張 毅，高方述，吳到懋

（江蘇省宿遷環(huán)境監(jiān)測中心，江蘇 宿遷 223600）

0 引言

駱馬湖是江蘇省第四大湖泊，對南水北調(diào)東線工程具有重要的調(diào)蓄作用，同時也是宿遷市的重要飲用水源地，承擔(dān)著宿遷市區(qū)供水功能[1]，入湖河流主要有沂河水系、南四湖水系和邳蒼地區(qū)共40 多條支流。據(jù)統(tǒng)計(jì)，駱馬湖年水位變幅為1.90～5.73 m，年換水10 次左右，屬典型過水性湖泊。

氮磷是浮游植物生長必需的營養(yǎng)元素，其濃度變化影響湖泊富營養(yǎng)化進(jìn)程[2-4]。已有研究發(fā)現(xiàn)，2001—2005 年駱馬湖水體總氮（TN）和總磷（TP）濃度呈增加趨勢，并導(dǎo)致駱馬湖從中營養(yǎng)化向輕度富營養(yǎng)化轉(zhuǎn)變[5]，2006—2011 年駱馬湖TN、TP 濃度雖有波動，但變化趨勢不明顯[6]，富營養(yǎng)化已成為駱馬湖主要環(huán)境問題，氮、磷是水體富營養(yǎng)化主要限制性因子[7-10]。近幾年，由于駱馬湖流域工業(yè)和農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，水體富營養(yǎng)化、重金屬污染和PPCPs 污染等問題受到廣泛關(guān)注，并開展相關(guān)時空變化特征研究[11-13]。然而，已有研究因采樣點(diǎn)偏少難以體現(xiàn)全湖水質(zhì)特征[12]，或根據(jù)功能區(qū)域設(shè)置采樣點(diǎn)，沒有考慮駱馬湖過水性湖泊特征[11]，或研究的時間僅局限于某一季節(jié)的空間分布規(guī)律[14]，缺少對駱馬湖全湖全年氮磷空間特征和季節(jié)變化規(guī)律的深入分析。為此，本文基于2019 年8 月—2020 年8 月對駱馬湖全湖32 個采樣點(diǎn)的水質(zhì)氮磷指標(biāo)，對其時空分布情況進(jìn)行直觀分析，探求水體中氮磷時空變異特征，分析其潛在影響因素，為加強(qiáng)駱馬湖水質(zhì)管理和保護(hù)提供有效的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 點(diǎn)位布設(shè)與采樣時間

采樣點(diǎn)布設(shè)考慮駱馬湖的形態(tài)特征、圍網(wǎng)養(yǎng)殖分布以及入湖、出湖河流等情形，共布設(shè)32 個采樣點(diǎn)（圖1），基本覆蓋駱馬湖整個水域。監(jiān)測時間段為2019 年9 月—2020 年8 月，監(jiān)測頻率為每月1 次。為便于分析，將整個駱馬湖分為6 個區(qū)域。A 區(qū)為西北部水系進(jìn)水區(qū)；B 區(qū)為西部敞水區(qū)；C 區(qū)為嶂山閘出水區(qū)，D 區(qū)為飲用水源地所在湖灣區(qū)，E 區(qū)為中心湖區(qū)，F(xiàn) 為黃墩湖所在區(qū)域。將1—12 月，按一年四季分為春、夏、秋、冬四個季節(jié)。

圖1 駱馬湖采樣點(diǎn)分布

1.2 樣品采集與測試

采集的0.5 m 表層水樣貯存在潤洗后的聚氯乙烯瓶中，當(dāng)天送回實(shí)驗(yàn)室，樣品避光于冰箱4 ℃保存，所有標(biāo)均在3 d 內(nèi)測完，檢測指標(biāo)為總磷（TP）、總氮（TN），監(jiān)測分析方法按國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

使用ArcGIS10.1 對監(jiān)測指標(biāo)濃度含量進(jìn)行空間插值分析，得到各指標(biāo)空間分布。采用Excel2010 和SPSS19.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 駱馬湖TN 的時空分布規(guī)律

駱馬湖水體中TN 濃度時空分布差異明顯，各采樣點(diǎn)的ρ（TN）范圍為0.19～7.39 mg/L，全湖平均為2.79 mg/L?？傮w上來看，呈現(xiàn)ρ（TN）整體呈北高南低態(tài)勢，且汛期過后隨著時間的推移，高濃度區(qū)域有一個明顯的由南到北的擴(kuò)散軌跡（見圖2）。

圖2 駱馬湖水體TN 時空分布特征

2.1.1 駱馬湖TN 的時間變化過程

從時間上看，駱馬湖中部敞水區(qū)和嶂山閘出水區(qū)水域10 月至次年2 月全湖TN 濃度污染相對較輕，至3—4 月駱馬湖西部和西北部水體中TN 高濃度區(qū)開始向南遷移，逐步影響中部敞水區(qū)和嶂山閘出水區(qū)水域，導(dǎo)致全湖TN 濃度基本維持在Ⅳ～Ⅴ類，南部和北部區(qū)域基本持平。進(jìn)入夏季后，隨著雨季的到來，駱馬湖水位上漲，水域面積擴(kuò)大，水體中TN 污染程度有所降低，5—6 月全湖平均水質(zhì)可達(dá)Ⅲ類。每年7—8 月駱馬湖嶂山閘開始提閘放水，上游受污染的水體隨沂河、老沂河、運(yùn)河等進(jìn)入湖泊，水體水質(zhì)逐步向南遷移影響全湖，7—9 月駱馬湖絕大部分水域水質(zhì)為劣Ⅴ類，各采樣點(diǎn)位TN 濃度迅速上高，整個水域TN總氮平均質(zhì)量濃度高達(dá)5.41 mg/L，遠(yuǎn)高于其他月份。這說明駱馬湖作為典型過水性湖泊，其TN 污染主要來源于上游來水和湖區(qū)內(nèi)水產(chǎn)養(yǎng)殖。

2.1.2 駱馬湖TN 的空間分布規(guī)律

單因素方差分析（one-way ANOVA）結(jié)果表明，上覆水中TN 空間分布差異性顯著（P＜0.01），其中A 區(qū)的濃度最大，F(xiàn) 區(qū)次之，全年TN 平均質(zhì)量濃度分別為2.362 mg/L 和2.01 mg/L，屬于劣Ⅴ類水；C 區(qū)和D 區(qū)最小，全年TN 平均質(zhì)量濃度值分別為1.32 mg/L 和1.37 mg/L，屬于Ⅳ類水質(zhì)。從空間上來看，TN 高濃度區(qū)主要集中在駱馬湖西北部和西部的A 區(qū)和F 區(qū)，南部水域TN 相對較低。A 區(qū)和F 區(qū)網(wǎng)箱養(yǎng)魚較為發(fā)達(dá)，表明西北部湖區(qū)及黃墩湖區(qū)域是全湖TN 的濃度主要因素，西北部水系污染輸入和圍網(wǎng)養(yǎng)殖是全湖TN 的主要污染源。TN 濃度這種空間分布與駱馬湖作為過水性湖泊和入湖水系分布基本一致。

不同季節(jié)駱馬湖水體TN 的空間分布特征也不相同。春季TN 的高值區(qū)主要分布在西北部水系入湖口附近（A 區(qū)），水質(zhì)總體上處于Ⅳ～Ⅴ類，其他區(qū)域水質(zhì)總體上處于Ⅲ—Ⅳ類。夏季和秋季高值區(qū)都主要集中在黃墩湖（F 區(qū)）和西北部水系入湖口附近（A 區(qū)），水質(zhì)基本處于Ⅳ—劣Ⅴ類水質(zhì)。冬季TN 的高值區(qū)都主要集中在西北部水系入湖口附近（A 區(qū)），水質(zhì)基本處于V 類水質(zhì)，而其他區(qū)域水質(zhì)處于Ⅲ—Ⅳ類水質(zhì)。春夏兩季，除西北部水系入湖口附近（A 區(qū)）外，大部分區(qū)域上覆水TN 污染相對較輕，水質(zhì)基本滿足Ⅲ—Ⅴ類水質(zhì)要求。不同分區(qū)水質(zhì)差別明顯。其中，F(xiàn) 區(qū)和A區(qū)全年大多時刻TN 濃度皆較高，水質(zhì)基本處于Ⅴ—劣Ⅴ類，表明該區(qū)域氮污染源較為持續(xù)穩(wěn)定。其余區(qū)域水質(zhì)全部差于Ⅲ類，僅個別點(diǎn)位水質(zhì)達(dá)到了劣Ⅴ類。南部D 區(qū)水域在1 月出現(xiàn)短期高值現(xiàn)象，因該區(qū)域無外部水系連通和圍網(wǎng)養(yǎng)殖，這可能是來自北部的TN 污染團(tuán)在湖區(qū)自然擴(kuò)散所致，具體原因有待調(diào)查。

2.2 駱馬湖TP 時空分布規(guī)律

駱馬湖水體中TP 濃度時空分布差異不明顯，各采樣點(diǎn)的ρ（TN）范圍為0.01～0.42 mg/L，全湖平均為0.072 mg/L?？傮w上來看，ρ（TN）空間變化與ρ（TN）大體相同，也呈北高南低態(tài)勢（見圖3）。

圖3 駱馬湖水體TP 時空分布特征

2.2.1 駱馬湖TP 的時間變化過程

從時間分布上來看，2019 年11 月至2020 年6 月駱馬湖全湖水體ρ（TP）相對較低，2019 年9 月和10 月雖然有極端高值存在，但全湖ρ（TP）平均值低于0.11 mg/L，而2020 年7、8 月份全湖ρ（TP）平均值都在0.15 mg/L 以上。特別是黃墩湖一年中有7 個月（1、2、7、9、10、11 和12 月），TP 濃度一直居高不下，表明黃墩湖外源輸入或黃墩湖內(nèi)養(yǎng)殖業(yè)輸入，以及西北部入湖河流對駱馬湖水體TP 有一定的貢獻(xiàn)。但要最終判斷黃墩湖聯(lián)結(jié)駱馬湖通道以及西北部入湖河流TP輸入情況，需從黃墩湖和西北部入湖河流開始，沿程布點(diǎn)研究TP 的環(huán)境行為，從而達(dá)到估算其輸入通量的目的。

2.2.2 駱馬湖TP 的空間分布規(guī)律

整體而言，駱馬湖上覆水中TP 的空間分布差異不顯著（P＞0.05），TP 在駱馬湖的分布規(guī)律呈現(xiàn)為黃墩湖入湖口（F 區(qū)）以及北部圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)域（A 區(qū)）相對較高，TP 濃度達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)外，其余區(qū)域水體水質(zhì)基本屬于Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。從季節(jié)來看，春、夏、冬季TP 濃度整體較低，空間差異性不顯著（P＞0.05），ρ（TP）平均值為0.078 mg/L，除個別位于黃墩湖處點(diǎn)位的TP濃度稍高外，絕大多數(shù)點(diǎn)位TP 濃度滿足Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；秋季TP 濃度空間差異顯著（P＜0.01），TP 的高值區(qū)主要集中在黃墩湖入湖口（F 區(qū)）以及北部圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)域（A 區(qū)），尤其是懸浮物較高的F 區(qū)，ρ（TP）平均值達(dá)到0.27 mg/L，水體已達(dá)到劣V 類，顯著劣于其他水域，可能因?yàn)?—9 月為高溫季節(jié)，水體中浮游藻類維持在一個較高水平，從而導(dǎo)致F 區(qū)和A 區(qū)的TP 濃度較其他季節(jié)高。

2.3 駱馬湖水體中氮磷濃度變化趨勢

TN、TP 是影響駱馬湖營養(yǎng)水平的主要因子，近20 年來一直維持在較高的濃度水平[7-9]。與2011 年相比[6]，2014 年，駱馬湖TN 的月均值為0.259～13.2 mg/L之間，年均值為1.009 mg/L，滿足Ⅳ類水質(zhì)要求。2019年9 月—2020 年8 月，駱馬湖ρ（TN）的月均值為0.89～4.46 mg/L 之間，年均值為2.62 mg/L，整體處于劣Ⅴ類。與2011 年相比，全湖ρ（TN）污染問題進(jìn)一步加劇，年均值增幅高達(dá)159.66%。2014 年，駱馬湖TP的月均值在0.026～0.223 mg/L 之間，年均值為0.07 mg/L，滿足Ⅳ類水質(zhì)要求；2019 年9 月—2020 年8 月，駱馬湖ρ（TP）的月均值在0.03～0.21 mg/L 之間，年均值為0.08 mg/L，滿足Ⅳ類水質(zhì)要求，2019 年9 月—2020 年8 月駱馬湖ρ（TP）平均值基本與2011 年持平。2019年9 月—2020 年8 月間，幾乎每個月均高于2011 年，尤其是TN 污染，這表明駱馬湖近十年控氮效果并不明顯，TN已經(jīng)成為駱馬湖未來水環(huán)境質(zhì)量提升的限制因子。

目前國際上一般認(rèn)為當(dāng)水體中的ρ（TN）和ρ（TP）分別達(dá)到0.2 mg/L 和0.02 mg/L，就有可能發(fā)生水華現(xiàn)象[15]，駱馬湖水體TN 和TP 濃度均超出了發(fā)生富營養(yǎng)化的氮、磷條件。ρ（TN）/ρ（TP）作為湖庫營養(yǎng)結(jié)構(gòu)的重要表征，可以在一定程度上反映營養(yǎng)物輸入負(fù)荷對水體營養(yǎng)結(jié)構(gòu)的影響，同時也是水體中浮游生物種群營養(yǎng)結(jié)構(gòu)的重要影響因素和體現(xiàn)[16-17]。Guildford 等[18]提出的水中營養(yǎng)物限制性標(biāo)準(zhǔn)指出，ρ（TN）/ρ（TP）≤9.0（摩爾比為20）為氮限制狀態(tài)，ρ（TN）/ρ（TP）≥22.6（摩爾比為50）為磷限制狀態(tài)。本次調(diào)查發(fā)現(xiàn)，駱馬湖水體ρ（TN）/ρ（TP）年均值比＞22.6，說明駱馬湖水體處于磷限制狀態(tài)，但由于富營養(yǎng)化的復(fù)雜性，仍然要考慮氮的影響。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

1）駱馬湖水體中ρ（TN）在0.19～7.39 mg/L 之間，平均值為2.79 mg/L，水質(zhì)為劣Ⅴ類?？傮w來看，TN 呈現(xiàn)北高南低的空間分布特征，秋季（7—9 月）泄洪期間因西部入湖河流污水進(jìn)入湖泊，隨著時間的推移，TN 高濃度區(qū)域有一個明顯的由南到北的擴(kuò)散軌跡，導(dǎo)致全湖秋季TN 濃度迅速升高，整體水質(zhì)為劣Ⅴ類，遠(yuǎn)高于其他月份，TN 濃度呈現(xiàn)秋季＞冬季＞春季＞夏季的特點(diǎn)。西北部湖區(qū)及黃墩湖區(qū)域是影響全湖TN 的濃度主要因素，其時空分布特征充分體現(xiàn)了駱馬湖作為過水性湖泊這一特點(diǎn)。

2）駱馬湖水體中ρ（TP）在0.01～0.42 mg/L 之間，平均值為0.072 mg/L，呈現(xiàn)北高南低的空間分布特征，時空差異差異不明顯。秋季（7—9 月）汛期TP 濃度空間差異顯著，主要高值區(qū)分布在黃墩湖入湖口以及北部圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)域，水體達(dá)劣Ⅴ類，顯著劣于其他水域。非汛期水體TP 受底泥磷釋放影響更大。外源輸入對駱馬湖TP 的影響較小，非汛期水體TP 可能受底泥磷釋放影響更大。

3）與2010 年相比，近10 年來全湖TN 污染問題進(jìn)一步加劇，但TP 濃度變化趨勢不明顯，TN 已經(jīng)成為駱馬湖未來水環(huán)境質(zhì)量提升的限制因子。ρ（TN）/ρ（TP）顯示磷是駱馬湖的限制因子，但由于富營養(yǎng)化的復(fù)雜性，仍然要考慮氮的影響。

3.2 討論

秋季（7—9 月）駱馬湖均表現(xiàn)出TN 和TP 濃度顯著高于其他季節(jié)的特征，原因是駱馬湖入湖河道污染物主要來源于北部的中運(yùn)河和沂河，7—9 為駱馬湖汛期，入湖水量大，大量污染物進(jìn)入駱馬湖，進(jìn)而導(dǎo)致湖區(qū)7—9 月TN 濃度居高不下[19]。但與非汛期相比，7—9 月TP 濃度增幅的絕對值明顯小于TN，其原因是駱馬湖入湖河流TP 濃度和輸入總量較TN 低很多，相差44 倍[19]，河道外源輸入對駱馬湖TP 的影響較小。目前駱馬湖圍網(wǎng)養(yǎng)殖面積僅有0.092 ha，僅占湖泊面積的3.19%，說明非汛期水體TP 可能受底泥磷釋放影響更大?？臻g上，TN 和TP 濃度呈北高南低的格局也受汛期入湖河道污染物匯入的影響。此外，駱馬湖的圍網(wǎng)養(yǎng)殖位于湖區(qū)北部，養(yǎng)殖投餌也會增加水體的營養(yǎng)負(fù)荷。相反，南部湖區(qū)圍網(wǎng)少，人類干擾較弱，又是沉水植被的主要分布區(qū)，已有研究表明駱馬湖有草區(qū)水體中TN、TP 含量低于無草區(qū)[20]。水生植物一方面對水體有直接的凈化作用，另外，植被的覆蓋削弱了風(fēng)浪對沉積物的擾動，降低了沉積物營養(yǎng)鹽的釋放量。

綜合駱馬湖水體TN 和TP 的時空分布分析可以看出，要改善駱馬湖水質(zhì)，降低水體中氮、磷濃度，需從控制外源、抑制氮磷內(nèi)源釋放、恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)三個方面入手。一是利用湖濱帶各種生物吸附、攔截、凈化等作用控制地表徑流攜帶的干濕沉降污染物；二是對底泥污染嚴(yán)重的區(qū)域進(jìn)行改性或者環(huán)保疏浚，達(dá)到控制內(nèi)源釋放的目的；三是恢復(fù)湖區(qū)北部以沉水植被為主的生態(tài)系統(tǒng)，以抑制、減少氮、磷營養(yǎng)鹽的釋放。已有研究表明駱馬湖有草區(qū)水體中TN、TP 含量低于無草區(qū)[20]，因此駱馬湖北部區(qū)域沉水植物的恢復(fù)與重建是控制駱馬湖氮磷污染的關(guān)鍵。