貴州草海水質(zhì)時(shí)空變化特征和富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)狀研究

劉昌運(yùn)，喻記新，熊 飛

(1.畢節(jié)市生態(tài)環(huán)境突發(fā)事件應(yīng)急中心，貴州畢節(jié) 551700；2.江漢大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，武漢 430056；3.江漢大學(xué)，湖北省漢江流域特色生物資源保護(hù)開發(fā)與利用工程技術(shù)研究中心，武漢 430056)

近幾十年來(lái)，由于工農(nóng)業(yè)發(fā)展、城市化進(jìn)程等，許多湖泊出現(xiàn)了水質(zhì)惡化、富營(yíng)養(yǎng)化加重等問題[1-4]。云貴高原湖泊主要指川、滇、黔、桂地區(qū)的湖泊，平均海拔在1 000 m以上，是一類生態(tài)環(huán)境較為脆弱的濕地生態(tài)系統(tǒng)[3]，其中滇池、洱海、異龍湖、長(zhǎng)橋海、紅楓湖等已成為富營(yíng)養(yǎng)化湖泊，部分湖泊水華現(xiàn)象頻繁爆發(fā)[1,3,5]。因此開展高原湖泊生態(tài)環(huán)境研究和治理迫在眉睫。

貴州草海是中國(guó)三大高原湖泊之一，位于威寧彝族回族苗族自治縣縣城西南(N 26°47′32′′～26°52′52′′，E 104°10′16′′～104°20′40′′)，水域面積20.98 km2，是特有魚類草海云南鰍(Yunnaniluscaohaiensis)的主要分布水域[6]。歷史上草海的環(huán)境優(yōu)美[7]，但隨著農(nóng)業(yè)發(fā)展、水土流失、城市發(fā)展和旅游等多種原因，草海的水質(zhì)惡化和富營(yíng)養(yǎng)化問題逐漸凸顯。草海的水質(zhì)呈逐年下降趨勢(shì)[8-13]，富營(yíng)養(yǎng)化趨勢(shì)不斷加重。對(duì)草海的水環(huán)境開展持續(xù)的監(jiān)測(cè)和研究十分必要。

目前常用的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法主要有單一指數(shù)法、綜合污染指數(shù)法、模糊數(shù)學(xué)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、主成分分析法和生物評(píng)價(jià)法等[4,14,15]。由于水質(zhì)指標(biāo)多樣、復(fù)雜，各個(gè)因子之間也具有不同程度的相關(guān)性[15]，采用多種方法對(duì)水質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)十分必要[16]。主成分分析法可以通過降維處理將原來(lái)多個(gè)變量化為少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)，可以判斷影響水質(zhì)的主要因子[13,16,17]。聚類分析法可以將各水質(zhì)因子的特征進(jìn)行抽象和聚類，從而分析其時(shí)空分布特征[18]。ArcGIS是美國(guó)ESRI公司開發(fā)的基于GIS的應(yīng)用平臺(tái)，可以將空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為同一坐標(biāo)體系下的柵格或矢量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化，在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用十分普遍[19]?；诖耍狙芯坑?018年在草海設(shè)置10個(gè)樣點(diǎn)，對(duì)全湖的13項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)定，分析了水質(zhì)的時(shí)空差異和水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，用層次聚類分析法(HCA)探討了水質(zhì)因子的空間變化，用ArcGIS分析了主要污染物和營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的空間分布，并用主成分分析(PCA)探討了水質(zhì)狀況和影響水質(zhì)的主要因子，以期為草海污染治理、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和開展生態(tài)漁業(yè)等提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 水樣采集和分析

圖1 草海采樣點(diǎn)分布

1.2 水體富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)

運(yùn)用卡爾森綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法(TLI)對(duì)草海不同季節(jié)水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)指標(biāo)包括Chl.a、TP、TN、SD、CODMn，按以下公式計(jì)算[21]：

TLI(Chl.a)=10×(2.5+1.086×lnChl.a)

TLI(TP)=10×(9.436+1.624×lnTP)

TLI(TN)=10×(5.453+1.694×lnTN)

TLI(SD)=10×(5.118-1.94×lnSD)

TLI(CODMn)=10×(0.109+2.661×lnCODMn)

式中：TLI(∑)為綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；Wj為第j種參數(shù)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的權(quán)重，本研究中Chl.a、TP、TN、SD和CODMn的權(quán)重分別為0.266 3、0.187 9、0.179 0、0.183 4、0.183 4[14]；TLI(j)為第j種參數(shù)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。Chl.a單位為mg/m3，SD單位為cm，其他指標(biāo)單位均為mg/L。

綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為：TLI(∑)<30和30≤TLI(∑)≤50分別為貧、中營(yíng)養(yǎng)型，5070分別為輕度、中度和重度富營(yíng)養(yǎng)型。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)計(jì)算、圖表制作和統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)在Excel 2007和SPSS 21.0中完成。對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)；若符合正態(tài)性和方差齊性則用單因素方差檢驗(yàn)比較不同季節(jié)之間的差異性，并用LSD檢驗(yàn)判斷各組的差異性；若數(shù)據(jù)不符合正態(tài)性或方差齊性，用Kruskal-Wallis進(jìn)行非參數(shù)檢驗(yàn)，且對(duì)有顯著差異的結(jié)果進(jìn)行Mann-Whitney檢驗(yàn)。差異顯著為P<0.05。

用層次聚類分析法(Hierarchical Cluster Analysis,HCA)分析不同樣點(diǎn)之間的水質(zhì)差異，樣本間距離和小類間距離分別采用歐式距離平方和Ward法測(cè)量。用主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)確定影響草海水質(zhì)的關(guān)鍵因子，并計(jì)算各樣點(diǎn)綜合得分。HCA和PCA分析在SPSS 21.0中完成。用ArcGIS 10.2中的反距離插值法對(duì)不同季節(jié)TN、TP、CODMn和TLI的空間分布進(jìn)行分區(qū)。

2 結(jié)果

2.1 水質(zhì)指標(biāo)的季節(jié)變化

表1 2018年草海水質(zhì)理化特征的季節(jié)變化(均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)

2.2 水質(zhì)指標(biāo)的空間分布

HCA分析中聚為一類的樣點(diǎn)之間的水質(zhì)指標(biāo)差異較小，反之則差異較大。本研究中的HCA分析結(jié)果顯示，1～2、3～5、6～8和9～10號(hào)樣點(diǎn)可以分別聚為一類，同時(shí)1～5、6～10號(hào)樣點(diǎn)表現(xiàn)出較大差異(圖2)。

圖2 2018年草海10個(gè)樣點(diǎn)水體理化指標(biāo)的HCA層次聚類分析圖

圖3直觀地顯示了草海不同季節(jié)TN、TP和CODMn在不同區(qū)域的分布范圍。從不同范圍值的面積分布來(lái)看，各季節(jié)3個(gè)指標(biāo)的值從東到西總體均呈降低趨勢(shì)。

圖3 2018年草海不同季節(jié)TN、TP和CODMn的空間分布

2.3 水質(zhì)指標(biāo)PCA分析

表2 初始因子載荷矩陣

各個(gè)樣點(diǎn)不同季節(jié)PCA綜合得分F見表3?？梢钥闯?，各季節(jié)的F值從1號(hào)樣點(diǎn)到10號(hào)樣點(diǎn)均呈下降趨勢(shì)；從各樣點(diǎn)的均值看，F(xiàn)值從高到低依次為春季、冬季、秋季和夏季，即水質(zhì)等級(jí)從高到低依次為夏季、秋季、冬季和春季。

表3 2018年草海各個(gè)樣點(diǎn)不同季節(jié)水質(zhì)的PCA綜合得分F

2.4 水體綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)

2018年草海各樣點(diǎn)在不同季節(jié)的TLI(∑)值的變化范圍為40.51～60.76，均值的范圍為50.15～52.90(表4，圖4)。在時(shí)間分布上，春季的TLI(∑)值較高，夏季則總體最低；在空間分布上，從1 到 10號(hào)樣點(diǎn)的TLI(∑)值逐漸下降，即由東向西的富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)逐漸降低。除了1號(hào)樣點(diǎn)在春季為中度富營(yíng)養(yǎng)型，1～5號(hào)樣點(diǎn)全年均為輕度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)；8～10號(hào)樣點(diǎn)全年為中營(yíng)養(yǎng)水平。從均值上看，草海各個(gè)季節(jié)均處于輕度富營(yíng)養(yǎng)水平。

圖4 2018年草海不同季節(jié)TLI的空間分布

表4 2018年草海各個(gè)樣點(diǎn)不同季節(jié)的平均卡爾森營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI

3 討論

資料表明草海的污染主要來(lái)自于農(nóng)業(yè)和城鎮(zhèn)污水[8,22]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，草海周邊畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)業(yè)化肥和生活污水每年所產(chǎn)生的COD、TN和TP進(jìn)入草海的量分別為1 594、352和13 t左右，三大污染源的等標(biāo)污染負(fù)荷每年分別為1 205×106、625×106和1 337×106t[23]，其中生活污水為草海的最大污染源。本研究中CODMn和CODCr均為地表水IV類水平，BOD5為V類水平，TN在春季也達(dá)到V類水平(表1)，也表明草海的有機(jī)物污染較為嚴(yán)重。盡管TP均處于地表水Ⅱ類水平，TN總體處于Ⅲ類水平(春季為V類)(表1)，草海仍存在較高的富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)。一般認(rèn)為，水體TN、TP分別超過0.20和0.02 mg/L時(shí)，水體存在發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)[17]。除了夏季和秋季10號(hào)樣點(diǎn)的TP以外，草海2018年各樣點(diǎn)的TN和TP在4個(gè)季節(jié)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過上述限制值，尤其是總氮(表1)，這表明草海水體達(dá)到了水華爆發(fā)的水平。此外，水體TN/TP對(duì)藻類的爆發(fā)有重要影響，當(dāng)TN/TP<7時(shí)，表現(xiàn)為氮限制；當(dāng)TN/TP>30時(shí)，表現(xiàn)為磷限制；7

HCA聚類分析結(jié)果表明1～2、3～5、6～8和9～10號(hào)樣點(diǎn)可以分別聚為一類(圖2)，歸為同一類的樣點(diǎn)水質(zhì)比較接近，表明草海各指標(biāo)從東往西表現(xiàn)出了一致的變化規(guī)律；通過ArcGIS對(duì)不同季節(jié)TN、TP和CODMn空間分布的分析也表明這3個(gè)指標(biāo)從東往西逐漸降低(圖3)。水質(zhì)空間變化表明草海東部的入水口、西海碼頭附近的上游區(qū)域污染較為嚴(yán)重，下游和出水口水質(zhì)明顯好轉(zhuǎn)。這種結(jié)果和多數(shù)對(duì)草海的研究結(jié)果相同[10,12,13]。這種空間變化規(guī)律一方面是由于草海入水的淌水溝、中河等河流流經(jīng)眾多村莊，農(nóng)業(yè)污染和生活污水較多，上游也更靠近縣城；隨著水向下游流動(dòng)，距離污染源逐漸變遠(yuǎn)，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)經(jīng)過沉降、降解、植物吸收吸附等過程逐漸降低，這體現(xiàn)了湖泊的自凈作用[23]。根據(jù)污染物的空間分布，應(yīng)該有針對(duì)性地開展草海的環(huán)境修復(fù)，相關(guān)工作中應(yīng)更關(guān)注草海上游的污染。

運(yùn)用TLI法評(píng)價(jià)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)表明草海各季節(jié)均為輕度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，TLI均值從高到低依次為春季、冬季、秋季和夏季，即春季富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)最高，而夏季最低(表4)。根據(jù)主成分分析的結(jié)果，決定草海水質(zhì)的主要因子是有機(jī)物(CODMn、CODCr、BOD5)、總磷和氮(表2)，在草海的環(huán)境保護(hù)工作中應(yīng)重點(diǎn)控制有機(jī)物、磷和氮的輸入。依據(jù)PCA分析計(jì)算的各季節(jié)的綜合得分從高到低依次為春季、冬季、秋季和夏季，表明春季的水質(zhì)最差，夏季最好(表3)，這和TLI評(píng)價(jià)法的結(jié)果基本一致。這兩種分析結(jié)果都和張珍明等[10]、周晨等[12]和歐陽(yáng)勇[22]的研究結(jié)果是相似的。針對(duì)草海水質(zhì)的這種季節(jié)特性，應(yīng)制定針對(duì)不同季節(jié)的保護(hù)和治理對(duì)策，重點(diǎn)開展春季的污染防控，做好農(nóng)業(yè)污染物攔截。同時(shí)建議對(duì)城鎮(zhèn)污水處理達(dá)標(biāo)后再排入草海。