消落带是指水库、 河流、 湖泊水位随时间呈季节性涨落，处于淹没状态的土壤按水位周期性的变化出露于地表的现象. 自2009年以来，三峡库区冬季正常蓄水高程为175 m，位于145~175 m高程之间将有30 m的消落区处于淹水状态. 农业生产中污染物质、 库区居民生活垃圾及地表径流携带的营养物质在落干期间沉积于消落带土壤中^[1,2]，在淹水状态下将向水中释放氮、 磷以及有机污染物，使水体呈现不同程度的营养状态^[3,4]，给库区生态环境带来严重的影响.

近年来，三峡消落区生态环境的治理已成为社会关注焦点，国内科研机构、 高等院校在区域内开展了大量的研究工作^{[3, 5, 6, 7, 8, 9]}，但研究领域上多限于消落区土壤营养盐的吸附与释放，土壤重金属来源与分布以及藻类群落结构等方面，且多注重室内模拟实验，空间尺度上多关注较大支流; 而在三峡蓄水期间，消落区水质营养状态变化特征研究甚少，针对蓄水高程175 m水质状况鲜见研究. 消落区环境复杂，受干扰的因素较多，在淹水期间水环境需深入探讨. 因此，本文以消落区局部水域开县汉丰湖作为研究对象，在三峡蓄水期间对该水域连续观测，揭示水质营养状态的演变规律，以期为三峡消落区生态环境的治理提供科学依据与参考.

1 材料与方法

三峡水库的运行，在开县境内会形成面积为45.0 km²的消落带，最大消落深度21.52 m，为减少消落面积，在距县城4.5 km的乌杨桥修建了水位调节坝，形成了开县“南河、 东河、 澎溪河”交汇的汉丰湖(N 31°11′13″，E 108°25′01″)^[10]，平均水底高程160 m. 受三峡库区蓄水影响，汉丰湖消落区10月上旬至次年3月上旬处于淹没状态，淹水时间约为150 d^[3].

根据2013年三峡水库蓄水的时间安排^[11]，2013年10月~2014年2月，每月下旬进行水质取样. 在湖区(图 1)设置了石龙船大桥(C1)、 东湖郡(C2)、 东河大桥(C3)、 湖心(C4)、 调节坝(C5)共5个采样断面. 每个采样断面中心处取水，取水垂线的设置：按水深分别在0.5 m、 5 m~10 m、 10 m~15 m、 河床上0.5 m~1 m(>15 m)处取水约500 mL，取其总平均值代表该断面水质状况. 现场用美国哈希便携式多参数水质仪(型号: MINISONDE5X)测定水温(T)、 pH、 可溶解氧(DO)等物理指标，透明度(SD)采用塞氏盘法; 采集水样当日运回实验室，参照文献^[12]对总氮(TN)、 氨氮(NH₄⁺-N)、 硝态氮(NO₃^--N)、 总磷(TP)、 高锰酸盐指数等测定; 叶绿素(Chl-a)测定采用丙酮萃取分光光度法^[13].

图 1

Fig. 1

图 1 三峡蓄水期间汉丰湖采样断面分布示意 Fig. 1 Map of sampling point distributions in Hanfeng Lake during the storage period of Three Gorges Reservoir

数据处理采用SPSS 13.0与Excel 2010软件，分析方法采用方差分析、 相关分析和因子分析. 在分析前，对三峡蓄水期间汉丰湖5个采样断面水质指标进行方差(LSD)分析发现，空间上差异不显著，时间上存在显著差异(P<0.05)，故本文主要对水质营养状态时间变化特征进行研究. 2 结果与分析 2.1 物理参数时间变化

图 2为各采样断面水质物理参数时间变化. 水温范围在10.7~21.4℃，均值为15.1℃，根据重庆市季节划分^[14]，水温季节变化明显，表现为秋季向冬季逐月降低. 各断面SD范围在47~317 cm,均值为212.6 cm，主要受固体悬浮物和浮游植物的影响，调节坝、 东湖郡、 石龙船大桥断面SD值在2013年11月达到高峰，东河大桥与湖心断面在2014年1月达到高峰，各断面在次年2月均处于较低水平. 全湖比较，2014年2月较2013年10月SD值减少了1.9倍. 各断面DO质量浓度范围在2.47~11.1 mg ·L^-1，均值为5.99 mg ·L^-1，按《国家地面水环境质量标准》(GB 3838-2002)评定，DO质量浓度处于I~Ⅳ类地表水; 各断面DO质量浓度逐月升高，与水温呈极显著负相关关系(R²=0.899，P=0.00)，在2013年10月处于低水平，调节坝断面质量浓度最低; 随后于2014年2月达到高峰，石龙船大桥断面质量浓度最高; 全湖比较，2014年2月较2013年10月DO质量浓度增加了2.55倍. 各断面pH值范围在7.89~9.36，均值为8.46，pH值处于Ⅱ~劣Ⅴ类地表水，水质为中偏碱性水质; pH值逐月升高，在2013年10月处于低水平，调节坝断面值最低; 随后于2014年2月达到高峰，东河大桥断面值最高; 全湖比较，2014年2月较2013年10月pH值增加了0.13倍.

图 2

Fig. 2

图 2 三峡蓄水期间汉丰湖水质物理参数时间变化 Fig. 2 Changes in physical parameters of water quality with time in Hanfeng Lake during the storage period of Three Gorges Reservoir

各采样断面有机物质量浓度时间变化见图 3，高锰酸盐指数范围在2.30~5.58 mg ·L^-1，均值为3.51 mg ·L^-1，处在Ⅱ~Ⅲ类地表水之间. 高锰酸盐指数从2013年10月下降至11月，随后上升至次年2月并达到高峰，其中东湖郡(4.14 mg ·L^-1)、 东河大桥(5.58 mg ·L^-1)、 湖心(4.35 mg ·L^-1)、 石龙船大桥(4.71 mg ·L^-1)断面高锰酸盐指数处于有机物污染状态^[15]; 全湖比较，2014年2月较2013年10月高锰酸盐指数增长了0.2倍.

图 3

Fig. 3

图 3 三峡蓄水期间汉丰湖有机污染物质量浓度时间变化 Fig. 3 Change of organic contaminant concentration with time in Hanfeng Lake during the storage period of Three Gorges Reservoir

各采样断面氮、 磷营养盐质量浓度时间变化见图 4. TN质量浓度范围在0.43~3.48 mg ·L^-1，均值为1.56 mg ·L^-1,处于Ⅱ~劣Ⅴ类地表水; NH₄⁺-N质量浓度范围在0.03~0.64 mg ·L^-1，均值为0.17 mg ·L^-1，处于Ⅱ~Ⅲ类地表水; NO₃^--N质量浓度范围在0.09~1.60 mg ·L^-1，均值为0.72 mg ·L^-1. 汉丰湖NH₄⁺-N(11%)与NO₃^--N(46%)质量浓度占TN的57%，说明以无机氮形式存在; NO₃^--N质量浓度为NH₄⁺-N的4倍，说明水体具有自净能力^[16]. 随时间的变化，各断面TN与NO₃^--N质量浓度逐月升高，在 2014年2月达到高峰，断面最高值均在东湖郡; NH₄⁺-N在2013年11月质量浓度较低，次年2月达到高峰，断面最高值在石龙船大桥; 汉丰湖2014年2月较2013年10月TN、 NH₄⁺-N、 NO₃^--N质量浓度分别增长了4.7、 1.4、 6倍. 各断面TP质量浓度范围在0.09~0.33 mg ·L^-1，均值为0.16 mg ·L^-1，处在Ⅲ~劣Ⅴ类地表水(湖库); 从2013年10月至12月，各断面TP质量浓度逐月升高，随后下降至2014年1月，于2月TP质量浓度达到高峰，断面东湖郡质量浓度最高; 全湖比较，2014年2月较2013年10月TP质量浓度增加了1倍.

图 4

Fig. 4

图 4 三峡蓄水期间汉丰湖水质氮、 磷营养盐质量浓度时间变化 Fig. 4 Change in N and P concentrations with time in Hanfeng Lake during the storage period of Three Gorges Reservoir

各采样断面Chl-a质量浓度随时间变化见图 5. Chl-a质量浓度范围在0.63~52.8 mg ·L^-1，均值为8.99 mg ·L^-1. 从2013年10月至12月保持升高趋势，至2014年1月降低，随后于2014年2月达到高峰，其中东河大桥质量浓度最高. 全湖比较，2014年2月较2013年10月Chl-a质量浓度增加了3.27倍.

图 5

Fig. 5

图 5 三峡蓄水期间汉丰湖水质Chl-a质量浓度时间变化 Fig. 5 Change in Chl-a concentration with time in Hanfeng Lake during the storage period of Three Gorges Reservoir

三峡蓄水期间，汉丰湖水环境因子相关关系见表 1.Chl-a与水温、 SD、 pH、 DO、 NH₄⁺-N、 NO₃^--N、 TN、 高锰酸盐指数、 TP相关性极显著，其中与水温、 SD呈极显著负相关; 说明藻类的生长与TP、 TN、 高锰酸盐指数质量浓度增加有关，同时也受到DO、 pH的影响; 藻类的繁殖引起Chl-a质量浓度增加，导致了SD的下降. 高锰酸盐指数与营养盐之间呈显著正相关，说明水质受到了同一污染源的影响. 张晟等^[15]对三峡水库支流回水区的研究中也得出相类似的结论.

表 1(Table 1)

表 1 三峡蓄水期间汉丰湖水环境因子相关关系 1) Table 1 Correlation among environmental factors of water in Hanfeng Lake during the storage period of Three Gorges Reservoir Chl-a 水温 SD pH DO NH4+-N NO3--N TN TP 高锰酸盐指数 Chl-a 1 水温 -0.519a 1 SD -0.653a 0.239 1 pH 0.780a -0.897a -0.527a 1 DO 0.775a -0.899a -0.566a 0.968a 1 NH4+-N 0.700a -0.551a -0.666a 0.655a 0.738a 1 NO3--N 0.523a -0.916a -0.445b 0.843a 0.889a 0.654a 1 TN 0.660a -0.880a 0.588a 0.899a 0.934a 0.723a 0.961a 1 TP 0.688a -0.406b -0.712a 0.561a 0.645a 0.567a 0.605a 0.668a 1 高锰酸盐指数 0.716a -0.456b -0.664a 0.626a 0.645a 0.781a 0.517b 0.598a 0.535a 1 1)a字母表示P<0.01,相关性极显著; b字母表示P<0.05，相关性显著

表 1 三峡蓄水期间汉丰湖水环境因子相关关系 1) Table 1 Correlation among environmental factors of water in Hanfeng Lake during the storage period of Three Gorges Reservoir

开县以农业为主，汉丰湖消落区受人为干扰较重，落干期间当地居民在消落带进行种植活动，部分 肥料被遗留在土壤中，当这部分土壤被淹没后，N、P元素会向上覆水释放; 水位抬高后，淹没状态的岸边植被通过微生物的作用，会向水中释放N、 P元素，且释放量随pH值的增加而提高^[17,18]; 河床底泥在淹水的浸泡下也有向水体释放N、 P的可能^{[5, 7, 19]}; 同时，受开县城区扰动，大量的生活污水、 生产污水排入湖内，使营养物质在湖区累积; 经现场调查，水位抬高后聚集了大量钓鱼者，向水体中投放饲料，使水体营养盐浓度得到提升; 且蓄水期处于枯水季节^[10]，地表径流水量补给减少，势必减弱水体自身的交换能力; 加上汉丰湖河床平坦、 比降小，受三峡蓄水的影响，水体几乎处于静止状态^[3]，湖内累积的营养物质得不到排放，致使水体TN、 TP含量趋于升高. 高锰酸盐指数与NH₄⁺-N质量浓度在2013年1月降低可能与水体自净有关. 然而，湖中TP质量浓度升高过程中，在2014年1月发生了沉降; 由表 1所示，TP与水温、 DO、 pH相关性均显著，可能水温、 DO、 pH通过影响水生生物与沉积物中微生物活动，引起水体中TP质量浓度呈现升高与沉降交替出现现象^{[6, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26]}. 在空间上，南河与东河采样断面营养盐浓度处于较高水平，说明南河受人为扰动相对剧烈，东河次之，湖心与调节坝受干扰较小，营养化程度相对较弱. 3.3 TN、 TP与Chl-a变化状况

通常认为，藻类生长的条件需满足TN质量浓度>0.20 mg ·L^-1，TP质量浓度>0.02 mg ·L^-1，且N/P在8~30之间^[9]. 经分析，在三峡蓄水期间，汉丰湖各断面水体TN与TP浓度已超过浮游植物生长的标准，在2013年12月至2014年2月期间全湖TN/TP总平均值范围在9.09~18.55之间，随时间推移基本呈现升高趋势; 说明随滞留时间延长汉丰湖水体适合藻类的生长，当其他环境因子满足条件下，极易暴发水华，引起水体富营养化^[27,28]. 参照Chl-a单因子富营养化评价标准(当Chl-a质量浓度>78 mg ·L^-1为重富营养，Chl-a质量浓度在11~78 mg ·L^-1为富营养，Chl-a质量浓度在3~11 mg ·L^-1为中营养，Chl-a质量浓度<3 mg ·L^-1为贫营养^[15])，蓄水期间汉丰湖营养状态由贫营养向富营养化演变. 通常认为，藻类生长生理平衡需TN/TP为16 ∶1，当TN/TP>16 ∶1时，TP为限制藻类增长的因素; 而TN/TP<16 ∶1时，限制藻类增长的因素为TN^{[9, 29, 30]}. 表 2所示，在2013年10月至12月，全湖TN/TP值低于16，藻类生长受TN限制. 在2014年1月，全湖TN/TP值高于16，藻类生长受TP限制; 在2014年2月，TP浓度迅速增加，TN/TP均值为13.13，藻类受限因子为TN. 结合TN、 TP同Chl-a均呈极显著正相关，说明N、 P浓度的变化影响着藻类的繁殖; 且Chl-a与TP的相关性较强，表明三峡蓄水期间汉丰湖水体藻类的生长受TP影响强于TN，可加强对TP浓度的控制，使藻类繁殖受限.

表 2(Table 2)

表 2 三峡蓄水期间汉丰湖氮磷浓度比 Table 2 Nitrogen/phosphorus ratio of Hanfeng Lake during the storage period of Three Gorges Reservoir 采样断面 采样时间 2013-10 2013-11 2013-12 2014-01 2014-02 调节坝 4.58 4.37 10.92 24.19 15.83 东湖郡 4.97 4.74 9.38 17.58 10.58 东河大桥 5.61 4.44 10.51 19.34 13.28 湖心 3.47 6.51 6.38 16.35 14.21 石龙船大桥 3.58 5.18 8.24 15.32 11.76 全湖平均值 4.44 5.05 9.09 18.55 13.13

表 2 三峡蓄水期间汉丰湖氮磷浓度比 Table 2 Nitrogen/phosphorus ratio of Hanfeng Lake during the storage period of Three Gorges Reservoir

以该期内汉丰湖水质为研究对象，进行因子分析，对水质营养程度进行综合评价，挖掘出水质营养化的主导因子，求出得分排名，分析水质营养状态的变化规律. 在因子分析之前，进行KMO与Bartlett检验，KMO值结果为0.817，Bartlett 球型检验结果P<0.01，表明进行因子分析较优^[31]，各指标之间联系紧密. 按照特征根≥1的原则，在时间和空间上分别提出了两组因子(表 3)，S1(45.26%)与S2(39.46%)累积贡献率达到了84.72%; K1(45.43%)与K2(38.95%)累积贡献率达84.37%. S1与K1中水温、 pH、 DO、 NO₃^--N、 TN因子载荷较高，其绝对值均>0.8，反映了水质含氮营养盐的程度; S2 与K2中Chl-a、 SD、 NH₄⁺-N、 高锰酸盐指数、 TP因子载荷较大，说明水质受还原性物质、 磷酸盐与藻类的影响. 从以上分析可以看出，三峡蓄水期间引起汉丰湖水体富营养化主要是受pH、 DO、 NO₃^--N、 TN的干扰，而Chl-a、 NH₄⁺-N、 TP与高锰酸盐指数的影响次之.

表 3(Table 3)

表 3 三峡蓄水期间汉丰湖水质因子载荷 1) Table 3 Factor loading of water quality in Hanfeng Lake during the storage period of Three Gorges Reservoir 指标 时间因子 空间因子 S1 S2 K1 K2 Chl-a 0.42 0.77* 0.43 0.77* 水温 -0.98** -0.14 -0.98** -0.14 SD -0.13 -0.90** -0.13 -0.90** pH 0.85** 0.45 0.86** 0.45 DO 0.84** 0.51 0.86** 0.45 NH4+-N 0.45 0.74* 0.44 0.75* NO3--N 0.90** 0.32 0.89** 0.33 TN 0.85** 0.47 0.84** 0.48 TP 0.33 0.75* 0.31 0.76* 高锰酸盐指数 0.31 0.79* 0.33 0.78* 贡献率/% 45.26 39.46 45.43 38.95 累计贡献率/% 45.26 84.72 45.43 84.37 1) **与*分别表示较高与中等因子载荷量，采用最大方差法对原始标准化数据进行旋转

表 3 三峡蓄水期间汉丰湖水质因子载荷 1) Table 3 Factor loading of water quality in Hanfeng Lake during the storage period of Three Gorges Reservoir

因子得分越高，说明水质受该类污染越大. 时间分析结果表明(表 4)，2013年10月至2014年1月期间Y1因子得分较高，说明在该期内主要受TN的污染; 2014年2月，Y2因子得分较高，说明受还原性物质和Chl-a与磷酸盐的污染. 根据综合得分排名结果，水质营养化程度为2014年2月>2014年1月>2013年12月>2014年10月>2014年11月; 这说明2013年11月期间，汉丰湖水体在进行自净，但自净能力随滞留时间的延长减弱; 由于营养物质的累积与补充，污染物得不到降解，水环境适合藻类的生长，导致营养化程度的加深.

表 4(Table 4)

表 4 三峡蓄水期间汉丰湖水质时间因子得分与综合排名 Table 4 Time factor of water quality score and ranking in Hanfeng Lake during the storage period of Three Gorges Reservoir 时间(年-月) 时间因子得分 排名 Y1得分 Y2得分 综合得分 2013-10 -2.20 -2.71 -2.07 4 2013-11 -1.84 -3.89 -2.37 5 2013-12 0.05 -0.55 -0.20 3 2014-01 0.90 -0.13 0.36 2 2014-02 3.09 7.28 4.27 1

表 4 三峡蓄水期间汉丰湖水质时间因子得分与综合排名 Table 4 Time factor of water quality score and ranking in Hanfeng Lake during the storage period of Three Gorges Reservoir

空间分析结果表明(表 5)，断面调节坝、 湖心K1因子得分较高，表明受TN的污染较严重; 东湖郡、 东河大桥、 石龙船大桥K2因子得分较高，表明主要受还原性物质、 Chl-a与磷酸盐的污染; 根据综合得分排名结果，断面营养化程度为石龙船大桥>东河大桥>东湖郡>湖心>调节坝.

表 5(Table 5)

表 5 三峡蓄水期间汉丰湖水质空间因子得分与综合排名 Table 5 Spatial factor of water quality score and ranking in Hanfeng Lake during the storage period of Three Gorges Reservoir 采样断面 时间因子得分 排名 K1得分 K2得分 综合得分 调节坝 -0.52 -1.71 -0.90 5 东湖郡 0.11 0.18 0.12 3 东河大桥 0.23 0.50 0.30 2 湖心 -0.14 -0.52 -0.27 4 石龙船大桥 0.32 1.56 0.75 1

表 5 三峡蓄水期间汉丰湖水质空间因子得分与综合排名 Table 5 Spatial factor of water quality score and ranking in Hanfeng Lake during the storage period of Three Gorges Reservoir

4 结论

(1)三峡蓄水期间，汉丰湖水体中营养盐与(Chl-a)质量浓度时间差异性明显，在淹水后有升高现象，TN、 TP质量浓度均超过藻类生长限值，随滞留时间延长易造成水体富营养化，应引起重视. Chl-a单因子评价反映出汉丰湖水质由贫营养向富营养演变. TN/TP在4.44~18.55之间，2013年10月至12月与2014年2月，藻类生长受TN限制; 在2014年1月，藻类生长受TP限制; TN、 TP分别在不同时间内制约着藻类的生长.

(2)Chl-a与pH、 DO、 NH₄⁺-N、 NO₃^--N、 TN、 高锰酸盐指数及TP呈显著正相关，而与SD、 水温呈显著负相关. 蓄水期间，水质受到了同一污染源的影响.

(3)因子分析结果表明，三峡蓄水期间，汉丰湖消落区水质受到N、 P营养盐及好氧性有机物的污染; 根据营养状态时间综合评价结果：2014年2月>2014年1月>2013年12月>2013年10月>2013年11月，在蓄水稳定初期水体具有自净能力，随蓄水滞留时间的延长，水质污染程度整体上呈现逐步恶化的趋势; 根据营养状态空间综合评价结果：石龙船大桥>东河大桥>东湖郡>湖心>调节坝，南河、 东河污染较重，应加强治理.

致谢： 感谢三峡工程建设委员会办公室对本项目的支持. 杨兵、 王涛等在采样和实验方面提供帮助，在此一并致谢！