洞庭湖承纳湘、资、沅、澧”四水”，吞吐长江，属于长江中下游浅水型湖泊^[1].是我国第二大淡水湖，不仅储存着宝贵的淡水资源，还是多种鸟类、鱼类等水生动物的栖息地和许多水生植物的生长栖息地，其中不乏东方白鹳、黑鹳、鲥鱼和中华鲟等国家级珍稀保护物种.洞庭湖不仅有十分丰富的生物多样性资源，还具有调节长江洪水径流作用.全国五大淡水湖泊中，同在长江中下游的太湖、巢湖均已出现水体富营养化，部分湖区甚至暴发蓝藻水华^[1].相关研究结果表明，以总氮、总磷为主要污染物的水质富营养化已成为目前国内三大湖的共同特征^[2-4].洞庭湖虽未暴发蓝藻水华，但水质现状也不容乐观，湖泊整体呈中营养水平，但水质呈现下降趋势，水体富营养化逐渐加重^[5]，目前，对洞庭湖的水质研究多集中于水位、泥沙淤积与环境容量和重金属污染等方面^[6-8], 虽然也有水质评价的研究，但时间尺度较短^[9].对洞庭湖的长期水质营养状况作出全面评价与分析，并结合分析浮游藻类的生长繁殖趋势，为洞庭湖的水体生态环境保护提供理论基础，具有十分重要的意义.

1 材料与方法 1.1 样品采集与监测分析方法

洞庭湖监测断面共有14个(图 1)，即4个入湖断面，樟树港(1)、万家嘴(2)、坡头(3)和沙河口(4)；9个湖体断面主要包括西洞庭湖区的南嘴(5)、目平湖(6)和小河嘴(7)断面，南洞庭湖区万子湖(8)、横岭湖(9)和虞公庙(10)断面，东洞庭湖区鹿角(11)、东洞庭湖(12)和岳阳楼(13)断面；1个出湖口断面为洞庭湖出口(14)断面.每个断面设左、中、右3条垂线，均采样表层水样，频率为每月1次.监测项目包括地表水环境质量标准(GB 3838-2002)中的24项基本指标和叶绿素a浓度(Chl.a)、透明度(SD).本研究中参与综合营养状态指数(TLI)计算的总氮(TN)、总磷(TP)、高锰酸盐指数(COD_Mn)、Chl.a、SD的前处理、分析等均参照《水和废水监测分析方法》(第四版)^[10]进行.采样时加硫酸至pH≤2，采用酸性滴定法测定COD_Mn；采样时加硫酸至pH≤2，用过硫酸盐消解钼锑抗分光光度法测定TP浓度；采样时加硫酸至pH≤2，采用碱性过硫酸盐消解紫外分光光度法测定TN浓度；Chl.a浓度使用微孔滤膜抽滤丙酮提取分光光度法测定；透明度采用塞氏盘法现场测定.

1.2 数据收集与处理

所有水质数据来源于湖南省洞庭湖生态环境监测中心.各湖区水质指标的年际变化趋势分别以年度算术平均值进行分析处理.根据地表水环境质量标准(GB 3838-2002)，采用单因子评价法对水质进行评价，年度水质类别比例则由各断面每月水质类别比例统计而来，利用湖泊综合营养状态指数TLI对水体营养状况进行评价^[11].使用Sigmaplot 12.0和SPSS 13.0软件分别对数据作绘图和分析处理，使用One-way单因素方差分析进行差异性统计分析，选用Spearman秩相关系数进行Daniel趋势检验，使用SPSS 13.0软件进行M-K突变性检验，P < 0.05为显著水平，P < 0.01为极显著水平.

2 结果与分析 2.1 洞庭湖水质状况演变特征

1986年以来，对全湖进行GB3838-2002中24项指标的每月1次常规监测，结果表明，洞庭湖水质由1986-1990年间的Ⅱ类水质为主(占比65 %~72 %)逐渐下降为2011 2015年的Ⅳ类(占比51 %~72 %)为主(图 2)，除TN和TP外，其余22项指标均达到Ⅰ~Ⅲ类标准，影响洞庭湖水质类别的主要污染物为TN和TP. 2013年以来，14个监测断面中，除4个入湖断面呈现Ⅱ或Ⅲ类水质外，其余断面均呈现Ⅳ类水质，个别断面甚至下降为Ⅴ类水质.全湖Ⅰ~Ⅲ类水质变化趋势Daniel检验结果rs值为-0.873，绝对值远大于0.01显著水平临界值(N=15时，wp=0.623)，这表明近三十年来洞庭湖Ⅰ~Ⅲ类水质百分比呈现极显著下降趋势.

2.2 洞庭湖主要污染物演变特征

从1986年有TN浓度监测数据以来到2015年为止，洞庭湖TN浓度呈现波动上升的趋势，波动范围在0.83~2.03 mg/L之间(图 3a)，长期变化趋势定量分析结果(表 1)表明，3个湖区在过去30年里TN浓度均极显著上升(rs>0, P < 0.01).其中1986年2002年为波动上升，2003 2007年略有所下降，而2008年以来明显上升.在空间分布上，洞庭湖TN浓度表现为东洞庭湖>南洞庭湖>西洞庭湖，且东洞庭湖与南洞庭湖在同一水平，但均与西洞庭湖差异性极显著(P < 0.01).

洞庭湖TP浓度变化趋势与TN浓度较为相似，3个湖区长期变化趋势均呈现显著或极显著上升(表 1).其中1986-2002年呈先下降后上升的趋势，2003-2007年总体呈现小幅降低趋势，但2008年以来又开始回升(图 3b).在空间上，3个湖区TP浓度空间差异性较小，东洞庭湖略高于其他湖区.

参与洞庭湖TLI计算的其它3项指标中，COD_Mn和Chl.a浓度30年来无显著变化趋势(表 1)，COD_Mn在1.73~4.76 mg/L范围内波动变化，单项因子评价属Ⅱ~Ⅲ类水质，Chl.a浓度在0.53~5.93 mg/m³范围内波动变化；而SD均呈现上升趋势，其中东洞庭湖与西洞庭湖区呈现极显著上升趋势，但30年间变化范围较小，在0.18~0.68 m之间变化.在空间分布差异上，各个湖区COD_Mn无显著性差异，但东洞庭湖Chl.a和SD均显著高于其它湖区(P < 0.05).

2.3 洞庭湖营养状态演变特征

洞庭湖TLI在长期监测中呈现波动性上升趋势(图 3c)，除2008 2010年与2015年东洞庭湖等部分湖区TLI大于50.0，为轻度富营养化外，3个湖区在30年的监测中总体呈现中营养水平，各湖区变化趋势定量统计分析结果表明(表 1)，3个湖区均呈现上升趋势，其中东洞庭湖与西洞庭湖上升趋势极显著. M-K突变检验结果(图 4)表明，东洞庭湖与西洞庭湖大致在1996年出现第1次拐点，水质富营养化明显加剧；全湖3个湖区在2003年出现第2次拐点，水质富营养化均有所减缓；各湖区在2007年出现第3次拐点，各湖区富营养化由减缓又变为加剧；在空间分布上各湖区TLI总体表现为东洞庭湖>西洞庭湖>南洞庭湖，且东洞庭湖与其它湖区差异性极显著，西洞庭湖与南洞庭湖差异不大.

2.4 洞庭湖浮游藻类演变特征

2008-2015年，洞庭湖浮游植物共检出8门66属，其中蓝藻门9属，绿藻门22属，硅藻门23属，裸藻门4属，甲藻门4属，隐藻门2属，黄藻门1属，金藻门1属.全湖浮游藻类年均密度为54.2×10⁴ cells/L，其中优势种为小环藻(Cyclotella sp.)，与1986 2007年数据相比(表 2)，洞庭湖藻类密度近年来显著上升(P < 0.01)，主要优势藻类演替由舟形藻(Navicula sp.)转变为小环藻，但均为硅藻.近年来硅藻占比有所下降，而蓝藻数量开始迅速上升(年均占比20.2 %)，极显著高于1986 2007年监测数据(P < 0.01)，主要因为近年来大、小西湖保护区等东洞庭湖区断面，属湖湾水域，蓝藻数量开始增多，其中2012年9月达最高值, 达106×10⁴ cells/L.况琪军等^[12]总结国内外相关研究资料时把舟形藻与小环藻等硅藻划分为中-富营养型水生态环境的代表种，把鱼腥藻等蓝藻划分为富营养型水生态环境的代表种.表明30年来洞庭湖水生态环境类型总体为中-富营养型，但呈现向富营养化型转变趋势.

3 讨论 3.1 洞庭湖水质营养状况演变成因及趋势分析

根据各湖区TLI指数的M-K突变检验结果(图 4)，将洞庭湖1985-2002年(由1986-1995年与1996-2002年合并为一个阶段)分为第一阶段，这一时期洞庭湖多次暴发洪水^[13]，1988、1996、1998和1999年4次较大规模洪水时期相应水体TP、TN与TLI明显升高(图 3)，国内外相关文献表明^[14-15]，洪水期间地表径流携带的大量悬浮物会使湖泊水体中氮、磷等污染物浓度升高.申锐莉等^[9]研究也认为洪水明显推进洞庭湖水体富营养化，考虑到生活污染源与工业污染源季节性变化较小，只有农业等面源污染源和暴雨径流随流量和雨季的变化大^[16]，说明这一时期洞庭湖流域面源污染较严重，主要是水土流失、水产养殖、农药化肥、畜禽粪便等污染造成的^[9].这与同在长江中下游的浅水湖泊鄱阳湖的水体富营养化规律颇为相似^[17]. 1986-2002年间洞庭湖来沙量巨大，“三口”年均来沙6959×10⁴~10021×10⁴ t，“四水”来沙1584×10⁴~2814×10⁴ t，明显高于2003年以后年均值^[18]，而泥沙作为水体氮、磷等污染物迁移转化的重要载体，吸附和释放污染物，同时通过泥沙运动，影响着水体环境质量^[19]，因此这一时期内泥沙可能吸附大量污染物进入洞庭湖后释放进入水体，湖泊污染负荷进一步加重.但洞庭湖来沙量巨大的同时，来水量也相应较大，这一时期“三口”年均来水687×10⁸~834×10⁸ m³，“四水”来水1699×10⁸~1724×10⁸ m³，也明显高于2003年以后年均值^[18]，来水量大有利于洞庭湖水环境容量增加，相应降低TN、TP等主要污染物浓度，因此除1986-1988和1998-2002年等暴发较大规模洪水时期非常接近富营养水平外(其中1999年东洞庭湖TLI值为49.7)，1989-1997年全湖水体营养状况总体维持在中营养水平，TLI均值在45.0左右.空间分布上，南洞庭湖在此期间受影响最小，可能因为洞庭湖来沙主要通过西洞庭湖的“三口”进入^[18]，而且西洞庭湖区的开垦程度较大，有最大的开垦田青山垸^[20]，而东洞庭湖区受城镇人口生活生产活动影响相对最为严重^[5].所以南洞庭湖在洪水期间受来沙、地表径流带入氮、磷等污染物以及工业污水和生活污水等方面影响程度分别低于西洞庭湖和东洞庭湖，因而水体营养状况在期间变化趋势不如后两者明显.

2003-2007年为第二阶段，这一时期内洞庭湖各湖区均在2003年左右出现突变拐点，这一时期内主要特征是水体富营养化趋势有所减缓，TN和TP等主要污染物稳定在相对低位水平，其中TLI值在42.1~48.4间(图 3c)波动下行，TN和TP浓度分别维持在0.872~1.92和0.082~0.132 mg/L的相对较低浓度水平(图 3a, b)，这一结论与秦迪岚等^[21]的研究结果相符.郭建平等^[22]认为，自2003年开始洞庭湖受城市工业性污染比重开始下降，而农业面源污染比重开始明显上升.进入新世纪以来洞庭湖再未发生较大规模洪水，面源污染影响程度与影响范围可能较为有限，不能抵消工业污染的下降效应.再加上1998年以来的退田还湖工程、三峡工程和生态移民对洞庭湖整体水域起了扩大湖泊面积和水环境容量作用^{[9, 22]}，从而增加了水体的自净能力. 2003-2007年间，“三口”、“四水”年均来沙量相比三峡工程运行前明显减少，分别为1396×10⁴、991×10⁴ t，但来水量却没有明显减少，分别为682×10⁸、1545×10⁸ m^3[23]，因此期间湖泊环境容量相对扩大的同时泥沙携带进入洞庭湖的污染物却明显减少，对洞庭湖水体富营养化的减缓影响不可忽视.在空间分布上，南洞庭湖TLI值和主要污染物浓度虽然仍处于最低值，但其改善效果最不明显.

2008-2015年为第三阶段，各湖区均在2007前左右出现突变拐弯点后富营养化加剧，各主要污染物浓度显著上升的趋势，TLI、TN、TP均呈现波动上升.黄代中等^[5]认为这一时期内水质变化趋势可能是流域社会经济持续快速发展造成的工业污染、农业面源污染及湖内沉积物释放所造成的.这一时期三峡工程的运行和严重干旱等因素也导致了入湖水量减少并使水体交换不畅，削弱了湖泊水体净化能力^{[18, 24]}. 2008-2014年洞庭湖年均来沙量与2003-2007年相比没有明显减少，“三口”、“四水”分别为1152×10⁴、873×10⁴ t，但来水量却明显减少，尤其是“三口”来水仅为306×10⁸ m^{3[18, 23]}(统计数据中2013年和2014年数据来自湖南水利厅水资源公报)，直接造成湖区水环境容量减小而污染物浓度相应上升，从而使水体富营养化.秦迪岚等^[21]2008年对洞庭湖污染来源调查结果表明，洞庭湖的特征污染物为TN和TP，磷污染主要来源于洞庭湖区、沅江和湘江，而氮污染主要来源于湘江，洞庭湖区氮磷污染主要来源于农业面源污染和城镇生活污染. 2008年以来，除2013和2014年外，东洞庭湖TN浓度均处于全湖最高水平(图 3a)；而西洞庭湖TP浓度除2015年外均处于全湖最高水平(图 3b)，这一结果印证了秦迪岚等^[21]的调查结论.而这一时期内东洞庭湖富营养化程度仍处于全湖最高水平.这可能是该湖区人类活动比另外2个湖区频繁，生产生活活动导致大量污染物进入周边^[5].

1986-2015年，全湖Ⅰ~Ⅲ类水质呈现极显著下降趋势，由1986-1990年以Ⅰ~Ⅲ类水质为主演变为近五年来以Ⅳ类水质为主，而30年长期变化趋势中只有TN、TP和TLI一起呈现显著或极显著上升趋势，这表明与许多富营养化湖泊类似^[2-4]，TP、TN是水质主要影响因子，是洞庭湖水体中主要污染物，也是水体营养状况是否向富营养化转变的主要影响因子.在大尺度时间分布上全湖从1986-2015年TP、TN浓度以及水体TLI均呈现显著或极显著上升趋势，由此推测洞庭湖未来一段时间内仍将继续处于向富营养化湖泊转变进程中.

3.2 与长江中下游其它浅水湖泊比较分析

洞庭湖水体中的N、P浓度实际已具备水体发生富营养化的条件，与鄱阳湖一样面临水体富营养化甚至暴发藻类水华的严峻形势^[25].国际上一般认为，在静止水体中，TP浓度达到0.086 mg/L即为富营养化的临界值^[26]，秦伯强^[1]在总结暴发蓝藻水华的富营养化湖泊研究资料发现，水体中营养盐浓度范围大致接近，即TN浓度在1~10 mg/L之间，TP浓度在0.01~0.1 mg/L之间；陈宇炜^[27]总结太湖蓝藻水华暴发条件认为：蓝藻水华的适应条件是水温20℃以上，水体TP浓度在100~800 μg/L之间，TN在浓度2.5~3.5 mg/L之间，以及适度浑浊的透明度条件将有利于微囊藻与其他藻类竞争.张民等^[28]对巢湖研究结果表明，2013年巢湖仍然暴发大面积蓝藻水华，其TN浓度约为2.5 mg/L, TP浓度约为0.15 mg/L.洞庭湖尤其是东洞庭湖区近五年来TP浓度最高达0.132 mg/L(均值为0.119 mg/L)，TN浓度最高达2.37 mg/L(均值为2.12 mg/L)，洞庭湖与太湖、巢湖同为长江中下游浅水湖泊，水温、气候等条件相近，SD在0.18~0.68 m之间，也与太湖水体2005 2006年透明度(0.31~0.70 m)在同一水平^[3]，但很少有洞庭湖暴发蓝藻水华的文献报导.原因可能是洞庭湖为通江湖泊，换水周期快，约18 d左右^[5]，明显快于太湖的264 d与巢湖的127 d, 蓝藻无法在流动的水体中生长聚集^[29].刘霞等^[29]研究认为，鄱阳湖与洞庭湖主体湖泊水体未暴发蓝藻水华，关键原因在于湖泊有一定水流速度；但鄱阳湖东部湖湾主要污染物TN和TN浓度分别达到0.57~3.14 mg/L(均值为1.53 mg/L)和0.02~0.29 mg/L(均值为0.05 mg/L)，水流较缓，水力停留时间较长，已成为蓝藻的原位生长区域，其水质条件与水动力条件符合蓝藻的生长聚集.钱奎梅等^[30]研究也表明, 鄱阳湖部分湖湾区自2007年已经发现了明显水华蓝藻聚集现象，且2013-2014年水华分布区域范围增加，蓝藻生物量占浮游生物总生物量的比例有逐年增加的趋势.洞庭湖藻类监测数据表明(表 2)，1986-2002年，洞庭湖浮游藻类(年均密度为10.2×10⁴ cells/L)以硅藻为主，占总数的52.1 %，蓝藻占比为4.93 %；2003-2007年年均密度为8.93×10⁴ cells/L，仍以硅藻为优势类群，占总数的59.1 %，蓝藻占比为4.12 %，而2008-2015年，年均密度达54.2×10⁴ cells/L，硅藻虽为主要优势种，但占比已明显下降至30.8 %，而蓝藻占比已经迅速上升至21.6 %，为次级优势种, 与鄱阳湖相似^[30]，王琦等^[18]研究结果甚至发现2013年9月东洞庭湖湖面有400 km²的微囊藻水华.与鄱阳湖一样，洞庭湖尤其是东洞庭湖水流较缓的湖湾区面临蓝藻生长聚集甚至暴发水华的严峻形势.

但与鄱阳湖也有所不同，洞庭湖吞吐长江，三峡工程蓄水前“三口”来水来沙量巨大，一度造成洞庭湖泥沙严重淤积^[13]，其中1996-2002年来水量占比23.4 %，来沙量占比79.5 % ^[18].而鄱阳湖入湖泥沙负荷主要来自赣江等五大入湖河流^[31].随着三峡工程的运行，长江“三口”来水来沙量明显减小，洞庭湖水位降低，换水周期变长，湖泊水体交换不畅，一方面将削弱湖泊水体对污染物的净化能力^[24], 另一方面，水体透明度增大，藻类光合作用增强，利于藻类生长繁殖^[5], 而在水流相对静止的天然湖泊水体环境中，蓝藻比硅藻和绿藻更有竞争优势^[32].因此洞庭湖面临形势可能更为严峻.