東平湖菹草(Potamogeton crispus)的遙感定量分析

吳春輝，劉淑芬，桑彥彥，張秋英，李發東，栗照鑫*，肖捷穎

(1.泰安市生態環境局東平分局，山東 泰安 271500；2.山東省泰安生態環境監測中心，山東 泰安 271018；3.泰安市生態環境局，山東 泰安 271018；4.中國環境科學研究院，北京 100012；5.中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101；6.中國科學院大學，北京 100049；7.河北科技大學，河北 石家莊 050011)

人類福祉在很大程度上取決于生態系統的服務功能[1]，水生生態系統由于具有提供可用水、灌溉和食物的作用則更為重要[2-4]。在許多發展中國家的人為活動，如不可持續的土地利用、未經處理的城市和工業廢物的排放以及農用化學品的密集使用，都在影響著自然水體的質量[5-6]，并可能損害這些水生生態系統提供食物和功能的能力[7]。湖泊作為重要的水生生態系統，不僅是人類重要的淡水資源，也具有非常重要的生態價值和環境價值[8-9]。東平湖是山東省第二大淡水湖，是國家南水北調水利工程重要的水庫調蓄區[10]，同時東平湖是山東省滿足日常生活和農業灌溉需要的主要淡水來源[11]。因此，加強東平湖水質的監測和治理意義重大。常規水質監測具有精度高的優點，但難于表達湖泊的整體、大面積水質狀況?，F代遙感技術獲取數據快速、能提供不同時相數據和整個湖泊大面積水質狀況，具有監測范圍廣、成本低和便于進行長期動態監測的特殊優勢，在湖泊水質監測中得到了廣泛地關注、研究及應用[12]。國內外針對湖泊水質的遙感監測已經具有較為成熟的理論、技術和方法，湖泊水質遙感監測指標主要包括葉綠素a、懸浮物、黃色物質、水溫、水深等，其中葉綠素a和懸浮物是影響水體光譜特征的主要物質，同時也是研究和應用中比較成熟的水質參數[13]。針對湖泊水質參數中的化學參數如氮、磷等則是通過間接的方法進行研究，未來研究主要側重于湖泊各種水質參數的遙感反演[14]?，F有湖泊水質遙感反演方法主要根據經驗、半經驗模型，對內陸重要湖泊和城市水源地的葉綠素含量、藍藻爆發、總懸浮物含量等水質參數進行遙感監測與空間反演[15]。多數模型應用于明確水中藻類的時空分布、流域營養物質輸送模型和湖泊水域水質模型等問題，為水體富營養化現狀評價提供信息支持，為水資源管理與污染治理決策提供空間可視化依據。

菹草廣泛分布于中國南北地區的淡水水體中，是南水北調東線河湖中常見的沉水植物，也是該地區冬春季沉水植物群落的主要建群種，在水生生態系統初級生產力、營養元素的生物地球化學循環和維持水體穩定性方面起著重要作用[16]，因其生長期間葉、莖、根能大量吸收磷元素而被廣泛作為凈水植物[17]，同時也可作為水體富營養化程度的指標植物[18]。磷素是造成淺水湖泊富營養化的主要元素[19]，因此測定水體中的磷濃度對分析水體污染程度及治理具有重要意義。以上的研究多集中在對水體污染元素的直接測量以及狹小范圍內水草的研究，本研究利用遙感方法定量分析東平湖菹草動態變化，旨在揭示東平湖菹草的季節生物量動態，闡明對東平湖總磷含量的影響，為東平湖水質治理，特別是總磷的治理提供科學支撐。

1 研究區概況和研究方法

1.1 研究區概況

東平湖(35°30′～36°20′N，116°00′～116°30′E)位于山東省泰安市東平縣西部(圖1)。東通大清河，西連黃河，北起清河口門，南至金線嶺圍堤，是山東省第二大淡水湖泊，也是中國東部地區典型的淺水型湖泊。

圖1 東平湖位置

1.2 研究方法

本研究通過分析遙感影像，探究東平湖水質的周年變化。使用的遙感影像為美國陸地衛星Landsat 8 OLI 數據，數據生成時間為2017年2月16日、5月7日、7月10日、9月12日、9月28日、10月30日、2018年3月23日、4月25日和6月11日，所有數據質量滿足本研究要求。

經過校正預處理及波段計算處理，通過目視解譯及模型模擬分析東平湖近1年的植被狀況。對數據進行方差及顯著性分析，得出結果。

2 結果與分析

2.1 東平湖水中植被年變化

植被指湖水中的水草，并非水體中葉綠素。水體中水草的量由圖2湖水中的紅色區域表示，整體上看，只有2017年5月7日和2018年4月25日的影像，水體中有非常明顯且大量的紅色區域出現，這是因為東平湖中有大量的菹草及各種其他水草，菹草每年到5月份成長到最旺盛的時期，由于溫度高而死亡。2017年5月份湖水中水草廣泛分布在除了小區域人類行為(疏浚和養魚)影響之外的所有區域。2018年4月25日的圖像顯示湖水中植被的量要少于2017年，主要存在于湖區沿岸，應該是受面源污染的影響；除此之外，梁莉莉等[20]研究表明1991—2017年這26年間東平湖菹草群落不斷擴張，并經Spearman秩相關分析,菹草面積與湖水營養化水平顯著正相關。2018年菹草生物量低于2017年也可能是由于富營養化水平降低所致，說明當地政府加大了東平湖水體治理力度。

圖2 東平湖水體植被變化

2.2 東平湖水質植被空間變化

為更好地表達湖區水體中植被的空間變化，通過對9期遙感影像的處理和計算，對不同時期圖像的植被指數利用同一分段標準制圖，可以相對準確地描述湖區水體中植被的空間分布及變化特征，見圖3。

從總體上看，2017年9月28日和2018年6月11日的影像上體現的水中植被的數量總體偏低，呈從湖中心向岸邊同心圓狀增加的狀態，湖區北部湖口處植被數量偏大。2017年7月10日、9月12日和2018年3月23日3期圖像顯示，這3個階段水體中植被的含量較2017年9月底和2018年6月有所增加，同樣是湖心相對較低，北部湖口處較高。2017年2、10月水體中植被的量處于中等水平。2017年5月7日和2018年4月25日的分析結果是研究階段里最高的，高植被量的存在說明，這些區域具備菹草所需的營養條件，符合菹草的生長規律。夏季芽殖體沉入湖底休眠，秋冬緩慢，次年春季大勢生長，麥收時節水溫升高后死亡。2017年5月水體中植被量高的區域面積非常大，約占1/3，主要分布在東北部和南部。2018年4月的影像顯示，高植被量的區域比2017年減少了很多，主要在北部，東部和南部沿岸地帶。表明最近當地政府和環保主管部門的治理力度較大，取得了明顯的效果。

2.3 東平湖菹草生物量分析

菹草的生物量變化趨勢基本一致，即生物量累積曲線呈 S 型[21]。5月份菹草已經成為東平湖水域水生維管束植物的優勢種群，覆蓋面積可達80%以上，平均生物量3.27 kg/m2(濕重)，最大生物量達到5.33 kg/m2(濕重)，整個東平湖鮮菹草年產量在50萬t以上[17]。

每年的4—5月份為湖水中菹草生長最為旺盛的時期，結合現有圖像資源，計算了2017年5月7日和2018年4月25日東平湖內菹草干物質的量，見圖4。兩個時期相比較，2018年湖區的總體上看，所產生的干物質量要少于2017年5月份，這與前面的研究結果一致，東平湖水域治理初見成效。

a)20170216

d)20170912

g)20180323

a)20170507

2.4 湖內菹草生長過程對湖水氮磷含量影響

研究表明菹草在生長時期因其吸收各種水體營養物質而對湖水起到了的凈化作用。在夏初季節植株腐爛分解過程中，有大量累積吸收的氮、磷向水體釋放。東平湖面積按120 km2，平均水深按2 m，菹草產量按250×104kg/km2，菹草覆蓋面積按80%，菹草平均含水率按92%計[17]，年產菹草干重約3.8萬t，鮮草約47.5萬t，含氮、磷各約6 707、190 t(亦是菹草對湖水中氮、磷的年吸收量，即總磷含量為5 g/kg干重)，表明內源的貢獻非常大。菹草在開始腐爛的第4～6 d，磷元素的累積釋放率達到91.3%，可以估算出約有173 t的磷會釋放到湖中；氮元素的累積釋放量則是在第14 d達到最高值。

根據計算，相當于總磷含量為0.73 mg/L(以最大釋放量173 t，面積120 km2和水深2 m計算)。因此，若通過打撈的方式降低湖水中的氮、磷元素的含量，最好在菹草生長盛期之后，腐爛分解過程開始之前進行，一旦開始腐爛分解，就會造成東平湖水質中氮、磷元素濃度的急劇升高。鄧煥廣等[22]研究結果也表明菹草在腐爛過程中會向水體釋放大量氮、磷元素及溫室氣體，對水體造成二次污染。陳志剛等[23]研究也發現菹草在腐爛后氮、磷分別釋放9.14%、32.02%；此外，菹草枯落物氮、磷元素積累指數(NAI)平均值分別為46.10和32.23，表明菹草在腐爛分解過程中氮磷元素均以凈釋放為主。根據2018年5萬t打撈量計算，僅可降低10.5%的釋放量，即總磷含量仍然可達0.65 mg/L。

3 結論

水生植物和養殖導致湖泊中的氮磷增加，為東平湖的菹草生長提供了豐富的營養。特別是水草的生長，近年呈增加趨勢。然而，水草雖然在生長季吸收了大量的氮和磷，對水體中的營養物質有凈化作用，每年4—5月底達到盛期，起到了吸收湖水中氮、磷元素的作用。但是，6月后，隨著水草枯死、腐爛，磷再次釋放進入水體，周而復始而難以清除。有研究結果表明，菹草中總磷含量為5 g/kg干重，每千克干菹草在第25 d時釋放磷的量達到高峰，釋放總量為5.65 mg 磷，按照菹草平均含水量92%來計算，那么假設每年收割2 212 t的濕菹草，消減磷的釋放量為1 t。因此，通過每年收割菹草抑制東平湖富營養化水平升高確實是一種有效的方法，但是要達到徹底消除水體污染的目的，必須得多措并舉。