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        東平湖菹草(Potamogeton crispus)的遙感定量分析

        2021-06-25 00:53:44吳春輝劉淑芬桑彥彥張秋英李發(fā)東栗照鑫肖捷穎
        人民珠江 2021年6期
        關(guān)鍵詞:東平湖水草湖水

        吳春輝,劉淑芬,桑彥彥,張秋英,李發(fā)東,栗照鑫*,肖捷穎

        (1.泰安市生態(tài)環(huán)境局東平分局,山東 泰安 271500;2.山東省泰安生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心,山東 泰安 271018;3.泰安市生態(tài)環(huán)境局,山東 泰安 271018;4.中國環(huán)境科學(xué)研究院,北京 100012;5.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,北京 100101;6.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049;7.河北科技大學(xué),河北 石家莊 050011)

        人類福祉在很大程度上取決于生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能[1],水生生態(tài)系統(tǒng)由于具有提供可用水、灌溉和食物的作用則更為重要[2-4]。在許多發(fā)展中國家的人為活動,如不可持續(xù)的土地利用、未經(jīng)處理的城市和工業(yè)廢物的排放以及農(nóng)用化學(xué)品的密集使用,都在影響著自然水體的質(zhì)量[5-6],并可能損害這些水生生態(tài)系統(tǒng)提供食物和功能的能力[7]。湖泊作為重要的水生生態(tài)系統(tǒng),不僅是人類重要的淡水資源,也具有非常重要的生態(tài)價值和環(huán)境價值[8-9]。東平湖是山東省第二大淡水湖,是國家南水北調(diào)水利工程重要的水庫調(diào)蓄區(qū)[10],同時東平湖是山東省滿足日常生活和農(nóng)業(yè)灌溉需要的主要淡水來源[11]。因此,加強東平湖水質(zhì)的監(jiān)測和治理意義重大。常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測具有精度高的優(yōu)點,但難于表達(dá)湖泊的整體、大面積水質(zhì)狀況?,F(xiàn)代遙感技術(shù)獲取數(shù)據(jù)快速、能提供不同時相數(shù)據(jù)和整個湖泊大面積水質(zhì)狀況,具有監(jiān)測范圍廣、成本低和便于進行長期動態(tài)監(jiān)測的特殊優(yōu)勢,在湖泊水質(zhì)監(jiān)測中得到了廣泛地關(guān)注、研究及應(yīng)用[12]。國內(nèi)外針對湖泊水質(zhì)的遙感監(jiān)測已經(jīng)具有較為成熟的理論、技術(shù)和方法,湖泊水質(zhì)遙感監(jiān)測指標(biāo)主要包括葉綠素a、懸浮物、黃色物質(zhì)、水溫、水深等,其中葉綠素a和懸浮物是影響水體光譜特征的主要物質(zhì),同時也是研究和應(yīng)用中比較成熟的水質(zhì)參數(shù)[13]。針對湖泊水質(zhì)參數(shù)中的化學(xué)參數(shù)如氮、磷等則是通過間接的方法進行研究,未來研究主要側(cè)重于湖泊各種水質(zhì)參數(shù)的遙感反演[14]?,F(xiàn)有湖泊水質(zhì)遙感反演方法主要根據(jù)經(jīng)驗、半經(jīng)驗?zāi)P?,對?nèi)陸重要湖泊和城市水源地的葉綠素含量、藍(lán)藻爆發(fā)、總懸浮物含量等水質(zhì)參數(shù)進行遙感監(jiān)測與空間反演[15]。多數(shù)模型應(yīng)用于明確水中藻類的時空分布、流域營養(yǎng)物質(zhì)輸送模型和湖泊水域水質(zhì)模型等問題,為水體富營養(yǎng)化現(xiàn)狀評價提供信息支持,為水資源管理與污染治理決策提供空間可視化依據(jù)。

        菹草廣泛分布于中國南北地區(qū)的淡水水體中,是南水北調(diào)東線河湖中常見的沉水植物,也是該地區(qū)冬春季沉水植物群落的主要建群種,在水生生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)力、營養(yǎng)元素的生物地球化學(xué)循環(huán)和維持水體穩(wěn)定性方面起著重要作用[16],因其生長期間葉、莖、根能大量吸收磷元素而被廣泛作為凈水植物[17],同時也可作為水體富營養(yǎng)化程度的指標(biāo)植物[18]。磷素是造成淺水湖泊富營養(yǎng)化的主要元素[19],因此測定水體中的磷濃度對分析水體污染程度及治理具有重要意義。以上的研究多集中在對水體污染元素的直接測量以及狹小范圍內(nèi)水草的研究,本研究利用遙感方法定量分析東平湖菹草動態(tài)變化,旨在揭示東平湖菹草的季節(jié)生物量動態(tài),闡明對東平湖總磷含量的影響,為東平湖水質(zhì)治理,特別是總磷的治理提供科學(xué)支撐。

        1 研究區(qū)概況和研究方法

        1.1 研究區(qū)概況

        東平湖(35°30′~36°20′N,116°00′~116°30′E)位于山東省泰安市東平縣西部(圖1)。東通大清河,西連黃河,北起清河口門,南至金線嶺圍堤,是山東省第二大淡水湖泊,也是中國東部地區(qū)典型的淺水型湖泊。

        圖1 東平湖位置

        1.2 研究方法

        本研究通過分析遙感影像,探究東平湖水質(zhì)的周年變化。使用的遙感影像為美國陸地衛(wèi)星Landsat 8 OLI 數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)生成時間為2017年2月16日、5月7日、7月10日、9月12日、9月28日、10月30日、2018年3月23日、4月25日和6月11日,所有數(shù)據(jù)質(zhì)量滿足本研究要求。

        經(jīng)過校正預(yù)處理及波段計算處理,通過目視解譯及模型模擬分析東平湖近1年的植被狀況。對數(shù)據(jù)進行方差及顯著性分析,得出結(jié)果。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 東平湖水中植被年變化

        植被指湖水中的水草,并非水體中葉綠素。水體中水草的量由圖2湖水中的紅色區(qū)域表示,整體上看,只有2017年5月7日和2018年4月25日的影像,水體中有非常明顯且大量的紅色區(qū)域出現(xiàn),這是因為東平湖中有大量的菹草及各種其他水草,菹草每年到5月份成長到最旺盛的時期,由于溫度高而死亡。2017年5月份湖水中水草廣泛分布在除了小區(qū)域人類行為(疏浚和養(yǎng)魚)影響之外的所有區(qū)域。2018年4月25日的圖像顯示湖水中植被的量要少于2017年,主要存在于湖區(qū)沿岸,應(yīng)該是受面源污染的影響;除此之外,梁莉莉等[20]研究表明1991—2017年這26年間東平湖菹草群落不斷擴張,并經(jīng)Spearman秩相關(guān)分析,菹草面積與湖水營養(yǎng)化水平顯著正相關(guān)。2018年菹草生物量低于2017年也可能是由于富營養(yǎng)化水平降低所致,說明當(dāng)?shù)卣哟罅藮|平湖水體治理力度。

        圖2 東平湖水體植被變化

        2.2 東平湖水質(zhì)植被空間變化

        為更好地表達(dá)湖區(qū)水體中植被的空間變化,通過對9期遙感影像的處理和計算,對不同時期圖像的植被指數(shù)利用同一分段標(biāo)準(zhǔn)制圖,可以相對準(zhǔn)確地描述湖區(qū)水體中植被的空間分布及變化特征,見圖3。

        從總體上看,2017年9月28日和2018年6月11日的影像上體現(xiàn)的水中植被的數(shù)量總體偏低,呈從湖中心向岸邊同心圓狀增加的狀態(tài),湖區(qū)北部湖口處植被數(shù)量偏大。2017年7月10日、9月12日和2018年3月23日3期圖像顯示,這3個階段水體中植被的含量較2017年9月底和2018年6月有所增加,同樣是湖心相對較低,北部湖口處較高。2017年2、10月水體中植被的量處于中等水平。2017年5月7日和2018年4月25日的分析結(jié)果是研究階段里最高的,高植被量的存在說明,這些區(qū)域具備菹草所需的營養(yǎng)條件,符合菹草的生長規(guī)律。夏季芽殖體沉入湖底休眠,秋冬緩慢,次年春季大勢生長,麥?zhǔn)諘r節(jié)水溫升高后死亡。2017年5月水體中植被量高的區(qū)域面積非常大,約占1/3,主要分布在東北部和南部。2018年4月的影像顯示,高植被量的區(qū)域比2017年減少了很多,主要在北部,東部和南部沿岸地帶。表明最近當(dāng)?shù)卣铜h(huán)保主管部門的治理力度較大,取得了明顯的效果。

        2.3 東平湖菹草生物量分析

        菹草的生物量變化趨勢基本一致,即生物量累積曲線呈 S 型[21]。5月份菹草已經(jīng)成為東平湖水域水生維管束植物的優(yōu)勢種群,覆蓋面積可達(dá)80%以上,平均生物量3.27 kg/m2(濕重),最大生物量達(dá)到5.33 kg/m2(濕重),整個東平湖鮮菹草年產(chǎn)量在50萬t以上[17]。

        每年的4—5月份為湖水中菹草生長最為旺盛的時期,結(jié)合現(xiàn)有圖像資源,計算了2017年5月7日和2018年4月25日東平湖內(nèi)菹草干物質(zhì)的量,見圖4。兩個時期相比較,2018年湖區(qū)的總體上看,所產(chǎn)生的干物質(zhì)量要少于2017年5月份,這與前面的研究結(jié)果一致,東平湖水域治理初見成效。

        a)20170216

        d)20170912

        g)20180323

        a)20170507

        2.4 湖內(nèi)菹草生長過程對湖水氮磷含量影響

        研究表明菹草在生長時期因其吸收各種水體營養(yǎng)物質(zhì)而對湖水起到了的凈化作用。在夏初季節(jié)植株腐爛分解過程中,有大量累積吸收的氮、磷向水體釋放。東平湖面積按120 km2,平均水深按2 m,菹草產(chǎn)量按250×104kg/km2,菹草覆蓋面積按80%,菹草平均含水率按92%計[17],年產(chǎn)菹草干重約3.8萬t,鮮草約47.5萬t,含氮、磷各約6 707、190 t(亦是菹草對湖水中氮、磷的年吸收量,即總磷含量為5 g/kg干重),表明內(nèi)源的貢獻非常大。菹草在開始腐爛的第4~6 d,磷元素的累積釋放率達(dá)到91.3%,可以估算出約有173 t的磷會釋放到湖中;氮元素的累積釋放量則是在第14 d達(dá)到最高值。

        根據(jù)計算,相當(dāng)于總磷含量為0.73 mg/L(以最大釋放量173 t,面積120 km2和水深2 m計算)。因此,若通過打撈的方式降低湖水中的氮、磷元素的含量,最好在菹草生長盛期之后,腐爛分解過程開始之前進行,一旦開始腐爛分解,就會造成東平湖水質(zhì)中氮、磷元素濃度的急劇升高。鄧煥廣等[22]研究結(jié)果也表明菹草在腐爛過程中會向水體釋放大量氮、磷元素及溫室氣體,對水體造成二次污染。陳志剛等[23]研究也發(fā)現(xiàn)菹草在腐爛后氮、磷分別釋放9.14%、32.02%;此外,菹草枯落物氮、磷元素積累指數(shù)(NAI)平均值分別為46.10和32.23,表明菹草在腐爛分解過程中氮磷元素均以凈釋放為主。根據(jù)2018年5萬t打撈量計算,僅可降低10.5%的釋放量,即總磷含量仍然可達(dá)0.65 mg/L。

        3 結(jié)論

        水生植物和養(yǎng)殖導(dǎo)致湖泊中的氮磷增加,為東平湖的菹草生長提供了豐富的營養(yǎng)。特別是水草的生長,近年呈增加趨勢。然而,水草雖然在生長季吸收了大量的氮和磷,對水體中的營養(yǎng)物質(zhì)有凈化作用,每年4—5月底達(dá)到盛期,起到了吸收湖水中氮、磷元素的作用。但是,6月后,隨著水草枯死、腐爛,磷再次釋放進入水體,周而復(fù)始而難以清除。有研究結(jié)果表明,菹草中總磷含量為5 g/kg干重,每千克干菹草在第25 d時釋放磷的量達(dá)到高峰,釋放總量為5.65 mg 磷,按照菹草平均含水量92%來計算,那么假設(shè)每年收割2 212 t的濕菹草,消減磷的釋放量為1 t。因此,通過每年收割菹草抑制東平湖富營養(yǎng)化水平升高確實是一種有效的方法,但是要達(dá)到徹底消除水體污染的目的,必須得多措并舉。

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