東太湖養(yǎng)殖區(qū)、生態(tài)恢復(fù)區(qū)和對照區(qū)水質(zhì)對比研究

蘇 芮，徐慧敏，王樹人，陸建明，曾 巾，趙大勇

(1.河海大學(xué) 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，江蘇 南京 210098；2.中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所 湖泊與環(huán)境國家重點實驗室，江蘇 南京 210008；3.江蘇省太湖漁業(yè)管理委員會辦公室，江蘇 蘇州 215004；4.河海大學(xué) 水利學(xué)科專業(yè)實驗教學(xué)中心，江蘇 南京 210098)

湖泊是開展淡水養(yǎng)殖的主要水域，湖泊養(yǎng)殖在我國漁業(yè)發(fā)展中具有舉足輕重的地位。然而，放養(yǎng)和圍網(wǎng)養(yǎng)殖會引發(fā)一系列湖泊生態(tài)環(huán)境問題[1]，如因過度追求養(yǎng)殖經(jīng)濟(jì)效益而投放大量餌料，餌料殘留在水體和沉積物中造成嚴(yán)重的養(yǎng)殖污染[2-3]；同時，大規(guī)模高密度的傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式易對湖泊生態(tài)環(huán)境造成破壞[4]，特別是破壞了有“水下森林”之稱的沉水植被，改變了湖泊水生植物的組成和分布，進(jìn)而引發(fā)湖泊次生環(huán)境災(zāi)害[5]。因此，亟需走生態(tài)漁業(yè)發(fā)展之路，調(diào)整和優(yōu)化養(yǎng)殖模式，利用湖區(qū)水草、螺蜆等天然餌料資源，減少人工餌料投喂，同時提高水產(chǎn)品質(zhì)量，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和水環(huán)境的良性循環(huán)[6]。

太湖是我國重要的淡水湖泊，其水體水質(zhì)及生態(tài)環(huán)境質(zhì)量對長江中下游地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展具有重要影響。太湖東南部水域為典型淺水草型湖區(qū)，從1979年起，東太湖圍網(wǎng)養(yǎng)殖面積逐年擴(kuò)大，2006年已達(dá)105.87 km2[7]，從而導(dǎo)致水體環(huán)境質(zhì)量下降，東太湖沼澤化和富營養(yǎng)化現(xiàn)象漸趨嚴(yán)重[8]。2007年“太湖藍(lán)藻事件”之后，政府對東、西太湖圍網(wǎng)養(yǎng)殖進(jìn)行了管理整治，將136 km2養(yǎng)殖圍網(wǎng)全部拆除，重新建立了30 km2規(guī)范化的圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)[9]。同時，對新建立的圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)養(yǎng)殖模式進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整[7]，在低密度的圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)合理種植水生植物[9]。水生植物作為湖泊生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，具有吸收水體氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)和抑制藻類生長的作用, 可以改善湖泊水質(zhì)[10]。研究[11]發(fā)現(xiàn)，東太湖水生植物生長區(qū)中不同形態(tài)營養(yǎng)物質(zhì)含量低于無水生植物區(qū)域。漁業(yè)養(yǎng)殖區(qū)人工種植的沉水植物可作為天然水草飼料，為底棲動物、蝦、魚等提供棲息生境，進(jìn)而豐富餌料生物資源量，提高養(yǎng)殖生物產(chǎn)量及質(zhì)量[12]。除了在養(yǎng)殖區(qū)種植沉水植物外，還可以根據(jù)不同水生生物的共生原理，進(jìn)行多種水產(chǎn)品的混合養(yǎng)殖，從而達(dá)到保護(hù)養(yǎng)殖區(qū)水環(huán)境的作用[13-14]。研究[15]發(fā)現(xiàn)，混合養(yǎng)殖模式可以實現(xiàn)養(yǎng)殖區(qū)水環(huán)境的自我修復(fù)與調(diào)控及養(yǎng)殖期間用水的零排放，而且飼料利用率大幅度提高，經(jīng)濟(jì)效益顯著增加。

近年來，東太湖的圍網(wǎng)養(yǎng)殖模式進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，但對養(yǎng)殖模式優(yōu)化后圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)水質(zhì)變化的研究還較少。因此，作者于2016年不同月份對東太湖湖泊養(yǎng)殖污染控制區(qū)(蟹草養(yǎng)殖，XC)、湖泊養(yǎng)殖優(yōu)化區(qū)(混合養(yǎng)殖，HY)、生態(tài)恢復(fù)區(qū)(HF)和對照區(qū)(DZ)4個區(qū)域進(jìn)行調(diào)查研究，通過水環(huán)境指標(biāo)的測定，對比分析養(yǎng)殖區(qū)、生態(tài)恢復(fù)區(qū)和對照區(qū)的水質(zhì)情況，并通過主成分分析法進(jìn)行水質(zhì)評價，探究新型的漁業(yè)養(yǎng)殖模式對水質(zhì)的影響，從而探索合理的養(yǎng)殖模式，為湖泊污染的治理提供新思路。

1 實驗

1.1 采樣區(qū)域及采樣點

采樣區(qū)域分為湖泊養(yǎng)殖污染控制區(qū)(蟹草養(yǎng)殖區(qū)， XC)、湖泊養(yǎng)殖優(yōu)化區(qū)(混合養(yǎng)殖區(qū)，HY)、生態(tài)恢復(fù)區(qū)(HF)和對照區(qū)(DZ)。蟹草養(yǎng)殖區(qū)在養(yǎng)殖系統(tǒng)中通過人工種植沉水植物對養(yǎng)殖污染物進(jìn)行吸收轉(zhuǎn)化，從而凈化養(yǎng)殖水體，提高養(yǎng)殖生物產(chǎn)量及質(zhì)量；混合養(yǎng)殖區(qū)是利用蝦、蟹、魚、貝及水生植物的共生原理，通過合理搭配不同生物品種及數(shù)量，調(diào)整生態(tài)布局，獲得經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益的雙贏，主要是進(jìn)行河蟹、青蝦、羅氏沼蝦和鱖魚等品種的混合養(yǎng)殖；生態(tài)恢復(fù)區(qū)是針對已經(jīng)受到嚴(yán)重污染、水生植被退化的湖區(qū)，通過人工維護(hù)水環(huán)境，構(gòu)建沉水植物、浮葉植物和挺水植物等優(yōu)質(zhì)水生植被自然生長的區(qū)域；對照區(qū)是歷史上從未進(jìn)行過水產(chǎn)養(yǎng)殖的區(qū)域，距離養(yǎng)殖區(qū)(XC3、HY3、XC4、HY4)約2 km。

在東太湖4個采樣區(qū)域共設(shè)置14個采樣點，其中：蟹草養(yǎng)殖區(qū)4個采樣點(XC1、XC2、XC3、XC4)，混合養(yǎng)殖區(qū)4個采樣點(HY1、HY2、HY3、HY4)，生態(tài)恢復(fù)區(qū)3個采樣點(HF1、HF2、HF3)，對照區(qū)3個采樣點(DZ1、DZ2、DZ3)，如圖1所示。

1.2 水樣采集及指標(biāo)測定

分別于2016年1月、3月、4月、8月及11月，在14個采樣點用采水器采集水面以下0.5 m處的水樣1 000 mL，分裝于已滅菌處理的藍(lán)蓋玻璃瓶中，立即密封，避光保存于4 ℃保溫箱中，并盡快運回實驗室進(jìn)行過濾處理及指標(biāo)分析。

圖1 采樣區(qū)域及采樣點Fig.1 Sampling areas and sampling sites

1.3 水質(zhì)評價

采用主成分分析法對水質(zhì)進(jìn)行評價。主成分分析法是一種將多維因子納入同一系統(tǒng)中進(jìn)行定量化研究、理論比較完善的多元統(tǒng)計分析方法，它可以從眾多的變量中抽象出少數(shù)互不相關(guān)的綜合因子，而這少數(shù)的幾個綜合因子可對研究結(jié)論作出合理的解釋[17]。

主要步驟如下：

(1)將各水環(huán)境因子xi標(biāo)準(zhǔn)化，以消除量綱影響。

(2)在標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)矩陣的基礎(chǔ)上計算各水環(huán)境因子的相關(guān)系數(shù)矩陣。

(3)解特征方程，并將其p個特征值按大小順序排列(λ1≥λ2≥…≥λp)，選取前m個特征值對應(yīng)的單位特征向量，即可寫出主成分計算公式Fi=∑ai×xi(Fi為第i個主成分，xi為第i個水環(huán)境因子，ai為xi的評價系數(shù))。

(4)將各待評采樣點的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)分別代人各主成分的表達(dá)式中，計算采樣點的各主成分得分Fi；以方差貢獻(xiàn)率(di)為權(quán)數(shù)求和，按公式F=∑Fi×di計算綜合得分F。

1.4 數(shù)據(jù)分析

運用軟件SPSS Statistics 17.0進(jìn)行One-Way ANOVA分析和主成分分析[18]，運用軟件Sigma Plot12.5繪制柱狀圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 水環(huán)境因子的時空變化特征

東太湖4個區(qū)域的水環(huán)境因子平均值見表1。

表1 東太湖4個區(qū)域的水環(huán)境因子平均值

Tab.1 Average values of water environmental factors for four areas in East Taihu Lake

注：數(shù)據(jù)表示為均值±標(biāo)準(zhǔn)差(XC和HY，n=20；HF和DZ，n=15)；每一列數(shù)字后不同字母表示具有顯著差異(P<0.05)，下表同。

從表1可知，養(yǎng)殖區(qū)(XC和HY)與非養(yǎng)殖區(qū)(HF和DZ)的溶解氧平均濃度差異顯著，對照區(qū)的平均透明度顯著低于其它3個區(qū)域，而其它水環(huán)境因子的平均值在4個區(qū)域之間無顯著差異。

1月、3月、4月、8月及11月，東太湖4個區(qū)域的水環(huán)境因子的時空差異見圖2。

從圖2可知，隨著采樣月份的延后，東太湖4個區(qū)域的水溫先升高后降低，溶解氧濃度先降低后升高，pH值波動較小，電導(dǎo)率呈緩慢下降的趨勢；氧化還原電位在4月份為負(fù)，在其它月份均為正；對照區(qū)的透明度在8月份最高，在其它月份較低，其它3個區(qū)域的透明度從1月份至4月份隨著采樣月份的延后逐漸升高，在8月份和11月份明顯降低；養(yǎng)殖區(qū)(XC和HY)和生態(tài)恢復(fù)區(qū)的葉綠素a濃度從4月份至8月份呈顯著上升趨勢，在8月份達(dá)到峰值后下降，對照區(qū)的葉綠素a濃度整體呈緩慢上升趨勢。經(jīng)One-Way ANOVA分析比較4個區(qū)域的水環(huán)境因子的變化特征，發(fā)現(xiàn)除了8月份，對照區(qū)的透明度都低于其它3個區(qū)域；養(yǎng)殖區(qū)(XC和HY)的葉綠素a濃度在1月份和3月份顯著低于生態(tài)恢復(fù)區(qū)(P<0.05)，在4月份顯著低于生態(tài)恢復(fù)區(qū)和對照區(qū)(P<0.05)。

圖2 各月份東太湖4個區(qū)域的水環(huán)境因子的時空差異Fig.2 Spatial and temporal differences of water environmental factors for four areas in East Taihu Lake at each month

2.2 營養(yǎng)物質(zhì)濃度的時空變化特征

東太湖4個區(qū)域的營養(yǎng)物質(zhì)平均濃度見表2。

1月、3月、4月、8月及11月，東太湖4個區(qū)域的營養(yǎng)物質(zhì)濃度的時空差異見圖3。

表2 東太湖4個區(qū)域的營養(yǎng)物質(zhì)平均濃度/(mg·L-1)

Tab.2 Average concentrations of nutrients for four areas in East Taihu Lake/(mg·L-1)

圖3 各月份東太湖4個區(qū)域的營養(yǎng)物質(zhì)濃度的時空差異Fig.3 Spatial and temporal differences of nutrients concentrations for four areas in East Taihu Lake at each month

2.3 水質(zhì)評價

首先通過計算，將東太湖4個區(qū)域各月份的每個水質(zhì)指標(biāo)與均值的差值除以標(biāo)準(zhǔn)差，得到標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)(表3)，再用軟件SPSS Statistics 17.0對標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，得到各個主成分的方差貢獻(xiàn)率以及各水環(huán)境因子在各主成分下的得分情況，提取前4個主成分，即F1～F4(累積貢獻(xiàn)率為78.945%)，基本可以反映水質(zhì)狀況。前4個主成分的方差貢獻(xiàn)率見表4，各水環(huán)境因子得分系數(shù)矩陣見表5，最終評價結(jié)果見表6，其中F值越大表示水質(zhì)越差[17]。

表3 東太湖4個區(qū)域各月份的水質(zhì)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)

Tab.3 Standardization data of water quality indexes for four areas in East Taihu Lake at each month

表4 主成分的方差貢獻(xiàn)率/%

Tab.4 Variance contribution rate of principal component

主成分F1F2F3F4方差貢獻(xiàn)率di28.32024.48316.11110.031累積貢獻(xiàn)率d28.32052.80368.91478.945

表5 各水環(huán)境因子得分系數(shù)矩陣

Tab.5 Score coefficient matrix of each water environmental factor

主成分F1F2F3F4x1(DO) 0.045 -0.114 0.394 -0.148x2(pH值) -0.228 0.004 -0.131 -0.140x3(SD) -0.407 0.029 0.085 0.148x4(Chl a) -0.072 0.462 0.066 0.068x5(TN) 0.166 0.311 0.183 0.067x6(TP) -0.132 0.430 -0.006 -0.007x7(NO-3-N) 0.499 -0.219 -0.159 -0.050x8(NO-2-N) -0.013 0.012 -0.171 0.526x9(NH+4-N) -0.089 0.103 0.117 0.531x10(DOC) -0.133 0.179 0.558 0.056

表6 東太湖4個區(qū)域各月份水質(zhì)評價結(jié)果

Tab.6 Evaluation results of water quality for four areas in East Taihu Lake at each month

從表6可知，除8月份外，在其余月份對照區(qū)的月內(nèi)排名都是第1名，水質(zhì)最差，并且綜合得分與其它區(qū)域相比有明顯差距；但在8月份，生態(tài)恢復(fù)區(qū)的水質(zhì)最差，蟹草養(yǎng)殖區(qū)和混合養(yǎng)殖區(qū)次之，而對照區(qū)的水質(zhì)最好。從綜合排名看，11月份的對照區(qū)水質(zhì)最差，其次是11月份的混合養(yǎng)殖區(qū)，8月份的對照區(qū)水質(zhì)最優(yōu)。綜合來看，春季(3月份和4月份)各區(qū)域的水質(zhì)要優(yōu)于秋冬季(1月份和11月份)，而8月份的情況較為特殊。

2.4 討論

2.4.1 水環(huán)境因子的季節(jié)變化

東太湖4個區(qū)域各項水質(zhì)指標(biāo)存在一定的季節(jié)差異，在春季(3月份和4月份)，溶解氧充足，透明度較高，葉綠素a濃度也較低，水質(zhì)狀況較好，這與養(yǎng)殖區(qū)域水生植物生長良好有關(guān)[19]。在夏季(8月份)，與生態(tài)恢復(fù)區(qū)和對照區(qū)相比，養(yǎng)殖區(qū)(XC和HY)的溶解氧降低，而葉綠素a濃度較高。這與太湖2016年夏季洪水[20-22]和藍(lán)藻爆發(fā)有關(guān)。2016年7～8月份太湖流域降雨較多，導(dǎo)致太湖水位升高，底層水體缺氧，氮磷大量釋放，促進(jìn)了藍(lán)藻爆發(fā)，水體透明度大大降低，引發(fā)養(yǎng)殖區(qū)和生態(tài)恢復(fù)區(qū)大量水生植物和養(yǎng)殖生物死亡，進(jìn)一步導(dǎo)致養(yǎng)殖區(qū)水質(zhì)下降[20-22]。在秋季(11月份)，對照區(qū)的透明度低于養(yǎng)殖區(qū)(XC和HY)和生態(tài)恢復(fù)區(qū)，同時其它3個區(qū)域葉綠素a濃度都降低，并且養(yǎng)殖區(qū)(XC和HY)的溶解氧濃度增加。這是因為秋季養(yǎng)殖區(qū)水生植物雖已開始衰敗，但由于定期打撈[7]和河蟹牧食，養(yǎng)殖區(qū)(XC和HY)和生態(tài)恢復(fù)區(qū)的水質(zhì)情況仍要優(yōu)于對照區(qū)。在冬季(1月份)，4個區(qū)域的溶解氧濃度都較高，葉綠素a濃度較低，對照區(qū)的透明度較低。對照區(qū)臨近太湖主湖區(qū)，強(qiáng)烈的風(fēng)浪擾動導(dǎo)致對照區(qū)的透明度下降，且該區(qū)水生植物群落多樣性和生物量低于養(yǎng)殖區(qū)(XC和HY)，造成營養(yǎng)物質(zhì)分解或消耗較為緩慢，因此對水質(zhì)有一定影響[23-24]。

夏季是藻類生長旺季，適宜的生長條件和充足的營養(yǎng)物質(zhì)容易導(dǎo)致藻類的爆發(fā)[25-26]，因此葉綠素a濃度在夏季容易達(dá)到高峰期(圖2g)，進(jìn)而使得湖水透明度降低(圖2f)。而溶解氧濃度會因為植物的光合作用以及水生生物的呼吸作用呈現(xiàn)一定的季節(jié)和日變化規(guī)律[27]。有研究表明，冬季溶解氧濃度最高，而秋季和夏季較低[27]，本研究的溶解氧變化趨勢與之相同。

2.4.2 營養(yǎng)物質(zhì)濃度的季節(jié)變化

2.4.3 水質(zhì)分析

主成分分析法得到的水質(zhì)評價結(jié)果顯示，在1月份、3月份、4月份及11月份，養(yǎng)殖區(qū)(XC和HY)和生態(tài)恢復(fù)區(qū)的水質(zhì)均要優(yōu)于對照區(qū)，這主要是因為，養(yǎng)殖區(qū)(XC和HY)和生態(tài)恢復(fù)區(qū)具有更完整的生態(tài)格局。在春、夏季節(jié)，水生植物處在生長旺期，由于它們對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和降解，減輕了水體污染負(fù)荷；在秋、冬季節(jié)，水生植物衰敗死亡，但定期的水面清理工作避免了水生植物尸體腐爛耗氧從而惡化水體環(huán)境。但是在8月份，養(yǎng)殖區(qū)(XC和HY)和生態(tài)恢復(fù)區(qū)的水質(zhì)要劣于對照區(qū)，這主要是由于，8月份太湖發(fā)生了特大洪水[20]，連續(xù)的降雨對于本研究有較大的影響，因此8月份的數(shù)據(jù)相對于其它月份來講并不具有代表性?？傮w上，養(yǎng)殖區(qū)(XC和HY)和生態(tài)恢復(fù)區(qū)的水質(zhì)優(yōu)于對照區(qū)，因此優(yōu)化的養(yǎng)殖系統(tǒng)并沒有惡化養(yǎng)殖水體的水質(zhì)。

3 結(jié)論

比較分析了東太湖養(yǎng)殖污染控制區(qū)(蟹草養(yǎng)殖區(qū)，XC)、湖泊養(yǎng)殖優(yōu)化區(qū)(混合養(yǎng)殖區(qū)，HY)、生態(tài)恢復(fù)區(qū)(HF)和對照區(qū)(DZ)的水環(huán)境因子和營養(yǎng)物質(zhì)濃度，并利用主成分分析法對4個區(qū)域的水質(zhì)進(jìn)行了評價。結(jié)果表明，溶解氧(DO)、電導(dǎo)率(Cond)、氧化還原電位(ORP)、透明度(SD)以及葉綠素a(Chl a)均隨著水溫的變化而呈現(xiàn)不同的變化，但是pH值隨水溫的變化幅度較小；養(yǎng)殖區(qū)(XC和HY)和生態(tài)恢復(fù)區(qū)的氮磷營養(yǎng)物質(zhì)濃度均低于對照區(qū)，水質(zhì)較好；水生植物生長良好是養(yǎng)殖區(qū)(XC和HY)和生態(tài)恢復(fù)區(qū)水質(zhì)狀況優(yōu)于對照區(qū)的原因?？傮w來說，優(yōu)化的養(yǎng)殖系統(tǒng)(蟹草養(yǎng)殖和混合養(yǎng)殖)對水體的污染低于傳統(tǒng)漁業(yè)養(yǎng)殖，沒有惡化養(yǎng)殖水體的水質(zhì)。