尹家湖夏季水體光學特性研究

吳 超，吳曉東,2，葛緒廣,2，汪 薇，馮 戀，楊久蕓，譚 亞

(1.湖北師范大學城市與環境學院，湖北 黃石 435002； 2.黃石市土壤污染防治重點實驗室，湖北 黃石 435002)

湖泊光學主要研究太陽光線在湖水中的傳輸規律、分布狀況和水下光場強度，其基本理論就是光的吸收、衰減、散射規律和水體輻射傳輸方程[1]。光照是水生生態系統獲取能量的重要來源，會影響水生植物的光合作用等生理活動，是決定沉水植物修復的關鍵因素[2-6]。通過研究湖泊水體的光學特性，將有助于探索水生植物衰亡機理，并最終推動富營養化水體修復工作的開展[7]。

太陽輻射是湖泊生態系統的源動力，而植物光合作用所利用的那部分能量(400～700 nm的可見光)被稱為光合有效輻射(PAR)，它能夠被浮游植物和沉水植物利用進行光合作用，直接決定了生態系統的初級生產力，從而對生態系統的結構和功能產生重要影響[8-10]。一般認為，PAR在水下傳輸過程中會發生衰減，主要受到了以下幾類物質的影響：純水、有色溶解性有機物(CDOM)、懸浮物(SS)和浮游植物。光學衰減系數(Kd)可以綜合反映PAR在水中的衰減和分布情況，能直接影響湖泊水體的透明度(SD)和真光層深度(Zeu)，引起了眾多學者的廣泛關注[11]。GALLEGOS等[12]基于對美國Rhode河流和Chesapeake灣1988、1989年進行的28次光譜擴散衰減系數的測量，發現Kd在1～10 m-1之間變化。MISHRA等[13]測定了洪都拉斯Roatan島附近水域的下沉擴散衰減系數，原位Kd分析顯示，綠色和藍色的Kd值較低，570 nm后則呈指數增長。HAVENS對美國東南部最大的湖泊Okeechobee湖的水下植物生物量及其與環境屬性的關系進行了量化研究，經回歸分析，發現非揮發性懸浮固體對光的衰減作用明顯大于葉綠素a(Chl-a)[14]。國內學者尚盈辛等[15]對青藏高原典型湖泊的PAR進行了初步研究，發現Kd與CDOM的相關性最強，與總懸浮物的相關性最不顯著。SHI等[16]研究了太湖Kd季節和空間分布特征，發現Kd值冬季最低，夏季最高；空間上，太湖東部較低，南部和湖中心較高，且Kd與風速呈顯著相關，表明太湖PAR衰減一定程度上是由于風浪引起的沉積物再懸浮。太湖PAR衰減的主要因素是懸浮顆粒物而非溶解的有機物[17]。張運林等[18]分別調查了云貴高原的16個湖泊和長江中下游的4個湖泊，對比發現云貴高原湖泊的Kd值明顯低于長江中下游湖泊。擺曉虎等[19]研究發現洱海Kd季節變化規律為春季<冬季<秋季<夏季，且Kd與SD、濁度和Chl-a均呈顯著正相關(P<0.01)。李凱迪等[20]研究發現程海Zeu最主要影響因子是浮游植物生物量，SS次之，CDOM對其影響甚微。從前人的研究結果可以看出，水體PAR衰減存在著時空差異，且造成不同類型水體PAR衰減的原因不同。

鄂東南地處長江中游，河湖密布，是湖北省湖泊較為集中的區域。在中國大部分區域的湖泊，已經有許多學者進行了湖泊光學的研究，而對于鄂東南地區城市湖泊的相關研究鮮有報道。湖北省大冶市自古以來以礦冶而聞名，近代經濟發展更是極為依靠采礦業，但是經濟快速發展的同時也引發了許多污染問題。礦石的開采以及冶煉、水泥生產等高耗能污染型企業造成了資源的嚴重枯竭，水體污染，重金屬超標等問題，大冶城市湖泊更是承擔了相當大的排污壓力，水體環境污染較嚴重，生態系統急劇退化。因此，本研究基于野外調查和實驗分析，旨在揭示鄂東南典型城市湖泊——尹家湖水體光學特性及其影響因素，以期為城市湖泊生態修復提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

尹家湖(114.975 98°～114.992 35° E，30.102 46°～30.134 06° N)位于湖北省東南部大冶市，隸屬于長江中游中型湖泊大冶湖的子湖。尹家湖湖體狹長，呈南北走向，常年水位高程18.0 m，湖泊面積約1.4 km2。尹家湖流域地跨大冶市中心城區東部，流域面積約29.8 km2，受亞熱帶季風氣候控制，湖泊水位有緩漲緩落的特點，并且隨季節變化較明顯，流域的高水位多發生在6—8月的梅雨季節。湖泊主要補給形式為地表徑流補給，東北部的伍橋港和周圍的雨水排口是地表徑流入湖的主要通道，出湖主要是通過泵站將湖水抽排至大冶湖。由于大冶城市化的快速推進，該湖泊水質開始退化，富營養化趨勢加快。湖泊周邊尚有少量生活污水輸入。

1.2 采樣點設置與指標測定

結合湖泊面積和形態，于2017年夏季6—8月逐月對尹家湖進行水樣采集(圖1)。使用有機玻璃采水器采集表層水樣。現場測定水深(Depth)、SD、pH、溶解氧(DO)、PAR、CDOM，同時將采集到的水樣迅速運回實驗室，進行其他指標的測定，包括總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮(NH3-N)、高錳酸鹽指數(CODMn)和懸浮物(SS)。分析方法均參考《湖泊調查技術規程》[21]。

圖1 尹家湖采樣點分布

光合有效輻射(PAR)使用ZDS-10W-1D型自動換檔數字式水下照度計原位采集。從水面開始每隔20 cm測定一次，具體深度為：0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4 m。SD和Depth分別使用塞氏盤和SM-5A型便捷式測深儀(美國Speedtech)測定，同時使用EXO2多參數水質監測儀(美國賽萊默)測定pH和DO，用-4H-Ferrybox型水生態監測站(德國4H-JENA公司)原位測定CDOM濃度。SS用重量法測定[22]。浮游植物用Chl-a的濃度表征，TN、TP、NH3-N、CODMn、Chl-a的測定方法均參照《水和廢水監測分析方法》(第四版)[23]。

1.3 光學衰減系數、真光層深度的計算

在水體性質相對均勻的湖泊，PAR遵循以下規律[24]：

(1)

式中Z——測量處與水面之間的距離，m；E(Z)——水深Z處的PAR，lx；E(0)——水面處的PAR，lx。

對不同深度處的PAR進行非線性擬合得到Kd，當R2≥0.95、擬合深度個數N≥3時，Kd值才被視為有效。Zeu使用下列方法計算[18]：

(2)

式中Zeu——真光層深度，m；Kd——式(1)中光學衰減系數，m-1。

1.4 數據統計分析

運用Google Earth和ArcMap 10.7制作采樣點分布圖和空間插值圖。采用Excel 2010和Origin 2019b進行數據處理并繪圖。運用SPSS 21.0進行相關性分析。

2 結果與分析

2.1 尹家湖水環境概況

尹家湖夏季水質狀況較差。水體pH平均為8.36±0.21，DO濃度為(5.84±1.09) mg/L，TN平均濃度為(1.40±0.16)mg/L，TP平均濃度為(0.18±0.11)mg/L，NH3-N平均值為(0.96±0.44) mg/L，CODMn平均濃度為(4.08±0.39)mg/L。

2.2 水深(Depth)和透明度(SD)

尹家湖夏季為豐水期，Depth平均值為(2.12±0.50) m，最深和最淺處分別位于湖心(2.50 m)和尹家湖出水閘(1.30 m)(圖2)。尹家湖南部夏季水體SD要略高于北部，湖區SD整體偏低，變化范圍為0.23～0.45 m，最低點位于尹家湖公園入口處(0.23 m)，夏季平均值為(0.29±0.09) m。

圖2 尹家湖夏季水體Depth和SD

2.3 懸浮物(SS)

由于周圍污染物的種類和數量不同，尹家湖夏季水體SS濃度在空間分布上也呈現出了較大的差異(圖3)，平均濃度為(38.60±14.66) mg/L。SS在空間上呈現出北部高南部低的趨勢，較大值出現在湖區北部蛇嘴閘(49.00 mg/L)和公園管理處(53.00 mg/L)附近，整體在17.00～53.00 mg/L之間變化。這可能是由于位于尹家湖北部工業園內的污水口尚未全部截流，偷排工業廢水以及尹家湖北部的港湖村、張沖村、五橋村的生活污水分散匯集后流入湖中所導致的污染，使得尹家湖北部的SS濃度要高于南部。

圖3 尹家湖夏季水體SS空間分布

2.4 葉綠素a(Chl-a)

尹家湖夏季水體Chl-a空間差異較大，平均濃度為(14.80±7.80)μg/L(圖4)。Chl-a含量最大值出現在北部湖區公園管理處附近，其值為27.36 μg/L。這可能是因為該監測點西側分布有大量城市居民，而大冶東北片區存在雨污合流的情況，生活污水排入湖中的同時，帶入了大量氮、磷等營養元素，使得湖泊水體趨向于富營養化，更適合藻類等生物的生長。尹家湖南部水體可以通過出水閘與大冶湖連通，故尹家湖南部水體相較于北部水體具有較高的流通性，其Chl-a濃度較低，最低值出現在了湖心附近，其值僅為6.70 μg/L。

圖4 尹家湖夏季水體Chl-a空間分布

2.5 有色溶解性有機物(CDOM)

CDOM可以有效減弱水體中的PAR，尹家湖夏季水體CDOM空間差異較小(圖5)，平均濃度為(11.49±1.55)μg/L，最高值出現在蛇嘴閘附近，其值為14.25 μg/L，其他水域CDOM含量均在10～11 μg/L之間變化。伍橋港入湖口位于大冶湖北部，大量陸源類有機物隨地表徑流輸入湖中，經過一系列轉化形成CDOM，使得蛇嘴閘附近水域的CDOM含量要顯著高于其他區域。

圖5 尹家湖夏季水體CDOM空間分布

2.6 光學衰減系數(Kd)

尹家湖夏季水體的Kd值較高，其變化范圍為3.36～3.69 m-1，平均值為(3.52±0.16)m-1(圖6)。Kd在尹家湖出水閘附近水域最低，其值為3.36 m-1，公園管理處最高，其值為3.69 m-1。作為大冶市區典型的城市湖泊，尹家湖受人類活動影響較大，SS、Chl-a、CDOM濃度均處在較高水平，使得尹家湖夏季水體中的PAR衰減顯得更為強烈，具有較高的Kd。

圖6 尹家湖夏季水體Kd

3 討論

3.1 尹家湖水體光學衰減系數的影響因素分析

通過對尹家湖的Kd、Chl-a、CDOM、SD和SS進行相關性研究，其Pearson相關系數及雙尾檢驗結果見表1。尹家湖Kd與Chl-a、CDOM、SS的Pearson相關系數分別為0.572、0.078、0.835，其中Kd與SS相關性最強，說明SS是造成尹家湖夏季水體PAR衰減的最主要因子。Kd與SD呈現出較強的負相關關系，說明SD在一定程度上可以直觀反映水體PAR衰減的程度，這在SD與SS的相關關系中得到印證，兩者呈現出了顯著的負相關關系(P<0.05)，尹家湖夏季水體SD較低可能是由于SS含量較高所導致的。

表1 尹家湖夏季水體Kd與主要指標的相關性分析

已有研究結果表明，水體Kd與SD呈現負相關關系，因此可以利用SD反演Kd[25-28]。在尹家湖中也發現類似規律，Kd與SD呈現出較強的負相關關系，Pearson相關系數為-0.757，但由于只進行了夏季采樣，積累的經驗數據較少，所以兩者的相關關系并不顯著(P>0.05)。有學者研究指出，在富營養化湖泊中，Chl-a可以直接指示水體中的浮游植物，是影響水體光學性質的重要指標[29-30]。楊威等[31]利用Pearson相關系數和主成分分析法研究了洱海Chl-a與環境因子的關系，發現Chl-a與SD呈極顯著相關(P<0.01)。余雪芳等[32]研究了杭州西湖主要湖區水體的PAR衰減特性，相關性分析表明，影響西湖水下光照的重要因素是浮游植物和SS，降低浮游植物和SS的濃度將會有助于改善西湖水下的光照條件。張運林等[33]基于太湖典型湖區多年的水下輻照度和SS觀測資料探究了Zeu的影響因素，結果表明Zeu的主要影響因子是SS，Chl-a濃度次之。龍感湖Kd主要受SS影響，但由于其是草型湖泊，Kd變化的同時還受制于溶解性有機物和浮游植物[34]。由此可見，浮游植物和SS是影響水體Kd的因素，是限制水體PAR的重要因子。在本研究中，也得到了類似結論，尹家湖夏季水體Kd與Chl-a、CDOM、SS均表現出正相關關系，但其受SS影響最大、Chl-a次之，CDOM對其影響較小。尹家湖夏季水深平均值僅為(2.12±0.50)m，受季風氣候影響，極易引起沉積物再懸浮，造成水體SD下降。此外尹家湖是典型的城市湖泊，富營養化程度嚴重，在夏季易爆發水華，大量的藻類阻擋了光線在水中的傳播，這也是影響水體Kd的一個重要因素。

SD是湖泊水體光學性質的一個重要指標，能間接反演Kd與Zeu，其影響因素也引起了眾多學者的研究。李欣等[35]對太湖水域的SD進行了調查并測定了懸浮顆粒物濃度，結果表明，無機顆粒物是影響三山島濕地、太湖貢山島濕地SD的主要因子。烏梁素海水體SD的直接影響者是SS[36]。張呈等[37]研究發現SD與無機懸浮顆粒物呈顯著的負相關關系。尹家湖夏季水體SD與SS亦呈顯著(P<0.05)的負相關關系，這與前人的研究結果一致。

3.2 沉水植物潛在恢復區域探討

沉水植物在水生生態系統中具有重要作用，其恢復和重建已經成為當前水環境生態修復的主要方法[38-40]。然而并不是所有的水域都適合沉水植物種植，只有在適宜條件下，沉水植物才能生長并形成優勢群落，并進一步凈化水質，其中最重要的外界條件就是水下光照[41]。當沉水植物位于真光層深度以下時，就會因為無法獲取足夠的光合有效輻射能量，而不能正常生長[26]。因此本研究引入Zeu/Depth作為光環境閾值，初步探討了尹家湖沉水植物潛在恢復區[41-43]。

尹家湖Zeu/Depth的變化范圍為0.52～1.06(圖7)，在尹家湖南部水域尹家湖出水閘和湖心附近，Zeu/Depth值大于0.75，其他采樣點附近均小于0.75，水下PAR不能滿足沉水植物生長的基本需求，因此尹家湖夏季水體PAR是限制沉水植物生長的主要因子，沉水植物在自然條件下無法恢復。這與何尚衛等[44]在滆湖的研究結果一致。

根據尹家湖夏季Zeu/Depth閾值發現，尹家湖夏季北部、中部等大部分水域的Zeu/Depth的比值均小于0.75，暫不適宜直接進行沉水植物恢復，適合沉水植物生長的區域主要集中在南部湖心和尹家湖出水閘附近，此區域約占全部水域面積的15%。此外，在實地調查中發現，尹家湖東邊的新美村、東北部的伍橋村以及北邊的港湖村等湖邊沿岸地帶，均有不規則的淺水灘地分布，雖然這些區域的Zeu/Depth閾值小于0.75，但仍是沉水植物恢復的待選地區，可以適當采取調控水位、降低懸浮物濃度等方法輔助改善水下光照條件，使其達到沉水植物生長的基本要求。由于沉水植物的生長大多在夏季，故對尹家湖進行沉水植物恢復的時間應選擇在夏季，且沉水植物種類應以金魚藻、輪葉黑藻、苦草等長江中下游常見水生植被為宜。

圖7 尹家湖夏季水體Zeu/Depth空間分布

在沉水植物恢復初期，可向水中投放經馴化和改良的食藻蟲，該方法可以在短時期內快速降低水體的懸浮物濃度，有效消除水中大量的藻類并吸附懸浮物，避免了投加絮凝劑等化學試劑產生的二次污染問題。在投加食藻蟲的同時，還需要清除水中的雜食性以及一些造成底泥再懸浮的大型魚類，改變生態系統的群落結構，防止因底泥再懸浮而造成的懸浮物濃度增加。待沉水植物生長穩定之后，再逐步投放螺、貝等濾食性動物，進一步降低水中的懸浮物含量，保證沉水植物可以獲得充足的光照，以滿足其生長的需要。

4 結論

a)尹家湖夏季水體SD平均值為(0.29±0.09) m，Kd平均值為(3.52±0.16)m-1，SS平均濃度為(38.60±14.66)mg/L，Chl-a平均濃度為(14.80±7.80)μg/L，CDOM平均濃度為(11.49±1.55)μg/L；

b)通過Pearson相關性分析，得到尹家湖夏季水體Kd與Chl-a、CDOM、SS的Pearson相關系數分別為0.572、0.078、0.835，表明SS是影響Kd的主要因子，Chl-a次之，CDOM的影響較小；

c)根據Zeu/Depth閾值可知，尹家湖大部分水域沉水植物無法自然恢復，需要施以水位調控、降低懸浮物濃度等輔助工程措施改善水下光照條件，再進行沉水植物修復。