鄱陽(yáng)湖季節(jié)性水體水質(zhì)特征分析

黃學(xué)輝，　陳傳紅，　袁軼君，　余志堅(jiān)，　金衛(wèi)根

(東華理工大學(xué) 生物系, 江西 南昌　330013)

鄱陽(yáng)湖位于江西省北部，是中國(guó)最大淡水湖，也是重要的季節(jié)性淺水湖泊。鄱陽(yáng)湖湖泊面積季節(jié)性變化顯著，10月到次年3月為枯水位期，4至9月為豐水位期，多年年內(nèi)面積變化相差超過(guò)10倍(張克祥等，2013)。鄱陽(yáng)湖水位受“五河”及長(zhǎng)江來(lái)水的共同影響，使得湖區(qū)面積的擴(kuò)大或萎縮，鄱陽(yáng)湖洪水和干旱現(xiàn)象交替出現(xiàn)，同時(shí)鄱陽(yáng)湖水位季節(jié)性波動(dòng)產(chǎn)生的巨大差異也給水環(huán)境帶來(lái)一定影響(Zhang et al, 2018)。因近年來(lái)隨著人口數(shù)量上升、經(jīng)濟(jì)以及工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的不斷發(fā)展對(duì)環(huán)境巨大的影響，鄱陽(yáng)湖的水質(zhì)狀況發(fā)生了明顯的變化。鄱陽(yáng)湖水質(zhì)變化已越來(lái)越受到人們的關(guān)注，但大多集中在氮磷污染的研究上(陳曉玲等，2013)，而關(guān)于鄱陽(yáng)湖不同季節(jié)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)與環(huán)境因子調(diào)查及其相互關(guān)系的報(bào)道不多。本研究于2016全年四個(gè)季節(jié)分別對(duì)鄱陽(yáng)湖流域進(jìn)行了水體營(yíng)養(yǎng)現(xiàn)狀的系統(tǒng)調(diào)查，分析季節(jié)性水位波動(dòng)對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)鹽濃度變化的關(guān)系，通過(guò)主成分分析進(jìn)一步分析影響鄱陽(yáng)湖水質(zhì)的主要因素，以達(dá)到為鄱陽(yáng)湖水質(zhì)的預(yù)防控制提供參考。

1　材料方法與實(shí)驗(yàn)

1.1　采樣布點(diǎn)

采樣時(shí)間分別為2016年1月、4月、7月和10月，四次采樣分別代表了2016年的四個(gè)季度。

本研究于鄱陽(yáng)湖常年有水湖面設(shè)置7個(gè)采樣點(diǎn)(PYH1～PYH7)，見(jiàn)圖1。

1.2　樣品采集與分析

各點(diǎn)位實(shí)時(shí)pH、溫度(T)、電導(dǎo)率(EC)、溶解氧(DO)等參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)采用美國(guó)哈希(Hydrolab Datasond 5)便攜式多參數(shù)分析儀(YSI)測(cè)定，水體透明度(SD)采用塞氏盤(pán)法測(cè)定。并現(xiàn)場(chǎng)記錄以下數(shù)據(jù)：水體的表觀性質(zhì)以及天氣狀況、采樣時(shí)間、采樣地點(diǎn)，同時(shí)用GPS測(cè)出采樣點(diǎn)經(jīng)緯度。

圖1　鄱陽(yáng)湖水樣采集位點(diǎn)Fig.1　Poyang Lake water sampling sites

現(xiàn)場(chǎng)水樣采集用5 L有機(jī)玻璃采水器(UWITEC-WSC)取表層水樣(距水面0.5 m)，水樣采集后用5 L酸泡過(guò)的聚乙烯塑料桶儲(chǔ)存置于低溫下避光保存。對(duì)部分需測(cè)定總氮、總磷等原水樣經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)用0.45 μm的Whatman濾膜進(jìn)行過(guò)濾，并冷藏保存。水樣運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后立刻進(jìn)行化學(xué)分析，分析項(xiàng)目包括懸浮顆粒物(SS)、葉綠素a (Chl-a)、總氮 (TN)、總磷 (TP)、亞硝態(tài)氮 (NO2--N)、硝酸鹽氮 (NO3--N)、氨氮 (NH4+-N)、化學(xué)需氧量 (CODMn) 等水質(zhì)參數(shù)。

1.3　測(cè)定方法及數(shù)據(jù)收集

水樣SS，CODMn，TN，NH4+-N，NO3--N，NO2--N，PO43--P，TP等水質(zhì)參數(shù)測(cè)定方法參照國(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)(2002)；Chl-a使用熱乙醇分光光度法測(cè)定。

鄱陽(yáng)湖水位變化參考星子與波陽(yáng)兩個(gè)水文站提供當(dāng)年的每日水位數(shù)據(jù)，并計(jì)算月平均水位。

1.4　數(shù)據(jù)分析

Pearson相關(guān)性分析、多元方差分析及PCA分析采用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析與作圖，其他用origin 8.0分析與繪圖。

2　結(jié)果分析與討論

2.1　水位變化

鄱陽(yáng)湖星子及波陽(yáng)水域各月份平均水位變化見(jiàn)圖2。數(shù)據(jù)表明，星子和波陽(yáng)兩水文站全年水位變化趨勢(shì)幾乎一致。以鄱陽(yáng)湖星子水域?yàn)槔?，鄱?yáng)湖星子水域水位值為9.73～20.43 m(平均值13.84 m)。1至4月份，鄱陽(yáng)湖水位下降，水位較低(11.32～14.97 m)；5至8月份，水位上升，水位處于高值(17.59～20.43 m)；9至12月份，水位重新回落至低水位期(9.73～12.38 m)。劉霞等(2016)研究表明，當(dāng)鄱陽(yáng)湖水位高于15 m時(shí)，水面呈水平狀，流速較慢；水位低于15 m時(shí)，水面呈南高北低的趨勢(shì)，流速相對(duì)較快；可認(rèn)為15 m是鄱陽(yáng)湖高低水位的臨界水位值。

圖2　2016年鄱陽(yáng)湖各月份平均水位Fig.2　Monthly mean water level of Poyang Lake s in 2016

2.2　鄱陽(yáng)湖水體理化參數(shù)分析

鄱陽(yáng)湖2016年四個(gè)季度及各點(diǎn)位理化參數(shù)測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。結(jié)果顯示，鄱陽(yáng)湖水體理化參數(shù)在各點(diǎn)位不同的季節(jié)水體CODMn，TN，NO3--N，TP，Chl-a，T，pH和DO差異極其顯著(P<0.001)，TN/TP，NH4+-N，SD，SS和EC差異顯著(P<0.05)，NO2--N差異不顯著(P>0.05)。鄱陽(yáng)湖水體理化參數(shù)在相同季節(jié)不同點(diǎn)位點(diǎn)間水體差異不顯著(P>0.05)。

2.3　鄱陽(yáng)湖不同季節(jié)水體COD含量變化分析

水體CODMn值是一個(gè)表征環(huán)境水體有機(jī)物污染的特定指標(biāo)，鄱陽(yáng)湖各季度水體CODMn含量結(jié)果見(jiàn)圖3。結(jié)果顯示，2016年鄱陽(yáng)湖表層水體CODMn含量7月>10月>1月>4月，且在不同季節(jié)不同點(diǎn)位間鄱陽(yáng)湖水體CODMn含量差異顯著(表1)。2016年全年各點(diǎn)位CODMn含量均達(dá)地表水環(huán)境質(zhì)量(GB3838—2002)Ⅱ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，7月份CODMn含量明顯高于其他月份，特別是PYH6位點(diǎn)最高達(dá)到5.8 mg/L，可能是由于7月份江西連續(xù)暴雨，鄱陽(yáng)湖水位上漲至20.45 m，很多地方被淹沒(méi)，使得植被腐爛和入湖水體有機(jī)物含量增加有關(guān)，導(dǎo)致整體CODMn含量上升。通過(guò)Pearson相關(guān)性分析結(jié)果顯示鄱陽(yáng)湖CODMn與NO2--N相關(guān)性極其顯著(r=0.850，P<0.001),且為正相關(guān)。

表1　鄱陽(yáng)湖2016年各季度及點(diǎn)位水體理化參數(shù)分析

注：* 為多元方差分析的P值

圖3　2016年鄱陽(yáng)湖各點(diǎn)位季度水體CODMn含量Fig.3　CODMn concentrations of all sits in Poyang Lake in 2016

2.4　鄱陽(yáng)湖不同季節(jié)氮、磷含量變化分析

鄱陽(yáng)湖水體各季度TN，NH4+-N，NO3--N，NO2--N含量平均值見(jiàn)表1。結(jié)果顯示，2016年鄱陽(yáng)湖水體TN，NH4+-N，NO3--N以及NO2--N含量低水位期均顯著高于高水位期。此外，2016年鄱陽(yáng)湖高水位期TP含量低于低水位期，且兩時(shí)期差異顯著(P<0.001)。

鄱陽(yáng)湖水體的氮素形式以NH4+-N和NO3--N為主。氮為不穩(wěn)定元素，因此TN在各采樣點(diǎn)之間波動(dòng)較大，不同形態(tài)的氮在沉積物與水界面之間發(fā)生循環(huán)轉(zhuǎn)變，且鄱陽(yáng)湖不同季節(jié)，不同點(diǎn)位之間自然條件存在差異所致。對(duì)照地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838—2002)，除10月份部分位點(diǎn)受到污染外，其余各季度鄱陽(yáng)湖水體TN含量基本在地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅲ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。鄱陽(yáng)湖4至7月份的高水位期周邊縣市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)(如施肥、水產(chǎn)養(yǎng)殖)頻繁，加之水位上升對(duì)周邊土壤的沖刷，營(yíng)養(yǎng)鹽從土壤及沉積物中被釋放出來(lái)，但由于鄱陽(yáng)湖2016年高水位期水位上升近10.7 m，湖泊水位上升對(duì)水體氮營(yíng)養(yǎng)鹽的稀釋作用極大地抵消了人類(lèi)活動(dòng)與土壤沖刷帶來(lái)的氮營(yíng)鹽增加效應(yīng)，使得鄱陽(yáng)湖高水位期間TN濃度較低水位期要低。

研究發(fā)現(xiàn)，鄱陽(yáng)湖位于棠蔭水域的PYH2位點(diǎn)4月份有效氮含量顯著高于其他月份，可能是由于該地區(qū)4月份為旅游旺季，人流量較大，生活污水排放增多等因素造成的。

鄱陽(yáng)湖水體各季度TP含量平均值見(jiàn)表1，基本為Ⅲ至Ⅳ類(lèi)水質(zhì)。其中1月份都昌水域PYH3位點(diǎn)TP含量顯著高于同期其他水域，原因可能是都昌采砂區(qū)多，據(jù)胡春華等(2011)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，都昌地區(qū)采砂區(qū)高達(dá)14個(gè)，采區(qū)面積達(dá)100 km2，水流攪動(dòng)引起湖泊底質(zhì)顆粒磷及內(nèi)源營(yíng)養(yǎng)鹽釋放，增大了磷含量。Meybeck(1982)指出，磷的滯留機(jī)制主要為顆粒磷的沉降作用，水體中的磷酸根能被懸浮顆粒物吸附或包裹，TP受泥沙的運(yùn)輸影響較大。此外，研究表明，各點(diǎn)位低水位期水體TP含量大多數(shù)高于高，可能與低水位期水流流速較快有關(guān)，水流對(duì)泥沙的沖刷力及運(yùn)輸量升高。

在7月份和10月份，鄱陽(yáng)湖水體TN/TP比值波動(dòng)較小，各取樣點(diǎn)無(wú)顯著差異(r=0.114，P>0.05)。在1月份和4月份TN/TP比值波動(dòng)較大，差異十分顯著(r=0.635，P<0.001)。劉霞等(2016)研究發(fā)現(xiàn)，高水位期鄱陽(yáng)湖水溫和SD較高，氮形態(tài)營(yíng)養(yǎng)鹽度較低，TN/TP比值較低，Chl-a濃度較高；反之，低水位期水體水溫和SD較低，氮形態(tài)營(yíng)養(yǎng)鹽濃度較高，TN/TP比值比較高，Chl-a濃度較低，其結(jié)果與本研究基本相符。

2.5　鄱陽(yáng)湖不同季節(jié)水體葉綠素a含量變化分析

鄱陽(yáng)湖水體的葉綠素a(Chl-a)含量見(jiàn)圖4。鄱陽(yáng)湖水體Chl-a總體上含量較低，1月份變化范圍為1.95～6.38 μg/L(平均值3.06 μg/L)，4月份變化范圍為1.87～7.73 μg/L(平均值3.69 μg/L)，7月份變化范圍為7.40～22.97 μg/L(平均值15.37 μg/L)，10月份變化范圍為4.29～11.66 μg/L(平均值8.44 μg/L)。7月份及10月份鄱陽(yáng)湖水體Chl-a含量顯著高于其他月份。劉倩純等(2013)發(fā)現(xiàn)鄱陽(yáng)湖Chl-a質(zhì)量濃度具有一定的空間分布特征，空間分布上南湖區(qū)大于北湖區(qū)。本研究調(diào)查顯示2016年鄱陽(yáng)湖水體Chl-a含量除7月份外南湖區(qū)大于北湖區(qū)。7月份星子的PYH5位點(diǎn)、鞋山西側(cè)的PYH6位點(diǎn)以及湖口的PYH7位點(diǎn)Chl-a含量高于其他點(diǎn)位，原因可能是這三個(gè)位點(diǎn)透明度高，分別為0.6 m，0.8 m和0.9 m，吳召仕等(2014a)研究顯示，水體中葉綠素a含量與水體透明度顯著正相關(guān)。

圖4　鄱陽(yáng)湖2016年各季度點(diǎn)位水體Chl-a含量Fig.4　Poyang Lake 2016 quarterly water Chl-a content

水體Chl-a濃度反應(yīng)了浮游植物的生物量(吳召仕等，2014b)。在淡水湖泊或水庫(kù)中，Chl-a含量或藻類(lèi)的生長(zhǎng)是由多因素(Wu et al.，2014)協(xié)同控制的。翁笑艷(2006)認(rèn)為影響藻類(lèi)生長(zhǎng)的因子主要有水動(dòng)力條件、氣象條件、營(yíng)養(yǎng)鹽等。Karl等(1997)認(rèn)為，當(dāng)環(huán)境中的氮磷比達(dá)到某個(gè)值時(shí)浮游植物生長(zhǎng)繁殖達(dá)到飽和，正負(fù)偏離都將影響浮游植物生物量。結(jié)果表明，7月份鄱陽(yáng)湖湖水中藻類(lèi)等浮游植物的生物量相對(duì)于其他月份要高。鄱陽(yáng)湖Chl-a濃度受水溫、SD和氮營(yíng)養(yǎng)鹽等多種理化因子的共同影響，據(jù)Pearson相關(guān)性分析，Chl-a濃度與SD呈正相關(guān)(r=0.876，P<0.001)，與SS呈負(fù)相關(guān)(r=-0.799，P<0.001)，與氮營(yíng)養(yǎng)鹽濃度呈負(fù)相關(guān)，與其他營(yíng)養(yǎng)鹽濃度不相關(guān)。鄱陽(yáng)湖Chl-a濃度還與水體交換時(shí)間有關(guān)，水體交換時(shí)間較長(zhǎng)，較利于浮游植物的生長(zhǎng)。鄱陽(yáng)湖高水溫湖泊環(huán)境促進(jìn)了浮游植物的生長(zhǎng)和繁殖。鄱陽(yáng)湖水位波動(dòng)與水溫變化具有高度同步性，高水位與高水溫對(duì)應(yīng)；其次，鄱陽(yáng)湖水位波動(dòng)加強(qiáng)了高水溫促進(jìn)浮游植物生長(zhǎng)的這種效應(yīng)，主要原因是，高水位期時(shí)鄱陽(yáng)湖水流流速緩慢導(dǎo)致湖水交換時(shí)間較慢，且水體SD高，水環(huán)境平靜加之水下通透度高光照充足都對(duì)浮游植物的生長(zhǎng)繁殖起到了促進(jìn)作用，特別是藍(lán)藻的繁殖聚集。

2.6　鄱陽(yáng)湖不同季節(jié)理化因子的主成分分析

鄱陽(yáng)湖流域不同時(shí)期理化因子的主成分分析見(jiàn)圖5，PCA前兩軸分別解釋了鄱陽(yáng)湖2016年四個(gè)季度環(huán)境變量的67.81%、71.94%、56.96%和68.01%。其中分析結(jié)果表明，按照影響因子大小排序，影響1月份鄱陽(yáng)湖水質(zhì)的主導(dǎo)因子是PO4--P，EC，NO2--N，NO3--N和CODMn；影響4月份水質(zhì)的主導(dǎo)因子是SD，PO4--P，NO2--N，NO3-N，SS，TP，Chl-a和T；影響7月份水質(zhì)的主導(dǎo)因子是SD，Chl-a，pH，NO2--N，T和CODMn；而10月的主導(dǎo)因子是TN，NO2--N，NO3--N，NH4+-N，T，CODMn和PO4--P。

低水位期(10月至次年1月期間)鄱陽(yáng)湖水質(zhì)主要受氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽與CODMn的影響，而高水位期(4月至9月期間)主要受水溫、水體透明度與葉綠素a的影響，高水位期營(yíng)養(yǎng)鹽濃度對(duì)鄱陽(yáng)湖水質(zhì)影響較小，因?yàn)樗坏纳仙龑?duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的稀釋作用會(huì)掩蔽水體營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)水質(zhì)影響。

圖5　鄱陽(yáng)湖2016各季度主成分分析Fig.5　Poyang Lake 2016 quarterly principal component analysis

3　結(jié)論

2016年鄱陽(yáng)湖全年水位為9.73～20.43 m，全年最大水位差10.70 m。鄱陽(yáng)湖低水位期水體流速快、濁度高，水體特征表現(xiàn)為低水溫，營(yíng)養(yǎng)鹽濃度高，TN/TP比值較高，Chl-a含量低，水質(zhì)為Ⅲ至Ⅳ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)；高水位期水體流速慢、透明度高，水體特征表現(xiàn)為高水溫，營(yíng)養(yǎng)鹽濃度相對(duì)低，TN/TP比值較低，Chl-a濃度高，水質(zhì)基本達(dá)到Ⅲ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)。鄱陽(yáng)湖水體理化參數(shù)在相同季節(jié)不同點(diǎn)位點(diǎn)間水體差異不顯著(P>0.05)。

PCA多元分析結(jié)果顯示，鄱陽(yáng)湖水體低水位期(1月與10月)水質(zhì)主要受氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽與CODMn的影響，而高水位期(4月與7月)營(yíng)養(yǎng)鹽濃度對(duì)水質(zhì)影響較小，主要受水溫、水體透明度與葉綠素a的影響。

致謝：采樣過(guò)程中得到了中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊所鄱陽(yáng)湖湖泊濕地觀測(cè)研究站站長(zhǎng)張奇研究員、陳宇煒研究員及其課題組成員劉寶貴博士、劉金福博士、劉賀等的大力幫助，在此一并表示感謝!