“十三五”期间阳宗海富营养化状态评价及其变化特征分析

张国涵，杨柏松，刘 斌，杨 莹，王江涛，杨晓冬，夏万永，刘 云

（1.云南省生态环境厅驻昆明市生态环境监测站，云南 昆明 650228；2.昆明市生态环境局西山分局生态环境监测站，云南 昆明 650000）

0 引言

湖泊水体富营养化是一个复杂过程，也是地表水面临的最具挑战性的环境问题之一[1,2]。当大量营养盐进入湖泊水体，氮、磷浓度持续不断增高将为藻类繁殖提供丰富的物质基础，在光照、气温和水温等其它自然影响因素的共同作用下[3]，浮游藻类大量繁殖并引起水华暴发，导致水体环境急剧恶化，鱼类等水生生物死亡，大量有毒藻类分泌的藻毒素还会进一步污染水体，严重威胁水生态系统及人体健康[4]。因此，对水体富营养化状况进行有效的评估对于防治水华暴发具有十分重要的作用。

湖泊富营养化评价，指的是通过与湖泊营养状态相关的一系列指标及指标间的相互关系，对湖泊的营养状态作出准确判断。被广泛采用的水体富营养状况评价方法，主要是从水质、水生生物以及沉积物3个方面来进行，评价方法可概括为六大类型，即特征描述法、参数法、生物指示评价法、磷收支模型法、营养状态指数法和数学分析法[5-7]，其中以Chla为基准参数的综合营养状态指数法是目前最常用的湖泊水库富营养化评价方法[8]。

本文基于云南省生态环境厅驻昆明市生态环境监测站“十三五”期间（2016—2020年）阳宗海水质例行监测数据，运用综合营养状态指数法对阳宗海水体富营养化状态进行评价，分析富营养化状况时空变化特征，并进一步探讨富营养化结果与水温、pH、溶解氧和化学需氧量等指标的Pearson相关性，以期为保护湖泊水质，防止水华暴发提供科学的决策依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

阳宗海（102°5′~103°02′E，24°51′~24°58′N）为云南九大高原湖泊之一，地跨呈贡、澄江、宜良三地，东西平均宽2.5 km，南北长12.7 km，平均水深20 m，最大水深29 m，水面面积31.6 km2，流域面积约192 km2，仅有汤池一个出水口，属封闭型深水湖泊。入湖水系主要有阳宗大河和七星河。研究显示，阳宗海目前面临着富营养化的威胁，营养盐负荷的不断累积正在加剧湖泊水华暴发的潜在风险[9]。

1.2 采样点位设置

依据地表水采样点位布设原则[10]，结合阳宗海地理地貌及水文特征，共设置了3个监测断面，即阳宗海北、阳宗海中和阳宗海南。

1.3 样品采集及分析

本研究分别于2015—2020年每月月初采集1次水样，共计采样60组。水温（WT，℃）、pH、溶解氧（DO，mg/L）等现场指标使用多参数水质分析仪（美国，YSI ProPlus）进行现场测定，透明度（SD，m）采用塞氏盘法现场测量。总磷（TP，mg/L）、总氮（TN，mg/L）、高锰酸盐指数（CODMn，mg/L）和叶绿素a（Chla，mg/L）等指标依据《水和废水监测分析方法》（第四版，增补版）[11]进行样品前处理及实验分析。

1.4 数据处理

1.4.1 数据处理方法及工具

采用Excel计算综合营养状态指数；采用Origin 2021分析富营养化状态时间变化，并运用ArcGIS 10.2软件中的反转距离权重法插值（IDW）分析富营养化状态的空间变化特征[12]；采用SPSS26分析富营养化状态与水温、pH、溶解氧和化学需氧量等指标的Pearson相关性。

1.4.2 综合营养状态指数计算及营养分级

本文选用的综合营养状态指数计算公式如下：

式中：TLI(Σ)—综合营养状态指数；Wj—第j种参数的营养状态指数的相关权重；TLI（j）—第j种参数的营养状态指数。以Chla为基准参数，则第j种参数的归一化相关权重计算公式如下：

式中：rij—第j种参数与基准参数Chla的相关系数；m—评价参数的个数。中国湖泊的Chla与其它参数之间的相关关系rij及见表1[13]。

表1 “十三五”期间阳宗海富营养化指标均值

营养状态指数计算公式如下：

结果参照湖泊营养状态分级指标评价[14]：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 结果与分析

2.1 综合营养状态指数计算结果

“十三五”期间阳宗海水质例行监测WT、pH、SD、TP、CODMn和Chla等理化指标均值如表2所示。可以看出， 2016—2020年阳宗海3个监测点位的WT、TP、SD、Chla和N:P等指标在时间分布上差异较大，其中N:P波动最大，已有研究表明N:P是影响浮游植物群落变化的主要原因之一[15]，在浮游植物的生长期内，水体中N:P比 < 7 时，氮是可能的限制性营养盐；N:P>7时，磷则是可能的限制性营养盐[16]，由此推断TP可能是阳宗海富营养化程度的限制性因子；在空间分布上，TN、-N和N:P离散程度较大，其余指标差异较小。

表2 “十三五”期间阳宗海理化指标均值

综合营养状态指数（TLI(Σ)）计算及评价结果（表3）显示：“十三五”期间阳宗海3个监测点位均为贫营养，整体富营养化程度不高。值得注意的是，3个点位的TP 和TN浓度均值已接近或高于国际认可的湖泊富营养化的临界值（TN：0.2mg/L；TP:0.02mg/L）[17]，这表明阳宗海已具备水华暴发的营养物质基础。

表3 “十三五”期间阳宗海综合营养状态指数计算结果及营养分级

2.2 富营养化状态时空变化分析

2.2.1 富营养化状态时间变化

时间变化上，阳宗海3个监测点位“十三五”期间TLI(Σ)整体均呈现先上升后下降的趋势（图1）。其中，阳宗海北和阳宗海南最高值均出现在2017年，阳宗海中最高值出现在2018年，阳宗海北和阳宗海中年整体呈现“倒U”形变化，阳宗海南则呈“倒V”形变化。查阅资料得知，《阳宗海流域水环境保护治理“十三五”规划》于2016年正式实施，针对阳宗海的治理措施包括控源截污、面源防治、生态修复等手段。初步推断，“十三五”初期（2016—2017年），环湖截污和河道清淤等工程导致水体被搅动，底部沉积物中的氮、磷等污染物会释放到水体中[18]，导致富营养化程度的出现阶段性升高，截至2017年底，环湖截污管道全部贯通，配套污水处理厂处理能力提升，外源污染大幅下降，水体富营养化程度也呈现持续降低的趋势。

图1 “十三五”期间阳宗海综合营养状态指数时间变化

2.2.2 富营养化状态空间变化

空间变化上，2016年TLI（Σ）阳宗海北最高，阳宗海南次之，阳宗海中最低；2017年和2019年TLI（Σ）空间分布均是从南向北依次升高；2018年TLI（Σ）呈南北高中间低的“U”形分布，与之相反，2020年则呈“倒U”形分布。整体来看，“十三五”期间阳宗海北部区域的富营养化程度相对较高，南部区域相对较低。分析原因，阳宗海主导风向为西南风，流域多年平均风速为2.4 m/s[19]。已有研究表明，风力作用引起的水流扰动能直接影响藻类的迁移和聚集[20]，因此阳宗海北部聚集的藻类生物量要高于中部。而浮游藻类细胞衰亡的过程会向水中释放出氮、磷等营养盐[21]导致阳宗海北部富营养化程度比其它区域相对较高。

2.3 富营养化状态与理化指标Pearson相关性分析

Pearson相关性分析结果（图3~图5）显示，“十三五”期间，阳宗海北（图3）的TLI（Σ）在95%的置信区间上与TN、CODMn和呈显著正相关关系，与Chla、WT和BOD5等指标也呈正相关关系但不显著，与DO和SD呈负相关关系但不显著；阳宗海中（图4）TLI（Σ）在95%的置信区间上与TN、、BOD5和N:P等指标呈正相关关系但不显著，与WT、DO、CODCr、TP和SD呈负相关关系但不显著；阳宗海南（图5）TLI（Σ）在95%的置信区间上与TN呈显著正相关关系，与Chla、CODMn、BOD5和TP等指标也呈正相关关系但不显著，与pH、DO、CODCr、SD和N:P等指标呈负相关关系但不显著。初步推断：阳宗海富营养化状态可能受TN和影响较大。

图3 “十三五”期间阳宗海北Pearson相关性分析结果

图4 “十三五”期间阳宗海中Pearson相关性分析结果

图5 “十三五”期间阳宗海南Pearson相关性分析结果

3 阳宗海水质管理建议

（1）补齐阳宗海污染防治设施建设短板，进一步完善水污染防治体系，推进水环境质量提升；

（2）加大农业面源污染治理力度，进一步完善种植业结构调整规划方案，减少氮、磷等营养盐面源污染；

（3）加快区域产业结构调整，严格控制涉磷企业等单位的污染排放，加强阳宗海面山绿化、区域植绿补绿等工作。

4 结论

（1）综合营养状态指数计算结果表明，“十三五”期间阳宗海水体富营养化程度不高，营养分级为贫营养，但TP 和TN浓度均值已接近或高于水华暴发阈值，存在潜在生态风险。

（2）综合营养状态指数的时间变化显示，阳宗海3个监测点位富营养化程度均呈现先上升后下降的趋势；空间变化显示，研究期间阳宗海北部区域的富营养化程度相对较高，南部区域相对较低。

（3）Pearson相关性分析结果表明，阳宗海富营养化状态主要受TN和影响，建议进行针对性防治。