駱馬湖水體氮磷時(shí)空變化及其趨勢(shì)分析★

張 毅，高方述，吳到懋

（江蘇省宿遷環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，江蘇 宿遷 223600）

0 引言

駱馬湖是江蘇省第四大湖泊，對(duì)南水北調(diào)東線工程具有重要的調(diào)蓄作用，同時(shí)也是宿遷市的重要飲用水源地，承擔(dān)著宿遷市區(qū)供水功能[1]，入湖河流主要有沂河水系、南四湖水系和邳蒼地區(qū)共40 多條支流。據(jù)統(tǒng)計(jì)，駱馬湖年水位變幅為1.90～5.73 m，年換水10 次左右，屬典型過(guò)水性湖泊。

氮磷是浮游植物生長(zhǎng)必需的營(yíng)養(yǎng)元素，其濃度變化影響湖泊富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)程[2-4]。已有研究發(fā)現(xiàn)，2001—2005 年駱馬湖水體總氮（TN）和總磷（TP）濃度呈增加趨勢(shì)，并導(dǎo)致駱馬湖從中營(yíng)養(yǎng)化向輕度富營(yíng)養(yǎng)化轉(zhuǎn)變[5]，2006—2011 年駱馬湖TN、TP 濃度雖有波動(dòng)，但變化趨勢(shì)不明顯[6]，富營(yíng)養(yǎng)化已成為駱馬湖主要環(huán)境問(wèn)題，氮、磷是水體富營(yíng)養(yǎng)化主要限制性因子[7-10]。近幾年，由于駱馬湖流域工業(yè)和農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，水體富營(yíng)養(yǎng)化、重金屬污染和PPCPs 污染等問(wèn)題受到廣泛關(guān)注，并開(kāi)展相關(guān)時(shí)空變化特征研究[11-13]。然而，已有研究因采樣點(diǎn)偏少難以體現(xiàn)全湖水質(zhì)特征[12]，或根據(jù)功能區(qū)域設(shè)置采樣點(diǎn)，沒(méi)有考慮駱馬湖過(guò)水性湖泊特征[11]，或研究的時(shí)間僅局限于某一季節(jié)的空間分布規(guī)律[14]，缺少對(duì)駱馬湖全湖全年氮磷空間特征和季節(jié)變化規(guī)律的深入分析。為此，本文基于2019 年8 月—2020 年8 月對(duì)駱馬湖全湖32 個(gè)采樣點(diǎn)的水質(zhì)氮磷指標(biāo)，對(duì)其時(shí)空分布情況進(jìn)行直觀分析，探求水體中氮磷時(shí)空變異特征，分析其潛在影響因素，為加強(qiáng)駱馬湖水質(zhì)管理和保護(hù)提供有效的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 點(diǎn)位布設(shè)與采樣時(shí)間

采樣點(diǎn)布設(shè)考慮駱馬湖的形態(tài)特征、圍網(wǎng)養(yǎng)殖分布以及入湖、出湖河流等情形，共布設(shè)32 個(gè)采樣點(diǎn)（圖1），基本覆蓋駱馬湖整個(gè)水域。監(jiān)測(cè)時(shí)間段為2019 年9 月—2020 年8 月，監(jiān)測(cè)頻率為每月1 次。為便于分析，將整個(gè)駱馬湖分為6 個(gè)區(qū)域。A 區(qū)為西北部水系進(jìn)水區(qū)；B 區(qū)為西部敞水區(qū)；C 區(qū)為嶂山閘出水區(qū)，D 區(qū)為飲用水源地所在湖灣區(qū)，E 區(qū)為中心湖區(qū)，F(xiàn) 為黃墩湖所在區(qū)域。將1—12 月，按一年四季分為春、夏、秋、冬四個(gè)季節(jié)。

圖1 駱馬湖采樣點(diǎn)分布

1.2 樣品采集與測(cè)試

采集的0.5 m 表層水樣貯存在潤(rùn)洗后的聚氯乙烯瓶中，當(dāng)天送回實(shí)驗(yàn)室，樣品避光于冰箱4 ℃保存，所有標(biāo)均在3 d 內(nèi)測(cè)完，檢測(cè)指標(biāo)為總磷（TP）、總氮（TN），監(jiān)測(cè)分析方法按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

使用ArcGIS10.1 對(duì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)濃度含量進(jìn)行空間插值分析，得到各指標(biāo)空間分布。采用Excel2010 和SPSS19.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 駱馬湖TN 的時(shí)空分布規(guī)律

駱馬湖水體中TN 濃度時(shí)空分布差異明顯，各采樣點(diǎn)的ρ（TN）范圍為0.19～7.39 mg/L，全湖平均為2.79 mg/L。總體上來(lái)看，呈現(xiàn)ρ（TN）整體呈北高南低態(tài)勢(shì)，且汛期過(guò)后隨著時(shí)間的推移，高濃度區(qū)域有一個(gè)明顯的由南到北的擴(kuò)散軌跡（見(jiàn)圖2）。

圖2 駱馬湖水體TN 時(shí)空分布特征

2.1.1 駱馬湖TN 的時(shí)間變化過(guò)程

從時(shí)間上看，駱馬湖中部敞水區(qū)和嶂山閘出水區(qū)水域10 月至次年2 月全湖TN 濃度污染相對(duì)較輕，至3—4 月駱馬湖西部和西北部水體中TN 高濃度區(qū)開(kāi)始向南遷移，逐步影響中部敞水區(qū)和嶂山閘出水區(qū)水域，導(dǎo)致全湖TN 濃度基本維持在Ⅳ～Ⅴ類(lèi)，南部和北部區(qū)域基本持平。進(jìn)入夏季后，隨著雨季的到來(lái)，駱馬湖水位上漲，水域面積擴(kuò)大，水體中TN 污染程度有所降低，5—6 月全湖平均水質(zhì)可達(dá)Ⅲ類(lèi)。每年7—8 月駱馬湖嶂山閘開(kāi)始提閘放水，上游受污染的水體隨沂河、老沂河、運(yùn)河等進(jìn)入湖泊，水體水質(zhì)逐步向南遷移影響全湖，7—9 月駱馬湖絕大部分水域水質(zhì)為劣Ⅴ類(lèi)，各采樣點(diǎn)位TN 濃度迅速上高，整個(gè)水域TN總氮平均質(zhì)量濃度高達(dá)5.41 mg/L，遠(yuǎn)高于其他月份。這說(shuō)明駱馬湖作為典型過(guò)水性湖泊，其TN 污染主要來(lái)源于上游來(lái)水和湖區(qū)內(nèi)水產(chǎn)養(yǎng)殖。

2.1.2 駱馬湖TN 的空間分布規(guī)律

單因素方差分析（one-way ANOVA）結(jié)果表明，上覆水中TN 空間分布差異性顯著（P＜0.01），其中A 區(qū)的濃度最大，F(xiàn) 區(qū)次之，全年TN 平均質(zhì)量濃度分別為2.362 mg/L 和2.01 mg/L，屬于劣Ⅴ類(lèi)水；C 區(qū)和D 區(qū)最小，全年TN 平均質(zhì)量濃度值分別為1.32 mg/L 和1.37 mg/L，屬于Ⅳ類(lèi)水質(zhì)。從空間上來(lái)看，TN 高濃度區(qū)主要集中在駱馬湖西北部和西部的A 區(qū)和F 區(qū)，南部水域TN 相對(duì)較低。A 區(qū)和F 區(qū)網(wǎng)箱養(yǎng)魚(yú)較為發(fā)達(dá)，表明西北部湖區(qū)及黃墩湖區(qū)域是全湖TN 的濃度主要因素，西北部水系污染輸入和圍網(wǎng)養(yǎng)殖是全湖TN 的主要污染源。TN 濃度這種空間分布與駱馬湖作為過(guò)水性湖泊和入湖水系分布基本一致。

不同季節(jié)駱馬湖水體TN 的空間分布特征也不相同。春季TN 的高值區(qū)主要分布在西北部水系入湖口附近（A 區(qū)），水質(zhì)總體上處于Ⅳ～Ⅴ類(lèi)，其他區(qū)域水質(zhì)總體上處于Ⅲ—Ⅳ類(lèi)。夏季和秋季高值區(qū)都主要集中在黃墩湖（F 區(qū)）和西北部水系入湖口附近（A 區(qū)），水質(zhì)基本處于Ⅳ—劣Ⅴ類(lèi)水質(zhì)。冬季TN 的高值區(qū)都主要集中在西北部水系入湖口附近（A 區(qū)），水質(zhì)基本處于V 類(lèi)水質(zhì)，而其他區(qū)域水質(zhì)處于Ⅲ—Ⅳ類(lèi)水質(zhì)。春夏兩季，除西北部水系入湖口附近（A 區(qū)）外，大部分區(qū)域上覆水TN 污染相對(duì)較輕，水質(zhì)基本滿(mǎn)足Ⅲ—Ⅴ類(lèi)水質(zhì)要求。不同分區(qū)水質(zhì)差別明顯。其中，F(xiàn) 區(qū)和A區(qū)全年大多時(shí)刻TN 濃度皆較高，水質(zhì)基本處于Ⅴ—劣Ⅴ類(lèi)，表明該區(qū)域氮污染源較為持續(xù)穩(wěn)定。其余區(qū)域水質(zhì)全部差于Ⅲ類(lèi)，僅個(gè)別點(diǎn)位水質(zhì)達(dá)到了劣Ⅴ類(lèi)。南部D 區(qū)水域在1 月出現(xiàn)短期高值現(xiàn)象，因該區(qū)域無(wú)外部水系連通和圍網(wǎng)養(yǎng)殖，這可能是來(lái)自北部的TN 污染團(tuán)在湖區(qū)自然擴(kuò)散所致，具體原因有待調(diào)查。

2.2 駱馬湖TP 時(shí)空分布規(guī)律

駱馬湖水體中TP 濃度時(shí)空分布差異不明顯，各采樣點(diǎn)的ρ（TN）范圍為0.01～0.42 mg/L，全湖平均為0.072 mg/L?？傮w上來(lái)看，ρ（TN）空間變化與ρ（TN）大體相同，也呈北高南低態(tài)勢(shì)（見(jiàn)圖3）。

圖3 駱馬湖水體TP 時(shí)空分布特征

2.2.1 駱馬湖TP 的時(shí)間變化過(guò)程

從時(shí)間分布上來(lái)看，2019 年11 月至2020 年6 月駱馬湖全湖水體ρ（TP）相對(duì)較低，2019 年9 月和10 月雖然有極端高值存在，但全湖ρ（TP）平均值低于0.11 mg/L，而2020 年7、8 月份全湖ρ（TP）平均值都在0.15 mg/L 以上。特別是黃墩湖一年中有7 個(gè)月（1、2、7、9、10、11 和12 月），TP 濃度一直居高不下，表明黃墩湖外源輸入或黃墩湖內(nèi)養(yǎng)殖業(yè)輸入，以及西北部入湖河流對(duì)駱馬湖水體TP 有一定的貢獻(xiàn)。但要最終判斷黃墩湖聯(lián)結(jié)駱馬湖通道以及西北部入湖河流TP輸入情況，需從黃墩湖和西北部入湖河流開(kāi)始，沿程布點(diǎn)研究TP 的環(huán)境行為，從而達(dá)到估算其輸入通量的目的。

2.2.2 駱馬湖TP 的空間分布規(guī)律

整體而言，駱馬湖上覆水中TP 的空間分布差異不顯著（P＞0.05），TP 在駱馬湖的分布規(guī)律呈現(xiàn)為黃墩湖入湖口（F 區(qū)）以及北部圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)域（A 區(qū)）相對(duì)較高，TP 濃度達(dá)到Ⅳ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)外，其余區(qū)域水體水質(zhì)基本屬于Ⅲ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。從季節(jié)來(lái)看，春、夏、冬季TP 濃度整體較低，空間差異性不顯著（P＞0.05），ρ（TP）平均值為0.078 mg/L，除個(gè)別位于黃墩湖處點(diǎn)位的TP濃度稍高外，絕大多數(shù)點(diǎn)位TP 濃度滿(mǎn)足Ⅲ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；秋季TP 濃度空間差異顯著（P＜0.01），TP 的高值區(qū)主要集中在黃墩湖入湖口（F 區(qū)）以及北部圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)域（A 區(qū)），尤其是懸浮物較高的F 區(qū)，ρ（TP）平均值達(dá)到0.27 mg/L，水體已達(dá)到劣V 類(lèi)，顯著劣于其他水域，可能因?yàn)?—9 月為高溫季節(jié)，水體中浮游藻類(lèi)維持在一個(gè)較高水平，從而導(dǎo)致F 區(qū)和A 區(qū)的TP 濃度較其他季節(jié)高。

2.3 駱馬湖水體中氮磷濃度變化趨勢(shì)

TN、TP 是影響駱馬湖營(yíng)養(yǎng)水平的主要因子，近20 年來(lái)一直維持在較高的濃度水平[7-9]。與2011 年相比[6]，2014 年，駱馬湖TN 的月均值為0.259～13.2 mg/L之間，年均值為1.009 mg/L，滿(mǎn)足Ⅳ類(lèi)水質(zhì)要求。2019年9 月—2020 年8 月，駱馬湖ρ（TN）的月均值為0.89～4.46 mg/L 之間，年均值為2.62 mg/L，整體處于劣Ⅴ類(lèi)。與2011 年相比，全湖ρ（TN）污染問(wèn)題進(jìn)一步加劇，年均值增幅高達(dá)159.66%。2014 年，駱馬湖TP的月均值在0.026～0.223 mg/L 之間，年均值為0.07 mg/L，滿(mǎn)足Ⅳ類(lèi)水質(zhì)要求；2019 年9 月—2020 年8 月，駱馬湖ρ（TP）的月均值在0.03～0.21 mg/L 之間，年均值為0.08 mg/L，滿(mǎn)足Ⅳ類(lèi)水質(zhì)要求，2019 年9 月—2020 年8 月駱馬湖ρ（TP）平均值基本與2011 年持平。2019年9 月—2020 年8 月間，幾乎每個(gè)月均高于2011 年，尤其是TN 污染，這表明駱馬湖近十年控氮效果并不明顯，TN已經(jīng)成為駱馬湖未來(lái)水環(huán)境質(zhì)量提升的限制因子。

目前國(guó)際上一般認(rèn)為當(dāng)水體中的ρ（TN）和ρ（TP）分別達(dá)到0.2 mg/L 和0.02 mg/L，就有可能發(fā)生水華現(xiàn)象[15]，駱馬湖水體TN 和TP 濃度均超出了發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化的氮、磷條件。ρ（TN）/ρ（TP）作為湖庫(kù)營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)的重要表征，可以在一定程度上反映營(yíng)養(yǎng)物輸入負(fù)荷對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)的影響，同時(shí)也是水體中浮游生物種群營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)的重要影響因素和體現(xiàn)[16-17]。Guildford 等[18]提出的水中營(yíng)養(yǎng)物限制性標(biāo)準(zhǔn)指出，ρ（TN）/ρ（TP）≤9.0（摩爾比為20）為氮限制狀態(tài)，ρ（TN）/ρ（TP）≥22.6（摩爾比為50）為磷限制狀態(tài)。本次調(diào)查發(fā)現(xiàn)，駱馬湖水體ρ（TN）/ρ（TP）年均值比＞22.6，說(shuō)明駱馬湖水體處于磷限制狀態(tài)，但由于富營(yíng)養(yǎng)化的復(fù)雜性，仍然要考慮氮的影響。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

1）駱馬湖水體中ρ（TN）在0.19～7.39 mg/L 之間，平均值為2.79 mg/L，水質(zhì)為劣Ⅴ類(lèi)?？傮w來(lái)看，TN 呈現(xiàn)北高南低的空間分布特征，秋季（7—9 月）泄洪期間因西部入湖河流污水進(jìn)入湖泊，隨著時(shí)間的推移，TN 高濃度區(qū)域有一個(gè)明顯的由南到北的擴(kuò)散軌跡，導(dǎo)致全湖秋季TN 濃度迅速升高，整體水質(zhì)為劣Ⅴ類(lèi)，遠(yuǎn)高于其他月份，TN 濃度呈現(xiàn)秋季＞冬季＞春季＞夏季的特點(diǎn)。西北部湖區(qū)及黃墩湖區(qū)域是影響全湖TN 的濃度主要因素，其時(shí)空分布特征充分體現(xiàn)了駱馬湖作為過(guò)水性湖泊這一特點(diǎn)。

2）駱馬湖水體中ρ（TP）在0.01～0.42 mg/L 之間，平均值為0.072 mg/L，呈現(xiàn)北高南低的空間分布特征，時(shí)空差異差異不明顯。秋季（7—9 月）汛期TP 濃度空間差異顯著，主要高值區(qū)分布在黃墩湖入湖口以及北部圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)域，水體達(dá)劣Ⅴ類(lèi)，顯著劣于其他水域。非汛期水體TP 受底泥磷釋放影響更大。外源輸入對(duì)駱馬湖TP 的影響較小，非汛期水體TP 可能受底泥磷釋放影響更大。

3）與2010 年相比，近10 年來(lái)全湖TN 污染問(wèn)題進(jìn)一步加劇，但TP 濃度變化趨勢(shì)不明顯，TN 已經(jīng)成為駱馬湖未來(lái)水環(huán)境質(zhì)量提升的限制因子。ρ（TN）/ρ（TP）顯示磷是駱馬湖的限制因子，但由于富營(yíng)養(yǎng)化的復(fù)雜性，仍然要考慮氮的影響。

3.2 討論

秋季（7—9 月）駱馬湖均表現(xiàn)出TN 和TP 濃度顯著高于其他季節(jié)的特征，原因是駱馬湖入湖河道污染物主要來(lái)源于北部的中運(yùn)河和沂河，7—9 為駱馬湖汛期，入湖水量大，大量污染物進(jìn)入駱馬湖，進(jìn)而導(dǎo)致湖區(qū)7—9 月TN 濃度居高不下[19]。但與非汛期相比，7—9 月TP 濃度增幅的絕對(duì)值明顯小于TN，其原因是駱馬湖入湖河流TP 濃度和輸入總量較TN 低很多，相差44 倍[19]，河道外源輸入對(duì)駱馬湖TP 的影響較小。目前駱馬湖圍網(wǎng)養(yǎng)殖面積僅有0.092 ha，僅占湖泊面積的3.19%，說(shuō)明非汛期水體TP 可能受底泥磷釋放影響更大?？臻g上，TN 和TP 濃度呈北高南低的格局也受汛期入湖河道污染物匯入的影響。此外，駱馬湖的圍網(wǎng)養(yǎng)殖位于湖區(qū)北部，養(yǎng)殖投餌也會(huì)增加水體的營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷。相反，南部湖區(qū)圍網(wǎng)少，人類(lèi)干擾較弱，又是沉水植被的主要分布區(qū)，已有研究表明駱馬湖有草區(qū)水體中TN、TP 含量低于無(wú)草區(qū)[20]。水生植物一方面對(duì)水體有直接的凈化作用，另外，植被的覆蓋削弱了風(fēng)浪對(duì)沉積物的擾動(dòng)，降低了沉積物營(yíng)養(yǎng)鹽的釋放量。

綜合駱馬湖水體TN 和TP 的時(shí)空分布分析可以看出，要改善駱馬湖水質(zhì)，降低水體中氮、磷濃度，需從控制外源、抑制氮磷內(nèi)源釋放、恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)三個(gè)方面入手。一是利用湖濱帶各種生物吸附、攔截、凈化等作用控制地表徑流攜帶的干濕沉降污染物；二是對(duì)底泥污染嚴(yán)重的區(qū)域進(jìn)行改性或者環(huán)保疏浚，達(dá)到控制內(nèi)源釋放的目的；三是恢復(fù)湖區(qū)北部以沉水植被為主的生態(tài)系統(tǒng)，以抑制、減少氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽的釋放。已有研究表明駱馬湖有草區(qū)水體中TN、TP 含量低于無(wú)草區(qū)[20]，因此駱馬湖北部區(qū)域沉水植物的恢復(fù)與重建是控制駱馬湖氮磷污染的關(guān)鍵。