于 洋，彭福利，孫 聰，董 昊，王業(yè)耀，何立環(huán)

1.中國環(huán)境監(jiān)測總站，國家環(huán)境保護環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點實驗室，北京 1000122.安徽省環(huán)境監(jiān)測中心站，安徽 合肥 230071

典型湖泊水華特征及相關影響因素分析

于 洋1，彭福利1，孫 聰1，董 昊2，王業(yè)耀1，何立環(huán)1

1.中國環(huán)境監(jiān)測總站，國家環(huán)境保護環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點實驗室，北京 1000122.安徽省環(huán)境監(jiān)測中心站，安徽 合肥 230071

通過2011—2015年對太湖、巢湖和滇池水華高發(fā)季節(jié)的連續(xù)監(jiān)測，以藻類密度和水華面積為判據(jù)評價了3個湖體的水華情況及變化趨勢，探討了水華發(fā)生的主要影響因素。結(jié)果表明：太湖水華程度以“輕度水華”為主，巢湖水華程度以“輕微水華“為主，滇池水華程度以“中度水華”為主；太湖、巢湖和滇池水華規(guī)模均以“零星性水華”為主；太湖和巢湖藻類密度與水溫、pH、溶解氧、總氮、總磷和高錳酸鹽指數(shù)均呈顯著正相關，與透明度呈顯著負相關，與氨氮無顯著相關性；滇池藻類密度與水溫、總磷和高錳酸鹽指數(shù)均呈顯著正相關，與透明度和氨氮呈顯著負相關，與pH、溶解氧和總氮無顯著相關性。

淡水湖泊；藻類密度；水華評價；環(huán)境因子；相關分析

受全球變暖和人類活動影響，世界各國淡水湖泊、水庫，甚至河流水體富營養(yǎng)化進程加快，并由此不斷引發(fā)水華現(xiàn)象。20世紀70年代以來，包括中國在內(nèi)的許多國家(如美國、日本、韓國、澳大利亞以及歐洲一些國家)都有大量關于藻類水華的報道[1-2]，水華引起湖泊水質(zhì)在短時間內(nèi)嚴重惡化，水體發(fā)黑發(fā)臭，大量魚類死亡，使得水華問題逐漸成為社會各界關注的焦點。

水華發(fā)生機理相關假說表明，影響水華發(fā)生的環(huán)境因子主要為營養(yǎng)鹽、氮磷比、微量元素、水文、氣象等條件[3-6]，且一定的水文、氣象條件有助于藻類聚集[7-9]。近年來，國內(nèi)外很多學者針對水華評價及分級標準進行探索[10-16]，中國環(huán)境監(jiān)測總站依據(jù)藻類在水體中存在狀態(tài)將水華劃分為顯性水華和隱性水華(顯性水華指藻類漂浮在水面上，呈現(xiàn)為片狀或絲帶狀的藻席；隱性水華則是指藻類沉在水面之下，一般表現(xiàn)為水中顆粒較多或水體呈藻漿狀)，并據(jù)此特點制定了藻類水華特征評價方法和分級標準，用于評價湖庫水華程度和水華規(guī)模。

太湖、巢湖、滇池(簡稱“三湖”)是中國著名的三大湖泊，流域均屬于人口集中、經(jīng)濟發(fā)達、社會活動較為活躍的區(qū)域[17]。自20世紀80年代起，“三湖”水體污染加劇，被列為國家重點治理的三大湖泊[18]，如何防控水體污染引起的藍藻水華暴發(fā)現(xiàn)象成為湖泊治理的主要任務。

隨著監(jiān)測技術的發(fā)展，現(xiàn)場監(jiān)測、自動監(jiān)測以及衛(wèi)星遙感監(jiān)測等多種技術手段為湖庫水華預警和防控提供了有力支撐[19-21]。本文采用人工現(xiàn)場監(jiān)測與衛(wèi)星遙感監(jiān)測相結(jié)合的方式在藍藻水華高發(fā)期[22]對“三湖”開展監(jiān)測，并根據(jù)藻類密度和水華面積定量評價其水華程度和水華規(guī)模，同時對影響水華暴發(fā)的相關因素進行探討和分析，以期為中國湖泊治理提供基礎信息和幫助。

1 實驗部分

1.1 采樣時間和地點

采樣時間：2011—2015年，每年4—9月。

采樣地點：20個太湖湖體監(jiān)測點位，12個巢湖湖體監(jiān)測點位(東、西半湖各6個)，10個滇池湖體監(jiān)測點位(外海8個，草海2個)?，F(xiàn)場監(jiān)測頻次為1次/周；衛(wèi)星遙感監(jiān)測頻次為太湖和巢湖1次/d，滇池2～3次/周。

1.2 樣品的采集和分析鑒定

“三湖”湖體監(jiān)測項目：水溫、透明度、pH、溶解氧、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、總氮、總磷、葉綠素a(Chla)、藻類密度；衛(wèi)星遙感監(jiān)測水華面積。

水溫、pH、溶解氧指標使用 YSI-6600型多功能水質(zhì)分析儀現(xiàn)場測定；透明度采用塞氏盤法測定；使用5 L深水采水器于水面下0.5 m處采集水樣作為營養(yǎng)鹽濃度的測定樣品，測定方法參照國家標準方法。采用0.45 μm的纖維濾膜對藻類進行抽濾，參照國家標準納氏試劑分光光度法、堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法和鉬酸銨分光光度法分別對氨氮、總氮和總磷進行測定；Chla含量的測定采用反復凍融-浸提改進的丙酮萃取方法。

浮游植物定量樣品采集和鑒定: 采集1 L水樣用于定性檢測浮游植物豐度和生物量。水樣加入4%的甲醛溶液和1%的魯哥氏液，在實驗室用柱形瓶靜置沉淀3d后，用綁有20 μm篩絹的虹吸管將上清液去除，保留20～30 mL水樣與沉積物一起轉(zhuǎn)移至50 mL聚乙烯瓶保存，用于定量計數(shù)。取0.1 mL濃縮樣品，在顯微鏡400倍鏡下進行鑒定和計數(shù)。

太湖和巢湖水華面積采用MODIS影像解譯數(shù)據(jù)，分辨率為250 m；滇池水華面積采用HJ-CCD影像解譯數(shù)據(jù)，分辨率為30 m。選取的單幅或多幅拼接后的遙感影像至少包括監(jiān)測水體90%以上的面積方為有效。針對衛(wèi)星遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)進行幾何校正、輻射校正和大氣校正，利用監(jiān)測水體大氣層的NDVI數(shù)據(jù)判別水華和正常水體，NDVI高于0的像元為藍藻水華。

1.3 評價方法

執(zhí)行中國環(huán)境監(jiān)測總站制定的藻類水華特征評價方法和分級標準，采用藻類密度和水華面積對湖庫水華程度和水華規(guī)模進行判定。

水華程度主要分為5個級別:無明顯水華，0≤藻類密度<2.0×106個/L；輕微水華，2.0×106≤藻類密度<1.0×107個/L；輕度水華，1.0×107≤藻類密度<5.0×107個/L；中度水華，5.0×107≤藻類密度<1.0×108個/L；重度水華，藻類密度為大于或等于1.0×108個/L。

水華規(guī)模主要分為5個級別:未見明顯水華，水華面積占總水域面積比例為0%；零星性水華，0<水華面積比例<10%；局部性水華，10%≤水華面積比例<30%；區(qū)域性水華，30%≤水華面積比例<60%；全面性水華，水華面積比例大于或等于60%。

2 結(jié)果與討論

2.1 太湖水華監(jiān)測結(jié)果

2011—2015年4—9月，太湖湖體藻類密度平均值分別為1.036×107、0.987×107、1.021×107、0.754×107、1.090×107個/L，年際間呈波動式變化。根據(jù)每次藻類密度監(jiān)測結(jié)果進行評價，太湖湖體水華程度為“輕微水華”至“輕度水華”，其中“輕微水華”出現(xiàn)頻次比例為40.0%～75.0%，最大頻次比例出現(xiàn)在2014年；“輕度水華”出現(xiàn)頻次比例為25.0%～60.0%，最大頻次比例出現(xiàn)在2011年和2013年(圖1)。從時間尺度看，2013年和2015年藻類密度在4—5月無明顯變化，6月起呈現(xiàn)明顯增加的趨勢。2011、2012、2014年藻類密度在4—6月上旬趨于穩(wěn)定，7月開始呈現(xiàn)顯著增加的趨勢。2011—2015年“輕度水華”主要出現(xiàn)在8—9月(圖2)。

圖1 2011—2015年4—9月太湖水華程度Fig.1 Degree of water bloom in the Taihu Lake from Apr to Sep during 2011 to 2015

圖2 2011—2015年4—9月太湖藻類密度Fig.2 Algae density in the Taihu Lake from Apr to Sep during 2011 to 2015

根據(jù)水華面積進行評價的結(jié)果顯示，2011—2015年4—9月，太湖水華規(guī)模為“未見明顯水華”至“局部性水華”，其中“未見明顯水華”出現(xiàn)比例為9.2%～26.9%，“零星性水華”為66.7%～87.0%，“局部性水華”為1.1%～11.8%；從時間尺度看，“未見明顯水華”最大頻次比例出現(xiàn)在2011年，“零星性水華”最大頻次比例出現(xiàn)在2013年，“局部性水華”最大頻次比例出現(xiàn)在2015年(圖3)。水華面積最大值主要出現(xiàn)在7—9月，在此期間監(jiān)測到的最大水華面積為690 km2,出現(xiàn)在2015年7月13日，占太湖水域面積的29.5%。

圖3 2011—2015年4—9月太湖水華規(guī)模Fig.3 Scale of water bloom in the Taihu Lake from Apr to Sep during 2011 to 2015

2.2 巢湖水華監(jiān)測結(jié)果

2011—2015年4—9月，巢湖湖體藻類密度平均值分別為0.400×107、0.451×107、0.325×107、0.434×107、0.690×107個/L，2011—2014年相對平穩(wěn)，2015年明顯升高。根據(jù)每次藻類密度監(jiān)測結(jié)果進行評價，巢湖湖體水華程度為“無明顯水華”至“輕度水華”，其中“無明顯水華”出現(xiàn)頻次比例為5.7%～25.9%，最大頻次比例出現(xiàn)在2015年；“輕微水華”出現(xiàn)頻次比例為51.9%～92.5%，最大頻次比例出現(xiàn)在2011年；“輕度水華”出現(xiàn)頻次比例為1.9%～22.2%，最大頻次比例出現(xiàn)在2015年(圖4)?！拜p度水華”主要出現(xiàn)在7—9月(圖5)。

圖4 2011—2015年4—9月巢湖水華程度Fig.4 Degree of water bloom in the Chaohu Lake from Apr to Sep during 2011 to 2015

圖5 2011—2015年4—9月巢湖藻類密度Fig.5 Algea density in the Chaohu Lake from Apr to Sep during 2011 to 2015

根據(jù)水華面積進行評價的結(jié)果顯示，2011—2015年4—9月，巢湖水華規(guī)模為“未見明顯水華”至“區(qū)域性水華”，主要以“零星性水華”為主。“未見明顯水華”出現(xiàn)頻次比例為15.5%～49.1%，“零星性水華”為43.9%～77.5%，“局部性水華”為4.1%～13.0%；“區(qū)域性水華”為0%～6.4%?！拔匆娒黠@水華”最大頻次出現(xiàn)在2011年，“零星性水華”最大頻次比例出現(xiàn)在2014年，“局部性水華”最大頻次出現(xiàn)在2012年，“區(qū)域性水華”最大頻次比例出現(xiàn)在2015年(圖6)。水華面積最大值主要出現(xiàn)在7—9月，在此期間監(jiān)測到的最大水華面積為322 km2, 出現(xiàn)在2015年8月14日，占巢湖水域面積的42.2%。

圖6 2011—2015年4—9月巢湖水華規(guī)模Fig.6 Scale of water bloom in the Chaohu Lake from Apr to Sep during 2011 to 2015

2.3 滇池水華監(jiān)測結(jié)果

2011—2015年4—9月，滇池湖體藻類密度平均值分別為8.963×107、6.579×107、5.335×107、5.174×107、5.277×107個/L，呈明顯的逐年下降趨勢。根據(jù)每次藻類密度監(jiān)測結(jié)果進行評價的結(jié)果顯示，滇池湖體水華程度為“輕度水華”至“重度水華”，其中“輕度水華”出現(xiàn)頻次比例為26.9%～40.7%，最大頻次比例出現(xiàn)在2015年；“中度水華”出現(xiàn)頻次比例為16.7%～63.0%，最大頻次比例出現(xiàn)在2014年；“重度水華”出現(xiàn)頻次比例為0%～54.2%，最大頻次比例出現(xiàn)在2011年(圖7)?！爸囟人A”主要出現(xiàn)在6—9月(圖8)。

圖7 2011—2015年4—9月滇池水華程度情況Fig.7 Degree of water bloom in Dianchi Lake from Apr to Sep during 2011 to 2015

圖8 2011—2015年4—9月滇池藻類密度情況Fig.8 Algae density in the Dianchi Lake from Apr to Sep during 2011 to 2015

根據(jù)水華面積進行評價的結(jié)果顯示， 2011—2015年4—9月，滇池水華規(guī)模為“未見明顯水華”至“局部性水華”，其中“未見明顯水華”出現(xiàn)頻次比例為0%～61.1%，“零星性水華”為35.3%～97.7%，“局部性水華”為0%～8.9%。“未見明顯水華”最大頻次比例出現(xiàn)在2015年；“零星性水華”最大頻次比例出現(xiàn)在2012年；“局部性水華”最大頻次比例出現(xiàn)在2011年(圖9)。水華面積最大值主要出現(xiàn)在7—9月。在此期間監(jiān)測到的最大水華面積為53 km2，出現(xiàn)在2011年7月9日，占滇池水域面積的18.5%。

圖9 2011—2015年4—9月滇池水華規(guī)模Fig.9 Scale of water bloom in the Dianchi Lake from Apr to Sep during 2011 to 2015

3 分析

在科學意義上，水華就是藻類的快速增長繁殖。因此，要探討水華發(fā)生的相關影響因素，就是要尋找與藻類生長繁殖有關的環(huán)境因子。研究以2012年4—9月太湖、巢湖和滇池現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎，分析了藻類密度與環(huán)境因子之間的相關性(表1)。

表1 藻類密度與環(huán)境因子之間相關系數(shù)及檢驗結(jié)果

注：“*”表示P<0.05，顯著相關；“**”表示P<0.01，極顯著相關。

3.1 藻類密度與總磷、總氮的相關性

國際上公認的湖泊發(fā)生富營養(yǎng)化的總磷和總氮質(zhì)量濃度分別為0.02、0.2 mg/L[23]。太湖總磷濃度平均值為0.052 mg/L，總氮為1.85 mg/L；巢湖總磷為0.131 mg/L，總氮為1.82 mg/L；滇池外?？偭诪?.167 mg/L，總氮為2.04 mg/L?？梢?，太湖、巢湖和滇池總磷和總氮濃度已經(jīng)達到了富營養(yǎng)化水平。相關性分析結(jié)果表明，太湖和巢湖的藻類密度與總氮、總磷濃度呈顯著正相關；滇池藻類密度與總磷呈顯著正相關，與總氮呈負相關。導致這一現(xiàn)象的原因可能是受到水體中氮磷比的影響。相關研究指出，當水體中總氮和總磷濃度比為10～15時，藻類生長與氮磷濃度呈線性相關關系，其中湖水中最適宜藻類生長的總氮和總磷濃度比為12～13，小于該值時藻類增殖可能受到影響[23]，而太湖、巢湖和滇池的總氮和總磷濃度比分別約為36、14和12，可能影響了藻類增殖。

3.2 藻類密度與水溫、pH的相關性

太湖、巢湖和滇池的藻類密度與水溫均呈顯著正相關，表明水溫對藻類的生長具有一定的促進作用。關于藍藻暴發(fā)時水體的最適宜溫度范圍當前還有很大爭議，但比較一致的認識是24～30 ℃，大于30 ℃的高溫對藍藻增長有明顯的抑制作用[17]。

太湖、巢湖和滇池pH范圍為7.0～9.5，大于9的情況出現(xiàn)在個別點位。相關性分析結(jié)果表明，藻類密度與pH呈正相關，這主要是由于藻類光合作用過程中吸收二氧化碳，改變水體酸堿平衡導致pH上升。因此，當監(jiān)測到pH迅速上升時，應該著重關注該現(xiàn)象是否是因藻類快速生長繁殖引起。

3.3 藻類密度與高錳酸鹽指數(shù)的相關性

高錳酸鹽指數(shù)是反映水體受到有機污染物和還原性無機物污染程度的綜合指標，也是水體富營養(yǎng)化評價的基本參數(shù)之一。相關性分析結(jié)果表明，太湖、巢湖和滇池藻類密度與高錳酸鹽指數(shù)呈顯著正相關關系，相關系數(shù)分別為0.217、0.561、0.138。

3.4 藻類密度與透明度的相關性

透明度是用來評價水體富營養(yǎng)化程度的一個基本參數(shù)，因此可作為間接反映湖庫水華情況的一個環(huán)境因子。相關性分析結(jié)果表明，太湖、巢湖和滇池藻類密度與透明度存在顯著負相關關系，相關系數(shù)分別為-0.154、-0.254、-0.372。

3.5 藻類密度與溶解氧的相關性

溶解氧作為體現(xiàn)湖庫水體營養(yǎng)水平的重要參數(shù)，不僅是浮游植物生長的重要條件，也是浮游植物代謝過程所必需的[24]。相關性分析結(jié)果表明，太湖和巢湖藻類密度與溶解氧存在顯著正相關關系，相關系數(shù)分別為0.171和0.378。通常情況下，藻類光合作用使得水體中的溶解氧濃度增加，所以藻類密度與溶解氧變化具有較高的一致性。水華暴發(fā)期間，往往表現(xiàn)為水體中溶解氧濃度異常偏高，而后又可能因藻類大量死亡分解消耗溶解氧而使水體出現(xiàn)溶解氧迅速下降的現(xiàn)象。所以，當水體中溶解氧異常變化時，應該提高警惕，加密監(jiān)測，以防因水華發(fā)生影響水環(huán)境安全。

3.6 藻類密度與氣象條件的相關性

在營養(yǎng)條件具備的情況下，氣象條件往往是藍藻漂浮和聚集產(chǎn)生的關鍵因素。研究普遍認為，藍藻暴發(fā)的最適水溫為24～30 ℃。另外，降雨量和雨日數(shù)偏少，日照時數(shù)偏多，均有利于藍藻生長和在水面上聚集。

4 結(jié)論

1)藻類密度監(jiān)測與評價結(jié)果顯示，2011—2015年太湖湖體水華程度以“輕度水華”為主，巢湖水華程度以“輕微水華”為主，滇池水華程度以“中度水華”為主。太湖水華程度無明顯變化，巢湖水華程度略有加重，滇池水華程度有所減輕。

2)水華面積監(jiān)測與評價結(jié)果顯示，2011—2015年太湖、巢湖和滇池水華規(guī)模均以“零星性水華”為主；太湖最大水華規(guī)模為“局部性水華”，巢湖為“區(qū)域性水華”，滇池為“局部性水華”。

3)從時間尺度看，太湖、巢湖和滇池藻類密度最大值均出現(xiàn)在7月以后，且7—9月藻類密度顯著高于4—6月；最大水華面積也主要出現(xiàn)在7—9月。

4)藻類密度與環(huán)境因子相關性分析結(jié)果顯示，藻類密度與水溫、pH、總氮、總磷和高錳酸鹽指數(shù)基本呈現(xiàn)顯著的正相關；與透明度呈顯著負相關。

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Analysis on the Characteristics and Impact Factors of Water Bloom in the Lake

YU Yang1,PENG Fuli1,SUN Cong1,DONG Hao2,WANG Yeyao1,HE Lihuan1

1.State Environmental Protection Key Laboratory of Quality Control in Environmental Monitoring, China National Environmental Monitoring Centre,Beijing 100012,China2.Environmental Monitoring Centre of Anhui Province,Hefei 230071,China

Through continuous monitoring work on the Taihu Lake, Chaohu Lake and Dianchi Lake during bloom season in 2011—2015, the water bloom status and trend of the three lakes were described by algae density and water bloom area, and then the main factors on blooms occurred were explored. The results showed that: Water bloom degree of the Taihu Lake was priority to mild blooms, the Chaohu Lake was priority to slight blooms, the Dianchi Lake was priority to moderate blooms. The bloom scales of three lakes were priority to sporadic blooms. There was a significant positive correlation between algae density and water temperature, pH, dissolved oxygen, total nitrogen, total phosphorus and potassium permanganate index in Taihu Lake and Chaohu Lake, but significant negative correlation with transparency, and not significant correlation with ammonia. There was a significant positive correlation between algae density and water temperature, total phosphorus, and potassium permanganate index in the Dianchi Lake, but a significantly negative correlated with transparency and ammonia nitrogen, there was no significant correlation between algae density and pH, dissolved oxygen and total nitrogen.

freshwater lake;algae density;water bloom evaluation;environmental factor;correlation analysis

2016-03-18;

2016-08-24

環(huán)境保護標準項目“水華遙感監(jiān)測與評價技術規(guī)范”(2011-30)；中國環(huán)境監(jiān)測總站轉(zhuǎn)型發(fā)展科研支撐項目(CNEMC-ZXKY2009-033)

于 洋(1983-)，女，吉林松原人，碩士，高級工程師。

何立環(huán)

X826

A

1002-6002(2017)02- 0088- 07

10.19316/j.issn.1002-6002.2017.02.14