红枫湖水体营养盐与环境因子关系研究

孟凡丽, 王立志, 宋红丽, 肖劲松, 邱如稚, 韩洪军



红枫湖水体营养盐与环境因子关系研究

孟凡丽1, 王立志2,*, 宋红丽2, 肖劲松1, 邱如稚1, 韩洪军3

1. 贵州省环境科学研究设计院, 贵州省水污染控制与资源化技术研究重点实验室, 贵阳 550081 2. 山东省水土保持与环境保育重点实验室, 临沂大学资源环境学院, 临沂 276005 3. 山东沂水县水利局, 临沂 276000

在红枫湖自北向南依次布设1—6号采样点, 全年监测(采样频率每月一次)点位环境因子和营养盐含量的变化, 以分析环境因子和湖水营养盐之间的关系。研究结果表明: 红枫湖水体营养盐含量呈季节性变化, 呈夏冬两季升高春秋两季降低的双峰型波动, 且夏季营养盐含量高于冬季。环境因子监测结果表明水体pH、溶解氧(DO)、叶绿素a(Chl-a)、高锰酸盐指数(CODMn)、水温和透明度均显示出不同程度的季节性变化规律。将营养盐提取得到1个主成分, 相关分析表明与DO、Chl-a、CODMn、水温和透明度呈显著相关, Chl-a、CODMn和水温随着主成分得分的升高而升高, 而DO和透明度随着主成分得分F的升高而降低。线性回归分析表明主成分与DO、Chl-a、CODMn、水温和透明度均获得较好的线性拟合效果。

红枫湖; 环境因子; 营养盐

0 前言

红枫湖是建库50余年的水库, 总库容1.82× 108 m3, 为贵阳市重要水源地之一[1]。近二十年来, 由于种种原因水体富营养化严重, 水华暴发的面积日益增大[2]。目前已有研究表明红枫湖的氮磷营养物质主要来源于外源污染物的排入, 是影响红枫湖水质的重要污染因子[3]。并且由于长期排入高氮磷的废水, 导致营养盐在水体和沉积物中大量累积。在特定理化条件下, 沉积物可能发生内源磷性污染物释放, 导致水体二次污染[4], 成为水质恶化过程中水体营养盐的重要来源。沉积物—水界面营养盐进行着一系列复杂的迁移、转化过程, 如吸附、溶解、氧化还原、生物作用等。一般认为营养盐的释放受环境因子中的温度、DO、pH、扰动等的影响显著[5-6]。目前针对红枫湖水质方面已有大量研究报道[7], 同时, 在环境因子与藻类含量之间的关系方面也有部分研究[8-9]。但是针对环境因子与营养盐含量之间的关系研究相对较少, 因此, 本研究通过对红枫湖一年的连续观测数据进行分析, 运用数学方法, 以期望建立营养盐与环境因子指标之间的关系, 以促进湖泊富营养化污染修复技术研究工作的深入开展。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

红枫湖为喀斯特高原深谷型湖泊, 位于贵州省清镇市、平坝县和西秀区境内(E: 106°19′—106°28′, N: 26°26′—26°35′), 1960年建成, 主要由羊昌河、麻线河、后六河和桃花园河汇流而成, 流域而积1 596 km2。湖而由北湖、南湖、后湖和中湖组成, 坝高52. 5 m, 设计正常高水位1240. 00 m(吴淞标高), 最大水深45 m, 平均水深10. 51 m。红枫湖流域属亚热带季风湿润气候带, 年均气温14. 4 ℃, 1月份平均气温4.1 ℃, 7月份平均气温22.7 ℃;年均降水量1 174. 7—1 386.1 mm, 降水主要集中在夏季6—8月份。

1.2 采样点布设及样品采集

在红枫湖全湖自北向南依次设置6个监测点, 分别命名为监测点1—6号(图1)。监测间隔为1个月, 连续监测一年(2017年1—12月), 共采集样品12次。采用水质分层采样器进行样品采集, 在浅水区仅采集表层水(水面以下1 m处), 在深水区采集表层水(水面以下1 m处), 中层水(水面以下7 m左右处)和深层水(水面以下12 m左右处), 数据为三者平均值。样品采集后置于便携式冰箱中进行冰冻保存(4 ℃)至样品分析。采集样品同时采用YSI556(美国)测定物理指标pH、DO和水温。CODMn及氮磷含量采用水质连续流动分析仪SYSTEM Ⅲ(意大利)进行分析。Chl-a采用分光光度法进行测定。

1.3 数据分析

数据统计分析采用SPSS16.0进行方差分析(one—way ANOVA, LSD), 主成分分析(采用因子分析中主成分模块进行倒推计算主成分得分)和显著性检验, 采用ArcMap10.2和Surfer13.0绘制监测点位图和营养盐时空变化三维图。

图1 红枫湖监测采样点位

Figure 1 Sample sites distribution of Hongfeng Lake

2 结果分析

2.1 红枫湖营养盐时空变化

通过对1—6号点连续一年的监测表明, 红枫湖营养盐呈明显的季节性变化(图2), 水体总磷(TP)和溶解性活性磷(SRP)在各点位季节性变化规律基本一致, 在一年中的6—9月份呈升高趋势。在3—4号点位TP和SRP红枫湖6—9月份呈升高趋势明显, 在其他点位全年变化相对较小。3—4号位于红枫湖的中心区域, 该区域夏季水体中TP和SRP含量升高而位于河流入湖口的1和6号点水体中磷含量相对较低, 这与入湖支流应该有直接关系。北部支流桃花园河平均流量为3.80 m3·s–1, 在丰水年平均流量为5.78 m3·s–1。南部的入湖支流羊昌河、麻线河和后六河平均流量分别为11.8、4.13、1.44 m3·s–1, 在丰水年平均流量为17.57、5.36、1.87 m3·s–1。较大的支流流量对水体的稀释可能是导致入湖口磷含量较低的一个重要原因。

表明在红枫湖的湖中心磷含量季节变化显著。从11月份到1月份的数据表明, TP和SRP的含量均呈略升高趋势。因此表明红枫湖水体磷含量呈夏冬双峰型变化, 夏季水体中磷含高于冬季。方差分析表明1—6号点TP含量差异性显著(<0.05), 而SRP含量在1—6号之间无显著性差异(>0.05)。

图2表明红枫湖氮含量也呈季节性变化, 但是氮含量的季节性变化与磷含量略有不同。红枫湖总氮(TN)各点位含量在5—8月份呈升高趋势, 在12月到1月份的冬季也有一个小的升高。红枫湖氨氮(NH3-N)的含量在6—10月份呈升高趋势, 在冬季1—2月份略微升高。方差分析表明1—6号点TN和NH3-N含量无显著性差异(TN>0.05; NH3-N> 0.05)。方差分析表明各月之间营养盐各个氮磷指标差异性显著(<0.05)。

氮含量也存在和磷类似的在夏季中部区域偏高入湖口较低的现象, 其导致原因应该和磷一样也是由于入湖支流的稀释作用。

综上, 红枫湖时空变化表明湖水营养盐具有季节性变化规律, 呈夏冬两季升高、春秋两季降低的双峰型波动, 且夏季营养盐含量高于冬季。空间分布上红枫湖水体营养盐在夏季湖中心高在南北支流入湖口低。

2.2 红枫湖理化指标及叶绿素时空变化

红枫湖pH在5—9月份各采样点具有不同程度的升高, pH值维持在8左右。在1—3月份的2—3号点, pH呈升高趋势, 时间上pH呈现冬夏两季升高, 春秋两季降低的趋势。方差分析表明1—6采样点pH差异性显著(<0.05)。空间分布上pH表现出和营养盐类似的分布规律, 在湖中心呈升高趋势, 在入湖口的南北两端呈下降趋势。DO含量在4—7月份呈升高趋势, 在冬季12月—2月份也有一个小峰值, DO含量呈冬夏两季双峰变化。空间分布上DO呈现出湖中心呈升高趋势, 在湖南北两端呈下降趋势。

图2 红枫湖监测点营养盐时空变化(单位mg·L–1, 等值线为营养盐含量)

Figure 2 Sample sites temporal and spatial variation of nutrients of Hongfeng Lake (unit mg·L–1, the isoclines are nutrient content)

Figure 3 Sample sites temporal and spatial variation of pH, DO, Chl-a, CODMn, water temperature and water transparency of Hongfeng Lake (the isoline is index value)

透明度在夏季降低冬季升高, 水体Chl-a含量变化与透明度相反, 在夏季升高冬季降低。夏季藻类生长旺盛, 从而导致了水体的透明度降低叶绿素含量升高, 而冬季藻类衰亡沉入湖底进入休眠期, 因此水体透明度增加而叶绿素含量降低。叶绿素在空间分布式基本与营养盐想对应, 说明营养盐的升高导致藻类大量繁殖, 当然入湖支流导致的湖流对藻类在湖中心区域的聚集也具有一定的作用。

浮游植物的种类和丰度与水体叶绿素含量密切相关, 红枫湖浮游植物80多种(含变型、变种)。其中蓝藻门, 约占28%, 绿藻门约占60%, 硅藻门约占4%, 隐藻约占4%, 甲藻约占4%, 蓝藻以微囊藻(Kutz)为主要优势属, 绿藻盘星藻(Mey), 栅藻(Mey)为主要优势属。红枫湖浮游植物丰度在4×106—200×106cell·L1之间, 夏季6—8月份达到峰值, 与水体叶绿素含量相对应。浮游植物以蓝藻为绝对优势, 约占95%, 其它种类的藻约占5%。

CODMn含量在5—8月份略有升高, 在10—11月份也呈现一个小峰值。CODMn含量在时空分布上和营养盐基本一致。水温随气温变化呈冬低夏高趋势。方差分析表明1—6采样点水体DO、Chl-a、CODMn、水温和透明度无显著性差异(>0.05)。

综上, 红枫湖水体pH和DO在时间上表现出冬夏两季升高, 春秋两季降低的趋势; Chl-a和CODMn在时间上呈现出夏季升高, 冬季降低的趋势, 而透明度则呈夏季降低, 冬季升高的趋势。pH、DO、Chl-a和CODMn空间分布上湖中心呈升高趋势, 在湖南北两端呈下降趋势。

2.3 环境因子与营养盐之间的关系

红枫湖水库从20 世纪 60年代建库至90年代初, 水质一直均较好, 多为II类水质。90年代初期, 由于工农业的发展和大面积投饵网箱养殖的投产, 湖水在几年之内承受到严重的污染, 1991—1994年出现不同程度的蓝藻水华等富营养化的现象, 并于 1994 年首次发生了突发性的水质恶化事件, 至今类似事件仍不断发生。虽然投入大量工作, 但仍未从根本上解决[10]。近年来, 红枫湖水库一直处于中富营养—富营养的状态。由于红枫湖是深水水库, 因此水生植物相对较少, 水生植物多集中分布在湖边水深相对较浅的区域, 所以水生植物对水体营养盐的影响相对有限。而大量研究表明环境因子是影响水体营养盐含量的一个重要因素[11-13]。因此, 本研究重要探讨环境因子和营养盐之间的关系, 以期建立他们之间的数学模型。

通过主成分分析, 提取营养盐TP、TN、SRP 和NH3-N的主成分, 结果提取出一个主成分(特征根大于1)F, 其各个指标的特征向量如表1。

因此主成分F表达式可表述为

为各指标特征向量(表1),V为标准化后的营养盐浓度,=TP,TN,SRP ,NH3-N

V为标准化后的营养盐浓度,x各个指标的为营养盐浓度,为样品数,=TP,TN,SRP ,NH3-N。

将主成分得分F与水体pH、DO、Chl-a、CODMn、水温和透明度进行相关分析。结果表明主成分得分F与DO、Chl-a、CODMn、水温和透明度呈显著相关, 与pH相关系数较小。主成分得分F与水体Chl-a、CODMn呈正相关与DO、水温和透明度呈负相关。因此可以表明水体DO、Chl-a、CODMn、水温和透明度是影响红枫湖的主要因素。众多湖泊研究表明pH也是影响水体营养盐的主要因素, 而红枫湖pH对营养盐影响不限制, 这可能与红枫湖特殊的地理位置有关。pH对水体营养盐的影响主要是通过不同pH值的变化引起沉积物中营养盐的释放与吸收, 而红枫湖是高原深水湖泊, 也就是当表层水体pH变化时, 并未能引起底层沉积物的营养盐的释放或吸收, 即使影响到底泥营养盐的释放或吸收, 由于湖泊水深对表层水的影响也不明显, 这与太湖等浅水湖不同, 浅水湖沉积物污染与湖水具有同步效应[14]。

表1 营养盐各个指标的特征向量

表2 主成分得分F与pH、DO、Chl-a、CODMn、水温和透明度皮尔逊相关系数

注：*在水平为0.01显著(双尾),**在水平为0.05显著(双尾)。

主成分得分与pH、DO、Chl-a、CODMn、水温和透明度进行一元线性回归, 方程式如下:

y=a+b (5)

y水体指标,=DO、Chl-a、CODMn、水温和透明度;为主成分得分, a, b为系数。

回归系数如表3, 回归曲线如图4所示。结果表明Chl-a、CODMn和水温随着主成分得分的升高而升高, 而DO和透明度随着主成分得分的升高而降低。回归系数和2表明回归结果均较好。

夏品华[15]采用典范对应分析研究红枫湖浮游生物群落与环境因子之间的关系表明, 红枫湖冬季浮游生物群落结构受各种环境因子的影响。水体TN、电导率、温度、硝态氮和浮游动物透明溞是影响水体浮游生物的主要因素。Chl-a是反应浮游生物数量的重要指标, 本研究表明Chl-a随着营养盐主成分得分F的升高呈升高趋势, 且相关系数较大。此结果与以往研究结果一致。

3 讨论

红枫湖位于贵阳市的西部, 人类活动剧烈, 流域人口密度大。流域内工农业废水以及生活污水的排放是入湖污染物的主要来源, 同时湖区内部养殖业的发展, 饵料的投放也是造成水体近年来恶化的一个重要原因[16]。红枫湖为高原深水型湖泊, 湖水中的污染物在重力的作用的下进入湖底沉积层之后, 由于较大的水深, 导致了底层沉积物与上层之间垂直交换困难, 因此湖泊沉积物磷负荷较高。研究表明[17]红枫湖沉积物厚度从1998年的21.35 cm上升到2007年的37.35 cm, 增加了74.94%。从20世纪90年代开始, 红枫湖由于污染的加重, 沉积物中污染物含量随着时间的推移快速增加。1991—1998年红枫湖干沉积物为22.26×104t, 1999—2002年为64.82×104t, 2003—2006年为73.78×104t。同时由于沉积物的增加也在湖底累积了大量的磷, 1991—1998年、1999—2002年、2003—2006年湖底磷累积分别为: 322 t、853 t和1284 t[18]。因此, 由于巨大的污染物累积, 即使停止了外源污染, 内部污染物尤其是磷也会给水体造成巨大的威胁。

红枫湖底泥在短时间内累积磷, 而累积的磷主要以活性磷的形式存在, 因此在环境因子改变的情况下, 极有可能出现底泥二次污染。例如底泥有机质在湖底厌氧条件下的矿化分解, 可以通过间隙水向上覆水扩散磷酸盐; 沉积物表层铁氧化物解吸作用释放磷酸盐, 绝大多数的磷酸盐可能与非晶质或短序络合物呈共价键形式结合, 在水合铁氧化矿物和环境氧化条件作用下形式结合不稳定的磷释放出来; 沉积物扰动也可以导致间隙水中磷向上覆水释放磷酸盐[19]; 水体pH也是影响磷迁移的重要因素,当pH增加时, HPO42含量随着pH值增大而增加, 磷酸根离子从沉积物中解吸速率增加, 从而使得更多的磷释放到上覆水中[20]。因此, 外界环境的变化, 如温度、水体pH、溶解氧、风浪、生物扰动等均有可能促进底泥磷的释放, 引起二次污染, 导致水华。

表3 主成分得分F与DO、Chl-a、CODMn、水温和透明度回归系数

图4 主成分得分F与pH、DO、Chl-a、CODMn、水温和透明度线性回归

Figure 4 The linear regression between principal component score F and pH, DO, Chl-a, CODMn, water temperature and water transparency

蒲培民等[21]利用物理生态工程在水深10 m左右, 水位变幅 7 m左右的贵阳红枫湖水库局部进行植物浮岛实验研究表明: 植物浮岛覆盖率超过 1/5—1/3 时, 物理生态工程可以调控浮游植物种群结构和丰度, 浮游植物优势种群由生态修复前的微囊藻属、角甲藻属及同期外环境的蓝藻门蓝纤维藻属转变为硅藻门的直链藻属, 因为蓝藻是形成水华之前的优势种。所以, 利用物理生态工程技术可以实现蓝藻水华的遏制, 极大地降低其发生的频次和规模。

消除红枫湖水库突发性水质污染的根本措施是控制水库水体的富营养化。经过多年的努力红枫湖流域工业污染已基本得到控制, 城市污水、农业农村面源污染与流域岩溶生态退化水土流失是加剧红枫湖水体富营养化的主要成因。已有研究表明[22-23]磷是红枫湖水库的限制因子, 因此控制水体磷污染是修复红枫湖水体的关键。恢复重建健康清洁流域, 提高流域水源涵养能力, 削减流域氮磷有机质的入湖负荷, 合理利用与保护水库资源是红枫湖水库富营养化控制的基本目标。

4 结论

红枫湖时空变化表明湖水营养盐具有季节性变化规律, 水体氮磷含量呈冬夏两季高、春秋两季低的双峰型波动, 且含量夏季高于冬季。空间分布上红枫湖水体营养盐在夏季湖中心高在南北支流入湖口处低。

环境因子亦呈季节性变化规律, 红枫湖水体pH和DO在冬夏两季高, 春秋两季低; Chl-a和CODMn在夏季升高, 冬季降低, 而透明度则呈夏低冬高的趋势。pH、DO、Chl-a和CODMn空间分布上呈湖中心高, 在湖南北两端下降趋势。通过对营养盐提取主成分得分, 相关分析表明与DO、Chl-a、CODMn、水温和透明度呈显著相关, 与pH相关系数较小。Chl-a、CODMn和水温随着主成分得分的升高而升高, 而DO和透明度随着主成分得分的升高而降低。

红枫湖沉积物累积逐年增加, 在短时间内累积大量磷, 在环境因子改变的情况下, 极有可能出现底泥二次污染, 给水体造成威胁。红枫湖水体污染是内源磷与外源磷复合作用的结果, 生态工程技术可能是水体修复的一个重要而有效的手段。

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The research of relationship between nutrients and environmental factors in Hongfeng Lake

MENG Fanli1, WANG Lizhi2,*, SONG Hongli2, XIAO Jinsong1, QIU Ruzhi1, HAN Hongjun3

1. Guizhou Academy of Environmental Science Research and Design, Guiyang; Guizhou Key Laboratory of Water Pollution Control and Resource Reuse, Guiyang 550081, China 2. Shandong Provincial Key Laboratory of Soil Conservation and Environmental Protection, School of Resources and Environment, Linyi University, Linyi 276005, China 3. Water Conservancy Bureau of Yishui County, Shandong, Linyi 276000, China

1-6 sampling points were set in Hongfeng Lake from north to south. Annual environmental factors and nutrient content changes were monitored (sampling frequency a month), in order to analyze the relationship between environmental factors and lake nutrient content. The results indicated that the content of nutrients in the water body of Hongfeng Lake showed a seasonal variation, which showed a rise in the two-humped type fluctuation in the season of summer and winter, a decrease in spring and autumn period, and the nutrient content in summer was higher than that in winter. The results of environmental factors showed that pH, dissolved oxygen(DO), Chlorophyll a (Chl-a), permanganate index (CODMn), water temperature and water transparency showed different seasonal variation. One principal componentwas extracted from the nutrients. The correlation analysis showed thatwas significantly related to DO, Chl-a, CODMn, water temperature and transparency, and Chl-a, CODMn and water temperature increased with the increase of F, and DO and water transparency decreased with the increase of the. Linear regression analysis showed that the principal componentand DO, Chl-a, CODMn, water temperature and transparency all had a good linear fitting effect.

Hongfeng Lake; environmental factor; nutrient

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.02.011

A

1008-8873(2019)02-077-09

2018-04-03;

2018-08-27

山东省自然科学基金(ZR2018LD004); 国家自然科学基金青年项目(41303061, 41601086); 贵州省社会发展科技攻关项目(黔科合SY[2013] 3138号); 贵州省环保厅科技项目(黔环科[2015]4号); 贵州省环保厅科技项目(黔环科[2012]3号)

孟凡丽(1981—), 女, 山东临沂人, 高级工程师, 主要从事水污染防治, E-mail: prettyfanli008@163.com

王立志(1980—), 男, 山东临沂人, 博士, 教授, 主要从事水环境生态修复研究, E-mail: wanglizhi@lyu.edu.cn

孟凡丽, 王立志, 宋红丽,等. 红枫湖水体营养盐与环境因子关系研究[J]. 生态科学, 2019, 38(2): 77-85.

MENG Fanli, WANG Lizhi, SONG Hongli, et al. The research of relationship between nutrients and environmental factors in Hongfeng Lake[J]. Ecological Science, 2019, 38(2): 77-85.