長江流域湖泊富營養化發展趨勢與展望

秦 伯 強,吳 海 斌

(1.中國科學院 南京地理與湖泊研究所,江蘇 南京 210008; 2.中國長江三峽集團有限公司,湖北 武漢 430014)

0 引 言

長江中下游是中國淡水湖泊最集中的區域,全國約60%的淡水湖泊位于這個區域,絕大部分是淺水湖泊[1]。自20世紀80年代以來,污染和富營養化普遍出現,導致藍藻水華頻發,湖泊生態服務功能下降。2007年無錫太湖藍藻水華污染水廠取水口造成飲用水危機事件[2],對社會民生和區域經濟造成了惡劣的影響。此后,全國范圍的水污染治理拉開了序幕,各級政府和行業部門都投入大量資源,施展從基礎研究到工程治理的多種“組合拳”。2008年和2017年先后對《中華人民共和國水污染防治法》進行了修訂;2013年和2015年分別發布了《城鎮排水與污水處理條例》和《水污染防治行動計劃》。對于這一系列法律法規的實施成效如何,管理部門及社會各界都十分關注。學術界針對近年來湖泊水質,特別是湖泊富營養化與藍藻水華是否有改善的問題,尚存在不同觀點[3-6]。

長江是中國第一大河,全長約6 300 km,流域面積約180萬km2,流域內人口和國內生產總值(GDP)分別占全國的33.0%和35.4%。中國面積大于1 km2的淡水湖泊約有60%位于長江中下游,而且這些湖泊以淺水湖泊為主(水庫除外),大多數已處于富營養化或者正在富營養化過程中,因此,國內大部分富營養化湖泊也位于長江中下游。本文以長江中下游河流及其湖泊為研究區域和主要對象,通過分析公開發布的全國河流水質和湖泊富營養化評價結果,結合長江中下游地區的湖泊水環境和水生態監測和調查成果,研究河流水質改善與湖泊水質改善的關系,并展望未來湖泊水質改善和富營養化治理的前景。

1 數據來源與研究方法

本文使用的數據包括以下3種來源:

(1) 全國河流、湖泊水質和營養狀態評價數據。由中國生態環境部和水利部分別對全國范圍內的水質進行監測和評價,并發布報告。水利部發布的《水資源公報》(2008～2018年)收集了全國主要河流2008年(15萬km河段)～2018年(26.2萬km河段)的相關數據,并進行水質評價。湖泊富營養化評價數量從2008年的44個增加到2018年的156個,其中只包括湖泊,未涉及水庫。另外,研究組還收集了水利部太湖流域管理局公布的補給太湖的河流水質評價報告。

(2) 觀測數據。收集了長江中下游11個代表性大型湖泊(見圖1、表1)月度監測數據。這些數據覆蓋了相關公開報告中涉及的2008～2018年研究時段。其中,鄱陽湖數據由中國科學院鄱陽湖生態系統研究站提供;洞庭湖數據由中國科學院洞庭湖濕地生態系統觀測研究站提供;滆湖的數據收集自文獻資料[8]。洪湖、梁子湖、龍感湖、南漪湖、淀山湖、陽澄湖的監測數據均來自國家環境監測總站。太湖的水質和底棲生物觀察數據來自中國科學院太湖湖泊生態系統研究站。在2008～2009年和2018年夏季(6～8月),研究組對長江中下游地區23個具有代表性的湖泊開展了水質調查。

表1 長江中下游典型湖泊的位置及其觀察數據來源

圖1 長江中下游典型湖泊的位置

(3) 文獻數據收集。長江干流2008～2019年水質數據來源于參考文獻[7]。其中,長江上游監測站點為寸灘、曬網壩、掛弓山、龍洞;中游監測站點為荊江口、城陵磯、湖口、九江姚港;下游監測站點為南通姚港、焦山尾、皖河口。

各種不同來源的水樣預處理方法存在差異。在分析氮磷等營養元素時,國家監測總站的方法是在檢測前先沉降30 min,然后通過63 μm篩網過濾。但其他機構可能不經過沉降和過濾程序直接進行檢測。因此,這些不同分析方法對于湖泊之間的水質比較有較大影響,但不影響用同一種方法獲得時間過程的趨勢變化。水樣的采樣和化學分析整體上遵循標準方法[8]。通過高錳酸鉀法來測量COD。TN和TP濃度則通過在堿性環境中用硫酸鉀消化后,通過分光光度法進行測定。葉綠素a濃度采用分光光度法測量。對于底棲動物,使用3個改良彼得森抓斗來采集樣本,之后使用250 μm孔徑的篩網進行現場篩分。篩中殘留的樣品被運送到實驗室,在白色托盤上進行分類,之后對這些標本進行種屬鑒定和計數。

湖泊營養狀態通過綜合營養指數(營養水平指數,TLI)進行評估,該指數包括水質指標的Chla、TN、TP、透明度和COD,并通過加權平均上述指標進行計算[10]。采用Shannon-Weaver生物多樣性指來評價底棲大型無脊椎動物的情況,表達湖泊的生態環境狀況,該指數通過使用R軟件包“vegan”來計算[11]。分析中使用時間序列數據建立了使用廣義加性模型(GAMs)的非線性擬合。趨勢顯著性通過R程序包“Kendall”中的Mann-Kendall測試(非參數)進行檢驗[12]。

2 結果與分析

2.1 2008年以來全國河流水質變化

根據水利部《水資源公報》公布的河流水質評估結果(以河流長度而不是以斷面作為評價對象),Ⅰ～Ⅲ類水的河流比例增加明顯,而劣Ⅴ類水的河流比例明顯下降(見圖2)。

2.2 2008年以來長江干流水質變化

與全國河流水質變化結果相類似,2008年以來,長江干流水質也有明顯改善(見圖3)。長江上游CODMn濃度從2008年的2.33 mg/L下降到2019年的1.61 mg/L,中游從2.33 mg/L下降到1.9 mg/L,下游從2.34 mg/L下降到1.89 mg/L。NH4濃度也出現了持續下降,上游從2011年的0.12 mg/L下降到2019年的0.07 mg/L,中游從0.21 mg/L下降到0.12 mg/L,下游從0.24 mg/L下降到0.12 mg/L。TP濃度呈現先上升隨后在2014年前后開始下降趨勢,與2014年相比,2019年上、中、下游總磷濃度分別下降了43.0%,39.6%,20.0%。

圖3 2008～2019年長江干流水質變化[7]

2.3 2008年以來全國湖泊營養水平變化

與河流水質發生明顯改善不同,湖泊水質,特別是富營養化問題改善不明顯。根據水利部發布的對2008年(44個湖泊)至2018年(121個湖泊)水質情況評價發現:貧營養湖泊消失;中營養湖泊有所減少;盡管2016年后富營養湖泊略有減少,仍然明顯高于2014年前水平(見圖4)。

圖4 全國主要典型湖泊營養狀態處于不同營養狀態的百分比變化

2.4 長江流域典型湖泊水質變化

進一步分析長江流域具有較長觀察資料的11個典型湖泊(見表2)CODMn、TN、TP和Chla等4項水質指標的長期變化趨勢發現:本研究涉及的11個湖泊中,6個湖泊的CODMn顯著增加;7個湖泊TN顯著增加;9個湖泊TP顯著增加。對于Chla,10個湖泊中(洞庭湖的觀察數據缺失)有8個湖泊顯著增加。這些數據表明,湖泊富營養化與藍藻水華問題并沒有隨著河流水質的改善而改善。

表2 2007～2018年長江中下游地區11個典型湖泊的COD、TN、TP和Chla濃度變化趨勢

對比長江中下游兩次湖泊調查結果可以發現:與典型湖泊長期監測結果類似(見圖5),24個調查湖泊中,有16個湖泊總磷濃度出現上升趨勢,占比66.7%,僅有8個湖泊總磷濃度出現下降趨勢。總氮濃度上升或者下降的湖泊數量各占50%。有超過95%的湖泊葉綠素濃度在增加,僅大通湖葉綠素濃度出現下降趨勢。

圖5 兩次長江中下游湖泊調查水質結果比較

2.5 太湖流域水質變化

太湖流域水質變化情況與長江流域類似。根據水利部太湖流域管理局發布的《太湖健康報告》,補給太湖的約27～33條河流水質評價結果表明:2008～2020年,Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類水質的河流顯著增加,而Ⅴ類或者劣Ⅴ類水質的河流顯著減少(見圖6)。中國科學院太湖湖泊生態系統研究站對湖區的水質監測數據(覆蓋全湖的32個點位平均)表明:太湖湖區的總氮濃度呈現下降趨勢;總磷濃度較平穩,既沒有顯著的下降,也沒有明顯的升高;但葉綠素濃度卻增加明顯(見圖7)。仔細對比湖體的總氮、總磷濃度與入湖河流的氮磷年負荷量發現:湖體的氮磷濃度并沒有完全對應外源輸入的負荷量,這說明太湖湖體的氮磷濃度除了受外源輸入的氮磷負荷影響,還受到其他因素的影響,如來自沉積物中的內源污染釋放的影響等。與此相對應,太湖全湖的底棲生物(Shannon-Weaver指數)多樣性出現了早期略微上升,后期略微下降的變化趨勢,這說明湖泊生態系統也沒有顯著的改善(見圖8)。

圖6 2008～2020年環太湖河流水質分類百分比的變化

圖7 2007～2020年太湖總氮、總磷和葉綠素年變化

注:繪圖框的范圍為1個四分位數到3個四分位數之間,中間值由框內的1個條表示。平均值和標準偏差分別用紅線和黑線表示。

3 討 論

上述分析和對比結果都表明,全國范圍的河流水質改善非常顯著,即使經濟發展快、城市化程度高、環境壓力大的太湖流域河流水質也在好轉。但是,湖泊富營養化程度并沒有顯著改善,特別是有些湖泊葉綠素濃度和藍藻水華還有所反彈。此外,由于富營養化和藻類水華導致的湖泊生態系統多樣性下降尚未出現好轉,說明河流水質響應流域控源截污措施速度較快,河流污染治理較湖泊治理更容易見效[13]。因此,河流的污染物濃度下降,并不等于湖泊生態系統多樣性增加或者生態系統就能恢復。湖泊與河流對于流域控源截污措施的響應關系不一致,源自河流與湖泊不同的水流交換速度和營養鹽滯留能力。在河湖連通的背景下,河流攜帶污染物至湖泊,水流變緩,許多污染物都會在湖泊中沉淀。這些沉積在湖底的污染物在適當的條件下,如風浪攪動導致底泥懸浮,就會釋放出來進入上覆水[14],尤其是磷的沉積型循環特征,意味著更多的磷將會被儲藏在沉積物中,因此兩次長江中下游湖泊調查中總磷濃度增加較總氮更為嚴重。此外,在全球氣候變化的背景下,極端天氣、溫度、風速、降雨均在發生明顯變化,促進沉積物內源磷釋放。這種復合的影響效果,導致湖泊水質的改善明顯較河流水質的改善緩慢。因此,湖泊的污染治理不僅需要控制當前流域的污染物排放,還需要處理歷史時期排放的、滯留在湖里的污染物。

此外,湖泊生態系統的響應機制,即藻類生長與水華暴發,更加復雜。藻類生長與水華暴發不僅受到湖體氮磷等營養鹽濃度的影響,還受水下光照(透明度)、溫度、流速等因素的影響[15-16]。氣候變化已經導致全球范圍內的許多湖泊藻類水華均出現反彈[17-20]。2017年太湖出現了歷史最為嚴重的藻類水華,就是氣候變化導致的結果[21]。氣候變暖導致藍藻水華暴發時間提前、暴發頻率增加、暴發強度加大[22],這些現象都預示了長江中下游地區湖泊的富營養化和藍藻水華治理工作將會是長期而艱巨的。

4 結論與建議

在未來全球氣候變暖和營養鹽排放負荷不變的雙重脅迫下,湖泊富營養化和藻類水華程度將持續加劇[22]。因此,要控制本地區湖泊的富營養化和藻類水華的發生和發展,實現長江大保護目標,需要從流域到湖體統籌管理,推行一系列富營養化治理措施。在流域尺度上建議:

(1) 實施“控磷為主,協同控氮”的流域“減排”策略。重要抓手是提高污水處理廠的污水截留率及提標改造,強化一級保護區內農村面源治理及入湖河道支浜的淤積污染治理。

(2) 加強流域生態修復,增強流域自凈能力。密集的河網湖蕩濕地在調蓄水量、保護生物多樣性、污染物的攔截方面具有不可替代的作用。合理利用入湖河網湖蕩濕地群的自凈能力,提升城鎮污水廠尾水和農田徑流入河水質。

對于富營養化湖泊治理,可推行以下措施:

(1) 加強內源污染控制,加強生態清淤,有效去除水體總磷負荷和控制底泥總磷釋放。

(2) 加強藍藻水華打撈,關注極端天氣對藍藻水華的影響;深入揭示藍藻水華及湖泛的形成機制,完善藍藻水華及湖泛監測預警系統,強化多源遙感(高空間、高時間和高光譜遙感數據)和高頻在線監測數據對藍藻水華及湖泛的協同監測。

(3) 根據湖泊歷史水生植被分布區以及水生植物生長所需要的光照、營養鹽等條件,合理確定湖內水生植被恢復區,自然與人工干預相結合促進水生植被恢復,改善和優化草型生境。

致 謝

中國科學院太湖湖泊生態系統研究站、中國科學院洞庭湖濕地生態系統研究站、中國科學院鄱陽湖生態系統研究站和國家生態環境監測總站提供了部分湖泊的逐月監測數據。彭凱、姚亦舟、吳挺峰協助收集資料,鄧建明、彭凱、丁侃幫助畫圖,在此一并致以誠摯的感謝。