南湖富營養化與氣象影響因子的關系研究

覃鴻 劉學 黃菊梅 王波

（1 湖南省岳陽市氣象局 414000；2 湖南省華容縣氣象局 414200；3 湖南省岳陽市生態環境局 414000）

0 引言

南湖位于岳陽市中心城區南側，西臨東洞庭湖，是岳陽城區最大的天然湖泊。20世紀80年代南湖清澈見底，主要受納集雨區域內的地表水徑流和部分經二至三級天然氧化塘處理后的生活廢水，并用作飲用水源。但自20世紀90年代以來，由于岳陽城市化進程加快，沿湖特別是北岸人口劇增，以及度假區開發建設，并在開發建設中填埋了90%以上的天然氧化塘，導致大量城市污水未經處理直接排入南湖，南湖水質迅速惡化[1-2]。南湖已由20世紀70年代初的草型湖轉變為藻型湖，水生態系統嚴重退化[3]。

湖泊水體中氮、磷逐漸富集，致使浮游藻類異常增殖，水生生物多樣性和生態系統穩定性降低，進而使水體透明度下降，水質惡化[4-5]。國際經濟發展合作組織(OECD)將“水體中由于營養鹽的增加而導致藻類和水生植物生產力的增加、水質下降等一系列的變化，從而使水的用途受到影響”的現象定義為湖泊的富營養化。水華是富營養化過程最為明顯的表征。地理、水文和氣象特征為水華暴發提供了合適的溫度和水動力條件，是水華暴發的外因，草型湖向藻型湖的轉變以及氮、磷營養鹽的高負荷輸入更利于藍藻生長[6]。大量研究表明，氣象因素對流域內水質變化存在顯著影響，水文氣象因子對湖泊富營養化和藍藻水華暴發具有很重要的驅動作用[7-13]。近些年南湖水質惡化，自2008年首次出現藍藻水華后，至今南湖每年都會出現藍藻水華現象，而目前對南湖水質作進一步研究的很少。因此，本文基于最新監測數據對近年來南湖水體富營養化趨勢進行分析，并且對南湖水體富營養化與氣象因子的相關關系進行研究，以期為南湖水環境保護協調發展提供科學的參考依據。

1 數據與研究方法

1.1 區域概況

南湖是洞庭湖東岸的一個大湖灣，原與洞庭湖相通，后因修筑大堤，與洞庭湖相分隔，僅出口處建有一個與洞庭湖相通的控制性閘口，成為了一個幾近封閉的湖泊，湖水補給依賴湖面降水、集雨區徑流水。南湖現有水面面積為11.83 km2，沿湖岸線50 km，平均水深3 m，最大水深9 m，最高控制水位27.68 m，正常蓄水量為3549萬 m3，集雨面積約為150 km2，是岳陽抗御城市內澇、容納城區集水的重要水體。

1.2 數據

水質數據為岳陽市環境監測中心提供的2004—2018年原始水質監測數據，監測點分別為位于南湖北岸的麥子港（29°35′N，113°11′E）以及南湖湖心（29°33′N，113°11′E ）（圖1）。每月在兩個監測點同時取樣1次，監測頻率為每年12次，采樣監測一般在當月上旬進行。氣象數據來源于岳陽氣象觀測站。選取了月平均氣溫、月平均降雨量、月平均日照、月平均氣壓、月平均風速等氣象數據，監測時段和頻率與水質數據一致。若某次的某一水質觀測數據為觀測缺失值，則該日的氣象指標值也不計入分析中。常年氣候值采用30年平均值（1981—2010年），湖泊綜合營養狀態指數（TLI(Σ)）常年值采用15年平均值（2004—2018年）。冬季為上年12月—當年2月，春季為3—5月，夏季為6—8月，秋季為9—11月。

圖1 研究區域概況和監測點位置Fig. 1 Study area and location of monitoring points

1.3 研究方法

采用SPSS 20.0軟件進行數據分析。對監測站點水質按照綜合營養狀態指數法進行富營養化綜合評價。選擇Pearson算法對富營養化綜合評價指數與氣象因子進行相關性分析，探討氣象因子與南湖水體富營養化間的內在聯系。富營養化綜合評價的年、季、月變化趨勢分別選取年度、季度、月度算術平均值進行統計。

1.4 評價方法

根據中國環境監測總站制定的《湖泊（水庫）富營養化評價方法及分級技術規定》［14］，選取葉綠素a（Chla）、總磷（TP）、總氮（TN）、透明度（SD）和高錳酸鹽指數（CODMn）等為參數，采用綜合營養狀態指數法，對南湖水體營養狀況進行評價。

綜合營養狀態指數計算公式為：

式中：wj為第j種參數的營養狀態指數的相關權重，TLI(j)代表第j種參數的營養狀態指數。以Chla作為基準參數，wj的計算公式為：

表1 中國湖泊（水庫）部分參數與Chla的相關關系[14]Table 1 Correlation between some parameters of Chinese lakes (reservoirs) and Chla [14]

各參數的營養狀態指數計算公式為：

式中：Chla單位為mg/m3，SD單位為m，其他指標單位均為mg/L。

湖泊（水庫）營養狀態分級見表2，采用0～100的一系列連續數字對湖泊營養狀態進行分級。在同一營養狀態下，指數值越高，其營養程度越重。

2 結果與分析

2.1 南湖水體富營養狀態的變化特征

根據2004—2018年南湖逐月水質監測數據，由葉綠素a（Chla）、總磷（TP）、總氮（TN）、透明度（SD）和高錳酸鹽指數（CODMn）共5項指標分別計算湖心與麥子港的TLI(Σ)的逐年年平均值（圖2）。兩個監測點水體均長期穩定處于輕度富營養水平，兩監測點均在2008年呈現峰值，2018年為近年來最低。兩監測點多年季節平均TLI(Σ)均為夏季最高，春季次高，冬季最低，呈明顯的季節性波動。

表2 湖泊（水庫）營養狀態分級[14]Table 2 Nutrient status classification of lakes (reservoirs) [14]

圖2 2004—2018年南湖各測點TLI(Σ)逐年平均值Fig. 2 The yearly TLI(Σ) average value at each monitoring point in Nanhu Lake from 2004 to 2018

2.2 南湖TLI(Σ)與氣象因子的關系

利用2004—2018 年水質監測數據，將多項氣象因子分別與湖心和麥子港TLI(Σ)進行相關分析（表3）可知，兩監測點TLI(Σ)與月平均氣溫、月均最高氣溫、月均最低氣溫、月日照時數、月平均風速均呈顯著的正相關（P＜0.01），與月平均氣壓、月均最高氣壓、月均最低氣壓呈顯著的負相關（P＜0.01）。湖心TLI(Σ)與月降水量、月日降水量≥50 mm日數有相關性（P＜0.05），而麥子港TLI(Σ)與月降水量、月日降水量≥50 mm日數相關性不明顯（P＞0.05）。TLI(Σ)和日照、風速的相關系數麥子港比湖心的大，與其他氣象因子的相關系數湖心比麥子港的大。

2.3 影響氣象因子分析

選取月平均氣溫、月平均日照時數、月平均風速、月平均氣壓作為氣象影響因子進行分析。兩監測點TLI(Σ)多年月平均值變化與月平均氣溫、月平均日照、月平均風速的變化趨勢基本吻合，與月平均氣壓的反向變化趨勢基本吻合（圖3）。

藍藻的生長與水華的形成可以分為休眠、復蘇、生長、上浮及聚集等4個階段。藍藻的生長速率和光合作用速率在25 ℃以上顯著增加［15-16］。岳陽屬亞熱帶季風濕潤氣候類型，氣溫四季變化分明，具有夏季酷熱、隆冬寒冷的特征。每年10月—次年4月岳陽的月平均氣溫為5.1～19.4 ℃；5—9月月平均氣溫為22.9～29.5 ℃，其中7月為最熱月（圖3a）。春季氣溫的升高使水中藍藻逐步復蘇及生長。進入夏季，氣溫的急劇升高使得藍藻水華形成所需的積溫時間縮短，有利于藍藻的生長。同時降水的減少使水體中的污染物和營養鹽濃度升高，富營養化程度加大，更有利于藍藻的生長，水質進一步惡化。

在水中，藍藻大量繁殖時需要較多的光照。岳陽日照充足，各月平均日照時數為74.0～229.8 h，為藻類生長提供了良好的光照條件。岳陽的日照時數以7月日照最長（圖3b）。

沉積物中積累了大量營養鹽的情況下，強烈的風浪擾動使得沉積物與水體的營養鹽交換頻繁，能夠快速補充水華暴發期間的營養鹽需求，同時風力作用使上浮藍藻水華聚集在下風處，發生“淘洗作用”而對水華發生較為有利。風速的下降使得對水體的攪動減小，有利于藍藻生長發育和向某一區域漂移聚積，氣壓偏低，利于藍藻顆粒上浮到水體表面，對藍藻的暴發較為有利[15-17]。岳陽各月平均風速為2.3～3.2 m/s，其中6月風速為2.3 m/s，7月為3.2 m/s（圖3c）。岳陽的各月平均氣壓為997.9～1021.2 hPa，7月氣壓最低，12月最高（圖3d）。

隨著春季溫度的升高與日照的增多，兩監測點TLI(Σ)顯示南湖水體富營養程度增大明顯。6月的風速比5月的小，同時氣壓偏低，有利于藍藻生長發育，并且由湖心向麥子港方面漂移聚積；7月風力增大，利于藍藻顆粒上浮到水體表面，有利于藍藻上浮聚集。兩監測點夏季TLI(Σ)最大，是南湖暴發藍藻水華的高發時段。10月開始，隨著氣溫的降低，至次年2月水中藍藻處于休眠期，南湖水體富營養化程度隨之減小。因此，春夏季氣溫與日照為形成南湖富營養化的主導因子，風速與氣壓為次要因子。

3 典型氣候條件對水質富營養化影響的分析

3.1 2007—2008 年南湖TLI(Σ)實況

南湖兩監測點2007年春季TLI(Σ)較常年偏低，從5月開始呈上升趨勢。進入夏季后TLI(Σ)迅速升高，8月達到最高，湖心和麥子港分別為69.53、67.41，為湖心和麥子港歷年最高值。直至2008年3月兩監測點TLI(Σ)均較常年偏高（圖4）。

表3 南湖各測點TLI(Σ)與氣象因子的相關性分析Table 3 The correlation analysis between TLI(Σ) and meteorological factors at each monitoring point in Nanhu Lake

圖3 2004—2018年南湖各測點月平均TLI(Σ)與月平均氣溫（a）、月平均日照（b）、月平均風速（c）、月平均氣壓（d）時間變化特征Fig. 3 Monthly average TLI(Σ) and monthly average temperature (a), monthly average sunshine (b), monthly average air pressure (c) , monthly mean wind speed (d) at each measuring point of South Lake from 2004 to 2018

3.2 2007—2008 年氣候實況

2007年岳陽四季氣溫都較歷史同期偏高，冬季為暖冬，入春、入夏均較常年早，夏季延長，并且2月和5月月平均氣溫均為當地自1952年以來的最高值。3月末出現連續多日日最高氣溫≥30.0 ℃、5月下旬初出現了≥35.0 ℃的高溫天氣。2007年岳陽日照時數除夏季較常年偏少外，其余各季較常年均偏多。春、夏季風速較常年偏高。平均氣壓冬、春、夏季均較常年偏高。岳陽2008年年初出現了1954年以來最具規模的低溫雨雪冰凍天氣，但2008年春季氣溫打破了當地56年來最高記錄，夏秋氣溫繼續偏高。日照偏多，月平均風速全年持續偏大。

3.3 南湖水體富營養化氣候條件影響的分析

圖4 2007—2008年南湖兩監測點逐月TLI(Σ)距平的變化Fig. 4 Monthly TLI(Σ) anomaly changes at two monitoring points in Nanhu Lake from 2007 to 2008

2007年，岳陽春季氣溫的急劇升高與強光照有利于藍藻生長，使得藍藻水華形成所需的積溫時間提前。風浪所產生擾動作用使湖體內源負荷明顯增強。因此，2007年夏季以來南湖水體富營養化程度持續較高。藍藻水華的出現，從表觀現象上看確實是瞬時的“暴發”，但是其本質卻有一個逐漸發展與形成過程，是藻類生物量水體中的逐漸增加的一個緩慢的過程[18]。2008年冬季岳陽遭遇當地自1954年以來最具規模的低溫雨雪冰凍天氣，雖然氣溫偏低，但藍藻正處于休眠期，對其生長并無大影響，而春、夏季氣溫持續偏高，有利于藍藻的生長。2008年年平均風速較常年偏高，氣壓偏低，說明南湖湖面受到大風的瞬時擾動增多。在強烈風擾動下，表層沉積物受水體的沖擊較大，利于藍藻顆粒上浮到水體表面，使懸浮的量增多，對藍藻的暴發較為有利。因此受2007年夏季以來水體藍藻基數較高、上游截污管網不到位等因素影響，2008年南湖暴發了首次藍藻水華。

由此可見，氣溫異常偏高、日照偏多、風速偏大等多種氣象要素的綜合作用是造成2007年南湖水體富營養程度高以及2008年南湖首次暴發藍藻水華現象的氣象因素。

4 小結

氣象因素是形成南湖富營養化的重要條件之一。春、夏季氣溫與日照為形成南湖水體富營養化的主導因子。南湖水體長期穩定處于輕度富營養水平，且富營養程度偏高，這與全球氣候變暖使水體春季升溫提前，秋季溫度下降時間延遲，延長了藍藻生長的時間有關。南湖水域主要功能包括風景名勝、水上娛樂、水產養殖、防洪蓄水及納污自凈。麥子港位于南湖北面的湖汊，富營養程度高于湖心，最主要的原因是岳陽市南湖周邊大量生產生活的污染物進入水體，增加了總磷和總氮濃度，使水體富營養化居高不下。由于南湖水體目前長期穩定處于輕度富營養水平，岳陽的氣候條件決定了南湖的藍藻水華現象在短期內不會完全解決。

水流流量對水華有限制作用，因修筑大堤，南湖人為地成為了一個幾近封閉的湖泊，這也是造成南湖水質富營養化狀態居高不下的原因之一。南湖已于2018年下半年與洞庭湖重新連通，水流交換有助于南湖水體的富營養狀態的進一步緩解。對于水流流量對南湖水質富營養化的影響，可在將來的工作做進一步分析。

自2010年開始，南湖富營養化程度總體呈下降趨勢，2018年TLI(Σ)為近年來最低，這應該與當地政府按照“截污、禁養、清淤、活水、嚴管”治理方針治理南湖有關，使入湖氮、磷負荷得到有效削減，減緩了南湖水體富營養化進程。