曾慶飛,谷孝鴻,周露洪,2,毛志剛,2 (中國科學院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國家重點實驗室,江蘇 南京 20008；2中國科學院研究生院,北京 00049)

東太湖水質(zhì)污染特征研究

曾慶飛1*,谷孝鴻1,周露洪1,2,毛志剛1,2(1中國科學院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國家重點實驗室,江蘇 南京 210008；2中國科學院研究生院,北京 100049)

2008年8月至2009年7月研究了江蘇東太湖網(wǎng)圍養(yǎng)殖區(qū)、東茭咀、油車港等12個典型湖區(qū)的水環(huán)境特征,運用主成分分析法研究東太湖水質(zhì)的空間異質(zhì)性及主控因素.結(jié)果表明,東太湖水質(zhì)在各區(qū)域存在顯著差異,季節(jié)變化明顯,主要表現(xiàn)為豐水期水質(zhì)優(yōu)于枯水期. 12個水質(zhì)指標簡化成2個主成分,主成分I代表水體的總磷、溶解性總磷和磷酸鹽水平,是東太湖水域最主要的污染因子;主成分II主要反映水體的有機污染狀況,葉綠素a和高錳酸鹽指數(shù)的貢獻率較大.利用主成分得分進行聚類分析,將12個采樣點分為4類,北部由于受東山鎮(zhèn)生活污水影響,各入湖河道口污染較為嚴重,特別是油車港;網(wǎng)圍養(yǎng)殖區(qū)由于人工栽植的水草較為茂盛,水質(zhì)較好,同東茭咀、太浦河口等水域的水質(zhì)一樣.

東太湖；水質(zhì)；空間差異；主成分分析

東太湖位于洞庭東山半島的東南面,是太湖東南隅的一個湖灣,承擔著太湖來水泄洪通道的功能.該區(qū)湖底平坦,底質(zhì)肥沃,水草茂盛,水質(zhì)良好,漁業(yè)資源豐富,它不僅是重要的魚類繁殖保護區(qū)和商品魚基地,也是上海等地區(qū)的重要水源地

[1].自20世紀70～80年代網(wǎng)圍養(yǎng)殖實驗獲得成功,網(wǎng)圍養(yǎng)殖取得了極其顯著的經(jīng)濟和社會效益

[2].與此同時,由于缺乏科學的引導和系統(tǒng)全面的規(guī)劃,網(wǎng)圍養(yǎng)殖的盲目發(fā)展對湖泊環(huán)境和水利、航運等產(chǎn)生了一定程度的不良影響,湖泊環(huán)境質(zhì)量下降,湖泊沼澤化和富營養(yǎng)化現(xiàn)象漸趨嚴重[3-4].如何在保持良好湖泊生態(tài)環(huán)境前提下,合理開發(fā)利用草型湖泊漁業(yè)資源已成為重要課題.分析東太湖水質(zhì)時空變化規(guī)律,研究水質(zhì)污染主控因子,對于探討網(wǎng)圍養(yǎng)殖對東太湖生態(tài)環(huán)境的影響具有重要意義.

1 采樣點布設(shè)與采樣方法

2008年8月至2009年7月,每月中下旬采樣,在東太湖定點2個養(yǎng)殖區(qū)及代表性港口、敞水區(qū)共12個監(jiān)測點位(見圖1).調(diào)查的水環(huán)境指標,包括水溫(T)、pH值、透明度(SD)、濁度(Turb)、電導率(TDS)、總氮(TN)、氨態(tài)氮(NH4+-N)、亞硝態(tài)氮(NO2

--N)、硝態(tài)氮(NO3--N)、總磷(TP)、磷酸鹽磷(PO43--P)和葉綠素 a(Chla)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、溶解氧(DO).各項指標測定方法見《湖泊富營養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范》[5].除pH值、DO、T、SD、Turb和TDS現(xiàn)場測定外,其他指標均為實驗室分析得出.水樣采用有機玻璃采水器在水面下20cm處采集,所有水樣帶回實驗室后存于4℃冰箱,在48h內(nèi)分析測試完畢.

圖1 采樣點的分布Fig.1 Distribution of Sampling sites

2 分析方法

主成分分析目的在于將數(shù)據(jù)從高維空間投影至低維空間,甚至用2或3維空間顯示數(shù)據(jù)特征.它將原始變量進行變換,使少數(shù)幾個新變量為原變量的線性組合,同時這些新變量要盡可能多的表征原變量的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征而不丟失原始變量的數(shù)據(jù)信息,新變量之間相互正交[6].由于主成分分析法消除了指標間相關(guān)關(guān)系的影響,針對指標間相關(guān)性較強的指標其評價結(jié)果可靠性大大高于其他評價方法.因此本實驗采用主成分分析,通過恰當?shù)臄?shù)學變換使新成分成為原變量的線性組合,只通過較少的主成分代替較多的原變量分析,提取指標間相關(guān)性較小、對結(jié)果影響程度最大的綜合評價指標.采用SPSS 13.0對數(shù)據(jù)進行主成分和聚類分析.

3 結(jié)果與分析

3.1 東太湖水質(zhì)時空變化特征

東太湖2008年8月到2009年7月各監(jiān)測點主要水質(zhì)指標的年平均值和季節(jié)變化范圍如表1所示.就空間差異而言,各水質(zhì)指標在各監(jiān)測點的季節(jié)變化趨勢基本一致,整體表現(xiàn)為東南低,西北高.油車港、瓜徑口、張家浜和大缺港,由于受到東山鎮(zhèn)人類生活污水排放的影響,TP、CODMn、NH4+-N濃度較高,特別是油車港,在TP、TDP、TN、TDN和PO43--P濃度上顯著高于其他點位.網(wǎng)圍養(yǎng)殖區(qū)由于人工種植水草豐富,吸收水體的營養(yǎng)鹽,水質(zhì)良好.就季節(jié)變化而言,作為指示水體有機污染的環(huán)境因子 CODMn和 Chla濃度,CODMn的年平均濃度為5.0mg/L,季節(jié)變化不明顯.Chla濃度反映水體藻類的含量,同水體營養(yǎng)鹽濃度和水溫密切相關(guān).Chla濃度在12月份最低,平均為10.31μg/L;隨著氣溫的升高逐步升高至8月份的32.56μg/L,從9月份開始下降,整體呈現(xiàn)單峰曲線特征.不同于 Chla濃度,水體其他營養(yǎng)鹽因子呈現(xiàn)明顯的雙峰曲線,2月份枯水期水質(zhì)較差,水體各營養(yǎng)鹽指標濃度較高,隨著水溫的不斷升高,水生植物生長吸收大量的營養(yǎng)鹽,水質(zhì)狀況好轉(zhuǎn),但隨著網(wǎng)圍養(yǎng)殖活動投餌量增加,特別是6～8月份冰鮮魚等動物型餌料的投放,增加了水體負荷,水體的營養(yǎng)鹽濃度在8月份達到第二個峰值,隨后逐漸降低,到12月份達到最低點.以TN濃度為例,2008年8月份為1.62mg/L,隨后逐漸降低,在12月份達到最低點1.05mg/L;隨后升高,在翌年的2月份達到1.87mg/L,然后隨著水溫的增 高又逐漸降低.

表1 各采樣點水質(zhì)主要化學指標年平均值及季節(jié)變化幅度Table 1 Average and variation range of water quality indices from 12 sampling sites

3.2 東太湖水質(zhì)主成分分析

由相關(guān)矩陣出發(fā),計算相關(guān)矩陣的特征值和特征向量,得到特征值和貢獻率(見表2).前2個主成分得分為83.767%＞80%,故前2個主成分能代表東太湖水質(zhì)指標83.767%的信息.

表2 主因子方差解釋Table 2 Variance explanation of principal factors

選取前 2個主成分來表示原始水質(zhì)指標在各采樣點的主要信息(見圖2).計算前2個主成分分值,根據(jù)特征值的貢獻率大小為分配系數(shù),計算綜合得分并排序(見表3). 建立的主因子模型,其中X1-12依次代表TN、TDN、TP、TDP、PO43--P、NH4+-N、NO2--N、NO3

--N、TOC、CODMn、

Chla、DO:

從因子模型看,第1主因子F1在變量TDP、TP、PO43--P上有高的載荷系數(shù),說明變量TDP、TP、PO43--P與第1主因子F1有很強的相關(guān)性,貢獻率達到49.305%.第1主成分表征東太湖營養(yǎng)鹽狀況,磷酸鹽是東太湖水域最主要的污染物;第2主因子F2在變量Chla、CODMn、DO上有高的載荷系數(shù),說明變量 Chla、CODMn、DO與第 2主因子 F2有很強的相關(guān)性,貢獻率達到34.462%.第 2主成分表征東太湖有機污染狀況.東太湖由于受養(yǎng)殖殘餌的影響,加上藻類生物量較大,有機污染較為突出,CODMn年平均為5mg/L,為地表水Ⅲ類水質(zhì)標準.而同時期太湖梅梁灣湖區(qū)CODMn平均值為3.16mg/L(內(nèi)部監(jiān)測數(shù)據(jù)).

圖2 12個監(jiān)測點位因子載荷Fig.2 Environmental factor loadings for the first two PCs obtained from 12 sampling sites

表3 主因子和綜合主因子分值Table 3 Principal factors value and general scores of principle components

篩選出特征根累計貢獻率83.767%的2個主成分,對選出的參數(shù)中主成分進行系統(tǒng)聚類分析.由圖3可知,樣本層次聚類分析聚成4類,樣本2為一類,樣本8,9,12為一類,樣本10,11為一類,樣本 1,3,4,5,6,7為一類.結(jié)果和主成分主因子綜合得分順序基本一致,即東太湖污染較為嚴重的是西岸入湖河道口,以油車港為最,網(wǎng)圍區(qū)由于人工種植水草對營養(yǎng)鹽的吸收作用,水質(zhì)較好,同東茭咀,太浦河口等水域的水質(zhì)一樣.

圖3 不同監(jiān)測點聚類樹Fig.3 Cluster analysis of environmental factors from 12 sampling sites

3.3 各主成分的空間分布特征

利用 surfer軟件,采用距離倒數(shù)加權(quán)法將東太湖12個監(jiān)測點的TN、TDP、CODMn、Chla 4個主成分的均值分別進行加權(quán),可得到4個主要水質(zhì)指標的年平均值分布圖,直觀表現(xiàn)東太湖各點位的水質(zhì)狀況.由圖 4可見,東太湖的TP、TDP濃度由于受港口生活污水入湖的影響,表現(xiàn)為西北部沿岸區(qū)較高,網(wǎng)圍養(yǎng)殖區(qū)及南部湖區(qū)較低的趨勢;CODMn代表東太湖水體有機質(zhì)污染狀況,北部湖區(qū)相對較高,網(wǎng)圍養(yǎng)殖區(qū)由于受投餌量影響,水體有機質(zhì)含量較高,部分月份達到Ⅳ類水質(zhì)標準;東太湖水體的Chla濃度表現(xiàn)出北高南低的趨勢,網(wǎng)圍養(yǎng)殖區(qū)高于網(wǎng)圍周圍航道.

圖4 東太湖主要水質(zhì)指標年平均空間分布Fig.4 The spatial distribution of water quality indexes in East Taihu Lake

4 討論

東太湖的水質(zhì)狀況與漁業(yè)發(fā)展存在密切的關(guān)系.建國以來東太湖的漁業(yè)發(fā)展主要經(jīng)歷了 4個階段[7].20世紀 70年代以前,東太湖處于圍墾和自然漁業(yè)狀態(tài).TN、TP、Chla及CODMn等水質(zhì)指標屬于Ⅰ類(清潔)—Ⅱ類(較清潔)級別,浮游藻類以硅藻和綠藻占優(yōu)勢,浮游動物種類以原生動物占優(yōu)勢,浮游生物整體生物量較低.發(fā)現(xiàn)水生植物40種,東南岸生物量471.76g/m2,西北岸較東南岸多出一倍[2].20世紀70年代初期至90年代為人工放流與湖區(qū)網(wǎng)圍養(yǎng)殖發(fā)展階段.1997年以網(wǎng)圍養(yǎng)魚為主,TN較1960年增加了3倍,TP增加了2倍,CODMn增加了1倍[2].東部沿岸帶分布大面積的茭草,植物殘體常常引起嚴重的水質(zhì)污染[8].隨后,東太湖的營養(yǎng)鹽水平存在明顯的下降趨勢,這可能與養(yǎng)殖模式轉(zhuǎn)向河蟹養(yǎng)殖為主有關(guān)[9-10],河蟹養(yǎng)殖相對于魚類養(yǎng)殖需要較好的水質(zhì)條件,但是浮游植物生物量總體上增加了6倍,藍藻、綠藻逐漸成為優(yōu)勢種.浮游動物種類下降,生物量增加.2000至 2008年為網(wǎng)圍養(yǎng)殖鼎盛階段.直到2008年網(wǎng)圍拆除前,TN、TP、CODMn和Chla濃度年平均增加率分別為 0.046mg/(L·a)、0.004mg/(L·a)、0.07mg/(L·a)和 0.242μg/(L·a).浮游藻類種類降低,以微囊藻占優(yōu)勢,整體藻類數(shù)量較1960年增加了10倍[11].浮游動物種類降低,但生物量增加,港口附近由于有機質(zhì)豐富,浮游動物數(shù)量豐富.水生植物演替為以外來種伊樂藻和無根植物金魚藻為優(yōu)勢建群種.2008年底東太湖網(wǎng)圍整治工作,網(wǎng)圍養(yǎng)殖面積縮減,但由于內(nèi)源釋放影響[12],各項水質(zhì)指標變化不明顯.

由于東太湖網(wǎng)圍養(yǎng)殖格局致使水質(zhì)在各個點位存在明顯差異.張蓉等[13]發(fā)現(xiàn),在水溫較低的冬季,北部的油車港、大缺口和南部的太浦河口污染物濃度較高,而東茭咀、湖心區(qū)和張家浜等處水域的水質(zhì)相對較好,反映出主要由東山鎮(zhèn)的局地污染源和上游苕溪來水決定水質(zhì)空間分異的態(tài)勢.湖心區(qū)由于穩(wěn)定生長的水生植被的生物凈化作用,其TN、TP和有機物污染在春夏秋冬4個季度均低于全湖平均水平.吳偉等[14]的調(diào)查研究表明,網(wǎng)圍養(yǎng)殖區(qū)水質(zhì)主要超標項目為pH值和TP,但由于養(yǎng)殖區(qū)栽種水草對N、P的充分吸收,故養(yǎng)殖區(qū)營養(yǎng)鹽濃度變化幅度低于太浦河口,這與本研究的結(jié)論基本一致.

5 結(jié)語

通過對東太湖不同監(jiān)測點位水質(zhì)指標的主成分分析和聚類分析表明,東太湖水質(zhì)存在顯著的空間異質(zhì)性.TP、TDP和PO43--P是東太湖水域最主要的污染因子,其次是有機污染,Chla和CODMn的貢獻率較大.通過對主控因子綜合得分排序及聚類分析,發(fā)現(xiàn)東太湖不同區(qū)域水質(zhì)存在顯著差異,北部由于受東山鎮(zhèn)生活污水影響,各入湖河道口污染較為嚴重,特別是油車港.網(wǎng)圍養(yǎng)殖區(qū)由于人工栽植的水草較為茂盛,水質(zhì)較好,同東茭咀和太浦河口等水域水質(zhì)差異不大.

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Water quality pollution characteristics in East Taihu Lake.

ZENG Qing-fei1*, GU Xiao-hong1, ZHOU Lu-hong1,2, MAO Zhi-gang1,2(1.State Key laboratory of Lake Science and Environment, Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China；2.Graduate School of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China). China Environmental Science, 2011,3(8)：1355～1360

Principal component analysis and cluster analysis were used to analyze the spatial zoning of water quality and the main water pollution characteristics in East Taihu Lake based on a systematic water environment research. The results showed that there existed a significant spatial pattern and obvious seasonal variations in water quality characteristics among the sites selected in East Taihu Lake. Two main components were obtained from twelve water quality indices, and component I was characterized by total phosphorus total dissolved phosphorus and inorganic phosphate concentration. Components II was associated with Chla and CODMnwhich represented water organic pollution in East Taihu Lake. Twelve sample plots were classified into four classes by cluster analysis in terms of principal component scores. The water pollution was highly in the river mouths of the north part of East Taihu Lake due to the discharge of urban domestic sewage, especially in the Youchegang mouth. The water quality in the crab’s enclosure culture area was as good as the sites in the south and east parts in East Taihu Lake because of the artificial grown vegetation’s strong purification ability. Key words：East Taihu Lake；water quality；spatial difference；principal component analysis

X524

A

1000-6923(2011)08-1355-06

2010-11-16

國家自然科學基金資助項目(30900207);江蘇省自然基金資助項目(SBK201021370);國家水污染控制重大專項資助項目(2008ZX07101-012)

* 責任作者, 助研, zq-fly@sohu.com

曾慶飛(1979-),女,河南南陽人,助理研究員,博士,主要從事湖泊生態(tài)學研究.發(fā)表論文10余篇.