寧夏太陽山濕地水質現狀與富營養化評價

孫旭楊, 趙增鋒, 尹 娟, 邱小琮, 王世強, 歐陽虹, 郭 琦

(1.寧夏大學 土木與水利工程學院, 寧夏 銀川 750021; 2.寧夏大學 生命科學學院, 寧夏 銀川 750021)

湖泊作為地表水資源的重要組成部分，是地區社會經濟發展的重要自然資源[1]，除了具有調節河川徑流、提供灌溉用水、旅游觀光和溝通航運等方面的功能外，還在干旱地區脆弱的生態環境保護方面有不可替代的作用[2]。近年來隨著區域氣候環境的變化，以及工農業和旅游行業等人為不合理開發活動的增加，使得湖泊的形態、數量發生了巨大變化[3]，水體水質逐年惡化、浮游植物的種類及多樣性也逐年減少[4]，湖泊富營養化問題日益突出。湖泊富營養化是指在自然因素或人為活動影響下，氮、磷等營養鹽含量在水體中急劇增加，使生產力較低的貧營養湖泊轉變成為高生產力的富營養湖泊[5]。湖泊富營養化會使得水生植物和藻類爆發式生長，水體顏色發生變化和水體透明度降低[6-7]，進而造成水質惡化以及破壞湖泊生態系統平衡能力[8]，因此分析并評價湖泊水體水質現狀及富營養化程度，對湖泊水環境治理具有十分重要的意義。

太陽山溫泉國家濕地公園位于吳忠市紅寺堡太陽山開發區，東經106°32′01″—106°40′58″，北緯37°23′59″—37°29′17″。濕地公園總面積2 447.50 hm2，濕地面積1 492.7 hm2，水域面積654.8 hm2，其中濕地類型豐富，包含了河流濕地中的季節性河流，湖泊濕地中的永久性淡水湖、季節性咸水湖等諸多種類。太陽山溫泉國家濕地公園是寧夏中部干旱帶稀有和獨特的濕地類型，處于寧夏多個重要生態功能區交匯處，對蓄洪抗旱、調節小氣候、提供水鳥繁殖地和保護中部干旱帶生物多樣性等方面具有重要戰略意義。但近年來，由于當地工業快速發展、水土流失嚴重、土地沙化日益加速，以及水資源的不合理開發利用，使得湖面水域減小、生物多樣性降低、濕地水環境日趨惡化，現急需對濕地湖泊水質和富營養化現狀進行評價并積極主動尋找保護對策。目前太陽山溫泉國家濕地公園的水質與富營養化研究尚缺乏，且部分學者[9-11]對水體富營養化評價時主要的考慮對象為葉綠素a和氮、磷營養鹽含量等非生物指標，這對湖泊生態系統的富營養化評價是不全面的，應同時考慮非生物指標和藻類生物指標的角度對湖泊富營養化狀態進行評價。為此，本研究針對太陽山濕地4個主要湖泊，除將常規的非生物指標和藻類生物指標納入評價范圍外，還考慮當地湖泊水體高氟的特殊情況。采用灰色關聯法和水質生物學法對水質進行分析，運用藻類生物學法和綜合營養狀態指數法評價水體富營養化狀態，旨在為太陽山溫泉國家濕地公園的水生態修復和水資源合理開發利用提供依據。

1 材料與方法

1.1 樣點布設與采樣時間

依據研究目標，并結合太陽山濕地湖泊的地理位置、補給水源以及相似水文特征，使用GPS定位，布設西湖(S1-S3)、南湖(S4-S6)、小南湖(S7-S8)和東湖(S9-S11)11個采樣點位。為了更好地描述太陽山濕地湖泊水質及營養化現狀，采樣時間為2019年4，7，10月和2020年1月以代表春、夏、秋、冬四季，具體采樣點位置如圖1所示。

圖1 太陽山湖泊水樣采集點分布圖

1.2 樣品的采集和測定

水樣采集按照采樣技術指導(HJ494-2009)、采樣方案設計技術(HJ495-2009)以及水質樣品的保存和管理技術(HJ493-2009)中的要求進行[12-13]。其中水體透明度指標SD使用塞氏盤現場進行測量，采用5.0 L有機玻璃采水器采集水樣并保存，帶回實驗室當天測定高錳酸鹽指數CODMn(GB/T11892-92)、氨氮NH3-N(HJ535-2009)、氟化物F(HJ487-2009)、總磷TP(GB/T11893-89)、總氮TN(HJ632-2012)、5 d生化需氧量BOD5(HJ505-2009)和葉綠素Chl.a(SL88-2012)等指標。浮游植物樣品采集及檢測方法參照規定[14]進行，浮游植物樣品包括定性標本和定量標本，定性標本使用25號浮游生物網在設計樣點處采集，并用魯哥氏液現場固定。用1 L采水器采集定量標本，現場用魯哥氏液固定，帶回實驗室后先經24 h沉淀濃縮至200 ml，再經24 h濃縮至50 ml，然后每50 ml加入2 ml甲醛保存。浮游植物的定性標本使用400倍顯微鏡進行觀察鑒定，一般鑒定到種，至少鑒定到屬，定量標本則采用視野法，計浮游植物個體數。

1.3 水質評價方法

1.3.1 灰色關聯法 灰色關聯法的基本思路是以《地表水環境質量標準GB3838-2002》中規定的5類水質分級標準作為比較序列，以各采樣點水環境因子實測值為參考序列[15]，從而得到兩者的關聯程度。具體的方法是，先對所選樣點的試驗數據和水質標準等級閾值進行歸一化處理，然后選取各個樣點的水環境因子指標值和相應水質的標準等級進行關聯，并根據每一個指標的權重計算出各樣點和5個水質標準等級的灰關聯序[16]，最后依據最大隸屬度的原則來判斷每個點位所對應地表水水質標準等級。

1.3.2 水質生物學法 浮游植物群落中各種參數變化可以很好地反應水體環境的變化，通常被用作水體環境的生物評估指標[17]。當水體環境變化時，浮游植物對其群落結構的適應性也會發生改變，因此可通過浮游植物的優勢度指數(Y)、Shannon-Wiener多樣性指數(H′)和Pielou均勻度指數(J)來衡量水體環境質量的優劣，具體計算公式為：

Y=Pi·fi

(1)

(2)

(3)

式中：Pi為第i個屬細胞密度ni占總細胞密度N的比例，fi為第i個屬出現的頻率，Y≥0.02為優勢種，S為浮游植物總屬數。參考宋勇軍[18]對湖泊水質生物學的研究，多樣性指數(H′)和均勻度指數(J)的水質生物學評價標準詳見表1。

表1 浮游植物水質生物學評價標準

1.4 富營養化評價方法

1.4.1 藻類生物學法 目前水體富營養化的生物評價法常選取浮游植物細胞密度、優勢種和多樣性指數指標[19]，不同營養狀態的水體中存在不同的生物物種，尤其是浮游植物細胞密度、多樣性指數(H′)以及均勻度指數(J)與水體營養狀態存在某種對應關系，因此可以通過浮游植物群落特征作為評價富營養狀態的依據[20]，水體營養狀態多樣性指數評級標準[21]詳見表2。

表2 水體營養狀態評價的多樣性指數及標準

1.4.2 綜合營養狀態指數法 綜合營養狀態指數法指標簡單、反饋靈敏，且考慮了相關權重的差異，故采用綜合營養狀態指數法評價太陽山濕地湖泊的營養狀態。選取了Chl.a，TP，TN，SD和CODMn作為評價因子，參照金相燦等[22]提出的評價方法，具體計算公式為：

(4)

式中：TLI(∑)是綜合營養狀態指數；Wj是第j種參數營養狀態指數的相關權重； TLI(j)為代表第 種參數的營養狀態指數;m為評價指標的個數，以Chl.a為基準參數，各指標營養狀態指數計算公式為：

TLI(Chl.a)=10(2.5+1.086lncChl.a)

(5)

TLI(TP)=10(9.436+1.624lncTP)

(6)

TLI(TN)=10(5.453+1.694lncTN)

(7)

TLI(SD)=10(5.118-1.94lncSD)

(8)

TLI(CODMn)=10(0.109+2.661lncCODMn)

(9)

式中：除Chl.a單位為mg/m3，SD單位為m外，其他指標單位均為mg/L。

將湖泊的營養狀態等級[23]按0～100的一系列連續數字進行劃分，綜合營養指數越大則表明水體的富營養化狀態越高。水體營養狀態指數小于30為貧營養，30～50為中營養，50～60為輕度富營養，60～70為中度富營養，大于70為重度富營養。

2 結果與分析

2.1 灰色關聯法評價

在進行關聯度計算時，結合太陽山濕地水體高氟情況，選取NH3-N，TN，TP，CODMn，BOD5和F作為評價因子。將湖泊季度平均值做歸一化處理，分辨系數選為0.1后，根據最大關聯度得出太陽山濕地湖泊的水質級別詳見表3。結果顯示，西湖在夏、秋季水體最好，為Ⅲ類水標準，春季和冬季較差，分別為Ⅴ類和Ⅳ類，呈現出明顯的季節性變化特點，這種特點同樣也出現在南湖水體中。南湖在夏、秋季水體水質要稍好于西湖，可達到Ⅱ類水，在春、冬季水質為Ⅳ類和Ⅴ類，小南湖和東湖水質最差，全年均為Ⅴ類水。

表3 灰色關聯法評價結果

2.2 水質生物學評價

太陽山濕地2019年各湖泊水體的浮游植物生物量、Shannon-Wiener多樣性指數(H′)和Pielou均勻度指數(J)如圖2所示。其中西湖的多樣性指數(H′)在夏季達到最大為3.99，秋季其次為3.43，均勻度指數(J)變化幅度較小。南湖同樣夏季多樣性指數(H′)最高為3.899，均勻度指數(J)變幅為0.04～0.08，此時水體達到全年最優狀態。小南湖和東湖情況略差，多樣性指數(H′)變化分別處于2.35～3.56和1.71～3.10，春、冬季接近中度污染狀態。

圖2 太陽山各湖泊浮游植物生物量、多樣性指數和均勻度指數

從整體來看，2019年太陽山濕地湖泊的浮游植物指數時空變化較為明顯，浮游植物生物量年平均生物量西湖最高，為24.15 mg/L，南湖最低，為15.13 mg/L。各樣點中，生物量最低出現在冬季的東湖，為4.10 mg/L，最高點出現在夏季的西湖，為33.06 mg/L。其中多樣性指數(H′)處于1.718～3.990，均勻度指數(J)均在0.8及以上，說明太陽山濕地湖泊浮游植物多樣性豐富，且均勻度較好。在夏季各湖泊的生物量、Shannon-Wiener多樣性指數(H′)和Pielou均勻度指數(J)均達到各自峰值，此時浮游植物種類數最為豐富，這是因為此時湖泊水體溫度較高，加上營養成分充足，各種藻類大量繁殖造成的，而春、冬季浮游植物以硅藻占絕對優勢，種類數下降的同時，多樣性指數也隨之下降。

2.3 藻類生物學法評價

太陽山濕地各湖泊2019年浮游植物細胞密度如圖3所示。其中西湖年浮游植物細胞密度平均值為1.25×107cells/L，其中春、夏和秋季密度分別為1.52×107cells/L，2.14×107cells/L和1.16×107cells/L，水體呈中營養，冬季密度較小為1.66×106cells/L，處于貧中營養狀態。南湖年浮游植物細胞密度平均值為6.77×106cells/L，其中夏季富營養程度最大，細胞密度為1.48×107cells/L，為中營養狀態，春、秋和冬季密度分別為4.83×106cells/L，6.16×106cells/L和1.29×106cells/L，均呈貧中營養狀態。小南湖年浮游植物細胞密度平均值為7.32×106cells/L，同樣夏季達到中營養狀態，植物細胞密度為1.69×107cells/L，而在其他季節依次為4.58×106cells/L，6.42×106cells/L和1.38×106cells/L，水體處于貧中營養。東湖年浮游植物細胞密度平均值為1.00×107cells/L，同樣在夏季密度最大，為2.52×107cells/L，處于中營養，在春、秋和冬季密度分別為6.24×106cells/L，7.78×106cells/L和8.83×105cells/L，呈現貧中營養狀態。

圖3 太陽山各湖泊浮游植物細胞密度分布

在浮游植物優勢種指示湖泊營養狀況[24]中，貧營養型湖泊一般以黃藻和金藻類為主，中營養型湖泊以隱藻、硅藻和甲藻為主，而富營養型湖泊優勢種大多為藍、綠藻。其中太陽山濕地湖泊春季優勢種共14種，分別屬于硅藻門、甲藻門和綠藻門，夏季優勢種有15種分別屬硅藻門、綠藻門和藍藻門，秋季優勢種共有13種屬于硅藻門、甲藻門、藍藻門和綠藻門，冬季優勢種為8種，均屬硅藻門。由此也可看出，太陽山濕地湖泊在夏、秋季已到達富營養程度，春、冬季多為中營養狀態。

2.4 綜合營養狀態指數法評價

按照湖泊營養狀態評價標準，對太陽山濕地湖泊進行綜合營養指數等級評價，評價結果詳見表4。

由表4可以看出，2019年太陽山濕地湖泊富營養化具有較明顯的季節變化，普遍呈現夏季營養化程度高，春、冬季營養化程度低的趨勢。其中西湖夏季最高，水體呈現輕度富營養，春、秋和冬季為中營養狀態；南湖情況較好，全年水體均呈現中營養。而小南湖情況較差，在夏、秋季為中度富營養，春、冬季則為輕度富營養。東湖與小南湖相差不大，除夏季水體呈現中度富營養外，其余季節均為輕度富營養狀態。

表4 綜合富營養狀態評價結果

3 討論與結論

3.1 水質特征分析

應用水環境理化因子灰色關聯法和浮游植物水質生物學法，對太陽山濕地湖泊的水質進行評價，其結果差異不大，具有較好的一致性。其中西湖夏、秋季為Ⅲ類水標準，南湖為Ⅱ類水標準，此時水體浮游植物的生物量、多樣性指數(H′)和均勻度指數(J)也達到各自峰值，其次為秋季，均呈微污染狀態。而春、冬季浮游植物種類數下降，多樣性指數(H′)隨之下降，此時水質較差，接近中度污染狀態。這些表明，水體中浮游植物多樣性指數(H′)和均勻度指數(J)能較好反映水質情況[25]，如果水體中浮游植物種類多且分布均勻性越高，則相對應的水環境污染也就越小。

水環境評價結果還顯示，太陽山濕地湖泊水質具有明顯的季節性特點，即夏、秋季節水環境質量要優于其他季節。這是由于外部降雨多集中于夏、秋季，湖內污染因子被稀釋，而在春、冬季時，由于入湖水量減少，使得湖內污染物濃度較高，水環境質量也就較差。西湖和南湖的季節性變化較為明顯，夏、秋季受外部降水和周圍地下水補給量大，水質較好，而春、冬相反，水體內氮類營養鹽TN含量過高，多為Ⅳ類和Ⅴ類水。小南湖與東湖情況較為復雜，季節特點變化不明顯，全年均為Ⅴ類水，這是因為湖水主要補給水源為苦水河上游來水，湖內CODMn，F和NH3-N造成的水環境污染較為嚴重。這一方面與當地水文地質條件有關系，經監測小南湖和東湖中水環境指標F超Ⅴ類水標準2.2～4.2倍，這是流域內含氟巖石等通過淋溶和解吸后[26]，在水體中蒸發、濃縮與累積等富集而成。另一方面由于濕地公園處于太陽山開發區內，受周圍工業排放與城鎮面源污染影響，湖內水體有機物CODMn和氨氮營養鹽NH3-N含量過高，因此而造成全年均為Ⅴ類水標準。

3.2 富營養化特征分析

在太陽山濕地湖泊富營養狀態評價中，浮游植物生物學評價結果與水環境理化因子評價結果有所差異，這種差異的存在不僅是因為湖泊生態環境本身具有復雜性和影響因素多樣性，還因為從不同角度去評價水體富營養程度均有其局限性，因此應綜合考慮兩種結果才能更為全面地評價太陽山濕地湖泊富營養化狀態。綜合以上兩種方法分析，西湖和南湖情況較好，多呈中營養狀態，小南湖和東湖較差，分別已達到中度富營養和輕度富營養水平。

小南湖和東湖的富營養化程度較大，一方面小南湖作為苦水河過水河道，是東湖的常年補給水源。在苦水河沿流域調查[27]中表明，其水體中營養元素過多，這主要與當地農田灌溉方式以及農業化肥的不當使用有關，農田灌溉退水中含有大量的氮、磷等營養鹽流入湖內，使得小南湖和東湖營養化程度較高。另一方面，也有學者[28]研究表明淺水水體更易發生富營養化，小南湖和東湖常年水位在1.2～1.6 m，屬于淺水型湖泊，在夏、秋季受溫度、pH值和風浪等因素影響，導致湖底沉積物中大量的營養鹽懸浮和釋放而造成水體營養化較為嚴重。濕地南湖附近有多處泉眼，受地下水補給較多，由于地下水量補給充足，氮、磷等營養元素被稀釋，使得南湖水體營養化程度相對較低，全年均呈中營養狀態。但南湖水域面積較小為41.6 hm2，環境容量有限，應密切監測其水體狀況變化趨勢。西湖西南區域村莊聚集，人為影響較為明顯外加湖內水生植物種類豐富，鳥類和兩棲類動物多且活動頻繁，致使夏季有機物污染較嚴重，水體呈現輕度富營養，春、秋和冬季活動較弱為中營養狀態。

3.3 結 論

(1) 太陽山溫泉國家濕地公園水質已受到不同程度的污染，在夏、秋季到達富營養程度，春、冬季多為中營養狀態，均呈現明顯的季節性特點。西湖和南湖水質較好，富營養化程度多為中營養狀態，而小南湖和東湖水質最差，且水體分別達到中度富營養和輕度富營養水平。

(2) 浮游植物群落特征與水質的關聯性較強，水質較好的區域(如西湖和南湖)的Shannon-Wiener多樣性指數(H′)較高和Pielou均勻度指數(J)變化小，在水質較差區域(如小南湖和東湖)的多樣性指數(H′)和均勻度(J)則相反。

(3) 由于湖泊水質和富營養化狀態受水環境系統多種因素影響，使用多種方法對其進行分析和評價，會因指標或角度的不同而產生差異。故在進行水質和富營養化評價時，除考慮常規的非生物指標外，還應考慮生物指標和評價對象實際特點，才能得到準確的結果。

綜合以上分析，參考國內其他地區研究，建議采取如下措施：首先應嚴格限制流入湖區地表水體氮、磷等污染物含量；合理地進行相關旅游開發，并考慮采用其他的補水來源，實現多渠道補水；考慮使用相關的工程技術和措施，如生物處理、生態修復和定期監測相結合的辦法，以免濕地水質和富營養化狀況進一步惡化。