2016, Vol. 28 
(2: 区域开发与环境响应湖北省重点实验室, 武汉 430062)
(3: 湖北大学数学与统计学院, 武汉 430062)
(2: Hubei Provincial Key Laboratory of Regional Development and Environmental Response, Wuhan 430062, P. R. China)
(3: School of Mathematics and Statistics, Hubei University, Wuhan 430062, P. R. China)
湖泊蓄积了地表上绝大部分可利用的淡水资源，是人类赖以生存的主要水源地.湖泊也是湿地生态系统的重要组成部分，为各种生物提供宝贵的栖息地，有助于促进生物多样性.湖泊还是水产养殖、观光旅游的理想地点，具有重要的经济价值.简言之，湖泊对人类的生存以及社会经济的发展均具有重要意义.然而，随着经济的发展和资源的过度开发加上疏于保护，包括中国在内的一些发展中国家的湖泊水环境正在恶化，严重威胁水资源生态安全[1].我国是世界上湖泊较多的国家之一，湖泊总面积超过9×104 km2[2].我国同时也是世界上湖泊污染比较严重的国家之一. 2014年我国重点湖泊(水库)受到污染的比例高达38.7%，其中重度污染的占8.1%，主要污染指标为总磷(TP)、化学需氧量和高锰酸盐指数(CODMn)，重点湖泊(水库)中富营养化的比例也高达24.2% [3].从这些数据可以看出，我国湖泊污染问题十分突出，湖泊的保护与管理面临艰巨的挑战.
为了有效地保护地表水资源，我国制订了《地表水环境质量标准》[4]和《水和废水监测分析方法》[5]，为包括湖泊在内的地表水环境监测提供了依据.根据相关依据，我国每年对主要河流、湖泊、水库的环境状况进行例行监测并发布年度报告.毫无疑问，这种例行监测对宏观了解地表水的水质现状，实行必要的分类管理非常有益.不过，例行监测一般具有采样点少，针对性不强的缺点，对研究解决某些实际问题往往帮助不大.
地表水环境研究需要解决的实际问题之一是了解水质时空分布格局，分析污染成分和源头.相关研究从对象来看大体分为两类，一类是针对空间跨度较大、流动性较强的河流[6-8]，另一类是针对空间跨度较小、流动性较弱的湖泊或水库[9-12].从水环境指标来看，既有针对部分指标的重点分析[7, 12-13]，也有针对多种指标的综合评价[6-8, 14-16].从研究方法来看，主要包括多元统计分析[17-19]、地理信息系统分析[10, 20]和计算机模拟[21]等.
为此，本文以梁子湖为例，通过大样本监测和多层次比较分析方法，分析梁子湖整体的水质状况、空间差异和空间分布模式，以及各个湖区的达标情况，研究梁子湖的水质时空格局.与以前的研究相比[22-25]，每个季节布设的点位数有显著的增加，因此能够更为有效地分析水质的空间差异和季节变化，了解水质污染特点，为梁子湖的水环境保护提供依据.
1 研究区域概况梁子湖(30.08°~30.38°N，114.37°~114.66°E)位于长江中游南岸，是湖北省第二大淡水湖，在常年平均水位时，面积225 km2，平均水深2.54 m，贮水量6.5×108 m3，容水量居全省湖泊之首.梁子湖入湖河港多达30余条，其中主要入湖河港为高桥河.这些河港顺着地势经地表径流汇入梁子湖.梁子湖出湖口仅磨刀矶一处，湖水排入长江(图 1).整个梁子湖按地理位置和历史沿革可划分为东梁子湖、牛山湖和西梁子湖3个湖区[25].其中，牛山湖和东梁子湖被牛山大坝分隔，而东梁子湖和西梁子湖交汇于梁子岛及其西侧的岛屿群.牛山湖和西梁子湖为地表水环境功能Ⅱ类区，是珍贵鱼类保护区、鱼虾产卵场，而东梁子湖为地表水环境功能Ⅲ类区，是一般鱼类保护区[26].
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图 1 梁子湖示意图 Fig.1 Study area of Lake Liangzi |
结合梁子湖地形特点以及入湖河流的分布，于2012年的夏季(7月)、秋季(10月)、冬季(12月)和2013年的春季(3月)对梁子湖水体进行调查采样.采样时利用GPS定位，根据现场测得的水深确定采样深度，4个季节共采集300个水样，其中春季44个(西梁子湖15个、牛山湖14个、东梁子湖15个)，夏季149个(西梁子湖67个、牛山湖31个、东梁子湖51个)，秋季64个(西梁子湖31个、牛山湖14个、东梁子湖19个)，冬季43个(西梁子湖16个、牛山湖8个、东梁子湖19个)，每个季节采样活动历时2~3天.具体采样方法参照《水质采样技术指导》进行[27].
主要测定的水质指标包括水深、水温、pH值、透明度、溶解氧、CODMn、TP、总氮(TN)、氨氮(NH3-N)等.其中前5个指标现场测定：水深在没有水草的地方利用EcoSounder回声仪测定，有水草的地方通过钢尺测定；水温、pH值、溶解氧等利用美国哈希水质仪(DS5系列)测定；透明度通过塞氏盘测定.而后4个指标在各采样点采集600 ml水样，利用浓硫酸固定后带回实验室测定：CODMn浓度采用酸性高锰酸钾氧化法测定[28]；TP浓度采用钼酸铵分光光度法测定[29]；TN浓度采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定[30]；NH3-N浓度采用纳氏试剂分光光度法测定[31].
限于篇幅，本文仅针对后4个关键指标，即CODMn、TP、TN和NH3-N，从点位、湖区、全局3个层次对梁子湖的水质时空格局进行分析和比较.
2.2 数据分析 2.2.1 水质类别空间分布图基于《地表水环境质量标准》[4]对采样点的水质进行类别划分，在水域功能区标准限值内的，将各类标准限值作为分类的界限，共划分为5类；超出水域功能区标准限值的，统归为1类(劣Ⅴ类).对不同的水质类别采用不同的颜色标记，结合采样点的地理坐标信息，绘制水质类别空间分布图.通过水质类别空间分布图，分析点位层次的水质状况、达标情况和水质空间差异.其中，水质状况根据各类水质占的百分比来评价；达标情况根据超标比例来评价；水质空间差异根据包含的水质类别数量来评价.
2.2.2 箱线图是一种用来显示数据分散情况的统计图，由“箱”和“线”组成，包括一个箱体和两条分别从箱体顶端向上和底端向下的垂直延长线(触须).箱体下边界代表第一四分位数(QL)，上边界代表第三四分位数(QU)，箱体内部的线段(中位线)代表中位数，箱体长度代表四分位距(IQR)；从箱体边界向下延伸的触须终点位置为不小于QL-1.5 IQR的最小观测值，从箱体边界向上延伸的触须终点位置为不大于QU +1.5 IQR的最大观测值.触须终点的线段为临界点，临界点之外为异常值.通过指标浓度箱线图，分析湖区层次的水质状况和达标情况.其中，水质状况是对每个湖区各个指标浓度的季节变化模式进行综合，根据共同的变化模式来评价；达标情况根据箱体与达标线的相对位置来评价.
2.2.3 方差分析是一种能分解数据变异来源的统计方法，用来识别数组间差异的显著性水平等.根据考虑的因素个数可分为单因素、双因素和多因素方差分析.单因素方差分析数组间是否存在显著性差异用F检验；需进一步区分具体两个数组的差异用多重比较检验，检验方法用最小显著差异法(LSD)，检验结果用柱形图和字母标记法识别.通过方差分析湖区层次的水质空间差异和全局层次的水质状况.其中，水质空间差异是对湖区进行单因素方差分析，根据F检验的显著性水平来评价；水质状况是对季节进行单因素方差分析，根据多重比较检验的结果来评价.
2.2.4 Global Moran's Ⅰ是一个反映空间自相关的统计量[32]，用来评估空间分布模式是聚集、离散还是随机模式，显著性水平采用Z检验. Global Moran’s Ⅰ的取值在-1~1之间，其中，正值且检验结果显著代表聚集模式(cluster pattern)，即指标浓度较高的样点周围指标浓度也较高，或者指标浓度较低的样点周围指标浓度也较低；负值且检验结果显著代表离散模式(dispersion pattern)，即指标浓度较高的样点周围指标浓度较低，或者指标浓度较低的样点周围指标浓度较高；其他情况代表随机模式(random pattern)，即指标浓度的空间分布没有规律.
2.2.5 Anselin Local Moran's Ⅰ是一个用来识别具有统计显著性的热点、冷点和空间异常值的统计量[33]，显著性水平采用Z检验.可将样点分成5类：HH(热点，指标浓度较高的样点周围指标浓度也较高)、LL(冷点，指标浓度较低的样点周围指标浓度也较低)、HL(异常值，指标浓度较高的样点周围指标浓度较低)、LH(异常值，指标浓度较低的样点周围指标浓度较高)和检验结果不显著.由热点组成的空间分布图称为高值聚集空间分布图，由冷点组成的称为低值聚集空间分布图.通过Global Moran's Ⅰ和Anselin Local Moran's Ⅰ分析全局层次的水质空间分布模式.先根据Global Moran's Ⅰ判断每个季节各个指标浓度的空间分布是否呈聚集模式，对呈聚集模式的情况再根据Anselin Local Moran's Ⅰ分析识别高值聚集区和低值聚集区.
此外，全局层次的水质空间差异根据变异系数(Cv)来评价.水质类别空间分布图、箱线图和变异系数通过Matlab R2010b软件完成，方差分析通过SPSS 19.0软件完成，Global Moran's Ⅰ和Anselin Local Moran's Ⅰ分析通过ArcGIS 10.1软件完成[34].
3 研究结果 3.1 点位层次的水质时空格局分析 3.1.1 水质状况梁子湖整体CODMn浓度在春季相对较低，以Ⅱ类水质为主(占84%)；夏季相对较高，包含Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ各类水质，其中Ⅳ类占67%；秋季也相对较高，包含Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ各类水质，其中Ⅳ类占70%；冬季相对较低，包含Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ各类水质，其中Ⅱ类占63% (图 2a). TP浓度在春季相对较低，以Ⅱ类水质为主(占80%)；夏季有所上升，包含Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ各类水质，其中Ⅱ、Ⅲ类分别占36%、37%；秋季有所下降，包含Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ各类水质，其中Ⅱ、Ⅲ类分别占52%、22%；冬季相对较低，包含Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ各类水质，其中Ⅱ类占74% (图 2b). TN浓度在春季处于中等水平，包含Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ各类水质，其中Ⅲ类占64%；夏季也处于中等水平，包含Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、劣Ⅴ各类水质，其中Ⅲ类占67%，但局部(靠近牛山大坝的牛山湖区域)存在明显的水质恶化现象，水质为劣Ⅴ类(占5%)；秋季有所下降，包含Ⅱ、Ⅲ类水质，其中Ⅱ类占59%；冬季相对较高，包含Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、劣Ⅴ各类水质，其中Ⅲ、Ⅳ类分别占35%、47% (图 2c). NH3-N浓度在春、夏、秋季相对较低，均以Ⅱ类水质为主(春、夏、秋季分别占98%、83%、89%)；冬季处于中等水平，包含Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ各类水质，其中Ⅲ类占70% (图 2d).
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图 2 梁子湖各采样点主要指标水质类别的空间分布 Fig.2 Spatial distribution of water quality classification of main parameters in each sampling site of Lake Liangzi (蓝色为Ⅰ类，绿色为Ⅱ类，青色为Ⅲ类，黄色为Ⅳ类，粉色为Ⅴ类，红色为劣Ⅴ类) |
东梁子湖夏、秋季的CODMn以及冬季的TN超标较严重(超标比例分别为75%、63%和68%)；牛山湖春季的TN超标较严重(超标比例79%)，夏季的CODMn和TN超标非常严重(超标比例分别为97%和87%)，秋季的CODMn以及冬季的CODMn、TN和NH3-N超标非常严重(超标比例均为100%)；西梁子湖春季的TN超标较严重(超标比例67%)，夏季的CODMn和TN、秋季的CODMn以及冬季的TN超标非常严重(超标比例分别为93%、85%、100%和88%).
3.1.3 水质空间差异梁子湖春季TP和TN浓度空间差异较大(均包含4个类别水质)；夏季CODMn、TP和TN浓度空间差异较大(分别包含4、5和5个类别水质)；秋季TP浓度空间差异较大(包含4个类别水质)；冬季CODMn和TN浓度空间差异较大(分别包含4和6个类别水质).
3.2 湖区层次的水质时空格局分析 3.2.1 水质状况各指标浓度中位数的季节变化主要有两种模式：(1)夏、秋季高，春、冬季低；(2)夏、冬季高，春、秋季低.东梁子湖CODMn和TP浓度的季节变化符合模式(1)，而TN和NH3-N浓度符合模式(2).牛山湖CODMn浓度的季节变化符合模式(1)；而TP浓度接近模式(1)，但夏季偏低；TN浓度接近模式(2)，但春季偏高；NH3-N接近模式(2)，但夏季偏低.西梁子湖CODMn浓度的季节变化符合模式(1)，而TP、TN和NH3-N浓度符合模式(2).以3个湖区指标浓度中位数的季节变化模式为基础进行综合分析，结果表明，梁子湖整体CODMn浓度在夏、秋季相对较高，春、冬季相对较低；TP浓度在春季相对较低；TN浓度在夏、冬季相对较高，秋季相对较低；NH3-N浓度在冬季相对较高，春、秋季相对较低.
3.2.2 达标情况东梁子湖夏季的CODMn超标非常严重(箱体全部高于达标线)，秋季的CODMn以及冬季的TN超标较严重(箱体均有3/5高于达标线)(图 3a)；牛山湖春季的TN、夏季的CODMn和TN、秋季的CODMn、TP和TN以及冬季的CODMn、TN和NH3-N超标非常严重(箱体分别有1、1、1、1、4/5、4/5、1、1和1高于达标线)(图 3b)；西梁子湖春季的TN、夏季的CODMn和TN、秋季的CODMn以及冬季的TN超标非常严重(箱体分别有4/5、1、1、1和1高于达标线)，秋季的TN超标较严重(箱体有3/5高于达标线)(图 3c).
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图 3 梁子湖各湖区主要指标浓度箱线图 Fig.3 Boxplots of concentration of main water quality parameters in each season at each subdivided lake of Lake Liangzi (平行于横坐标的直线代表对应湖区的水质达标浓度限值，称为达标线) |
单因素方差分析结果表明，梁子湖春季NH3-N浓度空间差异较大(P < 0.05)；夏季TP、TN和NH3-N浓度空间差异非常大(P < 0.01)；秋季CODMn、TP和NH3-N浓度空间差异非常大(P < 0.01)，TN浓度空间差异较大(P < 0.05)；冬季CODMn和NH3-N浓度空间差异非常大(P < 0.01)，TP浓度空间差异较大(P < 0.05).
3.3 全局层次的水质时空格局分析 3.3.1 水质状况单因素方差分析发现，梁子湖整体CODMn、TP、TN和NH3-N浓度的季节差异均非常显著(P < 0.01).多重比较分析结果显示，梁子湖整体CODMn浓度在夏、秋季相对较高，春、冬季相对较低；TP浓度在夏季相对较高，春、秋、冬季相对较低；TN浓度在冬季相对较高，夏季次之，春季再次之，秋季相对较低；NH3-N浓度在冬季相对较高，夏季次之，春、秋季相对较低(图 4).
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图 4 梁子湖主要指标浓度均值及季节差异 Fig.4 Average concentration of main water quality parameters in each season and the significant difference from season to season at Lake Liangzi (同种指标柱形上方的字母不同表示两季节存在显著差异，相同表示无显著差异) |
变异系数分析表明，春季梁子湖整体TP浓度空间差异非常大(Cv=1.19)，TN浓度空间差异较大(Cv=0.40)；夏季TP浓度空间差异非常大(Cv=0.67)，CODMn、TN和NH3-N浓度空间差异较大(Cv=0.30、0.47、0.37)；秋季TP浓度空间差异非常大(Cv=0.70)，NH3-N浓度空间差异较大(Cv=0.44)；冬季CODMn、TP、TN和NH3-N浓度空间差异较大(Cv=0.35、0.40、0.40、0.32).
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图 5 梁子湖水质高值聚集(a)和低值聚集(b)空间分布 Fig.5 Spatial distribution of HH(a) and LL(b) cluster patterns of water quality at Lake Liangzi |
本文依据大样本采样数据，分春、夏、秋、冬季，从点位、湖区、全局3个层次对梁子湖的水质状况、达标情况和水质空间差异进行分析、比较和综合，结果发现:(1)梁子湖整体受到污染主要表现在夏、秋季的CODMn浓度较高，冬季的TN浓度较高；(2)春季水质超标主要表现在牛山湖和西梁子湖的TN污染，夏季水质超标主要表现在梁子湖整体的CODMn污染以及牛山湖和西梁子湖的TN污染，秋季水质超标主要表现在梁子湖整体的CODMn污染，冬季水质超标主要表现在梁子湖整体的TN污染以及牛山湖的CODMn和NH3-N污染；(3)梁子湖水质空间分布不均主要表现在夏季的TP和TN，秋季的TP，冬季的CODMn浓度空间差异较大.结合水质空间分布模式，可以看出，梁子湖水质存在显著的季节差异和较大的空间差异：(1)季节上，夏、秋、冬季污染相对较重，春季污染相对较轻；夏、秋季主要污染指标为CODMn，冬季为TN；(2)空间上，东梁子湖和牛山湖污染相对较重，西梁子湖污染相对较轻，且多为面源污染；东梁子湖主要污染指标为CODMn、TP和TN，牛山湖为CODMn、TN和NH3-N，西梁子湖为CODMn和TN.
梁子湖受到农业面源、水产养殖、城乡生活污水、集约化畜禽养殖、工业废水等多重污染压力[25].农业面源污染主要表现在农业生产活动中，N、P等营养物质、农药以及其他有机或无机物质，通过地表径流和农田渗漏进入湖泊[35-36]，导致CODMn、TP和TN浓度较高；夏季是农田生产活动最频繁的季节，进入秋季之后，这些活动逐渐减少，CODMn、TP和TN浓度逐渐下降；但由于梁子湖属于浅水草型湖泊，沉水植物丰富、生物量高[37]，水生植物在10月底前后自然死亡，参考厉恩华等[38]对同类型湖泊——洪湖的研究结果，水生植物凋落物腐烂分解90天内有41%的氮可释放到水体中，从而导致冬季TN浓度较高.梁子湖水产养殖主要包括湖周边渔业养殖和湖内围网养殖两种形式[25]，夏季是水产摄食量最大、生长最快的季节，投饵量大，导致CODMn和TN浓度较高；秋季水产成熟，收获时对水体的扰动较大，导致CODMn浓度较高；进入冬季后，CODMn浓度逐渐下降，但由于湖内围网养殖的过量饵料、动植物残体及其排泄物等腐烂产生的NH3直接进入上层水体[39]，导致NH3-N浓度上升，而NH3在水体中发生硝化作用[40]，导致TN浓度上升；至春季，NH3-N基本完成转化或逸出水体，浓度较低，但TN浓度依然较高.城乡生活污水、集约化畜禽养殖和工业废水等也会排放一定量的污染物，但季节差异不明显.
结合上述污染源的季节性变化特点与梁子湖的水质时空格局推断，东梁子湖主要受到农业面源和湖内围网水产养殖的双重污染，但夏季NH3-N浓度较高；牛山湖主要受到湖内围网水产养殖的污染，但冬季CODMn浓度较高；西梁子湖主要受到湖内围网水产养殖的污染.浓度较高的指标可能是由城乡生活污水、集约化畜禽养殖和工业废水等其他污染源所致.
梁子湖作为湖北省第二大湖泊，已有很多水环境方面的相关研究，如前面提及的梁子湖水环境质量评价[ 22]，梁子湖流域水环境功能区划及水质现状分析[23]，梁子湖水生生物多样性及水质评价研究[24]等.与之前的研究相比，本文布设的采样点更多、覆盖范围更大，因此能够更好地反映梁子湖的水质空间分布特征.不但如此，本文在研究方法上也有所创新.可以看出，本文采用的点位、湖区和全局3个层次的时空格局分析方法互相印证，互为补充，对全面、细致地了解梁子湖区的水质季节变化和空间差异极有帮助.而且，整个分析过程被程序化，这将极大地方便梁子湖水环境的后续研究，也可为其他同类问题提供方法借鉴.
5 结论1) 水质状况：梁子湖整体CODMn浓度在夏、秋季相对较高，春、冬季相对较低；TP浓度在春季相对较低；TN浓度在冬季相对较高；NH3-N浓度在春、秋季相对较低.
2) 达标情况：东梁子湖夏、秋季的CODMn以及冬季的TN超标较严重；牛山湖春季的TN超标较严重，夏季的CODMn和TN、秋季的CODMn以及冬季的CODMn、TN和NH3-N超标非常严重；西梁子湖春季的TN超标较严重，夏季的CODMn和TN、秋季的CODMn以及冬季的TN超标非常严重.
3) 水质空间差异：梁子湖夏季TP和TN浓度空间差异较大，秋季TP浓度空间差异较大，冬季CODMn浓度空间差异较大.
4) 梁子湖水质存在显著的季节差异和较大的空间差异:季节上，夏、秋、冬季污染相对较重，春季污染相对较轻；空间上，东梁子湖和牛山湖污染相对较重，西梁子湖污染相对较轻.
5) 东梁子湖主要受到农业面源和湖内围网水产养殖的双重污染；牛山湖和西梁子湖主要受到湖内围网水产养殖的污染.
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