南四湖沼澤化現(xiàn)狀及其驅(qū)動(dòng)因素分析*

蘭書斌，吳 麗，張德祿，胡春香

(1:中國科學(xué)院水生生物研究所，武漢430072)

(2:中國科學(xué)院研究生院，北京100049)

(3:武漢理工大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)系，武漢430070)

南四湖沼澤化現(xiàn)狀及其驅(qū)動(dòng)因素分析*

蘭書斌1，2，吳 麗1，2，張德祿1，3，胡春香1＊＊

(1:中國科學(xué)院水生生物研究所，武漢430072)

(2:中國科學(xué)院研究生院，北京100049)

(3:武漢理工大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)系，武漢430070)

為了解南四湖近幾年沼澤化加劇的現(xiàn)狀及其根源，2008年8月，2009年6月，2009年8月，2010年6月和2010年8月先后多次對(duì)南四湖全湖，及21條主要入湖河道河口區(qū)進(jìn)行調(diào)查和采樣分析.結(jié)果表明:調(diào)查的25個(gè)樣點(diǎn)中除微山島保護(hù)區(qū)附近和船舶密集的界河口附近4個(gè)樣點(diǎn)無沼澤化表征，運(yùn)輸繁忙的老萬福河入湖口和南陽湖敞水區(qū)2個(gè)樣點(diǎn)為輕度沼澤化外，其它樣點(diǎn)中6個(gè)中度沼澤化，12個(gè)重度沼澤化，1個(gè)極重度沼澤化;沼澤化程度與植被類型、淤泥深度和淤泥有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)，與pH和溶解氧呈顯著負(fù)相關(guān);而植被豐度與水深、pH和溶解氧呈顯著負(fù)相關(guān);淤積程度與TN、TP、淤泥有機(jī)質(zhì)呈顯著正相關(guān)，與COD呈顯著負(fù)相關(guān).因此，局部表征上是外源污染物的輸入和湖泊營養(yǎng)水平的提高導(dǎo)致了沼澤化，但整體上是流域水資源的不合理利用進(jìn)一步加劇了沼澤化的進(jìn)程.

南四湖;沼澤化現(xiàn)狀;驅(qū)動(dòng)因素

南四湖是南陽湖、獨(dú)山湖、昭陽湖和微山湖由北向南相連而成的湖泊總稱，位于淮河流域北部.全湖南北長126km，東西寬5-25km，中部最窄，湖面面積1266km2，流域面積31700km2，年平均入湖徑流量29160×108m3，年平均出湖徑流量19120×108m3.在行政區(qū)劃上隸屬山東省濟(jì)寧市微山縣，湖區(qū)內(nèi)有農(nóng)田和魚塘300余平方千米，居住著10余萬農(nóng)民和漁民，是山東省最大的湖泊，也是我國第六大淡水湖泊.京杭運(yùn)河南北縱貫全湖，把南北江河水系交匯溝通.1958年在此建成了攔湖大壩，壩上修建船閘和節(jié)水閘，將湖一分為二.壩北為上級(jí)湖，面積602km2，壩南為下級(jí)湖，面積664km2.

表1 南四湖調(diào)查樣點(diǎn)設(shè)置Tab.1 Characteristics of sampling sites in Lake Nansi

南四湖是我國著名的大型淡水湖泊之一.它既是供百萬畝稻田灌溉的淡水水源，也是重要水產(chǎn)品的生產(chǎn)基地;同時(shí)又是沿湖工農(nóng)業(yè)發(fā)展、城鎮(zhèn)居民生活及航運(yùn)的重要水資源;還是南水北調(diào)東線調(diào)水工程中重要的調(diào)蓄庫，綜合效益顯著.然而近十幾年來，由于沿湖地區(qū)工、農(nóng)、漁業(yè)的迅速發(fā)展，湖區(qū)資源的過度開發(fā)利用，水環(huán)境狀況日趨惡化，主要表現(xiàn)在水污染加重，湖底淤積加劇，富營養(yǎng)化程度加重［1］.加上2002年從黃河和長江的幾次調(diào)水，大量泥沙的入湖使淤泥的沉積和沼澤化進(jìn)一步加重，調(diào)蓄能力明顯下降［2］.湖泊的沼澤化是指在歷史沉積、水文變動(dòng)、地質(zhì)變遷等過程中，湖泊沉積物增厚，水深變淺，水草增長的現(xiàn)象.沼澤化的后果不僅直接影響水資源的利用，還影響湖區(qū)及周邊的生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，更可能導(dǎo)致湖泊的消亡.目前國內(nèi)對(duì)湖泊沼澤化的重視程度很不夠，對(duì)沼澤化的量化研究還處于探索階段［3］.因此，開展即將承擔(dān)國家調(diào)水工程調(diào)蓄任務(wù)的南四湖的沼澤化調(diào)查意義重大.

1 材料與方法

2008年 6月，2009年6月，2009年 8月，2010年6月及2010年8月先后對(duì)全湖25處樣點(diǎn)進(jìn)行調(diào)查(表1，圖1).由于調(diào)查結(jié)果的相似性，為反映最近南四湖的沼澤化狀況，本文主要采用2010年8月12-14日期間水草最豐富的數(shù)據(jù)，樣點(diǎn)采用GPS精確定位.對(duì)各樣點(diǎn)的主要湖沼學(xué)特征進(jìn)行了現(xiàn)場測定.其中水深、透明度用透明度盤測定;淤泥深度用竹竿測定;植被類型目測;水溫、總?cè)芙夤腆w、pH值、鹽度、電導(dǎo)率和溶解氧用YSI-Proplus型多參數(shù)水質(zhì)分析儀進(jìn)行測定.同時(shí)對(duì)各樣點(diǎn)的水體和泥樣進(jìn)行采集，測定葉綠素a、總氮(TN)、總磷(TP)、化學(xué)需氧量(CODCr)、懸浮物、淤泥有機(jī)質(zhì)、淤泥TN和TP含量.水樣采集用采水器在水面下50cm處采集，泥樣用采泥器采集，水樣和泥樣裝入聚乙烯塑料瓶中運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室測定，相關(guān)指標(biāo)的測定方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》［4］和《湖泊富營養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范》［5］.

沼澤化程度的植被指標(biāo)Vzzh按照吳慶龍等［3］的方法分為四個(gè)基本級(jí)別，并且Vzzh={0，1，2，3}，其中0代表無大型植物;1，2，3分別代表沉水植物、浮葉植物和挺水植物占優(yōu)勢.淤積指標(biāo)Dzzh=(h－h(huán)1)/(h2－h(huán)1)，其中，h1，h2為最小和最大淤泥深度;h為調(diào)查樣點(diǎn)某一點(diǎn)的淤泥深度.沼澤化程度的綜合指標(biāo)Szzh=Vzzh+Dzzh.

富營養(yǎng)化程度選取葉綠素a、TN、TP、CODCr和透明度五個(gè)指標(biāo)，用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TSI進(jìn)行評(píng)價(jià)，TSI=WChl.a× TSIChl.a+WTN× TSITN+WTP× TSITP+WCOD× TSICOD+WSD× TSISD，其中 WChl.a、WTN、WTP、WCOD和 WSD分別為葉綠素 a、TN、TP、CODCr和透明度的相關(guān)權(quán)重;TSIChl.a、TSITN、TSITP、TSICOD和 TSISD分別為葉綠素 a、TN、TP、CODCr和透明度的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù).以葉綠素a作為基準(zhǔn)，，其中Wi為指標(biāo)i的相關(guān)權(quán)重，ri為指標(biāo)i與葉綠素a之間的相關(guān)系數(shù);R為5個(gè)指標(biāo)與葉綠素a之間相關(guān)系數(shù)的平方和;每個(gè)指標(biāo)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計(jì)算參照 Carlson［6］及《湖泊富營養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范》［5］所描述的方法.

圖1 各樣點(diǎn)沼澤化及分布情況Fig.1 The terrestrialization situation and distribution of each site

對(duì)沼澤化指標(biāo)的聚類用Hierarchical Cluster Analysis進(jìn)行分析;沼澤化指標(biāo)與環(huán)境因子之間的相關(guān)性用Bivariate Correlations進(jìn)行分析.所有分析在SPSS 13.0軟件上進(jìn)行.

2 結(jié)果

2.1 南四湖沼澤化以及分布情況

調(diào)查結(jié)果顯示，沉水植物主要有:馬萊眼子菜(Potamogeton malaianus)、苦草(Vallisneria natans)、狐尾藻(Myriophyllum verticillatum);浮葉植物主要有:荷花(Nelumbo nucifera)、菱(Trapa bispinosa)、荇菜(Nymphoides peltatum);漂浮植物主要是浮萍(Lemna minor L.)、水鱉(Hydrocharis dubia);挺水植物主要有:蘆葦(Phragmites australis)、空心蓮子草(Alternanthera philoxeroides)、香蒲(Typha orientalis).

所有調(diào)查樣點(diǎn)中，淤泥深度在20-220cm之間，平均為55.4cm.微山島濕地公園、十字河(老運(yùn)河口)、郭河、東魚河、老萬福河、新萬福河、泗河(運(yùn)煤)等28%的區(qū)域中淤泥深度在70cm以上.全湖沼澤化淤積指標(biāo)在0-1之間，綜合指標(biāo)在0-4之間(表2).通過對(duì)25個(gè)樣點(diǎn)的沼澤化指標(biāo)進(jìn)行聚類發(fā)現(xiàn)，微山島保護(hù)區(qū)附近和船舶密集的界河口附近四個(gè)樣點(diǎn)(樣點(diǎn)2，8，14，15)屬一類，沼澤化綜合指標(biāo)在0.07-0.10之間，為無沼澤化區(qū)域;老萬福河入湖口和南陽鎮(zhèn)周圍敞水區(qū)(樣點(diǎn)19，25)屬一類，沼澤化綜合指標(biāo)在1.15-1.25之間，為輕度沼澤化區(qū)域;鹿口河、西支河、復(fù)興河、大沙河、惠河入湖口和二級(jí)壩下游(樣點(diǎn)6，9，10，12，13，18)屬一類，沼澤化綜合指標(biāo)在 2.00-2.14 之間，為中度沼澤化區(qū)域;微山島濕地公園周圍、蔣集河、十字河、薛河、沿河、東魚河、北沙河、新萬福河、洙趙新河、泗河、白馬河入湖口和梁濟(jì)運(yùn)河入湖區(qū)(樣點(diǎn) 1、3、4、5、7、11、16、20、21、22、23、24)屬一類，沼澤化綜合指標(biāo)在 3.05-3.30之間，為重度沼澤化區(qū)域;郭河入湖口(樣點(diǎn)17)單獨(dú)為一類，沼澤化綜合指標(biāo)為4，為極重度沼澤化區(qū)域(圖1).

表2 南四湖沼澤化情況Tab.2 Terrestrialization situation in Lake Nansi

2.2 富營養(yǎng)化

各樣點(diǎn)的葉綠素a、TN、TP、COD和透明度值見表3，其中葉綠素a范圍為0.009-0.070mg/L，平均值為0.031mg/L;TN 范圍為 0.043-7.294mg/L，平均值為1.065mg/L;TP 范圍為 0.015-0.200mg/L，平均值為0.048mg/L;COD 范圍為 9.101-29.577mg/L，平均值為 18.110mg/L;SD 范圍為 0.2-0.7m，平均值為0.4m.利用上述5個(gè)指標(biāo)計(jì)算出各樣點(diǎn)TSI，其中綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)在50-60之間為中-富營養(yǎng)，包括微山島濕地公園周圍、二級(jí)壩下游、十字河、鹿口河、沿河、東魚河、北沙河、郭河、老萬福河入湖口和獨(dú)山湖湖區(qū)圍網(wǎng)周圍(樣點(diǎn) 1、4、6、7、9、11、14、16、17、19、24 和 25);綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)在 60-70之間為富營養(yǎng)，包括微山湖敞水區(qū)、蔣集河、薛河、紙廠河、西支河、大沙河、界河、惠河、新萬福河、洙趙新河、泗河入湖口和梁濟(jì)運(yùn)河入湖區(qū)(樣點(diǎn) 2、3、5、8、10、13、15、18、20、21、22 和 23);綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)＞70為重富營養(yǎng)，包括復(fù)興河入湖口(樣點(diǎn)12)(表3).

表3 各樣點(diǎn)富營養(yǎng)化程度Tab.3 The trophic state of each site

2.3 沼澤化與環(huán)境因子

通過沼澤化指標(biāo)與環(huán)境因子之間的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)(表4)，植被指標(biāo)與水深、pH和溶解氧呈顯著負(fù)相關(guān);淤積指標(biāo)與 TN、TP呈顯著正相關(guān)，與COD呈顯著負(fù)相關(guān);綜合指標(biāo)與植被類型、淤泥深度和淤泥有機(jī)質(zhì)呈顯著正相關(guān)，與pH和溶解氧呈顯著負(fù)相關(guān).

表4 沼澤化指標(biāo)與環(huán)境因子之間的相關(guān)性分析Tab.4 Correlation analysis between terrestrialization indices and environment factors

3 討論

3.1 沼澤化調(diào)查的季節(jié)性

湖泊有其生成、發(fā)展和消亡的自然過程，但自然情況下生態(tài)系統(tǒng)的演化很漫長.一般的過程是:湖泊經(jīng)過長期的物理、化學(xué)以及生物沉積，湖水逐漸變淺，在光照、溫度等條件適宜處，喜水的維管植物開始生長.后來枯萎的植物枝體不斷地堆積在湖底，而在湖底缺氧條件下這些殘?bào)w分解緩慢，經(jīng)過長期的累積，沉積底泥中的有機(jī)質(zhì)含量逐漸增加.隨著底泥淤積的增厚，湖水進(jìn)一步變淺，挺水植物開始瘋長，從而使湖泊向沼澤演變.因此，湖泊的沼澤化是一個(gè)自然演替的過程，但人類活動(dòng)的不斷干擾可使其生命周期迅速縮短［7］.在對(duì)南四湖的研究中發(fā)現(xiàn)，8月湖泊52%的樣點(diǎn)屬于重度沼澤化，而在6月的結(jié)果中只有25%的樣點(diǎn)為重度沼澤化.其根本原因是在不同的季節(jié)植被生長狀況不同，但維管植被的豐富度是衡量沼澤化的重要指標(biāo)，在采用的沼澤化綜合指標(biāo)計(jì)算公式中［3］植被狀況占總信息量的75%(R=0.989，P＜0.001)，而淤積只占25%.事實(shí)也是如此，在沼澤化的定義中，沒有維管植被瘋長的水域變淺不是真正的沼澤化，只需清淤或疏浚就可使其恢復(fù)原貌;而一旦植被瘋長，就意味著整個(gè)水生態(tài)系統(tǒng)受到了嚴(yán)重破壞，這不是簡單的機(jī)械清淤或清除植被就能夠解決的，因?yàn)橹脖化傞L與底泥淤積、水的富營養(yǎng)化等密切關(guān)聯(lián).因此，研究或評(píng)價(jià)湖泊沼澤化就應(yīng)該在水草最豐富的季節(jié)進(jìn)行調(diào)查和取樣.

3.2 沼澤化的物質(zhì)基礎(chǔ)

南四湖東部的本底中就有大量隨山洪、徑流帶入的周緣丘陵帶泥沙，加上湖西平原排洪河道在引黃退水過程中也帶來了大量泥沙，這樣使全年入湖泥沙量達(dá)7.8×106t，年淤積量占湖泊總?cè)萘康?.13%［1］.而我們在平水期的研究中并未發(fā)現(xiàn)懸浮物與沼澤化之間存在顯著相關(guān)性(P＜0.05)，因此，這個(gè)結(jié)果進(jìn)一步確定了淤積的沉積物主要是雨季或暴雨期間隨山洪、地表徑流及引水濟(jì)湖時(shí)帶入的.另外，我們發(fā)現(xiàn)運(yùn)沙、運(yùn)煤(尤其是煤泥)的船舶同樣帶入大量的泥沙沉積物，而且這在郭河非常明顯，歡城煤礦大量的煤泥經(jīng)郭城港向外運(yùn)輸，使該地的淤泥沉積達(dá)220cm，蘆葦幾乎覆蓋附近的全部湖面.

另外，南四湖的入湖河流都不同程度地受到了生活污水、工業(yè)廢水、農(nóng)田及魚塘排水的污染，這些水中富含氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，流入湖區(qū)加劇了水體的富營養(yǎng)化程度［8-9］.研究也發(fā)現(xiàn)沼澤化的淤積與TN、TP呈顯著正相關(guān)(P＜0.01).因?yàn)樗w中富集的營養(yǎng)物一方面沉積進(jìn)入底泥，另一方面為水生植被的生長提供了充足的營養(yǎng)源.水生植被的生長可進(jìn)一步截留更多的沉積物(包括大氣塵降)，加上枯枝落葉的積累，使富營養(yǎng)化程度進(jìn)一步加深.在此次調(diào)查中發(fā)現(xiàn)25個(gè)樣點(diǎn)中48%為中-富營養(yǎng)，48%為富營養(yǎng)，4%為重富營養(yǎng)，南四湖總體處于中-富營養(yǎng)向富營養(yǎng)化過渡的狀態(tài).而1996年時(shí)南四湖為中營養(yǎng)水平［10］，2009年是中-富營養(yǎng)水平［11］.由此看來，南四湖的富營養(yǎng)化程度仍在加劇.

3.3 湖水理化性質(zhì)及水資源利用對(duì)沼澤化的影響

金紅華報(bào)道湖流和水深對(duì)沼澤化的影響較大［7］.湖流不僅影響沉積物的分布，同時(shí)也影響沉積速率.水深與水生植物的分布和產(chǎn)量有密切的關(guān)系，一般深水區(qū)不利于大型維管植物的生長，隨著水體變淺，沉水植物、浮葉植物、挺水植物逐漸成為優(yōu)勢種類，而淺水區(qū)則更有利于挺水植物的生長［12］.我們也發(fā)現(xiàn)沼澤化植被指標(biāo)、淤積指標(biāo)以及綜合指標(biāo)都與水深呈負(fù)相關(guān)，但與淤積指標(biāo)和綜合指標(biāo)相關(guān)性并不顯著，因?yàn)檎訚苫谋举|(zhì)就是湖泊變淺，不斷加劇的沼澤化自然與深度呈負(fù)相關(guān).另外我們還發(fā)現(xiàn)沼澤化植被指標(biāo)以及綜合指標(biāo)與湖水pH和溶解氧呈顯著負(fù)相關(guān)，表明沼澤化過程中植被生長以及淤泥的積累導(dǎo)致了水體pH以及溶解氧的下降，所以，沼澤化水體中水生植被生長對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)往往不利.

另一個(gè)重要的驅(qū)動(dòng)因素是水資源的不合理利用.在南四湖內(nèi)圍網(wǎng)、網(wǎng)箱、圍堰、魚塘占到湖面的93%以上，即使在航道較寬敞的部分區(qū)域，也因?yàn)榈啄嘤俜e和水速較緩，生長著成片的野菱、藕、眼子菜、蘆葦?shù)龋鼈兊纳L進(jìn)一步弱化了湖水的運(yùn)動(dòng).另一方面，餌料的投放和圍堰的沙土堆積使得更多的沉積物淤積，大大加速了沼澤化的進(jìn)程.

綜上所述，南四湖已經(jīng)不是真正意義上的湖泊，而是水體基本不流動(dòng)的航道，處于中-富營養(yǎng)向富營養(yǎng)化過渡的狀態(tài)，而且富營養(yǎng)化趨勢仍在加劇.其沼澤化的原因既有自然因素，又有人為因素.外源污染物的輸入和湖泊營養(yǎng)水平的提高導(dǎo)致其沼澤化，而流域水資源的不合理利用進(jìn)一步加劇了沼澤化.這深刻反映了湖泊水資源開發(fā)利用與生態(tài)保護(hù)之間日益激烈的矛盾.因此，研究南四湖沼澤化的現(xiàn)狀和驅(qū)動(dòng)因素不僅是了解這一問題所必需的，更是解決問題的前提.

［1］張祖陸，孫慶義，彭利民等.南四湖地區(qū)水環(huán)境問題探析.湖泊科學(xué)，1999，11(1):86-90.

［2］楊東海，張 晴，潘勇偉等.山東省南四湖及其流域環(huán)境特征.江蘇環(huán)境科技，2004，17(增刊):120-126.

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［4］國家環(huán)境保護(hù)總局《水和廢水監(jiān)測分析方法》編委會(huì).水和廢水監(jiān)測分析方法.北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社，2002.

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［6］Carlson RE.A trophic state index for lakes.Limnology and Oceanography，1977，22:361-369.

［7］金紅華.淺水湖泊沼澤化程度定量評(píng)價(jià)及其在東太湖的應(yīng)用［學(xué)位論文］.南京:河海大學(xué)，2007.

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［9］Wang C，Wang Y，Wang P.Water quality modeling and pollution control for the eastern route of South to North Water Transfer Project in China.Journal of Hydrodynamics，2006，18(3):253-261.

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［11］徐祖信，姜雅萍.湖泊營養(yǎng)狀態(tài)的綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)評(píng)價(jià)及檢驗(yàn).同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，37(8):1044-1048.

［12］中國科學(xué)院南京地理研究所.太湖綜合調(diào)查初步報(bào)告.北京:科學(xué)出版社，1965.

On the terrestrialization situation and its driving factors in Lake Nansi

LAN Shubin1，2，WU Li1，2，ZHANG Delu1，3＆ HU Chunxiang1
(1:Institute of Hydrobiology，Chinese Academy of Sciences，Wuhan 430072，P.R.China)
(2:Graduate School of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，P.R.China)
(3:Department of Biological Science and Biotechnology，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，P.R.China)

In order to comprehend the terrestrialization situation and its driving factors in Lake Nansi，the whole Lake Nansi and 21 inlets of the rivers entering the lake were sampled and investigated in August 2008，June 2009，August 2009，June 2010 and August 2010.The results showed that only 4 sites located in the Natural Reserve of Weishan Island and the inlet of Jiehe River with dense shipping belonged to no terrestrialization，2 sites lying the inlet of Laowanfu River with busy transport and the open water region of Nanyang Lake to slight terrestrialization，other 6 sites were moderate terrestrialization，12 sites severe terrestrialization and 1 site heavy severe terrestrialization among the 25 sampling sites.The degree of terrestrialization was significantly positively correlated to vegetation types，depth and organic matter content of silt，negatively correlated to pH and dissolved oxygen;the abundance of vegetation was close negatively correlated to depth of water，pH and dissolved oxygen;the silting level was positively to total nitrogen，total phosphorus，organic matter of sediment，negatively to chemical oxygen demand.So apparently the import of exogenous contamination and increase of trophic level promoted the terrestrialization speed，and the unreasonable development in the whole drainage area further accelerated this progress.

Lake Nansi;terrestrialization situation;driving factor

＊ 國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目(2009ZX07210-009)資助.2010-09-08收稿;2010-12-07收修改稿.蘭書斌，男，1984 年生，博士研究生;E-mail:shblan@163.com.

＊＊ 通訊作者;E-mail:cxhu@ihb.ac.cn.