劉 鈺，楊 飛，張毅敏①，高月香，張志偉，朱月明，孔 明，趙 遠，錢文瀚

(1.常州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇 常州 213164；2.生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所，江蘇 南京 210042)

滆湖是中國蘇南地區(qū)的第二大淡水湖。全湖大部分的水面區(qū)域位于江蘇省常州市武進區(qū)境內(nèi)(占武進區(qū)總面積71.4%)，多年平均最大水位深度位于吳淞基面，約為3.30 m，相應(yīng)的平均水深為1.25 m，面積約為166.7 km2，容積量約為2.05×108m3[1]。2018—2020年監(jiān)測數(shù)據(jù)初步顯示，目前滆湖的ρ(TP)為0.218 mg·L-1，ρ(TN)為3.79 mg·L-1，已超GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》劣V類水質(zhì)的污染程度和富營養(yǎng)水平。滆湖周邊地區(qū)的快速發(fā)展使河道內(nèi)的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)逐年增多，滆湖的水草資源受到一定程度的破壞，藻類生物量逐年升高，加重了滆湖的面源污染[2]。入湖河道的水質(zhì)在很大程度上影響了滆湖的水質(zhì)。因此，對滆湖入湖河口區(qū)域的污染防治研究已刻不容緩。

葉綠素a(Chl-a)是浮游植物生物體的重要組成成分之一，其濃度水平反映了浮游植物現(xiàn)存量的高低，與水環(huán)境質(zhì)量密切相關(guān)，是水體理化性質(zhì)動態(tài)變化的綜合反映指標(biāo)[3-4]，測定ρ(Chl-a)能夠在一定程度上反映水質(zhì)狀況。湖泊的入湖河口區(qū)是特殊區(qū)域，兼有河流和湖泊的特征。滆湖作為太湖上游的主要湖蕩，是太湖的前置庫，是太湖流域重要的行蓄洪湖泊，也是區(qū)域供水、生態(tài)調(diào)節(jié)的重要水域，其污染控制和水質(zhì)凈化對太湖水環(huán)境改善具有非常重要的意義。同時，滆湖為引江濟太(新孟河)工程河湖相連的重要節(jié)點，經(jīng)太滆運河、漕橋河入太湖。滆湖治理和修復(fù)模式對太湖有借鑒意義。鑒于此，為探明滆湖入湖河口水域中ρ(Chl-a)的時空變化及其影響因素，以13個滆湖入湖河口水域為研究對象，于2018年1月—2020年1月對各河口水質(zhì)指標(biāo)進行監(jiān)測，探討其對于ρ(Chl-a)分布的影響。重點分析了環(huán)境因子(如水溫、N/P比、CODMn、營養(yǎng)鹽等)對河口ρ(Chl-a)時空動態(tài)的影響，并探討其內(nèi)在關(guān)聯(lián)，為篩選和識別影響入湖水體ρ(Chl-a)變動的主要環(huán)境因子提供科學(xué)資料，同時也為ρ(Chl-a)的預(yù)測及滆湖藍藻水華預(yù)警等水環(huán)境保護工作提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣時間與樣點設(shè)置

滆湖入湖河流有北干河、中干河、夏溪河等，出湖河流有太滆運河。在沿岸河道共設(shè)13個監(jiān)測點位(圖1)：武南河入湖(點位1)、孟津(點位2)、夏溪(點位3)、塘門溝1#(點位4)、塘門溝2#(點位5)、 湟里1#(點位6)、湟里2#(點位7)、北干(點位8)、中干(點位9)、瀆新(點位10)、灌瀆(點位11)、亳瀆(點位12)、太滆運河(點位13)。監(jiān)測時間為2018年1月—2020年1月，每月采樣1次，每次采樣于09：00—12：00完成，各點位采樣順序保持一致。用上、下底均有閥門的有機玻璃采水器采集水下0.5 m深處的水樣1 L，于當(dāng)日在實驗室進行各項指標(biāo)的測定。

1.2 測定方法

監(jiān)測項目主要包括水溫(T)、pH值、DO濃度、Chl-a濃度、TN濃度、TP濃度、NH4+-N濃度、NO3--N濃度、PO43--P濃度、CODMn、溶解性有機碳(DOC)濃度。其中T、pH值、DO濃度使用YSI多參數(shù)水質(zhì)檢測儀在采樣現(xiàn)場測定，其他指標(biāo)采樣后帶回實驗室分析測定。TN濃度采用過硫酸鉀氧化紫外分光光度法，TP濃度采用鉬銻抗分光光度法比色法測定。DOC濃度使用總有機碳分析儀ASI-L(日本島津)測定。Chl-a濃度使用分光光度法中的乙醇法測定[5]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用IBM SPSS Statistics 25軟件對滆湖入湖口13個采樣點Chl-a濃度與環(huán)境因子進行相關(guān)性分析以及水環(huán)境因子的單因素方差分析，對每個采樣點3組平行的季度均值進行均一化處理，對環(huán)境因子進行對數(shù)轉(zhuǎn)化，以減少不同量綱的影響；對Chl-a濃度與其關(guān)系密切的環(huán)境因子進行多元線性回歸分析及F檢驗，驗證方程有效性。

2 結(jié)果與討論

2.1 入湖河口水文與水質(zhì)時空分布特征

2.1.1入湖河口水文分布特征

根據(jù)常州市水環(huán)境監(jiān)測中心以及武進區(qū)水利局監(jiān)測資料，收集到常州滆湖入湖13個河口的流量情況。由表1可知，不同點位河口的平均流量差異很大，從0.89～12.46 m3·s-1變化不等。其中武南河入口、孟津、北干、中干和太滆運河的流量較大，瀆新、亳瀆和灌瀆的流量居中，夏溪、溏門溝1#、溏門溝2#、湟里1#、湟里2#流量較小。滆湖入湖河口的流量自上游至下游大致呈現(xiàn)從高到低的變化特征。

表1 滆湖入湖河口2018—2020年年均流量

2.1.2入湖河口水質(zhì)時空分布特征

各入湖河口水質(zhì)總體呈弱堿性。CODMn和ρ(TP)均值范圍分別為5.26～6.94和0.24～0.55 mg·L-1，均屬于Ⅳ類水；ρ(TN)均值范圍為3.48～5.33 mg·L-1，屬于劣V類水。由圖2可知，入湖河口TN濃度季節(jié)變化規(guī)律大體表現(xiàn)為秋季>夏季>春冬季。其中，武南河入湖口、夏溪、中干、亳瀆、太滆運河點位濃度較高。入湖河口ρ(TP)季節(jié)變化規(guī)律主要表現(xiàn)為春季最大，夏、秋季次之，冬季最小?？臻g上污染最為嚴(yán)重的區(qū)域主要集中于常州市武進區(qū)周邊水系，與ρ(TN)的分布特征相似。CODMn總體呈現(xiàn)出冬季最高、夏秋季次之、春季較低的特征。

2.2 ρ(Chl-a)的時空變化特征

圖3為各個季節(jié)各入湖口點位水體ρ(Chl-a)時空變化特征。整體來看，夏季湖泊水體ρ(Chl-a)比秋、春、冬季高，呈現(xiàn)較為明顯的季節(jié)性變化。其平均濃度分別為17.14、10.61、7.80、4.21 μg·L-1(圖3)。ρ(Chl-a)高值區(qū)主要分布于武南河入口、孟津、塘門溝1#、湟里1#、瀆新。廢水排放等原因影響了ρ(Chl-a)的空間分布特征[6]，城鎮(zhèn)集中且工業(yè)發(fā)達的塘門溝1#、湟里1#、瀆新水質(zhì)指標(biāo)濃度較高，ρ(Chl-a)也較高。滆湖入湖河口ρ(Chl-a)總體上表現(xiàn)為夏季>秋季>春季>冬季。

綜合來看，各入湖河口ρ(Chl-a)整體分布規(guī)律與水質(zhì)時空分布規(guī)律較為接近，呈現(xiàn)較明顯的季節(jié)變化和西高東低、北高南低的空間分布趨勢。環(huán)境因子變化對于滆湖入湖河口ρ(Chl-a)的時空分布具有重要影響。

2.3 滆湖入湖口水體ρ(Chl-a)與流量的關(guān)系

河流流量作為水動力的重要指標(biāo)，是影響河口區(qū)的大小、水質(zhì)等的重要因素。于蘭芳等[7]研究發(fā)現(xiàn)，ρ(Chl-a)與長江徑流量存在較好的線性關(guān)系。笪文怡等[8]研究表明，千島湖入湖流量與磷營養(yǎng)鹽濃度存在顯著相關(guān)關(guān)系，而營養(yǎng)鹽的增加反過來促進了ρ(Chl-a)的升高。結(jié)合表1及圖4可以發(fā)現(xiàn)，北干、中干和太滆運河流量較大，ρ(Chl-a)較低，這可能是因為水量的稀釋效應(yīng)。

僅武南河入口、北干、中干、灌瀆和太滆運河ρ(Chl-a)表現(xiàn)出了明顯的稀釋效應(yīng)，但對于其他河道來說，流量的影響并不明顯。將各個點位的年均流量與ρ(Chl-a)進行相關(guān)分析，結(jié)果為不顯著(r=0.061，P>0.05)。這可能是因為不同土地利用類型污染物的排放特征存在差別，例如北干、中干均屬村鎮(zhèn)及水產(chǎn)養(yǎng)殖密集的河道，水量交換緩慢，導(dǎo)致局部ρ(Chl-a)較高。將滆湖各入湖河口年均流量與ρ(Chl-a)進行線性擬合，得到年均流量(y)與ρ(Chl-a)(x)關(guān)系為：y=0.499x+10.718(r=0.061)。

2.4 滆湖入湖口水體ρ(Chl-a)與環(huán)境因子的相關(guān)性分析

ρ(Chl-a)在一定程度上反映了湖泊中浮游植物的生長狀況，而浮游植物的生長又受到多種環(huán)境因子的影響和制約[9]。滆湖水體ρ(Chl-a)和環(huán)境因子之間的相關(guān)系數(shù)及檢驗結(jié)果(表2)表明，ρ(Chl-a)與水溫、pH值、CODMn呈正相關(guān)，與ρ(DO)呈負(fù)相關(guān)，與ρ(TP)、ρ(TN)、ρ(NH4+-N)、ρ(NO3--N)、ρ(PO43--P)和ρ(DOC)無顯著相關(guān)性；ρ(Chl-a)與環(huán)境因子之間的相關(guān)系數(shù)在0.157～0.637之間，與單個因子之間的相關(guān)系數(shù)均較低。以上結(jié)果表明，滆湖入湖口水體的ρ(Chl-a)變化受多個因子共同作用影響。

表2 滆湖入湖口各監(jiān)測點位ρ(Chl-a)與環(huán)境因子之間的相關(guān)系數(shù)

2.4.1ρ(Chl-a)與理化環(huán)境因子的相關(guān)分析

由表2可知，ρ(Chl-a)與水溫、pH值和CODMn呈顯著正相關(guān)、與ρ(DO)呈顯著負(fù)相關(guān)。葛優(yōu)等[10]對陽澄西湖的研究表明，隨水溫的升高，ρ(Chl-a)逐漸增大，并在冬季達最小值。呂煥春等[11]對千島湖水體為期1 a的監(jiān)測結(jié)果表明，監(jiān)測點位ρ(Chl-a)與水溫呈顯著正相關(guān)。滆湖13個入湖口ρ(Chl-a)皆與水溫呈顯著正相關(guān)，說明水溫對浮游植物的生長代謝具有促進作用。浮游植物光合作用與呼吸代謝速率受水溫的控制，從而影響ρ(Chl-a)[12-13]。滆湖入湖水體ρ(Chl-a)在全年監(jiān)測中受季節(jié)變化的影響非常明顯，水溫的升高既促進了ρ(Chl-a)的上升，也有利于藍藻形成優(yōu)勢[14-15]。

ρ(Chl-a)與pH值呈正相關(guān)。一般浮游植物生長茂盛的水體pH值較高[16-17]。這主要是由于浮游植物在光合作用時會吸收水中的CO2，同時釋放出O2[18-21]。滆湖入湖口水體pH值在7.5～8.5之間，pH值不是影響ρ(Chl-a)變化的主要原因，只是ρ(Chl-a)變化的被動因子，隨其含量增加而增加。

一般情況下，浮游植物的光合作用受水中ρ(Chl-a)影響，隨ρ(Chl-a)上升，水體ρ(DO)也會增加[22-24]。但表2分析顯示，ρ(Chl-a)與ρ(DO)呈負(fù)相關(guān)。出現(xiàn)這一現(xiàn)象可能是由于2個方面的原因：一方面，采樣點位設(shè)置在較發(fā)達城鎮(zhèn)的河道，養(yǎng)殖活動、生物及非生物好氧、殘餌及排泄廢物、污水排放等都會引起水體無機磷、硫化物、氨氮等濃度的升高，直接導(dǎo)致水體中DO濃度的降低；另一方面，河道出現(xiàn)藻類堆積現(xiàn)象，藻類腐爛需要消耗一定的DO，藻類大量漂浮聚集在水面，阻礙了覆氧，進而造成ρ(Chl-a)顯著增高，同時使得水中的DO被消耗。盡管ρ(Chl-a)與ρ(DO)呈負(fù)相關(guān)，但是ρ(DO)也不是影響ρ(Chl-a)變化的主要原因。

ρ(Chl-a)與CODMn呈極顯著正相關(guān)。當(dāng)水體中ρ(Chl-a)升高時，浮游植物通過光合作用產(chǎn)生大量有機物，導(dǎo)致CODMn升高[25]。滆湖入湖口水體冬季CODMn為2.93～7.46 mg·L-1，夏季為4.05～9.36 mg·L-1。水體CODMn夏季略高于冬季，這可能是由于夏季水體中浮游植物大量繁殖，浮游植物在光合作用過程中會產(chǎn)生大量有機體，進而使水體的CODMn明顯上升[26]。CODMn是ρ(Chl-a)變化的主要影響因子。

2.4.2Chl-a與營養(yǎng)鹽環(huán)境因子的相關(guān)分析

湖泊中營養(yǎng)鹽直接或間接影響其中浮游植物的生物量。SAKAMOTO[27]研究顯示，高營養(yǎng)鹽濃度導(dǎo)致浮游植物生物量增加，影響浮游植物群落分布。ρ(Chl-a)與氮、磷濃度的關(guān)系也較復(fù)雜，如齊凌艷等[28]對洪澤湖的研究發(fā)現(xiàn)，ρ(Chl-a)與N/P比呈正相關(guān)。張智淵等[29]基于GAM模型研究表明，ρ(Chl-a)與ρ(TP)、ρ(TN)無顯著相關(guān)性。楊威等[30]對洱海的研究發(fā)現(xiàn)，ρ(Chl-a)與ρ(TN)呈極顯著正相關(guān)，而與N/P比無顯著相關(guān)性。

對滆湖入湖口水體ρ(Chl-a)、ρ(TN)、ρ(TP)及N/P比取對數(shù)后進一步分析發(fā)現(xiàn)ρ(Chl-a)的對數(shù)與ρ(TP)的對數(shù)呈顯著正相關(guān)(r=0.339，P<0.01), 與N/P比的對數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.401，P<0.01), 而與ρ(TN)的對數(shù)無顯著相關(guān)(圖5)。Lü等[31]對武漢的15個城市淺水型富營養(yǎng)化湖泊的研究表明ρ(TP)與ρ(Chl-a)的相關(guān)性比ρ(TN)高，與筆者研究結(jié)論與其一致。

另外，入湖水體ρ(Chl-a)與ρ(NH4+-N)、ρ(NO3--N)無明顯相關(guān)關(guān)系。在水體的自凈過程中，由于浮游植物的消耗，NH4+-N會不斷轉(zhuǎn)化為NO3--N。然而ρ(NH4+-N)并沒有因為浮游植物的消耗而減少，分析原因可能是水體不斷受到NH4+-N污染，使得ρ(NH4+-N)并不隨著浮游植物的增加而明顯減少。

2.5 滆湖入湖口ρ(Chl-a)與主要環(huán)境因子的多元線性回歸分析

前述分析可知，ρ(Chl-a)與水溫、pH值和CODMn、ρ(TP)、ρ(DO)、N/P比之間關(guān)系較為密切。表2顯示，ρ(Chl-a)與pH值呈顯著正相關(guān)，與ρ(DO)濃度呈顯著負(fù)相關(guān)，前者是因，后者是果，pH值、ρ(DO)不適宜作為自變量與因變量ρ(Chl-a)建立線性方程。因此在相關(guān)分析的基礎(chǔ)上，選擇對ρ(Chl-a)變化相對重要的因子N/P比、水溫、ρ(TP)、CODMn建立和ρ(Chl-a)的多元線性回歸方程，并進行顯著性檢驗。

經(jīng)F檢驗，R2=0.576，方差分析F值的顯著水平P=0.000，表明回歸顯著有效。ρ(Chl-a)與原始變量的多元線性回歸方程為ρ(Chl-a)=7.291-0.025×ρ(TN)/ρ(TP)+0.907×ρ(TP)+0.314×T+0.253×CODMn。

綜合滆湖入湖口水體2018年1月至2020年1月期間各點位均值來看,入湖口Chl-a與篩選出的4個主要影響因子N/P比、T、ρ(TP)以及CODMn密切相關(guān)。將利用擬合公式計算的入湖河口ρ(Chl-a)和實測結(jié)果進行比較，計算值(y)與實測值(x)的線性回歸方程為y=4.761 1+0.697 0x(r=0.853 8)，通過回歸方程計算的ρ(Chl-a)在實測誤差范圍內(nèi)，說明回歸方程得出的ρ(Chl-a)可以接受。

3 結(jié)論

以滆湖環(huán)湖13個入湖河流為研究對象，采用多元統(tǒng)計分析方法分析滆湖入湖ρ(Chl-a)的時空分異特征，識別出特征影響因子為TP、T、CODMn、N/P比，冬季和夏季湖泊水體ρ(Chl-a)平均值分別為6.66和17.10 μg·L-1，冬季湖泊水體ρ(Chl-a)空間分布與夏季具有一定的相似性，整個區(qū)域呈現(xiàn)較明顯的西高東低、北高南低的分布趨勢。

河口區(qū)水體ρ(Chl-a)與T、pH值、CODMn呈顯著正相關(guān)，與ρ(DO)呈負(fù)相關(guān)。ρ(Chl-a)的對數(shù)與ρ(TP)的對數(shù)呈顯著正相關(guān)，與N/P比的對數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)，而與ρ(TN)的對數(shù)無顯著相關(guān)。各監(jiān)測點位ρ(Chl-a)隨時間變化明顯，1—4月較低，5—9月出現(xiàn)峰值，總體上看夏季最高，秋冬季次之，春季最低。