2012—2017年鄱阳湖水位变化与氮磷响应特征研究*

刘聚涛 温春云 韩 柳 戴国飞 王法磊 胡 芳 楼 倩

(江西省水利科学研究院，江西省鄱阳湖水资源与环境重点实验室,江西 南昌 330029)

水文水动力条件是湖泊生态系统的重要驱动因子和控制因素，适宜的水位是维护湖泊生态系统结构和功能稳定以及生物完整性的重要保障[1]2142。水位变化是驱动氮磷等营养盐和重金属在环境中迁移转化的重要因子[2],[3]340，改变湖泊内营养盐浓度会间接改变浮游生物群落结构构成，并促使沉积物中氮磷含量、形态及生物有效性发生变化，进而影响湖泊水质[4]。氮磷是引起水体富营养化的主要因素，氮磷等营养盐浓度受水位变化的影响很大[5]，不同水位期内，湖泊水环境特征和生物响应不同[1]2142。

鄱阳湖是长江流域最大的通江湖泊，水位具有规律的波动特征，年际、年内变化显著。2000年以来，鄱阳湖水质呈下降趋势，富营养化水平呈上升趋势[6]。同时，水位下降导致鄱阳湖氮磷等营养盐的自净能力和环境承载力下降[7]，氮磷等营养盐浓度变大[8]。氮磷是鄱阳湖的主要污染物[9-10]，并且鄱阳湖水位呈现周期性变化特征。已有研究多集中于水质的时空变化特征或者单一年份水位与营养盐相关关系研究[11-13]，缺乏长时间序列水位与氮磷营养盐关系研究，此外鄱阳湖丰平枯时段多以时间和水位为依据进行划分，缺乏考虑营养盐要素的时段划分，有必要从长时间序列分析鄱阳湖TN和TP对水位的响应特征，并以水位、TN和TP监测数据为依据，划定水位-营养盐丰平枯时段，为鄱阳湖水环境保护和水位调控提供支撑。

1 研究方法

1.1 研究区概况

鄱阳湖是我国第一大淡水湖，位于长江中下游南侧，承纳江西省境内赣江、抚河、信江、饶河和修水“五河”来水，经过鄱阳湖调蓄后由北部湖口注入长江。鄱阳湖属典型的吞吐型湖泊，水位变幅较大，呈现“高水湖相，低水河相”“洪水一片，枯水一线”的独特自然景观。鄱阳湖年均径流量为1 525亿m3，约占长江流域年均径流量的16.3%，在区域和长江流域中下游的生态安全和水安全保障中发挥着重要的作用和功能。

1.2 监测点布置与样品检测

选择星子水文站作为鄱阳湖的参考站，监测2012—2017年鄱阳湖日平均水位(吴淞高程，下同)。同时，从2012年开始连续定位监测鄱阳湖水环境状况，监测时段包括2012年1月至2018年1月，监测月份主要在1月、2月、4月、6—10月和12月，监测时段为监测月份的下旬，共设置监测点35个，其中平水期和枯水期设16个点位，丰水期设35个点位(见图1)。现场采用5 L有机玻璃采水器采集上(水面以下0.5 m)、下(距离湖底0.5 m)水层等量水样，混合均匀后，采用5 L酸泡处理的塑料桶储藏，冷藏保存并带回实验室进行化学指标分析，监测指标主要为TN、TP，检测方法参照文献[14]。

图1 鄱阳湖位置与监测点布置Fig.1 Sketch of the position and sampling points in Poyang Lake

1.3 分析方法

采用SPSS 16.0软件进行数据统计分析，分析过程中，首先检验数据是否符合正态分布，如不符合正态分布，则需要进行数据转化。水位与TN、TP相关分析采用Pearson相关分析；水位、TN、TP聚类分析采用样本聚类分析。

2 结果与分析

2.1 鄱阳湖水位变化特征

鄱阳湖水位呈现周期性变化(见图2)，总体上1—2月水位较低，7—8月水位达到最高值后逐渐下降，12月水位又基本降至最低。2012—2017年，月均最低水位分别为8.73、8.10、7.75、7.96、9.83、8.46 m，月均最低水位主要集中在12月、1月和2月；月均最高水位分别为18.58、16.40、17.78、18.15、20.55、19.27 m，月均最高水位主要集中在7月。

鄱阳湖水位变幅较大(见表1)，日水位变幅区间集中于10～13 m，水位极值比为2.29～2.68；月均水位变幅区间集中在8～11 m，水位极值比为2.02～2.29。

2.2 鄱阳湖TN、TP变化特征

经统计，鄱阳湖2012—2017年TN年均质量浓度分别为2.258、2.260、1.721、2.442、1.532、1.540 mg/L，TP年均质量浓度分别为0.088、0.106、0.121、0.115、0.056、0.057 mg/L。2012—2017年鄱阳湖TN、TP变化趋势分别见图3、图4。由图3、图4可见，鄱阳湖TN、TP浓度呈周期性波动变化，总体来看TN浓度年最大值集中在10—12月，最小值集中在7—8月；TP最大值集中在10月至次年2月，最小值多集中在8月。

2012—2017年，TN浓度年内变化幅度呈逐渐减小趋势；TP浓度年内变化幅度在2012—2014年呈增加趋势，在2014—2017年呈减小趋势。2012年，TN浓度变幅最大，极值比为4.87；2017年变幅最小，极值比为1.65。2014年，TP浓度变幅最大，极值比为11.88；2017年变幅最小，极值比为2.10。鄱阳湖TN和TP年内变幅逐渐变小，表明丰水期和枯水期TN、TP浓度逐渐趋于一致。而丰水期TN、TP浓度年际变化不大，表明枯水期TN、TP浓度降低。

图2 2012—2017年鄱阳湖月平均水位变化特征Fig.2 Characteristics of monthly mean water level variation in Poyang Lake in 2012-2017

表1 2012—2017年鄱阳湖水位变化情况

图3 2012—2017年鄱阳湖TN变化特征Fig.3 Change characteristics of TN in Poyang Lake in 2012-2017

图4 2012—2017年鄱阳湖TP变化特征Fig.4 Change characteristics of TP in Poyang Lake in 2012-2017

2.3 鄱阳湖水位与TP、TN关系分析

2012—2017年鄱阳湖水位与TN、TP相关关系分析见图5、图6。根据鄱阳湖水位与TN、TP的Pearson相关分析结果，鄱阳湖水位与TN、TP均呈显著负相关关系(P<0.05)，相关系数分别为-0.319、-0.396，说明鄱阳湖水位对TN、TP浓度有一定影响。鄱阳湖水体中TN、TP相关性并不显著(P>0.05)，表明水体中氮磷来源存在一定的差异性。鄱阳湖规律的水位波动不仅会影响湖泊湿地生物的生长、分布，还会对水体环境产生诸多方面的影响[3]340。磷的主要来源为地表径流和大气中含磷物质的直接沉降以及内源循环。降雨能够增加外源磷输入，同时降雨导致的水位增加有利于水体中颗粒物的沉降从而减少内源磷的循环[15]。已有的关于大型浅水湖泊的研究指出，底泥的内源补给相对于水体氮的影响要小于水体磷的影响，水体氮与浮游植物和水生植物生长有直接关系[16]289。另外，鄱阳湖频繁干湿交替促使氮磷固定量增大[17]，对上覆水内源磷负荷蓄积具有促进作用[18]。由于氮磷的来源及水体迁移转化过程不同，导致鄱阳湖氮磷无显著相关关系。

图5 2012—2017年鄱阳湖水位与TN关系Fig.5 Relationship between water level and TN in Poyang Lake in 2012-2017

图6 2012—2017年鄱阳湖水位与TP关系Fig.6 Relationship between water level and TP in Poyang Lake in 2012-2017

2.4 鄱阳湖不同时段水位与TN、TP特征分析

以监测的水位、TN和TP为样本，用样本聚类分析对不同采样时段进行聚类，结果见图7。39个有效样本可分为3个类别，第1类共14个监测样本，重点包括6—8月监测样本；第2类共16个监测样本，重点包括10月至次年2月监测样本；第3类共9个监测样本，重点包括4—5月和8—9月监测样本，其中8月样本数据监测时间在8月下旬，接近9月。根据分类结果，结合鄱阳湖丰水期、平水期、枯水期特征，第1类对应丰水期，监测时间段为6—8月；第2类对应枯水期，监测时段为10月至次年2月；第3类对应平水期，监测时段为4—5月和9月。总体看来，近年来鄱阳湖枯水期时段提前至10月，枯水期相应延长。

图7 鄱阳湖水位、TN、TP聚类分析Fig.7 Cluster analysis of water level, TN and TP in Poyang Lake

根据聚类分析结果，分别统计丰水期、平水期、枯水期3个时段的水位、TN和TP浓度特征值，结果如表2所示。由表2可见，丰水期和平水期TN浓度相差不大，均小于枯水期，TP浓度呈现丰水期<平水期<枯水期的特征，表明鄱阳湖水位越高，TN、TP浓度越低，鄱阳湖水位越低，TN、TP浓度越高。鄱阳湖丰水期和平水期水质类别相同，TN属于Ⅴ类，TP属于Ⅳ类；枯水期，TN属于劣Ⅴ类，TP属于Ⅴ类，丰水期和平水期水质优于枯水期一个级别。

表2 2012—2017年丰水期、平水期、枯水期的水位及氮磷特征1)

3 讨 论

3.1 鄱阳湖氮磷污染特征

鄱阳湖流域非点源污染是鄱阳湖水体污染的主要来源。2012年以来，鄱阳湖TN、TP总体呈波动下降趋势，但并无显著下降趋势。导致这一现象产生的原因可能是近年来江西省实施生态文明建设，严格控制氮磷化肥施用量造成的，2012—2017年，氮肥施用量和磷肥施用量分别减少9.46%、7.23%[19]。

3.2 鄱阳湖氮磷与水位的响应

鄱阳湖周期性水位变化是氮磷浓度变化的重要原因。鄱阳湖沉积物丰水期氮磷释放量分别为144.73、176.27 t，平水期氮磷释放量分别为605.22、70.21 t，枯水期氮磷释放量分别为44.39、-7.93 t，氮磷释放量呈现丰水期>平水期>枯水期的特征[20]。同时，水位也呈现出丰水期>平水期>枯水期的特征，但鄱阳湖氮磷浓度与水位呈显著负相关关系。高水位条件下，“五河”和长江来水较大，鄱阳湖水环境容量增加，高水位造成的污染物稀释作用可能是影响湖泊年内水质波动的主要因素。

鄱阳湖TN与水位呈显著负相关关系。鄱阳湖水位上升时期，出露水面沉积物覆水后，营养盐释放量增加[21]449；虽然农业生产活动导致高水位期鄱阳湖氮营养盐使用量增加，但高水位大大稀释了氮营养盐浓度，导致氮营养盐浓度降低[1]2145；最后，鄱阳湖蓝藻生物量占浮游植物生物量百分比可超过15%[1]2147，高水位期氮营养盐增加可能引起蓝藻等固氮蓝藻的大量生长，进而使鄱阳湖局部发生蓝藻水华现象。有研究指出，夏季水体氮浓度的快速下降，与夏季水华期湖体反硝化脱氮能力大幅提升，以及湖泊湿地生态系统中反硝化脱氮速率随温度升高而提高也有关[16]290。在低水位期，水体会普遍出现水质下降现象[21]449。低水位期鄱阳湖呈河流状态，水力冲刷和风浪作用导致对营养盐产生扰动并进入水体；另外，鄱阳湖水质还因为洲滩植物分解作用而释放营养盐，导致TN浓度升高[22]。营养盐与水位呈负相关关系现象在长江中下游湖泊中广泛存在[23]。

张建林等[24]认为，TP与水位变化趋势一致，但没有显著相关性，这与本研究发现的水位与TP呈显著负相关不一致，这可能由以下几方面原因造成：一是研究尺度不同，本研究从多年时间序列开展研究，有别于文献[24]集中单一年份监测数据的研究；二是鄱阳湖高水位期水体流速变缓，颗粒物在自身作用下聚集沉降，使丰水期TP浓度减小；三是近年来实施农业肥药双控和生活污水减磷控制措施，汇入鄱阳湖的磷污染减少。

根据2012—2017年鄱阳湖监测结果可知，TN浓度年内极值比为1.65～4.87，TP浓度年内极值比为2.10～11.88，并且在整个水位周期中，氮磷等营养盐浓度最高值均出现在最低水位阶段。WU等[25]通过对长江中下游33个浅水湖泊(包括鄱阳湖)研究指出，低水位期TN浓度是高水位阶段的2～3倍，并且该结果在国外的类似湖泊中得到证明[26]，与本研究结果基本相一致。

4 结 论

鄱阳湖水位呈现周期性变化，总体上1—2月水位较低，7—8月水位达到最高值后开始逐渐下降，至12月水位又基本降至最低。鄱阳湖水位变幅较大，日水位极值比为2.29～2.68；月均水位极值比为2.02～2.29。2012—2017年，鄱阳湖TN、TP浓度总体呈逐渐下降趋势，鄱阳湖水位与TN、TP呈显著负相关关系，受鄱阳湖水位波动影响，TN、TP呈周期性波动变化，枯水期TN、TP浓度较丰水期和平水期高。考虑TN、TP，鄱阳湖枯水期提前，并且持续时间延长，枯水期氮磷维持高浓度时间变长。