貴州草海水質(zhì)時(shí)空變化和水體營(yíng)養(yǎng)狀況

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(1.納雍縣環(huán)境保護(hù)局環(huán)境監(jiān)測(cè)站，貴州 畢節(jié) 553300； 2.中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所， 武漢 430072；3.貴州科學(xué)院 貴州山地資源研究所，貴州 貴陽(yáng) 550001； 4. 江漢大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,武漢 430056；5. 江漢大學(xué) 湖北省漢江流域特色生物資源保護(hù)開(kāi)發(fā)與利用工程技術(shù)研究中心，武漢 430056；6.畢節(jié)市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，貴州 畢節(jié) 553300)

1 研究背景

草海是我國(guó)三大高原湖泊之一，也是貴州最大的天然淺水湖泊，對(duì)維持當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)平衡和改善環(huán)境質(zhì)量有重要作用[1]。然而，由于人類(lèi)活動(dòng)等原因，草海正遭受著巨大的環(huán)境沖擊，導(dǎo)致了草海濕地生物資源和自身健康的衰退，水質(zhì)惡化是其中的突出表現(xiàn)之一[1-4]。

草海地處喀斯特地區(qū)，湖盆開(kāi)闊、水淺，湖盆周邊植被覆蓋率低，水土流失嚴(yán)重，降雨攜帶大量泥沙和污染物進(jìn)入湖泊[5]，造成水質(zhì)污染。此外，草海緊鄰?fù)幙h城，縣城生活污水、農(nóng)田及畜牧業(yè)廢水等未經(jīng)處理直接排入草海[2, 4-7]，周邊的工業(yè)和旅游業(yè)產(chǎn)生的污染物也直接或間接排入草海[2, 4]。據(jù)估算，草海周邊禽畜養(yǎng)殖、農(nóng)業(yè)化肥和生活污水的污染負(fù)荷分別高達(dá)1 205.43×106，624.82×106，1 337.09× 106t/a[1]。近年來(lái)的研究表明草海水質(zhì)逐年下降，呈現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化趨勢(shì)[1, 3, 6-9]。然而這些研究對(duì)草海水質(zhì)時(shí)空變化特征關(guān)注較少，僅周晨等[6]監(jiān)測(cè)了2014年草海全湖4個(gè)季度的水質(zhì)變化，但該研究未監(jiān)測(cè)上游入湖河流的水質(zhì)，有必要對(duì)草海水質(zhì)進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

本研究的目的在于重新全面評(píng)估草海的水質(zhì)現(xiàn)狀，明確影響草海水質(zhì)的關(guān)鍵因子。基于此，本研究于2017年1，4，7，10月份(分別為冬、春、夏、秋季)對(duì)草海全湖以及上游入水河流的11項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，分別采用綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法(TLI)和ArcGIS軟件對(duì)全湖水體進(jìn)行了營(yíng)養(yǎng)狀況評(píng)價(jià)和分區(qū)，根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)[10]對(duì)水質(zhì)類(lèi)別進(jìn)行了劃分，綜合分析了水質(zhì)的時(shí)空變化特征及異質(zhì)性成因。TLI法是目前全球廣泛采用的水體營(yíng)養(yǎng)狀況評(píng)價(jià)方法之一，可以綜合評(píng)價(jià)水體的富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)[7]；ArcGIS可以直觀形象地展現(xiàn)各區(qū)域的水質(zhì)空間分布特征；而采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)[10]則可以明確影響水質(zhì)類(lèi)別的主要因子。綜合運(yùn)用多種方法可以更深入地分析草海水質(zhì)的時(shí)空變化、富營(yíng)養(yǎng)化程度和關(guān)鍵影響因子，為草海濕地污染治理和修復(fù)提供依據(jù)。

2 材料和方法

2.1 研究區(qū)概況

草海位于貴州省西部威寧縣城西南面，屬長(zhǎng)江水系，是金沙江支流橫江的格澤河的上源湖泊，地理坐標(biāo)為26°47′32″N—26°52′52″N，104°10′16″E—104°20′40″E。草海濕地總面積為96.0 km2，集雨面積120 km2，水域面積20.98 km2，主要的水源補(bǔ)給是大氣降水，最大水深5 m，平均水深不超過(guò)1.5 m。草海豐水期是5—10月份，枯水期是11—次年4月份，年均降雨量約950 mm，是一個(gè)完整、典型的喀斯特高原濕地生態(tài)系統(tǒng)。

2.2 采樣點(diǎn)及采樣方法

在草海全湖和上游入水河流設(shè)置12個(gè)采樣點(diǎn)，每個(gè)采樣點(diǎn)設(shè)置3個(gè)重復(fù)樣本，分別于2017年1,4,7,10月份(分別對(duì)應(yīng)冬、春、夏、秋)進(jìn)行水樣采集。采樣點(diǎn)分布見(jiàn)圖1，其中1—3號(hào)點(diǎn)分別位于上游入水的淌水溝、中河和白馬河，4—12號(hào)點(diǎn)分布在湖泊的上中下游。

圖1 草海采樣點(diǎn)分布示意圖Fig.1 Location of sampling sites in Caohai Lake

2.3 水體理化指標(biāo)測(cè)定

使用便攜式多參數(shù)水質(zhì)分析儀(YSI PROPLUS)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定水溫(WT)、溶氧(DO)、電導(dǎo)率(EC)、pH值，用UP/740便攜式污泥測(cè)度計(jì)測(cè)定懸浮物(SPM)，用薩氏盤(pán)測(cè)定透明度(SD)。用采水器取中層水樣，注入用湖水潤(rùn)過(guò)的1 L塑料瓶中密封保存并立即帶回實(shí)驗(yàn)室，按照標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定總氮(TN)、氨氮(NH4+-N)、總磷(TP)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)和葉綠素a(Chl.a)[11]。

2.4 水質(zhì)綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)

采用綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法(TLI)對(duì)草海水質(zhì)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)指標(biāo)包括Chl.a，TP，TN，SD，CODMn，計(jì)算公式如下[10, 12]：

式中：TLI(∑) 為綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；Wj為第j種參數(shù)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的權(quán)重，本研究中Chl.a,TP,TN,SD和CODMn的權(quán)重分別為0.266 3,0.187 9,0.179 0,0.183 4,0.183 4[12]；TLI(j) 為第j種參數(shù)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。Chl.a單位為mg/m3，SD單位為m，其他指標(biāo)單位均為mg/L。

評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為：TLI(∑) < 30時(shí)為貧營(yíng)養(yǎng)型，30 ≤ TLI(∑) ≤ 50時(shí)為中營(yíng)養(yǎng)型，50 < TLI(∑) ≤ 60時(shí)為輕度富營(yíng)養(yǎng)型，60 < TLI(∑) ≤ 70時(shí)為中度富營(yíng)養(yǎng)型，TLI(∑) > 70時(shí)為重度富營(yíng)養(yǎng)型。

同時(shí)，根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)[10]對(duì)不同樣點(diǎn)水質(zhì)類(lèi)別進(jìn)行劃分；根據(jù)各樣點(diǎn)的綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，利用ArcGIS 10.2軟件對(duì)草海進(jìn)行水體營(yíng)養(yǎng)等級(jí)分區(qū)。

2.5 數(shù)據(jù)分析

理化指標(biāo)的水平采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差表示。用SPSS 17.0對(duì)11項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)在不同區(qū)域、不同季節(jié)的差異性進(jìn)行比較，比較前先檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的正態(tài)性和方差齊性，本研究中各指標(biāo)均采用多因素方差分析方法比較，P<0.05為差異顯著。

3 結(jié) 果

3.1 水質(zhì)指標(biāo)的時(shí)空變化

草海水質(zhì)指標(biāo)基本均表現(xiàn)出顯著的季節(jié)變化(圖2)。全年平均WT變化范圍為4.80～22.23 ℃，明顯表現(xiàn)出夏季>春季>秋季>冬季的季節(jié)差異(P<0.001)。EC也表現(xiàn)出極顯著的季節(jié)差異(P<0.001)，即冬季>春季>夏季>秋季。全年水體基本呈弱堿性，各季節(jié)間pH和DO差異不明顯(P>0.05)。全年SD變化范圍為0.28～1.58 m，春季和秋季之間無(wú)顯著差異，其余季節(jié)間則均存在極顯著差異(P<0.001)。SPM除秋季和冬季之間沒(méi)有顯著差異外(P>0.05)，其余季節(jié)之間差異極顯著(P<0.001)。TN,TP的變化范圍分別為0.46～2.25，0.029～0.150 mg/L，其中春季最高，且春夏季明顯高于冬季(P<0.05)。NH4+-N(0.087～0.442 mg/L)、CODMn(4.02～7.34 mg/L)和Chl.a(5.07～13.67 mg/m3)變化趨勢(shì)基本與TN,TP一致，但均在夏季最高(P<0.05)，冬季最低(P<0.05)。

空間上，WT，EC和pH值在各樣點(diǎn)間基本無(wú)顯著差異(P>0.05)。SD和DO從入湖河流、上游至中下游逐漸升高。而SPM則相反，上游SD和SPM均與中部和下游有顯著差異(P<0.05)。TN，TP，NH4+-N,CODMn和Chl.a總體上也呈出現(xiàn)從入湖河流、上游至中下游逐漸降低的趨勢(shì)。草海各季節(jié)水體污染物整體呈現(xiàn)出上游入水區(qū)污染最為嚴(yán)重，到中部、下游出水口污染明顯降低的趨勢(shì)。

3.2 水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)及分區(qū)

草海全年TLI(∑)均值為45.3～57.7(表1)，水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)總體處于中營(yíng)養(yǎng)型到輕度富營(yíng)養(yǎng)型，上游入水區(qū)主要為輕度富營(yíng)養(yǎng)化，中部、下游出水口逐漸降為中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。各樣點(diǎn)中，1—3號(hào)點(diǎn)全年基本為輕度富營(yíng)養(yǎng)水平；4，5號(hào)點(diǎn)僅冬季低于富營(yíng)養(yǎng)化水平，其他季節(jié)為輕度富營(yíng)化；6—11號(hào)點(diǎn)呈中營(yíng)養(yǎng)輕度富營(yíng)養(yǎng)化；12號(hào)點(diǎn)全年處于中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。

依據(jù)富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)將草海分成4個(gè)區(qū)(圖3)。A區(qū)包括1—3號(hào)點(diǎn)所在的入水口區(qū)域，主要呈輕度富營(yíng)養(yǎng)化(TLI(∑)=57.2～57.7)，且1號(hào)點(diǎn)夏季達(dá)中度富營(yíng)養(yǎng)化；B區(qū)為靠近縣城和入水口4,5號(hào)點(diǎn)所在區(qū)域，冬季為中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，其他季節(jié)均為輕度富營(yíng)養(yǎng)水平(TLI(∑)=51.0～52.4)；C區(qū)為湖區(qū)中部6—9號(hào)點(diǎn)所在水域(TLI(∑)=47.5～48.0)，春、夏季基本為輕度富營(yíng)養(yǎng)水平，其他季節(jié)為中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)；D區(qū)為10—12號(hào)點(diǎn)所在的中下游到出水口區(qū)，為中營(yíng)養(yǎng)水平(TLI(∑)=45.3～46.9)。

3.3 水質(zhì)類(lèi)別

全湖NH4+-N全年為Ⅱ類(lèi)，DO和TP總體為Ⅱ類(lèi)(除A區(qū)在部分季節(jié)達(dá)Ⅲ類(lèi))。CODMn總體為Ⅲ—Ⅳ類(lèi)。TN在A區(qū)主要為Ⅳ—Ⅴ類(lèi)，春季甚至達(dá)到劣Ⅴ類(lèi)；而從上游至下游逐漸好轉(zhuǎn)，D區(qū)TN為Ⅱ—Ⅳ類(lèi)(表2)。

圖2 草海水質(zhì)理化特征的時(shí)空變化(均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差)Fig.2 Spatial-temporal fluctuations of water parameters of Caohai Lake (mean value ± standard error)

季節(jié)各樣點(diǎn)水質(zhì)綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI(∑)123456789101112春59.859.859.754.852.350.150.250.448.747.847.445.5夏60.459.859.554.754.250.250.450.151.951.551.448.6秋56.555.857.952.252.048.748.748.347.046.345.945.5冬54.353.353.147.845.542.341.743.242.242.241.641.5均值57.757.257.552.451.047.847.848.047.546.946.645.3

圖3 草海水體營(yíng)養(yǎng)狀況分區(qū)Fig.3 Partition of Caohai Lake according totrophic status of water quality

4 討 論

4.1 草海水質(zhì)的時(shí)空變化和營(yíng)養(yǎng)狀況分析

本研究中除pH值和DO外，其他參數(shù)均表現(xiàn)出顯著的季節(jié)差異。草海屬淺水型湖泊，水溫受氣溫影響較大，因而季節(jié)變化明顯。夏季和秋季為草海的豐水期和旅游盛季，降雨將大量泥沙和周邊生活區(qū)的污染物帶入草海[2]，導(dǎo)致了SD的降低和SPM的升高；冬季枯水期人類(lèi)活動(dòng)減少，因而SD升高，SPM降低。對(duì)于TN和TP，由于春季是主要的農(nóng)耕季節(jié)，草海周邊大量農(nóng)耕地使用的化肥、農(nóng)藥隨廢水排入草海，同時(shí)春季降水量少，無(wú)法稀釋水中TN和TP濃度[6, 13]。此外，受水溫限制，春季水草和浮游植物生物量較低，對(duì)水體氮、磷吸收較慢。這些原因?qū)е铝舜杭綯N和TP濃度較高。夏季氮、磷濃度也較高的主要原因是由于增強(qiáng)的降雨導(dǎo)致土壤中的氮、磷隨徑流和水土流失進(jìn)入湖泊。冬季氮、磷濃度明顯降低，這與休耕期化肥的停止使用以及氮磷沉降等有關(guān)。本研究中春、夏季氮、磷濃度較高的結(jié)果與周晨等[6]的研究結(jié)果相似，而與陳麗華等[7]的略有不同，這可能與主要研究區(qū)域不同有關(guān)。Chl.a含量的季節(jié)變化與水溫、TN和TP的變化趨勢(shì)相似，這也與其他研究結(jié)果相似[6-7]。

表2 草海各區(qū)不同季節(jié)水質(zhì)等級(jí)Table 2 Classifications of water quality of Caohai Lakein different seasons and zones

在空間上，SD和DO表現(xiàn)出從上游往下游逐漸升高的趨勢(shì)，而SPM與水體氮、磷含量則與之相反，這與歐陽(yáng)勇等[1]、周晨等[6]和張珍明等[8]的研究結(jié)果一致。水質(zhì)的變化與人類(lèi)活動(dòng)直接相關(guān)[4]，由于入湖河流接納了沿途大量的生活和工農(nóng)業(yè)廢水，污染最為嚴(yán)重，水體TN，TP，CODMn和懸浮物較高，透明度降低，耗氧增加；隨著水體流向下游，湖泊通過(guò)吸收、沉降等作用降低了氮磷和懸浮物濃度，明顯體現(xiàn)了湖泊的水體凈化作用。

利用TLI法和ArcGIS實(shí)現(xiàn)了水體的富營(yíng)養(yǎng)化程度評(píng)價(jià)及其可視化[14]。據(jù)此將草海分為4個(gè)區(qū)：1—3號(hào)點(diǎn)所在的A區(qū)幾乎均為輕度富營(yíng)養(yǎng)化，4，5號(hào)點(diǎn)所在的B區(qū)主要呈輕度富營(yíng)養(yǎng)化，代表了草海入水口和上游營(yíng)養(yǎng)狀況；6—9號(hào)點(diǎn)所在的湖區(qū)中部春、夏季為輕度富營(yíng)養(yǎng)化，秋、冬季為中營(yíng)養(yǎng)水平；10—12號(hào)點(diǎn)所在的中下游-出水口區(qū)域基本處于中營(yíng)養(yǎng)水平。因此，草海水質(zhì)保護(hù)的重點(diǎn)區(qū)域?yàn)樵搭^入湖河流和上游。2017年草海的富營(yíng)養(yǎng)水平與2014年[9]和2016年[7]的水平基本一致；而周晨等[6]的研究表明2014—2015年草海從上游到中部、下游出水口水體依次為富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)、中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)、貧中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，這與本研究略有差異，原因在于本研究樣點(diǎn)中加入了富營(yíng)養(yǎng)化程度較高的上游入湖河流，但主湖區(qū)和下游出水口營(yíng)養(yǎng)狀況的年際變化也說(shuō)明了草海的富營(yíng)養(yǎng)化程度仍有加劇之勢(shì)。

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838—2002)[10]，草海水質(zhì)主要類(lèi)別為Ⅱ—Ⅳ類(lèi)，從上游至下游水質(zhì)逐漸提升，各區(qū)TN和CODMn均為影響水質(zhì)類(lèi)別的主要因子。周晨等[6]和張珍明等[8]也發(fā)現(xiàn)草海水質(zhì)類(lèi)別從上游至下游逐漸提升，二者均發(fā)現(xiàn)CODMn是主要影響因子。TLI和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838—2002)[10]的結(jié)果均表明草海水體富營(yíng)養(yǎng)化程度略有加重[6, 8]，氮是富營(yíng)養(yǎng)化加重的主要驅(qū)動(dòng)因素。

4.2 草海水質(zhì)保護(hù)的對(duì)策與建議

4.2.1 控制周邊生活污水和廢棄物的排放

生活污水是草海最大的污染源[1]。建立污水和生活垃圾處理廠(chǎng)，對(duì)城區(qū)污水截流，做到雨污分流，提高污水處理率；制定生活垃圾統(tǒng)一管理方案，嚴(yán)禁單位及個(gè)人隨意處置垃圾。

4.2.2 發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)

引導(dǎo)農(nóng)民發(fā)展生態(tài)、綠色、循環(huán)的農(nóng)業(yè)模式，控制周邊農(nóng)業(yè)化肥、農(nóng)藥的投入；禁止草海濕地人工養(yǎng)殖，推行人放天養(yǎng)，禁止投餌投肥。改善居民生活方式，推廣排泄物-沼氣-有機(jī)肥的循環(huán)利用模式。提倡農(nóng)民轉(zhuǎn)型，可兼職從事旅游服務(wù)服務(wù)，減少農(nóng)耕污染。

4.2.3 減少工業(yè)和旅游業(yè)污染排放

威寧水能、風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生資源開(kāi)發(fā)潛力巨大[4]，應(yīng)引導(dǎo)和推進(jìn)發(fā)展綠色能源產(chǎn)業(yè)，減少工業(yè)污染；同時(shí)嚴(yán)禁工業(yè)廢水未經(jīng)處理排放，工業(yè)廢水必須集中處理達(dá)標(biāo)后排放。旅游區(qū)垃圾應(yīng)集中運(yùn)出保護(hù)區(qū)處理，也應(yīng)禁止游客亂扔垃圾。

4.2.4 水生生物和植被恢復(fù)

加快草海魚(yú)類(lèi)、鳥(niǎo)類(lèi)、水生植物等自然資源的恢復(fù)，禁止酷捕濫捕，恢復(fù)鳥(niǎo)類(lèi)棲息地；尤其重視沉水植被的恢復(fù)，充分利用其凈化水體的功能，清除空心蓮子草、紫莖澤蘭等入侵水生植物。實(shí)行退耕還湖、退耕還林，加快建設(shè)生態(tài)林和生態(tài)保護(hù)帶，減少水土流失。

4.2.5 重點(diǎn)治理入湖水源和上游

針對(duì)草海入水河流和上游污染嚴(yán)重的情況，采用物理、化學(xué)和生物等多種方法處理源頭進(jìn)水，包括安裝截污裝置、清淤、活性污泥、種植和恢復(fù)沉水植物等。

5 結(jié) 論

本研究以草海為研究區(qū)域，對(duì)全湖11項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了周年季度監(jiān)測(cè)和分析，得到以下結(jié)論。

(1)時(shí)間上，除pH值和DO外，草海水質(zhì)理化指標(biāo)均表現(xiàn)出顯著季節(jié)差異，SD和SPM分別在冬季和秋季最大，TN，TP最高濃度出現(xiàn)在春季，CODMn，NH4+-N和Chl.a最高濃度出現(xiàn)在夏季；空間上，草海東部入水口水體污染最為嚴(yán)重，到中部、下游出水口污染逐漸減輕。

(2)草海水體營(yíng)養(yǎng)等級(jí)為中營(yíng)養(yǎng)型到輕度富營(yíng)養(yǎng)型，全年TLI(∑)均值在45.3～57.7；根據(jù)全湖TLI數(shù)值將草海分為4個(gè)區(qū)域，上游淌水溝、中河和白馬河入水口對(duì)應(yīng)區(qū)域總體呈輕度富營(yíng)養(yǎng)化(57.2≤ TLI(∑)≤57.7)；靠近縣城和入水口區(qū)域除冬季外均處于輕度富營(yíng)養(yǎng)化(51.0≤ TLI(∑)≤52.4)；草海中部呈中營(yíng)養(yǎng)—輕度富營(yíng)養(yǎng)水平(47.5≤ TLI(∑)≤48)；下游出水口區(qū)主要呈中營(yíng)養(yǎng)水平(45.3≤ TLI(∑)≤46.9)。

(3)草海水質(zhì)類(lèi)別主要為Ⅱ—Ⅳ類(lèi)，其中NH4+-N全年為Ⅱ類(lèi)，DO和TP為Ⅱ—Ⅲ類(lèi)，TN和CODMn是影響水質(zhì)的關(guān)鍵因子，達(dá)Ⅲ—Ⅴ類(lèi)。

(4)草海水質(zhì)保護(hù)應(yīng)控制周邊生活污水和廢棄物的排放、減少工業(yè)和旅游業(yè)污染排放、減少工業(yè)和旅游業(yè)污染排放、水生生物和植被恢復(fù)、重點(diǎn)治理入湖水源和上游。