太湖北部蓝藻集聚区水体富营养化时空变化研究*

武晗琪 李琦晖 李 琪 顾 蓬 郑 正 张威振#

(1.成都理工大学生态环境学院，四川 成都 610059；2.复旦大学环境科学与工程系，上海200433；3.江南大学环境与土木工程学院，江苏 无锡 214122)

太湖是我国第三大淡水湖，长江中下游五大淡水湖之一。近年来，受泥沙淤积和围湖造田等因素的影响，太湖蓝藻水华事件频发，尤其在太湖湾及湖滨带由于蓝藻水华堆积沉降，区域营养化状态复杂。2007年无锡饮用水事件发生后，当地政府进一步加大对太湖流域水环境综合治理，常规监测N、P、叶绿素a(Chl-a)等水体营养状态评价指标的变化，对进一步加强太湖水环境管理有着重要的意义。

目前针对水体营养状态的评估方法有多种，包括单因子营养状态评价法、生物学方法、模糊数学运算法、灰色聚类法、灰色局势(层次)决策法、神经网络法等[1]；针对沉积物中营养盐污染状况的评价通常采用有机指数(OI)评价法、沉积物总磷(TP)污染评价标准、综合污染指数(FF)评价法等。N/P(质量比，下同)也是评估营养盐结构的主要指标之一[2]，浮游植物体内N/P大致在16左右，在对水体中营养盐的相对限制情况进行评价时，通常认为N/P<16时为氮限制，N/P>16时为磷限制，超出该比例剩余的N或P才能真正体现出对富营养化的贡献，这种现象可称为潜在性富营养化[3]。

鉴于此，本研究采用不同评价方法针对太湖两个蓝藻集聚区的代表性湖湾(梅梁湾、竺山湾)以及竺山湾湖滨带开展了营养状态研究，根据营养状态指标的监测，对水体、表层沉积物的富营养化程度、营养盐矿化速率、潜在性富营养状态等进行评估，为下一步开展蓝藻集聚区相关研究提供支撑。

1 材料与方法

1.1 采样点位和采样方法

于2016—2018年每年8月(夏季)采集梅梁湾水样和沉积物样品，进行理化指标、营养盐指标含量的检测分析。同时于2018年1月(冬季)、5月(春季)、8月(夏季)、11月(秋季)在竺山湾及其湖滨带分别采集水样、表层沉积物样品，进行理化指标、营养盐指标含量的检测分析。采样点分布见图1。

1.2 检测方法

1.2.1 水样理化指标的测定

温度、pH采用便携式PHB-4型pH计测定；溶解氧(DO)采用JPB-607A型雷磁溶氧仪测定；透明度(SD)采用塞氏SD盘测定；浊度(TD)采用WZB-172型TD计测定；高锰酸盐指数采用高锰酸钾法测定；TP、可溶性总磷(TDP)、可溶性正磷酸盐(SRP)采用钼酸铵分光光度法测定。参照《湖泊富营养化调查规范》，总氮(TN)、可溶性总氮(TDN)采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定，氨氮、硝态氮分别采用纳氏试剂比色法、紫外分光光度法测定。Chl-a采用热乙醇法测定。

1.2.2 水样与沉积物酶活性及磷循环时间测定

水样碱性磷酸酶活性(APA)采用碱性磷酸酶测定试剂盒(A059-2-2)测定；水样中可酶解磷(EHP)参考张智等[4]提出的方法测定；沉积物中APA参考HADAS等[5]提出的方法测定。

图1 采样点分布Fig.1 Distribution of sampling points

1.2.3 沉积物理化指标的测定

沉积物中TP、TN、氨氮、硝态氮和高锰酸盐指数均参考《沉积物质量调查评估手册》中的方法测定。

1.3 营养状态评估方法

1.3.1 水体营养状态评估

(1) 单因子营养状态评价法

单因子营养状态评价法以5个有代表性的指标(TP、TN、Chl-a、高锰酸盐指数、SD)作为评价参数，参考文献[1],将指标数据水平分为8个等级(见表1)，水体营养状态评价时根据5个指标的等级水平，采取从重原则进行评价。

(2) 卡尔森营养状态指数(TSIM)评价法

TSIM选取Chl-a、SD、TP 3个理化指标对水体营养状态进行评估，根据TSIM计算结果分为贫营养状态(TSIM≤37)、中营养状态(37

表1 单因子营养状态评价等级Table 1 Classification of eutrophication level of single factor evaluation

(3) 综合营养状态指数(TLI)评价法

TLI评价法利用TP、TN、Chl-a、SD和高锰酸盐指数5个评价因子，通过换算得到TLI，将水体营养状态分成贫营养(TLI<30)、中营养(30≤TLI<40)、轻度富营养(40≤TLI<60)、中度富营养(60≤TLI<70)、重度富营养(≥70) 5个等级，TLI计算参考文献[1]。

1.3.2 沉积物营养状态评估

(1)OI评价法

有机氮通常被作为衡量沉积物是否被营养盐污染的重要指标。OI根据沉积物中有机碳与有机氮含量计算[7]，可将沉积物营养状态分为清洁(OI<0.05)，较清洁(0.05≤OI<0.20)，尚清洁(0.20≤OI<0.50)，有机氮污染(OI≥0.5) 4种状态。

(2) 沉积物TP污染评价标准

本研究在美国环境保护署(USEPA)制定的沉积物分类标准的基础上，将TP污染程度进行细化，细化后TP分级标准为：无污染(TP≤0.420 mg/g)、轻度污染(0.420 mg/g1.000 mg/g)。

(3)FF评价法

FF评价法是以1960年实测的太湖沉积物中TN、TP的平均值作为本底值的对照评估方法，根据FF计算结果，污染程度分级为清洁(FF<1.0)、轻度污染(1.0≤FF≤1.5)、中度污染(1.52.0)[8]。

1.3.3 潜在性富营养评价法

郭卫东等[9]提出了一种新的富营养评价模式，该模式为突出营养盐的限制特征，以对浮游植物生长起制约作用的溶解性无机氮(DIN，本研究以硝态氮和氨氮之和计)、SRP作为评估指标，根据N/P水平将水体富营养状态分为9种，具体见表2。

1.4 数据处理

所有样品分析均做3次平行，3次分析结果的误差<5%，实验结果以平均值表示。实验数据采用SPSS 16.0进行统计检验、相关性分析。

2 结果与讨论

2.1 太湖湾水体及沉积物营养状态

2.1.1 太湖梅梁湾水体及沉积物营养状态

2016—2018年夏季梅梁湾各采样点水体理化指标相对稳定，温度在28～35 ℃，DO在10 mg/L左右，pH呈中性偏碱，SD、TD与Chl-a变化无明显规律。分析原因，夏季水体中蓝藻相对较多，且随着风向等外界条件改变，呈游动型、区域性特征，此外太湖为浅水型湖泊，风浪扰动也会影响湖水中悬浮物的分布，对水体的TD、SD产生一定影响[10]。不同点位间Chl-a差别较大，近岸采样点的Chl-a相对较高，年际间Chl-a也存在一定差别，梅梁湾各采样点Chl-a平均值为2018年>2017年>2016年。

2016—2018年夏季梅梁湾水体各采样点营养盐指标变化见表3。可以看出，水体近岸点位(M1、M2、M3)高锰酸盐指数较大，这是因为近岸点位靠近岸边码头，受人为活动干扰较大。总体看来，梅梁湾2017年TN、TDN含量高于另外两年，氨氮含量相对平稳，硝态氮呈现逐年略微下降状态。朱广伟等[11]研究发现，2017年太湖水华面积、生物量、持续时间等指标在近14年来均为最严重，湖泛强度最大，成为太湖水体TN、TDN等指标偏高的主要原因。相比而言，梅梁湾水体2016—2018年夏季TP总体变化不大，但各点位之间含量存在一定的差异性，如M2、M6点位间TP和TDP差异最大，说明水体磷分布存在明显的区域性。分析原因，一方面M2接近直湖港入湖河道，外源输入增加了M2点位的磷浓度。另一方面与磷本身弱迁移属性以及该水域沉积物中磷营养盐的分布有关[12]。梅梁湾2016—2018年8月表层沉积物营养盐分布见图2，沉积物中高锰酸盐指数和TN均表现出湖岸边际效应，即靠近岸边含量较高，且呈现出2017年>2016年>2018年的年际变化特点，TP变化则相对平稳。

表2 潜在性富营养状态评价标准Table 2 Grading standard of potential eutrophication evaluation

表3 梅梁湾水体营养盐指标变化Table 3 Variation of nutrient index of water body in Meiliang Bay mg/L

图2 梅梁湾沉积物中营养盐指标变化Fig.2 Variation of nutrient index of sediment in Meiliang Bay

2.1.2 太湖竺山湾水体及沉积物营养状态

2018年竺山湾不同季节间水体温度在5.2～33.2 ℃、SD在7.9～42.9 cm、Chl-a在9.92～43.22 μg/L、TD在11.78～54.37 NTU，变化幅度均较大，说明存在明显的季节差异。其中，夏季SD低、Chl-a高，是受到藻类生物量的影响。而冬季气温较低，水体中浮游植物大量减少，TD、Chl-a降低，SD增加，水体外观较其他季节清澈。DO、pH等指标变化幅度较小，不存在明显的季节差异。

2018年竺山湾水体在不同季节的营养盐指标变化见表4。比较发现，夏季竺山湾水体中各种氮营养盐含量偏高，尤其是硝态氮。分析原因，夏季太湖湖面聚集大量蓝藻，阻碍了大气中的氧气向水中输送。同时，蓝藻大量繁殖也伴随着死亡腐烂，进一步消耗水体中的DO，阻碍硝化反应，减少反硝化反应的底物，进而影响脱氮。ZHU等[13]证明藻类积累会影响沉积物脱氮。WU等[14]也发现在夏季藻华期间，微囊藻的生长对无机氮的富集有正响应。竺山湾秋、冬两季水体TP含量较夏季高，夏季为蓝藻大量繁殖季节，而水体TP含量降低，这是由于蓝藻生长过程存在磷储备特征[15]。夏季水体TN呈总体上升趋势而TP呈下降趋势，是由蓝藻的大量繁殖、聚集、腐解共同引起。竺山湾表层沉积物中营养盐分布情况见图3，除TP外，其他指标均表现出季节性变化，且8月含量偏高。

2.1.3 竺山湾湖滨带水体及沉积物营养状态

竺山湾湖滨带水体理化指标同竺山湾水体理化指标比较接近，不再赘述。水体中营养盐指标变化见表5，沉积物营养盐指标变化见图4。

由表5可见，滨湖带水体TN具有明显的季节变化规律，表现为夏季TN最高，春、秋季TN水平基本相当，冬季TN最低，氨氮波动范围相对较小。这与竺山湾内氮营养盐的变化规律相似，可能都是因为蓝藻积聚影响反硝化，阻碍脱氮反应使得TN在8月出现峰值。湖滨带水体TP在冬季最高，可能由于该阶段蓝藻含量最低，对磷的吸收减弱；EHP含量在不同季节间波动范围相对较小。湖滨带表层沉积物中高锰酸盐指数和TN一直处于较高水平，其中高锰酸盐指数在冬季含量相对较低，而TN在4个季节浓度变化较小，TP也相对稳定。

图3 竺山湾沉积物中营养盐指标的变化Fig.3 Variation of nutrient index of sediment in Zhushan Bay

比较梅梁湾、竺山湾以及湖滨带水体理化指标发现，不同点位及时间的Chl-a波动范围较大。通过数据统计发现，Chl-a总体与TN呈正相关，与DIN呈负相关，可能由于藻类生长会消耗水体中的DIN，并在藻体内转化成有机氮(氨基酸等)。综合考虑，梅梁湾、竺山湾及湖滨带水体污染状态为湖滨带>竺山湾>梅梁湾，湖滨带磷营养盐含量偏高，一方面蓝藻堆积于湖滨带，加剧藻体内部竞争，导致部分蓝藻水华消亡，磷营养盐重新释放到水体中；另一方面，湖滨带与入湖河道相接，污染物通过入湖河道加剧湖滨带的污染。翟淑华等[16]对环太湖河道进出湖的TP负荷量进行计算，结果表明河道输入的TP负荷量是太湖TP浓度升高的主要外源，同时沉水植物骤减导致湖体对磷的吸收转化能力下降也会影响TP负荷量。因此，在后续的太湖水质监测中，不仅要关注湖泊中水质指标的变化，还要关注湖滨带由蓝藻堆积引起的营养盐空间再分配。

2.2 太湖湾营养状态综合评估

2.2.1 水体营养状态评估结果

采用不同评价方法对太湖水体营养状态进行评价，并对评价结果进行比较分析。根据水样检测结果，在单因子营养状态评价中，呈非富营养的水样占18.12%，呈中富营养、富营养、严重富营养、超严重富营养的水样分别占1.61%、69.35%、7.69%、3.23%；根据TSIM的计算结果，所有水样全部表现为富营养状态；而TLI评价结果表明，82.26%的水样为轻度富营养，而呈中营养的水样占17.74%。虽然不同的评价体系得出不同的富营养状态评价结果，鉴于太湖湾水体总体营养现状，综合比较各评价体系的评价结果，认为TLI评价结果最接近太湖实际情况，太湖湾水体表现为轻度富营养化。

表5 竺山湾湖滨带营养盐指标变化Table 5 Variation of nutrient index of water body in lakeside zone of Zhushan Bay mg/L

图4 竺山湾湖滨带沉积物中营养盐指标的变化Fig.4 Variation of nutrient index of sediment in lakeside zone of Zhushan Bay

2.2.2 沉积物营养状态评估结果

用不同评价方法对太湖沉积物的营养状态进行评价，并对评价结果进行比较分析。根据OI评价结果，所有沉积物样本均受到有机氮污染；FF评价结果显示，91.94%的沉积物样本为重度污染，6.45%为中度污染，1.61%为轻度污染。由于沉积物中TP时空差异性较大，沉积物样本呈现多元的评价结果，呈重度污染、严重污染、中度污染、轻度污染、无污染的沉积物样本分别占30.65%、7.69%、24.19%、16.50%、20.97%。由此可知，在太湖水底也存在污染物分布区域性较强的特点，且在湖湾水域受人为活动影响较大，渔船航行、虾网的布局等均有可能对浅水湖泊的表层底泥产生扰动，影响营养盐的分布[17]。

2.3 潜在性富营养评价与营养盐矿化速率

2.3.1 潜在性富营养评价结果

根据潜在性富营养评价方法的评估结果，梅梁湾水样主要呈富营养(55.56%)、磷中等限制潜在性富营养(44.44%)两种状态；竺山湾水样主要为富营养(27.78%)、磷限制潜在性富营养(66.67%)两种状态；湖滨带水样主要呈磷中等限制潜在性富营养(20.83%)和磷限制潜在性富营养(62.50%)两种状态。对太湖湾所有水样进行总体分析发现，其中呈富营养状态的占24.19%，呈磷中等限制潜在性富营养状态的占25.80%，呈磷限制潜在性富营养状态的占43.55%，呈中度营养状态的占6.45%。因此，可以认为太湖湾水体主要呈磷限制潜在性富营养状态。

2.3.2 营养盐的矿化速率

将竺山湾Z1～Z5采样点的表层沉积物样品混合，参考高光等[18]的方法，计算APA最大反应速率(Vm)及米氏常数(Km)，同时将Vm、Km及EHP代入Michaelis-Menten方程求出碱性磷酸酶的反应速度[19]，结合SRP浓度及碱性磷酸酶反应速度，计算水体、底泥中磷的矿化时间。由表6可见，水体SRP矿化时间为96 min左右，沉积物SRP矿化时间为235 min左右，水体中SRP的矿化速率比沉积物快。有研究表明，不同水体及不同外界气候条件下，APA的活性、磷矿化速率不同，有些水体中磷存在短时间尺度(数分钟)的循环，这在一定程度上可以解释为何水体SRP浓度较低时仍会出现蓝藻水华现象，水中其他形态的磷可通过酶解转化为SRP而被藻类利用。此外，最近也有研究表明贫营养的淡水也易于形成藻华[20]。

表6 竺山湾水体及沉积物SRP的矿化速率Table 6 SRP mineralization rate of water body and sediment in Zhushan Bay

3 结 论

梅梁湾水体中TN年际变化较大，TP年际变化相对较小；沉积物中TN及高锰酸盐指数等均呈现出湖岸边际效应及明显的年际变化，TP的年际差别不显著。竺山湾夏季水体TN总体上升而TP下降，沉积物中除TP外，TN、DIN、高锰酸盐指数均表现出季节性变化。竺山湾滨湖带水体TN在夏季最高，TP在冬季最高，沉积物中高锰酸盐指数和TN一直处于较高水平，TN、TP季节变化均较小。太湖湾水体中不同点位及时间的Chl-a波动范围较大，它与水体TN总体呈正相关，与DIN呈负相关。太湖湾水体污染状态总体为湖滨带>竺山湾>梅梁湾。水体营养状态评估结果表明，太湖湾水体总体为轻度富营养化，沉积物均表现为有机氮污染，不同评价方法各采样点的营养状态差异较大。潜在性富营养评估发现太湖湾水体主要呈磷限制潜在性富营养状态。竺山湾的水体和沉积物中SRP矿化时间分别为96、235 min左右，水体中磷的矿化速率比沉积物快。