2015-2016年環(huán)太湖河道進(jìn)出湖總磷負(fù)荷量計(jì)算及太湖總磷波動(dòng)分析*

翟淑華，周 婭**，程媛華，蔡 杰，胡燕雯

(1：太湖流域水資源保護(hù)局，上海 200434) (2：香港理工大學(xué)，香港 999077)

2007年太湖藍(lán)藻暴發(fā)引發(fā)無(wú)錫供水危機(jī)后，太湖流域水環(huán)境綜合治理的力度進(jìn)一步加大，連續(xù)十一年實(shí)現(xiàn)太湖“確保飲用水安全、確保太湖水體不發(fā)生大面積水質(zhì)黑臭”的目標(biāo). 太湖氨氮濃度和總氮(TN)濃度明顯下降，但總磷(TP)濃度于2015-2016年重回升勢(shì)，相應(yīng)2017年太湖出現(xiàn)歷史上最大面積的藍(lán)藻水華，太湖藍(lán)藻暴發(fā)勢(shì)頭未得到有效控制，富營(yíng)養(yǎng)化形勢(shì)依然嚴(yán)峻[1-5]. 太湖TP濃度波動(dòng)上升和藍(lán)藻大面積暴發(fā)的原因，再次成為政府各級(jí)部門(mén)和社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)，但尚未達(dá)成統(tǒng)一認(rèn)識(shí). Qin等[2]的研究認(rèn)為近年來(lái)TP濃度波動(dòng)上升的原因是多方面的，是污水排放標(biāo)準(zhǔn)較低、面源控制力度不足、內(nèi)源措施不夠經(jīng)濟(jì)有效、氣候變化等多因素共同作用的結(jié)果. 張民等[3]認(rèn)為，對(duì)藍(lán)藻水華生物量的相關(guān)驅(qū)動(dòng)因素中，營(yíng)養(yǎng)鹽(TP或氮磷比)可單獨(dú)解釋藍(lán)藻生物量變化的29%. 朱廣偉等[4]重點(diǎn)對(duì)太湖北部湖區(qū)開(kāi)展了研究，認(rèn)為藻類(lèi)生物體含有的營(yíng)養(yǎng)鹽是水體營(yíng)養(yǎng)鹽的重要組成部分，水華堆積之后的耗氧效應(yīng)大大加快了底泥磷的釋放，造成夏季水體磷濃度升高，同時(shí)近年來(lái)北部湖區(qū)葉綠素a濃度的波動(dòng)很大程度上受水文氣象因子的影響. 王華等[5]基于2010-2017年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及其相關(guān)性分析，認(rèn)為太湖2014-2017年TP濃度總體呈上升趨勢(shì)，尤其是2016年為8年間最高值，并從長(zhǎng)系列趨勢(shì)分析的角度分析了入湖河流污染負(fù)荷量、水生植被和藍(lán)藻變化與TP濃度的關(guān)系，但并未對(duì)2015-2016年大洪水條件對(duì)TP的影響進(jìn)行深入分析.

太湖流域2015-2016年發(fā)生流域性大洪水，特別是2016年太湖最高水位達(dá)4.87 m，僅低于1999年的4.97 m的歷史最高水位0.10 m，太湖TP濃度在高水位條件下不降反升. 朱偉等[6]認(rèn)為，太湖梅梁湖等北部湖灣2015-2017年TP濃度相較于2012-2014年提高了20%～25%左右，為藍(lán)藻水華形成提供了豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)，并認(rèn)為T(mén)P濃度波動(dòng)的主要原因?yàn)椋捍蠛樗當(dāng)y帶大量營(yíng)養(yǎng)鹽進(jìn)入太湖，由于磷大多數(shù)以顆粒態(tài)存在，洪水消退后仍沉積在湖泊中，并在適宜條件下釋放進(jìn)入水體. 但該研究?jī)H通過(guò)2015-2016年入湖TP負(fù)荷總量偏大進(jìn)行推斷，詳細(xì)論證主要針對(duì)北部湖灣. 因此，有必要進(jìn)一步對(duì)2015-2016年進(jìn)出全太湖的TP來(lái)源開(kāi)展更為全面、深入的定量計(jì)算和詳細(xì)論證. 研究表明，環(huán)太湖河流是影響太湖水環(huán)境的重要因素，其進(jìn)出太湖的水量、水質(zhì)和污染負(fù)荷量一直以來(lái)得到廣泛關(guān)注，有對(duì)長(zhǎng)系列數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)分析[7]，也有對(duì)個(gè)別年份的深入探討[8-10]，但針對(duì)流域性大洪水條件下環(huán)太湖河道進(jìn)出太湖的污染負(fù)荷量計(jì)算分析及其對(duì)太湖TP變化影響，以太湖水量和質(zhì)量平衡為基礎(chǔ)開(kāi)展太湖TP來(lái)源與影響分析的研究還未見(jiàn)報(bào)道.

經(jīng)過(guò)太湖流域水環(huán)境綜合治理，入湖河道TP濃度呈改善趨勢(shì)，但太湖TP濃度卻于2015-2016年出現(xiàn)較為明顯的上升. 因此，鑒于2015-2016年水文條件的特殊性，不僅要考慮水質(zhì)濃度的變化，還需要綜合考慮TP入湖負(fù)荷量的變化. 本文從2015-2016年環(huán)太湖河道的進(jìn)出太湖水量、TP負(fù)荷量計(jì)算入手，結(jié)合雨情、水情、太湖調(diào)蓄以及人為影響等各方面因素，分別開(kāi)展出入太湖的水量和TP負(fù)荷質(zhì)量的平衡分析. 在此基礎(chǔ)上，開(kāi)展太湖TP的外源、內(nèi)源變化趨勢(shì)及來(lái)源分析，探討2015-2016年太湖TP濃度升高的原因，提出有關(guān)今后太湖控磷措施的重點(diǎn)方向.

1 方法與計(jì)算

自1998年起，太湖流域水資源保護(hù)局連續(xù)每年組織開(kāi)展環(huán)太湖河道進(jìn)出太湖的污染負(fù)荷量計(jì)算. 為保持?jǐn)?shù)據(jù)的連續(xù)性，本文采用的水量資料為整編后的環(huán)太湖水文巡測(cè)資料，水質(zhì)資料為流域機(jī)構(gòu)監(jiān)測(cè)的環(huán)湖河流及水功能區(qū)水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料. 計(jì)算望亭(立交)站入湖污染負(fù)荷時(shí)，采用“引江濟(jì)太”每日監(jiān)測(cè)的水質(zhì)數(shù)據(jù)；計(jì)算其他河流污染負(fù)荷時(shí)，采用當(dāng)月環(huán)湖河流水質(zhì)數(shù)據(jù)；計(jì)算出湖污染負(fù)荷時(shí)，采用太湖沿岸區(qū)相應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)數(shù)據(jù). 計(jì)算采用的環(huán)太湖水文巡測(cè)段、水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分布及對(duì)應(yīng)關(guān)系詳見(jiàn)圖1.

圖1 環(huán)太湖水文巡測(cè)段、水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分布及對(duì)應(yīng)關(guān)系示意圖Fig.1 Sketch of the hydrological survey sections and water quality monitoring stations and their corresponding relationship

1.1 太湖水量平衡要素與計(jì)算方法

1.1.1 水量平衡計(jì)算方法 采用翟淑華等[11]的方法，基于2015-2016年環(huán)太湖河道進(jìn)出湖水量計(jì)算，結(jié)合降雨量、蒸發(fā)量、太湖調(diào)蓄水量、取用水等要素，開(kāi)展進(jìn)出太湖的水量平衡計(jì)算分析，公式為：

WI-WO+P-E-WC+D-ΔV=ΔE1

(1)

式中，WI、WO為環(huán)太湖河流進(jìn)、出湖水量，根據(jù)環(huán)太湖水文巡測(cè)整編資料成果統(tǒng)計(jì)；P為湖面降水量，即太湖年降雨量與太湖平均水位下對(duì)應(yīng)的水面面積的乘積；E為湖面蒸發(fā)量，即太湖年蒸發(fā)量與太湖平均水位下對(duì)應(yīng)的水面面積的乘積；D為陸地產(chǎn)水入湖量，即環(huán)太湖水文巡測(cè)線(xiàn)范圍內(nèi)的陸地區(qū)域的產(chǎn)水入湖量；WC為取水戶(hù)直接取水量；ΔV為太湖蓄變量，太湖年末與年初蓄水量的差值；ΔE1為水量平衡計(jì)算的絕對(duì)誤差.

水量平衡計(jì)算的相對(duì)誤差ΔE2的計(jì)算公式為：

ΔE2=2ΔE1/(WI+WO+P+E+WC+D+|ΔV|)

(2)

1.1.2 水量平衡要素計(jì)算 1)環(huán)太湖河道進(jìn)出湖水量計(jì)算. 根據(jù)實(shí)測(cè)水量整編數(shù)據(jù)計(jì)算得到，2015、2016年環(huán)太湖河道入湖水量分別為119.08億和159.85億m3，出湖水量分別為118.47億和167.27億m3.

2)降雨量、蒸發(fā)量計(jì)算. 2015年太湖全年平均水位3.42 m，對(duì)應(yīng)的太湖水面面積為2338.6 km2，太湖湖面降水量1523.3 mm，折算為入湖量35.62億m3，湖面蒸發(fā)量為914.1 mm，折算為出湖量20.74億m3；2016年太湖全年平均水位3.58 m，對(duì)應(yīng)的太湖水面面積為2351 km2，太湖湖面降水量1861.1 mm，折算為入湖量43.75億m3，湖面蒸發(fā)量為1061.8 mm，折算為出湖量24.96億m3.

3)太湖調(diào)蓄水量計(jì)算. 2015年太湖年初水位為3.18 m，年末水位為3.50 m，根據(jù)太湖水位-庫(kù)容關(guān)系得到太湖蓄水量年初為49.00億m3，年末為56.52億m3，蓄變量為7.52億m3. 2016年太湖年初水位為3.41 m，年末水位為3.28 m，根據(jù)太湖水位-庫(kù)容關(guān)系得到太湖蓄水量年初為54.37億m3，年末為51.28億m3，蓄變量為-3.09億m3.

4)其他水量要素計(jì)算. 根據(jù)太湖流域管理局發(fā)布的水資源公報(bào)，2015年直接從太湖取水水量約為10.02億m3，2016年直接從太湖取水水量約為10.86億m3. 經(jīng)估算，環(huán)太湖巡測(cè)線(xiàn)所圍面積為3128.0 km2，扣除農(nóng)業(yè)灌溉耗水量后，2015年陸地產(chǎn)水入湖量大致為1.82億m3，2016年陸地產(chǎn)水入湖量大致為1.89億m3.

1.1.3 水量平衡計(jì)算結(jié)果 計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，可見(jiàn)水量平衡誤差在規(guī)范要求的誤差范圍內(nèi).

表1 2015-2016年太湖水量平衡(單位：億m3)

1.2 太湖總磷質(zhì)量平衡計(jì)算

1.2.1 質(zhì)量平衡計(jì)算方法 采用翟淑華等[11]的方法，基于2015-2016年環(huán)太湖河道進(jìn)出湖TP負(fù)荷量計(jì)算，結(jié)合大氣干濕沉降、取用水、水生生物收獲、太湖年初和年末存量等要素，開(kāi)展進(jìn)出太湖的TP質(zhì)量平衡計(jì)算分析，公式為：

W河入+W降雨+W降塵+W污染源+W年初=W河出+W取水+W收獲+W年末+W滯留量

(3)

式中，W河入為通過(guò)河流直接進(jìn)入太湖的量，W降雨、W降塵為通過(guò)降雨、降塵直接進(jìn)入太湖的量，W污染源為巡測(cè)線(xiàn)內(nèi)各污染源進(jìn)入太湖的量；W年初為年初太湖水體中存量；W河出為通過(guò)河流直接出太湖的量；W取水為通過(guò)水廠取水帶出太湖的量；W收獲為通過(guò)水生生物收獲帶出太湖的量，包括藍(lán)藻打撈、水草收割、魚(yú)類(lèi)捕獲等；W年末為年末太湖水體中存量；W滯留量為太湖扣除水體存量變化以后滯留在湖體中的量.

太湖地區(qū)污染源排放的污染負(fù)荷量主要通過(guò)環(huán)太湖河道進(jìn)入太湖，暫未考慮巡測(cè)線(xiàn)內(nèi)污染源直接排放入湖量. 太湖物料平衡計(jì)算公式簡(jiǎn)化后得到滯留的污染負(fù)荷量為：

W滯留量=(W河入+W降雨+W降塵)-(W河出+W取水+W收獲)-(W年末-W年初)

(4)

質(zhì)量平衡計(jì)算得到的平衡差主要為滯留量及資料統(tǒng)計(jì)帶來(lái)的誤差，當(dāng)假設(shè)統(tǒng)計(jì)誤差為零時(shí)，則平衡差即認(rèn)為是當(dāng)年度太湖滯留量.

1.2.2 質(zhì)量平衡要素計(jì)算 1)環(huán)太湖河道出入湖TP負(fù)荷量計(jì)算. 環(huán)太湖水文巡測(cè)段水量資料有每天一次的連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，而環(huán)太湖水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料多為每月一次. 針對(duì)水量水質(zhì)監(jiān)測(cè)頻次不匹配的問(wèn)題，時(shí)段通量的估算主要有兩種方法：第1種是將每月一次水質(zhì)監(jiān)測(cè)的當(dāng)天負(fù)荷量作為當(dāng)月的平均負(fù)荷量，適用于污染物量受流量影響較小的情況；第2種是將每月一次的水質(zhì)數(shù)據(jù)作為當(dāng)月的平均水質(zhì)濃度，適用于污染物量受流量影響較大的情況[12]. 根據(jù)環(huán)太湖河道進(jìn)出太湖的逐日流量統(tǒng)計(jì)，河流的日流量變化較大，水量影響明顯大于水質(zhì)的影響，故選用第2種方法進(jìn)行環(huán)太湖出入湖污染負(fù)荷量的計(jì)算. 采用與水量巡測(cè)段相匹配的河流水質(zhì)資料，計(jì)算得到2015和2016年通過(guò)環(huán)太湖河流帶入TP的負(fù)荷量分別為2209和2594 t，帶出分別為643和906 t，通過(guò)河流凈入湖的TP負(fù)荷量為1565和1688 t.

2)大氣干濕沉降入湖量估算. 研究表明，氮、磷大氣干濕沉降是太湖營(yíng)養(yǎng)鹽輸入的重要來(lái)源之一[13-17]. 本文綜合考慮監(jiān)測(cè)時(shí)間、點(diǎn)位、頻次和方法，在各研究結(jié)果中選取適宜的沉降率參數(shù)，其中，濕沉降率采用太湖流域管理局《太湖大氣干濕沉降監(jiān)測(cè)試驗(yàn)分析單元工程成果報(bào)告》中的數(shù)據(jù)，干沉降率采用劉濤等[16]的研究結(jié)果. 結(jié)合流域降水情況，計(jì)算得到2015年太湖TP濕沉降量和干沉降量分別為182 和562 t，2016年太湖TP濕沉降量和干沉降量分別為222 和390 t.

3)其他途徑出湖量估算. 水廠直接取水帶出的TP量根據(jù)當(dāng)年的取水量和原水水質(zhì)濃度估算，2015和2016年分別為65和65 t.W收獲分為W藍(lán)藻、W水草和W魚(yú)類(lèi)，分別為藍(lán)藻打撈、水草收割及魚(yú)類(lèi)捕撈帶出量. 藍(lán)藻打撈帶出的TP量根據(jù)江蘇省水資源公報(bào)中的藍(lán)藻打撈量和太湖健康狀況報(bào)告中藍(lán)藻的氮磷含量估算，2015和2016年分別為164和160 t. 水草收割帶出的TP量根據(jù)江蘇省水資源公報(bào)中的水草打撈量和王強(qiáng)等[18]所測(cè)水草中氮磷含量估算，2015和2016年分別為933和714 t. 漁業(yè)統(tǒng)計(jì)資料顯示，太湖魚(yú)類(lèi)捕撈產(chǎn)量總體呈不斷增長(zhǎng)趨勢(shì)[19]. 魚(yú)類(lèi)捕撈帶出TP量根據(jù)江蘇省太湖漁業(yè)管理委員會(huì)統(tǒng)計(jì)的魚(yú)類(lèi)捕撈量和太湖污染物自?xún)裟芰εc適宜換水周期研究項(xiàng)目所測(cè)魚(yú)體中氮磷含量估算，2015和2016年分別為183和226 t.

4)太湖水體年初和年末存量計(jì)算. 根據(jù)太湖年初、年末蓄水量和年初、年末水質(zhì)進(jìn)行計(jì)算，其中蓄水量按照年初、年末水位條件下的水位-庫(kù)容曲線(xiàn)插值計(jì)算. 計(jì)算得到2015年年初存量為353 t，年末存量為607 t；2016年年初存量為288 t，年末存量為462 t.

1.2.3 質(zhì)量平衡計(jì)算結(jié)果 依據(jù)上述方法的數(shù)據(jù)，開(kāi)展2015-2016年太湖TP質(zhì)量平衡計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，2015和2016年太湖TP的滯留量分別為711和961 t.

表2 2015-2016年進(jìn)出太湖的總磷負(fù)荷量

2 分析與討論

2.1 2015-2016年太湖總磷來(lái)源分析

一般情況下，輸入湖泊系統(tǒng)的磷大多來(lái)自河流，這部分磷主要是人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生的污水帶來(lái)的，其他輸入途徑還有來(lái)自大氣的干濕沉降. 進(jìn)入水體的TP在經(jīng)過(guò)河流帶出、取水帶出、水生生物收獲帶出后，剩余的TP滯留于湖體，一部分造成水體TP存量的變化，另一部分滯留于底泥中或水生生物體內(nèi). 2015和2016年太湖各途徑進(jìn)出湖TP負(fù)荷量分布見(jiàn)圖2.

2015年，太湖水體年初存量為353 t，外源輸入量為2953 t，合計(jì)總負(fù)荷量為3306 t；經(jīng)各途徑帶出1988 t后，剩余TP量為1318 t，其中607 t為水體中年末存量，其余711 t即為滯留量. 在各帶入途徑中，通過(guò)河道帶入的TP量為2209 t，占總負(fù)荷量的66.8%；通過(guò)大氣干、濕沉降帶入的TP量分別為562和182 t，占比分別為17.0%和5.5%. 在各帶出途徑中，通過(guò)河道帶出的TP量為643 t，占總負(fù)荷量的19.4%；通過(guò)打撈藍(lán)藻、水草和魚(yú)類(lèi)等水生生物帶出的TP量為1280 t，占比38.7%；通過(guò)取水帶出的TP量為65 t，占比2.0%. 相應(yīng)計(jì)算得出，太湖水體中增加的TP為254 t，而滯留于底泥和被水生生物吸收轉(zhuǎn)化的量則達(dá)到711 t，占總負(fù)荷量的21.5%(圖2a).

2016年，太湖水體年初存量為288 t，外源輸入量為3206 t，合計(jì)總負(fù)荷量為3494 t；經(jīng)各途徑帶出2071 t后，剩余TP量為1423 t，其中462 t為水體中年末存量，其余961 t即為滯留量. 在各帶入途徑中，通過(guò)河道帶入的TP量為2594 t，占總負(fù)荷量的74.2%；通過(guò)大氣干、濕沉降帶入的TP量分別為390和222 t，占比分別為11.2%和6.4%. 在各帶出途徑中，通過(guò)河道帶出的TP量為906 t，占總負(fù)荷量的25.9%；通過(guò)打撈藍(lán)藻、水草和魚(yú)類(lèi)等水生生物帶出的TP量為1100 t，占比31.5%；通過(guò)取水帶出的TP量為65 t，占比1.9%. 相應(yīng)計(jì)算得出，太湖水體中增加的TP為174 t，而滯留于底泥和被水生生物吸收轉(zhuǎn)化的量則達(dá)到961 t，占總負(fù)荷量的27.5%(圖2b).

圖2 2015年(a)和2016年(b)各途徑進(jìn)出太湖的總磷負(fù)荷量分布Fig.2 Distribution of total phosphorus flux in and out of Lake Taihu in different ways in 2015 (a) and 2016 (b)

綜合上述分析認(rèn)為，影響太湖TP濃度變化的主要因素包括：1)環(huán)太湖河道是TP進(jìn)入太湖最主要的途徑，尤其是2016年的特大洪水，大量營(yíng)養(yǎng)鹽通過(guò)河道帶入太湖，占比74.2%；2)水生生物收獲對(duì)太湖水生態(tài)環(huán)境具有重要影響，2015年受太湖水草大面積收割及太湖持續(xù)高水位的影響，水生生物帶出TP量占比為38.7%，可能導(dǎo)致水生生物對(duì)磷的吸收利用減少. 3)逐年累積的內(nèi)源污染是太湖TP濃度升高的又一重要原因，底泥中的滯留量和生物中吸收轉(zhuǎn)化的TP量占比為21.5%～27.5%，遠(yuǎn)超水體中TP存量的變化，而這部分磷在適宜條件下很容易再次釋放到水體中. 與王華等[5]從定性角度推斷上述因素為太湖TP波動(dòng)的初步原因不同，TP質(zhì)量平衡分析對(duì)大洪水條件下各因素對(duì)太湖TP存量的貢獻(xiàn)率進(jìn)行了定量. 下文將重點(diǎn)研究2015-2016年環(huán)太湖河道、水生植物及底泥變化情況，尤其是通過(guò)與多年平均的比較開(kāi)展深入細(xì)化分析.

圖3 2015和2016年環(huán)太湖河道凈入湖總磷負(fù)荷量與多年平均值(2010-2017年)的比較Fig.3 Comparison of the net input of total phosphorus to Lake Taihu from 2015 to 2016 and the annual average from 2010 to 2017

2.2 環(huán)太湖河道進(jìn)出太湖總磷負(fù)荷量變化的影響

將2015和2016年TP凈入湖量與多年平均值(2010-2017年)相比較，結(jié)果見(jiàn)圖3. 與多年平均值相比，2015年凈入湖量差別不大. 從環(huán)太湖河道所在行政區(qū)分析，常州略偏少，宜興和長(zhǎng)興略偏多，蘇州出湖偏多；2016年除常州、無(wú)錫凈入湖量與多年平均值基本持平以外，其余地區(qū)均大幅偏多，其中宜興比多年平均偏多233.2 t，湖州為多年平均值的7倍，長(zhǎng)興為多年平均值的2.7倍. 從空間分布上，2015和2016年TP的入湖負(fù)荷量以宜興地區(qū)入湖河道帶入為最多，所占比重分別約為65%和60%.

從具體環(huán)太湖河道分析，環(huán)太湖水文巡測(cè)段的入湖、出湖及凈入湖TP負(fù)荷見(jiàn)表3. 結(jié)合圖1可以看出，太湖西北部陳東港橋段和浯溪橋段的入湖TP負(fù)荷量最大，2015和2016年兩者負(fù)荷量之和分別占所有河道入湖量的77%和71%；而望虞河由于受到太湖高水位的影響，則由引水入湖為主改為排泄太湖洪水為主，兩年均為凈出湖.

環(huán)太湖河道TP負(fù)荷量年內(nèi)變化則與流域水情密切相關(guān). 2015和2016年太湖流域年降水量分別位列1951年以來(lái)第3位和第1位. 時(shí)間分布上，2015年在6月出現(xiàn)明顯的峰值，遠(yuǎn)高于其他月份；2016年最高值同樣出現(xiàn)在6月，但9-10月降雨也異常偏多，太湖流域發(fā)生秋汛. 相應(yīng)于雨情，環(huán)太湖河道出入太湖的水量也呈現(xiàn)大進(jìn)大出的格局，2015年入湖119.1億m3，出湖118.5億m3；2016年入湖159.9億m3，出湖167.3億m3. 時(shí)間分布上，2015年入湖水量主要集中在6月和7月，兩月的水量約占全年入湖總水量的35%；2016年入湖水量最大值同樣出現(xiàn)在6月和7月，兩月的水量約占全年入湖總水量的33%. 相應(yīng)地，環(huán)太湖河道入湖TP量也呈現(xiàn)類(lèi)似的規(guī)律，與流域降雨量的變化呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系(圖4). 2015年入湖TP量主要集中分布在6月和7月，兩月的入湖量約占全年入湖總量的37%；2016年入湖TP量最大值同樣出現(xiàn)在6月和7月，兩月的入湖量約占全年入湖總量的32%.

表3 2015和2016年環(huán)太湖河道出入湖總磷負(fù)荷量分布

圖4 2015和2016年環(huán)太湖河道入湖總磷量及流域降雨量的年內(nèi)變化Fig.4 Variation of total phosphorus flux from rivers into Lake Taihu and rainfall of the basin in 2015 and 2016

圖5 太湖水生植物分布面積(5月)與太湖總磷濃度的關(guān)系 Fig.5 Correlation of the total phosphorus concentration and the area (in May) with macrophytes in Lake Taihu

2.3 太湖沉水植物覆蓋度變化的影響

針對(duì)太湖沉水植物覆蓋度變化，分春、夏、秋3季連續(xù)6年，采用遙感方法結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查進(jìn)行反演計(jì)算[20]，開(kāi)展了太湖沉水植物覆蓋度調(diào)查研究，鑒于資料的連續(xù)性和太湖水體黑臭出現(xiàn)的時(shí)間最早為5月，故采用5月數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)分析. 2012-2016年太湖沉水植物5月平均分布面積與太湖TP濃度的關(guān)系見(jiàn)圖5.

2014年之前太湖東部湖區(qū)水草(沉水植物)分布廣泛，生長(zhǎng)情況良好，沉水植物的根莖葉能吸收底泥和水體中的氮、磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，促進(jìn)水體懸浮物質(zhì)沉淀，抑制沉積物再懸浮，有利于水質(zhì)的改善；多數(shù)沉水植物葉片長(zhǎng)至水面，能夠有效抑制并阻攔藍(lán)藻的生長(zhǎng)和漂移. 2012-2014年太湖水生植物面積維持在250～350 km2，沉水植物面積維持在200～300 km2左右. 但因大規(guī)模打撈水草的過(guò)度收割作業(yè)以及連續(xù)高水位的不利影響，2015年5月太湖沉水植物面積驟減為27.65 km2，較2014年5月的244.31 km2大幅減少，降幅達(dá)到88.7%. 2016年5月面積略有上升，為47.33 km2，但仍比2014年同期少80.6%. 相對(duì)于分布面積的變化，太湖沉水植物年均單位面積生物量變化幅度相對(duì)較小，2012-2016年年際變化幅度為7%～31%.

通常，湖泊水體中的生物有效磷很低，但沉積物間隙水的磷酸鹽濃度是上覆水的9～600倍，有根大型水生植物體內(nèi)85%的磷是從沉積物間隙水中獲得的[21]. 張來(lái)甲等[22]研究發(fā)現(xiàn)，苦草腐解使3月水體 TP 總量較之前增長(zhǎng)了144.40%, 而底泥中增長(zhǎng)了19.99%, 可見(jiàn)植物腐解對(duì)水體的影響遠(yuǎn)大于底泥. 當(dāng)沉水植物腐爛后，植物體內(nèi)的磷主要釋放到水體中，而不是底泥中，因此，適時(shí)開(kāi)展對(duì)水生生物的收割是十分必要的，但同時(shí)保持湖泊中適量的沉水植物對(duì)于減少磷含量起著重要作用. 而2015年大量收割太湖湖體中生長(zhǎng)的沉水植物，湖體中的沉水植物分布面積和總生物量急劇減少，雖然有效帶出了TP，但湖中沉水植物的減少相應(yīng)減少了水生生物對(duì)磷的利用轉(zhuǎn)化，也增加了底泥向上覆水釋放磷的幾率.

2.4 底泥對(duì)太湖水體磷的影響

除水體中TP存量變化以外，滯留的TP一部分被水生生物吸收轉(zhuǎn)化，另一部分則沉降至底泥中. 底泥對(duì)水體磷的貢獻(xiàn)取決于3方面，即底泥中磷的含量、底泥受擾動(dòng)的程度以及藍(lán)藻的泵吸作用.

2015年太湖沉水植物大幅下降，使得可被水生生物吸收轉(zhuǎn)化的TP量相應(yīng)減少，從而間接地增加了底泥中的TP存量. 研究表明，水生植物生長(zhǎng)密集區(qū)底泥中TN、TP、總有機(jī)碳含量均顯著低于水生植物零星生長(zhǎng)區(qū)[23]. 2015-2017年太湖底泥TP質(zhì)量比約為650 mg/kg，較1980s增加了約2.5倍，西部湖區(qū)的底泥TP質(zhì)量比更是達(dá)到1020 mg/kg，是1980s的5倍[24]. 不斷累積在底泥中的磷是太湖水體TP的重要內(nèi)源.

2015和2016年的大洪水和驟減的水生植物共同增強(qiáng)了底泥的受擾動(dòng)程度，加劇了底泥中的磷向水體的遷移釋放. 在對(duì)底泥開(kāi)展的靜態(tài)釋放和動(dòng)態(tài)釋放試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，擾動(dòng)可促使底泥發(fā)生大量釋放，而風(fēng)浪擾動(dòng)是淺水湖泊沉積物懸浮和營(yíng)養(yǎng)鹽釋放的主要驅(qū)動(dòng)力之一，半天的強(qiáng)風(fēng)浪擾動(dòng)可導(dǎo)致水體營(yíng)養(yǎng)鹽濃度增加近1倍. 理論上，在大洪水條件下，底泥中高濃度的TP受到強(qiáng)風(fēng)浪擾動(dòng)，更容易釋放到水體中.

依據(jù)遙感方法開(kāi)展的太湖藍(lán)藻覆蓋面積數(shù)據(jù)，2015和2016年太湖藍(lán)藻暴發(fā)面積最大分別為1091.4和936.4 km2. 已有研究成果表明[25]，藍(lán)藻的快速生長(zhǎng)導(dǎo)致其從底泥中泵取大量的磷，使得水體中顆粒磷的含量增加，水體與沉積物之間的磷平衡被打破，大量磷由沉積物進(jìn)入水體，太湖中的磷含量與藍(lán)藻生長(zhǎng)形成不斷放大的正向反饋. 2015和2016年太湖藍(lán)藻暴發(fā)與TP濃度的升高也進(jìn)一步說(shuō)明其正向反饋?zhàn)饔?

3 結(jié)論和建議

1)外源輸入TP負(fù)荷仍然是太湖水體中TP的主要來(lái)源. 2015-2016年流域?yàn)樨S水年，尤其在2016年發(fā)生特大洪水的情況下，雖然環(huán)湖河道入湖水質(zhì)是近年來(lái)最好的一年，但由于總水量遠(yuǎn)超常年，環(huán)湖河道進(jìn)入太湖的TP負(fù)荷量仍為近年來(lái)的第2高值，達(dá)2594 t，占太湖TP負(fù)荷總量的74.2%. 而通過(guò)環(huán)湖河道帶入太湖的磷，絕大部分難以再通過(guò)河流帶出，只能通過(guò)人工收獲帶出、沉降、生物吸收轉(zhuǎn)化等途徑得以消減. 因此，對(duì)于累積效應(yīng)明顯的磷來(lái)說(shuō)，河道輸入TP負(fù)荷量是太湖TP濃度升高的主要外源.

2)太湖沉水植物驟減導(dǎo)致湖體對(duì)磷的吸收轉(zhuǎn)化能力下降. 2015和2016年水生生物帶出TP負(fù)荷量為1280和1100 t，占比分別為38.7%和31.5%，雖然帶出了大量的磷負(fù)荷，但水生植物的減少一方面使水生植物吸收轉(zhuǎn)化磷的能力急劇下降，另一方面也增加了底泥向上覆水釋放的幾率. 不合理的過(guò)度收割水草，以及太湖持續(xù)高水位對(duì)水草生長(zhǎng)的不利影響，成為太湖TP濃度升高的重要影響因素.

3)滯留在底泥中的TP在適宜條件下可進(jìn)入水體，成為太湖水體中TP潛在的內(nèi)部來(lái)源. 2015和2016年，大量外源負(fù)荷進(jìn)入太湖造成的TP滯留量達(dá)711和961 t，分別占總負(fù)荷的21.5%和27.5%，大洪水條件下加劇了底泥的受擾動(dòng)程度，同時(shí)藍(lán)藻的快速生長(zhǎng)與底泥中滯留的磷形成不斷放大的正向反饋，成為太湖TP濃度升高的又一重要影響因素.

4)2015-2016年太湖TP濃度升高，雖然體現(xiàn)了大洪水對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)的巨大沖擊，增加了TP外源的入湖以及內(nèi)源的擾動(dòng)釋放，但氣象條件無(wú)法人為控制，對(duì)太湖TP濃度的控制主要還是要控源截污，從源頭減少TP輸入. 在今后的太湖水環(huán)境綜合治理中，應(yīng)進(jìn)一步針對(duì)太湖TP的來(lái)源采取內(nèi)外兼控的控磷措施，強(qiáng)化對(duì)環(huán)太湖河流TP來(lái)源的排摸及控制、深化對(duì)底泥的影響及創(chuàng)新處置措施研究、科學(xué)合理開(kāi)展水生生物收割，修復(fù)以沉水植被為主的太湖自然生態(tài)系統(tǒng).