天目湖營養(yǎng)鹽分布特征及影響因素分析

天目湖營養(yǎng)鹽分布特征及影響因素分析

長江中下游地區(qū)是中國湖泊分布最集中的地區(qū)。由于人為干擾十分的強(qiáng)烈,導(dǎo)致了這一地區(qū)大量的湖泊出現(xiàn)了富營養(yǎng)化狀況。以太湖為例,1997年以后水體的總氮、總磷及葉綠素a含量等指標(biāo)均呈惡化的趨勢。2007年爆發(fā)的太湖飲用水危機(jī)事件也表明了目前水質(zhì)型缺水問題的嚴(yán)重性。在這種情況下,水庫作為地區(qū)性飲用水源地的作用就日漸突出。水庫作為人工調(diào)節(jié)能力更強(qiáng)的水體,已經(jīng)成為地方供水的基本保障線。長江流域是我國各類水庫比較集中的地區(qū),已經(jīng)建成了各類水庫4.8萬座,其中大型水庫157座,中型水庫1025座。但是目前來看,水庫也面臨著長江中下游天然湖泊所面臨的同樣的問題。與天然淺水湖泊相比,水庫的富營養(yǎng)化規(guī)律有其自身特點(diǎn)。首先,水庫由于具有相對簡單的流域水系,集水區(qū)面積相對較小;此外,水庫的換水期較短,這樣,流域的狀況,如上游入庫水體的水質(zhì)狀況對水庫水質(zhì)的影響就會(huì)相對比較大一些。從沉積物對上覆水體的影響方式上來說,淺水湖泊底泥中營養(yǎng)鹽向上覆水體的釋放很大程度上受到動(dòng)力擾動(dòng)的影響,也就是說,水土界面受風(fēng)浪擾動(dòng)而導(dǎo)致的沉積物再懸浮是影響水體中營養(yǎng)鹽濃度的主要因素。而水庫作為深水湖泊,營養(yǎng)鹽從底泥的釋放主要是以靜態(tài)釋放為主,隨著季節(jié)變化呈現(xiàn)出周期性變化。并且由于水體分層的存在,阻隔了水柱的垂向交換。這樣營養(yǎng)鹽的分布會(huì)呈現(xiàn)出垂直的差異,導(dǎo)致在分層季節(jié)水體下層的營養(yǎng)鹽濃度高于上層。這也是在營養(yǎng)鹽的內(nèi)源釋放問題上水庫自身的特征之一。近年來,關(guān)于天然淺水湖泊富營養(yǎng)化機(jī)制的研究較多。相比之下,水庫富營養(yǎng)化發(fā)生機(jī)制的研究就比較少,使得對水庫富營養(yǎng)化的防治缺乏理論的依據(jù)。為此,在2006年我們展開了對天目湖的調(diào)查。天目湖位于江蘇省溧陽市南部丘陵地區(qū),集水區(qū)面積148.5km2,面積12km2,最大蓄水量約1.1×108m3,是江蘇省六座大型水庫之一。天目湖的富營養(yǎng)化問題發(fā)生較早,對其的研究歷史也很長。管理部門采取了較多的治理措施,其中一些治理工程已經(jīng)結(jié)束。但是這些治理的手段效果如何?近年來水質(zhì)的變化根源何在?這些問題還需要深入的研究。我們希望通過對天目湖水體以及沉積物中營養(yǎng)鹽的時(shí)空分布規(guī)律的研究,更加深入地了解影響天目湖以及類似水庫的水體及沉積物中營養(yǎng)鹽分布的主要因素,摸清這些水庫富營養(yǎng)化發(fā)生的機(jī)理,為水庫的水源保護(hù)提供理論指導(dǎo)。1采樣點(diǎn)樣的測定與分析水質(zhì)周年監(jiān)測的采樣點(diǎn)布設(shè)10個(gè)點(diǎn)(W1~W10),如圖1。采樣點(diǎn)布設(shè)的基本原則是,W1~W3號點(diǎn)位于下游,W1號點(diǎn)接近水庫大壩的出水口,W2號和W3號點(diǎn)分別靠近兩個(gè)旅游景點(diǎn)區(qū),反映旅游開發(fā)的壓力對水庫水質(zhì)的影響。W5號點(diǎn)臨近水庫的漁業(yè)養(yǎng)殖點(diǎn)。W6號點(diǎn)和W7號點(diǎn)分別位于天目湖抽水蓄能電站抽放水口的上下游。W8號點(diǎn)和W9號點(diǎn)靠近上游的農(nóng)業(yè)區(qū)。W10號點(diǎn)位于天目湖最大入流平橋河的入庫口附近。監(jiān)測基本都在每個(gè)月的中旬進(jìn)行。采樣點(diǎn)為表層50cm深度?，F(xiàn)場監(jiān)測指標(biāo)包括水溫、透明度、溶解氧、pH、濁度等,實(shí)驗(yàn)室分析指標(biāo)包括總氮(TN)、總磷(TP)、高錳酸鉀指數(shù)(CODMn)、氨氮(NH4-N)等。7月份增加了溶解性總氮(DTN)和溶解性總磷(DTP)項(xiàng)目。透明度的測定采用塞氏盤法,溶解氧使用YSI-6600型水質(zhì)儀或Hanna-HI9143型溶氧儀現(xiàn)場測定,水溫則用溶解氧探頭同時(shí)測定,pH和葉綠素濃度采用YSI-6600型水質(zhì)儀測定,濁度采用HannaHI97703-11型濁度儀測定。TN、TP采用堿性過硫酸鉀消解后,TN采用210nm紫外比色法,TP采用鉬銻抗顯色后700nm比色測定。DTN、DTP與TN、TP的方法相同,但在消解前用GF/C濾膜現(xiàn)將顆粒物過濾去除。NH4-N采用SystemSAN++型Skalar流動(dòng)分析儀測定。所有采樣均按照《湖泊生態(tài)系統(tǒng)觀測方法》中相關(guān)項(xiàng)目的監(jiān)測方法進(jìn)行。9月份的底泥調(diào)查采樣點(diǎn)的布設(shè)如圖1,共布置了25個(gè)點(diǎn)位(D1~D25),現(xiàn)場記錄下了各點(diǎn)的經(jīng)緯度并繪制在地圖上?，F(xiàn)場采集的泥樣立即用塑料袋封裝并編號,留待實(shí)驗(yàn)室分析。2結(jié)果與分析2.1第三,1010如表1,天目湖全年的SS值平均值為6.80mg·L-1,最高值出現(xiàn)在11月份,達(dá)到了11.47mg·L-1;最低值出現(xiàn)在2月份,為3.47mg·L-1。從pH值來看,有6個(gè)月的pH值超過了8(因儀器故障有兩個(gè)月的pH值缺失)。從已有的透明度數(shù)據(jù)來看,透明度最高出現(xiàn)在3月份,最低出現(xiàn)在11月份,即SS最高的月份。熱力學(xué)分層會(huì)影響營養(yǎng)鹽在水柱上下層之間的垂向交換。隨著溫度的升高,大氣的熱量傳給水體的表面,再由表面向深處縱傳遞。當(dāng)傳遞到一定深度的時(shí)候,水深向下1m,溫度下降1℃以上,即形成了溫躍層。按照張運(yùn)林等人的報(bào)道,天目湖主要在3到10月份存在溫躍層,而這次的調(diào)查也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。值得注意的是不同湖區(qū)熱力學(xué)分層的情況有所不同。天目湖南部水較淺,W9號點(diǎn)和W10號點(diǎn)在大部分時(shí)間都維持在3~4m的水平;而北湖的W1號點(diǎn)水深一般維持在10m左右。從圖2可以看出,由于南部水體較淺的深度會(huì)使溫躍層難以形成,所以與深水區(qū)相比南部的幾個(gè)點(diǎn)位溫躍層的持續(xù)時(shí)間較短。2.2總氮和總磷濃度如表1,天目湖總氮全年的平均值是1.49mg·L-1。其中最高值出現(xiàn)在4月,達(dá)到了2.06mg·L-1,其次分別為6月和2月,總氮濃度分別為1.95和1.91mg·L-1?？偟畹椭党霈F(xiàn)在1月,為0.92mg·L-1。在全年的12個(gè)月中,有6個(gè)月的總氮濃度高于Ⅳ類水的標(biāo)準(zhǔn),即1.5mg·L-1。與5年前對天目湖水質(zhì)的調(diào)查結(jié)果相比,天目湖的水質(zhì)明顯下降,其中問題主要體現(xiàn)在營養(yǎng)鹽濃度的升高方面。在2001—2002年的調(diào)查中,天目湖總氮的含量有一半的時(shí)間高于Ⅱ類水的標(biāo)準(zhǔn),即0.5mg·L-1,處于剛剛進(jìn)入Ⅲ類水的階段。而這次的調(diào)查表明天目湖的總氮在部分時(shí)段內(nèi)甚至已經(jīng)達(dá)到了Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)?？偭诐舛鹊哪昶骄禐?.047mg·L-1?？偭诐舛鹊淖罡唿c(diǎn)出現(xiàn)在7月份,達(dá)到0.081mg·L-1?？偭椎哪曜兓厔菖c總氮有一定的相似,都在3月份降到谷底(0.017mg·L-1)。造成這種情況的原因是在2月份下旬到3月份是浮游動(dòng)物生長的旺季,由于藻類的數(shù)量本身并不高,加上浮游動(dòng)物的捕食壓力,致使藻類的生物量較少,進(jìn)而影響了營養(yǎng)鹽的濃度。與5年前相比,總磷的水平也下降了一個(gè)等級,大部分時(shí)間處于Ⅲ類水范圍或高于Ⅲ類水的上臨界值。2.3營養(yǎng)鹽的空間分布在25個(gè)點(diǎn)位的表層泥樣中,總氮濃度大部分介于1000~4000mg·kg-1之間,平均為2598mg·kg-1(圖3)。沉積物中總氮的最高值出現(xiàn)在下游的D1號點(diǎn),達(dá)到了9890mg·kg-1;其次是D3號點(diǎn),為6253mg·kg-1。最低值出現(xiàn)在D8號點(diǎn),為72mg·kg-1。最高值和最低值得差異較大,達(dá)到了136倍。TP的含量大多介于100~500mg·kg-1之間,平均為323mg·kg-1。從圖3中可以看出總氮與總磷的空間分布趨勢基本一致?？偭椎淖罡咧狄渤霈F(xiàn)在D1號點(diǎn),達(dá)到了894mg·kg-1;其次是D3號點(diǎn),為589mg·kg-1?？偭鬃畹椭党霈F(xiàn)在D8號點(diǎn),為117mg·kg-1。分析沉積物中營養(yǎng)鹽濃度的垂向變化趨勢也發(fā)現(xiàn),表層營養(yǎng)鹽含量明顯高于其下各層。尤其是對于營養(yǎng)鹽含量較高的點(diǎn)位(如下游的幾個(gè)點(diǎn)),表層與下層的營養(yǎng)鹽含量差別更大。3討論3.1營養(yǎng)鹽負(fù)荷的時(shí)空變化特征根據(jù)的季節(jié)變化動(dòng)態(tài)對于水體中的營養(yǎng)鹽來說,其來源可以是外源的輸入,也可以是沉積物中營養(yǎng)鹽的釋放。至于何種因素起主導(dǎo)作用,要根據(jù)具體的情況才能夠確定。圖4對上游(W8、W9、W103個(gè)點(diǎn)位)和下游(W1、W2、W3三個(gè)點(diǎn)位)總氮和總磷的月平均值作了比較?？梢娫?006年大部分時(shí)間,上游的總氮濃度都是明顯大于下游的。尤其是在2月份,上游的總氮平均濃度為3.29mg·L-1,遠(yuǎn)高于下游的1.16mg·L-1。而6月份和9月份藻類生長旺盛季節(jié),總氮濃度出現(xiàn)的情況是下游高于上游的?？偟倪@種分布趨勢與2001—2002年張運(yùn)林等的監(jiān)測結(jié)果比較類似。與TN類似,TP的空間變化特征也是在大部分時(shí)間上游高于下游,但不如TN上下游的差別來的明顯。尤其值得注意的是在4、5月份的時(shí)候,W5號點(diǎn)的TP濃度與其他點(diǎn)位相比明顯較高。根據(jù)調(diào)查的情況來看,這很可能與W5號點(diǎn)附近的漁業(yè)養(yǎng)殖等活動(dòng)有關(guān),這致使W5號點(diǎn)及下游水域的TP相對來說較高。全年的大部分時(shí)間上游的營養(yǎng)鹽濃度高于下游,可以判斷上游輸送的營養(yǎng)鹽負(fù)荷對天目湖營養(yǎng)鹽分布起到了極大的影響。從現(xiàn)場觀察到的情況判斷,W8號點(diǎn)和W9號點(diǎn)附近有農(nóng)業(yè)區(qū),會(huì)產(chǎn)生面源污染;而W10號點(diǎn)位于天目湖最大的平橋河入庫口附近,上游輸送的營養(yǎng)鹽與水庫的營養(yǎng)鹽濃度會(huì)有很大的關(guān)系。總的來說,對天目湖水體中營養(yǎng)鹽貢獻(xiàn)最大的是上游入庫水體的輸入,下游周邊旅游開發(fā)的影響也不可忽視。3.2全湖ss的季節(jié)動(dòng)態(tài)由于水庫入口在上游,大壩出口在下游,所以經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)從上游到下游的水質(zhì)變化梯度特點(diǎn)。這種梯度的變化使水庫的上游狀況接近于河流,下游則更類似于湖泊。而這次天目湖水體中懸浮顆粒物(SS)的空間分布也呈現(xiàn)出這種分布特點(diǎn)。上游的泥沙較大,透明度較低,而下游的透明度則相對較大。不同的季節(jié),懸浮物中有機(jī)質(zhì)的含量多少有很大的區(qū)別,這可以從懸浮顆粒物的燒失量(SSLOI)大小上反映出來。夏季水體中SS的有機(jī)質(zhì)含量就明顯比冬季要高,這是由夏季水體中存在著較多的浮游生物所致。例如在7月份全湖SSLOI的平均值達(dá)到了88%,而12月份只有26.6%。從空間分布上來看,上游靠近入流的湖區(qū)SSLOI較下游明顯偏低,說明了上游懸浮物中無機(jī)顆粒物的比例較大。從對幾個(gè)主要入流水體的調(diào)查反映,懸浮物中有機(jī)質(zhì)的含量與湖區(qū)相比明顯較低。這說明了一個(gè)趨勢,對于全年大部分時(shí)間來說,天目湖水體中的SS很大一部分來自于上游入庫水體的輸送。上游出現(xiàn)較高的SS是入流帶來較多的顆粒物所導(dǎo)致,而湖水的稀釋作用以及懸浮顆粒物的沉降作用,使得沿著水流方向水體中的懸浮顆粒物含量呈現(xiàn)出下降的梯度。并且可以認(rèn)為冬季水體中的SS主要是外源輸入的,而夏季由于生物活動(dòng)的影響,水體中SS中生物顆粒物所占的比例較大。逐月對SS監(jiān)測值和采樣點(diǎn)距離最大入流平橋河入口的直線距離(L)進(jìn)行回歸分析,發(fā)現(xiàn)大部分時(shí)間存在顯著的負(fù)相關(guān)(圖5)。使用線性、指數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)及對數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合,比較后發(fā)現(xiàn)對數(shù)函數(shù)的擬合具有最好的相關(guān)性。從季節(jié)變化上來看,冬季兩者的相關(guān)性要好于夏季的,如在4、5月份兩者就沒有什么相關(guān)性。這是由于此時(shí)浮游生物的生長較為旺盛,水體中SS的主要來源不再是外源輸送的,所以全湖SS的空間分布不再沿著水流方向出現(xiàn)明顯的梯度。在圖5中對10個(gè)點(diǎn)位的SS年平均值與采樣點(diǎn)距離平橋河入口的距離(L)進(jìn)行了擬合,兩者呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.001)。顆粒物的輸送會(huì)攜帶營養(yǎng)鹽進(jìn)入水庫,進(jìn)而影響水庫水體營養(yǎng)鹽的濃度。以2月為例,與SS相同,TN也是沿著水流方向呈現(xiàn)明顯下降的梯度。對TN與SS作相關(guān)分析,可以看出TN的濃度與SS有很明顯的相關(guān)性(R2=0.936,n=10,P<0.001)。此外在冬季的其他月份也發(fā)現(xiàn)了與2月份類似的趨勢。為了便于季節(jié)比較,選取1月、2月和12月代表冬季,6月、7月和8月代表夏季,分別對全湖TN和SS的季節(jié)平均值進(jìn)行了回歸分析(圖6)。可見在冬季,TN的濃度與SS有呈顯著相關(guān)性,而夏季就沒有什么相關(guān)。因?yàn)槎舅w中的SS主要是外源輸入的,這就說明了在冬季天目湖水體中TN很大一部分來自于上游顆粒物的輸送,致使在這段時(shí)間內(nèi)TN在全湖的空間分布與SS的分布趨于一致。造成這種結(jié)果的原因是在冬季植被覆蓋較少,土壤裸露,水土流失比較嚴(yán)重,大量的營養(yǎng)鹽隨著顆粒物被輸送到水體中;而在另一方面,由于在冬季旅游業(yè)不太興旺,下游人為的污染對全湖TN的分布并未起主導(dǎo)作用。相比之下,在夏季影響營養(yǎng)鹽分布的因素就要多一些,比如下游旅游區(qū)人為的干擾。值得注意的是,對冬季的TP與SS作相關(guān)分析,發(fā)現(xiàn)并未出現(xiàn)類似于TN與SS那么好的相關(guān)性。這可能與上游土壤的氮磷含量有關(guān),導(dǎo)致出現(xiàn)這種情況的原因值得進(jìn)一步的研究。在夏季情況則有所不同。在7月份做了一次溶解態(tài)營養(yǎng)鹽含量的調(diào)查。根據(jù)對入流水體的調(diào)查,發(fā)現(xiàn)幾個(gè)入流水體的DTN/TN比平均接近100%(表2),也就是說在上游外源輸入的TN中絕大多數(shù)是溶解態(tài)的。同時(shí)全湖的DTN/TN平均也達(dá)到了81%。TP的情況與TN類似,幾個(gè)入庫河流水體的DTP/TP平均值達(dá)到了71%,而全湖的DTP/TP平均值也達(dá)到了69%。這說明了在夏季,天目湖水體中的N、P很大一部分是以溶解態(tài)的形式輸入的,這部分營養(yǎng)鹽不易沉降,較易于生物利用。值得關(guān)注的是,溶解性氮、磷比例較高的W1、W2號點(diǎn)靠近旅游活動(dòng)區(qū),而W4、W5、W10號點(diǎn)附近有漁業(yè)養(yǎng)殖活動(dòng),說明旅游和養(yǎng)殖也對溶解性營養(yǎng)鹽有貢獻(xiàn)。3.3浮游生物和有機(jī)顆粒物的關(guān)系分析7月份天目湖水體中的氮磷比可以發(fā)現(xiàn)(表2),在10個(gè)采樣點(diǎn)中有3個(gè)大于20,只有1個(gè)點(diǎn)小于15,平均值達(dá)到18;溶解態(tài)的氮磷比更高,平均值達(dá)到了22。全年氮磷比的平均值達(dá)到了33。這說明了天目湖是磷限制型的水庫。我們分析了從6月份到10月份水體中懸浮的顆粒有機(jī)質(zhì)的含量與TN、TP的相關(guān)性,發(fā)現(xiàn)與TN相比,有機(jī)顆粒物的含量與TP顯示出更好的相關(guān)性。對10個(gè)點(diǎn)位的有機(jī)顆粒物和TP濃度5個(gè)月(6月到10月)的平均值作回歸分析,發(fā)現(xiàn)顯著的相關(guān)性,相關(guān)式為:相比之下,有機(jī)顆粒物與TN就沒有什么相關(guān)性(R2=0.024)。由于水體中懸浮的有機(jī)顆粒物量的大小基本上可以反映出浮游生物的多少,這也說明了對于浮游生物的生長,天目湖的水體是磷限制的。所以控制天目湖的富營養(yǎng)化,控制磷的負(fù)荷極其重要。3.4底泥與水體營養(yǎng)鹽的空間分布分析調(diào)查點(diǎn)位沉積物的燒失量,發(fā)現(xiàn)燒失量與營養(yǎng)鹽的濃度有著同樣的水平和垂直分布趨勢。由圖7可知,對TN、TP與燒失量作相關(guān)分析,發(fā)現(xiàn)在沉積物中TN、TP與燒失量有著很好的相關(guān)性,這與以前一些文獻(xiàn)的報(bào)道一致。由于燒失量的大小基本上可以反映出底泥中有機(jī)質(zhì)的多少,這就說明了沉積物中營養(yǎng)鹽主要是以有機(jī)態(tài)的形式存在的,有機(jī)物的空間分布決定著營養(yǎng)鹽的分布。從表層沉積物燒失量的大小來看,上游靠近濕地的4個(gè)點(diǎn)(D22、D23、D24、D25)燒失量的平均值僅有4.47%,而下游靠近大壩取水口的4個(gè)點(diǎn)燒失量的平均值達(dá)到了10.17%,尤其是D1號點(diǎn),達(dá)到了16.19%。這說明上游表層沉積物中有機(jī)質(zhì)的含量較少,而下游沉積物中有機(jī)質(zhì)的含量較高。從現(xiàn)場的觀察來看,靠近取水口的幾個(gè)點(diǎn)的沉積物都有2~3cm的黑色的浮泥,而上游點(diǎn)位的沉積物表層則多為砂土或粘土。這些點(diǎn)位沉積物砂的含量較大反映了水體較大的流動(dòng)強(qiáng)度和渾濁度,說明了不同湖區(qū)的沉積條件的不同。此外,D7、D8、D9、D10所在的湖區(qū)也有入庫水體,所以燒失量也很低,平均值僅為2.6%。沉積物中有機(jī)質(zhì)的來源大致可以分為內(nèi)源輸入和外源輸入。內(nèi)源輸入的有機(jī)物是指由水體生產(chǎn)力本身產(chǎn)生的動(dòng)植物殘?bào)w、浮游生物及微生物的沉積而產(chǎn)生的沉積物,外源輸入的有機(jī)質(zhì)是通過外界水源補(bǔ)給過程中帶來的顆粒態(tài)或溶解態(tài)有機(jī)物。大體來說,水庫根據(jù)水力學(xué)和水文學(xué)特征可以分為河流區(qū)、過渡區(qū)和湖泊區(qū)。對于天目湖來說,上游D21到D255個(gè)點(diǎn)所在的區(qū)域以及D7、D8、D9、D10所在的湖區(qū),由于河流帶來大量的懸浮物,導(dǎo)致泥沙量較大,透明度較低,具有河流的特征。而下游的D1到D66個(gè)點(diǎn)以及D11、D12、D13這些點(diǎn)位所在的區(qū)域,由于水流較緩,透明度較高,具有湖泊的特征。在河流區(qū),入流水體帶來的顆粒物大量在此沉積,所以說外源性顆粒物的沉積是上游沉積物來源的主要部分。由于農(nóng)村河流輸送的顆粒物有機(jī)質(zhì)的含量較低,這就使沉積物中有機(jī)質(zhì)的含量相對較小。而下游沉積物的來源