固城湖及上下游河道富營(yíng)養(yǎng)化和浮游藻類現(xiàn)狀

曾慶飛,谷孝鴻,毛志剛,2,孫明波,2,谷先坤,2 (.中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 20008；2.中國(guó)科學(xué)院研究生院,北京 00049)

固城湖位于江蘇省高淳縣,水源主要來(lái)自于沿湖的官溪河、胥河、漆橋河、橫溪河等,還受源自皖南山區(qū)的河流補(bǔ)給,其次是長(zhǎng)江高水位時(shí)倒灌和湖區(qū)周圍山地丘陵的地表徑流[1].湖岸平直,水位易陡漲陡落,原為水陽(yáng)江的過(guò)水性湖泊.

官溪河建楊家灣節(jié)制閘后,已轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬?duì)封閉的水庫(kù)型湖泊. 在“十一五”至“十二五”期間,江蘇省計(jì)劃對(duì)蕪申線航道高溧段進(jìn)行整治,蕪申線高淳段航道長(zhǎng)約61km,其中約有8km經(jīng)由固城湖湖區(qū).通過(guò)整治,到2013年左右基本達(dá)到三級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn),屆時(shí)來(lái)自安徽和長(zhǎng)江中、上游地區(qū)轉(zhuǎn)移和誘增的運(yùn)量將有較大幅度增長(zhǎng),并將導(dǎo)致入湖污染物的組成與排放量發(fā)生一定的變化.因此,研究固城湖及其航道的水質(zhì)和生物資源現(xiàn)狀,可以為評(píng)估和預(yù)測(cè)航線運(yùn)力增加對(duì)固城湖水環(huán)境的影響奠定基礎(chǔ).

早在20世紀(jì)90年代初已有學(xué)者對(duì)固城湖的生物資源利用和富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題進(jìn)行了研究[2-3].王小林等[4]運(yùn)用210Pb、137Cs計(jì)年探討了固城湖近代沉積模式及與圍湖墾殖、流域植被破壞等人類活動(dòng)的關(guān)系. 谷孝鴻等[5-6]研究了固城湖近 20年的生物資源群落組成和結(jié)構(gòu)特征,認(rèn)為在人類活動(dòng)的嚴(yán)重干擾下,固城湖環(huán)境質(zhì)量下降,湖泊富營(yíng)養(yǎng)化加劇,達(dá)到中營(yíng)養(yǎng)-輕度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài). 楊文斌等[7]又詳細(xì)評(píng)價(jià)了固城湖水質(zhì)和水草的空間變異規(guī)律,并用數(shù)學(xué)方法探討了污染源分布和水生植被密度的相互關(guān)系.

但上述研究大多集中在固城湖湖區(qū)的水質(zhì)和生物資源狀況,基本未涉及固城湖上下游河道.受蕪申線運(yùn)力增加的影響,是否會(huì)對(duì)固城湖和河道的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生重要的影響?目前,有關(guān)河道整治前后水環(huán)境變化的研究還較少[8].本研究通過(guò)對(duì)蕪申線高淳段長(zhǎng)約61km的航道和固城湖湖區(qū)水體水質(zhì)、細(xì)菌總數(shù)和浮游藻類生物量差異進(jìn)行調(diào)查和分析,以期為評(píng)價(jià)航道整治對(duì)固城湖富營(yíng)養(yǎng)化的影響和環(huán)境保護(hù)對(duì)策及措施提供參考.

1 采樣點(diǎn)布設(shè)與采樣方法

于2009年4月下旬和7月下旬,在丹農(nóng)磚瓦廠至朱家橋沿線設(shè)置了19個(gè)觀測(cè)采樣點(diǎn),其中上游設(shè)置4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),下游5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),固城湖湖區(qū)共設(shè)置10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),對(duì)蕪申線高淳段航道沿線及固城湖湖區(qū)進(jìn)行水體生態(tài)環(huán)境綜合調(diào)查.監(jiān)測(cè)點(diǎn)位分布見(jiàn)圖 1.在實(shí)地調(diào)查中,按《湖泊富營(yíng)養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范》[9]要求采集水和浮游植物樣品.水體理化指標(biāo)葉綠素a(Chla)、懸浮顆粒物(SS)、透明度(SD)、化學(xué)耗氧量(CODMn)、生化耗氧量(BOD5)、氮化合物(TN、NH4+-N、NO3--N、NO2--N)、總磷(TP)、糞大腸桿菌和細(xì)菌總數(shù)等指標(biāo)按“水環(huán)境監(jiān)測(cè)規(guī)范”[10]及“地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)”[11]的有關(guān)規(guī)定和要求進(jìn)行分析.

圖1 采樣點(diǎn)示意Fig.1 Sampling sites

2 分析方法

為了全面反映固城湖及上下游河道沿線監(jiān)測(cè)各點(diǎn)水體的營(yíng)養(yǎng)狀況,采用綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法對(duì)固城湖水源地營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià).綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)采用Carlson方法[12]:

式中:TLI(∑)為綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù);Wj為第j種參數(shù)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù);TLI(j)為第j種參數(shù)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù);rij2為以Chla為基準(zhǔn)參數(shù),第j種參數(shù)與基準(zhǔn)參數(shù) Chla的相關(guān)系數(shù);m為評(píng)價(jià)參數(shù)的個(gè)數(shù).富營(yíng)養(yǎng)化狀況評(píng)價(jià)指標(biāo)選用Chla、TP、TN、SD、CODMn五項(xiàng)參數(shù),計(jì)算公式為:

式中:Chla單位為mg/L,SD單位為m,其他指標(biāo)單位均為mg/L.

采用 0～100的一系列連續(xù)數(shù)字對(duì)蕪申線航道沿線水體富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行分級(jí)(表1):

表1 淡水湖泊(水庫(kù))營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)分級(jí)Table 1 Classification standard of lake (reservoir) tropic level

式中:H為多樣性指數(shù);N為藻類個(gè)體總數(shù);ni為第I屬的藻類個(gè)體數(shù).

3 結(jié)果與分析

3.1 固城湖及上下游河道水質(zhì)時(shí)空變化特征

由圖2所示,TP濃度在上游河段運(yùn)糧河、官溪河附近和下游固城大橋處較高,其他水域均較低,平均為0.05mg/L,固城湖湖區(qū)水體TP濃度平均為0.06mg/L,略超Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(￡0.05mg/L).TN濃度除了上游水陽(yáng)江在枯水期平均為0.85mg/L,固城湖湖心在豐水期為0.64mg/L之外,航道沿線其他點(diǎn)位均超標(biāo).其中官溪河一帶的TN濃度最高,達(dá)到3.0mg/L;胥河下游枯水期TN含量也較高,平均達(dá)到2.0mg/L.

從上游水陽(yáng)江-運(yùn)糧河-官溪河-固城湖-下游胥河,NH4+-N濃度呈現(xiàn)雙峰曲線,即官溪河和胥河上游段濃度較高,最高達(dá)到1.03mg/L,水陽(yáng)江和固城湖區(qū)域較低,水質(zhì)較好.蕪申線航道NO2--N濃度的變化范圍在 0.001～0.509mg/L,豐水期濃度高于枯水期.NO2--N濃度在沿程河道較高,固城湖較低,特別是楊家灣和下壩船閘處較高.

枯水期,胥河上游段 CODMn數(shù)值最高,為(5.53±0.62)mg/L,水陽(yáng)江最低,為1.91mg/L,呈現(xiàn)由上游水陽(yáng)江向下游胥河濃度逐漸升高的趨勢(shì).但在豐水期,固城湖湖區(qū)的CODMn濃度較高,大小湖區(qū)的平均值達(dá)到5.24mg/L,高于官溪河水體5.03mg/L的CODMn濃度.高淳段航道沿線各水體BOD5均符合Ⅲ類水 BOD5(￡4mg/L)標(biāo)準(zhǔn),下游胥河段濃度普遍高于上游水陽(yáng)江段.但上游官溪河污水處理廠附近(19#點(diǎn))的BOD5濃度較高,平均為2.80mg/L.固城湖大湖區(qū) BOD5濃度相對(duì)較低,7個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均濃度值為2.13mg/L,其中湖心區(qū)在豐水期僅為1.70mg/L.

高淳段航道沿線水體Chla濃度以固城湖大湖區(qū)濃度最小,8個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的平均濃度在枯水期為0.015mg/L,豐水期略高,為0.018mg/L,而漆橋河內(nèi)、外河口屬于固城湖水域監(jiān)測(cè)點(diǎn)上的高值區(qū),Chla濃度均在 0.02mg/L以上.水陽(yáng)江、運(yùn)糧河、官溪河、胥河沿線航道中Chla濃度相差不大,其中枯水期水質(zhì)劣于豐水期.2009年4月蕪申線航道沿線水體懸移質(zhì)濃度波動(dòng)在6～48mg/L之間,數(shù)值不高,水體相對(duì)清澈.其中以運(yùn)糧河、官溪河與小湖區(qū)SS濃度相對(duì)較大,均在37mg/L左右,而大湖區(qū)水體中的SS濃度相對(duì)較小,平均為21mg/L.

目前,高淳段沿線航道水體中細(xì)菌總數(shù)在豐水期遠(yuǎn)大于枯水期.枯水期,水陽(yáng)江、運(yùn)糧河、官溪河及固城湖細(xì)菌總數(shù)差異不大,平均為3.3×104個(gè)/L,下游胥河平均為2.6×105個(gè)/L,并隨水流方向逐漸增加.而在豐水期,除了官溪河污水處理廠排水口附近為2.3×108個(gè)/L,其他水域差異不大,平均為3.3×107個(gè)/L,略有超標(biāo).糞大腸桿菌群遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),豐水期平均為386個(gè)/L,略高于枯水期的307個(gè)/L,其中固城湖區(qū)較低.在枯水期表現(xiàn)為由上游到下游逐漸增多的趨勢(shì);而在豐水期,上下游間差異不顯著,官溪河附近由于污水排水口的影響,數(shù)值偏高.

圖2 各采樣點(diǎn)水質(zhì)主要化學(xué)指標(biāo)枯水期和豐水期變化Fig.2 Water quality indexes from every sampling site during high-water and withered-water period, respectively

3.2 水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)

固城湖及其過(guò)水航道總體上呈現(xiàn)輕度富營(yíng)養(yǎng)-中度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài),豐水期略好于枯水期,但差異不明顯(表2).4月份枯水期沿程各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變化規(guī)律比較明顯,水陽(yáng)江和固城湖湖區(qū)水質(zhì)較好,處于輕度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài),官溪河污水處理廠排污口附近和胥河處于中度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài),并且綜合富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)在下游隨水流方向逐漸增高;而 7月份豐水期各監(jiān)測(cè)點(diǎn)波動(dòng)較大,入湖河口處綜合富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)較高.在5個(gè)評(píng)價(jià)因子中,TP、TN、Chla的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)相對(duì)較高,說(shuō)明固城湖及其航道沿線營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)是氮磷控制.

3.3 浮游植物種類、數(shù)量及其分布

固城湖及其上、下游河道水體中共發(fā)現(xiàn)浮游植物9門22科36屬74種.其中綠藻門種類數(shù)最多,有 36種,占總種數(shù)的 48.6%;硅藻門次之,有19種,占 25.7%;藍(lán)藻門種類數(shù)為6種,占8.1%;另外,金藻門種類數(shù)為4種,裸藻門3種,隱藻門2種,甲藻門2種,黃藻門1種以及定鞭藻門1種.

表2 2009年固城湖及上下游河道各采樣點(diǎn)富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)Table2 Trophic level index of sampling sites in Guchenghu Lake and canal route during 2009

表3 2009年固城湖及上下游河道浮游植物數(shù)量Table 3 Phytoplankton abundance in Guchenghu Lake and canal route during 2009

湖區(qū)浮游植物優(yōu)勢(shì)和常見(jiàn)種群:藍(lán)藻門有微囊藻、魚(yú)腥藻和束絲藻,綠藻門有球衣藻、小球藻和纖維藻,隱藻門有隱藻和藍(lán)隱藻,硅藻門有小環(huán)藻,金藻門有色球藻等.

河道浮游植物優(yōu)勢(shì)和常見(jiàn)種群:藍(lán)藻門有微囊藻、魚(yú)腥藻、束絲藻、平裂藻和顫藻,綠藻門有衣藻、小球藻、蹄形藻、盤星藻、柵藻和十字藻,隱藻門有隱藻,硅藻門有小環(huán)藻和直鏈藻.

固城湖及其上下游河道浮游植物不同門數(shù)量分布差異較大(表3).4月份固城湖湖區(qū)藍(lán)藻數(shù)量占優(yōu)勢(shì),達(dá)56%,其次是綠藻;湖區(qū)航道綠藻數(shù)量稍占優(yōu)勢(shì),比例達(dá)38%,其次是隱藻和藍(lán)藻;而上下游河道數(shù)量占優(yōu)勢(shì)的是綠藻和隱藻,比例在30%左右.7月份所有采樣點(diǎn)藍(lán)藻數(shù)量占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),均在80%以上,除了綠藻數(shù)量比例有10%左右,其他藻門類數(shù)量均較少.

表4 2009年固城湖及上下游河道浮游植物多樣性指數(shù)Table 4 Shannon-Wiener index of Phytoplankton in Guchenghu Lake and canal route during 2009

Wilhm 等[13]認(rèn)為,Shannon-Wiener指數(shù)在0～0.93為富營(yíng)養(yǎng)化,0.93～3.30為中營(yíng)養(yǎng)化,大于3.30為貧營(yíng)養(yǎng)化.兩次調(diào)查結(jié)果表明,只有在4月份東岸湖濱帶和7月份的南部湖區(qū)水體中浮游植物多樣性指數(shù)H值大于0.93,屬于中富營(yíng)養(yǎng)化,其他在湖區(qū)、小湖區(qū)、湖區(qū)航道沿線、上下游河道水體中H值都屬于富營(yíng)養(yǎng)化范圍(表4).其中,在4月份湖區(qū)生物多樣性指數(shù)H值是其他區(qū)域H值的2倍以上,在7月份湖區(qū)H值也比其他區(qū)域高出16%～37%.

4 討論

固城湖及其過(guò)水航道水質(zhì)和藻類多樣性分析表明,固城湖水體整體較好,上下游河道污染較為嚴(yán)重,這同水流流向和河道沿岸的污染排放狀況有關(guān).所研究航線西起丹農(nóng)磚瓦廠(上游水陽(yáng)江),東至朱家橋(下游胥河),地勢(shì)總體上是東高西低,水流主要是由東向西流動(dòng).固城湖水位低時(shí)引水陽(yáng)江進(jìn)行補(bǔ)給,水位高時(shí)向外排水.由于下壩船閘和茅東節(jié)制閘的節(jié)制,胥河上、下游水體間基本沒(méi)有交換.胥河上游段河水向西流經(jīng)固城鎮(zhèn)后注入固城湖,胥河下游段河水則向東流入太湖.官溪河接納縣城污水處理廠尾水排放,有大量工業(yè)廢水、生活污水等注入,與固城湖小湖區(qū)直接相通,在船舶航行,風(fēng)力擾動(dòng)等外界因素作用下水體間存在著一定的交換,官溪河水對(duì)固城湖水質(zhì)的影響不容忽視.通過(guò)對(duì)高淳縣污染源及其排污口調(diào)查,全線水體現(xiàn)狀主要污染源由工業(yè)、生活、農(nóng)田、畜禽和水產(chǎn)養(yǎng)殖五部分組成,其主要污染物質(zhì)負(fù)荷匯總情況如表5所示.可以看出,全年共受納 TN3229t,TP379t,CODcr10058t.航道現(xiàn)狀屬等外級(jí),石油類與 NH4+-N污染排放量的影響較小,在此次統(tǒng)計(jì)中忽略.從各類污染源的貢獻(xiàn)份額看,TN負(fù)荷中生活污水污染源貢獻(xiàn)最大,占29%;其次是水產(chǎn)養(yǎng)殖污染源,占27%;農(nóng)田徑流與工業(yè)源各占21%.TP負(fù)荷中水產(chǎn)養(yǎng)殖污染是最大污染源,占30%,其次是農(nóng)田徑流污染和城鎮(zhèn)農(nóng)村生活污染,占 26%～29%,工業(yè)污染源的貢獻(xiàn)相對(duì)較小,僅占 9%.因此,為改善和保持控制蕪申線航道沿線水體,特別是固城湖水域的水質(zhì),必須對(duì)各類污染源加強(qiáng)綜合管理,對(duì)各類主要污染源制定嚴(yán)格的減排和限排措施.根據(jù)排污口設(shè)置和水流流向,固城湖受納的污染負(fù)荷所占比例最大:TN約為1301t,TP約為134t,CODCr為4442t,基本上達(dá)到全部航道水體所受納污染負(fù)荷的35%～44%.其次是胥河下游段,所占份額約19%～23%,主要對(duì)下游的南溪河流域產(chǎn)生影響(圖3).但固城湖是草型湖泊,水體自凈能力強(qiáng)[5-7],庫(kù)容較大,因此目前水體水質(zhì)整體較好.

表5 固城湖及上下游河道沿線水體受納的主要污染物質(zhì)負(fù)荷(t/a)Table 5 Main pollution loads in Guchenghu Lake and canal route (t/a)

對(duì)固城湖的富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)研究表明,近年來(lái)水體總體呈輕度富營(yíng)養(yǎng)水平,年度變化不大,枯水期水體的綜合富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)相對(duì)較低,一些年份為中營(yíng)養(yǎng)程度.2009年,TP和TN的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)明顯增加,說(shuō)明固城湖水體富營(yíng)養(yǎng)化過(guò)程加劇,雖然目前還處于輕度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài),但向中度富營(yíng)養(yǎng)化發(fā)展的趨勢(shì)明顯(表6).航道水體普遍為中度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài),枯水期水質(zhì)劣于豐水期.

圖3 固城湖及上下游河道水體受納的污染物質(zhì)百分比Fig.3 Percentage of the main pollution load in different parts of the Guchenghu Lake and canal route

表6 固城湖近年來(lái)富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)結(jié)果比較Table 6 Variation of trophic level in Guchenghu Lake

在環(huán)境監(jiān)測(cè)、水體污染及凈化能力的評(píng)價(jià)工作中,通常將藻類作為水域環(huán)境的一項(xiàng)重要生物學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)[3].近二、三十年來(lái),固城湖由于受人為影響及人工控制下的湖泊漁業(yè)的相互作用,浮游植物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化.從1981～1988年,浮游植物數(shù)量增幅為4.29倍,生物量增幅為5.60倍;從1988～1999年,浮游植物數(shù)量在此基礎(chǔ)上又增加 7.65倍,生物量增加 5.31倍;而從1999～2009年,浮游植物數(shù)量又從660.54萬(wàn)個(gè)細(xì)胞/L增加到1112萬(wàn)個(gè)細(xì)胞/L[6].浮游植物在其數(shù)量上快速增長(zhǎng),顯現(xiàn)出固城湖在人類活動(dòng)、外源污染輸入劇增影響下急速的富營(yíng)養(yǎng)化過(guò)程.

從二、三十年來(lái)其群落演變看,固城湖在20世紀(jì)80年代初期仍屬貧營(yíng)養(yǎng)湖泊,浮游植物中種類雖達(dá)130余種,但總量較低,湖泊的原初生產(chǎn)力較低.在20世紀(jì)80年代中后期,固城湖的浮游植物總數(shù)量達(dá)100萬(wàn)個(gè)細(xì)胞/L以上,浮游植物種類也達(dá)100余種.若以生物量百分比評(píng)價(jià),固城湖中浮游植物仍以硅藻、隱藻占優(yōu)勢(shì),達(dá)到75%左右,在其數(shù)量百分比中藍(lán)藻、綠藻分別只占29%和27%,而硅藻、隱藻仍占27%和15%,固城湖屬中-富營(yíng)養(yǎng)湖泊.在20世紀(jì)90年代末,固城湖浮游植物的可見(jiàn)屬種僅70余中,其群落組成藍(lán)藻、綠藻數(shù)量占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),在有的月份甚至可占95%以上.生物量百分比中藍(lán)藻、綠藻平均也占60%以上,有的月份甚至高到85%[6].發(fā)展到2009年,藍(lán)藻和綠藻數(shù)量再次增加,尤其是在7月份所占比重達(dá)95%以上.以浮游植物數(shù)量、生物量評(píng)價(jià),固城湖已屬于富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài).

5 結(jié)語(yǔ)

探討了蕪申線航道整治工程前固城湖及其過(guò)水航道的水質(zhì)現(xiàn)狀和主要污染源貢獻(xiàn),結(jié)果表明,航道沿線和固城湖目前主要為氮磷污染,污染源主要來(lái)自生活污水和水產(chǎn)養(yǎng)殖.上游水陽(yáng)江的污染負(fù)荷最小,其水質(zhì)處于輕度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài),其它航道水體為中度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài),枯水期水質(zhì)劣于豐水期;固城湖湖區(qū)受納的污染負(fù)荷占到全部航道水體的35%～44%,枯水期的水質(zhì)略好于豐水期,水質(zhì)整體屬于輕度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài),但近年來(lái)總氮和總磷的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)明顯增加,富營(yíng)養(yǎng)化過(guò)程加劇.調(diào)查期間共發(fā)現(xiàn)浮游植物9門22科36屬74種,湖區(qū)藻類生物多樣性指數(shù)明顯高于航道沿線.

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致謝：感謝高淳縣環(huán)境保護(hù)局提供的歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(文中涉及到的鉻法COD濃度,即CODCr,均來(lái)自高淳縣環(huán)保局存檔數(shù)據(jù)),感謝陳源高、楊龍?jiān)?009年調(diào)查期間資料采集和整理上所作的工作.