王兆群,張寧紅,張 詠,劉振坤,周衛(wèi)華

(1.淮安市環(huán)境監(jiān)測中心站,江蘇 淮安 223001;2.江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心,江蘇 南京 210036)

·解析評價·

洪澤湖水質(zhì)富營養(yǎng)化評價

王兆群1,張寧紅2,張 詠2,劉振坤1,周衛(wèi)華1

(1.淮安市環(huán)境監(jiān)測中心站,江蘇 淮安 223001;2.江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心,江蘇 南京 210036)

對洪澤湖及其入湖河流水質(zhì)現(xiàn)狀進行了評價,得知洪澤湖及其入湖河流總體水質(zhì)為劣Ⅴ類,影響兩者水質(zhì)的主要污染物為總磷和總氮。對洪澤湖浮游植物的時空分布及相關(guān)因子進行分析,得知洪澤湖目前為輕富營養(yǎng)水平。最后對洪澤湖第一次發(fā)生藍藻聚集現(xiàn)象的原因進行了分析。

水質(zhì);浮游植物;富營養(yǎng)化;藍藻聚集

1 洪澤湖概況

洪澤湖是中國第四大淡水湖泊,位于江蘇省西北部淮安、宿遷兩市境內(nèi),其水域面積1 597 km2,平均水深 1.9 m,容積 30.4×108m3。洪澤湖湖盆呈淺碟形,其總趨勢為西高東低,湖盆由西北向東南傾斜;入湖的主要河流有淮河、新汴河、淮洪新河、濉河、徐洪河等,分布于洪澤湖的西岸,出湖河道主要是東岸的三河入江水道、淮沭新河和蘇北灌溉總渠[1]。洪澤湖是具有防洪、灌溉、調(diào)水、水產(chǎn)、水運等綜合利用功能的平原淺水型湖泊,也是南水北調(diào)東線工程的重要調(diào)蓄水庫。

2 洪澤湖及其入湖河流水質(zhì)狀況

2.1 洪澤湖水質(zhì)現(xiàn)狀

在洪澤湖共設(shè)置 9個監(jiān)測點,分別為蔣壩鎮(zhèn)、成河鄉(xiāng)中、臨淮鄉(xiāng)、老山鄉(xiāng)、高澗鎮(zhèn)、龍集鄉(xiāng)北、成河鄉(xiāng)東、成河鄉(xiāng)西、成河鄉(xiāng)北。2009年洪澤湖總體水質(zhì)為劣Ⅴ類,超標項目為總氮和總磷。9個測點總磷和總氮超標率均為 100%,總氮最高年監(jiān)測均值出現(xiàn)在老山鄉(xiāng)、龍集鄉(xiāng)北、成河鄉(xiāng)東測點;總磷最高年監(jiān)測均值出現(xiàn)在臨淮鄉(xiāng)、老山鄉(xiāng)、成河鄉(xiāng)中測點。

通過水質(zhì)評價得出,2009年洪澤湖綜合污染指數(shù)均值為 12.07,該值最高點出現(xiàn)在臨淮鄉(xiāng)測點(13.07)和成河鄉(xiāng)西測點 (12.63),該值最低點出現(xiàn)在高澗鎮(zhèn)測點 (11.4)。與 2008年相比,該值上升了 1.63。

2.2 入湖河流水質(zhì)狀況

2009年洪澤湖入湖河流總體表現(xiàn)為Ⅴ類和劣Ⅴ類,其中濉河和淮洪新河為Ⅴ類,淮河、老汴河、新濉河和徐洪河為劣Ⅴ類。以上河流的主要污染物皆為總磷和總氮。

3 洪澤湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)特點

3.1 種類組成

2009年共監(jiān)測到藻類 217種,涉及 7個門,分別為藍藻、硅藻、綠藻、隱藻、裸藻、甲藻、黃藻。其中藍藻 63種 ,占 29.0%,硅藻 53種 ,占 24.5%,綠藻 81種 ,占 37.3%,其他 4種 ,占 9.2%。

全湖性分布的種類:藍藻門中的微囊藻、藍纖藻,硅藻門中的小環(huán)藻,綠藻門中的小球藻等在各采樣點出現(xiàn)率達 100%。一般湖區(qū)都有分布的種類:藍藻門中的色球藻、顫藻,硅藻門中的直鏈藻、舟形藻,綠藻門中的柵藻、纖維藻,等等。在較多采樣點出現(xiàn)的種類:藍藻門中的尖頭藻、隱球藻,綠藻門中的新月藻、弓形藻,等等。

組成群落的種數(shù),春、秋較多,夏季偏少,綠藻門的種數(shù)在各群藻的組成中居首位 (圖 1)。

圖1 2009年 5—10月主要藻類變化趨勢

3.2 數(shù)量組成

藍藻門在時空分布上均占絕對優(yōu)勢 (表 1),藍藻藻密度均值約為 1.36×106個 /L,在年平均總量中占 85.7%,數(shù)量居各類之冠,藍藻單月最大值出現(xiàn)在 7月份。在成河鄉(xiāng)中測點,優(yōu)勢種為微囊藻屬,藻密度達 4.05×106個 /L,占當月該測點總數(shù)的67.3%。

表 1 2009年洪澤湖浮游植物數(shù)量組成_的時間變化_×104個 /L

綠藻門藻量占年均總量的 10.9%,綠藻全年表現(xiàn)為雙峰型,6月和 9月藻密度較大,藻密度均值為 17.33×104個 /L,單月最大值出現(xiàn)在 9月份。在老山鄉(xiāng)測點,優(yōu)勢種為桿裂絲藻,藻密度達 2.3×104個 /L,占當月該測點總數(shù)的1.72%。

硅藻門藻量占年均總量的 4.8%,藻密度均值為 7.6×104個 /L,單月最大值出現(xiàn)在 9月份。在高澗鎮(zhèn)測點,優(yōu)勢種為北方羽紋藻,藻密度為2.3×104個 /L,占當月該點總數(shù)的 1.55%。藍藻、綠藻、硅藻藻密度變化見圖 2。

圖2 2009年 5—10月藍藻、硅藻、綠藻藻密度變化

隱藻門、裸藻門、甲藻門、黃藻門等在群落結(jié)構(gòu)中的作用甚微。

3.3 浮游藻類數(shù)量及其組成的時空變化

3.3.1 年際變化與時間變化

2009年洪澤湖平均藻密度為 1.58×106個 /L,與 2008年相比,藻密度數(shù)量有較大增加,上升了 172.9%;從 2005—2009年藻密度的變化軌跡來看,2005—2007年無明顯變化,2008年有顯著變化,2009年有極顯著變化,見圖 3。

圖3 2005—2009年洪澤湖藻密度變化趨勢

3.3.2 空間分布

從空間分布來看,各監(jiān)測點藻量分布不均,洪澤湖中部湖區(qū)測點藻密度年均值較大,最大值出現(xiàn)在成河鄉(xiāng)中、臨淮鄉(xiāng)、成河鄉(xiāng)西測點,分別為 2.28×106,2.08×106,1.59×106個 /L,最小值出現(xiàn)在成河鄉(xiāng)北測點,為 5.64×105個 /L(圖 4)。

圖4 洪澤湖各測點藻密度空間分布

這種藻類分布特點與洪澤湖的湖體結(jié)構(gòu)和水動力學有關(guān)。南部淮河來水一是通過馬浪崗進入湖區(qū),二是向北由翦草溝進入湖區(qū)。北方來水由徐洪河、淮洪新河、老汴河等入湖河流進入湖區(qū),通過蘇北灌溉總渠、淮沭新河流出湖區(qū) (三河入江水道在 4—6月農(nóng)業(yè)用水和在雨季泄洪開啟)。南北來水為湖區(qū)補水,也將營養(yǎng)物質(zhì)帶入湖體,在夏季將河流中的藻類輸入,同時也對湖體底質(zhì)進行了沖刷,加上東部湖區(qū)及成子湖區(qū)底質(zhì)為黏土型,淮河入湖河口至臨淮頭一帶為粉砂型,使湖底沉積物由南北方向向中間聚集,使之成為引起富營養(yǎng)化的內(nèi)源;另外,出湖河流的引力也將營養(yǎng)物質(zhì)推向湖中部,在春季、夏季,洪澤湖的主導(dǎo)風向為南風和偏南風,風將浮游藻類吹向中部和西部,致使以上地區(qū)年均藻密度值較大。

3.3.3 氮磷比及洪澤湖藻類生長的限制性因子

洪澤湖浮游植物群落中藍藻優(yōu)勢的形成和夏、秋季藻類數(shù)量消長,是多種生態(tài)因子綜合作用的結(jié)果,其中水化學成分、湖水光學特性、溫度、太陽輻射強度及水文條件等起著重要作用,各因子也有交互作用和疊加效應(yīng)。對洪澤湖藻類生物量與有關(guān)因子的回歸分析表明,從長期看,洪澤湖水體中總磷、水溫、風速風向等因子對藻類的增殖和分布起決定作用,生物量與這些因子有較強的相關(guān)性,葉綠素 a與水溫有極顯著關(guān)系,y=4.154 3x-11.182,其相關(guān)系數(shù) r=0.454 5(P<0.01,n=100);葉綠素 a與總磷有較好的線性關(guān)系,y=0.010 5x+0.099 7,其相關(guān)系數(shù) r=0.203 1(P<0.05,n=100);葉綠素 a與總氮的平方有線性關(guān)系,y=1.393 1x-3.387,其相關(guān)系數(shù) r=0.165(P<0.10,n=100)。

根據(jù)藻類化學成分的經(jīng)驗分析,細胞原生質(zhì)所含氮磷比為7.2。有學者指出,湖水中氮磷比在 10～15時對藻類增殖最為有利[2]。洪澤湖氮磷比在12～16間,因此對洪澤湖而言,磷是決定其富營養(yǎng)化程度的限定因子。總氮年際、年內(nèi)變化幅度不大,總磷有較大幅度的增長,與 2005年相比,氮磷比從16.4減小到 11.6,此外,與 2005年相比,氨氮占總氮的份額不斷增大,由 9.9%上升為 22.0%,這一趨勢表明,洪澤湖近年來營養(yǎng)性污染物的污染未得到有效控制,上游來水中既有生活污水的污染,也有農(nóng)業(yè)面源的污染。

4 洪澤湖富營養(yǎng)化程度的判別與評價

4.1 參數(shù)評價

4.1.1 氮、磷指標

在表征湖泊營養(yǎng)狀態(tài)的參數(shù)中,對洪澤湖來講氮、磷是關(guān)鍵指標。根據(jù)坂本提出的標準,洪澤湖2009年總磷質(zhì)量濃度年均值 0.19 mg/L,為富營養(yǎng)上限值的 2.11倍,總氮質(zhì)量濃度年均值為2.40 mg/L,為營養(yǎng)上限的 1.85倍。據(jù)此,洪澤湖水質(zhì)為富營養(yǎng)狀態(tài)[2]。

4.1.2 葉綠素 a指標

根據(jù)坂本的標準,洪澤湖各監(jiān)測點的葉綠素 a質(zhì)量濃度年均值超過 5.0 mg/m3,顯然洪澤湖屬于富營養(yǎng)狀態(tài)[2]。

4.1.3 浮游植物指標

根據(jù)遼寧大伙房水庫富營養(yǎng)化的標準,洪澤湖各監(jiān)測點的藻密度年均值超過 30萬個 /L,因此,洪澤湖屬于富營養(yǎng)狀態(tài)[2]。

4.2 營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評價

湖泊生態(tài)系統(tǒng)是一個復(fù)雜的多元系統(tǒng),變量因素很多。營養(yǎng)概念又是一個多維概念,它包括營養(yǎng)物質(zhì)負荷、營養(yǎng)鹽濃度、初級生產(chǎn)力、湖泊形態(tài)特征等,因此不能通過測定一兩個參數(shù),而要通過測定葉綠素 a、總磷、總氮、透明度和高錳酸鹽指數(shù)等 5項指標,采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)來確定湖泊營養(yǎng)狀態(tài)[3]。

2009年洪澤湖的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)為 58,表現(xiàn)為輕度富營養(yǎng),從圖 5可以看出,在豐水期 7、8、9月份,洪澤湖富營養(yǎng)化程度明顯高于其他月份。

從空間分布來看,成河鄉(xiāng)西、臨淮鄉(xiāng)、老山鄉(xiāng)富營養(yǎng)化程度較高,見圖 6。

5 洪澤湖藍藻聚集原因

5.1 藍藻水華形成機制

藍藻水華的出現(xiàn),表觀現(xiàn)象上是瞬時的爆發(fā),但其本質(zhì)卻是藻類生物量在水體中逐漸增加的過程。有學者提出了藍藻生長與水華形成經(jīng)歷了越冬休眠、春季復(fù)蘇、生長、集聚上浮形成水華的四階段理論,認為在不同階段,藻類的生理特性不同,影響其發(fā)展的主導(dǎo)生態(tài)因子也不同[4]。

陶益和 CAO等研究表明,藻類的復(fù)蘇可能與底泥環(huán)境中的溫度、光照、溶解氧、氧化還原電位密切相關(guān)[5-7]。

近來研究證實,與單細胞相比較,微囊藻群體具有更高的光合效率和對無機碳、磷的利用能力[8]。微囊藻群體的抗高光強、抗重污染的特性也是群體微囊藻種群優(yōu)勢的形成和維持的重要機制,這是其形成水華并保持優(yōu)勢地位的重要前提。儲昭升等的研究表明,富營養(yǎng)化湖泊中由于水體中氮含量的增加會導(dǎo)致微囊藻細胞合成較多的偽空胞,從而有利于藍藻群體的浮力調(diào)節(jié),使其具有更強的對表層光和無機碳的競爭力,這可能也是水華藍藻形成優(yōu)勢的機制之一[9]。

ZHANG等從水動力和光照的耦合作用的角度研究了太湖中微囊藻形成優(yōu)勢種群的機理,發(fā)現(xiàn)在風速為 3.1m/s條件下,綠藻在水體中趨于均勻分布,硅藻和甲藻則易于沉入下層水體,而微囊藻可以懸浮在水表面到水下 30 cm這一深度,因此在此種正常的風浪條件下,微囊藻可以獲得最多的光能,生長速率最快,在與其他藻類類群競爭中形成優(yōu)勢[10,11]。

白曉華等的研究表明,當風速為 0時,藻類仍有漂移速度,此速度為水華由高濃度到低濃度的自由擴散速度;當湖區(qū)風場的平均風速為 1.4 m/s時,藻類在水體中的平均漂移速率為 0.022 m/s;當平均風速為 1.9 m/s時,漂移速率為 0.029 m/s;當平均風速上升為 2.8 m/s時,藻類的漂移速率達到 0.114m/s;而當風速再加大后,水華藍藻群體與水體充分混和,水平漂移的速率反而下降[12]。

REYNOLDS和 SPENCER等的研究表明,光照條件與藍藻的上浮聚集、漂移乃至水華形成有著密切關(guān)系。隨著溫度的持續(xù)上升 (一般在 4—10月),光照充沛,營養(yǎng)鹽濃度較高,其他湖區(qū)的大量水華藍藻在合適的氣象與水文因素驅(qū)動下上浮,快速漂移到某個局部湖區(qū),堆積形成水華,表層水華強度取決于藻類種群密度。

5.2 洪澤湖藍藻聚集

2009年 7月 2日,洪澤湖歷史上首次出現(xiàn)藍藻大面積聚集,面積達 125 km2,主要分布在洪澤湖中西部。此次藍藻形成的原因是:①自 6月份以來,上游來水偏少,且夾雜營養(yǎng)鹽和藍藻,湖區(qū)蒸發(fā)量偏大,使湖區(qū)水位下降很快,水體中的營養(yǎng)鹽得到濃縮;②水溫適宜藻類生長,較高水溫也有助于底泥中的總磷向水體釋放,使水體中的營養(yǎng)鹽濃度進一步加大;③湖區(qū)水體換水較緩,使營養(yǎng)物質(zhì)在湖體中滯留時間過長;④風速、波浪較小,有助于水體中的藍藻向表層上浮、擴散,且在春、夏季,洪澤湖地區(qū)的主導(dǎo)風向為南風和東南風,在一定水動力條件下會造成藍藻在特定湖區(qū)聚集。

8月份,進入豐水期,上游來水較多,稀釋了河中營養(yǎng)鹽的濃度。與 7月份相比,營養(yǎng)鹽總氮質(zhì)量濃度均值下降了 3.34 mg/L,大量來水也加速了湖區(qū)水體交換 (三河閘多次放水),湖水與底質(zhì)攪動頻繁,受外圍氣象影響 (臺風等),把營養(yǎng)物質(zhì)輸送到下游,使其不易在湖中滯留,同時經(jīng)常出現(xiàn)“泥沙型濁水狀態(tài)”,使湖泊透光率較低,藻類初級生產(chǎn)力不能發(fā)揮作用,難以充分利用太陽能固定碳和氮,形成不了高生產(chǎn)力水平和生物量,使浮游植物的密度較低[16]。

洪澤湖不時發(fā)生小面積的藍藻聚集,例如2009年 10月 28日,在老山鄉(xiāng)到高澗鎮(zhèn)一線的航道周圍就發(fā)生了藍藻聚集,主要因為行船對水質(zhì)動力學產(chǎn)生影響導(dǎo)致的。

野外觀測發(fā)現(xiàn),特定湖區(qū)內(nèi)水華藍藻的增加主要取決于外源微囊藻隨著氣象與水文條件的變化在水平方向漂移到該湖區(qū)的外源漂移遷入,以及該湖區(qū)內(nèi)原位的藍藻生長速率,兩者同時導(dǎo)致該湖區(qū)水華藍藻種群生物量的急劇增加。

由于洪澤湖是淺水湖泊,水華從無到有是一個漸進的過程,其中涉及到藍藻對營養(yǎng)鹽的吸收、環(huán)境要素對藍藻生長速率的影響、藍藻與其他藻類群體對營養(yǎng)鹽和光的競爭及其優(yōu)勢的形成、動物對藍藻細胞的捕食以及藍藻的死亡等復(fù)雜的生態(tài)學過程,其中氮、磷 (內(nèi)、外源)等因子為水華的發(fā)生提供了營養(yǎng)條件,溫度、風速、風向、降雨等因素是湖泊內(nèi)藍藻水華發(fā)生的能量基礎(chǔ),地形、地貌等因素是水華發(fā)生的環(huán)境條件。

6 結(jié)論

2009年洪澤湖及其入湖河流總體水質(zhì)為劣五類,主要污染物為總磷、總氮,目前的營養(yǎng)狀態(tài)為輕度富營養(yǎng)水平。

洪澤湖第一次發(fā)生藍藻聚集現(xiàn)象的原因主要是:湖區(qū)蒸發(fā)量大于補給水量,使湖區(qū)水位下降很快,水體中的營養(yǎng)鹽得到濃縮;水溫適宜藻類生長,且較高水溫有助于底泥中的總磷向水體釋放,使水體中的營養(yǎng)鹽濃度進一步加大;湖區(qū)水體換水較緩,使營養(yǎng)物質(zhì)在湖體中滯留時間過長;風速、波浪較小,有助于水體中的藍藻向表層上浮、擴散;在一定水動力條件下會造成藍藻在特定湖區(qū)聚集。

針對上述原因,對洪澤湖富營養(yǎng)化和藍藻聚集提出防治對策建議如下:

(1)盡快明確洪澤湖環(huán)境管理的責任主體,加強控源截污和流域管理。鞏固淮河流域治理成果,不斷提高治污水平,特別是脫氮、脫磷的水平,減少入湖河流的營養(yǎng)鹽總量。

(2)優(yōu)化洪澤湖地區(qū)土地利用模式和生產(chǎn)結(jié)構(gòu),開發(fā)科學施肥技術(shù),降低農(nóng)業(yè)面源污染。

(3)努力恢復(fù)湖濱帶生態(tài)系統(tǒng),從而改變氮、磷入湖途徑,這也是控制外源營養(yǎng)物入湖的重要措施。

(4)利用生物鏈原理,通過合理飼養(yǎng)鰱魚、鳙魚等濾食魚類,來控制藍藻生物量;加強對底棲動物中濾食性螺、蚌等軟體動物的保護,使之成為減輕藍藻大面積聚集的幫手。

(5)增加投入,加強洪澤湖濕地監(jiān)測體系建設(shè),建立起覆蓋重要洪澤湖濕地資源的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。

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Eutrophication Assessment ofWater Quality in Hongze Lake

WANG Zhao-qun1,ZHANGNing-hong2,ZHANG Yong2,L IU Zhen-kun1,ZHOU Wei-hua1
(1.Huaian EnvironmentalMonitoring Central Station,Huaian,Jiangsu 223001,China;2.Jiangsu Provincial EnvironmentalMonitoring Center,Nanjing,Jiangsu 210036,China)

The water quality of Hongze Lake and its into-lake river was assessed as worse than Grade V.The main pollutants were total nitrogen and total phosphorus in the lake.Hongze Lake was at light eutrophication level by analysis on spatial-temporal distribution of phytoplankton and involved factors.Finally,reason for first blue-green algae bloom in Hongze Lake was discussed.

water-quality;phytoplankton eutrophication;blue-green algae gathered

X 82 文獻識別碼:B

1674-6732(2010)-06-0031-05

10.3969/j.issn.1674-6732.2010.06.010

2010-01-15;

2010-01-18

江蘇省環(huán)境監(jiān)測科研基金項目(0908)。

王兆群 (1968—),男,高級工程師,本科,從事生物監(jiān)測工作。