毛新偉,代倩子,吳浩云,徐 楓,李 濤

(1:太湖流域管理局水文局(信息中心),上海 200434) (2:太湖流域水文水資源監(jiān)測(cè)中心,無錫 214024) (3:水利部太湖流域管理局,上海 200434)

磷是湖泊富營養(yǎng)化的重要營養(yǎng)元素[1-4],是營養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)的控制性指標(biāo)[5]。2007年太湖藍(lán)藻暴發(fā)引發(fā)無錫供水危機(jī)后,太湖流域綜合治理各項(xiàng)措施逐步落地[6],太湖及主要入湖河道水質(zhì)呈改善趨勢(shì)[7],但太湖總磷仍處于高位波動(dòng)[8],驅(qū)動(dòng)太湖藍(lán)藻生物量擴(kuò)張[2],湖體富營養(yǎng)狀況未得到根本扭轉(zhuǎn)[9]。外源輸入的總磷負(fù)荷是太湖總磷的主要來源[10],入湖總磷負(fù)荷逐年持續(xù)累積,遠(yuǎn)超水體自凈能力[6,11],是太湖總磷居高不下的重要原因。太湖地處長(zhǎng)江中下游,區(qū)域地理磷本底高[12],同時(shí)太湖作為大型淺水湖泊,磷內(nèi)源供給通量大、速度快、效率高[13],也對(duì)太湖總磷濃度具有不可忽視的影響[14]。

近年來,在當(dāng)前全球氣候普遍變暖,內(nèi)源污染和外源污染仍未得到有效遏制等多重因素綜合影響下,太湖藍(lán)藻密度和水華強(qiáng)度總體呈上升趨勢(shì),防控形勢(shì)較為嚴(yán)峻。氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)的輸入不斷累積是導(dǎo)致湖泊水體富營養(yǎng)化的主要原因,湖泊富營養(yǎng)化引起了藻類和水生生物的過度繁殖,繼而可能引發(fā)水質(zhì)嚴(yán)重惡化和藻類水華等水生態(tài)水環(huán)境災(zāi)害[15]。科學(xué)探討太湖總磷濃度處于高位波動(dòng)的原因,對(duì)管理者科學(xué)施策、凈化太湖水質(zhì)、抑制藍(lán)藻水華的發(fā)生、改善太湖水體生態(tài)環(huán)境和保障安全供水具有重要意義。本研究應(yīng)用2007年以來太湖水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料和調(diào)查數(shù)據(jù),并基于太湖總磷污染負(fù)荷質(zhì)量平衡估算和滯留量分析、占比動(dòng)態(tài)變化等,對(duì)影響太湖總磷輸入輸出等各要素進(jìn)行量化研究,期望從總磷污染負(fù)荷動(dòng)態(tài)平衡角度分析太湖總磷主要來源與總磷濃度高位波動(dòng)的原因,為太湖水環(huán)境的治理和保護(hù)工作提供參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文采用的太湖及環(huán)太湖河流相關(guān)水質(zhì)數(shù)據(jù)為太湖流域水文水資源監(jiān)測(cè)中心2007年以來每月一次的長(zhǎng)時(shí)序監(jiān)測(cè)資料,其中總磷測(cè)定參照《水質(zhì) 總磷的測(cè)定 鉬酸銨分光光度法》(GB 11893-1989),太湖和22條主要入湖河道監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分布見圖1。環(huán)湖巡測(cè)段水量數(shù)據(jù)來自太湖流域管理局組織的江蘇、浙江水文部門開展的環(huán)太湖水文巡測(cè)資料整編成果;藍(lán)藻和水草打撈量、水廠取水量數(shù)據(jù)摘自歷年《江蘇省水資源公報(bào)》,魚類捕撈量數(shù)據(jù)來自江蘇省太湖漁業(yè)管理委員會(huì)。其它數(shù)據(jù)摘自文獻(xiàn)并在文中逐一標(biāo)注說明。

圖1 太湖和入湖河流監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of monitoring stations in Lake Taihu and the rivers entering the lake

1.2 方法

1.2.1 質(zhì)量平衡計(jì)算 影響太湖總磷污染負(fù)荷質(zhì)量平衡計(jì)算的因子眾多,轉(zhuǎn)化機(jī)理復(fù)雜。近年來,關(guān)于太湖磷污染負(fù)荷的研究較多,朱廣偉等[8]基于2005-2018年長(zhǎng)時(shí)序監(jiān)測(cè)資料,重點(diǎn)關(guān)注水體中不同形態(tài)磷賦存量的季度變化,估算出太湖水體總磷賦存量;王華等[6]和吳浩云等[16]分別分析了2010-2017、1980-2020年入湖河道輸入、輸出磷污染負(fù)荷,但并未考慮干濕沉降輸入和水生動(dòng)植物捕撈等輸出影響;翟淑華等[10]依據(jù)太湖總磷質(zhì)量平衡,考慮出入湖各要素,計(jì)算了2015-2016年大水年太湖總磷的滯留量約分別占當(dāng)年磷總負(fù)荷的21.5%和27.5%,但分析數(shù)據(jù)系列有限,結(jié)論有一定的局限性。

本研究參考翟淑華等[17]的方法,對(duì)太湖總磷污染負(fù)荷主要影響因子進(jìn)行分析,基于太湖水量平衡,建立質(zhì)量平衡計(jì)算公式對(duì)太湖總磷污染負(fù)荷質(zhì)量平衡進(jìn)行估算分析。入湖污染負(fù)荷估算中,因太湖現(xiàn)已全面取締入湖排污口,入湖河道和大氣干濕沉降是太湖主要污染負(fù)荷來源,同時(shí)受監(jiān)測(cè)條件、資料所限,其它方式出入湖總磷負(fù)荷暫不納入估算;出湖污染負(fù)荷中,綜合考慮了出湖河道、水廠取水、生物收獲帶出量等因子。

水量平衡計(jì)算公式為:

WI+P+D±ΔV=Wo+E+Wc+ΔE

(1)

式中,WI、Wo分別為依據(jù)逐年環(huán)太湖水文巡測(cè)整編資料統(tǒng)計(jì)的入湖、出湖水量,P為湖面降水量,以環(huán)太湖周邊五站(西山、大浦口、夾浦、望亭立交、小梅口)平均降水量計(jì)算太湖湖面降雨深,以年太湖平均水位計(jì)算太湖水面面積,相乘得出;D為陸地產(chǎn)水入湖量,ΔV為太湖蓄變量,Wc為取水戶直接取水量;E為湖面蒸發(fā)量。

質(zhì)量平衡計(jì)算公式為:

W入湖+W干濕沉降+W年初=W滯留量+W出湖+W取水+W水生生物捕撈+W年末

(2)

因此,

W滯留量=W入湖+W干濕沉降+W年初-(W取水+W水生生物捕撈+W出湖+W年末)

(3)

式中,W入湖和W出湖分別為環(huán)太湖河道帶入和帶出太湖的磷負(fù)荷;W干濕沉降為通過干沉降和濕沉降帶入太湖的磷負(fù)荷;W年初和W年末分別為年初和年末太湖水體中磷存量;W取水為通過水廠取水帶出磷負(fù)荷;W水生生物捕撈為通過捕撈帶出磷負(fù)荷,包括藍(lán)藻、水草打撈和魚類捕撈等;W滯留量為太湖總磷負(fù)荷滯留量,主要為滯留于底泥和被水生生物吸收轉(zhuǎn)化的總磷負(fù)荷量。

1.2.2 總磷質(zhì)量平衡各要素計(jì)算

1) 水質(zhì)濃度: 水質(zhì)濃度根據(jù)太湖33個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)代表的水面面積加權(quán)平均計(jì)算得出,監(jiān)測(cè)站點(diǎn)代表面積按照泰森多邊形法確定。入湖河流平均濃度為《太湖流域管理?xiàng)l例》中明確的22條主要入湖河道監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的數(shù)學(xué)平均濃度。

2) 出入湖污染負(fù)荷: 環(huán)太湖出入湖水量資料是以水文巡測(cè)段或單站為最小單元進(jìn)行整編,為了計(jì)算匹配,出入湖污染負(fù)荷以水文巡測(cè)段或單站為單元進(jìn)行計(jì)算統(tǒng)計(jì)。月度環(huán)太湖出入湖磷污染負(fù)荷計(jì)算采用水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)濃度與其巡測(cè)段或單站月平均流量乘積計(jì)算得出,年度出入湖磷負(fù)荷總量為所有巡測(cè)段(站)年度磷負(fù)荷相加的和。

3) 干濕沉降入湖污染負(fù)荷: 楊龍?jiān)萚18]、劉濤等[15]、翟淑華等[10]、許志波等[19]分別研究了2002年7月-2003年6月、2011年、2015-2016年和2018年的太湖總磷干濕沉降成果,依據(jù)這些研究成果中的太湖干、濕沉降率并結(jié)合太湖水雨情分別估算其相近年份的2007-2010、2012-2014、2017、2019-2020年總磷干濕沉降負(fù)荷,估算公式為:

Q=Qd+Qw=Fd×d×S+Fw×S

(4)

其中,

Fw=kw×C×R

(5)

式中,Q為沉降量(kg);Qd、QW分別為干、濕沉降量(kg);Fd、Fw為干、濕沉降率(kg/km2);d為一年干沉降天數(shù)(d),S為太湖水面積(km2);kw為換算系數(shù),為1 L·kg/(mg·mm·km2·365 d),C為降雨總磷質(zhì)量濃度(mg/L),R為全年太湖湖面降水量(mm)。

4) 水生生物捕撈磷負(fù)荷: 水生生物捕撈輸出磷負(fù)荷為捕撈量與總磷含量的乘積。其中,打撈的藍(lán)藻藻水中含藻率約為0.5%,藍(lán)藻體內(nèi)總磷含量約為0.68%,藍(lán)藻總磷含量為藍(lán)藻藻水的0.0034%;根據(jù)相關(guān)研究,大型水生植物體中總磷含量約為0.044%(濕重)[20-22];魚類體內(nèi)總磷含量約為0.31%[23]。

5) 取水輸出磷負(fù)荷: 水廠直接取水帶出的磷負(fù)荷量按照當(dāng)年的取水量和原水水質(zhì)濃度估算。水廠取水水質(zhì)采用與水廠取水口位置鄰近的沙墩港、漁業(yè)村、貢湖、胥口、漫山和廟港6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)濃度的算術(shù)平均值。

6) 年初原有量和年末殘留量:太湖水體中污染負(fù)荷年初原有量和年末殘留量分別考慮太湖蓄水量、分區(qū)水面積和分區(qū)水質(zhì),其中蓄水量和分區(qū)水面積按照年初年末水位條件下水位-庫容曲線和水位-面積曲線計(jì)算,計(jì)算公式為:

(6)

式中,W為年初(年末)太湖水體中原有(殘留)量;Q為年初(年末)太湖蓄水量,Si為太湖分區(qū)水面積,S為太湖水面積;Ci為太湖第i分區(qū)年初(年末)總磷濃度?？紤]到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)性影響,為保證系列成果銜接,年初原有量與上年度年末殘留量均計(jì)為此兩項(xiàng)的均值。

2 結(jié)果

2.1 太湖總磷污染負(fù)荷各項(xiàng)影響因子輸入輸出量估算

2.1.1 環(huán)湖河道出入湖總磷污染負(fù)荷 2007年以來入湖河道入湖總磷污染負(fù)荷量為1835～2799 t,未見明顯下降趨勢(shì),其中以2010年最高,2016和2011年其次,近4年基本維持在2000 t左右。出湖總磷污染負(fù)荷量為516～906 t,其中以2016年最高,其次是2020年。凈入湖總磷污染負(fù)荷量為1090～2115 t,以2010年最高,之后有所下降,2019年最低,近4年基本維持在1200 t左右(圖2)。

圖2 2007-2020年出入太湖總磷污染負(fù)荷量年際變化Fig.2 Changes in the annual average pollution load of TP in inflow and outflow rivers of Lake Taihu, 2007-2020

2007年以來,22條主要入湖河道總磷平均濃度由0.190 mg/L下降到2020年的0.128 mg/L(圖3),但輸入總磷污染負(fù)荷卻未見明顯下降趨勢(shì),總磷入湖污染負(fù)荷增加與入湖水量增加有關(guān)[16]。從長(zhǎng)時(shí)序水文資料看,2007年后太湖流域處于相對(duì)豐水期,季海萍等[24]對(duì)太湖流域年降水量變化采用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法分析,發(fā)現(xiàn)2008-2017年較1986-2007年系列平均降水量多150 mm,增加了13%。2007-2020年環(huán)太湖年均入湖水量約為114.0億m3,較1986-2006年均值增加了33.0億m3,增幅近41%。

2.1.2 大氣干濕沉降輸入 以往分析表明,太湖外源輸入總磷負(fù)荷除環(huán)太湖河道的徑流輸入外,大氣干濕沉降也是太湖磷等營養(yǎng)鹽輸入的重要途徑[25]。工業(yè)生產(chǎn)中化工染料的大量使用、農(nóng)業(yè)化學(xué)肥料的大量施用和畜牧業(yè)的快速發(fā)展均向大氣中排放了大量的氮、磷污染物,這些污染物可通過干沉降(空氣塵粒)和濕沉降(雨、雪、霧等)的方式進(jìn)入太湖,增加太湖污染物總量[15,19]。根據(jù)估算結(jié)果,2007-2017年,太湖干濕沉降總磷污染負(fù)荷量呈先上升后下降的變化趨勢(shì),均值約為935 t,并以干沉降為主[15-19],其中干沉降總磷污染負(fù)荷量均值為660 t,濕沉降均值為275 t。2018年6月,國務(wù)院實(shí)施“打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃”,推動(dòng)產(chǎn)業(yè)、能源等重點(diǎn)領(lǐng)域結(jié)構(gòu)優(yōu)化,大氣污染物排放總量大幅減少,在一定程度上有效降低了入太湖干濕沉降負(fù)荷,2018年起太湖干濕沉降總磷污染負(fù)荷量大幅下降,2018-2020年干濕沉降總磷污染負(fù)荷量在300～350 t之間,其中干沉降均值為135 t,濕沉降均值為200 t(附表I)。

2020年6-7月,太湖流域水文水資源監(jiān)測(cè)中心曾對(duì)太湖湖面降水進(jìn)行5次抽樣監(jiān)測(cè),結(jié)果顯示僅1次總磷濃度超過0.01 mg/L的檢出限,為0.012 mg/L,濃度遠(yuǎn)低于同期太湖總磷濃度(0.068～0.077 mg/L)。若以0.012 mg/L作為當(dāng)年降雨總磷濃度的參考,結(jié)合當(dāng)年水雨情估算濕沉降總磷負(fù)荷輸入量?jī)H約為42.9 t;本文研究時(shí)因缺乏系統(tǒng)、完善的干沉降量資料和濕沉降總磷濃度資料,大氣干濕沉降負(fù)荷量結(jié)果為估算值,下一步有待開展深入專題研究。

2.1.3 水生動(dòng)植物的捕撈輸出 水生動(dòng)植物均能吸收轉(zhuǎn)化水中的氮、磷污染物,水草打撈、藻類打撈和魚類捕撈等能夠?qū)⒌?、磷等帶出水體,是湖泊水體總磷污染物總量的主要影響因子之一。

2007年無錫市供水危機(jī)以來,為應(yīng)對(duì)藍(lán)藻暴發(fā),無錫市、蘇州市和常州市均開展了藍(lán)藻打撈工作,藍(lán)藻藻水打撈量持續(xù)上升。2012年以前,太湖藍(lán)藻打撈量在100萬t以下,藍(lán)藻打撈帶出總磷污染負(fù)荷量約6.8～33.0 t;2012年起,太湖藍(lán)藻打撈量維持在120 萬t以上,2015年起,上升至150 萬t以上,近3年均超過170萬t,每年通過藍(lán)藻打撈從太湖帶出總磷污染負(fù)荷量超過57.8 t[26]。

大型水生植物可以通過根系吸收沉積物中的生物有機(jī)磷,同時(shí)能夠抑制底泥再懸浮,有效減少沉積物間隙水中的磷向上覆水的擴(kuò)散量,還可通過莖葉攔截、吸附水中的顆粒物質(zhì)來吸附水中的可溶性磷[27]。但其死亡腐爛會(huì)造成氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)的再次釋放,污染水質(zhì)。2012年起,江蘇省對(duì)貢湖、東太湖等部分湖區(qū)實(shí)施區(qū)域水草打撈。近年,太湖水草打撈量總體呈先上升后下降的趨勢(shì),以2014年最高,當(dāng)年水草打撈量(濕重)為20萬t,估算從太湖帶出總磷污染負(fù)荷量為88 t;2016年后,為養(yǎng)護(hù)太湖水草,環(huán)湖各地市逐年減少了收割打撈量,2017-2020年均打撈量約為6萬～7萬t,帶出總磷污染負(fù)荷量約為30 t。

2007-2014年太湖捕撈量參考谷孝鴻等的報(bào)道[28],之后采用江蘇省太湖漁業(yè)管理委員會(huì)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。2007-2019年,太湖魚類捕撈量在3.5萬～7.2萬t左右,總體呈上升趨勢(shì);魚類捕撈帶出太湖的總磷負(fù)荷量約為108～226 t,均值為169 t。2020年江蘇省農(nóng)業(yè)廳發(fā)布太湖“十年禁捕”通告,當(dāng)年10月1日起全面停止捕撈作業(yè),估算2020年捕撈量為5.4萬t,帶出總磷量約為167.4 t。

2007-2020年水生動(dòng)植物捕撈量及其帶出太湖的總磷污染負(fù)荷量詳見附表II。太湖水生動(dòng)植物捕撈帶出總磷量呈階段式上升趨勢(shì),其中2007-2011年由100 t逐漸上升至200 t左右;水草打撈開始后,2012年起增加至200 t以上;2015年起均超過了300 t,并以2016年為最高,之后水草打撈減少、魚類禁捕后有所降低。

2.1.4 取水輸出 2007年以來,太湖各水廠取水量有所上升,取水總磷平均濃度總體呈下降趨勢(shì)。水廠取水輸出總磷污染負(fù)荷均值為60 t左右,年際間呈現(xiàn)不同的變化,近5年均值在65 t左右。2007年以來,太湖水廠輸出總磷污染負(fù)荷量詳見附表Ⅲ。

2.1.5 太湖水體總磷負(fù)荷年初原有量和年末殘留量估算 由2007-2020年太湖水體中總磷污染負(fù)荷量變化(附表Ⅳ)可見,近年太湖水體中總磷污染負(fù)荷約為300～500 t,年內(nèi)水體中總磷污染負(fù)荷量變化有增有減,除2020年年末較年初減少168 t外,其余年份基本在150 t之內(nèi)變化。太湖水體中總磷污染負(fù)荷量除與水體中總磷濃度有關(guān)外,也受太湖蓄水量直接影響。

2.2 太湖總磷污染負(fù)荷質(zhì)量平衡計(jì)算結(jié)果

近年太湖總磷污染負(fù)荷輸入量約為2155～3771 t,均值為2889 t;輸出量基本在741～1309 t之間,均值為940 t;總磷輸入量遠(yuǎn)大于輸出量,多出的總磷污染負(fù)荷量一部分為太湖水體中總磷存量變化,其余為滯留于底泥中或水生生物體內(nèi)的總磷負(fù)荷量[10],質(zhì)量平衡計(jì)算結(jié)果詳見表1。其中,由于干濕沉降量缺少系列實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),部分年份采用文獻(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)合水情相近年份進(jìn)行估算,對(duì)質(zhì)量平衡計(jì)算結(jié)果精度有一定影響;因未查詢到相關(guān)數(shù)據(jù),根據(jù)歷年數(shù)據(jù)對(duì)2012年水草打撈量和2020年生物收獲量進(jìn)行了估算,估算值與真實(shí)值有一定誤差,但水草打撈和魚類捕撈均在出湖污染負(fù)荷總量中占比較小,對(duì)當(dāng)年質(zhì)量平衡計(jì)算結(jié)果的影響有限。

表1 2007-2020年太湖總磷負(fù)荷質(zhì)量平衡Tab.1 Mass balance of TP load in Lake Taihu, 2007-2020

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果,2007-2020年太湖總磷年負(fù)荷滯留量為1080～3036 t,年均值為1959 t,表明目前太湖底泥仍是磷“匯”,對(duì)總磷的吸附和沉積作用要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于釋放?？偭诇袅考s占太湖總磷污染負(fù)荷量的41%～74%,總體呈先上升后下降的變化趨勢(shì),以2011年最高,2012年之后基本以2000 t以下為主,2018年開始年負(fù)荷滯留量明顯減少,連年處于最低的水平。滯留于太湖中的磷主要吸附于底泥中或被水生生物吸收,大量總磷負(fù)荷逐年累積,成為影響太湖水體總磷濃度的重要內(nèi)源,這也是近年來太湖入湖河流總磷濃度持續(xù)改善,但太湖總磷濃度持續(xù)高位波動(dòng)的主要原因之一。

3 分析與討論

3.1 太湖輸入、輸出總磷負(fù)荷分析

以環(huán)湖河道入湖總磷污染負(fù)荷量、干濕沉降入湖量和年初水體原有量合計(jì)估算太湖總磷污染負(fù)荷量。2007年以來,太湖總磷污染負(fù)荷量總體呈先上升后下降的變化趨勢(shì)(圖4a),以2011年最高(4119 t),2017年以后基本維持在2600～3000 t。入太湖河道輸入總磷污染負(fù)荷仍是太湖總磷的最主要來源,其占比達(dá)到55%～73%,2018年起基本維持在70%左右。干濕沉降輸入是太湖總磷污染負(fù)荷輸入的第二大來源,其輸入總磷負(fù)荷占12%～38%,2018年起基本維持在12%左右。年初太湖水體中原有總磷負(fù)荷量占8%～15%,2015年之后基本維持在11%～15%之間。

圖4 2007-2020年各途徑進(jìn)(a)、出(b)太湖的總磷負(fù)荷量分布Fig.4 Distribution of TP load in(a) and out(b) of Lake Taihu from different ways, 2007-2020

太湖各途徑輸出總磷污染負(fù)荷量分布(圖4b)顯示,水廠取水輸出總磷污染負(fù)荷量?jī)H占太湖負(fù)荷量的2%～3%左右;水生動(dòng)植物捕撈約占4%～12%,近年基本維持在10%左右,2020年有所下降;環(huán)湖河道出湖帶出總磷污染負(fù)荷是太湖總磷輸出的主要途徑,其占比總體呈上升趨勢(shì),2015年起基本維持在13%～30%之間,以2020年最高為29.8%;年末水體殘留量基本以8%～15%為主,以2020年最低(8.6%)。滯留在底泥中和被吸收、利用分解的總磷污染負(fù)荷量約占太湖總磷負(fù)荷量的41%～74%,總體呈先升后下降的趨勢(shì),2012年之后逐步降低,2015年起維持在41%～55%左右。

3.2 滯留污染負(fù)荷對(duì)總磷濃度變化的影響

《太湖流域水環(huán)境綜合治理總體方案》中明確太湖總磷的納污能力為514 t/a,近年太湖總磷凈輸入污染負(fù)荷均值為1959 t,約為太湖總磷納污能力的3.81倍,大量總磷污染負(fù)荷以太湖底泥的形式存在于湖體中[10]。太湖流域管理局2013年和2018年的太湖底泥調(diào)查表明,太湖底泥中總磷含量明顯上升,全湖平均由2003年的598.1 mg/kg上升為674.8 mg/kg[29],沉積的磷在一定條件下會(huì)逐步釋放,成為影響水質(zhì)的主導(dǎo)因子[30]。底泥是磷元素累積和再生的重要場(chǎng)所,沉積在底泥中的磷易于泛起再懸浮,通過各種復(fù)雜的過程再次釋放到上覆水中,造成水體中總磷濃度的升高[31]。據(jù)逄勇等報(bào)道[32],每年太湖內(nèi)源年均進(jìn)入水體的凈底泥量為19.03萬t,總磷約275.5 t。

已有大量研究表明,底泥中磷的釋放主要與水體中的溶解氧、水溫、pH和水體擾動(dòng)有關(guān),溶解氧濃度的降低、水溫的升高、pH值的上升以及湖流速度的加大都有利于底泥中磷的釋放[29-30,33-35]。2007年后,太湖溶解氧濃度年均值基本在9.0～10.0 mg/L之間波動(dòng),pH年均值在8.11～8.52之間波動(dòng),均無明顯的趨勢(shì)性變化。吳凡等的研究表明,近年來太湖地區(qū)的氣溫有明顯升高趨勢(shì),增幅超過了0.2℃/10 a[36-37],太湖流域水文水資源監(jiān)測(cè)中心對(duì)太湖水溫監(jiān)測(cè)資料也表明,2007-2013年太湖平均水溫較2014-2020年上升了0.9℃(圖5a),而冬春季(12月-次年4月)太湖平均水溫上升了2.0℃(圖5b)。一方面,太湖水溫升高促進(jìn)底泥中磷的交換,有利于底泥中磷的釋放;另一方面,水溫是影響太湖藍(lán)藻水華發(fā)生的主要?dú)庀笠蜃又?尤其是冬春季水溫偏高,有利于藍(lán)藻越冬、復(fù)蘇。藍(lán)藻生長(zhǎng)的“泵吸作用”以及水華堆積之后的“耗氧效應(yīng)”,會(huì)加快底泥磷的釋放,底泥中釋放的磷除了滿足藻類生產(chǎn)需求外,還能通過生物富集,使水體中總磷濃度升高[38]。

圖5 2007-2020年太湖全年(a)及冬春季(b)水溫變化Fig.5 Variation of annual(a) and winter-spring (b) water temperature in Lake Taihu, 2007-2020

太湖作為淺水型湖泊,不同于深水湖泊靠濃度梯度釋放營養(yǎng)物質(zhì)[39],風(fēng)浪等動(dòng)力擾動(dòng)引起沉積物再懸浮對(duì)淺水湖泊內(nèi)源釋放影響較大。水流流速加大也會(huì)增加水體擾動(dòng),使沉積在底泥中的磷易于擴(kuò)散到上覆水中,提高水體中的總磷濃度。2007年以來,太湖流域處于相對(duì)豐水期,加之“引江濟(jì)太”工程的實(shí)施,促進(jìn)了太湖水體的循環(huán),環(huán)太湖出入湖水量均呈上升趨勢(shì)[40],太湖換水周期明顯縮短,太湖及其周邊水體的流動(dòng)速度加快,一定程度上促進(jìn)了底泥間隙水中的營養(yǎng)物質(zhì)的加速釋放,同時(shí)水動(dòng)力作用使脫離底泥的顆粒在數(shù)量上大過絮凝沉淀的顆粒,可導(dǎo)致總磷濃度升高。

4 結(jié)論

2007年以來太湖總磷污染負(fù)荷的年均輸入量為2889 t,年均輸出量為940 t,近年來年輸入量已有明顯下降,但遠(yuǎn)大于輸出量的狀況仍在持續(xù);年均約有1959 t的總磷滯留在湖體的底泥中或水生生物體內(nèi),約為太湖總磷納污能力的3.81倍,是影響太湖水體總磷濃度的重要內(nèi)源。2007年以來,總磷輸入污染負(fù)荷年際間總體為先升后降,2018年后基本維持在2200 t左右。入湖河道總磷污染負(fù)荷是太湖總磷最主要的輸入來源,占太湖總磷負(fù)荷的55%～73%,仍未見明顯下降趨勢(shì);湖面干濕沉降也是太湖總磷輸入的主要來源之一。2007年以來,太湖總磷出湖污染負(fù)荷年均值約為940 t,總體呈上升趨勢(shì),僅占太湖總磷輸入污染負(fù)荷的1/3左右。出湖河道帶出總磷污染負(fù)荷是太湖總磷輸出最主要的途徑,占太湖總磷負(fù)荷量的13%～30%;年際間通過水草和藍(lán)藻打撈、魚類捕撈、水廠取水等帶出的總磷負(fù)荷量較為穩(wěn)定,也是太湖總磷污染負(fù)荷輸出的重要途徑。近年來,太湖地區(qū)氣溫升高、太湖水體流動(dòng)速度加快一定程度上促進(jìn)了底泥中總磷的釋放,對(duì)太湖水體中總磷濃度升高有一定的影響。

5 附錄

附表Ⅰ～Ⅳ見電子版(DOI: 10.18307/2023.0520)。