吳 超，吳曉東①，林貴英，馮 戀，俞新慧，趙晉瓏，楊梓文，任偉祥

〔1.湖北師范大學城市與環(huán)境學院，湖北 黃石 435002；2.中國自然資源航空物探遙感中心，北京 100083；3.中國地質大學(北京)地球科學與資源學院，北京 100083〕

水體懸浮物是判定湖泊水質優(yōu)劣的重要指標之一，按組成性質，可將其分為無機懸浮物(ISS)和有機懸浮物(OSS)[1-2]。水體懸浮物含量增大會使微生物生長速度加快，水環(huán)境中的生物鏈受到威脅，水體光學特性如透明度、光學衰減系數(shù)、水色和濁度等發(fā)生改變，湖泊景觀性下降[3-5]。懸浮物中氮、磷的再釋放已被認為是影響湖泊富營養(yǎng)化的重要因素之一[6]。懸浮物在水體中的環(huán)境行為，如吸附、絮凝、沉積和再懸浮等，也會引起水體局部污染，易造成水華等嚴重生態(tài)災害[7]。研究湖泊水體懸浮物的分布規(guī)律與環(huán)境效應，對控制湖泊富營養(yǎng)化與開展生態(tài)修復等工作具有重要的現(xiàn)實意義。

國內外學者對水體懸浮物的含量和運移機理等方面展開了大量研究。目前針對水體懸浮物的研究方法主要包括實測采樣、遙感反演和水動力數(shù)值模擬3種方法[7-10]。高晨等[11]以鄱陽湖豐水期為例，利用高分一號衛(wèi)星數(shù)據(jù)結合水體實測光譜數(shù)據(jù)，創(chuàng)建了總懸浮物濃度的反演模型。邱輝等[12]利用非結構有限體積近海海洋模型(FVCOM)對太湖底泥在不同氣象條件下的再懸浮情況進行了模擬。相對于遙感反演和水動力數(shù)值模擬，實測采樣雖然獲取的樣品量有限且耗時耗力，但由于其精度較高，易于對懸浮物組成機理進行細致分析，在小區(qū)域內仍然被大多數(shù)人所采用[13-15]。在自然水體中，影響懸浮物沉降的因素有很多，如風速、水動力、pH值、風向、溫度等，其中風速和水動力起主要作用[16-17]。太湖這種大型淺水湖泊受風的影響較大，懸浮物的沉降通量與風速大小有關，且風速對表層懸浮物運動的影響不如底層[18-20]。在微風或者無風條件下，懸浮物沉降對云南異龍湖水體懸浮物含量貢獻較小，底泥的再懸浮對其貢獻較大[21]。

鄂東南地區(qū)湖泊眾多，且多為淺水湖泊，但關于該區(qū)域湖泊水體懸浮物的研究較少，其水體懸浮物的含量特征和運移機理也有待進一步被揭示，以助力于長江大保護戰(zhàn)略的實施。因此，研究選取鄂東南4個不同營養(yǎng)水平的湖泊(仙島湖、梁子湖、磁湖、策湖)，基于周年采樣調查和室內分析，揭示水體懸浮物的分布特征和影響因素，為不同營養(yǎng)水平湖泊的污染控制和生態(tài)修復提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

仙島湖(29°47′18″ N，114°50′07″ E)又名王英水庫，位于湖北省黃石市陽新縣，壩址控制流域面積243.00 km2，總庫容5.82億m3，被譽為“世界三大千島湖之一”[22-23]。梁子湖(30°14′53″ N，114°32′47″ E)地處長江中游南岸，以梁子山為界分為東、西2湖，東梁子湖屬鄂州市，西梁子湖屬武漢市，為湖北省第二大湖泊，湖泊水面面積271.00 km2，水源除降水補給外，主要由源自咸寧的高橋河自南向北匯入，湖水經長港從樊口排入長江[24]。磁湖(30°12′30″ N，115°03′01″ E)是黃石市最大的城市湖泊，橫跨黃石港區(qū)、西塞山區(qū)和下陸區(qū)，由杭州路和團城山將其分為南、北2個湖區(qū)，經勝陽港閘與長江相通，湖面東西長5.10 km，南北最大寬4.50 km，流域面積62.19 km2，水面面積10.50 km2，彭家塹港是磁湖最大的入湖河流[24-26]。策湖(30°14′49″ N，115°09′32″ E)位于黃岡市浠水縣，為該縣第一大湖，湖面東西長7.10 km，南北最大寬2.80 km，水面面積10.30 km2，湖水自茅山新閘排入長江[27]。

1.2 樣品采集與測定

分別于2018年4月(春)、7月(夏)、10月(秋)和2019年1月(冬)對各湖泊水體展開調查。根據(jù)湖泊面積與形態(tài)，在仙島湖、梁子湖、磁湖和策湖分別設置了8、12、10和6個采樣點(圖1)。

采樣天氣為晴朗無風或微風，用GPS導航儀對各采樣點定位，用2 L有機玻璃采水器采集表層水樣，裝入2.5 L聚乙烯采樣瓶中，置于4 ℃恒溫箱中運回實驗室分析。懸浮物采用重量法測定[28]。取一定體積的原水樣，充分搖勻后用真空泵抽濾，抽濾使用的濾膜為預先烘干(105 ℃烘4 h)并稱重好的干凈Whatman GF/C濾膜，將抽濾后的濾膜于105 ℃條件下烘干至恒重，濾膜上截留的固體顆粒物即總懸浮物(TSS)。截留的固體物質質量與抽濾的水樣體積之比即為TSS濃度。之后再將已烘干至恒重的濾膜放入馬弗爐中，于550 ℃溫度下煅燒6 h至恒重，濾膜置于干燥器中冷卻后再稱量，殘余部分為無機懸浮物(ISS)，主要包括碎屑礦物、黏土礦物等，煅燒后濾膜上殘余的物質質量與抽濾的水樣體積之比為ISS濃度。煅燒損失的部分為有機懸浮物質，主要是浮游動植物殘體和其他有機碎屑等，TSS濃度與ISS濃度之差為有機懸浮物(OSS)濃度。用堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法測定總氮(TN)濃度，鉬銻抗分光光度法測定總磷(TP)濃度，酸性法測定高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)，90%丙酮法測定葉綠素a(Chl-a)濃度，詳細步驟參照文獻[29]。透明度(SD)用塞氏盤現(xiàn)場測定。

圖1 鄂東南湖泊采樣點分布示意

1.3 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)

以Chl-a作為基準參數(shù)，選取SD、CODMn、TP、TN、Chl-a這5項指標計算綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)[30]。

(1)

(2)

式(1)～(2)中，ITL(∑)表示綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；ITL(j)為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；Wj為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關權重；rij為第j種參數(shù)與Chl-a基準參數(shù)的相關系數(shù)。湖泊Chl-a與其余參數(shù)之間的rij、rij2及權重Wj見表1。

各水質指標的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的計算公式為

ITL(Chl-a)=10[2.5+1.086lnρ(Chl-a)]，

(3)

ITL(TP)=10[9.436+1.624lnρ(TP)]，

(4)

ITL(TN)=10[5.453+1.694lnρ(TN)]，

(5)

ITL(SD)=10[5.118-1.94ln SD]，

(6)

ITL(CODMn)=10[0.109+2.661ln CODMn]。

(7)

表1 Chl-a與其他參數(shù)之間的相關關系rij及權重Wj

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

根據(jù)經緯度數(shù)據(jù)，利用Google Earth和ArcMap 10.7繪制仙島湖、梁子湖、磁湖和策湖采樣點分布圖，采用Pearson相關系數(shù)法進行相關性分析，實驗數(shù)據(jù)選擇Excel 2010、Origin 2019及SPSS 21軟件進行統(tǒng)計檢驗和繪圖。在顯著性描述中，P<0.01為極顯著，0.01≤P<0.05為顯著，P≥0.05為不顯著。

2 結果與分析

2.1 營養(yǎng)鹽特征

鄂東南4個湖泊水體的TN濃度差別較大(圖2)。仙島湖ρ(TN)年均值最低，為(0.19±0.10) mg·L-1，變化范圍為0.04～0.35 mg·L-1，隨著季節(jié)變化，仙島湖水體ρ(TN)在冬季取得最大值，秋季取得最小值，分別為(0.23±0.09)和(0.14±0.12) mg·L-1。梁子湖水體ρ(TN)較低，全年平均值為(0.57±0.33) mg·L-1，最高值出現(xiàn)在冬季〔(0.69±0.19) mg·L-1〕，最低值出現(xiàn)在夏季〔(0.30±0.18) mg·L-1〕，且冬季和春季之間存在極顯著差異(P<0.01)。相比于仙島湖和梁子湖，磁湖和策湖水體的ρ(TN)較大，波動范圍也較廣，年均值分別為(1.25±0.63)和(1.68±0.69) mg·L-1，且2個湖泊之間存在顯著性差異(P<0.05)。

圖2 鄂東南湖泊水體的營養(yǎng)水平

4個不同營養(yǎng)水平湖泊水體的ρ(TP)年空間分布總規(guī)律與ρ(TN)相同(圖2)，表現(xiàn)為仙島湖〔(0.04±0.02) mg·L-1〕<梁子湖〔(0.08±0.04) mg·L-1〕<磁湖〔(0.20±0.06) mg·L-1〕<策湖〔(0.39±0.21) mg·L-1〕。策湖水體ρ(TP)年均值最大，變化范圍為0.12～0.78 mg·L-1，最大值出現(xiàn)在夏季，為(0.71±0.12) mg·L-1，極顯著高于冬季〔(0.17±0.04) mg·L-1〕(P<0.01)。仙島湖水質較好，ρ(TP)較低，全年變化范圍為0.01～0.08 mg·L-1，最低值出現(xiàn)在夏季，最高值出現(xiàn)在秋季，分別為(0.02±0.01)和(0.05±0.01) mg·L-1。梁子湖水體ρ(TP)的季節(jié)變化規(guī)律與策湖相同，均表現(xiàn)為夏季>秋季>春季>冬季。相比于策湖，磁湖水體ρ(TP)波動較小，變化范圍為0.09～0.33 mg·L-1，極顯著高于梁子湖(P<0.01)。

鄂東南4個湖泊營養(yǎng)水平分布的總規(guī)律為仙島湖<梁子湖<磁湖<策湖。仙島湖和梁子湖是鄂東南地區(qū)典型的草型湖泊，水生植被發(fā)育較完善，水質常年保持在Ⅱ～Ⅲ類，TLI值分別為29.67和50.62。磁湖和策湖受污染較嚴重，水質較差，TLI值分別為61.78和69.34。

2.2 懸浮物空間分布特征

鄂東南4個湖泊水體ρ(TSS)變化范圍為4.00～67.00 mg·L-1，ρ(TSS)年均值分布總規(guī)律與ρ(TN)、ρ(TP)相同(圖3)。仙島湖營養(yǎng)水平最低，ρ(TSS)年均值也最低，為(10.16±4.57) mg·L-1，變化范圍為4.00～24.00 mg·L-1。不同季節(jié)仙島湖TSS的空間分布特征也不相同，但大致呈現(xiàn)出北部大于南部的趨勢，春季和夏季ρ(TSS)高值區(qū)主要分布在東部的X1、X2和西部的X6樣點附近，秋季ρ(TSS)的高值區(qū)分布在中部的X5樣點附近，冬季則主要分布于中部的X5樣點和西南部的X7樣點附近。梁子湖水體ρ(TSS)較低，年均值為(12.42±6.86) mg·L-1，變化范圍為4.00～30.00 mg·L-1，其高值區(qū)多分布于東梁子湖的L1樣點附近。西梁子湖水體的ρ(TSS)較低，年均值為(11.18±5.94) mg·L-1，低于東梁子湖〔(14.15±7.80) mg·L-1〕，但2個湖區(qū)之間差異不顯著(P>0.05)。磁湖水體ρ(TSS)較高，年均值為(25.03±13.42) mg·L-1，各采樣點ρ(TSS)在8.00～65.00 mg·L-1之間變化。北磁湖ρ(TSS)年均值為(26.65±16.10) mg·L-1，南磁湖為(23.40±10.25) mg·L-1，呈現(xiàn)出北磁湖大于南磁湖的趨勢，且2個湖區(qū)的ρ(TSS)在秋季呈現(xiàn)出顯著性差異(P<0.05)。策湖水體ρ(TSS)最高，年均值為(45.17±14.72) mg·L-1，春季最高值可達63.00 mg·L-1，出現(xiàn)在南部的E1樣點附近；夏季和冬季的最高值均出現(xiàn)在中部的E4樣點附近，分別為60.00和32.00 mg·L-1；秋季策湖西部ρ(TSS)較高，東部較低，全年各采樣點ρ(TSS)變化范圍為17.00～67.00 mg·L-1。

2.3 懸浮物季節(jié)變化特征

鄂東南不同營養(yǎng)水平湖泊水體懸浮物季節(jié)變化特征較明顯(圖4)。

圖3 鄂東南湖泊水體懸浮物空間分布特征

圖4 鄂東南湖泊水體懸浮物季節(jié)變化特征

仙島湖各季節(jié)水體TSS含量較低，懸浮物在夏、秋、冬季以ISS為主，ρ(ISS)分別為(5.25±0.46)、(4.38±0.52)、(10.63±4.93) mg·L-1，占比分別為59.15%、53.03%、67.46%，春季則以OSS為主，ρ(OSS)為(4.63±1.19) mg·L-1，占比為59.68%。梁子湖水體ρ(TSS)在秋季取得最大值，為(20.08±6.50) mg·L-1，顯著高于春季(P<0.05)，極顯著高于夏季和冬季(P<0.01)，且懸浮物在各個季節(jié)均以ISS為主。磁湖水體ρ(TSS)在春、夏、秋和冬季分別為(27.00±4.76)、(37.30±20.34)、(19.70±3.74)、(16.10±6.19) mg·L-1，季節(jié)變化規(guī)律為夏季>春季>秋季>冬季，且各個季節(jié)懸浮物均以ISS為主。策湖各個季節(jié)水體ρ(TSS)均較高，最高值出現(xiàn)在秋季，可達(57.00±5.59) mg·L-1，極顯著高于冬季〔(24.50±5.75) mg·L-1〕(P<0.01)。除秋季水體懸浮物以OSS為主外，策湖其余3個季節(jié)水體懸浮物均以ISS為主。

3 討論

3.1 鄂東南不同營養(yǎng)水平湖泊水體懸浮物分布差異

不同營養(yǎng)水平湖泊水體懸浮物的含量不同，同一湖泊不同季節(jié)懸浮物的含量特征也不盡相同。一般而言，水體ρ(TSS)與水體營養(yǎng)水平呈正相關[31]。調查的4個湖泊中，水體ρ(TSS)分布規(guī)律與湖泊營養(yǎng)水平一致，仙島湖、梁子湖、磁湖、策湖的營養(yǎng)水平依次增加，其水體ρ(TSS)也逐漸增大。與國內不同研究區(qū)域水體ρ(TSS)對比(表2)，發(fā)現(xiàn)仙島湖、梁子湖水體ρ(TSS)與淺水草型湖泊洪湖和昆山市水源傀儡湖相近，低于城市湖泊(嘉興南湖、武漢東湖、無錫蠡湖)和典型富營養(yǎng)化淺水湖泊(巢湖、太湖、滆湖)。磁湖雖然也是城市湖泊，但其水體ρ(TSS)明顯高于武漢東湖和無錫蠡湖，與天然湖泊鄱陽湖相近。策湖水體ρ(TSS)處于較高水平，與巢湖、嘉興南湖和滆湖相近。調查中發(fā)現(xiàn)仙島湖和梁子湖水生植被發(fā)育較好，水中有菹草、苦草、菱角、金魚藻、馬來眼子菜、輪葉黑藻、微齒眼子菜、蘆葦?shù)却罅克参?，豐富的沉水植物減弱了風浪引起的沉積物再懸浮，與洪湖和傀儡湖水質情況相似。策湖在夏秋季節(jié)經常出現(xiàn)水華現(xiàn)象，懸浮物季節(jié)變化特征與巢湖、太湖、和滆湖相似。

仙島湖作為水源地，為貧營養(yǎng)型深水湖泊，水質常年保持在Ⅱ類及以上，水生植被發(fā)育也比較完善?？嗖?、菹草、馬來眼子菜、輪葉黑藻、微齒眼子菜等水生植物減弱了風浪、船只等對水體的擾動，同時，由于仙島湖水較深，平均水深可達26 m，不容易對底泥造成擾動，底泥再懸浮現(xiàn)象較弱，所以其懸浮物濃度較低。梁子湖ρ(TSS)高值區(qū)主要集中在東梁子湖，該區(qū)域過去養(yǎng)殖面積較大，大量殘留在底部的淤泥極易受到風浪和船只的擾動而出現(xiàn)再懸浮現(xiàn)象，所以ρ(TSS)高于西梁子湖。此外，梁子湖屬于淺水草型湖泊，春夏水生植被生長旺盛[32]，雖然減弱了底泥再懸浮作用，但在秋季菱角、金魚藻等植物會自然衰亡，殘體腐爛分解后會懸浮在表層水體，故秋季有大面積區(qū)域ρ(TSS)出現(xiàn)高值。磁湖是黃石市最大的城市湖泊，20世紀70年代以后，大量工業(yè)廢水和居民生活污水直排入湖，加之大型水產養(yǎng)殖企業(yè)——南湖漁場的主要淡水魚養(yǎng)殖基地大量投放餌料，以及南岸黃荊山北麓長期開山取石，大量泥沙淤塞湖床，致使水體富營養(yǎng)化嚴重[24]。21世紀以來，雖然相關部門圍繞磁湖開展了大量水體治理工作，水質也得到了一定改善，但由于受之前污染的影響，水體ρ(TSS)仍較高。此外，磁湖處于中心城區(qū)，夏季溫度高于郊區(qū)，高溫會使底泥中微生物活性加快，加劇了顆粒物的懸浮狀況，致使磁湖夏季ρ(TSS)處于較高水平[33]。策湖水體ρ(TSS)最大，這與策湖的養(yǎng)殖活動有一定的關系。策湖曾因養(yǎng)殖業(yè)而導致湖內有較多的淤泥并含有較高的營養(yǎng)鹽，目前仍有面積廣闊的養(yǎng)殖場分布(策湖養(yǎng)殖場和策湖山洲坪項目區(qū))，且秋季湖水收獲作業(yè)多，捕撈等活動造成的底泥再懸浮和大量的藻類使得湖泊水體ρ(TSS)維持在較高水平[34]。

表2 不同研究區(qū)域水體TSS濃度比較

不同營養(yǎng)水平湖泊水體懸浮物的分布特征存在差異，與湖泊所在的地理位置、水深狀況、水體溫度、盛行風向、風力大小、水生植被覆蓋率以及藻類生長量等因素有關[35-38]。4個不同營養(yǎng)水平的湖泊均處于鄂東南，屬亞熱帶季風氣候區(qū)，不同區(qū)域盛行風的方向和速度的變化造成湖泊底部沉積物懸浮的差異，淺水湖泊受風力擾動較大，深水湖泊擾動小。該研究中，仙島湖為深水湖泊，受底泥再懸浮影響較小，其懸浮物多來自于隨地表徑流輸入到水體中的細顆粒泥沙、腐屑等。梁子湖、磁湖和策湖懸浮物除來自于外源輸入，還來自于底泥再懸浮、藻類顆粒物和水生植物殘體等。策湖雖然在夏秋季節(jié)經常出現(xiàn)水華，但僅秋季OSS占比高于ISS，其余季節(jié)均為ISS占比高于OSS，表明策湖全年懸浮物仍然以外源輸入和底泥再懸浮引起的無機懸浮物為主。梁子湖和磁湖各個季節(jié)則均表為ISS占比高于OSS，說明外源輸入和底泥再懸浮引起的無機懸浮物也是梁子湖和磁湖懸浮物的主要組成部分。

3.2 水體中懸浮物與氮磷之間的關系

研究表明，水體中懸浮物可以釋放或者吸附氮、磷等營養(yǎng)元素，與TN、TP濃度具有正相關關系[44-45]。由表3可見，各湖泊水體的TSS與TN、TP濃度均表現(xiàn)出正相關關系，但其相關性強弱不同。在仙島湖中，TSS與TN、TP濃度分別呈顯著正相關(P<0.05)和極顯著正相關(P<0.01)，Pearson相關系數(shù)分別為0.360和0.530；在磁湖中，TSS與TN、TP濃度均表現(xiàn)出極顯著正相關關系(P<0.01)，Pearson相關系數(shù)分別為0.416和0.454；在策湖中，TSS與TN、TP濃度具有顯著正相關關系(P<0.05)，Pearson相關系數(shù)分別為0.453和0.489。與TN相比，仙島湖、磁湖和策湖水體的TSS與TP濃度具有更好的相關性，這與蠡湖、云蒙湖、嘉興南湖、滆湖等地的研究結果相似[2,4,13,41]。梁子湖水體中，TSS與TN、TP濃度呈極顯著正相關(P<0.01)，Pearson相關系數(shù)分別為0.475、0.434，TSS與TN濃度的相關性更優(yōu)。

表3 鄂東南湖泊水體TSS與TP、TN濃度的相關關系

水體中懸浮物與氮、磷的關系密切，懸浮物的再懸浮等環(huán)境行為會導致懸浮物中氮、磷大量釋放，使得懸浮物與TN、TP濃度具有較強的正相關關系。因此，在湖泊生態(tài)修復過程中，應著眼于控制外源性氮、磷的輸入，削減底泥中營養(yǎng)物質的負荷，以減少懸浮物的吸附、沉積和再懸浮等環(huán)境行為對湖泊水質的影響，進一步削減水體中懸浮物含量，降低湖泊的富營養(yǎng)化水平。

4 結論

(1)鄂東南4個湖泊的營養(yǎng)水平差別較明顯，TLI值分布的總規(guī)律為仙島湖(29.67)<梁子湖(50.62)<磁湖(61.78)<策湖(69.34)。

(2)仙島湖、梁子湖、磁湖、策湖ρ(TSS)年均值分別為(10.16±4.57)、(12.42±6.86)、(25.03±13.42)、(45.17±14.72) mg·L-1，其分布規(guī)律與營養(yǎng)水平一致。梁子湖和磁湖各個季節(jié)水體懸浮物均以ISS為主，ρ(TSS)最高值分別出現(xiàn)在秋季〔(20.08±6.50) mg·L-1〕和夏季〔(37.30±20.34)mg·L-1〕。策湖秋季水體懸浮物以OSS為主，春、夏、冬季均以ISS為主；仙島湖則春季以OSS為主，其他季節(jié)以ISS為主。

(3)仙島湖懸浮物多來自于隨地表徑流輸入到水體中的細顆粒泥沙、腐屑等。梁子湖、磁湖和策湖懸浮物除來自于外源輸入，還來自于底泥再懸浮引起的細顆粒物、藻類顆粒物和水生植物殘體等，整體上以ISS為主。

(4)4個不同營養(yǎng)水平湖泊水體的TSS與TN、TP濃度均呈顯著正相關關系，懸浮物含量在一定程度上可以反映湖泊的營養(yǎng)鹽水平。