“十三五”期間陽宗海富營養化狀態評價及其變化特征分析

張國涵，楊柏松，劉 斌，楊 瑩，王江濤，楊曉冬，夏萬永，劉 云

（1.云南省生態環境廳駐昆明市生態環境監測站，云南 昆明 650228；2.昆明市生態環境局西山分局生態環境監測站，云南 昆明 650000）

0 引言

湖泊水體富營養化是一個復雜過程，也是地表水面臨的最具挑戰性的環境問題之一[1,2]。當大量營養鹽進入湖泊水體，氮、磷濃度持續不斷增高將為藻類繁殖提供豐富的物質基礎，在光照、氣溫和水溫等其它自然影響因素的共同作用下[3]，浮游藻類大量繁殖并引起水華暴發，導致水體環境急劇惡化，魚類等水生生物死亡，大量有毒藻類分泌的藻毒素還會進一步污染水體，嚴重威脅水生態系統及人體健康[4]。因此，對水體富營養化狀況進行有效的評估對于防治水華暴發具有十分重要的作用。

湖泊富營養化評價，指的是通過與湖泊營養狀態相關的一系列指標及指標間的相互關系，對湖泊的營養狀態作出準確判斷。被廣泛采用的水體富營養狀況評價方法，主要是從水質、水生生物以及沉積物3個方面來進行，評價方法可概括為六大類型，即特征描述法、參數法、生物指示評價法、磷收支模型法、營養狀態指數法和數學分析法[5-7]，其中以Chla為基準參數的綜合營養狀態指數法是目前最常用的湖泊水庫富營養化評價方法[8]。

本文基于云南省生態環境廳駐昆明市生態環境監測站“十三五”期間（2016—2020年）陽宗海水質例行監測數據，運用綜合營養狀態指數法對陽宗海水體富營養化狀態進行評價，分析富營養化狀況時空變化特征，并進一步探討富營養化結果與水溫、pH、溶解氧和化學需氧量等指標的Pearson相關性，以期為保護湖泊水質，防止水華暴發提供科學的決策依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

陽宗海（102°5′~103°02′E，24°51′~24°58′N）為云南九大高原湖泊之一，地跨呈貢、澄江、宜良三地，東西平均寬2.5 km，南北長12.7 km，平均水深20 m，最大水深29 m，水面面積31.6 km2，流域面積約192 km2，僅有湯池一個出水口，屬封閉型深水湖泊。入湖水系主要有陽宗大河和七星河。研究顯示，陽宗海目前面臨著富營養化的威脅，營養鹽負荷的不斷累積正在加劇湖泊水華暴發的潛在風險[9]。

1.2 采樣點位設置

依據地表水采樣點位布設原則[10]，結合陽宗海地理地貌及水文特征，共設置了3個監測斷面，即陽宗海北、陽宗海中和陽宗海南。

1.3 樣品采集及分析

本研究分別于2015—2020年每月月初采集1次水樣，共計采樣60組。水溫（WT，℃）、pH、溶解氧（DO，mg/L）等現場指標使用多參數水質分析儀（美國，YSI ProPlus）進行現場測定，透明度（SD，m）采用塞氏盤法現場測量。總磷（TP，mg/L）、總氮（TN，mg/L）、高錳酸鹽指數（CODMn，mg/L）和葉綠素a（Chla，mg/L）等指標依據《水和廢水監測分析方法》（第四版，增補版）[11]進行樣品前處理及實驗分析。

1.4 數據處理

1.4.1 數據處理方法及工具

采用Excel計算綜合營養狀態指數；采用Origin 2021分析富營養化狀態時間變化，并運用ArcGIS 10.2軟件中的反轉距離權重法插值（IDW）分析富營養化狀態的空間變化特征[12]；采用SPSS26分析富營養化狀態與水溫、pH、溶解氧和化學需氧量等指標的Pearson相關性。

1.4.2 綜合營養狀態指數計算及營養分級

本文選用的綜合營養狀態指數計算公式如下：

式中：TLI(Σ)—綜合營養狀態指數；Wj—第j種參數的營養狀態指數的相關權重；TLI（j）—第j種參數的營養狀態指數。以Chla為基準參數，則第j種參數的歸一化相關權重計算公式如下：

式中：rij—第j種參數與基準參數Chla的相關系數；m—評價參數的個數。中國湖泊的Chla與其它參數之間的相關關系rij及見表1[13]。

表1 “十三五”期間陽宗海富營養化指標均值

營養狀態指數計算公式如下：

結果參照湖泊營養狀態分級指標評價[14]：TLI（Σ）＜30為貧營養；30≤TLI（Σ）≤50為中營養；TLI（Σ）＞50為富營養，其中50＜TLI（Σ）≤60為輕度富營養，60＜TLI（Σ）≤70為中度富營養，TLI（Σ）＞70為重度富營養。

2 結果與分析

2.1 綜合營養狀態指數計算結果

“十三五”期間陽宗海水質例行監測WT、pH、SD、TP、CODMn和Chla等理化指標均值如表2所示。可以看出， 2016—2020年陽宗海3個監測點位的WT、TP、SD、Chla和N:P等指標在時間分布上差異較大，其中N:P波動最大，已有研究表明N:P是影響浮游植物群落變化的主要原因之一[15]，在浮游植物的生長期內，水體中N:P比 < 7 時，氮是可能的限制性營養鹽；N:P>7時，磷則是可能的限制性營養鹽[16]，由此推斷TP可能是陽宗海富營養化程度的限制性因子；在空間分布上，TN、-N和N:P離散程度較大，其余指標差異較小。

表2 “十三五”期間陽宗海理化指標均值

綜合營養狀態指數（TLI(Σ)）計算及評價結果（表3）顯示：“十三五”期間陽宗海3個監測點位均為貧營養，整體富營養化程度不高。值得注意的是，3個點位的TP 和TN濃度均值已接近或高于國際認可的湖泊富營養化的臨界值（TN：0.2mg/L；TP:0.02mg/L）[17]，這表明陽宗海已具備水華暴發的營養物質基礎。

表3 “十三五”期間陽宗海綜合營養狀態指數計算結果及營養分級

2.2 富營養化狀態時空變化分析

2.2.1 富營養化狀態時間變化

時間變化上，陽宗海3個監測點位“十三五”期間TLI(Σ)整體均呈現先上升后下降的趨勢（圖1）。其中，陽宗海北和陽宗海南最高值均出現在2017年，陽宗海中最高值出現在2018年，陽宗海北和陽宗海中年整體呈現“倒U”形變化，陽宗海南則呈“倒V”形變化。查閱資料得知，《陽宗海流域水環境保護治理“十三五”規劃》于2016年正式實施，針對陽宗海的治理措施包括控源截污、面源防治、生態修復等手段。初步推斷，“十三五”初期（2016—2017年），環湖截污和河道清淤等工程導致水體被攪動，底部沉積物中的氮、磷等污染物會釋放到水體中[18]，導致富營養化程度的出現階段性升高，截至2017年底，環湖截污管道全部貫通，配套污水處理廠處理能力提升，外源污染大幅下降，水體富營養化程度也呈現持續降低的趨勢。

圖1 “十三五”期間陽宗海綜合營養狀態指數時間變化

2.2.2 富營養化狀態空間變化

空間變化上，2016年TLI（Σ）陽宗海北最高，陽宗海南次之，陽宗海中最低；2017年和2019年TLI（Σ）空間分布均是從南向北依次升高；2018年TLI（Σ）呈南北高中間低的“U”形分布，與之相反，2020年則呈“倒U”形分布。整體來看，“十三五”期間陽宗海北部區域的富營養化程度相對較高，南部區域相對較低。分析原因，陽宗海主導風向為西南風，流域多年平均風速為2.4 m/s[19]。已有研究表明，風力作用引起的水流擾動能直接影響藻類的遷移和聚集[20]，因此陽宗海北部聚集的藻類生物量要高于中部。而浮游藻類細胞衰亡的過程會向水中釋放出氮、磷等營養鹽[21]導致陽宗海北部富營養化程度比其它區域相對較高。

2.3 富營養化狀態與理化指標Pearson相關性分析

Pearson相關性分析結果（圖3~圖5）顯示，“十三五”期間，陽宗海北（圖3）的TLI（Σ）在95%的置信區間上與TN、CODMn和呈顯著正相關關系，與Chla、WT和BOD5等指標也呈正相關關系但不顯著，與DO和SD呈負相關關系但不顯著；陽宗海中（圖4）TLI（Σ）在95%的置信區間上與TN、、BOD5和N:P等指標呈正相關關系但不顯著，與WT、DO、CODCr、TP和SD呈負相關關系但不顯著；陽宗海南（圖5）TLI（Σ）在95%的置信區間上與TN呈顯著正相關關系，與Chla、CODMn、BOD5和TP等指標也呈正相關關系但不顯著，與pH、DO、CODCr、SD和N:P等指標呈負相關關系但不顯著。初步推斷：陽宗海富營養化狀態可能受TN和影響較大。

圖3 “十三五”期間陽宗海北Pearson相關性分析結果

圖4 “十三五”期間陽宗海中Pearson相關性分析結果

圖5 “十三五”期間陽宗海南Pearson相關性分析結果

3 陽宗海水質管理建議

（1）補齊陽宗海污染防治設施建設短板，進一步完善水污染防治體系，推進水環境質量提升；

（2）加大農業面源污染治理力度，進一步完善種植業結構調整規劃方案，減少氮、磷等營養鹽面源污染；

（3）加快區域產業結構調整，嚴格控制涉磷企業等單位的污染排放，加強陽宗海面山綠化、區域植綠補綠等工作。

4 結論

（1）綜合營養狀態指數計算結果表明，“十三五”期間陽宗海水體富營養化程度不高，營養分級為貧營養，但TP 和TN濃度均值已接近或高于水華暴發閾值，存在潛在生態風險。

（2）綜合營養狀態指數的時間變化顯示，陽宗海3個監測點位富營養化程度均呈現先上升后下降的趨勢；空間變化顯示，研究期間陽宗海北部區域的富營養化程度相對較高，南部區域相對較低。

（3）Pearson相關性分析結果表明，陽宗海富營養化狀態主要受TN和影響，建議進行針對性防治。