英语原文共 14 页

太湖水质时空变化趋势:由北部至中部的湖样分析，1991-2011

Dilek Eren Akyuz amp; Liancong Luo amp; David P. Hamilton

摘要

湖泊水质状况和趋势的分析通常基于一个或多个站点的测量，这些测量的站点被认为是响应湖泊生态系统的代表。本研究旨在研究在一个大的湖泊中，这些湖泊水质状况和趋势的分析如何可能受到测量站点位置的影响。从1991年10月到2011年12月，我们通过分析太湖中部到北部(面积约2338平方公里)8个监测站点每月收集的水质的变量趋势来解决这个问题。测定的参数包括叶绿素a (Chl a)、总氮(TN)、总磷(TP)的浓度和透明度(SD)。从湖中央到北部横断面间的各站，个体变量间的相关性越来越差，特别是对Chl a和TP。单个变量峰值出现的时间也依赖于站点的位置，光谱分析显示，湖中央站点的峰值出现在年频率上，而近岸北站的峰值出现在这个频率上，但是没有信号，或者信号减少了很多。四个变量的年变化百分比值也随站而变化，表明北方站水质总体改善，特别是TN站，但中央湖站变化或下降不大。沉积物再悬浮和支流养分负荷被认为是造成各监测站之间某些变化的原因。我们的结果表明，在大型湖泊中，水质的时间趋势可能是特定于站点的，而计算出的全湖营养状况趋势或对管理行动的响应可能是特定于选择用于监测和分析的站点的。这些结果对整合大型湖泊的自然空间变异性的监测方案的有效设计具有重要意义。

关键词

时空变化 太湖 氮 磷 叶绿素a 透明度

引言

水体富营养化仍然是全球范围内最普遍和最难解决的环境问题之一(Koelmans等. 2001)，越来越多的证据表明，它很难逆转(Davis等. 2010)。在中国，许多大型湖泊生态系统的生物多样性及功能已经受到严重破坏。在中国调查的67个湖泊中，80%的湖泊生态功能受到严重破坏或完全损害，其中包括一些最大的湖泊，如太湖、巢湖和滇池(Le 等. 2010)。例如，自20世纪80年代以来，太湖约有41种鱼类、65种浮游动物和16种大型植物物种消失(Guan 等. 2011)。收集适当的数据可以帮助分别水质的人为和自然(基线)变化，并为维持或恢复水质和生物多样性制定现实的目标(UNEP-IETC 2000)。

监测在评价湖泊生态系统的时空变异性方面起着关键作用。大型湖泊对于监测来说是一个很大的挑战，因为可能很难在多个监测站远距离同步采样(Qin and Hu 2010)。MODIS等遥感方法为获取太湖等大型湖泊地表水中选定的光学活性变量的具有代表性的“快照”提供了机会(如Hu 等. 2010a;Wang 等. 2011)。然而，这些方法仍然依赖于现场验证数据和良好的光学条件，例如没有云层来满足图像采集和水质变量的推导(Vos 等. 2003)。

中国的一项重大环境监测和保护计划已列入第12个五年计划，而且中国人认识到环境污染是一个备受国家关注的问题。该项目包括太湖、巢湖和滇池三大湖泊的修复。对这些湖泊的有效监测是记录恢复计划能否成功的一个重要组成部分。太湖在过去的40年里经历了极端的富营养化(如秦2008;关等，2011)。太湖西北部水质最差，尤其是梅梁湾，那里的生活污水、工厂废水以及分散的农业源未经处理的废水输入湖泊的情况严重(Jin and Hu 2003;李等。2011a)。

太湖可能存在较大的氮素空间梯度，受到固氮和反硝化作用的变化(McCarthy等，2007)和土地源硝酸盐的输入(Li等，2011b;陈等，2012)。湖底沉积物向水体释放的营养物质因湖泊而异(Jiang 等. 2008)，部分原因是湖底沉积物成分(如氮、磷和有机物含量)的变化(Trolle 等. 2009)，也由于风的再悬浮(如Hu 等. 2011)。此外，Chl a浓度变化较大，支流负荷和泥沙再悬浮高度动态，氮和磷在不同时间和地点在限制浮游植物生长方面发挥着关键作用(Paerl 等. 2011;威廉等人，2011)。

有几项研究探讨了太湖水质的空间变化(如Zhang等，2007,2011;王等，2007;Song等，2009;李等。2011a;赵等，2011;(Otten 等. 2012)，但到目前为止，还没有人对长期监测数据的趋势提供一个完整的时空分析。此外，对湖内观察到的趋势没有明确的一致意见。例如，人们认为从1960年到2005年，TN浓度几乎一直在增加(Guan 等. 2011)，但是Chen 等.(2003)发现，从1991年到1999年，TN浓度一直在下降，特别是在1996年之后。分析太湖富营养化的时空变化趋势，有助于了解目前太湖富营养化管理方法的相对有效性，如疏浚、沉水植物重建、长江部分调入太湖等。

在本研究中，我们假设支流营养负荷的影响，主要来自太湖北部地区的梅梁湾(如McCarthy等，2007)，在与近岸和中心湖站富营养化评价相关的关键变量中，拥有时空变化。本研究的一个重要目标是检查差异的大小和频率的变化这些选定的关键变量(总氮(TN)、总磷(TP)、叶绿素A(背影),和塞齐盘深度(SD)]（定义： 漆成白色的直径为30cm的圆盘，它在水中的最大可见深度定义为水透明度）,并确定如何表现趋势,在研究期间,记录从1991年10月到2011年12月的不同位置的监测站数据。

材料和方法

研究地点

太湖是一个亚热带的大型浅湖，经历了极端富营养化。由于其位于人口密集地区（1333人/km2；见图1和表1），并且对国内生产总值、防洪、交通、旅游和工业与生活用水供水等基本功能具有重要意义，因而它是世界上研究最多的湖泊之一（秦2008）。它是唯一可供约3000万人使用的水源（Bi和Liu 2009），并是关键渔业区，其中包含30多种经济上重要的鱼类和贝类，如黑鱼、白鱼、冰鱼和白虾（Peng等人2010）。湖泊生态系统的可持续性及其继续支持渔业、农业、工业活动能力生产性具有国家级重要性。太湖的赤潮时期，如1990年7月，估计花费高达1.3亿元人民币（黄、朱1996）。

Fig. 1

太湖采样站地图从北（THL00）到中央湖（THL08）的七个采样位置、深度等值线、主要流入及流出河流。泵送水输送（流入和流出）用红色箭头表示。

Table 1

太湖概况

太湖流域面积36900km2正日益城市化，支流密度较高（3.3km km2）。20世纪50年代初，湖面面积约为2550 km2，但由于湖面沉积和农田扩张，湖面面积有所减少，目前约为2338 km2（安 2009）。由于流域规模较大，因此将其划分为主要的污染控制区进行管理，包括江苏省（53%）、上海市（13.5%）、浙江省（33.4%）和安徽省（0.1%）（金和胡2003）。1991年，受严重污染的五里湖与梅梁湾隔开，以防止其水排入太湖（秦_2008）。太湖还采用了其他几种方法来阻止富营养化，包括在河流上修建闸门、防洪、固体废物和废水管理、减少非点源污染、排放调节、建立缓冲区和河岸区、在支流和湖泊本身进行疏浚、调水（冲洗），从长江出发，建立藻华预警和应急响应系统，恢复湖岸和湖岸线，湖岸湿地建设，有机农业，流域产业结构调整，过滤直接去除浮游植物，增加以植物为食的鱼类，增强渔业监管（笔鱼和鱼类养殖禁令），以及减少沉积物再悬浮的浪障（黄和朱1996；金和胡2003；张等2008；秦2009；王等2010；钱2012）。

饮用水危机是1990年、1995年、1998年和2007年太湖蓝藻爆发的结果（辛 2009）。2007年水危机后，江苏省政府通过关闭约1000家工厂和4300多家小型化工企业、实施排放控制政策、引入化学法规、增加城市污水处理等措施，加强了流域内的保护和控制（吴和胡2008；新2009）。

样品收集

本研究中使用的数据集可从太湖湖泊生态系统研究实验室获得（TLLER；Qin和Hu 2010）。它由1991年10月至2011年12月每月监测站数据组成，沿着湖泊北部近岸到中央湖位置的横断面（图1）。在2004年12月之前，仅在0.5 m的深度采集了TN、TP和CHL A的水样，之后在水面以下0.5 m、湖底以上0.5 m以及中深采集了水样。在七个站点（THL00、THL01、THL03、THL04、THL05、THL07和THL08）中的每个站点收集样本以获得“平均”水柱样本。这些站不是按数字顺序排列的，因为它们遵循命名约定和TLLER的主要采样站。水柱取样方法的变化不被认为影响了TN、TP和CHL A的浓度，因为该湖具有典型的良好混合性质（秦2008）。

立即将水样分为两个子样本。过滤一个子样本（gf/c，标称孔径1.2mu;m）进行Chl a分析，并在从解冻的过滤器中提取之前冷冻的Chl a。在665和750 nm波长下分析提取物，以测定CHL A浓度（Jin和Tu 1990）。另一个亚样品用于TN和TP分析，在返回后冷冻，然后解冻，用过硫酸钾混合溶液消化，然后进行分光光度分析（Jin和Tu1990）。

视觉和统计分析

使用以时间为x轴、站位位置为y轴的彩色轮廓图，并按颜色缩放的每个变量的值对Tn、Tp和Chl a浓度和SD进行可视化。用反色标绘制SD。所有计算和可视化均使用Matlabreg;进行（7.8版）。

使用相对月平均值（RM _m,s,p ）检查每个站的月间变化，计算每个参数（Chl a，TN，TP浓度和SD）如下：

式中，Xm,s,p是研究期间每个站点每月（m）的平均参数（p）值，Xs,p是整个研究期间（1991-2011）该站点的平均值。后一个变量除以所有站点Xp的平均值，然后减去一个值，如下所示：

(2)

其中，RS _s,p thinsp;定义了站点之间的变化。如果RS _s,p thinsp;gt;0，那么站点平均值高于所有站点的平均值，反之亦然，对于RS _s,p thinsp;lt;0。在整个研究期间，还将RS _s,p thinsp;的标准偏差与标准偏差进行了比较：

(3)

RD _s,p为两个标准差之比，n表示在一个站采集的样本数。

营养状态指数和年变化百分比

卡尔森营养状态指数（TSI；卡尔森1977）来源于1991年10月至2011年12月期间每个站点的TP、chl a浓度和SD值。计算了每个站点的Tn、Tp和Chl a浓度、TSI和SD值的年变化百分比（PAC）（见Burns等人2000）。PAC分析首先通过从感兴趣月份的值中减去整个研究期间的平均参数值，对每个站点的数据进行去季节化处理。然后利用时间（月）上的退季节数据的回归拟合，得出剩余值，从中检验时间回归的统计显著性。如果关系显著（plt;0.05），则回归

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