固城湖及上下游河道富营养化和浮游藻类现状

曾庆飞,谷孝鸿,毛志刚,2,孙明波,2,谷先坤,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)

固城湖位于江苏省高淳县,水源主要来自于沿湖的官溪河、胥河、漆桥河、横溪河等,还受源自皖南山区的河流补给,其次是长江高水位时倒灌和湖区周围山地丘陵的地表径流[1].湖岸平直,水位易陡涨陡落,原为水阳江的过水性湖泊.

官溪河建杨家湾节制闸后,已转变为相对封闭的水库型湖泊. 在“十一五”至“十二五”期间,江苏省计划对芜申线航道高溧段进行整治,芜申线高淳段航道长约61km,其中约有8km经由固城湖湖区.通过整治,到2013年左右基本达到三级航道标准,届时来自安徽和长江中、上游地区转移和诱增的运量将有较大幅度增长,并将导致入湖污染物的组成与排放量发生一定的变化.因此,研究固城湖及其航道的水质和生物资源现状,可以为评估和预测航线运力增加对固城湖水环境的影响奠定基础.

早在20世纪90年代初已有学者对固城湖的生物资源利用和富营养化问题进行了研究[2-3].王小林等[4]运用210Pb、137Cs计年探讨了固城湖近代沉积模式及与围湖垦殖、流域植被破坏等人类活动的关系. 谷孝鸿等[5-6]研究了固城湖近 20年的生物资源群落组成和结构特征,认为在人类活动的严重干扰下,固城湖环境质量下降,湖泊富营养化加剧,达到中营养-轻度富营养状态. 杨文斌等[7]又详细评价了固城湖水质和水草的空间变异规律,并用数学方法探讨了污染源分布和水生植被密度的相互关系.

但上述研究大多集中在固城湖湖区的水质和生物资源状况,基本未涉及固城湖上下游河道.受芜申线运力增加的影响,是否会对固城湖和河道的生态环境产生重要的影响?目前,有关河道整治前后水环境变化的研究还较少[8].本研究通过对芜申线高淳段长约61km的航道和固城湖湖区水体水质、细菌总数和浮游藻类生物量差异进行调查和分析,以期为评价航道整治对固城湖富营养化的影响和环境保护对策及措施提供参考.

1 采样点布设与采样方法

于2009年4月下旬和7月下旬,在丹农砖瓦厂至朱家桥沿线设置了19个观测采样点,其中上游设置4个监测点,下游5个监测点,固城湖湖区共设置10个监测点,对芜申线高淳段航道沿线及固城湖湖区进行水体生态环境综合调查.监测点位分布见图 1.在实地调查中,按《湖泊富营养化调查规范》[9]要求采集水和浮游植物样品.水体理化指标叶绿素a(Chla)、悬浮颗粒物(SS)、透明度(SD)、化学耗氧量(CODMn)、生化耗氧量(BOD5)、氮化合物(TN、NH4+-N、NO3--N、NO2--N)、总磷(TP)、粪大肠杆菌和细菌总数等指标按“水环境监测规范”[10]及“地表水环境质量标准”[11]的有关规定和要求进行分析.

图1 采样点示意Fig.1 Sampling sites

2 分析方法

为了全面反映固城湖及上下游河道沿线监测各点水体的营养状况,采用综合营养状态指数法对固城湖水源地营养状态进行评价.综合营养状态指数采用Carlson方法[12]:

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;TLI(j)为第j种参数的营养状态指数;rij2为以Chla为基准参数,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.富营养化状况评价指标选用Chla、TP、TN、SD、CODMn五项参数,计算公式为:

式中:Chla单位为mg/L,SD单位为m,其他指标单位均为mg/L.

采用 0～100的一系列连续数字对芜申线航道沿线水体富营养状态进行分级(表1):

表1 淡水湖泊(水库)营养状态分级Table 1 Classification standard of lake (reservoir) tropic level

式中:H为多样性指数;N为藻类个体总数;ni为第I属的藻类个体数.

3 结果与分析

3.1 固城湖及上下游河道水质时空变化特征

由图2所示,TP浓度在上游河段运粮河、官溪河附近和下游固城大桥处较高,其他水域均较低,平均为0.05mg/L,固城湖湖区水体TP浓度平均为0.06mg/L,略超Ⅲ类水质标准(£0.05mg/L).TN浓度除了上游水阳江在枯水期平均为0.85mg/L,固城湖湖心在丰水期为0.64mg/L之外,航道沿线其他点位均超标.其中官溪河一带的TN浓度最高,达到3.0mg/L;胥河下游枯水期TN含量也较高,平均达到2.0mg/L.

从上游水阳江-运粮河-官溪河-固城湖-下游胥河,NH4+-N浓度呈现双峰曲线,即官溪河和胥河上游段浓度较高,最高达到1.03mg/L,水阳江和固城湖区域较低,水质较好.芜申线航道NO2--N浓度的变化范围在 0.001～0.509mg/L,丰水期浓度高于枯水期.NO2--N浓度在沿程河道较高,固城湖较低,特别是杨家湾和下坝船闸处较高.

枯水期,胥河上游段 CODMn数值最高,为(5.53±0.62)mg/L,水阳江最低,为1.91mg/L,呈现由上游水阳江向下游胥河浓度逐渐升高的趋势.但在丰水期,固城湖湖区的CODMn浓度较高,大小湖区的平均值达到5.24mg/L,高于官溪河水体5.03mg/L的CODMn浓度.高淳段航道沿线各水体BOD5均符合Ⅲ类水 BOD5(£4mg/L)标准,下游胥河段浓度普遍高于上游水阳江段.但上游官溪河污水处理厂附近(19#点)的BOD5浓度较高,平均为2.80mg/L.固城湖大湖区 BOD5浓度相对较低,7个测点的平均浓度值为2.13mg/L,其中湖心区在丰水期仅为1.70mg/L.

高淳段航道沿线水体Chla浓度以固城湖大湖区浓度最小,8个观测点的平均浓度在枯水期为0.015mg/L,丰水期略高,为0.018mg/L,而漆桥河内、外河口属于固城湖水域监测点上的高值区,Chla浓度均在 0.02mg/L以上.水阳江、运粮河、官溪河、胥河沿线航道中Chla浓度相差不大,其中枯水期水质劣于丰水期.2009年4月芜申线航道沿线水体悬移质浓度波动在6～48mg/L之间,数值不高,水体相对清澈.其中以运粮河、官溪河与小湖区SS浓度相对较大,均在37mg/L左右,而大湖区水体中的SS浓度相对较小,平均为21mg/L.

目前,高淳段沿线航道水体中细菌总数在丰水期远大于枯水期.枯水期,水阳江、运粮河、官溪河及固城湖细菌总数差异不大,平均为3.3×104个/L,下游胥河平均为2.6×105个/L,并随水流方向逐渐增加.而在丰水期,除了官溪河污水处理厂排水口附近为2.3×108个/L,其他水域差异不大,平均为3.3×107个/L,略有超标.粪大肠杆菌群远远低于Ⅲ类水质标准,丰水期平均为386个/L,略高于枯水期的307个/L,其中固城湖区较低.在枯水期表现为由上游到下游逐渐增多的趋势;而在丰水期,上下游间差异不显著,官溪河附近由于污水排水口的影响,数值偏高.

图2 各采样点水质主要化学指标枯水期和丰水期变化Fig.2 Water quality indexes from every sampling site during high-water and withered-water period, respectively

3.2 水质富营养化评价

固城湖及其过水航道总体上呈现轻度富营养-中度富营养状态,丰水期略好于枯水期,但差异不明显(表2).4月份枯水期沿程各监测点的变化规律比较明显,水阳江和固城湖湖区水质较好,处于轻度富营养化状态,官溪河污水处理厂排污口附近和胥河处于中度富营养化状态,并且综合富营养化指数在下游随水流方向逐渐增高;而 7月份丰水期各监测点波动较大,入湖河口处综合富营养化指数较高.在5个评价因子中,TP、TN、Chla的营养状态指数相对较高,说明固城湖及其航道沿线营养状态是氮磷控制.

3.3 浮游植物种类、数量及其分布

固城湖及其上、下游河道水体中共发现浮游植物9门22科36属74种.其中绿藻门种类数最多,有 36种,占总种数的 48.6%;硅藻门次之,有19种,占 25.7%;蓝藻门种类数为6种,占8.1%;另外,金藻门种类数为4种,裸藻门3种,隐藻门2种,甲藻门2种,黄藻门1种以及定鞭藻门1种.

表2 2009年固城湖及上下游河道各采样点富营养化评价Table2 Trophic level index of sampling sites in Guchenghu Lake and canal route during 2009

表3 2009年固城湖及上下游河道浮游植物数量Table 3 Phytoplankton abundance in Guchenghu Lake and canal route during 2009

湖区浮游植物优势和常见种群:蓝藻门有微囊藻、鱼腥藻和束丝藻,绿藻门有球衣藻、小球藻和纤维藻,隐藻门有隐藻和蓝隐藻,硅藻门有小环藻,金藻门有色球藻等.

河道浮游植物优势和常见种群:蓝藻门有微囊藻、鱼腥藻、束丝藻、平裂藻和颤藻,绿藻门有衣藻、小球藻、蹄形藻、盘星藻、栅藻和十字藻,隐藻门有隐藻,硅藻门有小环藻和直链藻.

固城湖及其上下游河道浮游植物不同门数量分布差异较大(表3).4月份固城湖湖区蓝藻数量占优势,达56%,其次是绿藻;湖区航道绿藻数量稍占优势,比例达38%,其次是隐藻和蓝藻;而上下游河道数量占优势的是绿藻和隐藻,比例在30%左右.7月份所有采样点蓝藻数量占绝对优势,均在80%以上,除了绿藻数量比例有10%左右,其他藻门类数量均较少.

表4 2009年固城湖及上下游河道浮游植物多样性指数Table 4 Shannon-Wiener index of Phytoplankton in Guchenghu Lake and canal route during 2009

Wilhm 等[13]认为,Shannon-Wiener指数在0～0.93为富营养化,0.93～3.30为中营养化,大于3.30为贫营养化.两次调查结果表明,只有在4月份东岸湖滨带和7月份的南部湖区水体中浮游植物多样性指数H值大于0.93,属于中富营养化,其他在湖区、小湖区、湖区航道沿线、上下游河道水体中H值都属于富营养化范围(表4).其中,在4月份湖区生物多样性指数H值是其他区域H值的2倍以上,在7月份湖区H值也比其他区域高出16%～37%.

4 讨论

固城湖及其过水航道水质和藻类多样性分析表明,固城湖水体整体较好,上下游河道污染较为严重,这同水流流向和河道沿岸的污染排放状况有关.所研究航线西起丹农砖瓦厂(上游水阳江),东至朱家桥(下游胥河),地势总体上是东高西低,水流主要是由东向西流动.固城湖水位低时引水阳江进行补给,水位高时向外排水.由于下坝船闸和茅东节制闸的节制,胥河上、下游水体间基本没有交换.胥河上游段河水向西流经固城镇后注入固城湖,胥河下游段河水则向东流入太湖.官溪河接纳县城污水处理厂尾水排放,有大量工业废水、生活污水等注入,与固城湖小湖区直接相通,在船舶航行,风力扰动等外界因素作用下水体间存在着一定的交换,官溪河水对固城湖水质的影响不容忽视.通过对高淳县污染源及其排污口调查,全线水体现状主要污染源由工业、生活、农田、畜禽和水产养殖五部分组成,其主要污染物质负荷汇总情况如表5所示.可以看出,全年共受纳 TN3229t,TP379t,CODcr10058t.航道现状属等外级,石油类与 NH4+-N污染排放量的影响较小,在此次统计中忽略.从各类污染源的贡献份额看,TN负荷中生活污水污染源贡献最大,占29%;其次是水产养殖污染源,占27%;农田径流与工业源各占21%.TP负荷中水产养殖污染是最大污染源,占30%,其次是农田径流污染和城镇农村生活污染,占 26%～29%,工业污染源的贡献相对较小,仅占 9%.因此,为改善和保持控制芜申线航道沿线水体,特别是固城湖水域的水质,必须对各类污染源加强综合管理,对各类主要污染源制定严格的减排和限排措施.根据排污口设置和水流流向,固城湖受纳的污染负荷所占比例最大:TN约为1301t,TP约为134t,CODCr为4442t,基本上达到全部航道水体所受纳污染负荷的35%～44%.其次是胥河下游段,所占份额约19%～23%,主要对下游的南溪河流域产生影响(图3).但固城湖是草型湖泊,水体自净能力强[5-7],库容较大,因此目前水体水质整体较好.

表5 固城湖及上下游河道沿线水体受纳的主要污染物质负荷(t/a)Table 5 Main pollution loads in Guchenghu Lake and canal route (t/a)

对固城湖的富营养状态研究表明,近年来水体总体呈轻度富营养水平,年度变化不大,枯水期水体的综合富营养化指数相对较低,一些年份为中营养程度.2009年,TP和TN的营养状态指数明显增加,说明固城湖水体富营养化过程加剧,虽然目前还处于轻度富营养化状态,但向中度富营养化发展的趋势明显(表6).航道水体普遍为中度富营养状态,枯水期水质劣于丰水期.

图3 固城湖及上下游河道水体受纳的污染物质百分比Fig.3 Percentage of the main pollution load in different parts of the Guchenghu Lake and canal route

表6 固城湖近年来富营养化评价结果比较Table 6 Variation of trophic level in Guchenghu Lake

在环境监测、水体污染及净化能力的评价工作中,通常将藻类作为水域环境的一项重要生物学评价指标[3].近二、三十年来,固城湖由于受人为影响及人工控制下的湖泊渔业的相互作用,浮游植物群落结构发生了明显变化.从1981～1988年,浮游植物数量增幅为4.29倍,生物量增幅为5.60倍;从1988～1999年,浮游植物数量在此基础上又增加 7.65倍,生物量增加 5.31倍;而从1999～2009年,浮游植物数量又从660.54万个细胞/L增加到1112万个细胞/L[6].浮游植物在其数量上快速增长,显现出固城湖在人类活动、外源污染输入剧增影响下急速的富营养化过程.

从二、三十年来其群落演变看,固城湖在20世纪80年代初期仍属贫营养湖泊,浮游植物中种类虽达130余种,但总量较低,湖泊的原初生产力较低.在20世纪80年代中后期,固城湖的浮游植物总数量达100万个细胞/L以上,浮游植物种类也达100余种.若以生物量百分比评价,固城湖中浮游植物仍以硅藻、隐藻占优势,达到75%左右,在其数量百分比中蓝藻、绿藻分别只占29%和27%,而硅藻、隐藻仍占27%和15%,固城湖属中-富营养湖泊.在20世纪90年代末,固城湖浮游植物的可见属种仅70余中,其群落组成蓝藻、绿藻数量占绝对优势,在有的月份甚至可占95%以上.生物量百分比中蓝藻、绿藻平均也占60%以上,有的月份甚至高到85%[6].发展到2009年,蓝藻和绿藻数量再次增加,尤其是在7月份所占比重达95%以上.以浮游植物数量、生物量评价,固城湖已属于富营养状态.

5 结语

探讨了芜申线航道整治工程前固城湖及其过水航道的水质现状和主要污染源贡献,结果表明,航道沿线和固城湖目前主要为氮磷污染,污染源主要来自生活污水和水产养殖.上游水阳江的污染负荷最小,其水质处于轻度富营养化状态,其它航道水体为中度富营养状态,枯水期水质劣于丰水期;固城湖湖区受纳的污染负荷占到全部航道水体的35%～44%,枯水期的水质略好于丰水期,水质整体属于轻度富营养化状态,但近年来总氮和总磷的营养状态指数明显增加,富营养化过程加剧.调查期间共发现浮游植物9门22科36属74种,湖区藻类生物多样性指数明显高于航道沿线.

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致谢：感谢高淳县环境保护局提供的历史监测数据(文中涉及到的铬法COD浓度,即CODCr,均来自高淳县环保局存档数据),感谢陈源高、杨龙元在2009年调查期间资料采集和整理上所作的工作.