朱 伟,尤星宇,段志鹏①,吕 艺,侯 豪
(1.河海大学环境学院,江苏 南京 210098;2.河海大学土木与交通学院,江苏 南京 210098)
太湖是我国第三大淡水湖,属超大型浅水湖泊,其水质环境在空间上存在显著差异。例如,太湖东南部区域的水质要明显优于西北部和湖心区域[1],总体呈“东清西浊”特征[2]。以胥口湾为代表的太湖东部是草型清水区,可提供优质的饮用水,对维系区域水资源安全具有重要意义[3]。监测显示,近年来太湖北部水质环境发生了显著变化[1],可能影响总体水质格局。然而,胥口湾缺乏水质跟踪监测,导致难以全面掌握太湖水质总体变化趋势,不利于水资源管理。
经典湖泊稳态理论表明,处于稳态的浅水湖泊生态系统能够强化该区域的水质特征[4]。例如,草型清水区的水生植物既能吸收营养物质[5-6],又能有效削减风浪对底泥的扰动以减少底泥再悬浮,降低水体营养盐浓度[3]。此外,水生植物还能分泌化感物质直接抑制藻类生长[7-8],共同维系草型清水状态。然而,极端天气如持续高温或由其引起的流域洪水可能导致草型系统发生灾变。研究表明,持续高温可能对水生植物造成高温胁迫,抑制水生植物生长和繁殖[9]。同时,高温还能增加底泥微生物活性,驱动底泥有机质加速分解和氮磷等营养物质快速释放[10]。流域洪水还可能带来上游含高浓度营养盐物质的水团,直接导致草型湖区的水质指标恶化[11]。流域洪水导致的水位快速上涨也会严重削弱水下光场,可显著抑制水生植物的光合作用,进而导致水生植物衰亡,诱导草型浅水湖泊生态系统的灾变发生[12]。因此,明确太湖典型草型清水湖区水质环境变化趋势及对水温、水位的响应,对区域水资源管理具有重要意义。
近年来,太湖流域发生多次大洪水和持续高温事件。2016年夏季发生特大洪水[13-14],随后2020年夏季又发生大洪水[15-16],2022年夏季太湖流域乃至整个长江流域发生罕见的持续高温和干旱事件[17],尤其是8月整个太湖流域出现大范围、长时间的高温干旱天气,使得太湖夏季水位相比历史同期下降约45%[18]。极端天气及水温、水位变化可能显著影响太湖水质格局[19],威胁区域生态环境安全。
研究选取太湖典型草型清水湖区——胥口湾,分析自2016年以来的水质变化规律,补充胥口湾近年来较长时间序列的水质监测数据,有利于深化对太湖水环境总体格局的认识。同时,探究胥口湾水质环境与水温、水位的变化关系,力图探明水质环境对流域内极端天气及其引起的流域洪水的响应特征,以期为草型浅水湖泊生态系统对水温、水位的响应研究提供理论参考,为水资源管理提供借鉴。
1.1 研究区域与样品采集
研究在太湖胥口湾设有2个环境监测站点(图1)。其中,样点1处于胥口湾与湖心区和北部湾区的交界区域,属于草型区向藻型区过渡区域,水质特征受上游来水影响可能更加显著[2]。样点2处于胥口湾内部中心区,是典型的草型区,水动力和生态环境均较为稳定,属于饮用水源地保护区。
图1 太湖胥口湾水质环境监测站点
监测时间为2016年1月1日至2022年12月31日,每天采用HACH-GLI在线pH/ORP分析仪(sc200P53P33PRO-P3,美国)实时监测水温和pH值,并通过迈德施在线叶绿素检测仪(MDS-B500CPL,中国)估算叶绿素a(Chl-a)浓度。同时,在表层水下0.5 m处采集水样,收集于500 mL塑料样品瓶中,并在4 ℃下避光快速转运至实验室,24 h内测定氮磷浓度。需要注意的是,由于仪器等原因,样点1缺乏2022年8月以后的水质指标数据,样点2缺乏2016年水温的日均数据(仅存月均数据)、部分营养盐和Chl-a浓度数据。
1.2 水质指标测定
水样氮磷浓度测定包含总氮(TN)、氨氮(NH3-N)和总磷(TP)指标,同时测定水样的高锰酸盐指数(CODMn)以表征水体中的有机物质含量。上述水质指标的测定方法均参照文献[20]中的标准方法进行。每个水质指标的月均数据是将该指标的每日数据累计后取平均值。
1.3 水位数据采集
太湖水位数据来源于水利部太湖流域管理局(http:∥www.tba.gov.cn/),包含2016年1月1日至2022年12月31日太湖水位的2 551个日均数据点。月均水位数据是将该月的每日水位数据累计后取平均值。
1.4 高水温、高水位或洪峰时段识别
将水温触及30 ℃且后续水温连续3 d高于该温度时定义为高水温时段或高温气候事件,这是因为水温超过30 ℃通常会显著改变藻类和水生植物的生理生化活性及物种组成[9]。太湖水位受流域降水和人工调蓄共同作用,流域极端降雨导致的洪水对湖泊生态系统可能具有显著影响。然而,流域降雨对湖泊生态系统的影响通常具有滞后性,水位能更直接地表征流域极端降雨对湖泊系统的影响。基于此,将太湖的设计洪水警戒水位3.8 m设为高水位,当太湖水位触及3.8 m且后续水位连续3 d高于该水位时定义为高水位时段或洪峰时段。
1.5 数据分析
所有统计分析均在R语言(R version 4.1.0)中进行。通过R语言自带的aov函数进行单因素方差分析,对比分析高水温、高水位时段胥口湾水质环境与非高水温、非高水位水质环境指标日均数据的差异显著性,显著性水平设为P<0.05。此外,采用R语言自带的prcomp函数对胥口湾水质环境指标月均数据的季节性变化和空间差异性进行主成分分析(PCA),并采用ggplot2程序包中的autoplot函数绘制主成分分析数据图。同时在R语言中运行vegan程序包中的rda函数,通过冗余分析(RDA)和分步冗余分析(pRDA)定量分析月均水温和水位对胥口湾水质环境指标月均数据波动的贡献率,并采用permutest函数对自变量贡献值的显著性进行置换检验(999次置换),显著性水平设为P<0.05。
2.1 太湖胥口湾水质指标变化趋势
2016—2022年太湖胥口湾2个样点处的TN浓度、CODMn和pH值水平和变化趋势均较为接近(图2)。
图2 2016—2022年胥口湾TN、TP、NH3-N、Chl-a、CODMn和pH值的变化趋势
其中,2016—2018年TN质量浓度在1.5 mg·L-1左右,TN质量浓度于2018年春季达到峰值(1.8～2.3 mg·L-1)后快速下降,2019—2022年处于0.6～1.5 mg·L-1之间(均值约1.0 mg·L-1)。而CODMn在2016—2018年有快速下降趋势,随后变化趋于平缓,在3.0 mg·L-1左右小幅波动。近7 a来胥口湾的pH值稳定在8.2左右,但样点2处的pH值浮动更为剧烈。
相比之下,TP、NH3-N和Chl-a浓度在样点1和样点2之间有显著差异。其中,样点1处的TP和Chl-a浓度要显著高于样点2,而NH3-N浓度在2个样点之间的差异相反(图2)。样点1处TP质量浓度在2016—2022年总体上表现出下行趋势,但在2016年夏季和2022年春季分别出现低谷值(0.04 mg·L-1)和高峰值(0.09 mg·L-1);而样点2处的TP质量浓度在0.03 mg·L-1左右浮动。虽然样点1处Chl-a浓度维持在较低水平(4.3 μg·L-1),但常在冬春季出现峰值;而样点2处的Chl-a质量浓度常年低于3 μg·L-1。样点1处的NH3-N质量浓度常年低于0.1 mg·L-1,且波动幅度小;而样点2处的NH3-N浓度要明显高于样点1,且在2017—2019年出现极大波动,最大值达0.6 mg·L-1。
2.2 太湖胥口湾水温与水位的变化趋势
近年来太湖胥口湾水温呈快速上升趋势,2016—2022年水温年均值上升近1 ℃(图3)。夏季是太湖流域温度最高的季节,就月均值而言,2016—2022年中只有2021年全年水温月均值均低于30 ℃。2017和2022年7、8月水温月均值均高于30 ℃,分别为31.6、30.7 ℃以及31.2、31.6 ℃。就日均值而言,2017和2022年高水温时段天数分别为44和54 d,远高出2016—2022年高水温时段天数均值(35.1 d)。
图3 2016—2022年胥口湾水温及水位的月均值、年均值变化
近年来太湖水位波动幅度也较大,2016年是特大洪水年,水位年均值接近3.6 m。2020年也是洪水年,水位年均值接近3.4 m。月均值上,2016年6、7、10月水位均超过警戒水位(3.8 m)。日均值上,2016年高水位(>3.8 m)时段天数为89 d,2020年高水位时段天数为47 d,其余年份的高水位时段天数均小于5 d。
2.3 水温和水位对太湖胥口湾水质环境的影响
通过PCA分析发现,太湖胥口湾水质环境存在一定的季节差异和显著的空间差异(图4)。主成分第一轴(PC1)对太湖胥口湾水质数据变异性的解释率为32.9%,第二轴(PC2)的解释率为19.2%。其中,造成胥口湾水质环境季节差异的主要因素为TN、水温和水位,其他因素无显著贡献。空间差异性分析显示,样点1和样点2存在显著差异,且样点1和样点2在第一轴上差异化分布的主要贡献水质指标为NH3-N、Chl-a、TP浓度和CODMn。相反,TN浓度、水位和水温的空间差异性较低。
图4 太湖胥口湾水质环境季节差异和空间差异的主成分分析
通过RDA分析发现,水位和水温变化对胥口湾水质环境的影响非常有限,总解释率不足5%(图5)。其中,水温显著贡献RDA1(R2=0.11,P=0.001),水位显著贡献RDA2(R2=0.08,P=0.003)。分步冗余分析(pRDA)分析显示,水温对水质环境有显著影响(P=0.026),但水位的影响不显著(P=0.397)。
图5 水温和水位对胥口湾水质指标影响的冗余分析
通过方差分析高水温期间(>30 ℃)与非高水温期间水质指标之间的差异,发现高水温对胥口湾水质环境有显著影响(图6)。具体而言,高水温期的TN、NH3-N浓度和CODMn分别比非高水温期降低8.8%(P<0.001)、12.9%(P<0.05)和4.6%(P<0.001),而pH值上升0.65%(P=0.003)。然而,高水温对胥口湾TP和Chl-a浓度均未产生显著影响(P>0.05)。
图6 高水温(>30 ℃)对胥口湾水质指标的影响
方差分析显示,流域洪水或高水位(>3.8 m)同样显著影响胥口湾水质环境(图7)。洪水期间,NH3-N浓度下降35.6%(P<0.001),TN浓度降低9.8%(P=0.004),TP浓度下降6.1%(P=0.02),pH值下降1.3%(P<0.001),而Chl-a浓度上升65.5%(P<0.001)。相较而言,流域大洪水对胥口湾CODMn未产生显著影响(P=0.08)。
图7 流域高水位(>3.8 m)对胥口湾水质指标的影响
3.1 太湖胥口湾水质环境波动的原因分析
监测显示,2016—2022年胥口湾水质指标总体稳定,表现出改善趋势(图2)。这既展现出草型湖区生态系统的稳态性[4],也受益于近年来环太湖大力度的水环境治理措施。通过流域综合治理,环太湖入湖河道氮磷等污染物输入量已经快速降低,水质指标持续改善[21]。其中, 2020—2021年TN和TP平均浓度相较于2007年分别降低47.5%和18.0%[22]。然而,胥口湾水质分布存在显著的空间异质性(图4)。相比于样点2(湾区内部),样点1(西部外沿区域)的TP和Chl-a浓度较高且波动较大。其中,TP浓度月均值在2022年2月达近年来的峰值(约0.1 mg·L-1),而Chl-a浓度也常在冬春季出现峰值。尽管如此,TP与Chl-a浓度之间没有显著相关性(R2=0.004,P>0.05),表明样点1的冬春季藻类峰值并非TP浓度波动引起,亦或是TP浓度波动与藻类繁殖关系不大。由于样点1临近湖心区和北部湾区(图1),因而受上游来水的影响可能较为显著。样点1位于北部区域水团进入胥口湾的主要通道[2],上游水团进入胥口湾后有较长的停留时间[2],这可能解释了样点1的TP和Chl-a浓度较高、变幅较大。NH3-N浓度表现出相反趋势,样点2处的NH3-N浓度是样点1处的2～3倍,这可能与区域水生植物生长过程相关。样点2处的水草茂盛[23],但水生植物衰败过程中可能会释放NH3-N[24]。这表明适度的水草管理措施(分区收割等)可能有利于维持胥口湾NH3-N浓度稳定。
此外,胥口湾水质指标的季节性变化不明显。除水温和TN浓度以外,其余水质指标均不能有效分辨出季节性变化规律。胥口湾TN浓度通常冬春季较高,而夏秋季出现显著下降,这种变化趋势可能主要由微生物的反硝化作用引起。研究表明,反硝化是太湖水体脱氮的主要过程,且随着水温的上升,水体微生物反硝化作用逐渐加强[25]。这可能是TN浓度冬春高、夏秋低的原因之一。在草型湖区,水生植物的衰败过程也可能显著影响NH3-N浓度。但笔者研究表明,胥口湾内部区域多数情况下NH3-N浓度占TN浓度的比值低于20%,这表明NH3-N浓度波动并没有显著影响TN浓度的变化趋势。
3.2 水温对太湖胥口湾水质环境的影响
水温是湖泊生态系统中的重要物理参数,直接影响水生动植物的新陈代谢和微生物对有机质的分解等湖泊物质能量交换速率[26-27]。因而,水温变化可能会对湖泊生态系统造成复杂的影响[28]。笔者研究显示,2016—2022年太湖胥口湾水温年均值出现快速上升趋势(图3,R2=0.89,P<0.01)。需要指明的是,由于缺乏日均数据,该研究中2016年水温年均值通过月均数据计算获得。月均水温数据可能存在采样日期代表性差的问题,难以准确计算水温年均值,这可能是水温年均值在2016年出现最低值(18.48 ℃)的原因。然而,即便剔除2016年的数据,2017—2022年的水温年均值同样表现出显著上升趋势(R2=0.87,P<0.01),上升幅度达0.65 ℃,远高于全球大部分湖泊表面水温的上升速率〔0.34 ℃·(10 a)-1〕[28]。彭宗琪[29]发现,2000—2018年我国主要大型湖泊(巢湖、滇池、太湖、洪泽湖、鄱阳湖和洞庭湖)的全年平均水温上升速率约为0.3 ℃·(10 a)-1,且夏季上升更加显著。这表明太湖胥口湾水温年均值可能进入了快速上升期。
湖泊升温可能会加剧湖泊富营养化进程,改变水质环境健康状态[30-31]。RDA分析发现,虽然水温变化对胥口湾水质指标波动的贡献较低,但水温显著影响了胥口湾的水质环境(图5)。pRDA分析显示,高水温(>30 ℃)期间TN、NH3-N浓度和CODMn显著下降(图6)。水生植物的适宜生长温度通常低于25 ℃。研究表明,高温会显著抑制水生植物的生长[9],影响其对氮磷等元素的吸收。胥口湾的优势水生植物种类为苦草(Vallisneriaspiralis)、金鱼藻(Ceratophyllumdemersum)和狐尾藻(Myriophyllumspicatum)[32]。其中,苦草和金鱼藻最适生长温度均可达30 ℃,且能适应更广的温度范围[33-34]。高温期间胥口湾水生植物对氮的吸收利用可能会增加,导致TN和NH3-N浓度降低。此外,高水温会增加微生物活性,加快有机物质分解及反硝化,提高脱氮速率[35],有利于降低水体中氮和有机质含量。
3.3 水位对太湖胥口湾水质环境的影响
水位也是影响湖泊生态系统的重要物理参数。研究显示,草型浅水湖泊生态系统对水位变化极为敏感[36]。因为高水位会显著削弱水下光强,抑制水生植物生长或诱导水生植物大面积衰亡,最终可能引发系统性灾变[37]。然而,笔者研究发现,水位不能有效解释胥口湾水质环境的年际变化趋势(图5)。虽然每年太湖水位会在夏秋季出现峰值,但水位波动并没有引起胥口湾水质指标的规律性波动(图3)。这可能是由于胥口湾多数年份的水位均较低,且波动幅度小(图3),未引起水生植物的显著变化。尽管如此,流域洪水或高水位显著影响了胥口湾水质环境(图7)。其中, NH3-N和Chl-a浓度受高水位的影响最为显著,分别下降35%和上升65%。同时,上游来水还可能携带太湖北部湾区的蓝藻颗粒进入胥口湾,这或许是Chl-a浓度显著上升的原因之一。
此外,高水位期间胥口湾TP浓度出现显著下降趋势(图7)。尤其是2016年7月太湖流域特大洪水期间,胥口湾西部外沿区域的TP浓度出现极低值(0.004 mg·L-1)。前人研究表明,2016年的特大洪水导致太湖TP入湖通量显著高于平水年[38],但洪水期间高磷浓度水团由太湖西北部向胥口湾等东南部迁移过程中,水体磷浓度出现了显著降低趋势[11]。这是因为经由河道等陆源输入太湖的磷以颗粒态磷为主,外源输入的颗粒态磷进入湖泊后会快速沉降进入底泥[2],这使得洪水期间高磷浓度水体不能到达胥口湾等太湖东南部区域[11],相反可能对胥口湾内部的TP进行稀释,从而导致水体TP浓度出现下降趋势。综上所述,虽然近7 a水位变化对胥口湾水质环境年际变化的总体趋势无显著影响,但流域洪水或高水位造成了NH3-N、Chl-a和TP浓度等关键水质指标的显著波动。
胥口湾是太湖水质环境最优质的区域之一,虽然2016—2022年间太湖流域发生了持续高温的极端天气或特大洪水事件,但胥口湾的水质环境总体稳定,氮磷浓度波动向好的趋势不变。然而,胥口湾水质存在显著的空间异质性。其中,胥口湾西部外沿区域的水质要明显劣于水生植被更加繁茂的内部区域,但内部区域的NH3-N浓度要显著高于西部边沿区。因此,NH3-N浓度应成为胥口湾内部的重点监测指标。此外,虽然水温和水位对胥口湾水质环境波动的贡献较低,但高水位和高水温对多数水质指标有显著影响,表明流域洪水和持续高温等极端天气可能成为破坏胥口湾水环境稳定的重要不确定性因素。该研究阐明了近年来胥口湾水质特征,识别出对流域洪水和持续高温高度敏感的关键水质指标,可为胥口湾水资源风险评估和高效管理提供理论参考和借鉴。
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