长江流域湖泊富营养化发展趋势与展望

秦 伯 强,吴 海 斌

(1.中国科学院 南京地理与湖泊研究所,江苏 南京 210008; 2.中国长江三峡集团有限公司,湖北 武汉 430014)

0 引 言

长江中下游是中国淡水湖泊最集中的区域,全国约60%的淡水湖泊位于这个区域,绝大部分是浅水湖泊[1]。自20世纪80年代以来,污染和富营养化普遍出现,导致蓝藻水华频发,湖泊生态服务功能下降。2007年无锡太湖蓝藻水华污染水厂取水口造成饮用水危机事件[2],对社会民生和区域经济造成了恶劣的影响。此后,全国范围的水污染治理拉开了序幕,各级政府和行业部门都投入大量资源,施展从基础研究到工程治理的多种“组合拳”。2008年和2017年先后对《中华人民共和国水污染防治法》进行了修订;2013年和2015年分别发布了《城镇排水与污水处理条例》和《水污染防治行动计划》。对于这一系列法律法规的实施成效如何,管理部门及社会各界都十分关注。学术界针对近年来湖泊水质,特别是湖泊富营养化与蓝藻水华是否有改善的问题,尚存在不同观点[3-6]。

长江是中国第一大河,全长约6 300 km,流域面积约180万km2,流域内人口和国内生产总值(GDP)分别占全国的33.0%和35.4%。中国面积大于1 km2的淡水湖泊约有60%位于长江中下游,而且这些湖泊以浅水湖泊为主(水库除外),大多数已处于富营养化或者正在富营养化过程中,因此,国内大部分富营养化湖泊也位于长江中下游。本文以长江中下游河流及其湖泊为研究区域和主要对象,通过分析公开发布的全国河流水质和湖泊富营养化评价结果,结合长江中下游地区的湖泊水环境和水生态监测和调查成果,研究河流水质改善与湖泊水质改善的关系,并展望未来湖泊水质改善和富营养化治理的前景。

1 数据来源与研究方法

本文使用的数据包括以下3种来源:

(1) 全国河流、湖泊水质和营养状态评价数据。由中国生态环境部和水利部分别对全国范围内的水质进行监测和评价,并发布报告。水利部发布的《水资源公报》(2008～2018年)收集了全国主要河流2008年(15万km河段)～2018年(26.2万km河段)的相关数据,并进行水质评价。湖泊富营养化评价数量从2008年的44个增加到2018年的156个,其中只包括湖泊,未涉及水库。另外,研究组还收集了水利部太湖流域管理局公布的补给太湖的河流水质评价报告。

(2) 观测数据。收集了长江中下游11个代表性大型湖泊(见图1、表1)月度监测数据。这些数据覆盖了相关公开报告中涉及的2008～2018年研究时段。其中,鄱阳湖数据由中国科学院鄱阳湖生态系统研究站提供;洞庭湖数据由中国科学院洞庭湖湿地生态系统观测研究站提供;滆湖的数据收集自文献资料[8]。洪湖、梁子湖、龙感湖、南漪湖、淀山湖、阳澄湖的监测数据均来自国家环境监测总站。太湖的水质和底栖生物观察数据来自中国科学院太湖湖泊生态系统研究站。在2008～2009年和2018年夏季(6～8月),研究组对长江中下游地区23个具有代表性的湖泊开展了水质调查。

表1 长江中下游典型湖泊的位置及其观察数据来源

图1 长江中下游典型湖泊的位置

(3) 文献数据收集。长江干流2008～2019年水质数据来源于参考文献[7]。其中,长江上游监测站点为寸滩、晒网坝、挂弓山、龙洞;中游监测站点为荆江口、城陵矶、湖口、九江姚港;下游监测站点为南通姚港、焦山尾、皖河口。

各种不同来源的水样预处理方法存在差异。在分析氮磷等营养元素时,国家监测总站的方法是在检测前先沉降30 min,然后通过63 μm筛网过滤。但其他机构可能不经过沉降和过滤程序直接进行检测。因此,这些不同分析方法对于湖泊之间的水质比较有较大影响,但不影响用同一种方法获得时间过程的趋势变化。水样的采样和化学分析整体上遵循标准方法[8]。通过高锰酸钾法来测量COD。TN和TP浓度则通过在碱性环境中用硫酸钾消化后,通过分光光度法进行测定。叶绿素a浓度采用分光光度法测量。对于底栖动物,使用3个改良彼得森抓斗来采集样本,之后使用250 μm孔径的筛网进行现场筛分。筛中残留的样品被运送到实验室,在白色托盘上进行分类,之后对这些标本进行种属鉴定和计数。

湖泊营养状态通过综合营养指数(营养水平指数,TLI)进行评估,该指数包括水质指标的Chla、TN、TP、透明度和COD,并通过加权平均上述指标进行计算[10]。采用Shannon-Weaver生物多样性指来评价底栖大型无脊椎动物的情况,表达湖泊的生态环境状况,该指数通过使用R软件包“vegan”来计算[11]。分析中使用时间序列数据建立了使用广义加性模型(GAMs)的非线性拟合。趋势显著性通过R程序包“Kendall”中的Mann-Kendall测试(非参数)进行检验[12]。

2 结果与分析

2.1 2008年以来全国河流水质变化

根据水利部《水资源公报》公布的河流水质评估结果(以河流长度而不是以断面作为评价对象),Ⅰ～Ⅲ类水的河流比例增加明显,而劣Ⅴ类水的河流比例明显下降(见图2)。

2.2 2008年以来长江干流水质变化

与全国河流水质变化结果相类似,2008年以来,长江干流水质也有明显改善(见图3)。长江上游CODMn浓度从2008年的2.33 mg/L下降到2019年的1.61 mg/L,中游从2.33 mg/L下降到1.9 mg/L,下游从2.34 mg/L下降到1.89 mg/L。NH4浓度也出现了持续下降,上游从2011年的0.12 mg/L下降到2019年的0.07 mg/L,中游从0.21 mg/L下降到0.12 mg/L,下游从0.24 mg/L下降到0.12 mg/L。TP浓度呈现先上升随后在2014年前后开始下降趋势,与2014年相比,2019年上、中、下游总磷浓度分别下降了43.0%,39.6%,20.0%。

图3 2008～2019年长江干流水质变化[7]

2.3 2008年以来全国湖泊营养水平变化

与河流水质发生明显改善不同,湖泊水质,特别是富营养化问题改善不明显。根据水利部发布的对2008年(44个湖泊)至2018年(121个湖泊)水质情况评价发现:贫营养湖泊消失;中营养湖泊有所减少;尽管2016年后富营养湖泊略有减少,仍然明显高于2014年前水平(见图4)。

图4 全国主要典型湖泊营养状态处于不同营养状态的百分比变化

2.4 长江流域典型湖泊水质变化

进一步分析长江流域具有较长观察资料的11个典型湖泊(见表2)CODMn、TN、TP和Chla等4项水质指标的长期变化趋势发现:本研究涉及的11个湖泊中,6个湖泊的CODMn显著增加;7个湖泊TN显著增加;9个湖泊TP显著增加。对于Chla,10个湖泊中(洞庭湖的观察数据缺失)有8个湖泊显著增加。这些数据表明,湖泊富营养化与蓝藻水华问题并没有随着河流水质的改善而改善。

表2 2007～2018年长江中下游地区11个典型湖泊的COD、TN、TP和Chla浓度变化趋势

对比长江中下游两次湖泊调查结果可以发现:与典型湖泊长期监测结果类似(见图5),24个调查湖泊中,有16个湖泊总磷浓度出现上升趋势,占比66.7%,仅有8个湖泊总磷浓度出现下降趋势。总氮浓度上升或者下降的湖泊数量各占50%。有超过95%的湖泊叶绿素浓度在增加,仅大通湖叶绿素浓度出现下降趋势。

图5 两次长江中下游湖泊调查水质结果比较

2.5 太湖流域水质变化

太湖流域水质变化情况与长江流域类似。根据水利部太湖流域管理局发布的《太湖健康报告》,补给太湖的约27～33条河流水质评价结果表明:2008～2020年,Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类水质的河流显著增加,而Ⅴ类或者劣Ⅴ类水质的河流显著减少(见图6)。中国科学院太湖湖泊生态系统研究站对湖区的水质监测数据(覆盖全湖的32个点位平均)表明:太湖湖区的总氮浓度呈现下降趋势;总磷浓度较平稳,既没有显著的下降,也没有明显的升高;但叶绿素浓度却增加明显(见图7)。仔细对比湖体的总氮、总磷浓度与入湖河流的氮磷年负荷量发现:湖体的氮磷浓度并没有完全对应外源输入的负荷量,这说明太湖湖体的氮磷浓度除了受外源输入的氮磷负荷影响,还受到其他因素的影响,如来自沉积物中的内源污染释放的影响等。与此相对应,太湖全湖的底栖生物(Shannon-Weaver指数)多样性出现了早期略微上升,后期略微下降的变化趋势,这说明湖泊生态系统也没有显著的改善(见图8)。

图6 2008～2020年环太湖河流水质分类百分比的变化

图7 2007～2020年太湖总氮、总磷和叶绿素年变化

注:绘图框的范围为1个四分位数到3个四分位数之间,中间值由框内的1个条表示。平均值和标准偏差分别用红线和黑线表示。

3 讨 论

上述分析和对比结果都表明,全国范围的河流水质改善非常显著,即使经济发展快、城市化程度高、环境压力大的太湖流域河流水质也在好转。但是,湖泊富营养化程度并没有显著改善,特别是有些湖泊叶绿素浓度和蓝藻水华还有所反弹。此外,由于富营养化和藻类水华导致的湖泊生态系统多样性下降尚未出现好转,说明河流水质响应流域控源截污措施速度较快,河流污染治理较湖泊治理更容易见效[13]。因此,河流的污染物浓度下降,并不等于湖泊生态系统多样性增加或者生态系统就能恢复。湖泊与河流对于流域控源截污措施的响应关系不一致,源自河流与湖泊不同的水流交换速度和营养盐滞留能力。在河湖连通的背景下,河流携带污染物至湖泊,水流变缓,许多污染物都会在湖泊中沉淀。这些沉积在湖底的污染物在适当的条件下,如风浪搅动导致底泥悬浮,就会释放出来进入上覆水[14],尤其是磷的沉积型循环特征,意味着更多的磷将会被储藏在沉积物中,因此两次长江中下游湖泊调查中总磷浓度增加较总氮更为严重。此外,在全球气候变化的背景下,极端天气、温度、风速、降雨均在发生明显变化,促进沉积物内源磷释放。这种复合的影响效果,导致湖泊水质的改善明显较河流水质的改善缓慢。因此,湖泊的污染治理不仅需要控制当前流域的污染物排放,还需要处理历史时期排放的、滞留在湖里的污染物。

此外,湖泊生态系统的响应机制,即藻类生长与水华暴发,更加复杂。藻类生长与水华暴发不仅受到湖体氮磷等营养盐浓度的影响,还受水下光照(透明度)、温度、流速等因素的影响[15-16]。气候变化已经导致全球范围内的许多湖泊藻类水华均出现反弹[17-20]。2017年太湖出现了历史最为严重的藻类水华,就是气候变化导致的结果[21]。气候变暖导致蓝藻水华暴发时间提前、暴发频率增加、暴发强度加大[22],这些现象都预示了长江中下游地区湖泊的富营养化和蓝藻水华治理工作将会是长期而艰巨的。

4 结论与建议

在未来全球气候变暖和营养盐排放负荷不变的双重胁迫下,湖泊富营养化和藻类水华程度将持续加剧[22]。因此,要控制本地区湖泊的富营养化和藻类水华的发生和发展,实现长江大保护目标,需要从流域到湖体统筹管理,推行一系列富营养化治理措施。在流域尺度上建议:

(1) 实施“控磷为主,协同控氮”的流域“减排”策略。重要抓手是提高污水处理厂的污水截留率及提标改造,强化一级保护区内农村面源治理及入湖河道支浜的淤积污染治理。

(2) 加强流域生态修复,增强流域自净能力。密集的河网湖荡湿地在调蓄水量、保护生物多样性、污染物的拦截方面具有不可替代的作用。合理利用入湖河网湖荡湿地群的自净能力,提升城镇污水厂尾水和农田径流入河水质。

对于富营养化湖泊治理,可推行以下措施:

(1) 加强内源污染控制,加强生态清淤,有效去除水体总磷负荷和控制底泥总磷释放。

(2) 加强蓝藻水华打捞,关注极端天气对蓝藻水华的影响;深入揭示蓝藻水华及湖泛的形成机制,完善蓝藻水华及湖泛监测预警系统,强化多源遥感(高空间、高时间和高光谱遥感数据)和高频在线监测数据对蓝藻水华及湖泛的协同监测。

(3) 根据湖泊历史水生植被分布区以及水生植物生长所需要的光照、营养盐等条件,合理确定湖内水生植被恢复区,自然与人工干预相结合促进水生植被恢复,改善和优化草型生境。

致 谢

中国科学院太湖湖泊生态系统研究站、中国科学院洞庭湖湿地生态系统研究站、中国科学院鄱阳湖生态系统研究站和国家生态环境监测总站提供了部分湖泊的逐月监测数据。彭凯、姚亦舟、吴挺峰协助收集资料,邓建明、彭凯、丁侃帮助画图,在此一并致以诚挚的感谢。