骆马湖夏季水质空间分布特征及评价

引用本文

唐金玉, 覃宝利, 吴春, 等. 骆马湖夏季水质空间分布特征及评价[J]. 生态与农村环境学报, 2019, 35(3): 360-367.

TANG Jin-yu, QIN Bao-li, WU Chun, et al. Trophic Assessment and Water-Quality Spatial Distribution of Luoma Lake During Summertime[J]. Journal of Ecology and Rural Environment, 2019, 35(3): 360-367.

骆马湖夏季水质空间分布特征及评价

唐金玉 ^1,2, 覃宝利 ¹, 吴春 ¹, 叶建勇 ¹, 王宣朋 ¹, 丁辰龙 ¹

1. 江苏省农业科学院宿迁农科所, 江苏宿迁 223800;
2. 南京农业大学动物科技学院, 江苏南京 210014

收稿日期：2018-06-20

基金项目：江苏省区域现代农业与环境保护协同创新中心科技项目（HSXT2-214）；宿迁市科技支撑计划项目（农业）（L201602）

作者简介：唐金玉(1986-), 男, 山东高密人, 助理研究员, 博士, 主要研究方向为水域生态。E-mail:11017030@zju.edu.cn.

通信作者：丁辰龙, E-mail: dcl0625@126.com.

摘要：开展人类活动影响下骆马湖水质状况调查，明确水体理化指标分布特征，有助于城郊过水性湖泊的有效保护和开发利用。2017年夏季（6-8月）对骆马湖水体理化指标开展调查，分析水质现状和水体营养状态变化特征，并结合Piper三角图和等值线图法分析骆马湖理化指标空间分布规律。结果表明，夏季骆马湖透明度、ρ（DO）和pH值较1991-2014年平均水平无明显变化，但N、P和有机污染物浓度以及主要离子组成变化显著。骆马湖ρ（TN）、ρ（TP）及COD_Mn达Ⅴ类水标准，大部分湖区处于中度富营养化状态，小部分湖区处于重度富营养化状态，湖区东北部主要离子组成由Ca²⁺+HCO₃^-转变为Na⁺（K⁺）+HCO₃^-，其余湖区则转变为Na⁺（K⁺）+Cl^-。水体中HCO₃^-、Ca²⁺、Mg²⁺和PO₄³⁺浓度以及pH、总碱度和总硬度等具有显著空间差异性（P < 0.05）。骆马湖水质指标空间分布复杂，Ca²⁺和Mg²⁺浓度以及总碱度、总硬度呈现东北部高、西南部低的特点，而TN、TP和叶绿素a浓度以及COD_Mn总体呈现北部高、东部低的特点。不同理化指标空间分布主要与入湖径流中污染物、湖泊内生产活动和湖泊净化能力有关，人类活动对骆马湖水质的干扰已不容忽视。

关键词：城郊湖泊理化指标叶绿素a 营养状态空间分布

Trophic Assessment and Water-Quality Spatial Distribution of Luoma Lake During Summertime

TANG Jin-yu ^1,2, QIN Bao-li ¹, WU Chun ¹, YE Jian-yong ¹, WANG Xuan-peng ¹, DING Chen-long ¹

1. Suqian Institute of Agricultural Sciences, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Suqian 223800, China;
2. College of Animal Science & Technology, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210014, China

Abstract: Luoma Lake is a suburban lake with the characteristics of water carrying in the northern Jiangsu Province, China. The information of physicochemical parameters in Luoma Lake will help to assess the trophic state and well understand the application values of suburban lakes, and further provide scientific basis for protecting and exploiting the water resources. In this study, the current water-quality characterization and trophic state at 20 uniform distributed sites in Luoma Lake were investigated monthly from June to August, 2017. The spatial distributions of the physicochemical parameters were assessed by the piper plot and isoline map. Results show that total nitrogen (TN), total phosphorus (TP) and chemical oxygen demand (COD_Mn) were significantly increased and the dominant ions were transformed from Ca²⁺+HCO₃^- to Na⁺(K⁺)+Cl^-, while the secchi depth, dissolved oxygen and pH were not changed compared to the years from 1991 to 2014. The concentrations of ρ(TN), ρ(TP) and COD_Mn varied in the range of 2.540-3.246, 0.173-0.531 and 9.90-14.29 mg·L^-1, respectively. According to the Environmental Quality Standards for Surface Water, Luoma Lake fell into the categories of Ⅴ in water quality. The comprehensive trophic level index indicate that most sites of the Lake were reached the state of mesotrophication, some sites even reached the state of hypertrophication. The spatial distributions of pH, HCO₃^-, Ca²⁺, Mg²⁺, total alkalinity and total hardness were significant different among sampling sites (P < 0.05). The spatial distributions of water-quality parameters were complicated, Ca²⁺, Mg²⁺, total alkalinity and total hardness were higher in the northeast region than that in the southwest region, while ρ(TN), ρ(TP), COD_Mn and ρ(chlorophyll a) were higher in the north region than in the east region in Luoma Lake. The differences of spatial distribution among these physicochemical parameters were attributed to the contaminants contained in the inflowing rivers, the human activities and the self-purification functions in the Luoma Lake, which indicate that the disturbances in suburban lakes caused by human activity should not be ignored.

Key words: suburban lake physicochemical parameters chlorophyll a trophic state spatial distribution

城郊湖泊作为一种重要水生态系统, 承担着城市气候调节、水资源调蓄、工农业生产和旅游景观等多种功能, 对社会、经济、生态环境建设和城市安全具有重要影响^[1-2]。随着社会经济发展, 人类活动如生活污水、工农业排水、渔业养殖和航运等行为造成湖泊水环境污染和生态系统退化等问题日益凸显, 严重削弱城郊湖泊生态系统服务功能^[3]。研究表明, 不同人类活动对水环境污染物组成的影响不同^[4-5]。因此, 开展人类活动影响下城郊湖泊营养状态和水环境评价, 对水资源保护和和生态服务功能开发利用具有重要意义^[6]。

骆马湖地处江苏省宿迁市城郊, 是南水北调工程重要的调蓄库, 同时也是宿迁市和徐州市等地重要饮用水源。近几年, 由于骆马湖流域工业和农业的迅速发展, 水体富营养化、重金属污染和PPCPs污染等问题受到广泛关注^[7-11]。然而, 已有研究因采样点偏少难以体现全湖水质特征^[8], 或根据功能区域设置采样点, 没有考虑骆马湖过水性湖泊特征^[7]。此外, 有关骆马湖天然水化学(K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Cl^-、SO₄^2-、HCO₃^-和CO₃^2-)含量及分布特征尚鲜见报道。通过调查骆马湖水体理化指标, 利用Piper三角图和等值线图法分析骆马湖水质空间分布特征及其影响因素, 并结合历史数据分析其水质变化特征, 以期为城郊过水性湖泊水环境管理、多样性保护和生态服务功能开发提供科学依据。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

骆马湖(34°00′~34°14′ N, 118°05′~118°19′ E)位于江苏省北部, 地跨宿迁市宿豫区和徐州市新沂市。骆马湖是淮河流域第3大湖泊, 平均水深为3.32 m, 水面面积为287 km², 容积9.18亿m³, 汇水面积约为1 300 km²(湖泊水位为22.83 m)。骆马湖北面通过京杭大运河与山东南四湖相连, 南面与洪泽湖相连, 继而与长江水系相通, 入湖河流主要有沂河水系、南四湖水系和邳苍地区共40多条支流, 出流有3处, 分别为经嶂山闸入新沂河, 经皂河闸入中运河(下段)和经洋河滩闸入总六塘河。据统计, 骆马湖年水位变幅为1.90~5.73 m, 年换水10次左右, 属典型过水性湖泊^{[7, 10]}。

1.2 样品采集与分析

骆马湖北部主要为圈圩及围网养殖区域, 其面积约占湖泊面积的14.2%, 因采样船进出困难, 故未列入调查范围。根据骆马湖南部形态特征、面积大小和水流方向, 共布设20个采样点(标记为L01~L20, 图 1)。其中, 采样点L14、L16和L19为水草区, 其余采样点附近无水草。此外, 采样点L10毗邻采砂区, L13毗邻网箱养殖区。采样时间为2017年6月9日、7月9日和8月9日, 采样点使用GPS(集思宝G120BD)定位。

图 1 骆马湖水质采样点示意 Fig. 1 Spatial distribution of sampling sites in Luoma Lake during summertime

现场测定参数为水温、ρ(DO)(YSI 85溶氧仪)、pH(YSI 60 pH计)和透明度(塞氏盘)。利用5 L采水器在水面下采集水样。每个采样点采样数由水深(Meacon MIK-SFCC超声波测深仪)决定, 当水深为 < 2 m时, 于水面下0.5 m处采样; 当水深为2~3 m时, 距湖底0.5 m处加采1个水样; 当水深为>3~5 m时, 于中间层(1.5~2.5 m)再增加1个采水样点; 当水深为>5 m时, 除于水面下和湖底上0.5 m处采样外, 每隔3 m加采1个水样。将各层水样等量混合后, 以混合水样作为采样点水样, 分别灌入1 L玻璃样品瓶(用于水化学分析)和200 mL玻璃样品瓶(用于叶绿素a分析)中。将玻璃样品瓶置于预先加水的船舱中(水深10~15 cm), 并加盖薄木板遮阴。采样完成后将水样运回实验室, 并在3 d内完成水化学分析(分析前保存在4 ℃条件下)。水化学指标包括ρ(CO₃^2-)、ρ(HCO₃^-)、ρ(Cl^-)、ρ(SO₄^2-)、ρ(Ca²⁺)、ρ(Mg²⁺)、总碱度、总硬度、ρ〔TAN(NH₄⁺和NH₃)〕、ρ(NO₂^-)、ρ(NO₃^-)、ρ(PO₄^3-)、ρ(TN)、ρ(TP)和高锰酸钾指数(COD_Mn)。水化学指标和叶绿素a浓度根据文献[12]测定。

1.3 数据处理

ρ(Na⁺+K⁺)计算公式^[12]为

$ \begin{array}{l} \rho ({\rm{N}}{{\rm{a}}^ + } + {{\rm{K}}^ + }) = [1/2 \times \rho ({\rm{C}}{{\rm{O}}_3}^{2 - }) + \rho ({\rm{HC}}{{\rm{O}}_3}^ - ) + 1/2 \times \\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\rho ({\rm{S}}{{\rm{O}}_4}^{2 - }) + \rho ({\rm{C}}{{\rm{l}}^ - }) - 1/2 \times \rho ({\rm{C}}{{\rm{a}}^{2 + }}) - \\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;1/2 \times \rho ({\rm{M}}{{\rm{g}}^{2 + }})] \times 25。\end{array} $

(1)

式(1)中, ρ(Na⁺+K⁺)单位为mg·L^-1; ρ(CO₃^2-)、ρ(HCO₃^-)、ρ(SO₄^2-)、ρ(Cl^-)、ρ(Ca²⁺)和ρ(Mg²⁺)单位为mmol·L^-1。

利用综合营养状态指数(TLI, I_TL)评价骆马湖夏季营养状态, 计算公式^[13]为

$ {I_{{\rm{TL}}}} = \sum\limits_{j = 1}^5 {{I_{{\rm{TL}},j}} \times {W_j}} 。$

(2)

式(2)中, I_{TL, j}分别为透明度、TN、TP、COD_Mn和叶绿素a指标的营养状态指数; W_j为第j种指标权重。各指标的营养状态指数、相关权重和分级标准参考文献[13]。

先采用单因素方差分析(one-way ANOVA)方法检验空间分布对水质指标的影响, 再采用HSD检验法进一步比较不同采样点间各指标差异。利用Piper三角图和等值线图法分析骆马湖夏季水质分布特征。数据处理、统计分析和绘图采用ArcGIS 10.2和Origin 9.2软件。

2 结果与分析 2.1 骆马湖夏季水温、透明度、ρ(DO)和pH

骆马湖夏季水温、透明度、ρ(DO)和pH见表 1。2017年夏季骆马湖水温为25.4~29.6 ℃〔平均值为(27.1±1.9) ℃〕, 透明度为60~110 cm〔平均值为(82±20) cm〕, ρ(DO)为6.25~12.23 mg·L^-1〔平均值为(8.92±1.54) mg·L^-1〕, pH值为8.02~8.82(平均值为8.45±0.24)。one-way ANOVA分析表明, 空间分布对pH值影响极显著(F=3.37, P < 0.01), 但对水温、透明度和ρ(DO)无显著影响(P>0.05)。

表 1 骆马湖夏季水温、透明度、ρ(DO)和pH值 Table 1 Water temperature, secchi depth, dissolved oxygen and pH in Luoma Lake during summertime

2.2 骆马湖夏季主要离子、总碱度和总硬度

骆马湖夏季主要离子浓度、总碱度和总硬度见表 2。2017年夏季骆马湖ρ(HCO₃^-)(F=3.03)、ρ(Ca²⁺)(F=3.51)、ρ(Mg²⁺)(F=3.23)、总碱度(F=3.03)和总硬度(F=4.21)空间差异极显著(P < 0.01)。其中, 采样点L18与L09、L10和L11间ρ(HCO₃^-)和总碱度差异显著, L09、L10与L16~L20间ρ(Ca²⁺)差异显著, L10与L01、L16、L19和L20间总硬度差异显著(P < 0.05, 表 2)。

表 2 骆马湖夏季主要离子浓度、总碱度和总硬度 Table 2 Concentrations of the main ions, total alkalinity and total hardness in Luoma Lake during summertime

采样点	ρ(HCO₃^-)¹⁾/(mg·L^-1)	ρ(Cl^-)/(mg·L^-1)	ρ(SO₄^2-)/(mg·L^-1)	ρ(Ca²⁺)¹⁾/(mg·L^-1)	ρ(Mg²⁺)¹⁾/(mg·L^-1)	ρ(Na⁺+K⁺)/(mg·L^-1)	总碱度¹⁾/(mg·L^-1)	总硬度¹⁾/(mg·L^-1)
L01	137.35±6.05^ab	78.42±19.59	72.76±8.03	41.12±2.18^ab	21.52±1.07^a	96.94±13.60	113.73±5.01^ab	192.66±9.94^b
L02	135.53±12.88^ab	78.77±17.97	66.59±10.56	45.75±0.40^ab	19.96±2.28^a	95.00±9.81	112.22±10.67^ab	197.75±8.50^ab
L03	135.51±8.66^ab	79.52±18.32	78.93±5.21	52.35±4.96^ab	16.42±4.77^a	96.90±10.97	112.20±7.18^ab	199.48±7.49^ab
L04	138.93±18.73^ab	77.48±17.12	73.16±4.37	48.84±3.97^ab	17.35±2.73^a	96.73±5.13	115.03±15.52^ab	194.59±1.44^ab
L05	136.33±20.28^ab	74.74±14.37	73.66±2.82	61.61±20.44^ab	10.91±13.51^a	91.08±1.59	112.88±16.80^ab	191.33±5.19^ab
L06	140.78±16.12^ab	70.05±11.27	72.86±11.27	54.88±2.18^ab	12.80±2.97^a	92.70±3.66	116.56±13.35^ab	190.72±6.92^ab
L07	145.84±8.09^ab	64.82±5.28	68.48±4.79	60.49±6.95^ab	12.71±0.85^a	88.82±5.93	120.75±6.69^ab	204.37±13.83^ab
L08	158.22±2.10^ab	63.03±4.86	70.57±0.70	64.70±13.30^ab	11.87±7.12^a	92.02±2.20	131.01±1.75^ab	211.40±3.60^ab
L09	170.88±3.01^a	63.88±3.24	71.46±1.13	75.31±9.81^a	10.36±6.37^a	95.39±3.41	141.48±2.48^a	231.68±2.02^ab
L10	169.37±5.14^a	66.32±3.17	76.84±5.63	56.98±2.78^a	22.43±1.94^a	96.63±3.46	140.23±4.25^a	236.16±1.15^a
L11	176.59±14.48^a	67.06±3.52	68.58±9.72	46.74±14.89^ab	27.53±7.72^a	99.59±1.56	146.21±12.00^a	231.78±5.04^ab
L12	159.57±8.72^ab	72.30±13.04	67.88±19.43	42.86±10.04^ab	28.14±1.36^a	97.10±10.57	132.12±7.22^ab	224.65±19.45^ab
L13	138.66±34.03^ab	76.93±21.98	76.54±0.42	42.55±8.10^ab	23.73±2.55^a	95.31±5.45	114.81±28.18^ab	205.45±30.92^ab
L14	150.80±8.34^ab	76.03±19.73	77.54±4.08	40.53±11.12^ab	26.60±4.30^a	98.93±12.24	124.86±6.91^ab	212.37±9.86^ab
L15	142.56±2.95^ab	76.78±19.38	71.27±6.76	41.54±3.18^ab	23.19±2.68^a	96.72±12.92	118.03±2.45^ab	200.68±3.21^ab
L16	132.66±2.03^ab	79.77±19.38	73.76±3.80	34.53±9.92^b	25.42±6.97^a	96.12±12.78	109.84±1.68^ab	192.42±4.23^b
L17	129.09±1.45^ab	80.87±18.11	71.66±2.25	34.95±2.98^b	25.80±4.04^a	94.83±12.47	106.89±1.20^ab	195.08±9.40^ab
L18	112.40±13.63^b	82.16±17.83	75.25±1.97	31.02±1.39^b	28.32±2.30^a	89.28±6.46	93.07±11.29^b	195.76±6.13^ab
L19	154.94±14.56^ab	80.77±20.08	80.63±3.94	35.09±9.92^b	25.48±5.85^a	106.64±20.68	128.29±12.05^ab	194.10±0.45^b
L20	131.20±6.23^ab	81.02±20.43	80.13±3.80	33.54±10.52^b	25.97±5.92^a	97.25±12.53	108.63±5.16^ab	192.27±1.62^b
1)同一列数据后英文小写字母不同表示不同采样点间某指标差异显著(P < 0.05)。总碱度和总硬度均以CaCO₃计。未检测到CO₃^2-。

表 2 骆马湖夏季主要离子浓度、总碱度和总硬度 Table 2 Concentrations of the main ions, total alkalinity and total hardness in Luoma Lake during summertime

由图 2可知, 骆马湖不同湖区主要离子组成差异较小。阴离子以Cl^-为最多, 约占阴离子总量的37.3%~52.6%〔平均值为(45.3±4.2)%〕, 其次为HCO₃^-, 约占阴离子总量的33.7%~46.8%〔平均值为(40.1±3.7)%〕。而阳离子以Na⁺+K⁺为最丰富, 约占阳离子总量的62.1%~68.7%〔平均值为(65.2±1.7)%〕。骆马湖水化学类型主要为氯化物型〔Na⁺(K⁺)+Cl^-〕, 部分采样点如L09~L12等处水化学类型为重碳酸盐型〔Na⁺(K⁺)+HCO₃^-〕。

图 2 骆马湖夏季主要离子Piper三角图 Fig. 2 The Piper triangle diagram for main ions in Luoma Lake during summertime

2.3 骆马湖夏季N、P和有机质

2017年夏季骆马湖水体ρ(TN)为2.540~3.246 mg·L^-1, ρ(TP)为0.173~0.531 mg·L^-1, TN/TP为5.95~15.31, COD_Mn为9.90~14.29 mg·L^-1(表 3)。空间分布对骆马湖夏季水体ρ(PO₄^3-)影响显著(F=2.43, P < 0.05), 而对TAN、NO₂^-、NO₃^-、TN和TP浓度以及TN/TP和COD_Mn均无显著影响(P>0.05)。

表 3 骆马湖夏季氮、磷及有机质含量 Table 3 Concentrations of nitrogen, phosphorus and COD_Mn in Luoma Lake during summertime

采样点	ρ(TAN)/(mg·L^-1)	ρ(NO₂^-)/(mg·L^-1)	ρ(NO₃^-)/(mg·L^-1)	ρ(PO₄^3-)¹⁾/(mg·L^-1)	ρ(TN)/(mg·L^-1)	ρ(TP)/(mg·L^-1)	TN/TP	COD_Mn/(mg·L^-1)
L01	0.179±0.014	0.047±0.036	0.322±0.260	0.003±0.001^a	2.691±0.390	0.219±0.180	14.47±10.14	11.20±2.55
L02	0.153±0.129	0.047±0.036	0.313±0.271	0.003±0.001^a	2.843±0.154	0.212±0.071	14.23±4.76	9.90±0.97
L03	0.184±0.093	0.069±0.018	0.404±0.130	0.004±0.002^a	2.599±0.189	0.231±0.087	12.12±4.57	12.72±0.45
L04	0.131±0.045	0.069±0.016	0.388±0.153	0.008±0.009^a	2.540±0.260	0.239±0.120	12.18±6.12	11.33±0.74
L05	0.144±0.091	0.075±0.015	0.482±0.041	0.002±0.001^a	2.750±0.213	0.254±0.098	11.70±4.51	11.01±2.79
L06	0.268±0.230	0.081±0.024	0.492±0.021	0.009±0.002^a	2.574±0.106	0.304±0.049	8.57±1.38	11.44±0.56
L07	0.303±0.002	0.104±0.025	0.474±0.019	0.042±0.054^a	3.053±0.071	0.385±0.033	7.96±0.68	11.99±0.34
L08	0.148±0.122	0.100±0.053	0.481±0.051	0.052±0.052^a	3.070±0.071	0.424±0.033	7.27±0.56	13.47±1.57
L09	0.143±0.115	0.067±0.031	0.514±0.029	0.044±0.060^a	3.120±0.130	0.504±0.060	6.23±0.74	13.34±0.88
L10	0.218±0.051	0.066±0.026	0.516±0.025	0.064±0.135^a	3.095±0.236	0.531±0.109	5.95±1.22	13.69±0.58
L11	0.135±0.069	0.076±0.045	0.581±0.001	0.058±0.015^a	3.070±0.319	0.474±0.147	6.81±2.11	12.51±1.35
L12	0.210±0.112	0.056±0.021	0.578±0.003	0.053±0.071^a	3.187±0.343	0.304±0.158	12.11±6.29	11.39±0.60
L13	0.150±0.009	0.020±0.027	0.455±0.178	0.020±0.013^a	3.246±0.603	0.427±0.278	9.63±6.26	12.13±3.78
L14	0.182±0.010	0.045±0.002	0.414±0.236	0.017±0.008^a	3.221±0.236	0.223±0.109	14.38±7.99	11.67±3.92
L15	0.117±0.016	0.034±0.022	0.342±0.336	0.015±0.011^a	3.221±0.343	0.258±0.158	13.37±9.42	13.57±0.49
L16	0.129±0.006	0.039±0.013	0.468±0.155	0.006±0.001^a	3.196±0.130	0.173±0.060	14.63±6.79	14.29±1.59
L17	0.095±0.003	0.035±0.048	0.470±0.128	0.006±0.001^a	3.229±0.296	0.289±0.136	12.58±5.94	12.93±2.43
L18	0.086±0.009	0.039±0.054	0.382±0.263	0.016±0.002^a	3.212±0.225	0.212±0.104	15.23±8.43	10.93±4.19
L19	0.092±0.079	0.036±0.050	0.376±0.260	0.020±0.010^a	3.196±0.166	0.208±0.076	14.49±6.05	12.09±3.11
L20	0.081±0.037	0.040±0.049	0.374±0.281	0.016±0.007^a	3.196±0.307	0.200±0.142	15.31±10.08	12.15±2.35
1)同一列数据后英文小写字母不同表示不同采样点间某指标差异显著(P < 0.05)。TAN包括NH₄⁺和NH₃。

表 3 骆马湖夏季氮、磷及有机质含量 Table 3 Concentrations of nitrogen, phosphorus and COD_Mn in Luoma Lake during summertime

2.4 骆马湖夏季叶绿素a

采样点L01~L20处ρ(叶绿素a)分别为(31.7±4.4)、(30.8±0.2)、(30.9±2.9)、(30.0±0.1)、(26.1±1.1)、(33.1±7.1)、(37.5±8.2)、(42.7±2.4)、(45.4±5.2)、(39.6±6.1)、(40.6±12.3)、(31.2±11.4)、(30.1±18.0)、(35.4±5.7)、(40.7±6.9)、(34.0±2.9)、(35.2±1.9)、(35.4±0.3)、(33.7±0.2)和(27.9±6.3) μg·L^-1。2017年夏季骆马湖水体ρ(叶绿素a)为27.87~45.36 μg·L^-1, 其中采样点L08、L09、L11和L15处ρ(叶绿素a)>40 μg·L^-1。one-way ANOVA分析表明, 空间分布对ρ(叶绿素a)无显著影响(P>0.05)。

2.5 骆马湖夏季ρ(TN)、ρ(TP)、COD_MN和叶绿素a空间分布特征

由图 3可知, 骆马湖夏季主要富营养化评价指标总体呈北高东低的趋势。TN、COD_Mn和叶绿素a浓度最高的区域主要集中于中运河(上段)和老沂河入湖河口处, 而TP浓度最高的区域则主要位于沂河入湖河口和老沂河与沂河客水入湖河口处, 而上述指标浓度最低的区域均位于新沂河出湖河口处。骆马湖ρ(TN)、ρ(TP)和COD_Mn最高区域比最低区域分别高0.63、0.30和4.03 mg·L^-1。

图 3 骆马湖夏季ρ(TN)、ρ(TP)、COD_Mn和叶绿素a空间分布 Fig. 3 The characters of spatial distribution of total nitrogen, total phosphorus, chemical oxygen demand and chlorophyll a in Luoma Lake during summertime

2.6 骆马湖夏季综合营养状态指数

2017年夏季各采样点综合营养状态指数为64.2~72.6, 平均值为67.2±2.2, 其中采样点L08和L09处I_TL>70, 达到重度富营养化(图 4)。不同采样点I_TL间无显著差异(P>0.05)。

图 4 骆马湖夏季综合营养状态指数 Fig. 4 Spatial distribution of the comprehensive trophic level index (TLI) in Luoma Lake during summertime

3 讨论 3.1 骆马湖夏季透明度、ρ(DO)和pH

研究发现, 1991—2003年骆马湖透明度和ρ(DO)变化范围分别为60~132 cm和8.53~9.98 mg·L^-1^[8]; 2004—2005年骆马湖ρ(DO)和pH值变化范围分别为8.09~8.42 mg·L^-1和8.10~8.36^[14]; 2006—2011年骆马湖ρ(DO)和pH值变化范围分别为4.59~9.50 mg·L^-1和7.93~9.19^[9]; 2014年骆马湖透明度、ρ(DO)和pH值分别为100 cm、9.21 mg·L^-1和9.21^[7]。笔者研究发现2017年夏季骆马湖透明度、ρ(DO)和pH值分别为60~110 cm、6.25~12.23 mg·L^-1和8.02~8.82, 表明尽管近年来骆马湖水生植物现存量下降，优质水草种类减少^[15], 但骆马湖透明度、ρ(DO)和pH均未发生较大变化, 说明湖水中悬浮颗粒组成以产氧的浮游植物为主, 呼吸耗氧量较低。

3.2 骆马湖夏季主要离子及其分布特征

水体中天然水化学特征及变化规律对于研究湖泊水化学变化过程和评价水体化学类型等具有重要意义^[16]。已有研究表明, 骆马湖是重碳酸盐类钙型淡水湖, 其主要离子组成以HCO₃^-和Ca²⁺为主^[17-18]。笔者研究发现, 东北部湖区ρ(HCO₃^-)、ρ(Ca²⁺)、总碱度和总硬度显著高于西南部湖区, 初步分析与东北部采砂活动加速湖底泥中HCO₃^-和Ca²⁺溶解有关。Piper三角图分析发现, 当前骆马湖水体阴阳离子以Na⁺+K⁺和Cl^-为主, 除采样点L09~L12水化学类型为重碳酸盐型〔Na⁺(K⁺)+HCO₃^-〕外, 其他采样点水化学类型均为氯化物型〔Na⁺(K⁺)+Cl^-〕, 说明骆马湖主要离子组成和水化学类型已发生显著改变。水体中Na⁺+K⁺占阳离子比例为65.2%, Cl^-占阴离子比例为45.3%, 而ρ(Na⁺+K⁺)与ρ(Cl^-)的比值为1.5~2.1, 说明水岩作用对骆马湖主要离子的影响较小, 其他因素如人类活动等可能是其水化学类型发生改变的主要原因。该结论尚需进一步验证。

3.3 骆马湖夏季主要富营养化指标及其分布特征

笔者研究发现2017年夏季骆马湖TN和TP浓度明显高于1991—2014年^{[7-10, 14]}, 这是因为:(1)入湖污染物总量增加。以2008年为例, 骆马湖入湖N和P总量分别为35 441.3和1 398.4 t, 分别为1998年和2003—2008年N、P入湖量的2.25和1.35倍以及1.15和1.17倍^[19]。(2)夏季降水比较频繁, 大量工农业、生活和旅游业污水随径流进入湖泊。黄文钰等^[19]比较了入湖河道中运河和沂河春、夏、秋和冬季的N、P浓度, 发现夏季入湖N、P浓度高于其他季节。(3)夏、秋季是水产养殖主要季节, 投饵等生产活动产生的营养盐对湖水富营养化的影响也不容忽视^[20]。作为过水性湖泊, 骆马湖水质的变化是对区域内人类活动强烈程度的反馈^[21]。COD_Mn是评价湖泊水体有机污染的重要指标, 其浓度过高会导致ρ(DO)被大量消耗。尽管笔者研究发现骆马湖夏季COD_Mn远高于已有报道, 但水体中ρ(DO)并无显著变化, 表明水体中悬浮有机物增加部分主要为浮游植物, 且其光合作用大于呼吸作用。

目前, 有关骆马湖水质空间分布特征的报道较少。胡婷婷等^[7]通过对营养盐聚类分析发现, 骆马湖可分为北部湖区和南部湖区两个部分, 且北高南低。申霞等^[10]调查发现, 骆马湖西北部由于中运河和沂河客水汇入, 其水质差于东南部。张芹等^[11]发现骆马湖表层水体中32种PPCPs类物质空间分布具有一定差异性, 呈现东北部地区高、西南部地区低的趋势。笔者研究中, 主要富营养化评价指标ρ(TN)、ρ(TP)、COD_Mn和ρ(叶绿素a)空间分布总体呈现北高东低的趋势。不同指标的分布规律不同, ρ(TN)、COD_Mn和ρ(叶绿素a)在中运河(上段)和老沂河入湖河口区域浓度最高, 说明中运河和老沂河水体中N污染物含量较高, 导致该区域浮游植物生物量和COD_Mn高于其他湖区。ρ(TP)在沂河和老沂河入湖河口区域浓度较高, 说明沂河和老沂河水体中P浓度高于中运河(上段)。此外, 湖区西南部水体中TP和叶绿素a浓度较低, 其原因可能与西南部水草区内水生高等植物生长摄取P元素及通过竞争营养物质或分泌化感物质抑制浮游植物的增殖有关^[22]。上述结果表明, 骆马湖水质空间分布具有一定复杂性, 不仅与湖泊形态、水文条件和水生植被等自然因素有关, 同时受沿岸工农业生产、污染输入规模、水资源管理模式和功能定位等人为因素的影响^[23]。

3.4 骆马湖营养状态

根据综合营养状态指数(I_TL)评价结果, 骆马湖“十五”期间(2001—2005年)已经处于中度富营养化状态(I_TL为65.64)^[24], 2014年则处于中营养、轻度富营养状态(I_TL为43.0~47.9)^[7]。笔者研究中, 骆马湖大部分湖区已处于中度富营养化状态, 部分湖区为重度富营养化状态, ρ(TN)、ρ(TP)和COD_Mn均达GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中Ⅴ类水标准。骆马湖属于典型过水性湖泊, 年换水10次左右, 系统开放程度高, 营养状态对上游来水水质敏感, 易受外源污染物的影响。因此, 骆马湖的营养状态代表其对入湖污染物做出的响应。新沂河出湖河口区域ρ(TN)、ρ(TP)、COD_Mn低于入湖河口区域, 说明入湖污染物在湖体中得到一定程度消纳, 骆马湖对N、P等指标具有一定自净能力。

4 结论

通过对2017年夏季(6—8月)骆马湖水体理化指标的调查, 分析骆马湖水质现状及水体营养状态, 并结合历史数据分析其变化特征, 同时利用Piper三角图和等值线图法分析骆马湖理化因子空间分布特征。结果显示:

(1) 骆马湖夏季透明度、ρ(DO)和pH与1991—2014年相比并无显著变化, 但主要离子和主要富营养化指标变化明显, 水体中主要离子由重碳酸盐类(Ca²⁺+HCO₃^-)为主转变为氯化物类〔Na⁺(K⁺)+Cl^-〕为主, N、P及有机物浓度显著增加, 骆马湖已处于中度-重度富营养化状态。

(2) 骆马湖ρ(Ca²⁺)、ρ(HCO₃^-)、总碱度和总硬度具有显著空间差异, 其分布特征与采沙活动范围有关。主要富营养化指标ρ(TN)、ρ(TP)、COD_Mn和ρ(叶绿素a)等也具有一定空间差异性, 其分布特征主要与入湖径流中污染物、湖泊内生产活动和湖泊净化功能有关, 表现出入湖区域浓度高、出湖区域浓度低的特点, 说明骆马湖尚具有一定净化能力。此外, 骆马湖水质指标空间分布具有一定复杂性, 利用统计分析方法可较直观地反映骆马湖营养盐空间分布特征。

参考文献

[1]	申秋实, 邵世光, 保琦蓓, 等. 典型城郊湖泊沉积物重金属生态风险评价[J]. 环境工程, 2014, 32(10): 137-141, 75. [ SHEN Qiu-shi, SHAO Shi-guang, BAO Qi-bei, et al. Potential Environment Risk Assessment of Sediment Heavy Metals in a Typical Suburban Shallow Lake[J]. Environmental Engineering, 2014, 32(10): 137-141, 75.] (0)
[2]	王凤珍, 周志翔, 郑忠明. 城郊过渡带湖泊湿地生态服务功能价值:以武汉市严东湖为例[J]. 生态学报, 2011, 31(7): 1946-1954. [ WANG Feng-zhen, ZHOU Zhi-xiang, ZHENG Zhong-ming. Evaluation of Service Value of Ecosystem of Peri-Urban Transition Zone Lake:A Case Study of Yandong Lake in Wuhan City[J]. Acta Ecologica Sinica, 2011, 31(7): 1946-1954.] (0)
[3]	沈颜奕, 陈星. 城市湖泊生态系统健康评价与修复研究[J]. 水资源与水工程学报, 2017, 28(2): 82-85, 91. [ SHEN Yan-yi, CHEN Xing. Study on Health Assessment and Restoration of Urban Lake Ecosystem[J]. Journal of Water Resources & Water Engineering, 2017, 28(2): 82-85, 91.] (0)
[4]	LIU J F, ZHANG X, WU B, et al. Spatial Scale and Seasonal Dependence of Land Use Impact on Riverine Water Quality in the Huai River Basin, China[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2017, 24(26): 20995-21010. DOI:10.1007/s11356-017-9733-7 (0)
[5]	HONKONEN O, RANTALAINEN A-L. Impact of Urbanization on the Concentration and Distribution of Organic Contaminants in Boreal Lake Sediments[J]. Environmental Monitoring and Assessment, 2013, 185(2): 1437-1449. DOI:10.1007/s10661-012-2643-8 (0)
[6]	赵同谦, 欧阳志云, 王效科, 等. 中国陆地地表水生态系统服务功能及其生态经济价值评价[J]. 自然资源学报, 2003, 18(4): 443-452. [ ZHAO Tong-qian, OUYANG Zhi-yun, WANG Xiao-ke, et al. Ecosystem Services and Their Valuation of Terrestrial Surface Water System in China[J]. Journal of Natural Resources, 2003, 18(4): 443-452. DOI:10.3321/j.issn:1000-3037.2003.04.008] (0)
[7]	胡婷婷, 刘劲松, 戴小琳, 等. 骆马湖水质时空变化特征[J]. 生态与农村环境学报, 2016, 32(5): 794-801. [ HU Ting-ting, LIU Jin-song, DAI Xiao-ling, et al. Spatio-Temporal Variation of Water Quality in Lake Luoma, Jiangsu Province, China[J]. Journal of Ecology and Rural Environment, 2016, 32(5): 794-801.] (0)
[8]	任瑞丽, 刘茂松, 章杰明, 等. 过水性湖泊自净能力的动态变化[J]. 生态学杂志, 2007, 26(8): 1222-1227. [ REN Rui-li, LIU Mao-song, ZHANG Jie-ming, et al. Self-Purification Ability of a Water-Carrying Lake[J]. Chinese Journal of Ecology, 2007, 26(8): 1222-1227.] (0)
[9]	崔彩霞, 花卫华, 袁广旺. 骆马湖水质现状评价与趋势分析[J]. 河北渔业, 2013(8): 31-34, 40. DOI:10.3969/j.issn.1004-6755.2013.08.007 (0)
[10]	申霞, 洪大林, 谈永锋, 等. 骆马湖生态环境现状及其保护措施[J]. 水资源保护, 2013, 29(3): 39-43, 50. [ SHEN Xia, HONG Da-lin, TAN Yong-feng, et al. Ecological Environment of Luoma Lake and Protection Measures[J]. Water Resources Protection, 2013, 29(3): 39-43, 50. DOI:10.3969/j.issn.1004-6933.2013.03.009] (0)
[11]	张芹, 张圣虎, 汪贞, 等. 骆马湖表层水体中32种PPCPs类物质的污染水平、分布特征及风险评估[J]. 环境科学, 2017, 38(1): 162-169. [ ZHANG Qin, ZHANG Sheng-hu, WANG Zhen, et al. Pollution Level, Distribution Characteristics and Risk Assessment of PPCPs in Surface Water of Luoma Lake[J]. Environmental Science, 2017, 38(1): 162-169. DOI:10.3969/j.issn.1673-1212.2017.01.038] (0)
[12]	唐金玉, 王岩, 戴杨鑫. 在淡水鱼类混养系统中吊养三角帆蚌对养殖产量和水质的影响[J]. 水产学报, 2014, 38(2): 208-217. [ TANG Jin-yu, WANG Yan, DAI Yang-xin. Effects of Co-Culturing Freshwater Pearl Mussel Hyriopsis cumingii in a Fish Polycultural System on Fish Yield and Water Quality[J]. Journal of Fisheries of China, 2014, 38(2): 208-217.] (0)
[13]	王明翠, 刘雪芹, 张建辉. 湖泊富营养化评价方法及分级标准[J]. 中国环境监测, 2002, 18(5): 47-49. [ WANG Ming-cui, LIU Xue-qin, ZHANG Jian-hui. Evaluate Method and Classification Standard on Lake Eutrophication[J]. Environmental Monitoring in China, 2002, 18(5): 47-49. DOI:10.3969/j.issn.1002-6002.2002.05.018] (0)
[14]	方南娟, 魏爱泓, 梅肖乐. 骆马湖水化学特性和水质分析[J]. 河北渔业, 2006(8): 18-21. [ FANG Nan-juan, WEI Ai-hong, MEI Xiao-le. Water Chemistry Characteristics and Water Quality Analysis of Luoma Lake[J]. Hebei Fisheries, 2006(8): 18-21. DOI:10.3969/j.issn.1004-6755.2006.08.009] (0)
[15]	杨士建. 骆马湖富营养化发生机制与防治途径初探[J]. 中国环境监测, 2004, 20(3): 59-62. [ YANG Shi-jian. Approaches to Mechanisms and Control of Eutrophication of the Luoma Lake[J]. Environmental Monitoring in China, 2004, 20(3): 59-62. DOI:10.3969/j.issn.1002-6002.2004.03.022] (0)
[16]	BREZONIK P L, ARNOLD W A. Water Chemistry:Fifty Years of Change and Progress[J]. Environmental Science and Technology, 2012, 46(11): 5650-5657. DOI:10.1021/es300882y (0)
[17]	胡维平, 陈江龙.江苏省湖泊管理技术研究[R].南京: 中国科学院南京地理与湖泊研究所, 2012: 7. (0)
[18]	HUANG X, SILLANPÄÄ M, DUO B, et al. Water Quality in the Tibetan Plateau:Metal Contents of Four Selected Rivers[J]. Environmental Pollution, 2008, 156(2): 270-277. DOI:10.1016/j.envpol.2008.02.014 (0)
[19]	黄文钰, 许朋柱. 骆马湖营养盐收支[J]. 湖泊科学, 2001, 13(3): 240-246. [ HUANG Wen-yu, XU Peng-zhu. Nutrient Balance in Luomahu Lake[J]. Journal of Lake Sciences, 2001, 13(3): 240-246. DOI:10.3321/j.issn:1003-5427.2001.03.007] (0)
[20]	黄文钰, 许朋柱, 范成新. 网围养殖对骆马湖水体富营养化的影响[J]. 农村生态环境, 2002, 18(1): 22-25. [ HUANG Wen-yu, XU Peng-zhu, FAN Cheng-xin. Effect of Cage Aquiculture of Eutrophication in Luoma Lake[J]. Rural Eco-Environment, 2002, 18(1): 22-25.] (0)
[21]	DOU M, ZHANG Y, LI G Q. Temporal and Spatial Characteristics of the Water Pollutant Concentration in Huaihe River Basin From 2003 to 2012, China[J]. Environmental Monitoring and Assessment, 2016, 188(9): 522. DOI:10.1007/s10661-016-5503-0 (0)
[22]	万蕾, 徐德兰, 高明侠, 等. 大型水生植物对骆马湖氮、磷元素的影响[J]. 环境工程学报, 2012, 6(10): 3579-3584. [ WAN Lei, XU De-lan, GAO Ming-xia, et al. Effect of Macrophytes on Nitrogen and Phosphorus in Luoma Lake[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2012, 6(10): 3579-3584.] (0)
[23]	陈小华, 李小平, 王菲菲, 等. 苏南地区湖泊群的富营养化状态比较及指标阈值判定分析[J]. 生态学报, 2014, 34(2): 390-399. [ CHEN Xiao-hua, LI Xiao-ping, WANG Fei-fei, et al. Research on the Difference in Eutrophication State and Indicator Threshold Value Determination Among Lakes in the Southern Jiangsu Province, China[J]. Acta Ecologica Sinica, 2014, 34(2): 390-399.] (0)
[24]	冯冰冰.围网养殖对湖泊沉积物碳氮磷含量的影响[D].南京: 南京师范大学, 2009. [FENG Bing-bing.Effect of Purse Net Culture on the Content of Carbon, Nitrogen and Phosphorus in Lake Sediments[D].Nanjing: Nanjing Normal University, 2009.] http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=degree&id=D183092 (0)