張國(guó)涵，楊柏松，劉 斌，楊 瑩，王江濤，楊曉冬，夏萬(wàn)永，劉 云

（1.云南省生態(tài)環(huán)境廳駐昆明市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，云南 昆明 650228；2.昆明市生態(tài)環(huán)境局西山分局生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，云南 昆明 650000）

0 引言

湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化是一個(gè)復(fù)雜過程，也是地表水面臨的最具挑戰(zhàn)性的環(huán)境問題之一[1,2]。當(dāng)大量營(yíng)養(yǎng)鹽進(jìn)入湖泊水體，氮、磷濃度持續(xù)不斷增高將為藻類繁殖提供豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)，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(fā)，導(dǎo)致水體環(huán)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(huì)進(jìn)一步污染水體，嚴(yán)重威脅水生態(tài)系統(tǒng)及人體健康[4]。因此，對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化狀況進(jìn)行有效的評(píng)估對(duì)于防治水華暴發(fā)具有十分重要的作用。

湖泊富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)，指的是通過與湖泊營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)相關(guān)的一系列指標(biāo)及指標(biāo)間的相互關(guān)系，對(duì)湖泊的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)作出準(zhǔn)確判斷。被廣泛采用的水體富營(yíng)養(yǎng)狀況評(píng)價(jià)方法，主要是從水質(zhì)、水生生物以及沉積物3個(gè)方面來(lái)進(jìn)行，評(píng)價(jià)方法可概括為六大類型，即特征描述法、參數(shù)法、生物指示評(píng)價(jià)法、磷收支模型法、營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法和數(shù)學(xué)分析法[5-7]，其中以Chla為基準(zhǔn)參數(shù)的綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法是目前最常用的湖泊水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)方法[8]。

本文基于云南省生態(tài)環(huán)境廳駐昆明市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)站“十三五”期間（2016—2020年）陽(yáng)宗海水質(zhì)例行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法對(duì)陽(yáng)宗海水體富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，分析富營(yíng)養(yǎng)化狀況時(shí)空變化特征，并進(jìn)一步探討富營(yíng)養(yǎng)化結(jié)果與水溫、pH、溶解氧和化學(xué)需氧量等指標(biāo)的Pearson相關(guān)性，以期為保護(hù)湖泊水質(zhì)，防止水華暴發(fā)提供科學(xué)的決策依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

陽(yáng)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(zhǎng)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(gè)出水口，屬封閉型深水湖泊。入湖水系主要有陽(yáng)宗大河和七星河。研究顯示，陽(yáng)宗海目前面臨著富營(yíng)養(yǎng)化的威脅，營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷的不斷累積正在加劇湖泊水華暴發(fā)的潛在風(fēng)險(xiǎn)[9]。

1.2 采樣點(diǎn)位設(shè)置

依據(jù)地表水采樣點(diǎn)位布設(shè)原則[10]，結(jié)合陽(yáng)宗海地理地貌及水文特征，共設(shè)置了3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，即陽(yáng)宗海北、陽(yáng)宗海中和陽(yáng)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(jì)采樣60組。水溫（WT，℃）、pH、溶解氧（DO，mg/L）等現(xiàn)場(chǎng)指標(biāo)使用多參數(shù)水質(zhì)分析儀（美國(guó)，YSI ProPlus）進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，透明度（SD，m）采用塞氏盤法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?？偭祝═P，mg/L）、總氮（TN，mg/L）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn，mg/L）和葉綠素a（Chla，mg/L）等指標(biāo)依據(jù)《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》（第四版，增補(bǔ)版）[11]進(jìn)行樣品前處理及實(shí)驗(yàn)分析。

1.4 數(shù)據(jù)處理

1.4.1 數(shù)據(jù)處理方法及工具

采用Excel計(jì)算綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；采用Origin 2021分析富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)時(shí)間變化，并運(yùn)用ArcGIS 10.2軟件中的反轉(zhuǎn)距離權(quán)重法插值（IDW）分析富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)的空間變化特征[12]；采用SPSS26分析富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)與水溫、pH、溶解氧和化學(xué)需氧量等指標(biāo)的Pearson相關(guān)性。

1.4.2 綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計(jì)算及營(yíng)養(yǎng)分級(jí)

本文選用的綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計(jì)算公式如下：

式中：TLI(Σ)—綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；Wj—第j種參數(shù)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重；TLI（j）—第j種參數(shù)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。以Chla為基準(zhǔn)參數(shù)，則第j種參數(shù)的歸一化相關(guān)權(quán)重計(jì)算公式如下：

式中：rij—第j種參數(shù)與基準(zhǔn)參數(shù)Chla的相關(guān)系數(shù)；m—評(píng)價(jià)參數(shù)的個(gè)數(shù)。中國(guó)湖泊的Chla與其它參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系rij及見表1[13]。

表1 “十三五”期間陽(yáng)宗海富營(yíng)養(yǎng)化指標(biāo)均值

營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計(jì)算公式如下：

結(jié)果參照湖泊營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)分級(jí)指標(biāo)評(píng)價(jià)[14]：TLI（Σ）＜30為貧營(yíng)養(yǎng)；30≤TLI（Σ）≤50為中營(yíng)養(yǎng)；TLI（Σ）＞50為富營(yíng)養(yǎng)，其中50＜TLI（Σ）≤60為輕度富營(yíng)養(yǎng)，60＜TLI（Σ）≤70為中度富營(yíng)養(yǎng)，TLI（Σ）＞70為重度富營(yíng)養(yǎng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計(jì)算結(jié)果

“十三五”期間陽(yáng)宗海水質(zhì)例行監(jiān)測(cè)WT、pH、SD、TP、CODMn和Chla等理化指標(biāo)均值如表2所示。可以看出， 2016—2020年陽(yáng)宗海3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的WT、TP、SD、Chla和N:P等指標(biāo)在時(shí)間分布上差異較大，其中N:P波動(dòng)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(zhǎng)期內(nèi)，水體中N:P比 < 7 時(shí)，氮是可能的限制性營(yíng)養(yǎng)鹽；N:P>7時(shí)，磷則是可能的限制性營(yíng)養(yǎng)鹽[16]，由此推斷TP可能是陽(yáng)宗海富營(yíng)養(yǎng)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(biāo)差異較小。

表2 “十三五”期間陽(yáng)宗海理化指標(biāo)均值

綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)（TLI(Σ)）計(jì)算及評(píng)價(jià)結(jié)果（表3）顯示：“十三五”期間陽(yáng)宗海3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位均為貧營(yíng)養(yǎng)，整體富營(yíng)養(yǎng)化程度不高。值得注意的是，3個(gè)點(diǎn)位的TP 和TN濃度均值已接近或高于國(guó)際認(rèn)可的湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的臨界值（TN：0.2mg/L；TP:0.02mg/L）[17]，這表明陽(yáng)宗海已具備水華暴發(fā)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)基礎(chǔ)。

表3 “十三五”期間陽(yáng)宗海綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計(jì)算結(jié)果及營(yíng)養(yǎng)分級(jí)

2.2 富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)時(shí)空變化分析

2.2.1 富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)時(shí)間變化

時(shí)間變化上，陽(yáng)宗海3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位“十三五”期間TLI(Σ)整體均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)（圖1）。其中，陽(yáng)宗海北和陽(yáng)宗海南最高值均出現(xiàn)在2017年，陽(yáng)宗海中最高值出現(xiàn)在2018年，陽(yáng)宗海北和陽(yáng)宗海中年整體呈現(xiàn)“倒U”形變化，陽(yáng)宗海南則呈“倒V”形變化。查閱資料得知，《陽(yáng)宗海流域水環(huán)境保護(hù)治理“十三五”規(guī)劃》于2016年正式實(shí)施，針對(duì)陽(yáng)宗海的治理措施包括控源截污、面源防治、生態(tài)修復(fù)等手段。初步推斷，“十三五”初期（2016—2017年），環(huán)湖截污和河道清淤等工程導(dǎo)致水體被攪動(dòng)，底部沉積物中的氮、磷等污染物會(huì)釋放到水體中[18]，導(dǎo)致富營(yíng)養(yǎng)化程度的出現(xiàn)階段性升高，截至2017年底，環(huán)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(yíng)養(yǎng)化程度也呈現(xiàn)持續(xù)降低的趨勢(shì)。

圖1 “十三五”期間陽(yáng)宗海綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)時(shí)間變化

2.2.2 富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)空間變化

空間變化上，2016年TLI（Σ）陽(yáng)宗海北最高，陽(yáng)宗海南次之，陽(yáng)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(lái)看，“十三五”期間陽(yáng)宗海北部區(qū)域的富營(yíng)養(yǎng)化程度相對(duì)較高，南部區(qū)域相對(duì)較低。分析原因，陽(yáng)宗海主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)，流域多年平均風(fēng)速為2.4 m/s[19]。已有研究表明，風(fēng)力作用引起的水流擾動(dòng)能直接影響藻類的遷移和聚集[20]，因此陽(yáng)宗海北部聚集的藻類生物量要高于中部。而浮游藻類細(xì)胞衰亡的過程會(huì)向水中釋放出氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽[21]導(dǎo)致陽(yáng)宗海北部富營(yíng)養(yǎng)化程度比其它區(qū)域相對(duì)較高。

2.3 富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)與理化指標(biāo)Pearson相關(guān)性分析

Pearson相關(guān)性分析結(jié)果（圖3~圖5）顯示，“十三五”期間，陽(yáng)宗海北（圖3）的TLI（Σ）在95%的置信區(qū)間上與TN、CODMn和呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與Chla、WT和BOD5等指標(biāo)也呈正相關(guān)關(guān)系但不顯著，與DO和SD呈負(fù)相關(guān)關(guān)系但不顯著；陽(yáng)宗海中（圖4）TLI（Σ）在95%的置信區(qū)間上與TN、、BOD5和N:P等指標(biāo)呈正相關(guān)關(guān)系但不顯著，與WT、DO、CODCr、TP和SD呈負(fù)相關(guān)關(guān)系但不顯著；陽(yáng)宗海南（圖5）TLI（Σ）在95%的置信區(qū)間上與TN呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與Chla、CODMn、BOD5和TP等指標(biāo)也呈正相關(guān)關(guān)系但不顯著，與pH、DO、CODCr、SD和N:P等指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系但不顯著。初步推斷：陽(yáng)宗海富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)可能受TN和影響較大。

圖3 “十三五”期間陽(yáng)宗海北Pearson相關(guān)性分析結(jié)果

圖4 “十三五”期間陽(yáng)宗海中Pearson相關(guān)性分析結(jié)果

圖5 “十三五”期間陽(yáng)宗海南Pearson相關(guān)性分析結(jié)果

3 陽(yáng)宗海水質(zhì)管理建議

（1）補(bǔ)齊陽(yáng)宗海污染防治設(shè)施建設(shè)短板，進(jìn)一步完善水污染防治體系，推進(jìn)水環(huán)境質(zhì)量提升；

（2）加大農(nóng)業(yè)面源污染治理力度，進(jìn)一步完善種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整規(guī)劃方案，減少氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽面源污染；

（3）加快區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，嚴(yán)格控制涉磷企業(yè)等單位的污染排放，加強(qiáng)陽(yáng)宗海面山綠化、區(qū)域植綠補(bǔ)綠等工作。

4 結(jié)論

（1）綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計(jì)算結(jié)果表明，“十三五”期間陽(yáng)宗海水體富營(yíng)養(yǎng)化程度不高，營(yíng)養(yǎng)分級(jí)為貧營(yíng)養(yǎng)，但TP 和TN濃度均值已接近或高于水華暴發(fā)閾值，存在潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

（2）綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的時(shí)間變化顯示，陽(yáng)宗海3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位富營(yíng)養(yǎng)化程度均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)；空間變化顯示，研究期間陽(yáng)宗海北部區(qū)域的富營(yíng)養(yǎng)化程度相對(duì)較高，南部區(qū)域相對(duì)較低。

（3）Pearson相關(guān)性分析結(jié)果表明，陽(yáng)宗海富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)主要受TN和影響，建議進(jìn)行針對(duì)性防治。