东太湖水质污染特征研究

曾庆飞,谷孝鸿,周露洪,2,毛志刚,2 (中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室,江苏 南京 20008；2中国科学院研究生院,北京 00049)

东太湖水质污染特征研究

曾庆飞1*,谷孝鸿1,周露洪1,2,毛志刚1,2(1中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室,江苏 南京 210008；2中国科学院研究生院,北京 100049)

2008年8月至2009年7月研究了江苏东太湖网围养殖区、东茭咀、油车港等12个典型湖区的水环境特征,运用主成分分析法研究东太湖水质的空间异质性及主控因素.结果表明,东太湖水质在各区域存在显著差异,季节变化明显,主要表现为丰水期水质优于枯水期. 12个水质指标简化成2个主成分,主成分I代表水体的总磷、溶解性总磷和磷酸盐水平,是东太湖水域最主要的污染因子;主成分II主要反映水体的有机污染状况,叶绿素a和高锰酸盐指数的贡献率较大.利用主成分得分进行聚类分析,将12个采样点分为4类,北部由于受东山镇生活污水影响,各入湖河道口污染较为严重,特别是油车港;网围养殖区由于人工栽植的水草较为茂盛,水质较好,同东茭咀、太浦河口等水域的水质一样.

东太湖；水质；空间差异；主成分分析

东太湖位于洞庭东山半岛的东南面,是太湖东南隅的一个湖湾,承担着太湖来水泄洪通道的功能.该区湖底平坦,底质肥沃,水草茂盛,水质良好,渔业资源丰富,它不仅是重要的鱼类繁殖保护区和商品鱼基地,也是上海等地区的重要水源地

[1].自20世纪70～80年代网围养殖实验获得成功,网围养殖取得了极其显著的经济和社会效益

[2].与此同时,由于缺乏科学的引导和系统全面的规划,网围养殖的盲目发展对湖泊环境和水利、航运等产生了一定程度的不良影响,湖泊环境质量下降,湖泊沼泽化和富营养化现象渐趋严重[3-4].如何在保持良好湖泊生态环境前提下,合理开发利用草型湖泊渔业资源已成为重要课题.分析东太湖水质时空变化规律,研究水质污染主控因子,对于探讨网围养殖对东太湖生态环境的影响具有重要意义.

1 采样点布设与采样方法

2008年8月至2009年7月,每月中下旬采样,在东太湖定点2个养殖区及代表性港口、敞水区共12个监测点位(见图1).调查的水环境指标,包括水温(T)、pH值、透明度(SD)、浊度(Turb)、电导率(TDS)、总氮(TN)、氨态氮(NH4+-N)、亚硝态氮(NO2

--N)、硝态氮(NO3--N)、总磷(TP)、磷酸盐磷(PO43--P)和叶绿素 a(Chla)、高锰酸盐指数(CODMn)、溶解氧(DO).各项指标测定方法见《湖泊富营养化调查规范》[5].除pH值、DO、T、SD、Turb和TDS现场测定外,其他指标均为实验室分析得出.水样采用有机玻璃采水器在水面下20cm处采集,所有水样带回实验室后存于4℃冰箱,在48h内分析测试完毕.

图1 采样点的分布Fig.1 Distribution of Sampling sites

2 分析方法

主成分分析目的在于将数据从高维空间投影至低维空间,甚至用2或3维空间显示数据特征.它将原始变量进行变换,使少数几个新变量为原变量的线性组合,同时这些新变量要尽可能多的表征原变量的数据结构特征而不丢失原始变量的数据信息,新变量之间相互正交[6].由于主成分分析法消除了指标间相关关系的影响,针对指标间相关性较强的指标其评价结果可靠性大大高于其他评价方法.因此本实验采用主成分分析,通过恰当的数学变换使新成分成为原变量的线性组合,只通过较少的主成分代替较多的原变量分析,提取指标间相关性较小、对结果影响程度最大的综合评价指标.采用SPSS 13.0对数据进行主成分和聚类分析.

3 结果与分析

3.1 东太湖水质时空变化特征

东太湖2008年8月到2009年7月各监测点主要水质指标的年平均值和季节变化范围如表1所示.就空间差异而言,各水质指标在各监测点的季节变化趋势基本一致,整体表现为东南低,西北高.油车港、瓜径口、张家浜和大缺港,由于受到东山镇人类生活污水排放的影响,TP、CODMn、NH4+-N浓度较高,特别是油车港,在TP、TDP、TN、TDN和PO43--P浓度上显著高于其他点位.网围养殖区由于人工种植水草丰富,吸收水体的营养盐,水质良好.就季节变化而言,作为指示水体有机污染的环境因子 CODMn和 Chla浓度,CODMn的年平均浓度为5.0mg/L,季节变化不明显.Chla浓度反映水体藻类的含量,同水体营养盐浓度和水温密切相关.Chla浓度在12月份最低,平均为10.31μg/L;随着气温的升高逐步升高至8月份的32.56μg/L,从9月份开始下降,整体呈现单峰曲线特征.不同于 Chla浓度,水体其他营养盐因子呈现明显的双峰曲线,2月份枯水期水质较差,水体各营养盐指标浓度较高,随着水温的不断升高,水生植物生长吸收大量的营养盐,水质状况好转,但随着网围养殖活动投饵量增加,特别是6～8月份冰鲜鱼等动物型饵料的投放,增加了水体负荷,水体的营养盐浓度在8月份达到第二个峰值,随后逐渐降低,到12月份达到最低点.以TN浓度为例,2008年8月份为1.62mg/L,随后逐渐降低,在12月份达到最低点1.05mg/L;随后升高,在翌年的2月份达到1.87mg/L,然后随着水温的增 高又逐渐降低.

表1 各采样点水质主要化学指标年平均值及季节变化幅度Table 1 Average and variation range of water quality indices from 12 sampling sites

3.2 东太湖水质主成分分析

由相关矩阵出发,计算相关矩阵的特征值和特征向量,得到特征值和贡献率(见表2).前2个主成分得分为83.767%＞80%,故前2个主成分能代表东太湖水质指标83.767%的信息.

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

选取前 2个主成分来表示原始水质指标在各采样点的主要信息(见图2).计算前2个主成分分值,根据特征值的贡献率大小为分配系数,计算综合得分并排序(见表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:

从因子模型看,第1主因子F1在变量TDP、TP、PO43--P上有高的载荷系数,说明变量TDP、TP、PO43--P与第1主因子F1有很强的相关性,贡献率达到49.305%.第1主成分表征东太湖营养盐状况,磷酸盐是东太湖水域最主要的污染物;第2主因子F2在变量Chla、CODMn、DO上有高的载荷系数,说明变量 Chla、CODMn、DO与第 2主因子 F2有很强的相关性,贡献率达到34.462%.第 2主成分表征东太湖有机污染状况.东太湖由于受养殖残饵的影响,加上藻类生物量较大,有机污染较为突出,CODMn年平均为5mg/L,为地表水Ⅲ类水质标准.而同时期太湖梅梁湾湖区CODMn平均值为3.16mg/L(内部监测数据).

图2 12个监测点位因子载荷Fig.2 Environmental factor loadings for the first two PCs obtained from 12 sampling sites

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

筛选出特征根累计贡献率83.767%的2个主成分,对选出的参数中主成分进行系统聚类分析.由图3可知,样本层次聚类分析聚成4类,样本2为一类,样本8,9,12为一类,样本10,11为一类,样本 1,3,4,5,6,7为一类.结果和主成分主因子综合得分顺序基本一致,即东太湖污染较为严重的是西岸入湖河道口,以油车港为最,网围区由于人工种植水草对营养盐的吸收作用,水质较好,同东茭咀,太浦河口等水域的水质一样.

图3 不同监测点聚类树Fig.3 Cluster analysis of environmental factors from 12 sampling sites

3.3 各主成分的空间分布特征

利用 surfer软件,采用距离倒数加权法将东太湖12个监测点的TN、TDP、CODMn、Chla 4个主成分的均值分别进行加权,可得到4个主要水质指标的年平均值分布图,直观表现东太湖各点位的水质状况.由图 4可见,东太湖的TP、TDP浓度由于受港口生活污水入湖的影响,表现为西北部沿岸区较高,网围养殖区及南部湖区较低的趋势;CODMn代表东太湖水体有机质污染状况,北部湖区相对较高,网围养殖区由于受投饵量影响,水体有机质含量较高,部分月份达到Ⅳ类水质标准;东太湖水体的Chla浓度表现出北高南低的趋势,网围养殖区高于网围周围航道.

图4 东太湖主要水质指标年平均空间分布Fig.4 The spatial distribution of water quality indexes in East Taihu Lake

4 讨论

东太湖的水质状况与渔业发展存在密切的关系.建国以来东太湖的渔业发展主要经历了 4个阶段[7].20世纪 70年代以前,东太湖处于围垦和自然渔业状态.TN、TP、Chla及CODMn等水质指标属于Ⅰ类(清洁)—Ⅱ类(较清洁)级别,浮游藻类以硅藻和绿藻占优势,浮游动物种类以原生动物占优势,浮游生物整体生物量较低.发现水生植物40种,东南岸生物量471.76g/m2,西北岸较东南岸多出一倍[2].20世纪70年代初期至90年代为人工放流与湖区网围养殖发展阶段.1997年以网围养鱼为主,TN较1960年增加了3倍,TP增加了2倍,CODMn增加了1倍[2].东部沿岸带分布大面积的茭草,植物残体常常引起严重的水质污染[8].随后,东太湖的营养盐水平存在明显的下降趋势,这可能与养殖模式转向河蟹养殖为主有关[9-10],河蟹养殖相对于鱼类养殖需要较好的水质条件,但是浮游植物生物量总体上增加了6倍,蓝藻、绿藻逐渐成为优势种.浮游动物种类下降,生物量增加.2000至 2008年为网围养殖鼎盛阶段.直到2008年网围拆除前,TN、TP、CODMn和Chla浓度年平均增加率分别为 0.046mg/(L·a)、0.004mg/(L·a)、0.07mg/(L·a)和 0.242μg/(L·a).浮游藻类种类降低,以微囊藻占优势,整体藻类数量较1960年增加了10倍[11].浮游动物种类降低,但生物量增加,港口附近由于有机质丰富,浮游动物数量丰富.水生植物演替为以外来种伊乐藻和无根植物金鱼藻为优势建群种.2008年底东太湖网围整治工作,网围养殖面积缩减,但由于内源释放影响[12],各项水质指标变化不明显.

由于东太湖网围养殖格局致使水质在各个点位存在明显差异.张蓉等[13]发现,在水温较低的冬季,北部的油车港、大缺口和南部的太浦河口污染物浓度较高,而东茭咀、湖心区和张家浜等处水域的水质相对较好,反映出主要由东山镇的局地污染源和上游苕溪来水决定水质空间分异的态势.湖心区由于稳定生长的水生植被的生物净化作用,其TN、TP和有机物污染在春夏秋冬4个季度均低于全湖平均水平.吴伟等[14]的调查研究表明,网围养殖区水质主要超标项目为pH值和TP,但由于养殖区栽种水草对N、P的充分吸收,故养殖区营养盐浓度变化幅度低于太浦河口,这与本研究的结论基本一致.

5 结语

通过对东太湖不同监测点位水质指标的主成分分析和聚类分析表明,东太湖水质存在显著的空间异质性.TP、TDP和PO43--P是东太湖水域最主要的污染因子,其次是有机污染,Chla和CODMn的贡献率较大.通过对主控因子综合得分排序及聚类分析,发现东太湖不同区域水质存在显著差异,北部由于受东山镇生活污水影响,各入湖河道口污染较为严重,特别是油车港.网围养殖区由于人工栽植的水草较为茂盛,水质较好,同东茭咀和太浦河口等水域水质差异不大.

[1] 吴庆龙.东太湖养殖渔业可持续发展的思考 [J]. 湖泊科学, 2001,13(4):337-344.

[2] 杨清心,李文朝.东太湖网围养鱼后生态环境的演变 [J]. 中国环境科学, 1996,16(2):101-106.

[3] 吴庆龙,胡耀辉,李文朝.东太湖沼泽化发展趋势及驱动因素分析 [J]. 环境科学学报, 2000,20(3):275-279.

[4] 马荣华,孔维娟,段洪涛,等.基于MODIS影像估测太湖蓝藻暴发期藻蓝素含量 [J]. 中国环境科学, 2009,29(3):254-260.

[5] 金相灿,屠清瑛.湖泊富营养化调查规范 [M]. 北京:中国环境科学出版社, 1990:69-75.

[6] 许 禄,邵学广.化学计量学方法 [M]. 北京:科学出版社, 2006,130-133.

[7] 杨英宝,江 南,殷立琼,等.东太湖湖泊面积及网围养殖动态变化的遥感监测 [J]. 湖泊科学, 2005,17(2):133-138.

[8] 李文朝.东太湖茭草植被改造实验研究 [J]. 中国环境科学, 1997,17(3):244-246.

[9] 杨再福,施炜刚,陈立侨,等.东太湖生态环境的演变与对策 [J].中国环境科学, 2003,23(1):64-68.

[10] 吴庆龙.东太湖养殖渔业可持续发展的思考 [J]. 湖泊科学, 2001,13(4): 337-344.

[11] 何 俊,谷孝鸿,刘国锋.东太湖网围养蟹效应及养殖规模优化[J]. 湖泊科学, 2009,21(4):523-529.

[12] 袁和忠,沈 吉,刘恩峰.太湖不同湖区沉积物磷形态变化分析[J]. 中国环境科学, 2010,30(11):1522-1528.

[13] 张 蓉,杨龙元,谷孝鸿,等.东太湖典型湖区水环境特征时空变化分析 [J]. 水利学报, 2007(增刊):579-605.

[14] 吴 伟,吴婷婷,何 杰,等.东太湖河蟹网围生态养殖对水环境的影响 [J]. 中国生态农业学报, 2007,15(2):140-146.

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

国家自然科学基金资助项目(30900207);江苏省自然基金资助项目(SBK201021370);国家水污染控制重大专项资助项目(2008ZX07101-012)

* 责任作者, 助研, zq-fly@sohu.com

曾庆飞(1979-),女,河南南阳人,助理研究员,博士,主要从事湖泊生态学研究.发表论文10余篇.