太湖不同湖區(qū)水質(zhì)狀況及其隨水溫變化的比較

葉羽婷 佟一帆 劉茂松

摘要?溫度對湖泊中氮磷營養(yǎng)鹽等主要水環(huán)境因子和藍(lán)藻生長起著重要作用，從而影響湖泊富營養(yǎng)化狀態(tài)。通過長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，以太湖的北部梅梁灣和鄰近的湖心區(qū)、入湖口為主要研究對象，采用因子分析法，比較分析不同湖區(qū)水質(zhì)狀況的主要影響因子;并采用營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法和Pearson相關(guān)性分析，分析并探討水溫對水體富營養(yǎng)化的影響及其在不同湖區(qū)間的差異性。結(jié)果表明，梅梁灣、湖心區(qū)、河口區(qū)3個湖區(qū)影響水質(zhì)的主要因子存在區(qū)位差異。其中，梅梁灣和湖心區(qū)影響水質(zhì)的最主要因子都與磷元素、Chl-a和CODMn有關(guān);而河口區(qū)影響水質(zhì)的最主要因子與TN、NH4+-N和水溫有關(guān)。水溫與3個湖區(qū)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)均存在極顯著相關(guān)，但具有區(qū)位差異。在梅梁灣和河口區(qū)，隨著水溫的升高，富營養(yǎng)化程度加劇;而在湖心區(qū)，富營養(yǎng)化程度會隨著水溫的升高有所緩解。隨著水溫的升高，氮素在各湖區(qū)的營養(yǎng)負(fù)荷都有所降低?？傮w來說，水溫與湖泊富營養(yǎng)化存在顯著相關(guān)，但對不同指標(biāo)及不同湖區(qū)間的影響存在差異。

關(guān)鍵詞?太湖;因子分析;綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù);溫度

中圖分類號?X?524文獻(xiàn)標(biāo)識碼?A

文章編號?0517-6611（2019）23-0093-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.23.028

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Comparison of Water Quality in Different Areas in Taihu Lake and Its Change Rule with Water Temperature

YE Yu?ting1，TONG Yi?fan2，LIU Mao?song1

（1.School of Life Sciences，Nanjing University，Nanjing，Jiangsu 210046;2.Jiangsu Provincial Academy of Environmental Science，Nanjing，Jiangsu 210036）

Abstract?Temperature is important to the growth of cyanobacteria and concentrations of major water environmental factors，such as nitrogen and phosphorus，thus affecting the condition of eutrophication of lakes.Based on long?term monitoring data of Meiliang Bay and central lake of Taihu Lake，the main influencing factors to water quality in different lake areas were discussed with Factor Analysis.The effect of water temperature on water eutrophication and its difference in different lake areas were analyzed and discussed by using the nutritional status index method and Pearson correlation analysis.The results showed that there were regional differences in the main factors affecting water quality.In Meiliang Bay and central lake，phosphorus，Chl-a and CODMn were the most important factors affecting water quality，while TN，NH4+-N and water temperature were the most important factors affecting water quality in estuary.There was a significant correlation between the water temperature and the condition of eutrophication，but there were regional differences.In Meiliang Bay and estuary，the degree of eutrophication increased with the increase of water temperature，while in center lake，the degree of eutrophication decreased.With the increase of water temperature，the nutrient load of nitrogen decreased.Overall，this study showed that there was a significant correlation between water temperature and eutrophication，but the impacts on different indicators and different lake areas were different.

Key words?Taihu Lake;Factor analysis;Comprehensive nutritional status index;Temperature

湖泊富營養(yǎng)化是指水體中由于營養(yǎng)鹽的增加而導(dǎo)致藍(lán)藻生產(chǎn)力增加、水質(zhì)下降等一系列變化的現(xiàn)象。溫度是生態(tài)系統(tǒng)中各種物理、化學(xué)、生物反應(yīng)過程的基本條件，對湖泊各水環(huán)境因子和藍(lán)藻生長起著重要作用。在富營養(yǎng)化湖泊中，水溫會影響沉積物的吸附解析[1-2]、營養(yǎng)鹽的循環(huán)與利用效率[3-5]、微生物的代謝速率[6]、浮游植物與沉水植物的生長等[7-8]，從而影響湖泊富營養(yǎng)化狀態(tài)。

太湖是我國第三大淡水湖，面積2 338 km2，平均水深1.9 m，是典型的亞熱帶淺水湖泊。隨著長江三角洲地區(qū)的工業(yè)發(fā)展和城市化進(jìn)程的加速，太湖氮磷濃度居高不下，湖體富營養(yǎng)化嚴(yán)重。其中梅梁灣位于西太湖北部，靠近無錫市，是太湖富營養(yǎng)化較嚴(yán)重的湖區(qū)之一[9]。

筆者通過長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，以太湖北部梅梁灣和鄰近的湖心區(qū)和入湖口為主要研究對象，采用因子分析法，比較分析不同湖區(qū)水質(zhì)狀況及主要影響因子的差異，并采用營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法，計(jì)算不同湖區(qū)的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)及其隨水溫的變化特征，初步探討水溫對不同水質(zhì)特征水體富營養(yǎng)化的影響。

1?數(shù)據(jù)來源及分析方法

1.1?數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源于“國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺——湖泊流域科學(xué)數(shù)據(jù)中心”，選擇1999—2006年8年間的數(shù)據(jù)。水質(zhì)指標(biāo)主要有水溫（WT）、透明度（SD）、懸浮質(zhì)（SS）、酸堿度（pH）、溶解氧（DO）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、葉綠素a（Chl-a）、總磷（TP）、總氮（TN）、硝酸鹽氮（NO3--N）、氨氮（NH4+-N）、亞硝酸鹽氮（NO2--N）、磷酸鹽（PO43-）。采樣頻次為每30 d 1次，月中采樣。各物理化學(xué)變量獲取與分析均采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法，可參見相關(guān)研究[9-10]。

監(jiān)測站點(diǎn)有8個（圖1）。站點(diǎn)0是太湖北端梁溪河口的入湖口;站點(diǎn)1、3、4、5全部位于梅梁灣;站點(diǎn)6位于直湖港口的太湖北端;站點(diǎn)7、8位于湖心區(qū)。

1.2?分析方法

（1）采用聚類分析，以水質(zhì)指標(biāo)為依據(jù)對1999—2006年8個監(jiān)測站點(diǎn)進(jìn)行分類;采用One-Way ANOVA 分析各水質(zhì)指標(biāo)在不同類別湖區(qū)間的差異性。

（2）采用因子分析，分析各湖區(qū)影響水質(zhì)的主要因子及內(nèi)部關(guān)系，并比較不同湖區(qū)間的差異性。

（3）計(jì)算各湖區(qū)的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)（TLI）及各水質(zhì)指標(biāo)（j）的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI（j），具體計(jì)算方法可參考文獻(xiàn)[11]。以每1 ℃為單位計(jì)算營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)在水溫上的分布特征值，并采用Pearson相關(guān)性分析，探究不同湖區(qū)富營養(yǎng)化狀態(tài)隨水溫的變化規(guī)律。

2?結(jié)果與分析

2.1?水質(zhì)空間分布特征

聚類分析結(jié)果見圖2，以距離10為基準(zhǔn)，可將全部監(jiān)測點(diǎn)分為4類。第一類包括站點(diǎn)1、3、4、5，該4類站點(diǎn)全部位于梅梁灣;第二類為站點(diǎn)6，站點(diǎn)6位于直湖港口的太湖北端;第三類為站點(diǎn)7、8，位于湖心區(qū);第四類為站點(diǎn)0，是太湖北端梁溪河口的入湖口。

將第一類中的站點(diǎn)1、3、4、5作為“梅梁灣”進(jìn)行研究，第三類中的站點(diǎn)7、8作為“湖心區(qū)”進(jìn)行研究;雖然站點(diǎn)0、6都是河口區(qū)，但由于位于不同的入湖口，聚類分析結(jié)果顯示差異性較大，而站點(diǎn)6與第一、三類站點(diǎn)有較大相似性。為充分了解不同水質(zhì)特征的湖區(qū)間的差異，選擇與第一、三類別距離較遠(yuǎn)的第四大類的站點(diǎn)0作為“河口區(qū)”進(jìn)行研究。

采用One-Way ANONA差異性分析，比較3個湖區(qū)各水質(zhì)指標(biāo)的差異性（圖3）。結(jié)果顯示，水溫在3個湖區(qū)間無顯著差異，均值在18 ℃左右。Chl-a、CODMn、TN、TP、NH4+-N在3個湖區(qū)間均存在顯著差異，其濃度高低均為河口區(qū)>梅梁灣>湖心區(qū)。NO2--N、PO43-表現(xiàn)為河口區(qū)濃度顯著高于梅梁灣和湖心區(qū)。NO3--N表現(xiàn)為河口區(qū)和梅梁灣區(qū)濃度顯著高于湖心區(qū)。SS表現(xiàn)為湖心區(qū)顯著高于河口區(qū)和梅梁灣。DO、pH表現(xiàn)為梅梁灣、湖心區(qū)顯著高于河口區(qū)。

從各水質(zhì)指標(biāo)來看，河口區(qū)氮、磷濃度都居3個湖區(qū)之首，應(yīng)與人為污染水源的大量排入有關(guān)[12]。有研究顯示，湖泊具有一定的自凈能力，在水體流入的過程中，可以逐漸將水體中氮、磷、有機(jī)物等富營養(yǎng)化物質(zhì)或有害物質(zhì)予以吸收、轉(zhuǎn)化、沉積再分配，從而使水體凈化[13]。湖心區(qū)遠(yuǎn)離河口，水質(zhì)相對較好，但是其懸浮質(zhì)較高，應(yīng)與水動力擾動有關(guān)。研究表明，湖心區(qū)處于水面開闊的開敞湖區(qū)，風(fēng)浪擾動能夠輕易使底泥懸浮，從而提高懸浮質(zhì)、降低透明度[12]。

2.2?不同湖區(qū)水環(huán)境主成分的比較分析

分別對3個湖區(qū)的水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行因子分析。根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果，梅梁灣、湖心區(qū)、河口區(qū)的巴特利特球度檢驗(yàn)（Bartlett test of sphericity）統(tǒng)計(jì)量的相應(yīng)概率都為0.000<0.05，KMO（Kaiser-Meyer-Olkin）值分別為0.582、0.594和0.574，表明數(shù)據(jù)具有一定的相關(guān)性，適合進(jìn)行因子分析[14]。

梅梁灣、湖心區(qū)、河口區(qū)的因子分析見表1、2、3（包括入選因子的貢獻(xiàn)率及旋轉(zhuǎn)后的因子載荷）。梅梁灣提取了5個主成分因子，累積貢獻(xiàn)率為82.82%;湖心區(qū)提取了4個主成分因子，累積貢獻(xiàn)率為74.98%;河口區(qū)提取了5個主成分因子，累積貢獻(xiàn)率為78.73%，3個湖區(qū)提取的因子都能夠充分代替整體因子的情況。

分析梅梁灣提取的5個主成分（表1），第一主成分主要與CODMn、Chl-a、TP高度正相關(guān)，與pH中度正相關(guān)，該因子可以表征由磷元素主導(dǎo)的藍(lán)藻繁殖狀況;第二主成分主要與水溫高度負(fù)相關(guān)，與DO高度正相關(guān)，與NH4+-N中度正相關(guān)，可以表征由水溫、DO等影響的基本水環(huán)境條件和與之相關(guān)的氮元素變化狀況;第三主成分主要與NH4+-N、NO3--N、TN、NO2--N高度正相關(guān)，可以表征灣區(qū)整體氮濃度及氮素之間轉(zhuǎn)化的變化;第四主成分主要與PO43-高度正相關(guān)，同時與TP、NH4+-N中度正相關(guān)，氮磷元素間存在相互作用，該因子可以表征與氮有關(guān)的磷濃度變化;第五主成分主要與SS高度正相關(guān)，同時與TP低度正相關(guān)，與pH低度負(fù)相關(guān)，可以表征由懸浮作用引起的水質(zhì)變化，特別是與磷元素有關(guān)的懸浮質(zhì)的變化。

分析湖心區(qū)提取的4個主因子（表2），第一主成分主要與TP、Chl-a、CODMn高度正相關(guān)，該因子可以表征由磷元素主導(dǎo)的藍(lán)藻繁殖狀況;第二主成分主要與水溫高度負(fù)相關(guān)，與DO高度正相關(guān)，同時與SS中度正相關(guān)，該因子可以表征由水溫、DO等影響的基本水環(huán)境條件和與之相關(guān)的懸浮質(zhì)的變化;第三主成分主要與NO3--N、TN、NH4+-N、NO2--N高度正相關(guān)，可以表征湖心區(qū)氮素濃度及氮素之間轉(zhuǎn)化的變化;第四主成分主要與PO43-和pH高度正相關(guān)，可以表征pH相關(guān)的磷酸鹽變化。

分析河口區(qū)提取的5個主因子（表3），第一主成分主要與TN、NH4+-N高度正相關(guān)，與水溫高度負(fù)相關(guān)，該因子可以表征水溫相關(guān)的氮濃度變化;第二主成分主要與pH、CODMn、Chl-a高度正相關(guān)，該因子可以表征藍(lán)藻的生長狀況;第三主成分分別與PO43-和TP高度、中度正相關(guān)，與DO中度負(fù)相關(guān)，該因子可以表征DO狀況和磷污染狀況;第四主成分主要與NO2--N和NO3--N正相關(guān)，該因子可以表征不同氮素形式的濃度狀況;第五主成分主要與SS高度正相關(guān)，該因子可以表征SS的狀況。

比較分析3個湖區(qū)影響水質(zhì)的主要因素，發(fā)現(xiàn)梅梁灣和湖心區(qū)有較大相似性。其影響水質(zhì)的第一主成分因子都包括CODMn、Chl-a和TP，表明在這2個湖區(qū)由磷主導(dǎo)的藍(lán)藻生長狀況對水質(zhì)影響最大;第二主成分因子都有水溫和DO;第三主成分都與氮濃度和氮素之間的相互轉(zhuǎn)化有關(guān)。不同的是，第二主成分中，僅湖心區(qū)有SS這一水質(zhì)指標(biāo)。

而河口區(qū)影響水質(zhì)的主要因素與梅梁灣和湖心區(qū)有較大差異。第一主成分因子主要影響因子包括TN、NH4+-N和水溫，表明氮素污染及其與水溫相關(guān)的變化對河口區(qū)水質(zhì)的影響最大。第二主成分中包括pH、CODMn和Chl-a，表明藍(lán)

藻生長是影響其水質(zhì)的次要因素，且磷元素在該主成分中并非是主要的相關(guān)因子;第三主成分是磷元素及其與溶解氧相關(guān)的變化。

在3個湖區(qū)的主成分因子中，水溫與河口區(qū)的第一主成分因子、梅梁灣和湖心區(qū)的第二主成分因子分別顯著相關(guān)，表明水溫對水體水質(zhì)有重要影響。其中，河口區(qū)的第一主成分和梅梁灣的第二主成分水溫都與氮素有關(guān)，表明水溫與水體中的氮素濃度有重要的內(nèi)在聯(lián)系。

2.3?綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)隨水溫的變化特征

計(jì)算并比較分析3個湖區(qū)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)（TLI），梅梁灣和湖心區(qū)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)分別為58.70和55.49，為輕度富營養(yǎng)化;河口區(qū)綜合營養(yǎng)指數(shù)為66.77，為中度富營養(yǎng)化，One-Way ANOVA分析顯示3個湖區(qū)具有極顯著差異。

分析水溫與各營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)性（表4），隨水溫變化3個湖區(qū)的富營養(yǎng)化狀態(tài)的改變有所不同。在梅梁灣，綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)與水溫極顯著正相關(guān)，約18 ℃后綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)由輕度富營養(yǎng)化轉(zhuǎn)為中度富營養(yǎng)化，表明梅梁灣富營養(yǎng)化狀況隨水溫升高而加劇。相似地，在河口區(qū)，綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)與水溫呈極顯著正相關(guān)，隨水溫的上升呈波動升高趨勢（圖4），在12 ℃左右和水溫大于30 ℃時上升至70以上，為重度富營養(yǎng)化，表明河口區(qū)隨水溫升高富營養(yǎng)化狀態(tài)同樣有所加劇。而在湖心區(qū)，綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)與水溫呈極顯著負(fù)相關(guān)，且始終處于輕度富營養(yǎng)化狀態(tài)，表明湖心區(qū)富營養(yǎng)化狀態(tài)隨水溫的升高而有所減緩。

具體分析各水質(zhì)指標(biāo)營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，在梅梁灣TLI（Chl-a）和TLI（CODMn）與水溫呈極顯著相關(guān)，TLI（TN）與水溫呈不顯著的負(fù)相關(guān)，其余指數(shù)與水溫呈不顯著的正相關(guān)，表明在梅梁灣隨水溫升高，富營養(yǎng)化狀態(tài)加劇，與Chl-a和CODMn營養(yǎng)指數(shù)的升高有關(guān)。在湖心區(qū)，除TLI（Chl-a）與水溫呈不顯著的正相關(guān)，其余指數(shù)均與水溫呈負(fù)相關(guān)，其中TLI（SD）和TLI（TN）有顯著相關(guān)性，表明在湖心區(qū)隨著水溫的升高，雖然Chl-a營養(yǎng)指數(shù)有所上升，但是其余水質(zhì)指標(biāo)特別是TN和SD營養(yǎng)狀態(tài)的下降，使其富營養(yǎng)化狀態(tài)有所減緩。在河口區(qū)，TLI（Chl-a）和TLI（CODMn）與水溫呈正相關(guān)，其中TLI（CODMn）與水溫具有顯著相關(guān)性，其余指標(biāo)與水溫呈負(fù)相關(guān)，其中TLI（SD）與水溫呈顯著負(fù)相關(guān)，表明在河口區(qū)，隨著水溫的升高，富營養(yǎng)化狀態(tài)加劇主要與CODMn營養(yǎng)狀態(tài)的上升有關(guān)。

各水質(zhì)指標(biāo)營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)與水溫的相關(guān)性中，3個湖區(qū)的Chl-a與水溫均呈現(xiàn)正相關(guān)，其中梅梁灣顯著正相關(guān)，表明隨著水溫的升高，水體中Chl-a濃度上升，應(yīng)與溫度升高有助于藍(lán)藻生長有關(guān)[15-16]。

3個湖區(qū)TN與水溫呈現(xiàn)出一致的負(fù)相關(guān)，表明隨著水溫的升高，氮負(fù)荷有所緩解。有研究顯示，在梅梁灣、湖心區(qū)和入湖河流，氮濃度的變化趨勢均是冬季升高，夏季降低[17]，與該研究結(jié)果相似。有研究者認(rèn)為這可能與高溫時降雨量較大從而稀釋水體、浮游植物生長吸收氮素以及反硝化作用有關(guān)[12]。但有研究顯示[13]，汛期河道氮素輸入總量遠(yuǎn)高于汛前和汛后，因此汛期降雨不能對太湖氮素濃度起到稀釋作用;且浮游植物對氮素的同化吸收，再經(jīng)衰亡降解等一系列過程，更多的是氮素形態(tài)的變化，并不能很好地解釋夏季水體中總氮濃度的下降，故在太湖反硝化作用可能是夏季太湖總氮和硝態(tài)氮濃度降低的最重要原因。隨著水溫的升高水體中反硝化作用加劇[18]，從而減輕水體氮負(fù)荷[13]。

3?結(jié)論

（1）河口區(qū)、梅梁灣、湖心區(qū)的水質(zhì)富營養(yǎng)化存在顯著差異，除懸浮質(zhì)濃度在湖心區(qū)最高外，總體上各水質(zhì)指標(biāo)濃度表現(xiàn)為河口區(qū)>梅梁灣>湖心區(qū)。3個湖區(qū)影響水質(zhì)的主要因子存在空間差異。其中，梅梁灣和湖心區(qū)有一定相似性，其影響水質(zhì)的最主要因子都與磷元素、Chl-a和CODMn有關(guān);但同時，梅梁灣中氮素也有重要影響，而湖心區(qū)中SS具有重要影響。河口區(qū)與梅梁灣、湖心區(qū)有較大差異，其影響水質(zhì)的最主要因子與TN、NH4+-N和水溫有關(guān)。

（2）水溫與3個湖區(qū)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)均存在極顯著相關(guān)，但具有區(qū)位差異。在梅梁灣和河口區(qū)，隨著水溫的升高，富營養(yǎng)化程度加劇;而在湖心區(qū)，富營養(yǎng)化程度會隨著水溫的升高有所緩解。

（3）隨著水溫的升高，氮素在各湖區(qū)的營養(yǎng)負(fù)荷都有所降低?？傮w來說，水溫與湖泊富營養(yǎng)化存在顯著相關(guān)，但對不同指標(biāo)及不同湖區(qū)間的影響存在差異。

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