卧龙湖富营养化的时空变化特征研究

赵光辉

摘 要：为给卧龙湖国家良好湖泊生态环境保护试点工作提供决策依据，对卧龙湖的富营养化程度及其时空变化特征进行了评价分析。通过对卧龙湖2014年春夏秋季共53个采样点的调查监测和统计分析（单因素方差分析和克立格插值预测）得出：卧龙湖综合营养状态为中度富营养，季节差异有统计学意义（P<0.01），TLI值夏季>秋季>春季，农业面源产生的氮磷污染可能是造成卧龙湖夏秋季节水质富营养程度加剧的首要原因；卧龙湖各季节富营养化程度呈现从沿岸向湖心梯度降低的趋势，进一步说明流域农业面源污染是卧龙湖富营养化的主要驱动因素之一。

关键词：卧龙湖 富营养化 综合营养状态指数 变化特征

中图分类号：X52 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）03（b）-0116-03

现在人们谈论富营养化时，一般指人类活动导致的氮磷输入增加引起的富营养化，即由工业化、农业现代化和城市化导致的植物营养物（主要指氮、磷）排放增加所引起的[1]。研究表明，自然条件下湖泊也有可能富营养化，特别是浅水湖泊更容易发生富营养化[2]。湖泊富营养化是当前我国湖泊面临的主要生态环境问题之一，湖泊富营养化后会导致一系列的生态系统响应异常[3]。

卧龙湖位于辽宁省北部的康平县（123°8′43″～123° 20′4″E，42°41′4″～42°48′3″N），辽宁省最大的平原型淡水湖泊，也是个浅水湖泊，属于中国一级生态敏感带，2012年被列入国家湖泊生态环境保护17个试点之一。该文在监测的基础上评价了卧龙湖的富营养化程度，重点分析了卧龙湖的富营养化时空变化特征，以期为卧龙湖国家良好湖泊生态环境保护试点工作提供决策依据。

1 材料和方法

1.1 采样时间和点位设置

2014年5月（春季）、8月（夏季）、10月（秋季）对卧龙湖采样调查3次，共设置53个采样点，采用GPS定位。

1.2 采样和分析方法

依据《水质采样方案设计技术规定》（HJ 495-2009），湖库、水库监测垂线的布设—湖（库）监测垂线采样点的设置规定：水深≤5 m，采样点数设定为1点，采样深度为水面下0.5 m，水深不足1 m，在1/2水深处设置监测点。

水样采集后自然沉降30 min，取上层非沉降部分按《地表水环境质量标准基本项目分析方法》中指定的相应方法监测。

1.3 综合营养状态指数计算和统计分析

按照《湖泊（水库）富营养化评价方法及分级技术规定》，采用综合营养状况指数评估卧龙湖的富营养化水平[4]。

综合营养状态指数的计算公式为：

式中：TLI（∑）为综合营养状态指数；

Wj为第j种参数的营养状态指数的相关权重；

TLI（j）为代表第j种参数的营养状态指数。

综合营养状态指数法以叶绿素a（Chla）为基准参数，由于5个评价参数的量纲不一致，因此在计算各参数相关权重之前需对数据进行归一化处理，处理后第j个参数相关权重的计算式为：

式中：rij为第j种参数与基准参数chla的相关系数；

m为评价参数的个数。

中国湖泊（水库）的Chla与其它参数之间的相关关系rij及rij2见表1。营养状态指数权重见表2。

营养状态指数TLI（j）计算公式为：

TLI（Chla）=10（2.5+1.086lnChla）

TLI（TP）=10（9.436+1.624lnTP）

TLI（TN）=10（5.453+1.694lnTN）

TLI（SD）=10（5.118-1.94lnSD）

TLI（CODMn）=10（0.109+2.661ln CODMn）

式中：葉绿素a Chla单位为mg/m3，透明度SD单位为m，其他指标单位均为mg/L。

按照《湖泊（水库）富营养化评价方法及分级技术规定》对卧龙湖进行营养状态分级，同一营养状态下，营养状态指数TLI值越高，其富营养化程度越重。

采用SPSS 22.0单因素方差分析卧龙湖富营养化的季节变化特征；应用地统计学原理，采用克立格（Kriging）插值预测方法分析卧龙湖富营养化的空间分布特征。

2 结果与讨论

2.1 卧龙湖综合营养状态季节变化特征

卧龙湖综合营养状态指数特征见表3。研究期间，卧龙湖湖区各季节综合营养状态指数TLI范围为35.03～73.24，均值为63.61，营养状态为中度富营养，最小值出现在春季，最大值出现在夏季。春季TLI值为56.79，水质处于轻度富营养状态，夏季TLI值上升至68.18，水质转为中度富营养，秋季TLI值为67.29，水质仍为中度富营养。春季各样点间TLI值差异较大，夏秋季节各样点间TLI值差异较小。

经单样本非参数K-S检验，卧龙湖湖区水质TLI值非正态分布，将其转换为正态分布。单因素方差分析显示卧龙湖湖区水质TLI值各季节差异有统计学意义（P<0.01），夏季>秋季>春季。Levene方差齐性检验表明，显著性概率P=0.793>0.05，方差齐性。进一步的多重比较得出，春季与夏季、秋季之间TLI值差异有统计学意义（P=0.000<0.01），夏季与秋季之间TLI值差异无统计学意义（P=0.550>0.05）。

在5个评价因子中，TP、TN、Chla的营养状态指数相对较高，说明卧龙湖营养状态是氮磷控制。由于施肥，位于农业流域的水生态系统具有高无机营养盐的输入负荷，建于地表下的农作物地排水系统，会向纳水水体排放浓度非常高的氮、磷营养盐[5]，卧龙湖地处典型的农业区，在2000—2011年间，化肥使用量呈逐年增加趋势，远高于我国的平均水平，而肥料的利用率却呈不断下降趋势，夏秋季节地表径流将大量未被农作物利用的营养盐带入卧龙湖，可能造成了卧龙湖夏秋季节水质富营养程度的加剧。

2.2 卧龙湖综合营养状态空间变化特征

卧龙湖各季节综合营养状态空间分布图见图1～图3。春季水质营养状态指数从中北部的湖心向其他3个方向梯度递增，水质由中营养逐渐过渡到中度富营养，东南湖区富营养化程度最重，为重度富营养；夏季湖区水质富营养化程度加剧，TLI值总体上呈现从沿岸向湖心梯度降低趋势，近岸带区域为重度富营养，近湖心区域为中度富营养；秋季重度富营养的区域从南部湖区迅速扩张至湖心，湖区面积的50%以上都呈现重度富营养状态，整个南部湖区成为富营养化的严重区域。

氮磷是导致水体富营养化的重要因子，其主要来源于地表径流、入湖河流、流域降水、底泥释放以及水体生物代谢等途径[5]，卧龙湖各季节水质营养状态的空间变化特征充分说明了农业面源污染对水质富营养化的显著影响，夏季湖区TN均值由春季的3.00 mg/L升高至10.09 mg/L，TP均值由春季的0.08 mg/L升高至0.23 mg/L，氮磷浓度从湖岸带向湖心递减。湖心水域远离岸边农业面源污染与人类活动的影响，相对而言比较稳定，因此富营养化程度低。夏秋季节，湖区西北部富营养化程度严重，可能与东马莲河、五四一排水渠等主要入湖河流在西北部入湖有关。西南部湖区最主要的入湖河流西马莲河在夏季干涸，无河水注入卧龙湖，可能是西南部湖区在夏季富营养化程度相对低于湖区其它部分的原因。

3 结语

研究期间，卧龙湖综合营养状态为中度富营养，季节差异有统计学意义（P<0.01），TLI值夏季（中度富营养）>秋季（中度富营养）>春季（轻度富营养），农业面源产生的氮磷污染可能是造成卧龙湖夏秋季节水质富营养程度加剧的首要原因。各季節富营养化程度总体上呈现从沿岸向湖心梯度降低的趋势，进一步说明了卧龙湖流域农业面源污染对水质富营养化的显著影响。

参考文献

[1] 秦伯强，高光，朱广伟，等.湖泊富营养化及其生态系统响应[J].科学通报，2013，58（10）：855-864.

[2] 秦伯强，杨柳燕，陈非洲，等.湖泊富营养化发生机制与控制技术及其应用[J].科学通报，2006（51）：1857-1866.

[3] 庞晓宇，吴静汇.夏季巢湖叶绿素a的时空分布特征研究[J].环境科技，2013，26（6）：1-4.

[4] 中国环境科学研究院编.湖泊生态安全调查与评估[M].科学出版社，2012.

[5] （瑞士）Jacob Kalff，著.湖沼学：内陆水生态系统[M].古滨河，刘正文，李宽意，等，译.北京：高等教育出版社，2011.