2023, Vol. 35 
(2: 江苏省常州环境监测中心, 常州 213000)
(2: Jiangsu Changzhou Environment Monitoring Center, Changzhou 213000, P. R. China)
湖泊可以为流域内工农业发展和生活提供清洁稳定的水资源和水产品，通常是人类活动与发展的重点区域[1]。长江中下游地区拥有651个面积大于1 km2的湖泊，是我国湖泊资源最为集中的区域[2]。近年来，随着社会经济的高速发展以及对水资源的不合理开发利用，长江中下游湖泊富营养化问题日趋严重，太湖[3]、巢湖[4]、长湖[5]等均处于富营养甚至重度富营养水平。湖泊长期富营养化会导致蓝藻水华暴发[6]，水生植物消退[7]、生物多样性下降[8]以及透明度下降[9]等一系列的生态环境问题，影响湖泊健康及使用功能。导致长江中下游湖泊富营养化程度较高的原因不尽相同，如营养本底偏高[10]、水产养殖[11]、江湖阻隔[12]、外源污染物输入[13]以及沉积物氮磷释放[14]等。因此，评价湖泊富营养化状态并识别水质退化原因是富营养化湖泊治理的关键。
黄盖湖是长江中游典型浅水湖泊，属洞庭湖水系，位于湖南、湖北两省交界处，其水环境质量状况直接影响湖北省赤壁市和湖南省临湘市水质目标考核。近年环境监测数据表明，黄盖湖水环境质量恶化，水生植物多样性降低，面临水体富营养化问题，但主导因素尚不清晰。基于此，本研究以黄盖湖为研究对象，基于环境监测站点数据和加密监测数据，采用综合营养状态指数评价黄盖湖的富营养化程度，使用污染指数法评价沉积物氮磷污染水平，分析沉积物与表层水中氮磷浓度的相关关系，分析风速、水深等因素对沉积物氮磷释放的影响，探索和揭示黄盖湖水体富营养化现状、变化趋势及主要成因，以期为黄盖湖水环境质量提升及综合治理提供技术支撑。
1 研究区域与方法 1.1 研究区域概况及采样点设置黄盖湖主要接源潭河、新店河之水，经由鸭棚口河注入长江(图 1)。流域面积1538 km2，其中湖北省赤壁市432 km2，湖南省临湘市1106 km2，土地利用类型以耕地和林地为主；水面面积73 km2，其中赤壁市境内水面面积32 km2，临湘市境内41 km2；常年水深3~6 m，平均水深4.8 m。本研究在黄盖湖设置20个采样点位，在入湖河流源潭河、新店河入湖口上游1 km和3 km处，各设置1个采样断面，于2021年秋季进行了4次加密监测，共获取4批次样本。图 1湖中分界线右侧为湖北省，左侧为湖南省，湖北省和湖南省国控水质监测点位分别位于7#和16#点位附近。
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图 1 黄盖湖采样点分布 Fig.1 The distribution of sampling points in Lake Huanggai |
水温(WT)、溶解氧(DO)浓度和pH使用便携式水质分析仪(YSI Professional Plus, Yellow Springs, OH，美国)现场测定，透明度(SD)用赛氏盘现场测定。使用采样器采集水面以下约0.5 m处水样，预处理后带回实验室，测定高锰酸盐指数(CODMn)、总氮(TN)、氨氮(NH3-N)、硝态氮(NO3--N)、总磷(TP)、溶解性总磷(DTP)、溶解性磷酸盐(DPO)和叶绿素a(Chl.a)浓度，水样采集、预处理、保存以及测定参照《水和废水监测分析方法(第四版)》[15]。采用彼得逊采泥器(1/16 m2)采集表层沉积物样品，低温避光保存运回实验室测定TP和TN浓度。
1.3 营养状况评价采用综合营养状态指数(TLI(Σ))评价黄盖湖水体富营养化程度，选取与富营养化直接相关的Chl.a、TP、TN、SD和CODMn共5项指标作为水体富营养程度的评价因子，TLI(Σ)模型公式如下[16]：
| $ T L I(\Sigma)=\sum\limits_{j=1}^m W_j \cdot T L I(j) $ | (1) |
| $ W_j=\frac{r_{i j}^2}{\sum\limits_{j=1}^m r_{i j}^2} $ | (2) |
式中，TLI(j)代表第j种参数的营养状态指数；Wj为第j种参数的营养状态指数的相关权重。以Chl.a作为基准参数，rij为第j种参数与基准参数Chl.a的相关系数；m为评价参数的个数，各营养状态指数计算公式参照文献[17]。采用0~100的一系列连续数字对湖泊营养状态进行分级，TLI(Σ) < 30为贫营养，30≤TLI(Σ)≤50为中营养，50 < TLI(Σ)≤60为轻度富营养，60 < TLI(Σ)≤70为中度富营养，TLI(Σ)>70为重度富营养[16, 18]。
1.4 沉积物氮、磷污染特征评价沉积物TN、TP的单项评价指数公式[19]如下：
| $ S_i=C_i / C_{\mathrm{s}} $ | (3) |
式中, Si为单项评价指数(i代表TN或TP)，Si大于1表示该指标含量超过评价标准值；Ci为评价因子i的实测含量, Cs为评价因子i的标准含量。
沉积物TN、TP的综合污染指数由单项污染指数公式和以下公式[19]计算：
| $ F F=\sqrt{\frac{F^2+F_{\max }^2}{2}} $ | (4) |
式中，FF为综合污染指数，F为2项评价因子的评价指数平均值(STN和STP的平均值)，Fmax为最大单项评价指数(STN和STP的最大值)，参照沉积物综合污染程度分级标准(表 1)得到黄盖湖表层沉积物TN和TP的污染等级。
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表 1 沉积物综合污染程度分级标准 Tab. 1 Standards of comprehensive pollution levels in lake sediments |
使用线性相关分析方法，分析4次采样过程中表层沉积物与表层水体间TN和TP的相关关系；使用Pearson相关系数法，分析了黄盖湖水环境因子间相关关系，以上分析通过R 4.0.4中ggplot2程序包实现。
2 结果与分析 2.1 水体营养状况时间分布特征收集了2015-2021年黄盖湖湖北湖区国控监测站点(7#点位，图 1)逐月水质监测数据(2020年前后分别为地方监测站监测数据和国控站点采测分离数据)，计算其水体富营养状况变化趋势。结果表明，2015-2021年黄盖湖TLI(Σ)年均值依次为44.14、45.91、42.39、49.79、49.01、49.62和52.77，富营养化程度逐年升高，由中营养状态转变为轻度富营养状态。
TLI(Chl.a)、TLI(TP)、TLI(TN)、TLI(SD)和TLI(CODMn)的历年变化趋势详见图 2。2015 2021年，各项富营养化指标中Chl.a对富营养化贡献率最大，占30 %，TLI(Chl.a)年际波动较强但升高不明显；CODMn贡献率最小，占13 %，TLI(CODMn)年际变化不明显；SD、TN和TP贡献率分别为28 %、18 % 和16 %，TLI(SD)、TLI(TN)、TLI(TP)总体呈现逐年升高的趋势，TLI(TP)和TLI(TN)共升高了5.02，占TLI(Σ)增长值的54 %，TLI(SD)升高了3.77，占TLI(Σ)增长值的41 %。
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图 2 各水质参数TLI历年变化趋势 Fig.2 Variation trend of TLI of water quality parameters |
2015-2021年黄盖湖水体秋季TLI(Σ)均值最高，为50.35，处于轻度富营养状态；其次是夏季，TLI(Σ)均值为49.94；春、冬季TLI(Σ)均值分别为44.98和44.45，营养状态明显较夏、秋季偏低。
2.2 水体营养状况空间分布特征根据2021年秋季4次采样的水质数据平均值，计算各采样点位的综合营养状态指数。结果表明，2021年秋季，仅1#和6#两个点位处于中营养状态，其余点位均处于轻度富营养状态(图 3)。湖北湖区TLI(Σ)平均值50.82，湖南湖区TLI(Σ)平均值53.00，总体来说湖北湖区营养状况优于湖南湖区。
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图 3 黄盖湖水体富营养化程度空间分布 Fig.3 Spatial distribution of water eutrophication degree in Lake Huanggai |
收集了黄盖湖湖南湖区水环境质量国控监测站点(16#点位附近)2020-2021年逐月水质监测数据，对比了湖南、湖北湖区国控监测站点水体富营养状况(图 4)。结果表明，2020年4月2021年12月，湖南湖区TLI(Σ)最大值60.70，最小值39.48，均值52.88；湖北湖区TLI(Σ)最大值61.43，最小值39.84，均值49.78；70 % 月份中湖南湖区国控监测站点富营养化程度高于湖北湖区国控监测站点，湖北湖区营养状况优于湖南湖区，与加密监测结果一致。
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图 4 各水质参数TLI(Σ)历年变化趋势 Fig.4 Variation trend of TLI(Σ) of water quality parameters |
对比了黄盖湖及其主要入湖河流的水体营养盐浓度(表 2)，结果表明，2021年秋季，黄盖湖的2条主要入湖河流中，新店河TP、DTP、DPO和NH3-N平均浓度均与黄盖湖相近，TN浓度略高于黄盖湖，NO3--N浓度约为黄盖湖的4.5倍；源潭河TP、DTP、DPO、NH3-N和TN平均浓度约为黄盖湖的2倍，NO3--N平均浓度约为黄盖湖的6倍。
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表 2 黄盖湖及入湖河流中N、P浓度 Tab. 2 Concentrations of nitrogen and phosphorus in Lake Huanggai and inflowing rivers |
黄盖湖沉积物TP含量在526~1310 mg/kg之间，平均值791 mg/kg，总体呈西部高、东部低，南部高、北部低的空间分布特征(图 5)。源潭河入湖口区域(14#点位)总磷含量最高，为1310 mg/kg，其次是18#和11# 点位，总磷含量分别为1060和1020 mg/kg，其余点位总磷含量均不超过1000 mg/kg。单因素方差分析结果表明，西岸沉积物总磷含量显著高于东岸(P < 0.05)。
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图 5 黄盖湖表层沉积物TN、TP含量分布 Fig.5 The spatial distribution of TN, TP in surface sediments in Lake Huanggai |
黄盖湖沉积物TN含量在1480~5200 mg/kg之间，平均值2691 mg/kg，TN含量最高的区域为东部梅家陇村双湖水产养殖基地附近(17#点位)，最低的区域为丁家湖(5#点位)，东、西沿岸沉积物总氮含量差异不显著(P>0.05)。
基于4种不同沉积物基准值[19]的沉积物总氮、总磷污染指数评价结果(表 3)表明，基于加拿大安大略省基准值的STP评价结果为中度污染，除此以外，黄盖湖全湖总磷污染指数(STP)、总氮污染指数(STN)和综合污染指数(FF)评价结果均为重度污染，总体来说，湖北湖区污染程度低于湖南湖区。王健等[20]研究表明，中国东部典型湖泊沉积物总氮基准阈值为1106.24~1115.19 mg/kg，总磷基准阈值为454.51~459.03 mg/kg，黄盖湖分别超标1.41倍和0.72倍。
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表 3 黄盖湖表层沉积物氮、磷污染综合评价指数 Tab. 3 Comprehensive pollution assessment of nitrogen and phosphorus in the surface sediments of Lake Huanggai |
基于国控站点水质数据，使用Pearson相关系数法分析了黄盖湖水环境因子间的相关关系(图 6)，结果表明，Chl.a与BOD5、CODMn均呈显著正相关(P < 0.01)，相关系数分别为0.62、0.58，与TN、TP相关性不显著；TN与TP呈显著正相关(P < 0.01)，相关系数为0.57；浊度(TUB)与TP呈显著正相关(P < 0.01)，相关系数为0.43，TUB与Chl.a相关性不显著。
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图 6 水环境因子相关分析 Fig.6 Correlation analysis of water environmental factors |
基于2021年秋季加密监测数据，分析了表层沉积物与表层水中TP和TN的相关关系(图 7)。结果表明，表层水中TP浓度(TP1~TP4)与表层沉积物中TP含量(TPS)总体呈正相关，但相关性强弱随天气状况波动较强。第1批次(TP1)和第3批次(TP3)采样时有降雨，湖面风速较大，表层水中TP浓度与表层沉积物中TP浓度相关性显著(P < 0.05)；第2批次和第4批次采样时湖面平静，表层水中TP浓度与表层沉积物中TP浓度相关性不显著(P>0.05)。表层水中TN浓度(TN1~TN4)与表层沉积物中TN浓度(TNS)相关性均不显著(P>0.05)。
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图 7 表层沉积物与表层水体总磷、总氮简单线性回归分析 Fig.7 Linear relationships of TP, TN between surface sediments and surface water |
为验证风浪扰动作用对黄盖湖表层沉积物N、P释放的影响，分析了表层沉积物TP与表层水体TP(TPS/TP)、表层沉积物TN与表层水TN(TNS/TN)、水深与表层水TP(水深/TP)、水深与表层水TN(水深/TN)间4项相关系数与风速的响应关系(图 8)，其中相关系数通过Pearson相关系数法计算，风速数据采用岳阳市临湘市气象站点(29.75°N，113.50°E)日均值数据，该站点距黄盖湖约3 km。
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图 8 环境因子间相关系数与风速的响应关系 Fig.8 Response relationship between correlation coefficient of environmental factors and wind speed |
结果表明，表层沉积物TP与表层水TP间相关系数与风速呈指数正相关(R2=0.87)，风速2~3 m/s范围内，风速升高导致表层沉积物TP与表层水TP间相关系数显著上升；表层沉积物TN与表层水TN间相关系数与风速呈指数正相关，但相关性较差(R2=0.32)。
水深与表层水TP、TN间总体呈负相关关系，即水越深，表层水TP、TN浓度相对越低。水深与表层水TP间相关系数与风速呈指数负相关(R2=0.61)，说明风速升高导致水深与表层水TP间负相关系数增大，即风浪较大时，水越浅，表层水TP浓度越高。水深与表层水TN间相关系数与风速呈指数负相关但相关性较差(R2=0.31)。
3 讨论 3.1 黄盖湖水体营养状况时空变化趋势及原因分析2015-2021年黄盖湖富营养化程度逐年升高，TLI(SD)、TLI(TN)、TLI(TP)总体呈现逐年升高的趋势，朱广伟等[1]研究结果也表明，1988-2018年长江中下游湖泊SD、TN和TP大致与TLI的变化趋势一致。TLI(TP)和TLI(TN)共升高了5.02，占TLI(∑)增长值的54 %，说明营养盐浓度增加是近几年黄盖湖水体富营养化的主要驱动因子[18]。黄盖湖流域以农业、林业、养殖为主导产业，其中赤壁市境内耕地面积94 km2，临湘市境内耕地面积176.4 km2。研究表明，入湖河流中氮磷主要来源于农业种植活动中农药和氮肥磷肥中的N、P元素流失[13]，鄱阳湖[21]、太湖[22]和星云湖流域[13]相关研究均表明，农村生活和农业面源污染是水体富营养化和水质恶化的主要驱动因子。
空间分布上，黄盖湖湖南湖区富营养化程度高于湖北湖区，可能是由于湖南湖区主要为源潭河过水通道，湖北湖区主要为新店河过水通道，而源潭河氮磷浓度明显高于新店河和黄盖湖(表 3)，即外源输入是湖南湖区富营养化程度相对较高的直接原因。河流汇入的颗粒态磷多数沉淀进入沉积物，溶解态磷则被浮游植物吸收和利用，浮游植物自然死亡后，磷又从藻类生物量返回到溶解态和颗粒态，继续参与生物磷循环或沉淀进入沉积物[23]。浅水湖泊受风浪扰动明显，沉积物中颗粒态磷容易再悬浮进入水体，浅水湖泊水土界面磷交换频繁且剧烈。研究表明，在满足换水慢和水浅两个前提条件的湖库中，沉积物有效态磷对水体富营养化的风险较大[24]。黄盖湖为换水周期慢的浅水湖，湖南湖区沉积物氮磷浓度相对湖北湖区更高，也是湖南湖区富营养化程度更高的原因之一。
汇入湖泊的氮素主要输出方式有3种，被水生动植物吸收转化后经人工捞取或收获离开湖泊生态系统、通过反硝化作用等脱氮过程以气体形式退出湖泊系统[25]或进入沉积物固定下来[26]。源潭河和新店河NO3--N浓度明显高于黄盖湖，在相对缺氧的条件下NO3--N会通过反硝化作用生成N2O和N2[27]，黄盖湖水体较浅，沉积物-水界面具备良好的兼氧条件，反硝化程度较高，氮的去除能力较强，河流汇入的大量NO3--N可通过反硝化作用去除[28]，吴丰昌前期研究也表明，沉积物可能是湖泊NO3--N的主要清除场所[29]。
2015-2021年黄盖湖TLI(SD)升高了3.77，占TLI(Σ)增长值的41 %。藻类生长、底泥再悬浮、浮游植物死亡的残体腐烂分解都可能导致SD降低[30]，黄盖湖SD与Chl.a浓度间没有明显的相关性，说明浮游藻类生物量增加不是黄盖湖透明度下降的主要原因，与曹金玲等研究结论一致[9]。因此初步推断黄盖湖水体SD下降是富营养化的次要驱动因子，而非表现指标。
水生植被覆盖度降低可能是透明度下降的主要原因，因为沉水植物的存在可以限制沉积物的再悬浮，进而改善水下光场条件[31]。Zhang等[32]研究表明，目前全球尤其是中国湖泊多数面临水生植被覆盖度降低的问题，水生植被覆盖度的下降通常被认为是湖泊富营养化的显著效应之一[7, 33]，营养盐浓度升高和透明度下降可共同驱动湖泊草型生态系统的退化[7, 34]，草型生态系统的退化又会加重沉积物中营养盐的释放[35]，浮游植物可以获取更多营养盐积累竞争优势，而沉水植物和藻类的竞争优势越来越弱，形成恶性循环[36]，最终导致湖泊逐步由草型清水态向藻型浊水态转化[33]，且很难逆转，因此水生植被覆盖度的异常或大面积变化可被用作生态系统恢复力退化和草-藻型湖泊转化的预警信号[37]。
黄盖湖夏秋季节富营养化程度高于冬春季节，与洪泽湖TLI的季节分布特征相近[38]，近些年来洪泽湖藻类生物量在秋季明显升高，甚至出现全年峰值。这可能是由于夏季水温升高，藻类生长加速，藻类大量生长会促进底泥P的释放；秋季藻类死亡，产生大量有机磷颗粒[30]，同时导致SD下降，水体P浓度升高和SD下降均导致富营养化程度升高。
3.2 黄盖湖表层沉积物对水体营养状况的影响黄盖湖氮磷污染指数评价结果均为重度污染，但黄盖湖表层沉积物和表层水中TN相关性较弱，表层沉积物和表层水中TP相关性较强。王圣瑞等[39]研究表明，长江中下游浅水湖泊沉积物对磷的吸附解吸平衡浓度值为0.012~0.416 mg/L，黄盖湖上覆水中的磷浓度处于上述区间，沉积物有向上覆水释放磷的趋势。
黄盖湖表层沉积物和表层水间TP相关性受风速、水深等因素影响较大。黄盖湖属于浅水湖泊，具有更大的沉积物-水接触面积比例以及更高的真光层深度-水深比例[17]，风浪湍流混合可以直接到达湖底，促进沉积物中活性和中活性有机磷释放[40]，沉积物和营养盐再悬浮形成跨水-土界面的营养盐循环[41]，导致浅水湖泊沉积物磷的释放。施媛媛等[42]研究也表明，以上覆水磷酸盐为输出目标，在水深相对更浅的湖区，沉积物-水界面遭受的风浪扰动更为直接。
黄盖湖沉水植被覆盖率的降低，也是促进沉积物P释放的潜在因素之一。根据《中国湖泊志》记载，黄盖湖原有的沉水植被优势种为轮叶黑藻、金鱼藻和苦草[43]。但2021年秋季调查时发现，黄盖湖沉水植被覆盖率较低，仅湖岸带存有少量的菰和菱。黄盖湖水生植被覆盖率下降，导致对沉积物再悬浮的抑制作用减弱[44]，促进沉积物P释放，同时导致透明度下降。
此外，湖泊沉积物中P的形态也是沉积物和表层水中TP相关性的影响因素之一，绝大部分湖泊的沉积物中90 % 以上的磷是以生物较难利用的形态存在的[45]，如易与钙镁结合的HCL-P(Ca/Mg-P)，活性磷所占比例很小，释放风险较低[24]。刘辉等[24]研究表明，多数形态的沉积物总磷对上覆水体的影响不大，“换水周期长”与“水浅”是沉积物有效态磷能够直接用于水相磷评估的两个关键前提条件。
3.3 黄盖湖水体富营养化控制建议2015年以来黄盖湖水体逐渐由中营养状态转变为轻度富营养状态，主要驱动因子是水体营养盐浓度的升高及透明度的下降。2015-2021年黄盖湖水体N/P比为8.91~152.00，均值为26.70，比值偏高，黄盖湖的限制性营养盐可能为磷[18]。Schindler等[46]研究表明，磷是湖泊富营养化的主因，限磷可以使湖泊富营养程度得以缓解。长江流域40多个湖泊的大量研究成果也表明，总磷浓度是限制浮游藻类生长的最重要因素[47]，且TP浓度升高也带来了环保考核压力，因此黄盖湖富营养化治理应优先控磷。
黄盖湖水体总磷主要来源于入湖河流汇入及风浪条件下的沉积物释放，以恢复和重建水生植被为核心的湖泊生态修复被认为是湖泊富营养化治理、水质改善和良性生态系统重构的重要途径。高永霞等[48]在天目湖研究表明，退耕还草、恢复上游湿地、沉积物疏浚等治理措施可以有效降低湖体营养盐浓度。剑湖入湖河口退化湿地生态修复后，水体透明度提高101 %，水体营养盐去除率达到62.5 % ~91.7 %，水质状况明显改善[49]。象湖湿地敏感区修复工程对水质有较明显的净化作用，工程实施后大部分水体中营养盐浓度明显改善[50]。
陈天宇等[38]研究表明，较高的水生植被覆盖度可以降低水体营养盐浓度，并为浮游动物和鱼类提供栖息地，有效抑制藻类的生长。殷雪妍等[51]研究表明，湖滨带植被恢复工程实施后，太湖竺山湾植被覆盖率达到30 % 以上，消减64 % 风浪；太湖贡湖湾水生植物覆盖度达到57 %，水体透明度>110 cm，生物多样性指数大幅提高。胡旭等[52]研究表明，在富营养化浅水湖泊中通过建立围隔重建水生植被是完全可行的，且水生植被的恢复可大幅降低水体营养盐浓度、提升水体透明度。
因此，建议在主要入湖河流如源潭河、新店河河口实施人工湿地等生态修复措施，根据植物耐受性差异进行多生活型、多种类的植物配置，充分发挥植物的净化作用[49]，减少营养盐外源汇入。在湖岸带、浅水区域实施水生植被修复措施，适当增加沉水植物比例，水生植被净化水体的同时，还可以消减风浪、稳定底泥，进而减少沉积物再悬浮导致的P释放，提升水体透明度，减缓黄盖湖水体富营养化趋势。
4 结论1) 2015-2021年黄盖湖水体由中营养状态转变为轻度富营养状态，且夏、秋季富营养化程度高于冬、春季节。TLI(SD)、TLI(TN)和TLI(TP)贡献率分别为28 %、18 % 和16 %，营养盐浓度增加和透明度下降是近几年黄盖湖水体富营养化的主要驱动因子。
2) 黄盖湖湖南湖区水体富营养化程度高于湖北湖区，主要原因是源潭河营养盐浓度相对较高，其次是湖南湖区沉积物污染程度高于湖北湖区，沉积物再悬浮导致的P释放强度更高。黄盖湖沉积物TP浓度平均值791 mg/kg，TN浓度平均值2691 mg/kg，均为重度污染，有较高的释放风险。表层沉积物和表层水中TN相关性较弱，TP相关性较强，但受风速、水深等因素影响较大，湖面风速较高时浅水区域表层沉积物中P更容易释放至上覆水。
3) 黄盖湖富营养化治理应优先控磷，黄盖湖水体总磷主要来源于入湖河流汇入及风浪条件下的沉积物释放。建议在主要入湖河流河口实施人工湿地等生态修复措施，在湖泊浅水区域实施水生植被修复措施，减缓黄盖湖水体富营养化趋势。
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