太湖藍(lán)藻水華暴發(fā)的氮磷控制閾值分析*

曹 晶，田澤斌，儲(chǔ)昭升，牛 遠(yuǎn)，鄭丙輝

(1:中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院湖泊水污染治理與生態(tài)修復(fù)技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100012)(2:清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100084)

氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽被認(rèn)為是影響藍(lán)藻水華暴發(fā)的關(guān)鍵影響因素[1-4]，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽與藍(lán)藻水華相關(guān)性的研究也較多.大量研究[5-7]表明，藻類在一定營(yíng)養(yǎng)鹽濃度下的生長(zhǎng)特征可用“S”型的Logistic函數(shù)進(jìn)行描述，藻類生長(zhǎng)與營(yíng)養(yǎng)鹽濃度存在藻類幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度變化的下限閾值和藻類生長(zhǎng)不受氮磷濃度增加影響的上限閾值.當(dāng)營(yíng)養(yǎng)鹽濃度超過(guò)下限閾值時(shí)，藻類生長(zhǎng)呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)；隨著氮磷濃度的消耗，當(dāng)藻類種群數(shù)量達(dá)到半飽和狀態(tài)(K/2)時(shí)，藻類的增長(zhǎng)速率最大，之后藻類增長(zhǎng)速率下降；當(dāng)藻類種群數(shù)量達(dá)到環(huán)境條件允許的最大值(K)時(shí)，藻類停止生長(zhǎng)，增長(zhǎng)率為零，即達(dá)到藻類生長(zhǎng)的穩(wěn)定期；此時(shí)藻量最大值對(duì)應(yīng)的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度即為藻類生長(zhǎng)不受氮磷濃度增加影響的上限閾值.當(dāng)營(yíng)養(yǎng)鹽濃度達(dá)到上限閾值時(shí)，藻類生長(zhǎng)不受氮磷濃度增加的影響或影響程度較小.

針對(duì)藍(lán)藻水華暴發(fā)的氮磷閾值，Gibson等[8]指出湖泊和水庫(kù)中總氮(TN)、總磷(TP)濃度分別超過(guò)0.15和0.01 mg/L即有可能發(fā)生藍(lán)藻水華，此閾值為藍(lán)藻生長(zhǎng)的下限閾值.針對(duì)藍(lán)藻水華發(fā)生的氮磷上限閾值，也開(kāi)展過(guò)不少研究.吳雅麗等[9]基于實(shí)驗(yàn)室原位培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)對(duì)太湖春季藻類生長(zhǎng)的磷閾值研究得出，藻類生長(zhǎng)的無(wú)機(jī)磷閾值為0.02 mg/L，相當(dāng)于TP閾值為0.059 mg/L.Xu等[10]基于實(shí)驗(yàn)室原位培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)對(duì)太湖夏季藍(lán)藻水華暴發(fā)期間氮磷閾值研究得出，TN濃度超過(guò)1.5～2.0 mg/L、TP濃度超過(guò)0.15～0.20 mg/L時(shí)，藻類生長(zhǎng)不受營(yíng)養(yǎng)鹽限制.Xu等[11]基于原位微生物營(yíng)養(yǎng)稀釋生物測(cè)定法和中試營(yíng)養(yǎng)添加實(shí)驗(yàn)研究指出，控制太湖葉綠素a(Chl.a)濃度在16 μg/L以下，需要控制TN在1.3 mg/L以下、TP在0.08 mg/L以下.Xu等[12]以太湖梅梁灣為例，通過(guò)野外監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)研究指出TN=1.0 mg/L和TP=0.08 mg/L可作為控制有害藻華發(fā)生頻率和強(qiáng)度的閾值.OECD通過(guò)詢問(wèn)專家意見(jiàn)得出富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的Chl.a濃度為14 μg/L，相對(duì)應(yīng)的TN和TP閾值分別為1.9和0.084 mg/L[13].

近幾十年來(lái)，我國(guó)不同營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的大型重點(diǎn)湖泊如太湖、巢湖、滇池等的藍(lán)藻水華頻發(fā)[14-17]，而這些湖泊的TN、TP濃度均處于較高水平，有些湖泊已經(jīng)超過(guò)文獻(xiàn)給出的藍(lán)藻水華暴發(fā)的氮磷影響閾值，其中太湖近十年來(lái)(2007-2020年)的年均TN和TP濃度分別在1.26～2.43和0.060～0.103 mg/L之間波動(dòng).對(duì)于不同富營(yíng)養(yǎng)化程度的湖泊或同一湖泊的不同富營(yíng)養(yǎng)化階段來(lái)說(shuō)，TN、TP濃度與藍(lán)藻水華暴發(fā)的響應(yīng)關(guān)系由于受環(huán)境因素的影響而存在較大差別[1,4,18-19].就太湖而言，由于太湖目前屬于水生植物快速退化的草-藻型生態(tài)系統(tǒng)[20-21]，污染物集中輸入、風(fēng)速風(fēng)向和風(fēng)浪擾動(dòng)等導(dǎo)致水體氮磷濃度快速波動(dòng)變化，致使太湖藍(lán)藻水華與氮磷間的響應(yīng)關(guān)系有所不同，進(jìn)而導(dǎo)致藍(lán)藻水華暴發(fā)的氮磷閾值至今難以確定.而現(xiàn)有研究成果雖然對(duì)湖泊藍(lán)藻水華暴發(fā)的氮磷閾值有所研究，但多集中在實(shí)驗(yàn)室研究階段或經(jīng)驗(yàn)值的判斷，雖然也有基于野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的研究，但也限制于某一特定區(qū)域，而基于野外長(zhǎng)序列實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)并且覆蓋整個(gè)湖泊的氮磷閾值研究則是空白.

鄭丙輝等[22]指出，在制定水體營(yíng)養(yǎng)物及其響應(yīng)指標(biāo)基準(zhǔn)時(shí)，若收集和采集到生態(tài)區(qū)域中幾乎所有水體的水質(zhì)數(shù)據(jù)或同一水體多點(diǎn)位長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，可采用頻率分布法.頻率分布法分析的數(shù)據(jù)無(wú)需服從正態(tài)分布，能夠直觀反映數(shù)據(jù)分布的總體趨勢(shì)，因此本研究參考制定營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)的頻率分布法，利用太湖野外監(jiān)測(cè)的長(zhǎng)序列歷史水質(zhì)數(shù)據(jù)，確定太湖藍(lán)藻水華暴發(fā)的TP和TN濃度控制閾值.目前對(duì)水華暴發(fā)時(shí)水體中Chl.a濃度尚未有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，Oliver等[23]將美國(guó)飲用水中Chl.a濃度高于10 μg/L定義為水華；孔繁翔等[24]指出水華形成時(shí)水體中Chl.a濃度一般在10 μg/L以上；中國(guó)科學(xué)院太湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)研究站(TLLER)秦伯強(qiáng)團(tuán)隊(duì)將Chl.a濃度超過(guò)20 μg/L定義為太湖藍(lán)藻水華發(fā)生[25]；Xu等[11]也指出Chl.a濃度超過(guò)20 μg/L是藍(lán)藻水華發(fā)生期間常見(jiàn)的現(xiàn)象.由于太湖水體中藻類生長(zhǎng)的磷限制一直存在，因此修正的卡森指數(shù)法(TSIM)適用于太湖富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)，TSIM對(duì)水質(zhì)參數(shù)Chl.a進(jìn)行了分級(jí)，其中富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)50～100對(duì)應(yīng)的Chl.a濃度范圍為10～1000 μg/L.綜合上述爭(zhēng)議，本研究以修正的卡森指數(shù)法[26]對(duì)應(yīng)的富營(yíng)養(yǎng)化Chl.a分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)TP和TN濃度特征值分布，確定太湖藍(lán)藻水華暴發(fā)的TP和TN濃度控制閾值，該閾值將會(huì)為太湖藍(lán)藻水華防治和水環(huán)境管理提供數(shù)據(jù)支撐及依據(jù).

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域及點(diǎn)位

太湖(30°56′～31°34′N, 119°54′～120°36′E)位于長(zhǎng)江中下游地區(qū)、中國(guó)江蘇省南部，是中國(guó)第三大淡水湖，水面面積2338 km2[27]，水力停留時(shí)間約為284 d[10].水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位為19個(gè)湖體監(jiān)測(cè)國(guó)控點(diǎn)位S1～S19(圖1)，監(jiān)測(cè)時(shí)段為2007-2018年，監(jiān)測(cè)頻次為每月1次，分析指標(biāo)包括葉綠素a濃度(Chl.a, μg/L)、總氮濃度(TN, mg/L)和總磷濃度(TP, mg/L).

圖1 研究區(qū)域及點(diǎn)位設(shè)置

1.2 水質(zhì)分析方法

水質(zhì)數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站每月1次的常規(guī)水質(zhì)人工采樣監(jiān)測(cè)結(jié)果.依據(jù)《地表水和污水監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 91-2002)中的采樣方法將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，分析Chl.a、TN和TP濃度.2017年之前的Chl.a濃度測(cè)定采用國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法編委會(huì)的丙酮萃取法[28]，2017年后的Chl.a采用環(huán)境保護(hù)部的“水質(zhì) 葉綠素a的測(cè)定 分光光度法”[29]進(jìn)行分析；TN濃度采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法(GB 11894-1989)測(cè)定，TP濃度采用鉬酸銨分光光度法(GB 11893-1989)測(cè)定.太湖出入湖水量及TP、TN入湖負(fù)荷數(shù)據(jù)來(lái)自2007-2018年《太湖健康狀況報(bào)告》.

1.3 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)

參考修正的卡森指數(shù)法確定不同營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的Chl.a分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)頻率分布法確定各營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的TN和TP濃度特征值分布.數(shù)據(jù)整理和繪圖使用Microsoft Excel和Origin 2021進(jìn)行；等值線圖的繪制采用Surfer 12.0進(jìn)行，將輸入的XYZ數(shù)據(jù)文件進(jìn)行網(wǎng)格化，再利用邊界對(duì)湖泊范圍進(jìn)行白化，最后利用克里金插值法繪制空間分布等值線圖；數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析使用IBM SPSS Statistics 19.0 軟件包進(jìn)行.

由于目前對(duì)湖泊藍(lán)藻水華暴發(fā)時(shí)對(duì)應(yīng)的Chl.a濃度尚未有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，因此結(jié)合太湖現(xiàn)有研究[11,25]，以輕富營(yíng)養(yǎng)化Chl.a分級(jí)(10, 26]表征太湖藍(lán)藻水華暴發(fā)，分析該分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)下的TP和TN濃度控制閾值.在對(duì)各組數(shù)據(jù)進(jìn)行頻率統(tǒng)計(jì)分析時(shí)，參考鄭丙輝等[30]對(duì)湖泊營(yíng)養(yǎng)鹽控制標(biāo)準(zhǔn)的制訂方法，分別統(tǒng)計(jì)計(jì)算3個(gè)頻率取值，分別為25%分位(下1/4百分點(diǎn))、50%分位(1/2百分點(diǎn))、75%分位(上1/4百分點(diǎn)).由于4-10月是藍(lán)藻水華高發(fā)期，理論上Chl.a與TP、TN間的相關(guān)關(guān)系應(yīng)更加顯著，因此TP、TN控制閾值的確定應(yīng)結(jié)合水華高發(fā)期的結(jié)果.

2 結(jié)果

2.1 總磷、總氮和葉綠素a的時(shí)空分布

2007-2015年，太湖TP及Chl.a濃度呈下降趨勢(shì)，但自2016年起出現(xiàn)反彈(圖2a, c).2007-2015年TP年均值從0.10 mg/L下降至0.060 mg/L，2016年回升至0.067 mg/L，2018年達(dá)到0.087 mg/L.2007-2018年Chl.a年均值在11.6～42.3 μg/L之間變化，從2007年的42.3 μg/L下降至2016年的11.6 μg/L，但2017年和2018年分別上升至17.3和21.0 μg/L.2007-2018年太湖TN濃度呈持續(xù)下降趨勢(shì)(P<0.01)，年均值從2007年的2.77 mg/L下降到2018年的1.42 mg/L(圖2b).近十年內(nèi)TP、TN及Chl.a濃度年均值波動(dòng)分別在0.05 mg/L、1.5 mg/L和20 μg/L范圍內(nèi)，年內(nèi)月最大值偏離年均值較大，說(shuō)明太湖水體TP、TN及Chl.a濃度在時(shí)間分布上存在很大差異.

圖2 2007-2018年太湖TP(a)、TN(b)及Chl.a(c)月均值及年均值變化

為保證時(shí)間和空間分布的連續(xù)性和代表性，選取19個(gè)國(guó)控點(diǎn)位時(shí)間和空間均有覆蓋的2011-2018年數(shù)據(jù)，以TP、TN和Chl.a濃度的多年均值繪制空間分布等值線圖，結(jié)果發(fā)現(xiàn)西北湖區(qū)TP、TN和Chl.a濃度明顯較高(圖3).全湖各點(diǎn)位TP濃度在0.04～0.15 mg/L之間波動(dòng)，其中以西北湖區(qū)的竺山湖心、大浦口及椒山水域最高，多年均值分別為0.15、0.12 和0.09 mg/L.全湖各點(diǎn)位TN濃度在1.0～4.3 mg/L之間波動(dòng)，其中以西北湖區(qū)的竺山湖心、大浦口、椒山及拖山水域最高，多年均值分別為4.3、2.9、2.6和2.1 mg/L.全湖各點(diǎn)位Chl.a濃度在8.5～30.7 μg/L之間波動(dòng)，其中以西北湖區(qū)的大浦口、竺山湖心、椒山及拖山水域Chl.a濃度最高，多年均值分別為30.7、29.7、28.9和28.1 μg/L.

圖3 2011-2018年太湖TP(a)、TN(b)及Chl.a(c)多年均值等值線圖

2.2 總磷、總氮和葉綠素a濃度的相關(guān)性分析

將太湖19個(gè)點(diǎn)位2011-2018年Chl.a、TP和TN的國(guó)控監(jiān)測(cè)斷面月數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，分別計(jì)算各點(diǎn)位全年均值及水華高發(fā)期(4-10月)均值.從各點(diǎn)位全年均值來(lái)看，TP與Chl.a以及TN與Chl.a之間均呈顯著正相關(guān)(r=0.423,P<0.01；r=0.336,P<0.01)(圖4a, b).從水華高發(fā)期均值來(lái)看，TP與Chl.a之間以及TN與Chl.a之間也呈顯著正相關(guān)(r=0.441,P<0.01；r=0.236,P<0.01)(圖4 c, d).綜合太湖氮磷及葉綠素a的時(shí)空分布特征，太湖氮磷濃度分布決定藍(lán)藻水華空間格局，盡管藻類生長(zhǎng)過(guò)程對(duì)氮磷響應(yīng)過(guò)程十分復(fù)雜，但總體上太湖氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的空間分布決定著太湖藍(lán)藻水華的空間分布和強(qiáng)度.

圖4 各點(diǎn)位TP、TN全年均值與Chl.a濃度的相關(guān)性(a, b)以及水華高發(fā)期TP、TN與Chl.a濃度的相關(guān)性(c, d)

2.3 總磷、總氮控制閾值確定

2.3.1 數(shù)據(jù)分布檢驗(yàn) 對(duì)2011-2018年太湖19個(gè)國(guó)控點(diǎn)位的Chl.a、TP和TN全年均值及水華高發(fā)期均值進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，若不符合正態(tài)分布，則將數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換為ln(Chl.a)、ln(TP)和ln(TN)后再進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn).經(jīng)檢驗(yàn)，各組數(shù)據(jù)的偏度均較大，介于-0.244～1.572之間，因此各組數(shù)據(jù)屬于偏態(tài)分布而非正態(tài)分布.由于樣本數(shù)量較少，介于3～2000之間，因此選擇Shapiro-Wilk(S-W)檢驗(yàn)方法[31]對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果也顯示P值均小于顯著度水平0.05，因此拒絕零假設(shè)，各組數(shù)據(jù)不服從正態(tài)分布(表1).因此采用鄭丙輝等[28]湖泊營(yíng)養(yǎng)鹽控制標(biāo)準(zhǔn)制訂方法中的頻率分布法確定太湖藍(lán)藻水華暴發(fā)的TP和TN控制閾值.

表1 TP、TN及Chl.a數(shù)據(jù)的正態(tài)分布檢驗(yàn)結(jié)果

2.3.2 頻率分布法確定閾值 基于修正的卡森指數(shù)法確定的Chl.a分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，參考湖泊營(yíng)養(yǎng)鹽控制標(biāo)準(zhǔn)制訂方法的頻率分布法[30]，分別統(tǒng)計(jì)各點(diǎn)位Chl.a全年均值和水華高發(fā)期(4-10月)均值各富營(yíng)養(yǎng)化分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的各百分位TP和TN濃度特征值(表2～3).由表可知，隨著富營(yíng)養(yǎng)化程度的加劇，Chl.a濃度隨著TP和TN濃度的增加呈增長(zhǎng)趨勢(shì)；從25%分位至75%分位，TP和TN全年均值及水華高發(fā)期均值均呈顯著增加趨勢(shì)，表明在同一富營(yíng)養(yǎng)化水平或Chl.a濃度范圍內(nèi)，存在不同污染程度的水域.

表2 太湖各富營(yíng)養(yǎng)等級(jí)下的TP、TN年均濃度統(tǒng)計(jì)特征值——全年均值

鄭丙輝等[30]指出，25%分位值反映了同級(jí)營(yíng)養(yǎng)水平下水質(zhì)較好的狀態(tài)，50%分位值反映了同級(jí)營(yíng)養(yǎng)水平下水質(zhì)的平均水平，75%分位值反映了同級(jí)營(yíng)養(yǎng)水平下水質(zhì)相對(duì)較差的狀況，根據(jù)反退化政策，建議除貧營(yíng)養(yǎng)水平外，其余均采用50%分位值，因此使用50%分位值作為太湖藍(lán)藻水華相應(yīng)富營(yíng)養(yǎng)化Chl.a分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)下的控制閾值.若以輕富營(yíng)養(yǎng)化等級(jí)下的Chl.a濃度(10, 26]為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，從全年均值看，TP和TN濃度的50%分位值分別為0.06和1.72 mg/L(表2，圖5a, c)；從水華高發(fā)期均值看，TP和TN濃度的50%分位值分別為0.05和1.71 mg/L(表3，圖5b, d).

表3 太湖各富營(yíng)養(yǎng)等級(jí)下的TP、TN統(tǒng)計(jì)特征值——水華高發(fā)期均值

圖5 太湖全湖區(qū)輕富營(yíng)養(yǎng)等級(jí)下TP、TN濃度全年均值及高發(fā)期均值頻率分布(a, c: 2011-2018年全年均值，b, d: 2011-2018年高發(fā)期均值)

以TP 0.01 mg/L、TN 0.1 mg/L為梯度，分別統(tǒng)計(jì)超過(guò)不同濃度TP和TN時(shí)，Chl.a濃度高于10 μg/L的點(diǎn)位出現(xiàn)比例(圖6).從全年均值看，當(dāng)TP濃度高于0.06 mg/L、TN濃度高于1.72 mg/L時(shí)，Chl.a高于10 μg/L點(diǎn)位出現(xiàn)比例分別在65%以上和92%以上(圖6a)；從水華高發(fā)期均值看，當(dāng)TP濃度高于0.05 mg/L、TN濃度高于1.71 mg/L時(shí)，Chl.a濃度高于10 μg/L的點(diǎn)位出現(xiàn)比例都在85%以上(圖6a,b).并且不論從全年均值還是高發(fā)期均值看，50%分位值對(duì)應(yīng)的頻率均接近擬合曲線最高點(diǎn)，表明50%分位值確定的TP和TN閾值對(duì)應(yīng)的水華出現(xiàn)頻率最大，最能反映水華發(fā)生狀況.綜上，以輕富營(yíng)養(yǎng)化等級(jí)下的Chl.a濃度(10, 26]為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，太湖藍(lán)藻水華暴發(fā)的TP和TN控制閾值分別為0.05～0.06和1.71～1.72 mg/L.

圖6 太湖TP(a)、TN(b)與Chl.a濃度>10 μg/L點(diǎn)位出現(xiàn)比例之間的擬合關(guān)系

2.3.3 氮磷閾值的空間驗(yàn)證 太湖目前處于典型的草-藻共存型生態(tài)系統(tǒng)，存在典型的西北藻型湖區(qū)和東南沿岸草型湖區(qū)[25,32]，利用本研究中確定太湖藍(lán)藻水華暴發(fā)氮磷閾值的頻率分布法對(duì)太湖藻型區(qū)(S18、S19)和草型區(qū)(S1、S4)進(jìn)行驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，在輕富營(yíng)養(yǎng)化葉綠素a分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)下，藻型區(qū)50%分位對(duì)應(yīng)的年均TP、TN濃度分別為0.09～0.10和2.82～2.39 mg/L(圖7a, b)，遠(yuǎn)高于全湖區(qū)TP、TN控制閾值0.05～0.06和1.71～1.72 mg/L，該結(jié)果表明太湖北部藻型區(qū)的氮磷濃度高位水平為藍(lán)藻水華的發(fā)生提供了充足的營(yíng)養(yǎng)鹽條件，再加上春夏季水溫高、光照強(qiáng)，藻型區(qū)水華暴發(fā)難以避免.然而，藻型區(qū)水華高發(fā)期50%分位對(duì)應(yīng)的TP、TN濃度與TP、TN濃度全年均值相差不大，說(shuō)明在高氮磷背景下，即便在藍(lán)藻水華發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)低的季節(jié)，水華發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)仍然較大.草型區(qū)50%分位對(duì)應(yīng)的全年年均TP、TN濃度分別為0.04和1.28 mg/L、水華高發(fā)期平均TP、TN濃度分別為0.04和1.45 mg/L(圖7 c, d)，低于全湖區(qū)全年年均TP、TN控制閾值以及水華高發(fā)期平均TP、TN濃度控制閾值，表明相對(duì)于太湖藻型區(qū)，草型區(qū)氮磷背景較低，藍(lán)藻水華發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)也較低，這可能與草型區(qū)較高的抵抗外部營(yíng)養(yǎng)鹽脅迫的反彈能力有關(guān).

圖7 太湖藻型區(qū)(a, b)及草型區(qū)(c, d)輕度富營(yíng)養(yǎng)等級(jí)下TP、TN濃度頻率分布

3 討論

3.1 氮磷閾值的不確定性

太湖處于長(zhǎng)江下游泛濫平原區(qū)，具有較高的營(yíng)養(yǎng)鹽滯留率，湖泊發(fā)展歷史時(shí)期即已具有較高的營(yíng)養(yǎng)背景，很容易發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化[33-34]，一旦水體TP和TN濃度達(dá)到水華暴發(fā)的閾值，水華發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)極高.湖泊草型生態(tài)系統(tǒng)具有較高的抵抗外部脅迫的反彈能力，然而過(guò)去百年以來(lái)長(zhǎng)江中下游地區(qū)草型湖泊生態(tài)系統(tǒng)功能持續(xù)損失，高氮磷條件下草型湖泊向藻型湖泊的演替隨之而來(lái)[34-35].Chl.a作為一種常用的藻類生物量表征指標(biāo)，已被作為一種鑒定水體富營(yíng)養(yǎng)化及水華發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的重要參考[12].由于目前對(duì)水華暴發(fā)時(shí)水體中Chl.a濃度尚未有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，因此在前人研究結(jié)果10～20 μg/L[11,13]基礎(chǔ)上，以修正的卡森指數(shù)法確定的輕富營(yíng)養(yǎng)化等級(jí)對(duì)應(yīng)的Chl.a濃度范圍(10, 26]作為表征水華暴發(fā)的條件，確定了TP和TN濃度控制閾值分別為0.05～0.06和1.71～1.72 mg/L.

太湖位于中東部平原湖區(qū)，地勢(shì)低平，營(yíng)養(yǎng)鹽本底值高，隨著湖泊流域人類活動(dòng)強(qiáng)度的增大，入湖污染負(fù)荷不斷升高，水體氮磷濃度不斷增加[36-37]，藍(lán)藻水華不斷加劇，2007年暴發(fā)了嚴(yán)重的藍(lán)藻水華事件，造成無(wú)錫市生活用水和飲用水嚴(yán)重短缺[38].2007年后，中共中央及地方政府采取一系列措施減少外源污染物的輸入，2007年以來(lái)太湖水體TP和TN濃度顯著下降，但藍(lán)藻水華發(fā)生態(tài)勢(shì)依然嚴(yán)峻，文獻(xiàn)表明這一現(xiàn)象可以用氮磷濃度與浮游植物生長(zhǎng)間的響應(yīng)關(guān)系減弱進(jìn)行解釋[12].Xu等[12]以太湖典型的藻型區(qū)梅梁灣為例進(jìn)行研究指出，2007年之前TP、TN與Chl.a呈顯著正相關(guān)，但2007-2012年TN與Chl.a間無(wú)明顯相關(guān)性.而本研究中使用2011-2018年全湖19個(gè)點(diǎn)位的全年均值及高發(fā)期均值分析得出，太湖TP、TN與Chl.a仍呈顯著性正相關(guān)，這說(shuō)明，TP、TN與Chl.a之間的響應(yīng)關(guān)系存在明顯的空間差異，藻型區(qū)和草型區(qū)可能會(huì)存在不同的響應(yīng)關(guān)系.但由圖6可知，Chl.a>10 μg/L點(diǎn)位出現(xiàn)比例最大時(shí)會(huì)對(duì)應(yīng)最適的氮磷濃度范圍，當(dāng)超過(guò)該范圍時(shí)，Chl.a>10 μg/L點(diǎn)位出現(xiàn)比例將有所減弱，該范圍與頻率分布法50%分位確定的閾值保持一致(圖5).因此，藻類對(duì)TP和TN的利用存在上限閾值，當(dāng)超過(guò)該閾值時(shí)，藻類生長(zhǎng)不再隨著TP、TN濃度升高而發(fā)生較大的變化.Chl.a與TP、TN響應(yīng)關(guān)系的減弱實(shí)際上就是因?yàn)榈诐舛雀哂陂撝?，能充分滿足水華藍(lán)藻生長(zhǎng)，對(duì)水華限制作用減弱，這一現(xiàn)象尤其在TN與Chl.a的響應(yīng)關(guān)系上最為突出.由圖4可知，每0.01 mg TP能產(chǎn)生約1.02 μg Chl.a，每0.1 mg TN能產(chǎn)生約0.4 μg Chl.a，表明TP每增加0.01 mg對(duì)Chl.a的貢獻(xiàn)量大于TN每增加0.1 mg對(duì)Chl.a的貢獻(xiàn)量，說(shuō)明TP對(duì)藻類生長(zhǎng)的限制作用更加明顯，也進(jìn)一步解釋了近些年TN與Chl.a響應(yīng)關(guān)系明顯減弱的現(xiàn)象.

本研究確定的TP和TN閾值與先前研究結(jié)果存在一定差別，吳雅麗等[9]和Xu等[10]分別得到太湖春季藻類生長(zhǎng)的TP閾值為0.059 mg/L，夏季藻類生長(zhǎng)的TN閾值為1.5～2.0 mg/L、TP閾值為0.15～0.20 mg/L，但都是基于實(shí)驗(yàn)室研究的結(jié)果；近幾年Xu等[11-12]進(jìn)一步通過(guò)中試和野外實(shí)測(cè)分析方法研究了控制太湖有害藻華所需的臨界營(yíng)養(yǎng)閾值，其中夏季TP、TN控制閾值分別為0.08和1.3 mg/L，藻型區(qū)TP、TN控制閾值分別0.08和1.0 mg/L.而本研究中，以(10,26]作為水華發(fā)生的Chl.a基準(zhǔn)條件，確定TP和TN閾值分別為0.05～0.06和1.71～1.72 mg/L，藻型區(qū)TP和TN控制閾值分別為0.09～0.10和2.82～2.39 mg/L.由于本研究采用長(zhǎng)序列實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)全湖進(jìn)行了分析，不同于前人的實(shí)驗(yàn)室理論研究及野外特定區(qū)域的研究，研究結(jié)果代表對(duì)太湖整體的判斷，加上選取的數(shù)據(jù)時(shí)段也不盡相同，使得分析結(jié)果與前人研究存在較大差別.Xu等[12]的研究雖然針對(duì)藻型區(qū)梅梁灣進(jìn)行了分析，但確定的閾值僅適用于2012年之前的水華控制，對(duì)于2012年后水華控制則缺乏代表性.

另外藍(lán)藻水華的形成不僅與氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽濃度直接相關(guān)，溫度、風(fēng)速風(fēng)向、水動(dòng)力等很多其他影響因素也會(huì)通過(guò)影響藍(lán)藻對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的利用率進(jìn)而影響水華的形成[1,4,18-19].溫度(水溫和氣溫)是影響藍(lán)藻生長(zhǎng)的重要條件[39-42].營(yíng)養(yǎng)鹽和溫度對(duì)于藍(lán)藻生長(zhǎng)是一個(gè)雙驅(qū)動(dòng)過(guò)程，在營(yíng)養(yǎng)水平相似年份，藍(lán)藻對(duì)溫度、特別是前一年冬季氣溫和水溫很敏感，暖冬易導(dǎo)致第二年藍(lán)藻水華的大規(guī)模暴發(fā)[43]；而在氣溫或水溫相似條件下，營(yíng)養(yǎng)鹽高的年份則會(huì)造成藍(lán)藻水華暴發(fā)規(guī)模增大、持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng)[44].因此，溫度有助于藍(lán)藻對(duì)氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的提前利用，進(jìn)而影響葉綠素a與氮磷濃度的季節(jié)性響應(yīng)關(guān)系.風(fēng)速風(fēng)向影響藍(lán)藻水華的表面聚集和分散[45-46].水柱中營(yíng)養(yǎng)鹽充足，將促使水柱中藍(lán)藻生物量迅速增多，此時(shí)若風(fēng)速降低到接近靜水狀態(tài)時(shí)，水體受到擾動(dòng)小，水柱中的藍(lán)藻易憑借浮力調(diào)節(jié)機(jī)制上浮并聚集到水體表面且向下風(fēng)向漂移堆積形成水華[47]；當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，又會(huì)通過(guò)影響營(yíng)養(yǎng)鹽的時(shí)空?qǐng)龇植加绊懰{(lán)藻對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的吸收利用.因此，風(fēng)速風(fēng)向?qū)?huì)影響葉綠素a與氮磷濃度的垂向及空間響應(yīng).

降水會(huì)造成污染負(fù)荷的集中輸入，為藍(lán)藻水華形成提供有利條件[48-49]，降水會(huì)影響藍(lán)藻對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的利用率[50]，從而導(dǎo)致單位氮磷濃度下的葉綠素a產(chǎn)量有所不同，進(jìn)而影響葉綠素a與氮磷的對(duì)應(yīng)關(guān)系.水文水動(dòng)力條件如換水周期的變化將導(dǎo)致整個(gè)湖泊內(nèi)污染物的累積量及空間格局發(fā)生變化[51]，進(jìn)而影響藍(lán)藻生長(zhǎng)及水華暴發(fā)的營(yíng)養(yǎng)鹽供給.此外，營(yíng)養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)、光照、水量、藻類生理生態(tài)特征等其他因素也會(huì)影響藍(lán)藻對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的利用進(jìn)而影響藍(lán)藻水華的形成[52-55].此外，受限于《地表水和污水監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 91-2002)中規(guī)定的采樣方法，對(duì)于太湖這種水深小于5 m的淺水湖泊，Chl.a及TP和TN濃度均采集于表層0.5 m，對(duì)于水柱中的藍(lán)藻量及其與氮磷濃度的垂向響應(yīng)關(guān)系不能準(zhǔn)確進(jìn)行分析；然而太湖藍(lán)藻水華以微囊藻為優(yōu)勢(shì)種，微囊藻在水中的分布呈現(xiàn)明顯的分層特征，表層顯著高于下層，尤其在藍(lán)藻水華暴發(fā)時(shí)尤為顯著，因此，分析表層0.5 m以上水層中的Chl.a及TP、TN濃度的響應(yīng)關(guān)系具有一定的代表性.

綜上分析，太湖藍(lán)藻水華暴發(fā)的TP和TN濃度控制閾值在受多種因素的影響下存在一定統(tǒng)計(jì)學(xué)范圍內(nèi)的不確定性，而氣溫、水文氣象等因子又是以年為周期的隨機(jī)變化，因此本研究中太湖藍(lán)藻水華控制的營(yíng)養(yǎng)鹽閾值也只是統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的一個(gè)范圍值，但對(duì)于預(yù)防和治理太湖藍(lán)藻水華及富營(yíng)養(yǎng)化具有一定的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義，能為藍(lán)藻水華控制和管理過(guò)程中氮磷的協(xié)調(diào)控制提供依據(jù).

3.2 氮磷閾值的適用性及水華治理重點(diǎn)區(qū)域

2007年以來(lái)，太湖湖體TP濃度總體呈下降趨勢(shì)，自2016年起出現(xiàn)反彈現(xiàn)象(圖2).2007-2015年湖體年均TP從0.101 mg/L下降到0.060 mg/L；而2016年回升至0.067 mg/L，近幾年維持在0.08 mg/L以上.太湖湖體TN濃度呈持續(xù)下降趨勢(shì)，年均值從2007年的2.77 mg/L下降至2018年的1.42 mg/L(圖2).雖然近十幾年來(lái)太湖湖體TP、TN濃度呈下降趨勢(shì)，但對(duì)于藍(lán)藻水華來(lái)說(shuō)，TP、TN濃度仍然持續(xù)在高位運(yùn)行，尤其是水華高發(fā)期的高發(fā)區(qū)域.經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，2011-2018年太湖TP、TN濃度年均值波動(dòng)在0.13和4.01 mg/L范圍內(nèi)，TP、TN濃度在時(shí)間和空間上存在較大的差異，某些時(shí)段和某些區(qū)域TP、TN濃度遠(yuǎn)高于閾值；由圖3也可看出，藻型區(qū)TP、TN濃度遠(yuǎn)高于藍(lán)藻水華暴發(fā)的氮磷控制閾值.因此，基于太湖水體TP、TN時(shí)間和空間變化特征，本文確定的藍(lán)藻水華暴發(fā)的氮磷控制閾值僅代表全湖的一個(gè)總體水平、一個(gè)平均水平，即使全湖平均達(dá)到藍(lán)藻水華控制的氮磷閾值水平，但太湖藻型區(qū)氮磷背景值高、氮磷濃度遠(yuǎn)高于此限制，加上春夏季水溫升高、光照增強(qiáng)，該水域藍(lán)藻水華暴發(fā)風(fēng)險(xiǎn)較高；而太湖草型區(qū)氮磷濃度低于此限制，水華發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)較低.

太湖流域自2007年以來(lái)雖然經(jīng)過(guò)了大規(guī)?？卦唇匚鄣仁嗄旮邚?qiáng)度治理，但伴隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展帶來(lái)的巨大壓力[56]，進(jìn)入太湖的外源營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷仍然較高，根據(jù)太湖流域管理局測(cè)算，按照太湖水質(zhì)目標(biāo)，TN允許入湖負(fù)荷為0.9萬(wàn)t/a，TP允許入湖負(fù)荷為0.06萬(wàn)t/a，而2007-2018年入湖氮磷負(fù)荷年均值分別是3.2萬(wàn)t和0.16萬(wàn)t，分別是環(huán)境容量的3.6倍和2.7倍.尤其湖西區(qū)是太湖氮磷污染負(fù)荷的主要來(lái)源，湖西區(qū)屬于太湖流域上游，入湖水量及氮磷入湖負(fù)荷占整個(gè)太湖總?cè)牒康谋戎剌^大.以2018年為例，湖西區(qū)入湖水量占太湖總?cè)牒康?8.2%，入湖TN、TP負(fù)荷占太湖入湖TN、TP總負(fù)荷的比例分別為79.6%、69.3%(圖8).大量外源污染物的輸入使得湖體氮磷濃度高位運(yùn)行，而梅梁灣、竺山灣和西部沿岸等區(qū)域由于水動(dòng)力作用較弱，氮磷濃度不易擴(kuò)散循環(huán)，為藍(lán)藻水華暴發(fā)提供了有利條件，這可能是導(dǎo)致太湖水體富營(yíng)養(yǎng)化和藍(lán)藻水華暴發(fā)的根本原因.因此，湖西區(qū)控源減排、污染負(fù)荷削減仍然是太湖富營(yíng)養(yǎng)化及藍(lán)藻水華防控的重點(diǎn).

圖8 2018年太湖出入湖水量及入湖污染負(fù)荷(數(shù)據(jù)及底圖來(lái)自2018年《太湖流域健康報(bào)告》)

4 結(jié)論

1)從時(shí)間分布上看，2007年以來(lái)，太湖TP、TN和Chl.a濃度總體呈下降趨勢(shì)，TN持續(xù)下降，TP及Chl.a自2016年起有所反彈.從空間分布上看，TP、TN及Chl.a濃度空間差異較大，全湖各點(diǎn)位TN、TP及Chl.a濃度分別在1.0～4.3 mg/L、0.04～0.15 mg/L和8.5～30.7 μg/L之間波動(dòng)，西北湖區(qū)的竺山湖心、大浦口、椒山及拖山水域TP、TN和Chl.a明顯較高.

2)不論從各點(diǎn)位全年均值來(lái)看，還是從水華高發(fā)期均值來(lái)看，太湖TP、TN與Chl.a濃度均呈顯著正相關(guān)關(guān)系，表明TP、TN濃度的高水平狀態(tài)仍然是Chl.a濃度保持高位的重要影響因素，氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的空間分布決定著太湖藍(lán)藻水華的空間分布和強(qiáng)度.

3)基于修正的卡森指數(shù)法及頻率分布法，以輕富營(yíng)養(yǎng)化等級(jí)下的Chl.a濃度(10, 26]為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在50%分位值下，確定了太湖藍(lán)藻水華暴發(fā)的TP和TN控制閾值分別為0.05～0.06 mg/L和1.71～1.72 mg/L.由于太湖TP、TN和Chl.a時(shí)間和空間差異顯著，藻型區(qū)氮磷背景值高，遠(yuǎn)高于氮磷控制閾值，因此，即使氮磷全湖平均濃度控制在藍(lán)藻水華暴發(fā)的氮磷閾值水平之下，但藻型區(qū)在氣象水文等因素適宜條件下，水華發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)仍然很高.

4)近十幾年來(lái)，雖然太湖氮磷濃度呈下降趨勢(shì)，但對(duì)于藍(lán)藻水華而言，進(jìn)入太湖的外源營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷仍然較高，尤其是湖西區(qū)的TP和TN入湖污染負(fù)荷分別占到總?cè)牒?fù)荷的60%和70%以上，致使太湖藻型區(qū)氮磷濃度仍然處于高位運(yùn)行狀態(tài).因此，為防控太湖藍(lán)藻水華暴發(fā)，湖西區(qū)控源減排仍然是太湖富營(yíng)養(yǎng)化及藍(lán)藻水華防控的重點(diǎn).