西湖不同湖区营养盐特征及富营养化现状研究

杨 俊，吴芝瑛，徐 骏，姚思鹏，陈 鋆，蔡婷婷，丁秀颖

(杭州西湖风景名胜区环境监测站，浙江杭州310008)

杭州西湖是中国主要的观赏性淡水湖泊之一，面积约6.39km2，平均水深2.27m，水体容量约为1429万m3［1］。苏堤、白堤横贯湖中，把西湖分割成外湖、北里湖、西里湖、岳湖和小南湖5个主湖区。2002年底，杭州市政府启动“西湖西进工程”恢复了茅家埠、乌龟潭等共计70hm2的水面面积，并与西里湖水面贯通，从而保持整个西湖地区生态系统的良性循环［2］。考虑到钱塘江引水、入湖溪流的补给、截污、水生植物种植等举措对各湖区的影响不同［3～4］，本文以西湖最具代表性的几块水域为研究对象，在2012年1—12月每月监测1次，利用所取得的原位数据分析各湖区的水体富营养化水平以及水中营养盐和浮游植物的季节性变化特征，并探讨各因素之间的相互关系，为进一步治理西湖提供参考。

1 监测与分析、评价方法

1.1 监测布点

以苏堤为界，2012年1—12月在西湖东西水域各取两个湖区开展采样监测，湖泊监测点位设置如图1所示，1～4号点分别为北里湖、外湖、西里湖、茅家埠，在0.5m左右深处采集亚表层水样，采样频次为每月1次。

1.2 监测项目与分析方法

重点选取与水体富营养化密切相关的监测项目:水温、pH、透明度、溶解氧、高锰酸盐指数、总磷、总氮、氨氮、硝氮、叶绿素a以及浮游植物群落分析。其中水温、pH、溶解氧在现场通过YSI多功能水质仪测得，透明度使用白色塞克圆盘进行测量，其它监测项目检测方法按照《地表水环境质量标准》 (GB3838－2002)以及《水和废水监测分析方法》(第四版)中要求的方法测定。

1.3 评价方法

水体富营养化程度按评价湖泊富营养化的统一方法综合营养指数法［5］进行评价，本文评价项目选取了反映水体营养程度的主要指标:叶绿素、总磷、总氮、透明度、高锰酸盐指数5项。综合营养状态指数公式为:

式中:TLI(Σ)表示综合营养状态指数;TLI(j)代表第j种参数的营养状态指数;Wj为第j种参数的营养状态指数的相关权重。

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。

采用0～100的一系列连续数字对湖泊营养状态进行分级:TLI(Σ) ＜30为贫营养;30≤TLI(Σ)≤50为中营养;TLI(Σ)＞50为富营养，其中50＜TLI(Σ)≤60为轻度富营养;60＜TLI(Σ)≤70为中度富营养;TLI(Σ)＞70为重度富营养。

2 结果与讨论

2.1 营养盐变化特征分析

(1)氮盐

西湖4个监测湖区TN含量差异较大，茅家埠、西里湖、外湖、北里湖 TN年均值分别为3.015mg/L、2.433mg/L、 1.802mg/L、 1.679mg/L。这一结果与钱塘江引水有着很大的关系，自2003年起，钱塘江水经沉淀池处理后引入西湖，由表1可以看出，经过脱磷降浊后西湖引水中的TN年均值为2.68mg/L。西里湖是西湖引水的主要配水区域，茅家埠有两个钱塘江引水口，且湖区较小，使得引水带来的氮盐有部分在这两个湖区聚集，此外携带氮盐污染物的上游溪流也是通过湖西区域进入西湖。北里湖距引水口较远，外湖湖面面积、库容较大，边界线较为复杂，而且这两个湖区浮游植物密度较高，会消耗部分氮盐，因此北里湖、外湖的氮盐含量总体低于西部湖区的茅家埠和西里湖。

就全年季节变化趋势来看，北里湖、外湖都表现为2月份达到最大值后开始呈下降趋势，夏秋季节处于一年中较低水平，11月份起缓慢升高。春季气候转暖，水温回升，水体中微生物活动开始活跃起来，氮盐的吸收加快，夏季湖水O2的含量较低，反硝化作用的速率较快［6］，冬季水温较低，生物活动受到抑制，植物对氮盐的吸收速率降低应是北里湖、外湖TN季节变化的主要原因。茅家埠、西里湖季节变化较为相似，春季呈下降趋势，秋冬季呈上升趋势。这两个湖区总氮季节变化与温度有一定关系，但表1引水监测数据表明这一变化特征更大程度上是受引水的影响。

从图2中可以看出，监测湖区NO3－N季节变化趋势与TN基本相同，由计算可知北里湖、外湖、茅家埠、西里湖中NO3－N占TN的比例分别为55%、60%、76%、76% ，而NH4－N占TN比例则分别为7.7%、9%、2%、9%、8.2% 。造成这一比例的主要原因可能是钱塘江引水中硝氮比例远高于NH4－N，从表1中的年均值来看，引水中NO3－N为2.18mg/L，占TN含量的81.3%;NH4－N仅为0.367mg/L，占总氮比例13.7% 。4个监测湖区NH4－N的季节变化趋势总体表现为冬季较高，春秋季节较低，虽然大部分植物都可吸收多种氮源，但通常倾向于吸收氨氮［7］。冬季水温较低，生物活动受到抑制，植物对氨氮的吸收速率降低应该是冬季氨氮较高的主要原因。春季气候转暖，水温回升，水体中微生物活动开始活跃起来，促进氨氮的转化，然后随温度进一步上升，氨氮含量迅速降低，转化为稳定的硝氮。氨氮的这种转化规律可能影响到水体氮盐盐浓度的季节变化。

表1 2012年西湖引水的氮磷值 (mg/L)

(2)总磷

西湖不同点位TP的时空差异较大，北里湖、外湖总磷年均值分别为0.055mg/L、0.049mg/L，季节变化幅度很大，冬季总磷处在较低水平，夏季较高。北里湖极大值为0.084mg/L，出现在6月份，极小值在1月出现，为0.030mg/L。外湖极大值为0.090mg/L，出现在8月份，极小值在1月出现，为0.026mg/L。在水温相对较低的1—4月份，西湖上游溪流输入的磷大部分被底泥吸附，同时由于微生物活动受到抑制，有机磷的分解速度较慢，沉积物中磷的释放量较少，所以这两个湖区的总磷浓度都处在较低水平。6月份以后，水温逐渐升高，被吸附的磷重新释放进入水体，使水体中的总磷含量明显回升。研究表明［8］，无论好氧还是厌氧条件，底泥释磷都是随温度升高而增加，因此夏秋季节温度高内源磷释放最强，同时由于浮游生物活动强烈，可能进一步增加了磷酸盐的释放，释放的磷酸盐也随之增大。

西里湖、茅家埠总磷年均值分别为0.030mg/L、0.034mg/L，季节变化幅度较小，波动不太明显，全年处在一个较低水平。这主要是由于西里湖为引水的主要扩散区域，引水含磷量年均约为0.035mg/L，大量引水进入西里湖后稀释作用非常明显。茅家埠是西湖综合整治工程中开发的新湖区，水生植物丰富，受到的外界磷营养盐负荷较少，同时茅家埠也有两个引水口，因此西湖西部两个湖区的总磷全年含量都是比较低的。

2.2 浮游植物变化特征分析

从图3浮游植物的检测结果可以看出，4个监测湖区浮游植物生物量及优势藻类有很大差异，北里湖、外湖夏秋季节生物量明显高于冬春两季，北里湖7月份藻类密度最高，达到了31.1×106cells/L，外湖同样在7月份达到最高值53.4×106cells/L。从生物量来看这两个湖区的季节变化都呈现夏＞秋＞春＞冬的特征。从西里湖的生物量来看，1—8月份生物量相对9—12月份较高，2月份最高达到3.07×106cells/L，也仅为北里湖的1/10。茅家埠除6月最高值达到6.93×106cells/L，其他月份生物量季节变化并不明显，在0.7～2.6×106cells/L波动。从浮游植物组成来看，北里湖在夏秋季节为蓝藻型，而春冬季节为隐藻+硅藻型。外湖1—5月份隐藻、硅藻占优势，而6—12月份则是蓝藻占绝对优势。西里湖主要优势种群以隐藻为主，全年有6个月的时间隐藻比例在60%以上。茅家埠秋冬季为隐藻+硅藻型，其他月份没有明显的优势种群。

2.3 不同湖区富营养化现状和特征

结合图4中2012年西湖不同湖区富营养化评价结果，就年均综合营养值数来看，北里湖(53.08)＞外湖 (51.99)＞西里湖 (42.32)＞茅家埠 (41.45)。就季节变化趋势来看，北里湖、外湖富营养化水平季节变化显著并且有相似的趋势，二者的营养值数都是在8月份达到最大，在8月份之前呈上升趋势，从9月份开始逐月下降。同时从图4也可以看出，北里湖1、2月份处于中营养水平，而外湖全年则有5个月都是处在中营养状态的。与北里湖、外湖不同，西部湖区西里湖、茅家埠营养指数全年都处在中营养水平，并且季节变化比较稳定，茅家埠在36.5～47.5波动，西里湖则更为平稳，营养值在40.4～46.0波动。结合相关资料［9～10］可以看出，西湖水体的富营养化状态已经得到了较好的控制。

4个监测湖区综合营养值数的季节变化特征，与各个湖区不同的自净能力有很大关系。北里湖距引水口较远，附近的出水口较小，水流缓慢，引水稀释作用相对较差，外湖湖面面积较大，库容大，受引水的影响反而比较小，水交换能力较弱。因此北里湖、外湖的水体自净能力相对较差，水体中的营养盐与温度、风力、降水等气候因素关系较大，营养值数季节波动较为明显。茅家埠水域透明度高，光照充足，水草生长茂盛，同时又有引水口，西里湖湖区较小，并且是西湖重要的引水扩散区域，这些因素使得这两个湖区的水体更新速度较快，自净能力较强，水质指标受气候影响相对较小，能够全年都处在较低的营养水平。

2.4 营养元素与营养值数相关性分析

本文采用SPSS对西湖水体不同点位营养因子、主要水环境因子与综合营养值数进行K－S检检，通过Pearson相关分析方法对各因子与营养值数间的相关性进行研究。从表2中的相关性指数可以看出，各营养因子、浮游植物密度和营养综合指数分布的相关性各不相同。北里湖与外湖在相关性方面有一定的相似表现，两个湖区的营养值都与叶绿素、总磷、化学需氧量、温度、pH呈显著正相关。与总氮、硝氮、透明度、DO呈现较为显著的负相关。两个湖区的不同点表现在北里湖营养值与氨氮、浮游植物呈不明显正相关，而外湖营养值与氨氮在0.05水平上显著负相关，与浮游植物在0.01水平上显著正相关。西里湖的营养值只与叶绿素在0.01显著性水平上呈正相关，与化学需氧量在0.05显著性水平上呈正相关，与其他指标的相关性均不够显著。与西里湖不同的是，茅家埠的营养值数与叶绿素、总磷、化学需氧量、温度、pH均呈显著的正相关，与透明度、溶氧呈显著负相关，与氮盐均呈负相关但其相关性并不明显，与浮游植物呈现不显著正相关。

表2 不同湖区水质指标与综合营养值数的相关性分析

3 结论与建议

(1)西湖不同湖区营养盐及浮游生物的时空差异很大，北里湖、外湖的氮盐含量总体低于西部湖区，总磷则反之。北里湖、外湖的浮游生物量远高于西部湖区，浮游生物种类也有很大差别。引起此季节及区域差异性的原因与西湖引水关系密切，同时也与藻类及水生生物的分布以及各湖区的水环境条件有关。

(2)2012年西湖四湖区富营养化水平空间差异较大，其中北里湖、外湖总体处于轻度富营养化水平，季节变化明显，茅家埠和西里湖全年平稳地处于中营养水平，这与各个湖区的水体自净能力有关。

(3)尽管受引水影响，北里湖、外湖的自我修复能力差于西部湖区茅家埠及西里湖，但这两个湖区在冬季的综合营养值数仍然处在一个较低的水平，因此可以考虑在冬季适当减少引水稀释，以减少氮盐的入湖量。

(4)外湖、北里湖、茅家埠三个湖区的综合营养指数与叶绿素、总磷、水温有显著的正相关关系，这说明西湖仍属于磷限制性湖泊［11］。西里湖营养值数与各营养盐及环境因子都没有明显的相关性，这与西里湖是钱塘江引水的主要配水区有关。

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