南四湖水質(zhì)空間分布特征研究

南四湖位于山東省西南部。它是由沒有明顯邊界的湖泊組成的，如南陽湖、獨山湖、昭陽湖和微山湖。南北長約25公里，東西寬5.25公里，面積1666公里。2號公路。南四湖具有供水、防洪、排澇、灌溉、養(yǎng)殖及通航等多種功能,是我國華北最大的淡水湖,是山東省最重要的水源地和生物多樣性保護區(qū),也是南水北調(diào)東線工程重要的水源調(diào)蓄地。多年來,南四湖水體水質(zhì)呈逐年惡化的趨勢。20世紀60年代,水質(zhì)以Ⅰ類為主;20世紀70年代,豐水期水質(zhì)為Ⅱ類、枯水期局部為Ⅲ類;20世紀80年代,水質(zhì)發(fā)展為Ⅲ—Ⅳ類;20世紀90年代,湖區(qū)大部分水體處于Ⅳ類水和富營養(yǎng)化狀態(tài);21世紀初期,水質(zhì)以Ⅴ類為主,部分區(qū)域已演變成劣Ⅴ類。南四湖水質(zhì)平均每10年下降一個等級,尤其是近年來,隨著流域內(nèi)工農(nóng)業(yè)、社會經(jīng)濟的快速發(fā)展以及人民生活水平的不斷提高,工業(yè)廢水、生活污水和農(nóng)田灌溉回流水使湖區(qū)中的有毒、有害物質(zhì)大量積累,水質(zhì)污染嚴重,湖泊富營養(yǎng)化有加重趨勢。針對這些水環(huán)境問題,安文超等研究了南四湖及主要入湖河流表層沉積物對磷酸鹽的吸附特征,發(fā)現(xiàn)沉積物具有向水體釋放磷的污染風險。劉恩峰等研究了南四湖流域表層沉積物重金屬形態(tài)組成及污染,發(fā)現(xiàn)中Cu、Cr、Pb、Zn、Mn、Ni等重金屬元素含量較高,當沉積物環(huán)境條件發(fā)生改變時,結(jié)合態(tài)重金屬活化具有較大的污染風險。史可江等監(jiān)測南四湖水產(chǎn)品中鉛、鎘、砷、汞污染狀況,結(jié)果表明,水產(chǎn)品中4種重金屬元素含量均超出國家標準10倍以上。此外,還開展了南四湖魚類物種多樣性研究。但對南四湖水體水氮、磷及葉綠素等的空間分布鮮有報道。1總氮、總磷及地區(qū)葉綠素的測定基于出入湖河流及污染物來源,結(jié)合湖泊形狀,將南湖劃分為4個湖區(qū)。2008年4月,采集南四湖各湖區(qū)水面下10、30和50cm處的混合水樣,取2.5L,置于低溫下避光保存。用部分原水樣測定總氮、總磷等;經(jīng)WhatmanGF/C膜過濾的水樣供溶解性氮、磷及銨態(tài)氮、生物可利用磷的分析,濾膜殘留物供葉綠素的測定。分析項目包括總氮(TN)、可溶性氮(DTN)、銨態(tài)氮(NH+4-N)、總磷(TP)、可溶性磷(DTP)、生物可利用磷(PO3-43?4-P)、pH、化學需氧量(CODMn)和葉綠素a(Chla)等,測定方法按湖富營養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范進行,每個分析項目設置3個重復。2結(jié)果與討論2.1水體富營養(yǎng)化的特征南四湖水體中TN濃度在各湖區(qū)的分布存在明顯的非均一性(表1)。從表1中可看出,南陽湖水體TN平均濃度為6.94mg/L,顯著高于獨山湖(p=0.016)、昭陽湖(p=0.011)和微山湖(p=0.012);其他3湖區(qū)水體TN平均濃度間無顯著差異(p>0.05)。南四湖水體TN濃度的非均質(zhì)分布與其周圍河流數(shù)量、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動及居民生活污水排放等因素有關。據(jù)張祖陸等初步估算僅濟寧市城區(qū)及其所轄的10個縣級城市的造紙、食品、化工以及醫(yī)藥等企業(yè)排放的廢水及生活污水入湖量達到7357.31萬m3、每年因土地和農(nóng)田等農(nóng)業(yè)面源污染輸入進入南陽湖的TN量約為1.12萬t。獨山湖處在鄒城市和魚臺縣之間,且有白馬河、界河及東魚河等入湖河流,湖內(nèi)70%以上TN污染物是通過河道進入的,水體中TN平均濃度為3.02mg/L,處于較高的污染水平。與南陽湖、獨山湖相比,昭陽湖與微山湖水體TN平均濃度相對較低,分別為1.22mg/L和1.29mg/L,可能與昭陽湖與微山湖部分水域仍有大面積沉水植物(馬來眼子菜、苦草、輪葉黑藻等)、浮葉植物(荇菜、芡和菱等)及挺水植物(蓮、蘆葦和菰等)有關,這些水生植物在生長過程中,從環(huán)境介質(zhì)中吸收營養(yǎng)鹽合成自身物質(zhì),顯著降低水體的TN濃度;此外,人類活動對南四湖的影響日益加劇,尤其是1960年修建完成的二級壩,使南四湖實際成為上、下級人工湖,湖水流速緩慢、貯留時間增加,不利于湖內(nèi)污染物的擴散,這些導致南陽湖水體TN平均濃度顯著高于其他湖區(qū)的。水體中DTN和NH+4-N在各湖區(qū)的分布趨勢與TN的相似,即南陽湖DTN平均濃度顯著高于獨山湖(p=0.014)、昭陽湖(p=0.01)和微山湖(p=0.012),且其他3湖水體DTN平均濃度間無顯著差異(p>0.05)。南陽湖水體NH+4-N平均濃度顯著高于昭陽湖(p=0.025)和微山湖(p=0.03),但與獨山湖水體NH+4-N平均濃度間無顯著差異(p=0.098);獨山湖水體NH+4-N平均濃度與昭陽湖、微山湖間無顯著差異(p>0.05);昭陽湖水體NH+4-N平均濃度顯著低于微山湖水體的(p=0.034)。南四湖各湖區(qū)水體中TN、DTN和NH+4-N平均濃度皆超出水體富營養(yǎng)化總氮臨界濃度值(0.2mg/L),表明南四湖水體水質(zhì)已處于富營養(yǎng)化狀態(tài)。對南四湖采樣點水體TN與DTN和NH+4-N濃度之間進行相關分析,結(jié)果表明,水體TN與DTN和NH+4-N濃度之間均存在顯著的線性正相關,方程DTN=0.9303TN-0.0739(r2=0.9968***,n=13)和NH+4-N=0.3188TN-0.1167(r2=0.8559***,n=13)能分別擬合水體DTN和NH+4-N濃度隨TN的變化趨勢。2.2湖水體tp分布與TN的分布規(guī)律相似,南陽湖水體TP平均濃度為0.57mg/L,顯著高于獨山湖(p=0.018)、昭陽湖(p=0.001)和微山湖水體(p=0.002);獨山湖水體TP平均濃度為0.16mg/L,顯著高于昭陽湖(p=0.014),但與微山湖水體的無顯著差異(p=0.135);昭陽湖和微山湖水體TP平均濃度分別為0.04mg/L和0.05mg/L,二者間無顯著差異(p>0.05)。南四湖各采樣點水體中TP濃度是湖泊水體富營養(yǎng)化總磷臨界濃度值(0.02mg/L)的1.5～31倍,各湖區(qū)水體TP平均濃度分布差異與河流、土地利用類型、污染物排放及人類生產(chǎn)活動等因素有關。據(jù)估算每年因工業(yè)廢水、生活污的水排放和農(nóng)業(yè)面源污染輸入進入南陽湖的TP量約為516.7t。另外,南四湖流域湖區(qū)居民利用南陽湖、獨山湖等大水面發(fā)展網(wǎng)箱養(yǎng)殖業(yè),餌料、魚類排泄物使得2湖區(qū)水體TP濃度升高。此外,湖泊水體中的沉水植物生長繁茂,采集利用量較低,大量自然死亡后沉積、腐爛,釋放磷鹽。由于有以上這些因素的綜合作用,導致了南陽湖水體TP濃度顯著高于其他湖區(qū)水體的。水體中DTP和PO3-43?4-P在各湖區(qū)的分布趨勢與TP的相似(表1)。南陽湖DTP平均濃度為0.42mg/L,顯著高于獨山湖(p=0.035)、昭陽湖(p=0.002)和微山湖(p=0.003),且其他3湖間水體DTP平均濃度無顯著差異(p>0.05)。南陽湖水體PO3-43?4-P平均濃度為0.29mg/L,顯著高于獨山湖(p=0.047)、昭陽湖(p=0.005)和微山湖(p=0.006),但其他3湖水體PO3-43?4-P平均濃度間無顯著差異(p>0.05)。對南四湖采樣點水體TP與DTP、PO3-43?4-P濃度之間進行相關分析,結(jié)果表明,水體TP與DTP、PO3--P濃度之間均存在顯著的線性正相關,方程DTP=0.7912TP-0.025(r2=0.8714***,n=13)和PO3-43?4-P=0.535TP-0.0243(r2=0.9685***,n=13)分別能較好擬合水體DTP、PO3-43?4-P濃度隨TP的變化趨勢,這與太湖的研究結(jié)果是一致的。2.3南四湖水質(zhì)特征參數(shù)分析南四湖各湖區(qū)水體中Chla平均濃度的分布呈現(xiàn)出較大的差異,南陽湖水體Chla平均濃度最高,為12.4μg/L;微山湖水體的最低,其平均濃度為2.1μg/L;其他2湖區(qū)的則介于南陽湖和獨山湖之間(表1)。水體葉綠素a濃度與藻種類、數(shù)量及生長狀況有關,與水環(huán)境質(zhì)量更是有著密切聯(lián)系。近年來,由于南四湖流域內(nèi)營養(yǎng)鹽的大量輸入,導致了藻類的大量繁殖。對南四湖各采樣點水體中不同形態(tài)的氮、磷與葉綠素a進行了相關分析,結(jié)果表明對數(shù)方程Chla=alogX+b能擬合葉綠素a濃度隨TN、DTN、NH+4-N、TP、DTP、PO3-4-P、COD濃度、pH及TN/TP比值的變化趨勢,其相關參數(shù)a、b及r2值見表2。從表2中可以看出,南四湖水體葉綠素a濃度隨TN/TP比值和pH值的增加呈顯著的對數(shù)負相關,與TN、DTN、NH+4-N、TP、DTP、PO3-4-P及COD濃度等水質(zhì)參數(shù)間呈顯著的對數(shù)正相關,這與高玉榮研究結(jié)果是一致的。COD值反映了水體有機氮和有機磷的污染,在氨化細菌和磷酸酶的作用下,這些有機污染物易氧化分解并釋放出含氮、磷營養(yǎng)鹽,以供水體藻類生長,從而導致藻類生物量及葉綠素a濃度的增加;南陽湖水體COD平均值為8.6mg/L,高于其他3湖區(qū)水體的,這可能是南陽湖水體Chla濃高于其他水體的原因之一。3水體水質(zhì)特征南四湖各湖區(qū)水體中不同形態(tài)氮、磷及葉綠素a濃