李巧云，廖菊陽，胥 雯，劉 艷，廖 鵬，吳林世，宋 胤，王 玲，張 娟，黃雅奇，譚知虎

（1湖南省植物園，長沙410116；2湖南長株潭城市群森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究站，長沙410116）

0 引言

濕地是介于陸地和水體間的過渡生態(tài)系統(tǒng)，是人類重要的生存環(huán)境之一，具有獨(dú)特的水文、植被、土壤和生物特征[1]。濕地公園在保護(hù)濕地生物多樣性和生態(tài)環(huán)境，在休閑、科學(xué)教育、文化服務(wù)價(jià)值方面扮演著重要的角色[2]。中國的水資源短缺形式十分嚴(yán)峻，其中400多個(gè)城市常年供水不足，114個(gè)城市水資源嚴(yán)重匱乏[3]。而城市濕地因生態(tài)和社會(huì)服務(wù)功能，被認(rèn)為是城市重要的生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施之一，更是城市可持續(xù)發(fā)展依賴的重要自然系統(tǒng)[4]。城市濕地水系自然要素密集，自然過程豐富，由于其在城市中的特殊性，所以與人類活動(dòng)物質(zhì)流、信息流、能量流等交換過程更加復(fù)雜[5]。城市濕地水體由于流動(dòng)性較差、水源來源復(fù)雜及水體的自凈能力弱，水體中磷、氮等營養(yǎng)物質(zhì)的富集[6]。城市濕地公園的建設(shè)是開展城市濕地生態(tài)保護(hù)的有效途徑，同時(shí)也是衡量國家或地區(qū)生態(tài)保護(hù)發(fā)展水平和生態(tài)文明建設(shè)的重要指標(biāo)之一[7]。人類活動(dòng)高度依賴區(qū)域水系，但又對區(qū)域水系產(chǎn)生顯著影響[8]。人類活動(dòng)影響下的水體富營養(yǎng)化、有機(jī)污染等是湖泊污染的主要來源，其受污染程度與人類的生產(chǎn)生活強(qiáng)度密切相關(guān)[9]。水體富營養(yǎng)化指的是隨著水體氮、磷等生物要素的富集，浮游植物繁殖異常并伴隨著生態(tài)系統(tǒng)的完整性和服務(wù)功能下降的現(xiàn)象[10]。水體富營養(yǎng)化會(huì)導(dǎo)致水體老化速率增加、造成水體缺氧、改變水體顏色等[11]。城市濕地水系受到人們越來越多的關(guān)注，成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)問題[12-13]。

松雅湖國家濕地公園位于湖南省長沙市北部長沙縣，是湖南省目前最大的城市湖泊，具有特殊的功能特征。該濕地公園不僅與長沙的水環(huán)境密切相關(guān)，還可對湘江水系的水生系統(tǒng)產(chǎn)生較大影響[14]。松雅湖濕地公園具有湖泊、草本與沼澤、人工島嶼以及湖岸生態(tài)帶等復(fù)合生態(tài)景觀，是退田還湖恢復(fù)重建生態(tài)濕地工程的典型代表。本研究以松雅湖濕地公園2018年6月—2019年5月5個(gè)樣點(diǎn)水質(zhì)的月監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析松雅湖濕地水質(zhì)時(shí)空分布特征，并應(yīng)用修正的卡爾森營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法(TSI)對該區(qū)域開展水質(zhì)富營養(yǎng)化評(píng)價(jià)，以期為湖湘水域富營養(yǎng)化治理和水環(huán)境保護(hù)提供理論和數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于松雅湖國家濕地公園(113°5′5′′—113°6′55′′E、28°15′38′′—28°17′17′′N)，園內(nèi)總用地面積約489.62 hm2，其中濕地面積274.4 hm2[15]。屬中亞熱帶向北亞熱帶過渡的大陸性季風(fēng)濕潤氣候，年均溫度17.3℃，年均降水量為1472.9 mm，平均相對濕度81%[16-17]。松雅湖國家濕地公園共分為濕地保育區(qū)、恢復(fù)重建區(qū)、宣教展示區(qū)、休閑體驗(yàn)區(qū)和管理服務(wù)區(qū)5個(gè)區(qū)，其中濕地保育區(qū)是公園的主體水域，總面積為236.5 hm2。園內(nèi)水體主要補(bǔ)給來源為自然降水補(bǔ)給與人工補(bǔ)給2種。自然降雨是濕地公園水體主要補(bǔ)給來源，能夠有效保證水質(zhì)的穩(wěn)定性。人工補(bǔ)給是適當(dāng)引入撈刀河水源，因撈刀河上游是企業(yè)集中的區(qū)域，直接引灌撈刀河的水質(zhì)存在一定的污染風(fēng)險(xiǎn)，通常是對撈刀河水質(zhì)檢測發(fā)現(xiàn)無污染后再適量引入作為枯水季節(jié)的水源補(bǔ)充。

1.2 樣品采集與處理

2018年6月—2019年5月每月月底，以每月1次的監(jiān)測頻率對松雅湖國家濕地公園進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測。按照松雅湖國家濕地公園水域現(xiàn)狀及水質(zhì)監(jiān)測需求本次監(jiān)測共設(shè)5個(gè)樣點(diǎn)（圖1）。1#樣點(diǎn)位于A區(qū)人工濕地系統(tǒng)出水口，2#樣點(diǎn)位于B區(qū)水治理，3#樣點(diǎn)位于C區(qū)水治理，4#樣點(diǎn)位于大湖禮樂廣場，5#樣點(diǎn)位于湖區(qū)中央香島。

圖1 松雅湖國家濕地公園水質(zhì)監(jiān)測樣點(diǎn)平面圖

采用便攜式多參數(shù)水質(zhì)檢測儀（美國YSI EXO2）現(xiàn)場測定pH、溶解氧(DO)等水質(zhì)因子，重復(fù)3次，取平均值?，F(xiàn)場采集各斷面水下0.5 m處500 mL水樣（當(dāng)斷面水深≥0.5 m，采樣點(diǎn)深度位于0.5 m處，當(dāng)斷面水深＜0.5 m，采樣點(diǎn)位于水面與水底中間層即可）于塑料瓶中，迅速帶回實(shí)驗(yàn)室置于4℃冰箱保存，所有水質(zhì)指標(biāo)檢測均在48 h內(nèi)完成。葉綠素a(Chla)含量將水樣經(jīng)孔徑為0.45 μm的醋酸纖維濾膜過濾，用丙酮萃取后使用熒光計(jì)(Turner-Design 10)測定，氨氮(NH3-N)、總氮(TN)和總磷(TP)的濃度按照《水與廢水監(jiān)測分析方法（第四版）》（國家環(huán)境保護(hù)總局，2006）中的方法分析測定。

1.3 水質(zhì)富營養(yǎng)化綜合評(píng)價(jià)

富營養(yǎng)化評(píng)價(jià)方法多樣，主要有營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法、修正的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)、綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)、營養(yǎng)度指數(shù)法和評(píng)分法[18-19]。本研究采用修正的卡爾森營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法(trophic state index，TSI)對松雅湖國家濕地公園5個(gè)樣點(diǎn)水質(zhì)的營養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[20]。采用0～100的一系列數(shù)字對湖泊營養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行分級(jí)，當(dāng)0＜綜合TSI≤37時(shí)，定義為貧營養(yǎng)；當(dāng)37＜綜合TSI≤53時(shí)，定義為中營養(yǎng)；當(dāng)綜合TSI＞53時(shí)，定義為富營養(yǎng)[21]。

具體的計(jì)算如式(1)～(4)所示。

式中 ，TSIM(Chla)、TSIM(TN)、TSIM(TP)分別是以Chla、TN、TP為基準(zhǔn)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)

數(shù)據(jù)分析使用SPSS 26.0統(tǒng)計(jì)軟件和Excel軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 松雅湖國家濕地公園濕地水質(zhì)特征分析

表1為松雅湖國家濕地公園5個(gè)樣點(diǎn)水質(zhì)情況，5個(gè)樣點(diǎn)的DO濃度含量均較高，整體處于富氧狀態(tài)，最低值出現(xiàn)在5#湖區(qū)中央香島，其DO含量為8.17 mg/L。松雅湖濕地水平均pH 8.2，整體偏弱堿性，pH由大到小排序?yàn)?#水治理B區(qū)＞3#水治理C區(qū)＞4#禮樂廣場＞5#湖區(qū)中央香島＞1#濕地出水口。水體中TN的含量是評(píng)價(jià)江河湖泊水體富營養(yǎng)化程度的重要指標(biāo)，表示水體受營養(yǎng)物質(zhì)污染的程度[22]。松雅湖濕地水TN含量偏高，平均值最低的2#樣點(diǎn)只符合國家地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。TP是藻類生長和繁殖的限制性因子，當(dāng)水體中的TP濃度超過0.02 mg/L時(shí)，就有可能導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化[23]。松雅湖濕地水TP年平均含量較高，為國家地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（湖、庫）Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，監(jiān)測單次最大值(0.28 mg/L)與最小值(0.01 mg/L)相差28倍，變化幅度較大。NH3-N是水體中含氮有機(jī)物在有氧條件下經(jīng)微生物分解后的產(chǎn)物，其含量變化可以判斷出水體受有機(jī)物污染的程度[24]，NH3-N平均含量最高的是3#樣點(diǎn)，說明3#樣點(diǎn)受有機(jī)物污染的程度最高。水體中Chla的含量是反映水體浮游植物生物量的一個(gè)重要指標(biāo)[25]，松雅湖濕地水Chla平均含量最高為4#樣點(diǎn)，最低為2#樣點(diǎn)，說明松雅湖濕地公園在2#樣點(diǎn)的水質(zhì)治理取得了一定成效。

表1 不同采樣點(diǎn)濕地水質(zhì)指標(biāo)平均值及變化范圍（最大值和最小值）

2.2 松雅湖濕地水時(shí)間變化特征

松雅湖國家濕地公園5個(gè)樣點(diǎn)的水質(zhì)指標(biāo)的年內(nèi)變化情況見圖2。由圖2a可以看出，松雅湖濕地水DO月平均含量在2018年6—9月先減少后增加，在2018年12月—2019年5月呈下降趨勢。圖2b為松雅湖水質(zhì)pH情況，在監(jiān)測期內(nèi)其變化范圍在pH 7.21～9.48之間，其中2018年6月平均pH最高，可能由于長沙地區(qū)夏季高溫高濕導(dǎo)致水生植物大量繁殖，水生植物利用水中二氧化碳進(jìn)行光合作用，水中氫氧根離子含量增加，打破碳酸氫根的電離平衡，水體中碳酸根離子濃度增加，pH較高[26]。由圖2c知，松雅湖濕地水TN濃度最高值出現(xiàn)在2018年6月，TN呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，說明松雅湖國家濕地公園在治理水質(zhì)方面的取得了一定成果。圖2d為松雅湖濕地水TP濃度情況，其中2018年6月TP月平均含量最高為0.65 mg/L，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了國家地表水（湖、庫）Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)(≤0.20 mg/L)；且監(jiān)測期內(nèi)TP月平均含量均較高，呈現(xiàn)出夏季濃度高于冬季，該結(jié)果與陳潔等[27]研究一致，因?yàn)橄募靖邷貢?huì)影響微生物活性和藻類的降解，進(jìn)而影響磷的釋放，通常高溫情況下沉積物的磷釋放量比低溫時(shí)高。NH3-N是判斷水體受有機(jī)物污染程度的重要指標(biāo)[28]，由圖2e可以看出松雅湖濕地水在2018年6月NH3-N月平均含量最高，達(dá)到0.65 mg/L，說明水體受有機(jī)物污染比較嚴(yán)重，且NH3-N月平均含量在2018年6顯著高于其他月份(P＜0.05)。由圖2f知，松雅湖濕地水Chla月平均濃度在2018年6—11月變幅不大，但2018年12月出現(xiàn)大幅增加，說明該時(shí)間段內(nèi)水體浮游植物生物數(shù)量增加；Chla的標(biāo)準(zhǔn)偏差較大，說明各采樣點(diǎn)間濃度變化兩級(jí)分化現(xiàn)象嚴(yán)重。

圖2 松雅湖濕地水質(zhì)指標(biāo)月變化情況

2.3 松雅湖濕地水富營養(yǎng)化狀況及月變化情況

按照中國環(huán)境監(jiān)測總站對湖泊、水庫富營養(yǎng)化評(píng)價(jià)方法及分級(jí)技術(shù)方法，以式(4)計(jì)算松雅湖國家濕地公園5個(gè)樣點(diǎn)的在不同月份的富營養(yǎng)化狀況，綜合2018年6月—2019年5月各采樣點(diǎn)具體情況，松雅湖濕地水5個(gè)樣點(diǎn)的水質(zhì)富營養(yǎng)化狀態(tài)各有差異，富營養(yǎng)化程度由輕到重分別是2#水治理B區(qū)＜3#水治理C區(qū)＜1#濕地出水口＜4#禮樂廣場＜5#湖區(qū)中央香島，其中除2#樣點(diǎn)為中營養(yǎng)，其余樣點(diǎn)均為富營養(yǎng)。松雅湖濕地水5個(gè)樣點(diǎn)監(jiān)測期內(nèi)水質(zhì)富營養(yǎng)化程度如圖3所示，1#樣點(diǎn)除2019年2月處于中營養(yǎng)狀態(tài)外，在監(jiān)測期內(nèi)均處于不同程度的富營養(yǎng)化狀態(tài)；2#樣點(diǎn)水質(zhì)富營養(yǎng)化狀態(tài)表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化特征，夏季＞秋季＞春季＞冬季，夏季綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)明顯高于其他季節(jié)(P＜0.05)，春、秋、冬季綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)差異不明顯(P＜0.05)；3#樣點(diǎn)水質(zhì)富營養(yǎng)化狀況從2018年6—9月呈不斷減輕趨勢，由富營養(yǎng)化降為中營養(yǎng)化，2018年10月—2019年1月表現(xiàn)為富營養(yǎng)化狀態(tài)，在2019年2—5月又降為中營養(yǎng)化狀態(tài)；4#樣點(diǎn)在監(jiān)測期內(nèi)始終處于富營養(yǎng)化狀態(tài)，在2019年4月富營養(yǎng)化程度相對較低；5#樣點(diǎn)與4#樣點(diǎn)在監(jiān)測期內(nèi)一直處于富營養(yǎng)化狀態(tài)，在2019年5月富營養(yǎng)化程度相對較低。

圖3 松雅湖濕地水體富營養(yǎng)化變化情況

2.4 松雅湖濕地水富營養(yǎng)狀態(tài)月變化趨勢

松雅湖濕地水總體富營養(yǎng)化程度如圖4。由圖4知，松雅湖濕地水在監(jiān)測期內(nèi)每月都處于富營養(yǎng)化狀態(tài)，在2018年6—8月和2019年1—2月2個(gè)時(shí)間段內(nèi)，水體的富營養(yǎng)化程度呈顯著下降趨勢，在2018年8月—2019年1月期間松雅湖濕地水體綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)相對平緩。在監(jiān)測期內(nèi)，水質(zhì)富營養(yǎng)化狀態(tài)的季節(jié)變化特征為夏季＞秋季＞冬季＞春季，四季綜合富營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)差異不明顯(P＜0.05)。夏季的降雨在帶入大量營養(yǎng)鹽的同時(shí)，還會(huì)沖刷濕地表面產(chǎn)生地表徑流，導(dǎo)致其中含有的大量營養(yǎng)物質(zhì)流入湖中，營養(yǎng)狀態(tài)水平最高[29]。

圖4 松雅湖濕地水體富營養(yǎng)化月變化情況

2.5 松雅湖濕地水富營養(yǎng)狀態(tài)與水質(zhì)因子的關(guān)系

水體富營養(yǎng)化是指由于水體TN、TP等污染物濃度滿足藻類生長條件，從而引起藻類數(shù)量、密度呈幾何增長以及Chla濃度顯著上升的現(xiàn)象，同時(shí)藻類的代謝也會(huì)引起水體DO、pH等指標(biāo)的動(dòng)態(tài)變化[30]。松雅湖濕地水監(jiān)測期內(nèi)富營養(yǎng)狀態(tài)與水質(zhì)因子的相關(guān)關(guān)系見表2。由表2可以看出，TSIM與DO、pH、TN在0.01水平下呈顯著正相關(guān)(P＜0.01)，相關(guān)系數(shù)為0.914、0.894、0.882；與Chla在0.05水平下呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05)，相關(guān)系數(shù)為-0.681；與TP、NH3-N的相關(guān)性不顯著。松雅湖濕地水TSIM與水質(zhì)因子的相關(guān)分析表明，TN是影響松雅湖浮游植物生物量的重要營養(yǎng)鹽因素，松雅湖濕地水質(zhì)富營養(yǎng)化越嚴(yán)重，DO、pH和TN的值就越大，Chla的值反而越小。Chla與TN在0.01水平下呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.01)，相關(guān)系數(shù)為-0.818；與pH、TP在0.05水平下呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05)，相關(guān)系數(shù)為-0.590、-0.621；與DO、NH3-N的相關(guān)性不顯著；該研究結(jié)果與已有研究結(jié)論基本一致[31-32]。Chla與水質(zhì)因子的相關(guān)分析表明，當(dāng)Chla濃度顯著上升時(shí)，藻類的季節(jié)性生長繁殖會(huì)引起水體中TN、TP濃度的顯著降低。

表2 松雅湖濕地水富營養(yǎng)狀態(tài)與水質(zhì)因子的相關(guān)系數(shù)

3 結(jié)論與討論

（1）在監(jiān)測期內(nèi)松雅湖濕地水平均pH 8.2，其中2018年6月pH月平均值最高為pH 8.8，夏季高溫少雨的情況下水體表面的物理蒸發(fā)和生物蒸騰作用增加，松雅湖濕地水水體容量急劇減少，導(dǎo)致總堿度發(fā)生變化。松雅湖濕地水TN平均濃度為0.98 mg/L，TP平均濃度為0.062 mg/L，都超過國際公認(rèn)的營養(yǎng)化閾值(TN=0.20 mg/L，TP=0.02 mg/L)。

（2）松雅湖國家濕地公園5個(gè)樣點(diǎn)NH3-N的平均含量為0.30 mg/L，TN的的平均含量為0.98 mg/L，TN的變化趨勢與NH3-N基本一致，呈現(xiàn)出夏季高、冬季低的趨勢。研究結(jié)果與王書航等[33]一致，由于夏季高溫會(huì)導(dǎo)致水體沉積物中的氮礦化速率加快，在風(fēng)浪擾動(dòng)下水體中TN濃度升高，而冬季水溫較低，水體中懸浮顆粒物溶解度下降更利于其沉積，進(jìn)而導(dǎo)致水體中TN濃度降低。松雅湖國家濕地公園水質(zhì)有持續(xù)改善的趨勢，NH3-N和TN濃度呈現(xiàn)下降趨勢。

（3）松雅湖國家濕地公園5個(gè)樣點(diǎn)富營養(yǎng)化程度最低的為2#水治理B區(qū)，最高的為5#湖區(qū)中央香島，說明松雅湖國家濕地公園在水質(zhì)治理上取得了一定成效。在不同月份間松雅湖濕地水質(zhì)差別較大，夏季水體富營養(yǎng)化程度要高于春、秋、冬季，在監(jiān)測期內(nèi)2018年6月綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)最高，達(dá)到富營養(yǎng)狀態(tài)，2019年2月綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)最低，為中營養(yǎng)狀態(tài)。

（4）松雅湖國家濕地公園TSIM與DO、pH、TN均有極顯著正相關(guān)(P＜0.01)，與Chla呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05)，與TP、NH3-N的相關(guān)性不顯著。

（5）城市濕地公園藻類集體爆發(fā)和死亡引起的水體污染依舊是一個(gè)重大的現(xiàn)實(shí)和科研問題，后期可以研究通過生物治理抑制藻類爆發(fā)，以凈化水質(zhì)、提高城市水體質(zhì)量。