松雅湖濕地公園水環境特征及富營養化評價

李巧云，廖菊陽，胥 雯，劉 艷，廖 鵬，吳林世，宋 胤，王 玲，張 娟，黃雅奇，譚知虎

（1湖南省植物園，長沙410116；2湖南長株潭城市群森林生態系統定位觀測研究站，長沙410116）

0 引言

濕地是介于陸地和水體間的過渡生態系統，是人類重要的生存環境之一，具有獨特的水文、植被、土壤和生物特征[1]。濕地公園在保護濕地生物多樣性和生態環境，在休閑、科學教育、文化服務價值方面扮演著重要的角色[2]。中國的水資源短缺形式十分嚴峻，其中400多個城市常年供水不足，114個城市水資源嚴重匱乏[3]。而城市濕地因生態和社會服務功能，被認為是城市重要的生態基礎設施之一，更是城市可持續發展依賴的重要自然系統[4]。城市濕地水系自然要素密集，自然過程豐富，由于其在城市中的特殊性，所以與人類活動物質流、信息流、能量流等交換過程更加復雜[5]。城市濕地水體由于流動性較差、水源來源復雜及水體的自凈能力弱，水體中磷、氮等營養物質的富集[6]。城市濕地公園的建設是開展城市濕地生態保護的有效途徑，同時也是衡量國家或地區生態保護發展水平和生態文明建設的重要指標之一[7]。人類活動高度依賴區域水系，但又對區域水系產生顯著影響[8]。人類活動影響下的水體富營養化、有機污染等是湖泊污染的主要來源，其受污染程度與人類的生產生活強度密切相關[9]。水體富營養化指的是隨著水體氮、磷等生物要素的富集，浮游植物繁殖異常并伴隨著生態系統的完整性和服務功能下降的現象[10]。水體富營養化會導致水體老化速率增加、造成水體缺氧、改變水體顏色等[11]。城市濕地水系受到人們越來越多的關注，成為國內外學者研究的熱點問題[12-13]。

松雅湖國家濕地公園位于湖南省長沙市北部長沙縣，是湖南省目前最大的城市湖泊，具有特殊的功能特征。該濕地公園不僅與長沙的水環境密切相關，還可對湘江水系的水生系統產生較大影響[14]。松雅湖濕地公園具有湖泊、草本與沼澤、人工島嶼以及湖岸生態帶等復合生態景觀，是退田還湖恢復重建生態濕地工程的典型代表。本研究以松雅湖濕地公園2018年6月—2019年5月5個樣點水質的月監測數據為基礎，分析松雅湖濕地水質時空分布特征，并應用修正的卡爾森營養狀態指數法(TSI)對該區域開展水質富營養化評價，以期為湖湘水域富營養化治理和水環境保護提供理論和數據支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

研究區域位于松雅湖國家濕地公園(113°5′5′′—113°6′55′′E、28°15′38′′—28°17′17′′N)，園內總用地面積約489.62 hm2，其中濕地面積274.4 hm2[15]。屬中亞熱帶向北亞熱帶過渡的大陸性季風濕潤氣候，年均溫度17.3℃，年均降水量為1472.9 mm，平均相對濕度81%[16-17]。松雅湖國家濕地公園共分為濕地保育區、恢復重建區、宣教展示區、休閑體驗區和管理服務區5個區，其中濕地保育區是公園的主體水域，總面積為236.5 hm2。園內水體主要補給來源為自然降水補給與人工補給2種。自然降雨是濕地公園水體主要補給來源，能夠有效保證水質的穩定性。人工補給是適當引入撈刀河水源，因撈刀河上游是企業集中的區域，直接引灌撈刀河的水質存在一定的污染風險，通常是對撈刀河水質檢測發現無污染后再適量引入作為枯水季節的水源補充。

1.2 樣品采集與處理

2018年6月—2019年5月每月月底，以每月1次的監測頻率對松雅湖國家濕地公園進行水質監測。按照松雅湖國家濕地公園水域現狀及水質監測需求本次監測共設5個樣點（圖1）。1#樣點位于A區人工濕地系統出水口，2#樣點位于B區水治理，3#樣點位于C區水治理，4#樣點位于大湖禮樂廣場，5#樣點位于湖區中央香島。

圖1 松雅湖國家濕地公園水質監測樣點平面圖

采用便攜式多參數水質檢測儀（美國YSI EXO2）現場測定pH、溶解氧(DO)等水質因子，重復3次，取平均值。現場采集各斷面水下0.5 m處500 mL水樣（當斷面水深≥0.5 m，采樣點深度位于0.5 m處，當斷面水深＜0.5 m，采樣點位于水面與水底中間層即可）于塑料瓶中，迅速帶回實驗室置于4℃冰箱保存，所有水質指標檢測均在48 h內完成。葉綠素a(Chla)含量將水樣經孔徑為0.45 μm的醋酸纖維濾膜過濾，用丙酮萃取后使用熒光計(Turner-Design 10)測定，氨氮(NH3-N)、總氮(TN)和總磷(TP)的濃度按照《水與廢水監測分析方法（第四版）》（國家環境保護總局，2006）中的方法分析測定。

1.3 水質富營養化綜合評價

富營養化評價方法多樣，主要有營養狀態指數法、修正的營養狀態指數、綜合營養狀態指數(TLI)、營養度指數法和評分法[18-19]。本研究采用修正的卡爾森營養狀態指數法(trophic state index，TSI)對松雅湖國家濕地公園5個樣點水質的營養狀態進行綜合評價[20]。采用0～100的一系列數字對湖泊營養狀態進行分級，當0＜綜合TSI≤37時，定義為貧營養；當37＜綜合TSI≤53時，定義為中營養；當綜合TSI＞53時，定義為富營養[21]。

具體的計算如式(1)～(4)所示。

式中 ，TSIM(Chla)、TSIM(TN)、TSIM(TP)分別是以Chla、TN、TP為基準的營養狀態指數。

1.4 數據分析統計

數據分析使用SPSS 26.0統計軟件和Excel軟件進行。

2 結果與分析

2.1 松雅湖國家濕地公園濕地水質特征分析

表1為松雅湖國家濕地公園5個樣點水質情況，5個樣點的DO濃度含量均較高，整體處于富氧狀態，最低值出現在5#湖區中央香島，其DO含量為8.17 mg/L。松雅湖濕地水平均pH 8.2，整體偏弱堿性，pH由大到小排序為2#水治理B區＞3#水治理C區＞4#禮樂廣場＞5#湖區中央香島＞1#濕地出水口。水體中TN的含量是評價江河湖泊水體富營養化程度的重要指標，表示水體受營養物質污染的程度[22]。松雅湖濕地水TN含量偏高，平均值最低的2#樣點只符合國家地表水Ⅲ類標準。TP是藻類生長和繁殖的限制性因子，當水體中的TP濃度超過0.02 mg/L時，就有可能導致水體富營養化[23]。松雅湖濕地水TP年平均含量較高，為國家地表水水質標準（湖、庫）Ⅳ類標準，監測單次最大值(0.28 mg/L)與最小值(0.01 mg/L)相差28倍，變化幅度較大。NH3-N是水體中含氮有機物在有氧條件下經微生物分解后的產物，其含量變化可以判斷出水體受有機物污染的程度[24]，NH3-N平均含量最高的是3#樣點，說明3#樣點受有機物污染的程度最高。水體中Chla的含量是反映水體浮游植物生物量的一個重要指標[25]，松雅湖濕地水Chla平均含量最高為4#樣點，最低為2#樣點，說明松雅湖濕地公園在2#樣點的水質治理取得了一定成效。

表1 不同采樣點濕地水質指標平均值及變化范圍（最大值和最小值）

2.2 松雅湖濕地水時間變化特征

松雅湖國家濕地公園5個樣點的水質指標的年內變化情況見圖2。由圖2a可以看出，松雅湖濕地水DO月平均含量在2018年6—9月先減少后增加，在2018年12月—2019年5月呈下降趨勢。圖2b為松雅湖水質pH情況，在監測期內其變化范圍在pH 7.21～9.48之間，其中2018年6月平均pH最高，可能由于長沙地區夏季高溫高濕導致水生植物大量繁殖，水生植物利用水中二氧化碳進行光合作用，水中氫氧根離子含量增加，打破碳酸氫根的電離平衡，水體中碳酸根離子濃度增加，pH較高[26]。由圖2c知，松雅湖濕地水TN濃度最高值出現在2018年6月，TN呈現明顯的下降趨勢，說明松雅湖國家濕地公園在治理水質方面的取得了一定成果。圖2d為松雅湖濕地水TP濃度情況，其中2018年6月TP月平均含量最高為0.65 mg/L，遠遠超出了國家地表水（湖、庫）Ⅴ類標準(≤0.20 mg/L)；且監測期內TP月平均含量均較高，呈現出夏季濃度高于冬季，該結果與陳潔等[27]研究一致，因為夏季高溫會影響微生物活性和藻類的降解，進而影響磷的釋放，通常高溫情況下沉積物的磷釋放量比低溫時高。NH3-N是判斷水體受有機物污染程度的重要指標[28]，由圖2e可以看出松雅湖濕地水在2018年6月NH3-N月平均含量最高，達到0.65 mg/L，說明水體受有機物污染比較嚴重，且NH3-N月平均含量在2018年6顯著高于其他月份(P＜0.05)。由圖2f知，松雅湖濕地水Chla月平均濃度在2018年6—11月變幅不大，但2018年12月出現大幅增加，說明該時間段內水體浮游植物生物數量增加；Chla的標準偏差較大，說明各采樣點間濃度變化兩級分化現象嚴重。

圖2 松雅湖濕地水質指標月變化情況

2.3 松雅湖濕地水富營養化狀況及月變化情況

按照中國環境監測總站對湖泊、水庫富營養化評價方法及分級技術方法，以式(4)計算松雅湖國家濕地公園5個樣點的在不同月份的富營養化狀況，綜合2018年6月—2019年5月各采樣點具體情況，松雅湖濕地水5個樣點的水質富營養化狀態各有差異，富營養化程度由輕到重分別是2#水治理B區＜3#水治理C區＜1#濕地出水口＜4#禮樂廣場＜5#湖區中央香島，其中除2#樣點為中營養，其余樣點均為富營養。松雅湖濕地水5個樣點監測期內水質富營養化程度如圖3所示，1#樣點除2019年2月處于中營養狀態外，在監測期內均處于不同程度的富營養化狀態；2#樣點水質富營養化狀態表現出明顯的季節變化特征，夏季＞秋季＞春季＞冬季，夏季綜合營養狀態指數明顯高于其他季節(P＜0.05)，春、秋、冬季綜合營養狀態指數差異不明顯(P＜0.05)；3#樣點水質富營養化狀況從2018年6—9月呈不斷減輕趨勢，由富營養化降為中營養化，2018年10月—2019年1月表現為富營養化狀態，在2019年2—5月又降為中營養化狀態；4#樣點在監測期內始終處于富營養化狀態，在2019年4月富營養化程度相對較低；5#樣點與4#樣點在監測期內一直處于富營養化狀態，在2019年5月富營養化程度相對較低。

圖3 松雅湖濕地水體富營養化變化情況

2.4 松雅湖濕地水富營養狀態月變化趨勢

松雅湖濕地水總體富營養化程度如圖4。由圖4知，松雅湖濕地水在監測期內每月都處于富營養化狀態，在2018年6—8月和2019年1—2月2個時間段內，水體的富營養化程度呈顯著下降趨勢，在2018年8月—2019年1月期間松雅湖濕地水體綜合營養狀態指數相對平緩。在監測期內，水質富營養化狀態的季節變化特征為夏季＞秋季＞冬季＞春季，四季綜合富營養狀態指數差異不明顯(P＜0.05)。夏季的降雨在帶入大量營養鹽的同時，還會沖刷濕地表面產生地表徑流，導致其中含有的大量營養物質流入湖中，營養狀態水平最高[29]。

圖4 松雅湖濕地水體富營養化月變化情況

2.5 松雅湖濕地水富營養狀態與水質因子的關系

水體富營養化是指由于水體TN、TP等污染物濃度滿足藻類生長條件，從而引起藻類數量、密度呈幾何增長以及Chla濃度顯著上升的現象，同時藻類的代謝也會引起水體DO、pH等指標的動態變化[30]。松雅湖濕地水監測期內富營養狀態與水質因子的相關關系見表2。由表2可以看出，TSIM與DO、pH、TN在0.01水平下呈顯著正相關(P＜0.01)，相關系數為0.914、0.894、0.882；與Chla在0.05水平下呈顯著負相關(P＜0.05)，相關系數為-0.681；與TP、NH3-N的相關性不顯著。松雅湖濕地水TSIM與水質因子的相關分析表明，TN是影響松雅湖浮游植物生物量的重要營養鹽因素，松雅湖濕地水質富營養化越嚴重，DO、pH和TN的值就越大，Chla的值反而越小。Chla與TN在0.01水平下呈顯著負相關(P＜0.01)，相關系數為-0.818；與pH、TP在0.05水平下呈顯著負相關(P＜0.05)，相關系數為-0.590、-0.621；與DO、NH3-N的相關性不顯著；該研究結果與已有研究結論基本一致[31-32]。Chla與水質因子的相關分析表明，當Chla濃度顯著上升時，藻類的季節性生長繁殖會引起水體中TN、TP濃度的顯著降低。

表2 松雅湖濕地水富營養狀態與水質因子的相關系數

3 結論與討論

（1）在監測期內松雅湖濕地水平均pH 8.2，其中2018年6月pH月平均值最高為pH 8.8，夏季高溫少雨的情況下水體表面的物理蒸發和生物蒸騰作用增加，松雅湖濕地水水體容量急劇減少，導致總堿度發生變化。松雅湖濕地水TN平均濃度為0.98 mg/L，TP平均濃度為0.062 mg/L，都超過國際公認的營養化閾值(TN=0.20 mg/L，TP=0.02 mg/L)。

（2）松雅湖國家濕地公園5個樣點NH3-N的平均含量為0.30 mg/L，TN的的平均含量為0.98 mg/L，TN的變化趨勢與NH3-N基本一致，呈現出夏季高、冬季低的趨勢。研究結果與王書航等[33]一致，由于夏季高溫會導致水體沉積物中的氮礦化速率加快，在風浪擾動下水體中TN濃度升高，而冬季水溫較低，水體中懸浮顆粒物溶解度下降更利于其沉積，進而導致水體中TN濃度降低。松雅湖國家濕地公園水質有持續改善的趨勢，NH3-N和TN濃度呈現下降趨勢。

（3）松雅湖國家濕地公園5個樣點富營養化程度最低的為2#水治理B區，最高的為5#湖區中央香島，說明松雅湖國家濕地公園在水質治理上取得了一定成效。在不同月份間松雅湖濕地水質差別較大，夏季水體富營養化程度要高于春、秋、冬季，在監測期內2018年6月綜合營養狀態指數最高，達到富營養狀態，2019年2月綜合營養狀態指數最低，為中營養狀態。

（4）松雅湖國家濕地公園TSIM與DO、pH、TN均有極顯著正相關(P＜0.01)，與Chla呈顯著負相關(P＜0.05)，與TP、NH3-N的相關性不顯著。

（5）城市濕地公園藻類集體爆發和死亡引起的水體污染依舊是一個重大的現實和科研問題，后期可以研究通過生物治理抑制藻類爆發，以凈化水質、提高城市水體質量。