星云湖季节性水质变化及影响因素
星云湖季节性水质变化及影响因素
Seasonal Variation of Water Quality and Its Influencing Factors in Lake Xingyun
1. 引言
湖泊是在一定的地质、地理背景下形成具有一定规模和持续时间、并具有一定生物种属和组合的自然水体。自然湖泊在自其形成到成熟、最后消亡的演化过程中，地质、物理、化学、生物及气候等作用互相影响与依存，表现出明显的区域特色 [1] 。高原断陷湖泊作为一个特殊的自然综合体，具有湖岸陡峭，湖盆较深，出湖河流较少，换水周期较长等特点，生态环境比较脆弱，一旦被污染或发生富营养化，很难在短时间内被有效治理。由于人类活动的影响，湖泊污染，特别是重金属污染和富营养化问题已成为当今世界面临的最主要生态环境问题之一，严重制约了当地经济的发展。认识和了解湖泊现状、明晰湖泊水质的时空变化规律是评价湖泊水环境质量、分析污染来源和改善湖泊水环境的基础 [2] 。在这方面，不少研究者进行了很多监测工作，杨文花和曹瑛杰(2005)曾对浙江省长潭水库水质指标进行监测，分析了该水库的水质指标变化的统计特征值及相关性，并提出了控制水库周围点源和农业面临的污染等建议 [3] ；魏星和易杨柳曾对武汉市某小型浅水人工湖泊水质进行一年的理化监测、分析，发现COD和BOD5均有季节性的变化规律，气温的变化会影响湖水及底泥中微生物的活性，从而影响底泥污染物的释放量 [4] ；对于陡河水库水质中TN、TP等指标的季节变化趋势进行分析，发现控制TN浓度不仅是抑制陡河水库富营养化的关键因子，更是提高和改善陡河水库水质的关键指标 [5] 。从区域已经状况来看，目前对于水质的时空变化规律的研究主要集中在青藏高原 [6] ，云贵高原 [7] ，河北 [8] ，江苏 [9] ，长江流域 [10] 及淮河流域 [11] 等。与之相比，云南高原湖泊的资料积累、系统性和对数据资料的解译明显不足。
星云湖为典型的高原湖泊，对调节当地气候、提供水源和美化环境起着不可替代的重要作用，是千百年来人们生产、生活之地。但近年来由于人类活动的影响，大量工业废水和生活污水的排入及不合理的农业耕作方式，不但造成星云湖水位剧烈波动，更严重的是水质持续恶化，富营养化加剧，已成为除“三湖”(太湖、巢湖、滇池)之外的又一遭受蓝藻常态化爆发严重“水华”的湖泊 [12] ，对当地生态环境建设和水安全造成严重影响，严重制约了当地经济的发展和人民生活质量的提高。本文主要通过对雨季前后星云湖水体在垂向上和空间分布上的水质监测数据，分析其变化特征及影响因素，探究季节性水量变化对星云湖水质的影响，并提出相应的对策与建议。
2. 研究区自然地理环境
星云湖是云南八大湖泊之一(杞麓湖于2012年湖泊面积减小现维持在20余km2，跌出九大湖泊之列 [13] )，位于云南省江川盆地东部，主要形成于中新世—上新世，迄今约有340万年的历史，目前已进入湖沼发育的中晚期阶段。湖泊水面地理范围为24˚17'20''~24˚23'03''N，102˚45'20''~102˚48'20''E，水位高程约为1722 m，南北长约10.5 km，东西平均宽约3.8 km，最大水深10 m，平均水深7 m，水域面积34.7 km2，湖水容量1.833亿m3 (2005年实测数据)，目前为一半封闭性高原断陷浅水湖泊，沉降中心靠近湖盆东侧，因而造成了湖盆东侧较陡西侧较为平缓，周围多温泉。主要入湖河流有东西大河、螺蛳铺河、渔村河、大庄河、海浒河等十余条季节性河流。星云湖曾为抚仙湖上游河流，经人工开凿的隔河与抚仙湖相连。后经“星云湖–抚仙湖出流改道”工程，人工开凿小街河，成为星云湖唯一出水口。据江川县县志记载，在湖盆发育最盛时期，曾与抚仙湖和杞麓湖连为一体，即古抚仙湖，直至第四纪南北向断裂活动，地壳沿断裂沉陷，使抚仙大湖解体，才形成了如今的星云湖 [14] 。
湖区属于中亚热带半湿润高原季风气候，可分干湿两季，降水81.4%集中在每年的5~10月形成雨季。据1957~2009年的气象数据可知，该地多年平均气温约为18.4℃，多年平均降水量约为879.1 mm；主要风向为西南风，年平均风速约为2.2 m/s，最大风速为33 m/s。流域内土壤以红壤为主，并兼有紫色土和水稻土3个土类，现区内主要植被为云南松林、华山松等针叶次生林和人工林。
3. 研究方法
针对湖水的理化性质在垂直方向上和空间分布上的季节变化，在星云湖中部和北部分别选点进行了野外调查监测工作(见图1)。其中，XYL-1，XYL-2，XYL-3和XYL-4采集于2014年4月6日；XYL-5，XYL-6和XYL-7采集于2015年10月25日。用于测量的仪器是美国维赛YSI 6600V多参数水质监测仪，现场进行仪器校正后测定选点位水温、pH、溶解氧、电导率、浊度、水深等水质参数。在野外工作时，将仪器垂直放入湖中，平均约每隔1 m采集一个数据。数据处理采用Grapher和Arcgis等软件进行统计分析。2016年5月29日和2016年10月14日分别在星云湖北中南三点(T1, T2, T3)以1 m为间隔采集垂直水体水样，并使用预先清洗好的1 L聚乙烯塑料水样瓶封装，采样结束后，冷藏保存，并在本实验室内采用分光光度计法测量其水体中总氮和总磷的含量。水质评价的方法是依据国家《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)进行分类，并将其中劣于V类的划分为Ⅵ类水质，即分为6个级别，各评价项目环境质量级别标准与国家标准相同。评价过程中采用单因子评价法判断水体类型。营养级的评价主要采用相崎守弘的湖泊营养程度评分标准对各采样点进行评分(保留两位小数) [15] ，然后用卡森指数法对各监测点进行分级(见表1)。
由于湖区降雨主要集中在每年的5~10月，且其水位主要受降雨量的影响，雨季前后，水位大约会有1m左右的上涨。本文所使用的数据由于不是在1年之内采集，而是将近两年的监测数据综合起来，因此，本文着重依据星云湖在枯水期末期或最干旱的时期(2014年4月6日)和丰水期或降水积累最大的时期(2015年10月25日)时所获数据，对星云湖湖水垂直方向上和空间分布上的水质变化特征进行分析，并结合2016年的氮磷检测数据，探讨雨季前后星云湖水质参数变化的规律和影响因素。
评分值
0~35分
36~45分
46~55分
56~65分
66~75分
76~85分
86~95分
96~100分
营养程度
贫营养
贫中营养
中营养
中富营养
富营养
重富营养
严重富营养
异常富营养
Table 1. The standard of grading & classification
表1. 评分与分级标准
Figure 1. The drainage area & the monitoring sites of Xingyun Lake
图1. 星云湖流域图及水质监测点图
4. 结果与讨论
4.1. 时空变化分析
4.1.1. 水温时空变化分析
水温是影响湖水各种理化过程和动力现象的重要因素，其不仅决定了湖泊的类型，还决定了生物群落的结构和水生生态系统的生产力 [16] 。水温的变化主要是由季节性的光照变化而引起的，与地区气温基本上同步变化且高度相关 [17] 。已有研究表明，随着20世纪以来全球气候变暖，全球范围内有害藻华的发生和急剧扩散与全球气温上升密切相关 [18] 。温跃层是指水体温度在垂直梯度上出现突变或不连续剧变的水层 [19] 。之前在对抚仙湖热学状况的研究中，将水温梯度超过0.2℃/m的水层定义为温跃层 [20] 。但也有研究将表层1 m排除在温跃层之外 [21] 。
由图2的水温曲线可知，星云湖水深较浅故无温跃层现成。其水温明显受气温变化的影响，其表层1 m以下的水温均存在明显的下降趋势，且枯水期水温差异较丰水期的明显。从水平空间分布上看，枯水期星云湖水温南北空间差异也较大，而丰水期则较小。
4.1.2. pH时空变化分析
pH是控制湖泊富营养化、沉积物磷循环及介形类等其他微体古生物分布的重要因素 [22] [23] ，同时还直接影响到水体中无机碳源的存在形式。它的形成除与地质背景、气候条件、大地热流等有关外，也是人为富营养化过程中不断变化的营养元素汇入、富有藻类繁殖、溶解氧含量等要素相互作用的结果 [24] 。pH偏高是云南高原湖泊的特征之一。有关湖水pH值与藻类关系研究表明，pH为8.5时有利于藻类生长，而pH为9.5时藻类生长状况最差 [25] 。
从图2中的pH变化曲线可以看出，星云湖pH值在垂直方向上变化很小，7个观测点的所有测量结果均在8.71~9.4之间。整体上均随深度的增加呈现下降的趋势，这可能与浮游藻类的呼吸作用有关。表层浮游藻类进行光合作用，吸收周围水中的CO2，从而使周围水体中的pH值升高；底层藻类由于透射阳光减少，故主要以呼吸作用为主，呼出CO2，从而使周围水体中的pH值降低。星云湖丰水期的pH值虽均低于枯水期的pH值，但丰水期星云湖底部的pH值变化较枯水期明显，这可能是由于丰水期降雨量的增加一方面稀释作用使星云湖水体pH值降低，但另一方面湖泊水动力增强从而又导致丰水期星云湖底部pH值差异较大。从图中还可以看出，XYL-1点受人类活动的影响较大。
4.1.3. 溶解氧时空变化分析
溶解氧是水质评价的重要指标之一。其值的高低不仅可以影响水生生物的生长和发育，还可影响湖泊的自净能力 [16] 。溶解氧与盐度和温度成反比，但却与湖浪作用强度成正比，除此之外，溶解氧其含量的高低还与藻类的光合作用有关。
从图2中的溶解氧变化曲线可知，在垂直方向上，其变化趋势与pH值相似，整体上均随深度的增加呈现
Figure 2. The water quality parameters of Xingyun Lake (XYL-1, XYL-2, XYL-3, XYL-4 are the monitoring data in end of dry seasons on 6th April, 2014; XYL-5, XYL-6, XYL-7 are the monitoring data in wet seasons on 25th October, 2015)
图2. 星云湖水质参数分布图(XYL-1，XYL-2，XYL-3，XYL-4为枯水期2014年4月6日监测数据；XYL-5，XYL-6，XYL-7为丰水期2015年10月25日监测数据)
下降的趋势。这可能也是由于浮游藻类的光合作用的结果，表层光合作用时，释放O2，使周围水体中的氧含量增加；底层呼吸作用时，消耗周围水体中的O2，使周围水体中的氧含量减少。丰水期的溶解氧几乎均高于枯水期，这可能一方面是由于丰水期水温增加导致藻类增多，光合作用使水体中溶解氧含量增加；另一方面是由于降水增加，水动力增强，湖浪作用增强，使其表层水体迅速补充溶解氧的含量，同时水位升高，底层阳光投射减少，底层植物呼吸作用增强，耗氧量增加，从而导致丰水期星云湖水体表层溶解氧含量增加，而水体底层溶解氧含量下降，且变化差异较大。
4.1.4. 叶绿素时空变化分析
叶绿素是衡量湖水营养状态等级的指标之一。其含量的多少基本上可以指示藻类数量的多少。藻类的分布除了受控于温度、pH值、溶解氧，光照强度、有机碳含量、风向及TN和TP等营养盐因素外，还与其自身的个体生物学和种群生态学有关。据玉溪市环境监测站多年监测资料显示，2000年，星云湖少部分湖湾开始出现蓝藻水华，随之每年4~11月周期性爆发。2002年5月至今，蓝藻水华已扩展至全湖，水质重度富营养化 [26] 。1996~2003年，浮游植物共鉴定出6门58种，其中绝对优势种为水华束丝藻(3月)和铜绿微囊藻(8月) [27] [28] 。吴艳龙等 [29] 曾对滇池水华束丝藻–微囊藻演替过程及其机制进行研究，发现水温是驱动两者复苏、生长和演替的重要环境因子。水华束丝藻休眠孢子在3月份(水温14℃左右)开始复苏，在无竞争压力下持续生长。在此期间，微囊藻受水温胁迫，复苏和生长受到严重抑制，复苏过程迟于水华束丝藻。4月底(水温达到18℃)，微囊藻开始复苏，并随着水温的升高而快速生长，逐渐代替水华束丝藻，成为滇池的绝对优势种。随后，吴艳龙等 [30] 又通过对滇池水华束丝藻对低氮的生理响应进行研究，结果发现水华束丝藻为典型的固氮蓝藻，其在消退的过程中会释放大量的氮，可能成为其他非固氮蓝藻水华的诱发因子。胡智泉 [31] 等认为，除温度外，毒素同样在这一过程中发挥重要作用。水华束丝藻的突然死亡，可能是其周围的微囊藻种群增殖到一定数量，微囊藻分泌的微囊藻毒素浓度达到一定水平，对水华束丝藻产生了溶藻效应所致，但这两者之间的毒性机理还有待进一步的研究。刘邵俊等 [32] 通过对星云湖藻量昼夜变化(2013年8月29日~30日)及垂直分布进行调查采样分析，发现上层藻量昼夜变化呈典型的双峰曲线，峰值分别出现在2时和14时左右，全天藻量最大值为14时。白天藻类主要分布于水体上层，夜晚上层水体藻量下降，上中下各层水体藻量起伏变化，但各层平均藻量无显著性差异。
从图2中叶绿素曲线可知，枯水期星云湖水体中叶绿素含量差异较大，而丰水期差异较小，且丰水期水体中叶绿素含量均低于枯水期。这可能一方面是由于丰水期微囊藻大量爆发，产生的毒素浓度达到一定水平，对其他藻类产生了溶藻效应所致；另一方面可能是与pH值相关，由于丰水期星云湖水量增加产生稀释作用使叶绿素含量降低，同时湖泊水动力增强使水体较均一。
4.1.5. 电导率时空变化分析
在自然水体中，电导率会随着水体中碱、酸和盐的浓度的增大而增大，所以，电导率和盐度成正比。其影响因素除了与其自然地质背景和气候条件有关，还与人类活动释放的污水和工业废水及农业污染有关。
从图2中电导率变化曲线可知，丰水期的电导率均大于枯水期的电导率，即丰水期的盐度均大于枯水期的盐度。这可能一方面是由于丰水期降雨量的增大使随水流汇入湖中的泥砂含量增多，导致湖水电导率增大；另一方面可能是由于丰水期正处于农田耕种季节，星云湖周围农田中农药施用量加大，雨水的冲刷导致周围农田中的农药化肥随之大量汇入湖泊，导致星云湖水体中盐度增大。
4.2. 水质评价
湖泊富营养过程主要原因是湖内初级生产者(具有光合作用的植物和藻类)利用湖内可利用的营养盐生产有机质。湖泊外部输入、湖泊内部有机质循环和底泥释放是其营养盐来源的主要3个途径。而氮磷则是湖泊植物生物量的主要控制因子。
从表2中可以看出，星云湖水体全湖全年已均为VI类水质，且在营养级方面，除枯水期T3点表层为严重
采样点
水深(m)
4月份
10月份
TN(mg/L)
TP(mg/L)
平均分
营养级
类别
TN(mg/L)
TP(mg/L)
平均分
营养级
类别
T-1
0
2.06
0.26
79.09
重富营养
VI
2.09
0.45
82.32
重富营养
VI
1
1.95
0.29
79.04
重富营养
VI
2.53
0.46
83.95
重富营养
VI
2
1.91
0.28
78.69
重富营养
VI
2.78
0.46
84.49
重富营养
VI
3
1.77
0.28
78.07
重富营养
VI
2.81
0.46
84.56
重富营养
VI
4
1.83
0.29
78.55
重富营养
VI
2.43
0.46
83.73
重富营养
VI
5
1.98
0.30
79.30
重富营养
VI
2.15
0.44
82.44
重富营养
VI
6
1.91
0.28
78.76
重富营养
VI
2.59
0.46
84.08
重富营养
VI
7
2.10
0.35
80.79
重富营养
VI
2.80
0.47
84.69
重富营养
VI
T-2
0
1.98
0.28
79.12
重富营养
VI
2.24
0.42
82.51
重富营养
VI
1
1.84
0.29
78.62
重富营养
VI
1.94
0.43
81.32
重富营养
VI
2
2.11
0.29
79.72
重富营养
VI
1.91
0.44
81.34
重富营养
VI
3
1.66
0.29
77.67
重富营养
VI
2.33
0.42
82.85
重富营养
VI
4
1.80
0.29
78.38
重富营养
VI
2.61
0.43
83.63
重富营养
VI
5
1.96
0.28
79.00
重富营养
VI
2.35
0.44
83.23
重富营养
VI
6
3.44
0.29
83.19
重富营养
VI
1.71
0.43
80.27
重富营养
VI
T-3
0
5.68
0.60
90.41
严重富营养
VI
1.94
0.45
81.64
重富营养
VI
1
2.33
0.46
83.55
重富营养
VI
1.84
0.47
81.52
重富营养
VI
2
2.13
0.34
80.75
重富营养
VI
2.90
0.46
84.75
重富营养
VI
3
2.34
0.30
81.63
重富营养
VI
2.82
0.46
84.58
重富营养
VI
4
2.90
0.34
82.73
重富营养
VI
2.04
0.54
83.58
重富营养
VI
5
1.87
0.30
78.81
重富营养
VI
2.02
0.48
82.50
重富营养
VI
Table 2. The evaluation table of water quality in Xingyun Lake
表2. 星云湖水质评价表
富营养级阶段，其余各点全年几乎均为重富营养级阶段。但相比于枯水期，丰水期的TP含量几乎为枯水期的2倍，TN含量增加30%~50%左右，由此可知，星云湖营养盐的主要来源应与外部输入相关。我们认为，丰水期雨水冲刷周围农田所带入的氮磷营养盐对星云湖水质的影响不可小觑。从空间分布上看，枯水期的T1和T2点及丰水期的T1点在底部的TP与TN值均会突然增加，这可能与底泥沉积物中P和N释放相关。由此看来，星云湖也存在内源污染源。从TP和TN的评分来看，枯水期星云湖北部 > 中部 > 南部，中层水体 > 表层水体 >底层水体；丰水期，星云湖中部 > 南部 > 北部，表层水体 > 底层水体 > 中层水体(注：“>”代表“好于”)。故对于星云湖的治理，首先，应从周围农田入手，减少农药化肥的使用，提倡绿色蔬菜的种植；其次，在周围入湖河流处增设湿地污水处理系统，减少生活污水及禽畜养殖污染的影响；最后，定期进行清淤治理。
5. 结论
通过在枯水期和丰水期对星云湖水体进行现场连续监测，室内总氮总磷的分析及水质评价等方法，可以得出以下初步认识。
星云湖丰水期湖泊水动力增强，水体混合度较高，水质空间差异较小。枯水期，水质空间差异较大。在垂直方向上，星云湖水体中的pH值与溶解氧含量变化趋势相似，整体上均随深度的增加而呈下降趋势，这可能与藻类光合作用有关；而丰水期其溶解氧的含量增加，与湖浪作用有关。星云湖水体中叶绿素含量的季节性变化，可能与藻类演替有关，这需要进一步的专业实验分析研究。星云湖丰水期水体的比电导明显高于枯水期，丰水期的TP含量几乎为枯水期的2倍，说明丰水期河流物质输入作用十分明显，人类活动明显增强的同时雨水的冲刷将将农田施肥残留物带入湖中的问题应予以足够的重视。
通过水质评价可知，星云湖水体全湖全年已均为Ⅵ类水质，各点全年几乎均为重富营养级阶段。星云湖的营养盐主要来源于外部输入和内源污染同时作用。从TP和TN的评分来看，枯水期水质富营养水平南部 > 中部> 北部，底层水体 > 表层水体 > 中层水体；丰水期则表现为北部 > 南部 > 中部，中层水体 > 底层水体 >表层水体得特点。
通过对初步监测数据的分析认为，星云湖已经常年处于严重富营养化状态，其有效的治理将是一个长期而艰巨得工作。但首先可以开展的工作应从逐步控制和缩小近湖周围农田的面积入手，减少农药化肥的使用，提倡绿色蔬菜的种植；其次，在周围入湖河流处增设湿地污水处理系统，减少生活污水及禽畜养殖污染的影响；最后，定期进行清淤治理、减少湖泊内源污染危害、延续湖泊自身生命周期。
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