天津水上公園水景湖富營(yíng)養(yǎng)化特性及成因分析

孫力平，賈振睿，鐘 遠(yuǎn)

(天津城建大學(xué) a. 環(huán)境與市政工程學(xué)院；b. 天津市水質(zhì)科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384)

天津水上公園水景湖富營(yíng)養(yǎng)化特性及成因分析

孫力平a,b，賈振睿a,b，鐘 遠(yuǎn)a,b

(天津城建大學(xué) a. 環(huán)境與市政工程學(xué)院；b. 天津市水質(zhì)科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384)

根據(jù)2013-03—2014-07的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法，對(duì)天津水上公園景觀湖進(jìn)行了富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)．通過(guò)對(duì)氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽和葉綠素a含量，以及水體氮磷負(fù)荷的分析，結(jié)果表明：水景湖已經(jīng)發(fā)生了富營(yíng)養(yǎng)化，夏秋季較為嚴(yán)重；磷是水體富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵因子，氮、磷輸入湖的負(fù)荷遠(yuǎn)高于輸出負(fù)荷；底泥氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的釋放以及水生植物治理氮磷措施不當(dāng)是造成湖水富營(yíng)養(yǎng)化的主要原因．

天津水上公園；葉綠素a；氮；磷；水生植物；富營(yíng)養(yǎng)化

天津水上公園坐落在市區(qū)西南部，始建于1950年，總面積達(dá)164.57萬(wàn)m2，其中湖水面積89.26萬(wàn)m2，是天津最大的綜合性水景公園，也是津門十景之一．公園以水取勝，主要有東湖、西湖、南湖三大湖九個(gè)島．水上公園水體是天津市生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，它不僅是人們休閑游覽的場(chǎng)所，而且兼有水上運(yùn)動(dòng)(劃船、游泳)、水產(chǎn)養(yǎng)殖、城市供水和調(diào)節(jié)城市氣候等多種功能．但是近年來(lái)，水景湖發(fā)生了嚴(yán)重的富營(yíng)養(yǎng)化，春季水草繁生，夏秋季節(jié)水體混濁[1]．為了探究其發(fā)生的原因，更好地維護(hù)這一片珍貴的水域，本文對(duì)水上公園水體進(jìn)行了富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)和富營(yíng)養(yǎng)化成因分析．

1 研究方法

1.1 采樣時(shí)間與采樣點(diǎn)設(shè)置

針對(duì)水上公園水景湖的環(huán)境特點(diǎn)和研究目的，分別在湖東岸、中心和水生植物種植區(qū)設(shè)置了3個(gè)具有代表性的跟蹤監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖1所示．

用上、下底均有閥門的有機(jī)玻璃采水器采集水下0.5,m的亞表層水樣，采集當(dāng)日即送實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定．從5—11月取水周期定為每周一次；3—5月和12月為每?jī)芍芤淮危?/p>

圖1 采樣點(diǎn)位置

1.2 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和分析方法

監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括水溫(T)、總磷(TP)、磷酸鹽(PO43--P)、總氮(TN)、氨氮(NH3-N)、透明度(SD)、葉綠素a(Chl-a)和高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)．其中T采用WTW Multi 340i手持多參數(shù)檢測(cè)儀測(cè)定，SD采用塞式盤法測(cè)定，TP采用GB11893—1989過(guò)硫酸鉀消解-鉬銻抗分光光度法，PO43--P采用鉬銻抗分光光度法，TN采用GB11894—1989堿性過(guò)硫酸鉀消解-紫外分光光度法，NH3-N采用GB7479—1987納氏試劑分光光度法，Chl-a采用有機(jī)溶劑提取葉綠素中的色素，然后用分光光度計(jì)進(jìn)行檢測(cè)[2]，CODMn用GB11892—1989酸性法測(cè)定．根據(jù)降雨前后湖水水位的變化值和降雨量的差，結(jié)合湖水面積，求得輸入地表徑流的水量；再根據(jù)地表徑流中氮、磷濃度的均值和入湖水量，求得地表徑流中氮、磷的輸入量；由水桶收集雨水的量和水桶的面積求得降雨量，再根據(jù)降雨量和雨水中氮、磷的濃度求得降入水體氮、磷的量[3]．

2 結(jié)果與分析

2.1 水上公園人工湖水體富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)

選取Chl-a、TP、TN、SD、CODMn5項(xiàng)指標(biāo)，計(jì)算各指標(biāo)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)．根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，計(jì)算出綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)．再根據(jù)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)方法對(duì)人工湖富營(yíng)養(yǎng)化水平進(jìn)行評(píng)價(jià)[4]，如圖2所示．

由圖2可以看出：3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的TLI范圍分別為48.17～62.54、47.97～64.18、49.70～63.20，且2013年和2014年變化規(guī)律基本一致，監(jiān)測(cè)區(qū)域發(fā)生了相同程度的富營(yíng)養(yǎng)化．除三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的2013-03、2014-04和監(jiān)測(cè)點(diǎn)位1的2014-05為中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，其他月份均為富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，并且三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位在6—11月期間富營(yíng)養(yǎng)化較為嚴(yán)重．因此表明，水上公園水景湖已經(jīng)發(fā)生了富營(yíng)養(yǎng)化．

圖2 綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)變化

2.2 水上公園水景湖水質(zhì)特征及水體富營(yíng)養(yǎng)化成因分析

2.2.1 葉綠素a的空間分布與季節(jié)變化

葉綠素a含量是富營(yíng)養(yǎng)化水體的重要指標(biāo)，水體葉綠素a含量的高低能夠直觀地反映水體的富營(yíng)養(yǎng)化程度[5]．水上公園水景湖葉綠素a從2013-03—2014-07的監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖3所示．

圖3 葉綠素a含量的變化曲線

由圖3可知：三個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域葉綠素a含量基本保持在相同的水平；水景湖葉綠素a含量在2013年的平均值為58.25,μg/L，2013-03—07的平均值為25.17 μg/L，2014-03—07的平均值為23.61,μg/L；葉綠素a含量年變化范圍為4.68～186.85,μg/L．湖區(qū)葉綠素a含量的變化存在明顯的季節(jié)性特征，3—6月和12月含量較低，7—11月含量較高，在10月達(dá)到高峰；春天和夏初較低，盛夏和秋季形成高峰；年際間變化趨勢(shì)一致，且在相同水平．

2.2.2 水溫對(duì)葉綠素a含量的影響

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示葉綠素a均值和溫度隨時(shí)間的變化如圖4所示．

圖4 葉綠素a均值和溫度隨時(shí)間的變化曲線

由圖4可以看出：溫度的變化范圍為2.6～29.9,℃，其中最低溫度在12月，最高溫度在6月；3—7月葉綠素a的含量隨溫度的升高而增加，7—12月溫度下降明顯，而葉綠素a在8—11月會(huì)維持在較高的水平，從11—12月急劇下降．這說(shuō)明在一定條件下，藻華爆發(fā)會(huì)隨溫度的升高而增加，但是卻相對(duì)滯后，不會(huì)同步[6]．究其原因，可能為前期溫度的升高為藻類的生長(zhǎng)提供了良好的條件，增強(qiáng)了細(xì)胞活性；并且8—11月大量磷營(yíng)養(yǎng)鹽的輸入，為藻類提供了充足的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，使其繁殖速度加快，達(dá)到了生長(zhǎng)的對(duì)數(shù)期和穩(wěn)定期，即使同期溫度下降也不足以影響藻類的繁殖能力．

2.2.3 氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽的季節(jié)變化規(guī)律

氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽是水體發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)．TP和TN的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖5所示．

圖5 TN和TP的變化情況

由圖5可知：2013-03—2014-07間監(jiān)測(cè)點(diǎn)位TP的變化范圍為0.04～0.20,mg/L，均值為0.12,mg/L；TN變化范圍為0.25～16.69,mg/L，均值為2.87,mg/L．磷酸鹽的變化情況如圖6所示．

圖6 磷營(yíng)養(yǎng)鹽的變化情況

由圖6可知，磷酸鹽的變化范圍為0.022～0.113,mg/L，均值為0.06,mg/L，其中8—11月達(dá)到高峰．氮營(yíng)養(yǎng)鹽的變化情況如圖7所示．

圖7 氮營(yíng)養(yǎng)鹽的變化情況

由圖7可知：氨氮變化范圍為0.031～1.99,mg/L，均值為0.076,mg/L；硝態(tài)氮變化范圍為0～0.065 mg/L，均值為0.12,mg/L；總氮波動(dòng)范圍較大，7—9月含量較高；氨氮和硝態(tài)氮含量較低，季節(jié)變化范圍較大．

一般認(rèn)為，TN＞0.20,mg/L、TP＞0.02,mg/L即為富營(yíng)養(yǎng)化水體，該水景湖TN、TP含量均高于一般標(biāo)準(zhǔn)10倍以上，這說(shuō)明水上公園水景湖已經(jīng)發(fā)生了較高程度的富營(yíng)養(yǎng)化；氮營(yíng)養(yǎng)鹽以有機(jī)氮為主，而無(wú)機(jī)氮含量較少，因此從一定程度上說(shuō)明水景湖水體富營(yíng)養(yǎng)化是有機(jī)物的含量較多所致[7]；磷營(yíng)養(yǎng)鹽以磷酸鹽為主，變化規(guī)律和總磷一致，說(shuō)明造成水景湖水體富營(yíng)養(yǎng)化的原因?yàn)榱姿猁}含量的升高，并且可溶態(tài)的有機(jī)磷以及可被藻類吸收的顆粒態(tài)磷對(duì)藻化現(xiàn)象的發(fā)生也有一定程度的貢獻(xiàn)．

盛夏季節(jié)溫度較高，大量居民到公園避暑納涼帶入了大量的氮、磷營(yíng)養(yǎng)廢棄物，同期降雨較多，也造成降雨和地表徑流直接進(jìn)入湖水的氮磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)較高；而且多年的降雨、徑流以及廢棄物等積累到湖中的氮磷營(yíng)養(yǎng)物，在適宜的條件下會(huì)從底泥中向水體釋放，尤其是在溫度較高、水體擾動(dòng)差、底泥呈厭氧狀態(tài)時(shí)，更會(huì)加速底泥中磷的釋放，這即是8—11月磷含量較高的原因[8]．大量的氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽為藻類繁殖提供了條件，加速了水體的富營(yíng)養(yǎng)化．

2.2.4 氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)葉綠素a含量的影響

葉綠素a和總磷的相關(guān)關(guān)系如圖8所示．由圖8對(duì)葉綠素a和TP做的pearson相關(guān)性分析，可以得出pearson的相關(guān)性為0.559，屬于正相關(guān)關(guān)系，同時(shí)顯著性(雙側(cè))為0.000＜0.01，說(shuō)明葉綠素a和TP呈極顯著正相關(guān)關(guān)系．

圖8 葉綠素a和TP的相關(guān)關(guān)系

葉綠素a和總氮的相關(guān)關(guān)系如圖9所示．對(duì)葉綠素a和TN做pearson相關(guān)性分析，得出pearson的相關(guān)性為0.114，屬于正相關(guān)關(guān)系，同時(shí)顯著性(雙側(cè))為0.438＞0.01，說(shuō)明葉綠素a和TN無(wú)顯著相關(guān)性．結(jié)合葉綠素a和TN、TP的關(guān)系，說(shuō)明導(dǎo)致水上公園水景湖藻化現(xiàn)象發(fā)生的一個(gè)重要原因是磷營(yíng)養(yǎng)鹽的增加，水景湖富營(yíng)養(yǎng)化的潛在限制性因子是磷而不是氮．

圖9 葉綠素a和TN的相關(guān)關(guān)系

2.2.5 水上公園水景湖氮磷負(fù)荷分析

水上公園水景湖氮、磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的主要輸入途徑為降雨、暴雨徑流、游人帶入的廢棄物、餐館排污以及魚塘排水等．監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)，2013年直接降雨入湖的水量約為44.6萬(wàn)m3，2014年約為26.6萬(wàn)m3；雨水中所含氮、磷平均濃度分別達(dá)到了1.96,mg/L和0.092,mg/L．因此，2013和2014年通過(guò)降雨分別直接輸入湖中的氮為874.16，589.75,kg，磷為41.03，26.20,kg；2013和2014年徑流量分別為81,013，37,191,m3；地表徑流直接輸入湖水的氮、磷平均濃度為12.57,mg/L和8.73,mg/L．故2013和2014年通過(guò)地表徑流分別輸入湖中的氮為1,007.2，467.6,kg，磷為707.2，324.7,kg．

據(jù)調(diào)查，2013和2014年年均撈出湖面漂浮物約為480,m3，從而估計(jì)進(jìn)入湖中的廢物量為680,m3，經(jīng)推算，輸入氮、磷的量分別約為1,420，670,kg．園內(nèi)餐館污水排入水體的氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽以及南湖養(yǎng)魚排入東湖的氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽也是很重要的氮磷來(lái)源：2013年共排放污水4,538,m3，所排污水中氮、磷的平均濃度約為25.31，52.63,mg/L，因此入湖氮、磷負(fù)荷分別約為114.9，238.8,kg；2014年排放污水1,970,m3，故排入水體的氮、磷量分別為49.9，103.7,kg；每年魚塘排入湖中的水量約為21.8萬(wàn)t，因此每年由魚塘直接進(jìn)入水體的氮、磷量分別為658.7，100.11,kg．

氮磷的輸出途徑主要為雨季排水、向魚塘補(bǔ)水以及捕魚．2013年由湖中排水20.8萬(wàn)m3，排出氮量約280.3,kg，磷量約30.1,kg；2014年排水8.9萬(wàn)m3，排出氮量約128.2,kg，磷量約13.6,kg．根據(jù)查閱每年捕魚情況記錄，2013年由捕魚輸出的氮量100.3,kg，磷量16.7,kg；2014年的氮量47.4,kg，磷量7.6,kg．年均向魚塘補(bǔ)水而從湖中輸出的氮量280.5,kg，磷量15.2,kg[9]．2013-03—12和2014-03—07水景湖氮磷積累負(fù)荷見表1．

表1 水景湖氮、磷積累負(fù)荷

由表1可以看出，每年氮磷的輸入量遠(yuǎn)大于輸出量，大量的氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽逐漸沉積滯留于底泥中，每年在適宜的條件下釋放出來(lái)，即會(huì)造成水體的富營(yíng)養(yǎng)化．據(jù)調(diào)查，每年水景湖底泥釋放的TN、TP就占總氮磷負(fù)荷的16.7%和28.5%，僅水景湖底泥釋放的氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽就會(huì)造成水體富營(yíng)養(yǎng)化[10]．

2.2.6 水上公園水生植物造成氮、磷二次污染

在水上公園，主要通過(guò)采用多種水生植物組合的人工生態(tài)系統(tǒng)治理湖泊富營(yíng)養(yǎng)化．工程分為湖面深水區(qū)、淺水區(qū)和岸邊濕地區(qū)，分別種植各種挺水植物、浮水植物、沉水植物和濕生植物[10-11]．水生植物吸收氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)凈化水質(zhì)：一方面通過(guò)光合作用提高水體溶解氧濃度，促進(jìn)硝化作用，將氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽供植物吸收，以達(dá)到除氮的功效；另一方面是密集的水生植物根系起到了固定底泥的作用，從而抑制了底泥氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的釋放．

但是，枯萎死亡的水生植物沉到湖底會(huì)逐漸地腐敗分解，釋放出體內(nèi)所儲(chǔ)存的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[12-13]．所以，沒(méi)有好的植物收割機(jī)制和底泥處理機(jī)制是造成水體富營(yíng)養(yǎng)化的原因之一．適時(shí)對(duì)水生植物進(jìn)行收割，可以有效去除水體和底泥中的氮、磷，還能促進(jìn)植物的再生，維持植物對(duì)水體的持續(xù)凈化作用，避免植物枯落物對(duì)水體產(chǎn)生二次污染[14]．大面積的水生植物枯萎死亡后，每年吸收湖泊的氮、磷重新回到水體，起到了富集作用，加劇了底泥營(yíng)養(yǎng)鹽的積累，由此加重了湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化．

3 結(jié) 論

(1)從水質(zhì)監(jiān)測(cè)情況來(lái)看，水上公園水景湖全年基本處于中營(yíng)養(yǎng)和富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，夏秋季節(jié)最為嚴(yán)重．

(2)水溫為藻類的爆發(fā)提供了適宜的條件，磷營(yíng)養(yǎng)鹽是水景湖富營(yíng)養(yǎng)化的限制性因子．

(3)氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽的輸入量遠(yuǎn)大于輸出量是造成水上公園湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的主要原因，水生植物死亡后富集的氮磷營(yíng)養(yǎng)元素重新釋放到底泥，致使底泥氮、磷含量逐年升高，并釋放到水體．

(4)僅靠投放化學(xué)藥劑不能持久維持湖泊的水質(zhì)．建議對(duì)湖泊進(jìn)水增加過(guò)濾等天然傳統(tǒng)處理方法，結(jié)合生態(tài)治理措施，將會(huì)對(duì)水景湖水質(zhì)起到良好的處理效果．

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Analysis on the Eutrophication Characteristics and Cause of Landscape Lake Water in Tianjin Aquatic Park

SUN Li-pinga,b，JIA Zhen-ruia,b，ZHONG Yuana,b
(a. School of Environmental and Municipal Engineering；b. Tianjin Key Laboratory of Aquatic Science and Technology，Tianjin Chengjian University，Tianjin 300384，China)

Based on the monitoring data of Aquatic Park Landscape Lake from March,2013 to July,2014,the level and cause of eutrophication were analyzed by the comprehensive trophic level index (TLI) method. According to the analysis of the nitrogen,phosphorus,chlorophyll-a content,and nitrogen and phosphorus load,the results show that landscape lake was in high level of eutrophication,and it was more severe during summer and fall. Phosphorus was the key factor of eutrophication. Nitrogen,phosphorus input load was much higher than the output load of the lake. Release of nitrogen and phosphorus from the sediments,and improper aquatic plant control countermeasure were the main cause of landscape lake eutrophication.

Tianjin Aquatic Park；chlorophyll-a；nitrogen；phosphorus；aquatic plant；eutrophication

X524

A

2095-719X(2015)02-0114-06

2014-10-25；

2014-12-01

國(guó)家科技重大專項(xiàng)水專項(xiàng)(2012ZX07308-002)；天津市自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(14JCZDJC41100)

孫力平（1958—），女，陜西西安人，天津城建大學(xué)教授．