梁子湖水質(zhì)時(shí)空格局分析*

秦　云，李艷薔，吳麗秀，陳紅兵，李兆華，黃運(yùn)新

(1：湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，武漢 430062) (2：區(qū)域開發(fā)與環(huán)境響應(yīng)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430062) (3：湖北大學(xué)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院，武漢 430062)

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梁子湖水質(zhì)時(shí)空格局分析*

秦云1,2，李艷薔1,2，吳麗秀3，陳紅兵1,2，李兆華1,2**，黃運(yùn)新1,2**

(1：湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，武漢 430062) (2：區(qū)域開發(fā)與環(huán)境響應(yīng)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430062) (3：湖北大學(xué)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院，武漢 430062)

基于大樣本監(jiān)測數(shù)據(jù)，從點(diǎn)位、湖區(qū)、全局3個(gè)層次，對梁子湖水質(zhì)的季節(jié)變化和空間差異進(jìn)行綜合分析，發(fā)現(xiàn)梁子湖水質(zhì)存在顯著的季節(jié)差異和較大的空間差異：(1)季節(jié)上，夏、秋、冬季污染相對較重，春季污染相對較輕；夏、秋季主要污染指標(biāo)為高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)，冬季為總氮(TN)；(2)空間上，東梁子湖和牛山湖污染相對較重，西梁子湖污染相對較輕；東梁子湖主要污染指標(biāo)為CODMn、總磷(TP)和TN，牛山湖為CODMn、TN和氨氮，西梁子湖為CODMn和TN. 研究結(jié)果有助于更好地了解梁子湖水質(zhì)的時(shí)空變化特點(diǎn)，進(jìn)而制定有針對性的保護(hù)措施和管理對策.

梁子湖；水質(zhì)；季節(jié)變化；空間差異

湖泊蓄積了地表上絕大部分可利用的淡水資源，是人類賴以生存的主要水源地. 湖泊也是濕地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，為各種生物提供寶貴的棲息地，有助于促進(jìn)生物多樣性. 湖泊還是水產(chǎn)養(yǎng)殖、觀光旅游的理想地點(diǎn)，具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值. 簡言之，湖泊對人類的生存以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展均具有重要意義. 然而，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和資源的過度開發(fā)加上疏于保護(hù)，包括中國在內(nèi)的一些發(fā)展中國家的湖泊水環(huán)境正在惡化，嚴(yán)重威脅水資源生態(tài)安全[1]. 我國是世界上湖泊較多的國家之一，湖泊總面積超過9×104km2[2]. 我國同時(shí)也是世界上湖泊污染比較嚴(yán)重的國家之一. 2014年我國重點(diǎn)湖泊(水庫)受到污染的比例高達(dá)38.7%，其中重度污染的占8.1%，主要污染指標(biāo)為總磷(TP)、化學(xué)需氧量和高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)，重點(diǎn)湖泊(水庫)中富營養(yǎng)化的比例也高達(dá)24.2%[3]. 從這些數(shù)據(jù)可以看出，我國湖泊污染問題十分突出，湖泊的保護(hù)與管理面臨艱巨的挑戰(zhàn).

為了有效地保護(hù)地表水資源，我國制訂了《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[4]和《水和廢水監(jiān)測分析方法》[5]，為包括湖泊在內(nèi)的地表水環(huán)境監(jiān)測提供了依據(jù). 根據(jù)相關(guān)依據(jù)，我國每年對主要河流、湖泊、水庫的環(huán)境狀況進(jìn)行例行監(jiān)測并發(fā)布年度報(bào)告. 毫無疑問，這種例行監(jiān)測對宏觀了解地表水的水質(zhì)現(xiàn)狀，實(shí)行必要的分類管理非常有益. 不過，例行監(jiān)測一般具有采樣點(diǎn)少，針對性不強(qiáng)的缺點(diǎn)，對研究解決某些實(shí)際問題往往幫助不大.

地表水環(huán)境研究需要解決的實(shí)際問題之一是了解水質(zhì)時(shí)空分布格局，分析污染成分和源頭. 相關(guān)研究從對象來看大體分為兩類，一類是針對空間跨度較大、流動(dòng)性較強(qiáng)的河流[6-8]，另一類是針對空間跨度較小、流動(dòng)性較弱的湖泊或水庫[9-12]. 從水環(huán)境指標(biāo)來看，既有針對部分指標(biāo)的重點(diǎn)分析[7,12-13]，也有針對多種指標(biāo)的綜合評價(jià)[6-8,14-16]. 從研究方法來看，主要包括多元統(tǒng)計(jì)分析[17-19]、地理信息系統(tǒng)分析[10,20]和計(jì)算機(jī)模擬[21]等.

為此，本文以梁子湖為例，通過大樣本監(jiān)測和多層次比較分析方法，分析梁子湖整體的水質(zhì)狀況、空間差異和空間分布模式，以及各個(gè)湖區(qū)的達(dá)標(biāo)情況，研究梁子湖的水質(zhì)時(shí)空格局. 與以前的研究相比[22-25]，每個(gè)季節(jié)布設(shè)的點(diǎn)位數(shù)有顯著的增加，因此能夠更為有效地分析水質(zhì)的空間差異和季節(jié)變化，了解水質(zhì)污染特點(diǎn)，為梁子湖的水環(huán)境保護(hù)提供依據(jù).

1 研究區(qū)域概況

梁子湖(30.08°～30.38°N，114.37°～114.66°E)位于長江中游南岸，是湖北省第二大淡水湖，在常年平均水位時(shí)，面積225 km2，平均水深2.54 m，貯水量6.5×108m3，容水量居全省湖泊之首. 梁子湖入湖河港多達(dá)30余條，其中主要入湖河港為高橋河. 這些河港順著地勢經(jīng)地表徑流匯入梁子湖. 梁子湖出湖口僅磨刀磯一處，湖水排入長江(圖1). 整個(gè)梁子湖按地理位置和歷史沿革可劃分為東梁子湖、牛山湖和西梁子湖3個(gè)湖區(qū)[25]. 其中，牛山湖和東梁子湖被牛山大壩分隔，而東梁子湖和西梁子湖交匯于梁子島及其西側(cè)的島嶼群. 牛山湖和西梁子湖為地表水環(huán)境功能Ⅱ類區(qū)，是珍貴魚類保護(hù)區(qū)、魚蝦產(chǎn)卵場，而東梁子湖為地表水環(huán)境功能Ⅲ類區(qū)，是一般魚類保護(hù)區(qū)[26].

圖1 梁子湖示意圖Fig.1 Study area of Lake Liangzi

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)采集

結(jié)合梁子湖地形特點(diǎn)以及入湖河流的分布，于2012年的夏季(7月)、秋季(10月)、冬季(12月)和2013年的春季(3月)對梁子湖水體進(jìn)行調(diào)查采樣. 采樣時(shí)利用GPS定位，根據(jù)現(xiàn)場測得的水深確定采樣深度，4個(gè)季節(jié)共采集300個(gè)水樣，其中春季44個(gè)(西梁子湖15個(gè)、牛山湖14個(gè)、東梁子湖15個(gè))，夏季149個(gè)(西梁子湖67個(gè)、牛山湖31個(gè)、東梁子湖51個(gè))，秋季64個(gè)(西梁子湖31個(gè)、牛山湖14個(gè)、東梁子湖19個(gè))，冬季43個(gè)(西梁子湖16個(gè)、牛山湖8個(gè)、東梁子湖19個(gè))，每個(gè)季節(jié)采樣活動(dòng)歷時(shí)2～3天. 具體采樣方法參照《水質(zhì)采樣技術(shù)指導(dǎo)》進(jìn)行[27].

主要測定的水質(zhì)指標(biāo)包括水深、水溫、pH值、透明度、溶解氧、CODMn、TP、總氮(TN)、氨氮(NH3-N)等. 其中前5個(gè)指標(biāo)現(xiàn)場測定：水深在沒有水草的地方利用EcoSounder回聲儀測定，有水草的地方通過鋼尺測定；水溫、pH值、溶解氧等利用美國哈希水質(zhì)儀(DS5系列)測定；透明度通過塞氏盤測定. 而后4個(gè)指標(biāo)在各采樣點(diǎn)采集600 ml水樣，利用濃硫酸固定后帶回實(shí)驗(yàn)室測定：CODMn濃度采用酸性高錳酸鉀氧化法測定[28]；TP濃度采用鉬酸銨分光光度法測定[29]；TN濃度采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定[30]；NH3-N濃度采用納氏試劑分光光度法測定[31].

限于篇幅，本文僅針對后4個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，即CODMn、TP、TN和NH3-N，從點(diǎn)位、湖區(qū)、全局3個(gè)層次對梁子湖的水質(zhì)時(shí)空格局進(jìn)行分析和比較.

2.2 數(shù)據(jù)分析

2.2.1 水質(zhì)類別空間分布圖基于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[4]對采樣點(diǎn)的水質(zhì)進(jìn)行類別劃分，在水域功能區(qū)標(biāo)準(zhǔn)限值內(nèi)的，將各類標(biāo)準(zhǔn)限值作為分類的界限，共劃分為5類；超出水域功能區(qū)標(biāo)準(zhǔn)限值的，統(tǒng)歸為1類(劣Ⅴ類). 對不同的水質(zhì)類別采用不同的顏色標(biāo)記，結(jié)合采樣點(diǎn)的地理坐標(biāo)信息，繪制水質(zhì)類別空間分布圖. 通過水質(zhì)類別空間分布圖，分析點(diǎn)位層次的水質(zhì)狀況、達(dá)標(biāo)情況和水質(zhì)空間差異. 其中，水質(zhì)狀況根據(jù)各類水質(zhì)占的百分比來評價(jià)；達(dá)標(biāo)情況根據(jù)超標(biāo)比例來評價(jià)；水質(zhì)空間差異根據(jù)包含的水質(zhì)類別數(shù)量來評價(jià).

2.2.2 箱線圖是一種用來顯示數(shù)據(jù)分散情況的統(tǒng)計(jì)圖，由“箱”和“線”組成，包括一個(gè)箱體和兩條分別從箱體頂端向上和底端向下的垂直延長線(觸須). 箱體下邊界代表第一四分位數(shù)(QL)，上邊界代表第三四分位數(shù)(QU)，箱體內(nèi)部的線段(中位線)代表中位數(shù)，箱體長度代表四分位距(IQR)；從箱體邊界向下延伸的觸須終點(diǎn)位置為不小于QL-1.5IQR的最小觀測值，從箱體邊界向上延伸的觸須終點(diǎn)位置為不大于QU+1.5IQR的最大觀測值. 觸須終點(diǎn)的線段為臨界點(diǎn)，臨界點(diǎn)之外為異常值. 通過指標(biāo)濃度箱線圖，分析湖區(qū)層次的水質(zhì)狀況和達(dá)標(biāo)情況. 其中，水質(zhì)狀況是對每個(gè)湖區(qū)各個(gè)指標(biāo)濃度的季節(jié)變化模式進(jìn)行綜合，根據(jù)共同的變化模式來評價(jià)；達(dá)標(biāo)情況根據(jù)箱體與達(dá)標(biāo)線的相對位置來評價(jià).

2.2.3 方差分析是一種能分解數(shù)據(jù)變異來源的統(tǒng)計(jì)方法，用來識(shí)別數(shù)組間差異的顯著性水平等. 根據(jù)考慮的因素個(gè)數(shù)可分為單因素、雙因素和多因素方差分析. 單因素方差分析數(shù)組間是否存在顯著性差異用F檢驗(yàn)；需進(jìn)一步區(qū)分具體兩個(gè)數(shù)組的差異用多重比較檢驗(yàn)，檢驗(yàn)方法用最小顯著差異法(LSD)，檢驗(yàn)結(jié)果用柱形圖和字母標(biāo)記法識(shí)別. 通過方差分析湖區(qū)層次的水質(zhì)空間差異和全局層次的水質(zhì)狀況. 其中，水質(zhì)空間差異是對湖區(qū)進(jìn)行單因素方差分析，根據(jù)F檢驗(yàn)的顯著性水平來評價(jià)；水質(zhì)狀況是對季節(jié)進(jìn)行單因素方差分析，根據(jù)多重比較檢驗(yàn)的結(jié)果來評價(jià).

2.2.4 Global Moran’s I是一個(gè)反映空間自相關(guān)的統(tǒng)計(jì)量[32]，用來評估空間分布模式是聚集、離散還是隨機(jī)模式，顯著性水平采用Z檢驗(yàn). Global Moran’s I的取值在-1～1之間，其中，正值且檢驗(yàn)結(jié)果顯著代表聚集模式(cluster pattern)，即指標(biāo)濃度較高的樣點(diǎn)周圍指標(biāo)濃度也較高，或者指標(biāo)濃度較低的樣點(diǎn)周圍指標(biāo)濃度也較低；負(fù)值且檢驗(yàn)結(jié)果顯著代表離散模式(dispersion pattern)，即指標(biāo)濃度較高的樣點(diǎn)周圍指標(biāo)濃度較低，或者指標(biāo)濃度較低的樣點(diǎn)周圍指標(biāo)濃度較高；其他情況代表隨機(jī)模式(random pattern)，即指標(biāo)濃度的空間分布沒有規(guī)律.

2.2.5 Anselin Local Moran’s I是一個(gè)用來識(shí)別具有統(tǒng)計(jì)顯著性的熱點(diǎn)、冷點(diǎn)和空間異常值的統(tǒng)計(jì)量[33]，顯著性水平采用Z檢驗(yàn). 可將樣點(diǎn)分成5類：HH(熱點(diǎn)，指標(biāo)濃度較高的樣點(diǎn)周圍指標(biāo)濃度也較高)、LL(冷點(diǎn)，指標(biāo)濃度較低的樣點(diǎn)周圍指標(biāo)濃度也較低)、HL(異常值，指標(biāo)濃度較高的樣點(diǎn)周圍指標(biāo)濃度較低)、LH(異常值，指標(biāo)濃度較低的樣點(diǎn)周圍指標(biāo)濃度較高)和檢驗(yàn)結(jié)果不顯著. 由熱點(diǎn)組成的空間分布圖稱為高值聚集空間分布圖，由冷點(diǎn)組成的稱為低值聚集空間分布圖. 通過Global Moran’s I和Anselin Local Moran’s I分析全局層次的水質(zhì)空間分布模式. 先根據(jù)Global Moran’s I判斷每個(gè)季節(jié)各個(gè)指標(biāo)濃度的空間分布是否呈聚集模式，對呈聚集模式的情況再根據(jù)Anselin Local Moran’s I分析識(shí)別高值聚集區(qū)和低值聚集區(qū).

此外，全局層次的水質(zhì)空間差異根據(jù)變異系數(shù)(Cv)來評價(jià). 水質(zhì)類別空間分布圖、箱線圖和變異系數(shù)通過Matlab R2010b軟件完成，方差分析通過SPSS 19.0軟件完成，Global Moran’s I和Anselin Local Moran’s I分析通過ArcGIS 10.1軟件完成[34].

3 研究結(jié)果

3.1 點(diǎn)位層次的水質(zhì)時(shí)空格局分析

3.1.1 水質(zhì)狀況梁子湖整體CODMn濃度在春季相對較低，以Ⅱ類水質(zhì)為主(占84%)；夏季相對較高，包含Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ各類水質(zhì)，其中Ⅳ類占67%；秋季也相對較高，包含Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ各類水質(zhì)，其中Ⅳ類占70%；冬季相對較低，包含Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ各類水質(zhì)，其中Ⅱ類占63%(圖2a). TP濃度在春季相對較低，以Ⅱ類水質(zhì)為主(占80%)；夏季有所上升，包含Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ各類水質(zhì)，其中Ⅱ、Ⅲ類分別占36%、37%；秋季有所下降，包含Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ各類水質(zhì)，其中Ⅱ、Ⅲ類分別占52%、22%；冬季相對較低，包含Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ各類水質(zhì)，其中Ⅱ類占74%(圖2b). TN濃度在春季處于中等水平，包含Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ各類水質(zhì)，其中Ⅲ類占64%；夏季也處于中等水平，包含Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、劣Ⅴ各類水質(zhì)，其中Ⅲ類占67%，但局部(靠近牛山大壩的牛山湖區(qū)域)存在明顯的水質(zhì)惡化現(xiàn)象，水質(zhì)為劣Ⅴ類(占5%)；秋季有所下降，包含Ⅱ、Ⅲ類水質(zhì)，其中Ⅱ類占59%；冬季相對較高，包含Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、劣Ⅴ各類水質(zhì)，其中Ⅲ、Ⅳ類分別占35%、47%(圖2c). NH3-N濃度在春、夏、秋季相對較低，均以Ⅱ類水質(zhì)為主(春、夏、秋季分別占98%、83%、89%)；冬季處于中等水平，包含Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ各類水質(zhì)，其中Ⅲ類占70%(圖2d).

3.1.2 達(dá)標(biāo)情況東梁子湖夏、秋季的CODMn以及冬季的TN超標(biāo)較嚴(yán)重(超標(biāo)比例分別為75%、63%和68%)；牛山湖春季的TN超標(biāo)較嚴(yán)重(超標(biāo)比例79%)，夏季的CODMn和TN超標(biāo)非常嚴(yán)重(超標(biāo)比例分別為97%和87%)，秋季的CODMn以及冬季的CODMn、TN和NH3-N超標(biāo)非常嚴(yán)重(超標(biāo)比例均為100%)；西梁子湖春季的TN超標(biāo)較嚴(yán)重(超標(biāo)比例67%)，夏季的CODMn和TN、秋季的CODMn以及冬季的TN超標(biāo)非常嚴(yán)重(超標(biāo)比例分別為93%、85%、100%和88%).

3.1.3 水質(zhì)空間差異梁子湖春季TP和TN濃度空間差異較大(均包含4個(gè)類別水質(zhì))；夏季CODMn、TP和TN濃度空間差異較大(分別包含4、5和5個(gè)類別水質(zhì))；秋季TP濃度空間差異較大(包含4個(gè)類別水質(zhì))；冬季CODMn和TN濃度空間差異較大(分別包含4和6個(gè)類別水質(zhì)).

圖2 梁子湖各采樣點(diǎn)主要指標(biāo)水質(zhì)類別的空間分布 (藍(lán)色為Ⅰ類，綠色為Ⅱ類，青色為Ⅲ類，黃色為Ⅳ類，粉色為Ⅴ類，紅色為劣Ⅴ類)Fig.2 Spatial distribution of water quality classification of main parameters in each sampling site of Lake Liangzi

3.2 湖區(qū)層次的水質(zhì)時(shí)空格局分析

3.2.1 水質(zhì)狀況各指標(biāo)濃度中位數(shù)的季節(jié)變化主要有兩種模式：(1)夏、秋季高，春、冬季低；(2)夏、冬季高，春、秋季低. 東梁子湖CODMn和TP濃度的季節(jié)變化符合模式(1)，而TN和NH3-N濃度符合模式(2). 牛山湖CODMn濃度的季節(jié)變化符合模式(1)；而TP濃度接近模式(1)，但夏季偏低；TN濃度接近模式(2)，但春季偏高；NH3-N接近模式(2)，但夏季偏低. 西梁子湖CODMn濃度的季節(jié)變化符合模式(1)，而TP、TN和NH3-N濃度符合模式(2). 以3個(gè)湖區(qū)指標(biāo)濃度中位數(shù)的季節(jié)變化模式為基礎(chǔ)進(jìn)行綜合分析，結(jié)果表明，梁子湖整體CODMn濃度在夏、秋季相對較高，春、冬季相對較低；TP濃度在春季相對較低；TN濃度在夏、冬季相對較高，秋季相對較低；NH3-N濃度在冬季相對較高，春、秋季相對較低.

3.2.2 達(dá)標(biāo)情況東梁子湖夏季的CODMn超標(biāo)非常嚴(yán)重(箱體全部高于達(dá)標(biāo)線)，秋季的CODMn以及冬季的TN超標(biāo)較嚴(yán)重(箱體均有3/5高于達(dá)標(biāo)線)(圖3a)；牛山湖春季的TN、夏季的CODMn和TN、秋季的CODMn、TP和TN以及冬季的CODMn、TN和NH3-N超標(biāo)非常嚴(yán)重(箱體分別有1、1、1、1、4/5、4/5、1、1和1高于達(dá)標(biāo)線)(圖3b)；西梁子湖春季的TN、夏季的CODMn和TN、秋季的CODMn以及冬季的TN超標(biāo)非常嚴(yán)重(箱體分別有4/5、1、1、1和1高于達(dá)標(biāo)線)，秋季的TN超標(biāo)較嚴(yán)重(箱體有3/5高于達(dá)標(biāo)線)(圖3c).

3.2.3 水質(zhì)空間差異單因素方差分析結(jié)果表明，梁子湖春季NH3-N濃度空間差異較大(P<0.05)；夏季TP、TN和NH3-N濃度空間差異非常大(P<0.01)；秋季CODMn、TP和NH3-N濃度空間差異非常大(P<0.01)，TN濃度空間差異較大(P<0.05)；冬季CODMn和NH3-N濃度空間差異非常大(P<0.01)，TP濃度空間差異較大(P<0.05).

圖3 梁子湖各湖區(qū)主要指標(biāo)濃度箱線圖 (平行于橫坐標(biāo)的直線代表對應(yīng)湖區(qū)的水質(zhì)達(dá)標(biāo)濃度限值，稱為達(dá)標(biāo)線)Fig.3 Boxplots of concentration of main water quality parameters in each season at each subdivided lake of Lake Liangzi

3.3 全局層次的水質(zhì)時(shí)空格局分析3.3.1 水質(zhì)狀況單因素方差分析發(fā)現(xiàn)，梁子湖整體CODMn、TP、TN和NH3-N濃度的季節(jié)差異均非常顯著(P<0.01). 多重比較分析結(jié)果顯示，梁子湖整體CODMn濃度在夏、秋季相對較高，春、冬季相對較低；TP濃度在夏季相對較高，春、秋、冬季相對較低；TN濃度在冬季相對較高，夏季次之，春季再次之，秋季相對較低；NH3-N濃度在冬季相對較高，夏季次之，春、秋季相對較低(圖4).

圖4 梁子湖主要指標(biāo)濃度均值及季節(jié)差異 (同種指標(biāo)柱形上方的字母不同表示兩季節(jié)存在顯著差異，相同表示無顯著差異)Fig.4 Average concentration of main water quality parameters in each season and the significant difference from season to season at Lake Liangzi

3.3.2 達(dá)標(biāo)情況變異系數(shù)分析表明，春季梁子湖整體TP濃度空間差異非常大(Cv=1.19)，TN濃度空間差異較大(Cv=0.40)；夏季TP濃度空間差異非常大(Cv=0.67)，CODMn、TN和NH3-N濃度空間差異較大(Cv=0.30、0.47、0.37)；秋季TP濃度空間差異非常大(Cv=0.70)，NH3-N濃度空間差異較大(Cv=0.44)；冬季CODMn、TP、TN和NH3-N濃度空間差異較大(Cv=0.35、0.40、0.40、0.32).

表1 梁子湖主要指標(biāo)濃度Global Moran’s I值及 顯著性水平檢驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Global Moran’s I value of main water quality parameters in each season and the test result of significance level at Lake Liangzi

季節(jié)CODMnTPTNNH3-N春-0.045 0.189**0.521**0.165*夏0.588**0.636**0.737**0.470**秋0.209**0.401**0.0040.328**冬0.502**0.450**0.0930.461**

*表示檢驗(yàn)結(jié)果顯著(P<0.05)，**表示檢驗(yàn)結(jié)果高度顯著(P<0.01).

3.3.3 水質(zhì)空間分布模式Global Moran’s I分析發(fā)現(xiàn)，梁子湖春季的TP、TN和NH3-N，夏季的CODMn、TP、TN和NH3-N，秋、冬季的CODMn、TP和NH3-N濃度空間分布呈聚類模式(表1). 對Global Moran’s I分析結(jié)果呈聚集模式的季節(jié)指標(biāo)，分別進(jìn)行Anselin Local Moran’s I分析，繪制各個(gè)季節(jié)指標(biāo)的高值/低值聚集空間分布圖(共13張)，將其進(jìn)行空間疊置得到圖5，顯示熱點(diǎn)/冷點(diǎn)的總體空間分布情況，熱點(diǎn)/冷點(diǎn)密度大的區(qū)域在全年中出現(xiàn)高值/低值的頻率大，污染較重/較低. Anselin Local Moran’s I分析顯示，高值聚集區(qū)主要分布在東梁子湖和牛山湖的大部分區(qū)域，以及西梁子湖的局部區(qū)域(圖5a)；低值聚集區(qū)主要分布在西梁子湖的大部分區(qū)域，以及東梁子湖和牛山湖的局部區(qū)域(圖5b).

4 討論

本文依據(jù)大樣本采樣數(shù)據(jù)，分春、夏、秋、冬季，從點(diǎn)位、湖區(qū)、全局3個(gè)層次對梁子湖的水質(zhì)狀況、達(dá)標(biāo)情況和水質(zhì)空間差異進(jìn)行分析、比較和綜合，結(jié)果發(fā)現(xiàn):(1)梁子湖整體受到污染主要表現(xiàn)在夏、秋季的CODMn濃度較高，冬季的TN濃度較高；(2)春季水質(zhì)超標(biāo)主要表現(xiàn)在牛山湖和西梁子湖的TN污染，夏季水質(zhì)超標(biāo)主要表現(xiàn)在梁子湖整體的CODMn污染以及牛山湖和西梁子湖的TN污染，秋季水質(zhì)超標(biāo)主要表現(xiàn)在梁子湖整體的CODMn污染，冬季水質(zhì)超標(biāo)主要表現(xiàn)在梁子湖整體的TN污染以及牛山湖的CODMn和NH3-N污染；(3)梁子湖水質(zhì)空間分布不均主要表現(xiàn)在夏季的TP和TN，秋季的TP，冬季的CODMn濃度空間差異較大. 結(jié)合水質(zhì)空間分布模式，可以看出，梁子湖水質(zhì)存在顯著的季節(jié)差異和較大的空間差異：(1)季節(jié)上，夏、秋、冬季污染相對較重，春季污染相對較輕；夏、秋季主要污染指標(biāo)為CODMn，冬季為TN；(2)空間上，東梁子湖和牛山湖污染相對較重，西梁子湖污染相對較輕，且多為面源污染；東梁子湖主要污染指標(biāo)為CODMn、TP和TN，牛山湖為CODMn、TN和NH3-N，西梁子湖為CODMn和TN.

梁子湖受到農(nóng)業(yè)面源、水產(chǎn)養(yǎng)殖、城鄉(xiāng)生活污水、集約化畜禽養(yǎng)殖、工業(yè)廢水等多重污染壓力[25]. 農(nóng)業(yè)面源污染主要表現(xiàn)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中，N、P等營養(yǎng)物質(zhì)、農(nóng)藥以及其他有機(jī)或無機(jī)物質(zhì)，通過地表徑流和農(nóng)田滲漏進(jìn)入湖泊[35-36]，導(dǎo)致CODMn、TP和TN濃度較高；夏季是農(nóng)田生產(chǎn)活動(dòng)最頻繁的季節(jié)，進(jìn)入秋季之后，這些活動(dòng)逐漸減少，CODMn、TP和TN濃度逐漸下降；但由于梁子湖屬于淺水草型湖泊，沉水植物豐富、生物量高[37]，水生植物在10月底前后自然死亡，參考厲恩華等[38]對同類型湖泊——洪湖的研究結(jié)果，水生植物凋落物腐爛分解90天內(nèi)有41%的氮可釋放到水體中，從而導(dǎo)致冬季TN濃度較高. 梁子湖水產(chǎn)養(yǎng)殖主要包括湖周邊漁業(yè)養(yǎng)殖和湖內(nèi)圍網(wǎng)養(yǎng)殖兩種形式[25]，夏季是水產(chǎn)攝食量最大、生長最快的季節(jié)，投餌量大，導(dǎo)致CODMn和TN濃度較高；秋季水產(chǎn)成熟，收獲時(shí)對水體的擾動(dòng)較大，導(dǎo)致CODMn濃度較高；進(jìn)入冬季后， CODMn濃度逐漸下降，但由于湖內(nèi)圍網(wǎng)養(yǎng)殖的過量餌料、動(dòng)植物殘?bào)w及其排泄物等腐爛產(chǎn)生的NH3直接進(jìn)入上層水體[39]，導(dǎo)致NH3-N濃度上升，而NH3在水體中發(fā)生硝化作用[40]，導(dǎo)致TN濃度上升；至春季，NH3-N基本完成轉(zhuǎn)化或逸出水體，濃度較低，但TN濃度依然較高. 城鄉(xiāng)生活污水、集約化畜禽養(yǎng)殖和工業(yè)廢水等也會(huì)排放一定量的污染物，但季節(jié)差異不明顯.

結(jié)合上述污染源的季節(jié)性變化特點(diǎn)與梁子湖的水質(zhì)時(shí)空格局推斷，東梁子湖主要受到農(nóng)業(yè)面源和湖內(nèi)圍網(wǎng)水產(chǎn)養(yǎng)殖的雙重污染，但夏季NH3-N濃度較高；牛山湖主要受到湖內(nèi)圍網(wǎng)水產(chǎn)養(yǎng)殖的污染，但冬季CODMn濃度較高；西梁子湖主要受到湖內(nèi)圍網(wǎng)水產(chǎn)養(yǎng)殖的污染. 濃度較高的指標(biāo)可能是由城鄉(xiāng)生活污水、集約化畜禽養(yǎng)殖和工業(yè)廢水等其他污染源所致.

梁子湖作為湖北省第二大湖泊，已有很多水環(huán)境方面的相關(guān)研究，如前面提及的梁子湖水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)[22]，梁子湖流域水環(huán)境功能區(qū)劃及水質(zhì)現(xiàn)狀分析[23]，梁子湖水生生物多樣性及水質(zhì)評價(jià)研究[24]等. 與之前的研究相比，本文布設(shè)的采樣點(diǎn)更多、覆蓋范圍更大，因此能夠更好地反映梁子湖的水質(zhì)空間分布特征. 不但如此，本文在研究方法上也有所創(chuàng)新. 可以看出，本文采用的點(diǎn)位、湖區(qū)和全局3個(gè)層次的時(shí)空格局分析方法互相印證，互為補(bǔ)充，對全面、細(xì)致地了解梁子湖區(qū)的水質(zhì)季節(jié)變化和空間差異極有幫助. 而且，整個(gè)分析過程被程序化，這將極大地方便梁子湖水環(huán)境的后續(xù)研究，也可為其他同類問題提供方法借鑒.

5 結(jié)論

1)水質(zhì)狀況：梁子湖整體CODMn濃度在夏、秋季相對較高，春、冬季相對較低；TP濃度在春季相對較低；TN濃度在冬季相對較高；NH3-N濃度在春、秋季相對較低.

2)達(dá)標(biāo)情況：東梁子湖夏、秋季的CODMn以及冬季的TN超標(biāo)較嚴(yán)重；牛山湖春季的TN超標(biāo)較嚴(yán)重，夏季的CODMn和TN、秋季的CODMn以及冬季的CODMn、TN和NH3-N超標(biāo)非常嚴(yán)重；西梁子湖春季的TN超標(biāo)較嚴(yán)重，夏季的CODMn和TN、秋季的CODMn以及冬季的TN超標(biāo)非常嚴(yán)重.

3)水質(zhì)空間差異：梁子湖夏季TP和TN濃度空間差異較大，秋季TP濃度空間差異較大，冬季CODMn濃度空間差異較大.

4)梁子湖水質(zhì)存在顯著的季節(jié)差異和較大的空間差異:季節(jié)上，夏、秋、冬季污染相對較重，春季污染相對較輕；空間上，東梁子湖和牛山湖污染相對較重，西梁子湖污染相對較輕.

5)東梁子湖主要受到農(nóng)業(yè)面源和湖內(nèi)圍網(wǎng)水產(chǎn)養(yǎng)殖的雙重污染；牛山湖和西梁子湖主要受到湖內(nèi)圍網(wǎng)水產(chǎn)養(yǎng)殖的污染.

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Analysis on the spatial-temporal patterns of water quality in Lake Liangzi

QIN Yun1,2, LI Yanqiang1,2, WU Lixiu3, CHEN Hongbing1,2, LI Zhaohua1,2**& HUANG Yunxin1,2**

(1:SchoolofResourceandEnvironment,HubeiUniversity,Wuhan430062,P.R.China) (2:HubeiProvincialKeyLaboratoryofRegionalDevelopmentandEnvironmentalResponse,Wuhan430062,P.R.China) (3:SchoolofMathematicsandStatistics,HubeiUniversity,Wuhan430062,P.R.China)

Based on large sets of monitoring data, this paper analyzed the seasonal variation and spatial difference in four main parameters of water quality at Lake Liangzi, examining the water quality in three different spatial levels in individual sampling locations, subdivided lake areas and the entire lake. The major pollution parameters of CODMn, total nitrogen(TN) and total phosphorus(TP) were examined at the East Lake Liangzi, CODMn, TN and ammonia nitrogen at the Lake Niushan, CODMnand TN at the West Lake Liangzi. Results showed that there were significantly spatial and seasonal changes. Pollution was relatively serious in summer and fall as CODMnwas high and in winter as TN was high, while the pollution was relatively light in spring. The results are helpful to better understand the spatial and seasonal patterns of water quality in Lake Liangzi and to find practical strategies for water quality protection and management.

Lake Liangzi; water quality; seasonal variation; spatial difference

*2015-07-23收稿；2015-12-01收修改稿. 秦云(1990～)，女，碩士研究生；E-mail：shuyunchenyun@163.com. 并列第一作者：李艷薔(1977～)，女，博士；E-mail：dark@hubu.edu.cn.

**通信作者；E-mail：zli@hubu.edu.cn,E-mail：y.huang@hubu.edu.cn.