2016—2022年太湖胥口灣水質變化及對水溫、水位的響應

朱 偉,尤星宇,段志鵬①,呂 藝,侯 豪

(1.河海大學環境學院,江蘇 南京 210098;2.河海大學土木與交通學院,江蘇 南京 210098)

太湖是我國第三大淡水湖,屬超大型淺水湖泊,其水質環境在空間上存在顯著差異。例如,太湖東南部區域的水質要明顯優于西北部和湖心區域[1],總體呈“東清西濁”特征[2]。以胥口灣為代表的太湖東部是草型清水區,可提供優質的飲用水,對維系區域水資源安全具有重要意義[3]。監測顯示,近年來太湖北部水質環境發生了顯著變化[1],可能影響總體水質格局。然而,胥口灣缺乏水質跟蹤監測,導致難以全面掌握太湖水質總體變化趨勢,不利于水資源管理。

經典湖泊穩態理論表明,處于穩態的淺水湖泊生態系統能夠強化該區域的水質特征[4]。例如,草型清水區的水生植物既能吸收營養物質[5-6],又能有效削減風浪對底泥的擾動以減少底泥再懸浮,降低水體營養鹽濃度[3]。此外,水生植物還能分泌化感物質直接抑制藻類生長[7-8],共同維系草型清水狀態。然而,極端天氣如持續高溫或由其引起的流域洪水可能導致草型系統發生災變。研究表明,持續高溫可能對水生植物造成高溫脅迫,抑制水生植物生長和繁殖[9]。同時,高溫還能增加底泥微生物活性,驅動底泥有機質加速分解和氮磷等營養物質快速釋放[10]。流域洪水還可能帶來上游含高濃度營養鹽物質的水團,直接導致草型湖區的水質指標惡化[11]。流域洪水導致的水位快速上漲也會嚴重削弱水下光場,可顯著抑制水生植物的光合作用,進而導致水生植物衰亡,誘導草型淺水湖泊生態系統的災變發生[12]。因此,明確太湖典型草型清水湖區水質環境變化趨勢及對水溫、水位的響應,對區域水資源管理具有重要意義。

近年來,太湖流域發生多次大洪水和持續高溫事件。2016年夏季發生特大洪水[13-14],隨后2020年夏季又發生大洪水[15-16],2022年夏季太湖流域乃至整個長江流域發生罕見的持續高溫和干旱事件[17],尤其是8月整個太湖流域出現大范圍、長時間的高溫干旱天氣,使得太湖夏季水位相比歷史同期下降約45%[18]。極端天氣及水溫、水位變化可能顯著影響太湖水質格局[19],威脅區域生態環境安全。

研究選取太湖典型草型清水湖區——胥口灣,分析自2016年以來的水質變化規律,補充胥口灣近年來較長時間序列的水質監測數據,有利于深化對太湖水環境總體格局的認識。同時,探究胥口灣水質環境與水溫、水位的變化關系,力圖探明水質環境對流域內極端天氣及其引起的流域洪水的響應特征,以期為草型淺水湖泊生態系統對水溫、水位的響應研究提供理論參考,為水資源管理提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區域與樣品采集

研究在太湖胥口灣設有2個環境監測站點(圖1)。其中,樣點1處于胥口灣與湖心區和北部灣區的交界區域,屬于草型區向藻型區過渡區域,水質特征受上游來水影響可能更加顯著[2]。樣點2處于胥口灣內部中心區,是典型的草型區,水動力和生態環境均較為穩定,屬于飲用水源地保護區。

圖1 太湖胥口灣水質環境監測站點

監測時間為2016年1月1日至2022年12月31日,每天采用HACH-GLI在線pH/ORP分析儀(sc200P53P33PRO-P3,美國)實時監測水溫和pH值,并通過邁德施在線葉綠素檢測儀(MDS-B500CPL,中國)估算葉綠素a(Chl-a)濃度。同時,在表層水下0.5 m處采集水樣,收集于500 mL塑料樣品瓶中,并在4 ℃下避光快速轉運至實驗室,24 h內測定氮磷濃度。需要注意的是,由于儀器等原因,樣點1缺乏2022年8月以后的水質指標數據,樣點2缺乏2016年水溫的日均數據(僅存月均數據)、部分營養鹽和Chl-a濃度數據。

1.2 水質指標測定

水樣氮磷濃度測定包含總氮(TN)、氨氮(NH3-N)和總磷(TP)指標,同時測定水樣的高錳酸鹽指數(CODMn)以表征水體中的有機物質含量。上述水質指標的測定方法均參照文獻[20]中的標準方法進行。每個水質指標的月均數據是將該指標的每日數據累計后取平均值。

1.3 水位數據采集

太湖水位數據來源于水利部太湖流域管理局(http:∥www.tba.gov.cn/),包含2016年1月1日至2022年12月31日太湖水位的2 551個日均數據點。月均水位數據是將該月的每日水位數據累計后取平均值。

1.4 高水溫、高水位或洪峰時段識別

將水溫觸及30 ℃且后續水溫連續3 d高于該溫度時定義為高水溫時段或高溫氣候事件,這是因為水溫超過30 ℃通常會顯著改變藻類和水生植物的生理生化活性及物種組成[9]。太湖水位受流域降水和人工調蓄共同作用,流域極端降雨導致的洪水對湖泊生態系統可能具有顯著影響。然而,流域降雨對湖泊生態系統的影響通常具有滯后性,水位能更直接地表征流域極端降雨對湖泊系統的影響。基于此,將太湖的設計洪水警戒水位3.8 m設為高水位,當太湖水位觸及3.8 m且后續水位連續3 d高于該水位時定義為高水位時段或洪峰時段。

1.5 數據分析

所有統計分析均在R語言(R version 4.1.0)中進行。通過R語言自帶的aov函數進行單因素方差分析,對比分析高水溫、高水位時段胥口灣水質環境與非高水溫、非高水位水質環境指標日均數據的差異顯著性,顯著性水平設為P<0.05。此外,采用R語言自帶的prcomp函數對胥口灣水質環境指標月均數據的季節性變化和空間差異性進行主成分分析(PCA),并采用ggplot2程序包中的autoplot函數繪制主成分分析數據圖。同時在R語言中運行vegan程序包中的rda函數,通過冗余分析(RDA)和分步冗余分析(pRDA)定量分析月均水溫和水位對胥口灣水質環境指標月均數據波動的貢獻率,并采用permutest函數對自變量貢獻值的顯著性進行置換檢驗(999次置換),顯著性水平設為P<0.05。

2 結果與分析

2.1 太湖胥口灣水質指標變化趨勢

2016—2022年太湖胥口灣2個樣點處的TN濃度、CODMn和pH值水平和變化趨勢均較為接近(圖2)。

圖2 2016—2022年胥口灣TN、TP、NH3-N、Chl-a、CODMn和pH值的變化趨勢

其中,2016—2018年TN質量濃度在1.5 mg·L-1左右,TN質量濃度于2018年春季達到峰值(1.8～2.3 mg·L-1)后快速下降,2019—2022年處于0.6～1.5 mg·L-1之間(均值約1.0 mg·L-1)。而CODMn在2016—2018年有快速下降趨勢,隨后變化趨于平緩,在3.0 mg·L-1左右小幅波動。近7 a來胥口灣的pH值穩定在8.2左右,但樣點2處的pH值浮動更為劇烈。

相比之下,TP、NH3-N和Chl-a濃度在樣點1和樣點2之間有顯著差異。其中,樣點1處的TP和Chl-a濃度要顯著高于樣點2,而NH3-N濃度在2個樣點之間的差異相反(圖2)。樣點1處TP質量濃度在2016—2022年總體上表現出下行趨勢,但在2016年夏季和2022年春季分別出現低谷值(0.04 mg·L-1)和高峰值(0.09 mg·L-1);而樣點2處的TP質量濃度在0.03 mg·L-1左右浮動。雖然樣點1處Chl-a濃度維持在較低水平(4.3 μg·L-1),但常在冬春季出現峰值;而樣點2處的Chl-a質量濃度常年低于3 μg·L-1。樣點1處的NH3-N質量濃度常年低于0.1 mg·L-1,且波動幅度小;而樣點2處的NH3-N濃度要明顯高于樣點1,且在2017—2019年出現極大波動,最大值達0.6 mg·L-1。

2.2 太湖胥口灣水溫與水位的變化趨勢

近年來太湖胥口灣水溫呈快速上升趨勢,2016—2022年水溫年均值上升近1 ℃(圖3)。夏季是太湖流域溫度最高的季節,就月均值而言,2016—2022年中只有2021年全年水溫月均值均低于30 ℃。2017和2022年7、8月水溫月均值均高于30 ℃,分別為31.6、30.7 ℃以及31.2、31.6 ℃。就日均值而言,2017和2022年高水溫時段天數分別為44和54 d,遠高出2016—2022年高水溫時段天數均值(35.1 d)。

圖3 2016—2022年胥口灣水溫及水位的月均值、年均值變化

近年來太湖水位波動幅度也較大,2016年是特大洪水年,水位年均值接近3.6 m。2020年也是洪水年,水位年均值接近3.4 m。月均值上,2016年6、7、10月水位均超過警戒水位(3.8 m)。日均值上,2016年高水位(>3.8 m)時段天數為89 d,2020年高水位時段天數為47 d,其余年份的高水位時段天數均小于5 d。

2.3 水溫和水位對太湖胥口灣水質環境的影響

通過PCA分析發現,太湖胥口灣水質環境存在一定的季節差異和顯著的空間差異(圖4)。主成分第一軸(PC1)對太湖胥口灣水質數據變異性的解釋率為32.9%,第二軸(PC2)的解釋率為19.2%。其中,造成胥口灣水質環境季節差異的主要因素為TN、水溫和水位,其他因素無顯著貢獻。空間差異性分析顯示,樣點1和樣點2存在顯著差異,且樣點1和樣點2在第一軸上差異化分布的主要貢獻水質指標為NH3-N、Chl-a、TP濃度和CODMn。相反,TN濃度、水位和水溫的空間差異性較低。

圖4 太湖胥口灣水質環境季節差異和空間差異的主成分分析

通過RDA分析發現,水位和水溫變化對胥口灣水質環境的影響非常有限,總解釋率不足5%(圖5)。其中,水溫顯著貢獻RDA1(R2=0.11,P=0.001),水位顯著貢獻RDA2(R2=0.08,P=0.003)。分步冗余分析(pRDA)分析顯示,水溫對水質環境有顯著影響(P=0.026),但水位的影響不顯著(P=0.397)。

圖5 水溫和水位對胥口灣水質指標影響的冗余分析

通過方差分析高水溫期間(>30 ℃)與非高水溫期間水質指標之間的差異,發現高水溫對胥口灣水質環境有顯著影響(圖6)。具體而言,高水溫期的TN、NH3-N濃度和CODMn分別比非高水溫期降低8.8%(P<0.001)、12.9%(P<0.05)和4.6%(P<0.001),而pH值上升0.65%(P=0.003)。然而,高水溫對胥口灣TP和Chl-a濃度均未產生顯著影響(P>0.05)。

圖6 高水溫(>30 ℃)對胥口灣水質指標的影響

方差分析顯示,流域洪水或高水位(>3.8 m)同樣顯著影響胥口灣水質環境(圖7)。洪水期間,NH3-N濃度下降35.6%(P<0.001),TN濃度降低9.8%(P=0.004),TP濃度下降6.1%(P=0.02),pH值下降1.3%(P<0.001),而Chl-a濃度上升65.5%(P<0.001)。相較而言,流域大洪水對胥口灣CODMn未產生顯著影響(P=0.08)。

圖7 流域高水位(>3.8 m)對胥口灣水質指標的影響

3 討論

3.1 太湖胥口灣水質環境波動的原因分析

監測顯示,2016—2022年胥口灣水質指標總體穩定,表現出改善趨勢(圖2)。這既展現出草型湖區生態系統的穩態性[4],也受益于近年來環太湖大力度的水環境治理措施。通過流域綜合治理,環太湖入湖河道氮磷等污染物輸入量已經快速降低,水質指標持續改善[21]。其中, 2020—2021年TN和TP平均濃度相較于2007年分別降低47.5%和18.0%[22]。然而,胥口灣水質分布存在顯著的空間異質性(圖4)。相比于樣點2(灣區內部),樣點1(西部外沿區域)的TP和Chl-a濃度較高且波動較大。其中,TP濃度月均值在2022年2月達近年來的峰值(約0.1 mg·L-1),而Chl-a濃度也常在冬春季出現峰值。盡管如此,TP與Chl-a濃度之間沒有顯著相關性(R2=0.004,P>0.05),表明樣點1的冬春季藻類峰值并非TP濃度波動引起,亦或是TP濃度波動與藻類繁殖關系不大。由于樣點1臨近湖心區和北部灣區(圖1),因而受上游來水的影響可能較為顯著。樣點1位于北部區域水團進入胥口灣的主要通道[2],上游水團進入胥口灣后有較長的停留時間[2],這可能解釋了樣點1的TP和Chl-a濃度較高、變幅較大。NH3-N濃度表現出相反趨勢,樣點2處的NH3-N濃度是樣點1處的2～3倍,這可能與區域水生植物生長過程相關。樣點2處的水草茂盛[23],但水生植物衰敗過程中可能會釋放NH3-N[24]。這表明適度的水草管理措施(分區收割等)可能有利于維持胥口灣NH3-N濃度穩定。

此外,胥口灣水質指標的季節性變化不明顯。除水溫和TN濃度以外,其余水質指標均不能有效分辨出季節性變化規律。胥口灣TN濃度通常冬春季較高,而夏秋季出現顯著下降,這種變化趨勢可能主要由微生物的反硝化作用引起。研究表明,反硝化是太湖水體脫氮的主要過程,且隨著水溫的上升,水體微生物反硝化作用逐漸加強[25]。這可能是TN濃度冬春高、夏秋低的原因之一。在草型湖區,水生植物的衰敗過程也可能顯著影響NH3-N濃度。但筆者研究表明,胥口灣內部區域多數情況下NH3-N濃度占TN濃度的比值低于20%,這表明NH3-N濃度波動并沒有顯著影響TN濃度的變化趨勢。

3.2 水溫對太湖胥口灣水質環境的影響

水溫是湖泊生態系統中的重要物理參數,直接影響水生動植物的新陳代謝和微生物對有機質的分解等湖泊物質能量交換速率[26-27]。因而,水溫變化可能會對湖泊生態系統造成復雜的影響[28]。筆者研究顯示,2016—2022年太湖胥口灣水溫年均值出現快速上升趨勢(圖3,R2=0.89,P<0.01)。需要指明的是,由于缺乏日均數據,該研究中2016年水溫年均值通過月均數據計算獲得。月均水溫數據可能存在采樣日期代表性差的問題,難以準確計算水溫年均值,這可能是水溫年均值在2016年出現最低值(18.48 ℃)的原因。然而,即便剔除2016年的數據,2017—2022年的水溫年均值同樣表現出顯著上升趨勢(R2=0.87,P<0.01),上升幅度達0.65 ℃,遠高于全球大部分湖泊表面水溫的上升速率〔0.34 ℃·(10 a)-1〕[28]。彭宗琪[29]發現,2000—2018年我國主要大型湖泊(巢湖、滇池、太湖、洪澤湖、鄱陽湖和洞庭湖)的全年平均水溫上升速率約為0.3 ℃·(10 a)-1,且夏季上升更加顯著。這表明太湖胥口灣水溫年均值可能進入了快速上升期。

湖泊升溫可能會加劇湖泊富營養化進程,改變水質環境健康狀態[30-31]。RDA分析發現,雖然水溫變化對胥口灣水質指標波動的貢獻較低,但水溫顯著影響了胥口灣的水質環境(圖5)。pRDA分析顯示,高水溫(>30 ℃)期間TN、NH3-N濃度和CODMn顯著下降(圖6)。水生植物的適宜生長溫度通常低于25 ℃。研究表明,高溫會顯著抑制水生植物的生長[9],影響其對氮磷等元素的吸收。胥口灣的優勢水生植物種類為苦草(Vallisneriaspiralis)、金魚藻(Ceratophyllumdemersum)和狐尾藻(Myriophyllumspicatum)[32]。其中,苦草和金魚藻最適生長溫度均可達30 ℃,且能適應更廣的溫度范圍[33-34]。高溫期間胥口灣水生植物對氮的吸收利用可能會增加,導致TN和NH3-N濃度降低。此外,高水溫會增加微生物活性,加快有機物質分解及反硝化,提高脫氮速率[35],有利于降低水體中氮和有機質含量。

3.3 水位對太湖胥口灣水質環境的影響

水位也是影響湖泊生態系統的重要物理參數。研究顯示,草型淺水湖泊生態系統對水位變化極為敏感[36]。因為高水位會顯著削弱水下光強,抑制水生植物生長或誘導水生植物大面積衰亡,最終可能引發系統性災變[37]。然而,筆者研究發現,水位不能有效解釋胥口灣水質環境的年際變化趨勢(圖5)。雖然每年太湖水位會在夏秋季出現峰值,但水位波動并沒有引起胥口灣水質指標的規律性波動(圖3)。這可能是由于胥口灣多數年份的水位均較低,且波動幅度小(圖3),未引起水生植物的顯著變化。盡管如此,流域洪水或高水位顯著影響了胥口灣水質環境(圖7)。其中, NH3-N和Chl-a濃度受高水位的影響最為顯著,分別下降35%和上升65%。同時,上游來水還可能攜帶太湖北部灣區的藍藻顆粒進入胥口灣,這或許是Chl-a濃度顯著上升的原因之一。

此外,高水位期間胥口灣TP濃度出現顯著下降趨勢(圖7)。尤其是2016年7月太湖流域特大洪水期間,胥口灣西部外沿區域的TP濃度出現極低值(0.004 mg·L-1)。前人研究表明,2016年的特大洪水導致太湖TP入湖通量顯著高于平水年[38],但洪水期間高磷濃度水團由太湖西北部向胥口灣等東南部遷移過程中,水體磷濃度出現了顯著降低趨勢[11]。這是因為經由河道等陸源輸入太湖的磷以顆粒態磷為主,外源輸入的顆粒態磷進入湖泊后會快速沉降進入底泥[2],這使得洪水期間高磷濃度水體不能到達胥口灣等太湖東南部區域[11],相反可能對胥口灣內部的TP進行稀釋,從而導致水體TP濃度出現下降趨勢。綜上所述,雖然近7 a水位變化對胥口灣水質環境年際變化的總體趨勢無顯著影響,但流域洪水或高水位造成了NH3-N、Chl-a和TP濃度等關鍵水質指標的顯著波動。

4 結論與展望

胥口灣是太湖水質環境最優質的區域之一,雖然2016—2022年間太湖流域發生了持續高溫的極端天氣或特大洪水事件,但胥口灣的水質環境總體穩定,氮磷濃度波動向好的趨勢不變。然而,胥口灣水質存在顯著的空間異質性。其中,胥口灣西部外沿區域的水質要明顯劣于水生植被更加繁茂的內部區域,但內部區域的NH3-N濃度要顯著高于西部邊沿區。因此,NH3-N濃度應成為胥口灣內部的重點監測指標。此外,雖然水溫和水位對胥口灣水質環境波動的貢獻較低,但高水位和高水溫對多數水質指標有顯著影響,表明流域洪水和持續高溫等極端天氣可能成為破壞胥口灣水環境穩定的重要不確定性因素。該研究闡明了近年來胥口灣水質特征,識別出對流域洪水和持續高溫高度敏感的關鍵水質指標,可為胥口灣水資源風險評估和高效管理提供理論參考和借鑒。