江西省中小型湖泊水体营养状态评价及其驱动因子研究

江立文，陈杨，林暾，王亚，施俊译，阮磊磊，曹金香，李梅

华东交通大学土木建筑学院，江西 南昌 330013

湖泊是地球上重要的水资源之一，不仅满足人类生产生活需求，还具有调节气候、保持生态平衡和防洪灌溉等重要功能。随着人口增长、工农业发展和城市化进程加快，过量营养元素和有机物被排入湖中，致湖泊富营养化问题日益突出。江西省位于长江中下游南岸，地处 24°29'N ～30°04'N，113°34'E～118°28'E，面积 16.69 万 km2［1］。全省 1 km2以上湖泊有55个，总面积为3882.7 km2，主要分布在江西省西北部，除鄱阳湖为特大型湖泊外，90%的湖泊面积小于 50 km2［2-3］。

目前，江西省湖泊的研究对象大多集中在鄱阳湖区［4-7］，关于中小型湖泊水体的营养状态却鲜有报道。笔者利用综合营养状态指数(TLI)评价江西省内25个中小型湖泊水体的营养状态，采用主成分分析法研究了湖泊水体富营养化的驱动因子，以期为江西省湖泊水体富营养状态的防治提供理论依据。

1 数据来源

1.1 湖泊监测概况

于2010年初开始，选取江西省境内分布于长江干流水系、修河水系、环鄱阳湖水系的25个中小型湖泊，开展了为期一年的水质监测工作，监测湖泊总面积近800 km2。江西省中小型湖泊水质监测数据如表1所示。

表1 江西省中小型湖泊监测概况Table 1 General situation of small or medium size lakes in Jiangxi Province

1.2 布点及分析

湖泊监测点位设置采用网格布点法，25个湖泊共设176个取样点，监测频率为每季一次。采样方法为水深小于5 m时，水面下0.5 m处取样;水深大于5 m时，混合取样。采集的水样经预处理后，置于暗处4℃恒温保存，并于当日进行水质分析。监测指标的选取及分析方法以《水和废水监测分析方法》(4 版)［8］为依据。

使用Excel2003和PASW Statistics 18对所得监测数据进行统计分析。

2 研究方法

2.1 水体营养状态评价

目前，我国湖泊水体营养状态评价方法有Carlson营养状态指数(TSI)法、修正Carlson营养状态指数(TSIM)法、综合营养状态指数(TLI)法、营养度指数法和评分指数法［9］。笔者选取TLI法对湖泊水体的营养状态进行评价。以透明度(SD)、高锰酸盐指数(CODMn)、总氮(TN)浓度、总磷(TP)浓度和叶绿素a(Chl-a)浓度对所监测湖泊进行营养状态评价。计算公式如下:

式中，TLI为综合营养状态指数;Wj为第j种指标参数的营养状态指数的相关权重;TLI(j)为第j种指标参数的营养状态指数;rij为第j种指标参数与基准指标参数Chl-a浓度的相关系数，中国湖泊部分指标参数与Chl-a浓度相关系数rij及其rij2值如表2所示;m为评价指标参数的个数。

表2 中国湖泊部分指标参数与Chl-a浓度的相关系数［10］Table 2 Correlation coefficients between chlorophyll-a and index parameters of some lakes in China

由表2得出:

TLI(SD)=10(5.118-1.94ln SD)

TLI(CODMn)=10(0.109+2.66ln CODMn)

TLI(TN)=10(5.453+1.694ln TN)

TLI(TP)=10(9.436+1.624ln TP)

TLI(Chl-a)=10(2.5+1.086ln Chl-a)

式中，SD，m;Chl-a 浓度，mg/m3;CODMn，TN 浓度和TP浓度，mg/L。

湖泊营养状态分级:TLI＜30为贫营养;30≤TLI≤50为中营养;50＜TLI≤60为轻度富营养;60＜TLI≤70为中度富营养;TLI＞70为重度富营养［10］。

2.2 驱动因子分析

主成分分析方法是通过降维，将多个变量转换成较少的几个综合变量［11］，在最大限度保留原始数据信息的同时，客观地确定各变量的权重［12］，该方法简单有效，已广泛应用于水环境质量评价［13-20］。

3 结果与讨论

3.1 湖泊营养状态的评价

采用综合营养状态指数法计算了25个湖泊的TLI，如图1所示。

图1 江西省中小型湖泊综合营养状态指数Fig.1 Comprehensive eutrophication state index of small or medium size lakes in Jiangxi Province

从图1可以看出，25个调查湖泊的TLI均大于30，已达到中营养状态以上。八里湖(55.82)、陈家湖(51.05)、大 湖 (51.90)、芳 湖 (50.27)、南 北 湖(57.74)、太泊湖(53.57)、瑶岗湖(52.43)和瑶湖(56.44)等8个湖泊的TLI超过了50，水体呈现富营养化状态，其中，芳湖最低，南北湖最高;8个湖泊的TLI均未超过60，为轻度富营养，其占监测湖泊总数的32%。其余的17个湖泊均为中营养湖泊，其中3个湖的 TLI较低，分别是赤湖(34.13)、军山湖(34.31)和珠湖(37.73);而内青岚湖(49.98)和新妙湖(49.50)的TLI相对较大，处在富营养化临界状态。

3.2 富营养化驱动因子的分析

以富营养化的8个湖泊(八里湖、陈家湖、大湖、芳湖、南北湖、太泊湖、瑶岗湖和瑶湖)为考察对象，以水深(DW)，水温(TW)，SD，pH，溶解氧(DO)浓度，CODMn，TN 浓度，硝酸盐(NO3-N)浓度，TP 浓度，溶解性磷酸盐(DP)浓度和Chl-a浓度等11项监测指标为分析变量，研究了湖泊水体富营养化的驱动因子，8个富营养化湖泊监测指标参数的年均值统计结果如表3所示。

运用PASW Statistics 18对变量进行方差最大旋转，得出主成分在各变量上的载荷分布，如图2所示;湖泊水体富营养化驱动因子的主成分分析结果，如表4所示。

表3 8个富营养化湖泊监测指标参数的年均值统计结果Table 3 Statistical results of annual average monitoring index about 8 eutrophication lakes

图2 主成分因子在各变量上的载荷分布Fig.2 The loading distribution of principal components on variables

表4 主成分法分析结果Table 4 The results of principal component analysis(PCA)

由表4可知，四类主成分的特征值都大于1，且其累计贡献率达到了87.194%，可以表征8个富营养化湖泊11项监测指标的大部分信息。

从图2可以看出，利用主成分分析法，可将江西省中小型湖泊水体富营养化的驱动因子分成四类:第一类驱动因子(第一主成分)是以TN(0.95)和NO3-N(0.96)为代表的含氮营养盐指标，以及pH(0.56)指标，在该类型中的pH反映湖泊的酸碱度，经计算，所研究湖泊的pH平均为7.95，符合富营养化湖泊水质呈弱碱性的特征［9］;第二类驱动因子(第二主成分)是以TP(0.93)和DP(0.82)为代表的含磷营养盐指标;第三类驱动因子(第三主成分)是与湖泊自身特性有关的自然特征指标，如 DW(0.91)，SD(0.80)和TW(0.75);第四类驱动因子(第四主成分)是包括Chl-a和CODMn在内的生物和有机物特性指标。

目前，在湖泊水体富营养化的机理研究中，对适合水生动植物生长的温度、有助于藻类等浮游生物生长的水流速度和用以提供水生生物生长的氮磷等营养盐浓度［21］三个影响因素为大多数研究者所认同。从表4可以看出，第一主成分的贡献率最大，为24.864%，第二主成分和第三主成分的贡献率与第一主成分相差不大，说明水体中氮磷营养盐浓度及其自然特征变化情况在驱动江西省中小型湖泊水体富营养化方面所起的作用相当，且较大;而第四主成分的贡献率最小，为15.759%，由于Chl-a是表征水体中浮游植物生物量和生产力的重要指标，该项贡献率反映了CODMn与水体富营养化间的关系，说明江西省中小型湖泊水体富营养化受有机污染物的影响不大。分析表明，江西中小型湖泊水体中氮磷营养盐浓度、温度等自然特征变化情况与湖泊水体富营养化的关系十分密切。

4 结论

江西省25个中小型湖泊水体的营养化状态达到中度营养状态，其中8个湖泊的水体已达到轻度富营养化状态，分别是八里湖、陈家湖、大湖、芳湖、南北湖、太泊湖、瑶岗湖和瑶湖。

中小型湖泊水体富营养化状态的驱动因子分成四类:第一类是以TN、NO3-N为代表的含氮营养盐以及pH等指标;第二类是以TP、DP为代表的含磷营养盐指标;第三类是以DW、TW等为代表的与湖泊自身特性有关的自然特征指标;第四类是以Chl-a和CODMn为代表的生物和有机物特性指标。结果表明，水体中氮磷营养盐浓度、温度和水深等自然特征指标是江西省中小型湖泊水体富营养化主要驱动因子。

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