術研究中心湖南中心項目,2013;教育部農科教合作人才培養基地項目,2014;湖南省高?？萍紕撔聢F隊項目,2011—2014;湖南省動物學重點建設學科項目資助,2011—2015;湖南省重點科技研發項目,2016NK2131號;湖南省教育廳重點項目,2016A148號。毛 亮,博士,E-mail:lightxiaofang@163.com

① 通訊作者:楊品紅,教授,E-mail:yph588@163.com

2017-04-28,收修改稿日期:2017-06-30