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(2: 太湖流域管理局水利发展研究中心, 上海 200434)
(3: 太湖流域水文水资源监测中心, 无锡 214024)
(2: Water Conservancy Development Reseach Center of Taihu Basin Authority, Shanghai 200434, P. R. China)
(3: Monitoring Bureau of Hydrology and Water Resources, Taihu Basin Authority, Wuxi 214024, P. R. China)
太湖地处长江三角洲南缘，是大型浅水湖泊，水域面积2338 km2，平均水深1.9 m，最大水深约3.4 m，是太湖流域水生态系统的中枢. 2007年5月底发生的太湖蓝藻暴发以及由此导致的无锡市供水危机，严重影响了当地近百万群众的正常生活，引起社会广泛关注，2008年5月国务院批复实施《太湖流域水环境综合治理方案》.
对于湖泊富营养化和蓝藻水华暴发，研究氮、磷等营养盐浓度的变化，已经是国内诸多专家主要研究方向.戴秀丽等[1]分析了太湖水体氮、磷浓度1985-2015年的演变趋势，全太湖水体氮、磷指标总体呈先恶化、后好转的波动变化趋势，而总磷浓度则没有明显的季节性变化规律.吴攀等[2]探索太湖流域水环境质量随经济发展的变化趋势，结果表明入湖总磷负荷与太湖上游流域废水排放总量呈显著正相关.朱伟等[3]研究太湖典型湖区梅梁湾和贡湖湾2010-2017年水质变化时，发现这两个湖区总磷浓度在2014年前也是在波动中呈现下降的趋势，但在2015和2016年有所回升.朱广伟等[4]对北部太湖14个监测点2005-2017年的营养盐和叶绿素a浓度逐月监测数据分析，发现2015年以来，北部太湖水体叶绿素a浓度呈显著增高特征，且近年来总磷浓度有升高趋势，溶解性总磷浓度也无明显下降趋势.大量相关研究[5-12]表明，氮、磷指标是造成太湖湖体富营养化的关键因子.
近10年来，太湖流域各省市政府加大治理力度，流域河流水体水质取得明显好转. 2010-2017年，太湖水体氨氮浓度和总氮浓度呈大幅度下降趋势，降幅分别为52.2 %和35.5 %，但太湖水体总磷浓度却呈上升趋势，增幅为16.9 %.本文通过分析近年来太湖入湖污染负荷、水生植被和蓝藻3方面变化，探讨近年来造成磷浓度升高的影响因素，这些分析对于正确理解太湖磷浓度现状，更加科学地制定治理措施有着重要的参考价值.
1 材料与方法 1.1 监测点布设太湖共布设33个监测点，分设在9个湖区，分别在梅梁湖5个、竺山湖2个、贡湖4个、东太湖3个、湖心区6个、西部沿岸区2个、东部沿岸区4个、南部沿岸区5个和五里湖2个(图 1和表 1).监测点位覆盖了太湖全部水域，监测频次为每年12次，每月上旬监测1次.
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图 1 太湖各分区及监测点分布 Fig.1 Distribution of lake regions and monitoring sites of Lake Taihu |
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表 1 太湖水质监测站点概况 Tab. 1 List of water quality monitoring sites in Lake Taihu |
水体总磷、溶解性总磷、正磷酸盐浓度的测定参照《水质总磷的测定钼酸铵分光光度法(GB 11893-1989)》.水样采样层面为水下0.5 m，按照《地表水环境质量标准(GB 3838-2002)》的要求，水样经静置沉淀30分钟后取上清液测定总磷浓度.具体做法是水样摇匀后，倒入2 L量筒静置沉淀30 min后，虹吸管插入液面下5 cm，取上清液入样品瓶，摇匀后取试样按GB 11893-1989要求消解后加入显色剂比色测定.溶解性总磷浓度用0.45 μm孔径的滤膜过滤后, 同样按GB 11893-1989方法消解后加入显色剂比色测定.正磷酸盐浓度则用过滤后水样不经消解直接显色测定.采用《内陆水域浮游植物监测技术规程(SL 733-2016)》中镜检计数法检测水体蓝藻密度.
1.3 数据处理与统计方法 1.3.1 水质各湖区监测点代表水域面积采用泰森多边形法确定，以此为权重，计算各湖区水质浓度；太湖水质浓度由各湖区水质按湖区面积加权计算确定.如竺山湖水质浓度由竺山湖和龙头2个监测点水下0.5 m水质浓度，分别乘以2个监测点的代表面积加和，除以竺山湖水域面积计算而得.
1.3.2 入湖污染负荷各入湖河流进行污染负荷计算[12]时，以当月入湖河流巡测断面水量作为月入湖水量，若入湖河流没有逐月水量巡测资料，则选择其与相应巡测段内基点站的年水量分配比重作为权重进行计算；水质资料选取入湖河流相应断面逐月浓度.各入湖河流历年来监测断面位置略有调整，均采用实测水质资料进行分析，未进行修正(区域或总体入湖污染负荷均以入湖水量为权重对入湖河流水质浓度进行空间和时间上的累加，如果该巡测段(站)无入湖水量则其污染负荷量为零).出入湖水量计算与分析按照地区划分，污染负荷量的统计按照太湖湖区来划分.
1.3.3 相关性分析各项数据之间的相关性分析采用SPSS Statistics 25软件进行.
2 结果与分析 2.1 太湖磷浓度分布状况太湖水中磷可以分为颗粒态磷和溶解态磷.颗粒态磷主要分悬浮泥沙和生物体及其残体碎屑两类，溶解态磷主要为无机磷和溶解态的有机磷. 2010-2017年，太湖总磷年均浓度0.076 mg/L，总体呈上升趋势.其中2010-2014年上下波动，2014-2017年呈上升趋势，且2016年为8年间最高值，浓度达到0.097 mg/L.溶解性磷年均浓度0.026 mg/L，占总磷浓度的34.4 %，波动趋势与总磷较为一致；其中溶解性磷中的正磷酸盐是被藻类和高等水生植被吸收利用的最主要形式，正磷酸盐年均浓度0.013 mg/L，占总磷浓度的17.3 %，总体上呈小幅上升趋势.
从各湖区(图 2)看，总磷浓度较高的湖区有竺山湖、西部沿岸区和梅梁湖.其中竺山湖总磷浓度最高，且波动明显；其次为西部沿岸区，总磷浓度居高不下；而梅梁湖总磷浓度呈明显的增长趋势，增长幅度较大.总磷浓度最小的湖区为东部沿岸区，其次为东太湖，其中东太湖总磷浓度变化趋势总体上呈增长趋势，尤其是2014年后呈明显上升趋势，2017年总磷浓度较2014年增长49 %，为各湖区中增长幅度最大的湖区.
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图 2 太湖及重点湖区磷浓度年均值变化 Fig.2 Annual mean change of phosphorus concentration in Lake Taihu and key lake regions |
2010-2017年，太湖均为中度富营养状态，全湖藻类密度、蓝藻密度和叶绿素a浓度总体上均呈上升趋势，其中2015年较2014年略有降幅(图 3).其中藻类密度从2010年的1702×104 cells/L增长到2017年的12227×104 cells/L，增幅为618 %，蓝藻密度从2010年的1394×104 cells/L增长到2017年的11766×104 cells/L，增幅为744 %，叶绿素a浓度从2010年的19.4 mg/m3增加到2017年的45.5 mg/m3，增幅为134.5 %.其中蓝藻密度占藻类的比重总体上呈上升趋势，从2010年的82 %增加到2017年的96 %.
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图 3 2010-2017年太湖蓝藻状况 Fig.3 Conditions of cyanobacteria in Lake Taihu from 2010 to 2017 |
从太湖各湖区蓝藻密度来看，梅梁湖和西部沿岸区蓝藻数量最高(图 4)，梅梁湖2017年蓝藻密度达到24662×104 cells/L，为太湖的2.1倍，西部沿岸区蓝藻密度达到21541×104 cells/L.其中东太湖曾为蓝藻数量最少的湖区，但近年来东太湖蓝藻数量上升趋势明显，从2010年的446×104 cells/L增加到2017年的2651×104 cells/L，增幅近5倍.
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图 4 2010-2017年太湖各湖区蓝藻密度 Fig.4 Cyanobacteria density in each lake region of Lake Taihu from 2010 to 2017 |
2010-2017年，环太湖入湖河流总磷浓度总体呈下降趋势，2017年总磷浓度较2010年下降了22.3 % (图 5)，与同时段入湖河流水质总氮浓度下降28.5 %相比，入湖总磷浓度降幅小于入湖总氮浓度的降幅.入湖径流污染负荷是太湖磷最主要的外源，根据入湖河道水质和水文巡测流量数据，计算环太湖入湖河流总磷总入湖量. 2010-2017年环太湖入湖河流总磷总入湖量年均值为0.22万t，总体呈波动变化趋势，2010-2013年呈下降趋势，2014-2016年呈上升趋势，2017年有所下降，其中2010年总磷总入湖量为0.28万t，2016年为0.26万t，2017年为0.20万t.
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图 5 环太湖入湖河流总磷污染负荷 Fig.5 Total phosphorus pollution load of rivers into the Lake Taihu |
太湖湖体的磷营养盐来源包括外源和内源.外源形式较多，其中入湖河道径流输入是外源负荷的最大组成部分；内源主要来源于底泥的释放、死亡的生物体分解以及围网养殖等[14].其中水生植被是影响底泥释放的主要因素，对磷的释放有至关重要的影响，因此本文重点分析水生植被.
磷由外源进入湖泊后，一部分随着水流流出湖外，另一部分滞留在湖水中.湖水中的可溶性磷(包括部分无机磷和少部分有机磷)主要直接被藻类和植物吸收；颗粒态磷可沉积进入底泥，部分溶解态磷可反应生成沉淀物进入底泥[15].底泥中的磷相当部分与湖底的固化沉积物结合，一般不再释放到水中参与磷循环，但在风浪等物理扰动作用下可再悬浮进入水体，也可在pH值、氧化还原电位等化学因素和微生物等作用下，转化为可溶性磷释放进入水体.特别当蓝藻水华发生时，为维持藻类生长对磷的需求，藻体大量吸收水体中的正磷酸盐，并通过影响水体pH值、溶解氧浓度和分泌磷酸酶等方式，加速底泥中磷的释放和水体有机磷分解，加快湖体磷循环速度.
根据太湖磷营养盐的来源及循环机理，本文重点讨论入湖污染负荷、水生植被和蓝藻3方面对太湖总磷浓度的影响.
3.1 入湖污染负荷对太湖总磷浓度的影响太湖主要入湖河流污染负荷占入湖总污染负荷的70 % ~80 %，控制入湖河流污染负荷是太湖治理的关键因素[16].目前，太湖总磷污染负荷仍较大，呈波动趋势，2010-2017年仅环太湖河流径流输入的磷年平均达0.22万t，入湖河流总磷平均浓度为太湖总磷平均浓度的2.1倍，超出太湖自净能力[17-18].
西部沿岸区对应河流入湖水量占环太湖河流入湖水量比重较大，分析西部沿岸区对应入湖河流总磷负荷及湖区总磷浓度之间变化情况具有重要意义.
根据图 6分析可知，2010-2017年间，西部沿岸区对应入湖河流总磷浓度以2011年最高，之后总体呈下降趋势.但受入湖水量较常年偏多的影响，特别是2015和2016年大洪水期间，年度总磷总入湖量和总磷净入湖量连续增加，使得进入太湖的总磷负荷呈上升趋势.根据相关性分析，湖区总磷浓度与入湖河流总磷浓度和入湖河流总磷负荷三者之间没有同步变化趋势.其中湖区总磷浓度与入湖河流总磷浓度之间无明显的相关性，因此入湖河流总磷浓度对湖区总磷浓度没有直接的影响；湖区总磷浓度与入湖河流总磷负荷两者之间有一定的同步关系，因此入湖总磷负荷直接影响对应湖区的总磷浓度.因此，湖区总磷浓度影响因素是由入湖河流总磷浓度和入湖河流水量两者共同决定的，即入湖总磷负荷，尤其2016年大洪水期间，入湖总磷负荷量增大与总磷浓度反弹有较大的关系.
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图 6 2010-2017年太湖西部沿岸区总磷浓度变化趋势 Fig.6 Change trend of total phosphorus concentration in west region of Lake Taihu from 2010 to 2017 |
与湖体中氮循环不同，磷循环转化呈气态逸出的量占比非常小，同时磷易与金属离子结合形成沉淀物，因此磷更易沉积于湖底，使得太湖底泥总磷含量维持在较高水平.同时其他途径出湖的总磷量比重较小[19]，因此本文重点分析地表径流入太湖的总磷净入湖量，通过分析2010-2017年太湖总磷净入湖量累积量与太湖总磷浓度的关系(图 7)可知，逐年总磷净入湖量累积值与太湖总磷浓度呈二次线性相关，相关系数为0.8315.因此，太湖总磷浓度与逐年总磷净入湖量累计值有较大的关系.
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图 7 2010-2017年太湖总磷净入湖量累积量与总磷浓度的关系 Fig.7 Relationship between total phosphorus concentration and total phosphorus accumulation in Lake Taihu from 2010 to 2017 |
综上所述，入湖总磷负荷变化是太湖总磷浓度变化的直接因素，由于磷相较于氮更易滞留于湖体，使得太湖湖体的总磷浓度维持在较高水平.因此，磷入湖量大是湖水总磷浓度居高不下的基础因素.
3.2 水生植被对太湖总磷浓度的影响 3.2.1 太湖水生植被状况太湖水生植被主要包括沉水植被和挺水植被，根据2013-2017年太湖水生高等植被遥感图结果显示，与2014年较相比，2015年5月水生植被覆盖面积由272.33 km2降至55.96 km2，减少了79.5 %.其中主要是沉水植被面积大幅减少，由244.31 km2下降至27.65 km2，减少了88.7 %；挺水植被面积变化很小.沉水植被主要分布在东太湖、东部沿岸区两个湖区，挺水植被主要分布在太湖大堤沿岸内侧(图 8).
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图 8 2013-2017年5月太湖水生植被分布比较 Fig.8 Comparison of aquatic vegetation distribution of Lake Taihu in May of 2013-2017 |
本文以东太湖为例，重点分析水生植被对太湖总磷浓度的影响.东太湖曾经为典型草型湖区，近年来由于水生植被大量减少，水生态状况发生了较大变化.不同水生态系统中营养盐赋存形态不同，藻型生态系统中磷营养盐浓度高于草型生态系统[20].东太湖沉水植被覆盖面积从2015年开始大幅减少，与2014年相比，2015年5月沉水植被覆盖面积由65.53 km2降至24.81 km2，减少62.1 %，2016年持续减少，2017年东太湖沉水植被虽有所恢复，但较2015年同期水平还有较大差距.根据东太湖5月水生植被的变化与同期东太湖总磷浓度分析可知(图 9)，2013-2017年5月东太湖水生植被面积和总磷浓度呈明显的反向变化.因此，由于近年来水生植被的大量减少，曾经为草型生态系统的东太湖正在呈现向藻型生态系统转化的趋势.
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图 9 2013-2017年东太湖5月水生植被面积和总磷浓度变化情况 Fig.9 Changes of aquatic vegetation area and total phosphorus concentration in East Lake Taihu in May of 2013-2017 |
水生植被可吸收湖泊沉积物中的营养盐，并抑制底泥再悬浮从而降低内源性营养盐的释放.太湖是一个典型的大型浅水湖泊，水土界面不断受到风浪扰动导致沉积物大量悬浮，水土界面不断受到破坏，氧化还原环境在这种动力扰动下处于不断转换中.风浪扰动能够促进底泥营养盐的大量释放[21]，底泥释放能够促进水体总氮、总磷和活性磷浓度的显著升高[22].大型水生植被的退化，使得水体富营养化程度加剧，造成恶性循环，总磷浓度不断上升.
综上，2015年由于东太湖水生植被面积大幅减小，一方面减少了总磷的吸收量，另一方面有利于风浪对底泥的再悬浮而促进底泥总磷的释放，从而使得东太湖水质浑浊.因此，东太湖水生植被大量减少，有利于底泥中总磷的释放，使得水体富营养化程度加剧，是近年来东太湖总磷浓度持续上升的原因之一.
3.3 太湖蓝藻对总磷浓度的影响太湖水体磷营养盐浓度影响着蓝藻水华暴发的强度，蓝藻水华对磷营养盐浓度的变化也存在反馈机制.太湖蓝藻的快速生长导致其从底泥中泵取大量的磷，从而增加底泥中磷的释放和有机磷的转化，加快湖体磷循环，增加水体总磷浓度.蓝藻水华发生时，由于大量利用CO2进行光合作用，水体pH值上升，太湖蓝藻生长季节pH值多大于8.5，甚至超过9.0，偏碱性环境更有利于底泥磷的释放.蓝藻生长大量消耗水中无机磷，通过分泌碱性磷酸酶可加快死亡藻体分解的有机磷转化为可利用的无机磷.
太湖总磷以颗粒态为主，2010-2017年平均比例占65.6 %，颗粒态磷除了外源输入外，主要来源于底泥再悬浮和藻体.根据统计，太湖各测点颗粒态磷浓度与叶绿素a浓度的相关系数为0.7413，存在显著的正相关关系(图 10).目前采样层面为水下0.5 m，太湖发生蓝藻水华时，水样中有大量蓝藻，当水样静置30 min后，蓝藻向表层聚集，但用于总磷测定的上清液中仍有较多蓝藻，藻体中的磷一同被消解检测.近年来太湖蓝藻数量呈上升趋势，受其影响，总磷浓度监测值也有上升.蓝藻水华加快湖体磷循环，藻类数量增加也是近两年太湖总磷浓度上升的影响因素之一.
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图 10 太湖各监测点颗粒态磷浓度与叶绿素a浓度的相关关系 Fig.10 Relationship between chlorophyll-a concentration and particle phosphorus concentration at each monitoring site in Lake Taihu |
本研究显示，近年来太湖水体总磷浓度持续增长的初步原因为：1)磷循环不同于氮循环，呈气态逸出量占比非常小，入湖河流总磷平均浓度高于太湖水体平均浓度，超出水体自净能力，且逐年总磷净入湖量持续累积，太湖总磷浓度维持较高水平，磷入湖污染负荷量大是湖水总磷浓度居高不下的根本原因，尤其2016年大洪水期间，入湖总磷负荷量增大与总磷浓度反弹有较大的关系. 2)水生植被可吸收湖泊沉积物中的营养盐，并抑制底泥再悬浮从而降低内源性营养盐的释放.东太湖水生植被大量减少，一方面减少了对氮、磷的吸收，另一方面增加了风浪对底泥的扰动，有利于底泥的再悬浮，造成总磷的释放. 3)蓝藻水华加快湖体磷循环，藻类数量增加也是近两年太湖总磷浓度上升的影响因素之一.
分析近年来太湖水体磷浓度总体上升的影响因素，有助于为太湖的污染治理相关措施的实施提供有价值的参考.
致谢: 衷心感谢水利部太湖流域管理局朱威副局长在论文修改中无私的帮助和指导！衷心感谢太湖流域水资源保护局翟淑华处长的支持！
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