环境科学  2020, Vol. 41 Issue (9): 4030-4041
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湖泊是水资源的重要载体, 是生态系统重要的组成部分, 长江中下游是我国湖泊分布最密集的区域, 湖泊面积在1 km2以上的湖泊共有651个[1], 面积大于100 km2的有18个, 但湖泊深度大多较浅, 平均深度在1~6 m.在人口增长、城市化和农业生产集约化的推动下, 大量的氮、磷营养物质随着生活污水、工业废水以及农业废水排入其中, 导致长江中下游很多湖泊出现富营养化和蓝藻水华暴发等问题[2].
氮磷营养盐是湖泊初级生产力的物质基础, 是引起湖泊蓝藻暴发的关键因素[3~5].作为限制性资源, 除了绝对浓度外, 氮磷的比率(TN/TP)也是影响浮游植物生物量以及藻类群落结构的重要因素[6, 7].一般来说, 浮游植物的生长以及生理平衡所需的TN/TP为16, 即Redfield值[8].但不同的浮游植物其元素组成具有种群间的差异性, 且生长所需要的营养盐比例也各不相同[9].水体中的TN/TP变化会改变浮游植物体内营养盐含量以及酶活性, 从而限制了浮游植物的生长, 并且改变浮游植物的群落组成[10].目前TN/TP逐渐成为判定水体中限制性元素以及评价水体营养结构最常用的工具.国内外诸多学者提出湖泊水体中营养盐的限制标准[11~13]: ①当TN/TP < 7~10时, 水体中的浮游植物表现为氮限制状态, 有可能为调节TN/TP而发生生物固氮作用, 以消纳水体中相对较多的磷; ②当TN/TP>23~30时, 水体中的浮游植物表现为磷限制, 较低的磷含量会抑制氮素的有机合成; ③当TN/TP介于两者之间时, 为浮游植物生长的最佳范围, 加速浮游植物对氮素有机合成, 促进藻类暴发性生长.Dolman等[14]使用分段模型测试了德国369个浅水湖泊, 发现不同形态的氮磷比值对预测浮游植物生物量具有重要意义.Vanderhoef等[15]的研究则发现TN/TP对浮游植物群落结构的影响主要体现在对固氮藻类的影响, 即TN/TP减少有利于固氮藻类的生长.著名的加拿大安大略实验湖区实验[16], 通过对全湖区只施加磷肥或施加缺氮肥料来降低TN/TP, 结果导致固氮鱼腥藻和束丝藻的大量生长; Vrede[17]在瑞典富营养化湖泊Limmaren湖进行围隔实验, 同样也得出低TN/TP会引起固氮蓝藻的生长.Smith等[12]在总结大量湖泊的水质调查结果时, 发现当TN/TP < 29时, 固氮蓝藻更容易成为优势, 因此认为低TN/TP有利于蓝藻在水体中形成优势, 即氮磷比假设.然而, 水体中TN/TP的高低与固氮蓝藻是否占优势存在较大的不确定性, 一些学者通过野外调查研究显示, TN/TP与固氮蓝藻的优势度没有相关性[18, 19].另外, Xie等[20]在武汉东湖进行的氮磷添加实验发现, 在保证氮磷营养盐浓度充足的情况下, TN/TP < 29或者TN/TP>29都发生了蓝藻水华, 而在蓝藻暴发的过程中极大激活了沉积物中磷的释放, 因此认为低TN/TP不是蓝藻水华暴发的原因, 而是蓝藻暴发的结果.
国内外众多学者收集了许多湖泊的TN和TP浓度, 结果发现TN/TP变化范围相当广范, 水体中TN/TP的变化受诸多因素影响[21~24].吴世凯等[25]基于2003~2004年对长江中下游33个浅水湖泊生长季节和非生长季节的TN/TP进行研究, 结果发现TN/TP的变化与TP密切相关, 但在生长季节, TN的降低是TN/TP降低的重要原因; 曾海鳌等[26]于2002~2004年对长江中下游49个湖泊的TN/TP进行了研究, 结果发现尽管TN/TP随TP的季节变化比较明显, 但各个季节的TN/TP与TN的相关性优于TP, 因此认为TN是引起TN/TP季节变化的关键因子.而这些研究主要是基于十几年前的调查结果, 在过去的10几年, 长江中下游富营养化水平有了显著的变化[27], 而已有的研究主要分析了浅水湖泊生物地球化学本身对TN/TP比的影响, 没有考虑湖泊通江与否对TN/TP比的影响, 也没有对比分析浅水湖泊与深水湖泊TN/TP的差异及其原因.因此, 本研究于2018年春季和夏季对长江中下游的浅水湖泊进行水质调查, 并选择3个深水水库作为深水湖泊进行对比研究, 分析长江中下游不同类型湖泊的TN/TP时空变化特征, 揭示长江中下游湖泊TN/TP的影响因素, 并探究TN/TP与蓝藻优势之间的关系, 以期为长江中下游湖泊富营养化的治理以及生态环境的保护提供科技支撑.
1 材料与方法 1.1 研究区域概况长江中下游地区是我国浅水湖泊分布最为集中的区域, 5个淡水湖中, 鄱阳湖、洞庭湖、太湖和巢湖都分布于此.但由于经济的发展以及人类的活动, 极大程度改变了湖泊的循环规律, 导致生态系统结构、功能的退化, 水质恶化, 蓝藻水华频发, 严重制约了社会以及经济的可持续发展.本次采样从湖北荆州长湖到上海淀山湖, 主要以长江中下游的23个浅水湖泊和3个深水水库为研究对象(图 1).
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图 1 长江中下游调查湖泊位置示意 Fig. 1 Location of the investigated lakes in middle and lower reaches of Yangtze River |
根据换水周期、湖泊深浅和富营养化程度, 将湖泊较浅、富营养化程度较低以及换水周期较快的洞庭湖、梁子湖、鄱阳湖、石臼湖、军山湖、珠湖、阳澄湖、淀山湖、高邮湖和黄大湖划为过水性湖泊; 将换水周期较慢、富营养化程度较低以及湖泊较深的太平湖水库、柘林水库和花亭湖水库划为深水湖泊; 将换水周期较慢、湖泊较浅以及富营养化程度较高的长湖、大通湖、黄盖湖、洪湖、武山湖、龙感湖、武昌湖、巢湖、滆湖、岳阳南湖、武昌东湖、磁湖以及太湖划为富营养化湖泊.
1.2 样品的采集于2018年春季(4月)、夏季(7月), 对长江中下游26个湖泊与水库进行水质调查.根据湖泊的面积以及具有代表性的区域进行布点, 每个湖泊的样点数目不等, 每次采样使用GPS进行定位, 确保采样的点位精确度, 水样取自表层(0.5~1 m).采样过程中使用测深仪确定采样点的水深(depth), 并通过多参数水质检测仪(YSI-EXO)测定水温(WT)、溶解氧(DO)和pH等参数, 使用黑白塞氏盘(Secchi disc)进行透明度(SD)的测量.采集的水样先放入保温箱内, 冷冻带回实验室用于总氮(TN)、总磷(TP)以及高锰酸盐指数的测定, 并在现场及时通过0.45 μm的Whatman GF/F滤膜进行过滤, 滤膜用铝箔纸包裹后冷藏, 用于悬浮颗粒物(SS)以及叶绿素a(Chl-a)的测定, 滤后水用于硝态氮(NO3--N)等指标的测定.现场采集1 L水样装入PE塑料瓶中, 并加入10 mL鲁哥试剂进行固定, 用于浮游植物的鉴定.
1.3 样品分析以及处理方法TN和TP通过UV-2600型分光光度计, 采用碱性过硫酸钾消解、分光光度法[28]进行测定; SS通过烘干法进行测定; Chl-a先通过热乙醇提取后, 采用分光光度法进行测定[29].NO3--N、NO2--N、NH4+-N和DRP采用Skalar流动注射光度法进行测定.
湖泊各水质参数的平均值为测定点位的算术平均值, 湖泊富营养化指数(TLI)采用Chl-a、TP、TN、SD和高锰酸盐指数这5个参数计算得到[30], 计算公式如下:
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式中, TLI(Σ)为综合营养状况指数; TLI(j)为第j种参数的营养状态指数; Wj为营养状态指数的相关权重, 其中Chl-a、TP、TN、SD和高锰酸盐指数的权重分别为0.2663、0.1879、0.1790、0.1834和0.1834.
各参数营养状态指数的计算公式为:
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式中, Chl-a单位为μg·L-1, SD的单位为m, 其余指标的单位均为mg·L-1.
使用Origin和ArcGIS绘制图表, 并利用SPSS软件对湖库营养盐浓度进行Pearson相关性分析.
2 结果与分析 2.1 长江中下游湖泊营养状态的时空分布特点各种类型的湖泊营养盐指标变化具有空间性差异和季节性变化(如图 2).就TN而言, 过水性湖泊、深水湖泊和富营养化湖泊这3种类型的湖泊在春天都具有较高的浓度, 分别为(1.33±0.65)、(1.31±0.33)和(1.69±0.73) mg·L-1, 与春季相比, 夏季的TN浓度均有所下降, 其中深水湖泊下降幅度较大.春季和夏季富营养化湖泊TP浓度与过水性湖泊以及深水湖泊差异性较大, 分别为(0.15±0.08) mg·L-1和(0.21±0.15) mg·L-1, 均超过世界经济合作与开发组织(OECD)制定的超富营养水平标准(TP>0.1 mg·L-1), 并且过水性湖泊和深水湖泊TP在夏季都有所下降, 而富营养化湖泊却有着明显的上升.在春季, 过水性湖泊、深水湖泊和富营养化湖泊的叶绿素浓度分别为(11.61±9.92)、(2.48±1.50)和(37.51±35.94) μg·L-1, 夏季的叶绿素浓度分别为(24.34±13.94)、(4.12±1.61)和(107.68±114.83) μg·L-1, 可见, 无论是春季还是夏季, 富营养化湖泊的叶绿素浓度都显著高于其他类型的湖库.同时, 夏季作为蓝藻暴发的高频季节, 3种类型的湖泊叶绿素浓度均有所上升, 其中, 富营养化湖泊上升幅度较大.此外, 春季过水性湖泊和深水湖泊的硝态氮浓度较高, 分别为(0.72±0.51) mg·L-1和(0.74±0.35) mg·L-1, 而与春季相比, 夏季各个湖泊的硝态氮浓度均有显著的下降.从春季和夏季调查的富营养化指数来看, 深水湖泊的水质较好, 均未达到富营养化水平(TLI < 50), 过水性湖泊两季的富营养化指数变化不大, 分别为49.45±5.8和50.92±8.00, 而富营养化湖泊污染较为严重, 春季和夏季的富营养化指数分别为58.23±6.04和63.23±6.26, 分别达到了轻度富营养化水平和中度富营养化水平, 其中夏季滆湖、巢湖以及武山湖更是达到了重度富营养化水平.
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图 2 长江中下游湖库春季、夏季营养盐指标以及富营养化指数 Fig. 2 Nutrient index and eutrophication index of lakes in the middle and lower reaches of Yangtze River in spring and summer |
对于悬浮颗粒物来说, 春季过水性湖泊和富营养化湖泊的平均浓度较高, 分别为(26.19±20.30) mg·L-1和(23.95±11.80) mg·L-1; 在夏季, 富营养化湖泊的SS浓度远远超过其他两种类型的湖泊, 达(35.10±34.30) mg·L-1; 而深水湖泊无论是春季还是夏季都保持着较低的SS浓度, 分别为(9.52±6.06) mg·L-1和(1.91±0.62) mg·L-1(图 3).与春季相比, 过水性湖泊和深水湖泊夏季的SS浓度都有所下降, 而富营养化湖泊却有着显著的上升.其中过水性湖泊和富营养化湖泊的ISS/OSS占比夏季均有所上升, 而深水湖泊却有着显著的下降.
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图 3 长江中下游湖泊春季、夏季SS以及ISS/OSS Fig. 3 SS and ISS/OSS of lakes in the middle and lower reaches of Yangtze River in spring and summer |
长江中下游湖泊春季各采样点的TN/TP介于3.06~93.98, 平均值为21.52±14.28, 3种类型湖泊中富营养化湖泊的TN/TP较低, 为14.38±7.40, 深水湖泊的TN/TP较高, 为40.97±33.37;夏季各个采样点的TN/TP介于0.93~162.63, 平均值为21.73±23.78, 其中深水湖泊的TN/TP远远高于其余两类浅水湖泊为96.38±45.91, 而富营养化湖泊的氮磷比值较低, 为10.91±4.44.与春季相比, 夏季过水性湖泊和深水湖泊的TN/TP显著上升(图 4), 而富营养化湖泊却有明显下降, 在调查的26个湖泊中, 春季有17个湖泊的TN/TP的比值介于10~30, 占65.38%, 5个湖泊的TN/TP < 10, 4个湖泊的TN/TP>30;而在夏季有18个湖泊的TN/TP的比值介于10~30, 占69.23%, 4个湖泊的TN/TP < 10, 剩下的4个湖泊TN/TP>30, 表明无论是在春季还是夏季长江中下游各个湖泊中, 少数存在氮限制或者是磷限制的状态, 大多数湖泊适合藻类的生长, 容易引起蓝藻暴发等富营养化问题.
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图 4 长江中下游湖泊春季、夏季TN/TP以及TN/TP分类占比 Fig. 4 TN/TP classification of lakes in the middle and lower reaches of Yangtze River in spring and summer |
调查结果表明, 在春季, 过水性湖泊中高邮湖和军山湖蓝藻细胞丰度在总藻细胞丰度中占有较高的比例, 分别为95.18%和89.73%(图 5), 高邮湖、阳澄湖以及鄱阳湖中出现的蓝藻都是固氮蓝藻, 另外像淀山湖、石臼湖和洞庭湖等5个湖泊, 虽有浮游植物的生长, 但是并未出现蓝藻; 相较于春季, 夏季过水性湖泊中除了高邮湖以外, 其他湖泊蓝藻细胞丰度均有明显的增长, 其中, 在阳澄湖、淀山湖和梁子湖等6个湖泊中蓝藻成为优势种属, 而且固氮蓝藻细胞丰度以及在蓝藻中所占比例也都有明显的增加.对于深水湖泊来说, 太平湖蓝藻在夏季有显著增长, 并且所生长的蓝藻均为固氮蓝藻, 而柘林水库以及花亭湖水库, 蓝藻和固氮蓝藻都有所下降, 柘林水库的蓝藻均为固氮蓝藻, 而花亭湖水库的蓝藻在夏季只占蓝藻细胞丰度的56.85%, 但固氮蓝藻占总蓝藻细胞丰度的83.64%;就富营养化湖泊而言, 巢湖、滆湖和岳阳南湖等湖泊蓝藻细胞丰度较高, 分别为2.12×108、6.33×106和1.23×107 cells·L-1, 巢湖、洪湖、岳阳南湖和武昌东湖蓝藻所占总藻的比值较高, 分别为99.54%、83.72%、98.03%和81.25%, 而大通湖并未有蓝藻出现, 到了夏季, 大通湖总藻细胞丰度有所增加, 但蓝藻却依旧未出现, 其他湖泊的蓝藻已成为优势种属; 除了武山湖蓝藻细胞丰度有所下降以外, 其他湖泊均有所上升, 但是诸如巢湖和滆湖等6个湖泊固氮蓝藻的比例却下降了.
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图 5 长江中下游湖泊春季、夏季蓝藻以及固氮蓝藻占比 Fig. 5 Proportions of cyanobacteria and nitrogen-fixing cyanobacteria in lakes in the middle and lower reaches of Yangtze River in spring and summer |
湖泊营养源的组成是湖泊TN/TP的主要决定因素, 其来源主要有TN/TP较高的降雨、地下水以及TN/TP较低的工农业废水、生活污水等[22].深水湖泊的营养盐一方面主要来源于TN/TP较高的降雨或者是积雪融化, 并通过渗流的方式汇入土壤形成径流进入水库, 笪文怡等[31]通过高频监测, 发现降雨与水库中的各营养盐指标存在显著的正相关, 表明降雨对深层水库TN/TP具有一定的影响, 另一方面, 面源污染也是影响TN/TP变化的主要原因, 龚世飞等[32]对丹江口水库污染源进行探究, 发现农业生活废水以及规模化畜禽养殖是增加污染负荷的主要原因.而对于富营养化湖泊来说, 其外源来源于TN/TP较低的工农业废水以及生活污水, 通过地表径流汇入湖泊, 例如根据对巢湖9条入湖河流进行监测[33], 发现平均入湖TN/TP较低, 为10.92, 再如滆湖和长湖的入湖TN/TP分别为9.39和5.54[34, 35], 这都导致湖泊水体本身TN/TP的降低.此外, 像大通湖、长湖和龙感湖等湖泊多用于水产养殖, 而水产养殖对水体的TN/TP也有一定的影响, Wang等[36]就对中国淡水湖泊水产养殖进行研究, 发现鱼类以及贝类氮磷释放比值为8.00, 这就会直接影响湖泊水体中的TN/TP.
TN/TP与湖泊性质以及湖泊营养盐浓度等Pearson相关性分析结果见表 1, 从中可以得出在春季, TN/TP与湖泊深度和TN呈显著正相关(P < 0.01), 与TP以及TLI呈显著负相关(P < 0.01), TP与TN具有显著正相关(P < 0.01), SS与TN具有显著正相关(P < 0.01), 而与TP不相关; 在夏季, TN/TP与湖泊深度呈显著正相关(P < 0.01), 与TP呈显著负相关(P < 0.01), TP与TN同样具有显著正相关(P < 0.01), 而SS除了像春季一样与TN具有正相关外, 与TP也具有正相关关系(P < 0.01).无论是春季还是夏季, 长江中下游湖泊的TN/TP与水深都呈显著正相关(P < 0.01), 如图 6所示, TN/TP与湖泊深度拟合结果较好(R2=0.2756、R2=0.7390).长江中下游湖泊多为浅水湖泊, 而浅水湖泊的温度、溶解氧等理化性质分层不明显, 对磷的迁移和控制作用影响比较大[37, 38]; 与深水湖泊相比, 浅水湖泊的单位水体具有更大的水-沉积物接触面积比例以及更高的真光层深度-水深比例, 风浪扰动也更容易引起沉积物再悬浮, 这就充分地引起沉积物与水体之间的磷交换, 沉积物也能更直接地影响水体中的磷[39~41].对于深水湖泊来说, 由于温跃层的存在, 沉积物中的磷补给无法供应到表层, 从而使水体中的磷浓度下降, 同时还有较高TN/TP的外源输入, 导致深水湖泊中的TN/TP偏高[42].
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表 1 长江中下游湖泊春季、夏季湖泊水质指标与TN/TP的相关关系1) Table 1 Correlations between water quality indicators of lakes and TN/TP in the middle and lower reaches of Yangtze River in spring and summer |
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图 6 长江中下游湖泊春季、夏季湖泊深度与TN/TP的关系 Fig. 6 Relationship between lake depth and TN/TP in the middle and lower reaches of Yangtze River in spring and summer |
另外, 在夏季过水性湖泊的TN/TP与TP呈负相关, 这可能是由于过水性湖泊TP与水体中的SS具有一定的相关性, 如图 7所示, 长江中下游过水性湖泊TP与SS拟合效果较好, 而大量研究表明, 过水性湖泊中的磷浓度与水体中的SS关系密切, 丰水期间, 虽然入湖泥沙量显著增加, 但是湖区的水流速度相对缓慢, 入湖泥沙易于落淤, 导致水体内以SS形态存在的TP下降[43], 此外入湖流量显著增大, 水体中的磷污染物也得到了稀释作用, 造成生长季节水体中磷浓度的降低, 在这两者的共同作用下, 使水体中的TP不升反降, 而夏季温度的升高有利于水体进行反硝化脱氮, 使水体中的氮素浓度下降, 导致水体中的TN/TP并没有明显的变化, 保持在10~30之间, 反而让水体变得更适合浮游植物的生长.
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图 7 长江中下游湖库夏季SS与TN/TP以及TP的关系 Fig. 7 Relationship between SS and TN/TP and TP in lakes and reservoirs in the middle and lower reaches of Yangtze River in summer |
相较于过水性湖泊以及深水湖泊, 长江中下游富营养化湖泊有着较高的叶绿素浓度, 尤其在夏季高达(107.68±114.83) μg·L-1, 但其TN/TP却相对较低.根据相关性分析显示(表 2), 富营养化湖泊的TN/TP与温度、TP呈显著负相关(P < 0.01), 而与TN呈正相关关系(P < 0.05), 这可能是由于夏季作为生长季节, 一方面, 温度的升高促使微生物活性的增强, 加剧了底泥中磷的释放, 另一方面, 藻类的快速增长, 改变水体中的pH促使沉积物中磷的释放, 这两者都增加了上覆水中的磷含量[44]; 同时湖泊表层藻类的生长会降低透光度, 抑制水下藻类光合作用的发生, 降低水体中的溶氧, 而在沉积物-水界面处沉没的浮游植物通过生物降解或是呼吸作用消耗大量的氧气, 并且藻类分解产生大量颗粒态或溶解态有机碳, 这些为反硝化提供理想条件, 增强水体中反硝化作用, 彻底去除水体中的部分氮素[45], 而且温度的升高本身就有利于反硝化的进行, 因此富营养化湖泊在底泥磷释放以及反硝化的作用下, TN/TP相较于春季, 有明显的下降.
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表 2 长江中下游富营养化湖泊各水质指标与TN/TP的相关关系1) Table 2 Correlation between water quality indicators and TN/TP of eutrophic lakes in the middle and lower reaches of Yangtze River |
蓝藻是引起水华暴发的主要藻类之一, 部分蓝藻诸如鱼腥藻属(Anabaena)和束丝藻属(Aphanizomenon)等丝状藻类具有固氮能力, 在其生长过程中以及死亡后向水体释放出大量氮素, 使水体中的N含量升高[46].在湖泊生态系统中, 固氮蓝藻可以在可利用性氮较低的情况下, 通过固氮作用以达到其生长的需求, 因此在低TN/TP的环境下, 有利于固氮蓝藻在水体中形成优势, 即经典的氮磷比假设.我国巢湖、滇池和洱海等湖泊都发生过以鱼腥藻属、束丝藻属为优势种属的蓝藻水华[47, 48]; Havens等[49]对亚热带浅水湖泊进行了一个为期28年的调查, 结果发现了低TN/TP有利于固氮蓝藻的繁殖.然而, 固氮蓝藻能否形成优势的影响因素有很多, 不仅仅是低TN/TP这一单一条件, 如Kosten等[50]沿纬度梯度调查了83个湖泊, 结果发现TN/TP与固氮蓝藻的优势度并不相关; Lv等[19]对武汉的15个浅水湖泊浮游植物群落结构和生物量进行研究, 结果发现即使在低TN/TP(< 10)的情况下, 湖泊中固氮蓝藻也不一定能成为优势种; 而在美国温带地区阿拉巴马州, 短期的营养盐添加围隔实验(将TN/TP范围控制在7~122), 结果表明无论TN/TP高低, 都是固氮蓝藻拟柱胞藻(Cylindrospermopsis raciborskii)占优势[51].Liu等[52]对太湖进行了一个为期11a的调查, 调查结果发现低TN/TP不仅有利于固氮蓝藻, 也有利于非固氮蓝藻的生长.笔者在长江中下游湖泊调查中发现, 诸如夏季滆湖、巢湖和龙感湖等湖泊在夏季TN/TP较低, 分别为10.63、9.32和12.78, 对应的蓝藻细胞丰度占比较高, 分别为82.08%、99.99%和91.63%, 其中滆湖和龙感湖固氮蓝藻占蓝藻总细胞丰度的比值为47.79%和67.46%, 而巢湖固氮蓝藻的占比只有0.42%;此外像武昌湖和武山湖TN/TP同样较低, 蓝藻并未形成优势种群; 其中大通湖为此次调查TN/TP最低的湖泊(1.53), 甚至并未出现蓝藻.相关性分析显示(表 3), 无论是春季还是夏季蓝藻细胞丰度都与TN/TP无关, 而与TN和TP的绝对浓度相关, 这与许海等人研究相一致, 发现当水体中的氮、磷浓度较高时, TN/TP对藻类的生长影响较小, 只有当水体中的氮或者磷成为限制因子时, TN/TP才会对藻类的生长产生影响.因此TN/TP不是影响浮游植物群落的唯一影响因子, 浮游植物群落结构应是营养盐的绝对浓度以及物理水文等因素共同影响的结果.
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表 3 长江中下游湖泊春季和夏季总藻细胞丰度、蓝藻细胞丰度、固氮蓝藻细胞丰度与TN、TP、SS、TN/TP、TLI的相关关系1) Table 3 Correlations between total algal cell abundance, cyanobacterial cell abundance, nitrogen-fixing cyanobacterial cell abundance, and TN, TP, SS, TN/TP, and TLI in lakes in the middle and lower reaches of Yangtze River in spring and summer |
目前, 富营养化湖泊治理的关键就是控制营养盐的输入, 但是控制营养盐的输入投资巨大, 因此, 对于控磷、还是控氮、或是两者都控的问题上一直存在争议[53, 54].长期以来, 水体中TN/TP一直被用于判别浮游植物生长的营养盐限制类型, 当TN/TP高于Redfield值时认为藻类受P限制, 当TN/TP低于Redfield值时认为藻类受N限制[55].但是营养盐对浮游植物生长的限制主要体现在两个方面, 一方面是水体中N、P营养盐的绝对浓度对浮游植物生长的影响, 通过判断营养盐的绝对浓度是否低于浮游植物生长的阈值, 从而判断是否限制浮游植物的生长; 另一方面水体中营养盐的相对浓度(即TN/TP)判断对浮游植物生长的影响, 但是通过营养盐的相对浓度只能表明, 相较于其中一种营养盐, 另一种营养盐首先消耗到低值, 但并不代表这一营养盐低于浮游植物生长的阈值, 或许远远高于浮游植物生长的阈值, 满足浮游植物的生长需要.另外, 利用TN/TP作为判断湖泊水体中浮游植物生长的限制因子, 会忽视浮游植物对N、P营养盐的存储以及水体中N、P营养盐的再生速率等问题[56].因此仅仅通过营养盐的相对浓度来判断营养盐的限制因子往往存在一定的局限性. Paerl等[46]认为TN/TP理论难以满足对富营养化湖泊蓝藻水华暴发机制的解释, 因为富营养湖泊中水体的N、P负荷较大, N、P营养盐水平可能远远高于浮游植物生长的阈值.所以对于湖泊富营养化的治理, 需要加强外源的控制.其中像太湖、滆湖和巢湖等湖泊富营养化指数较高, 属于中度甚至是重度富营养化水平, 通过对排放的浓度进行设限, 控制排入的物质种类, 严格把控水体附近的点源以及农业面源, 并结合引清调度、底泥疏浚和物理除藻等方式进行治理; 而像大通湖、长湖和龙感湖等渔场型湖泊应从个体散养向规范化集中养殖转变, 控制其养殖规模, 规范投饵方式, 推行生态养殖, 以达到控制渔业对生态的污染; 而对于岳阳南湖、武昌东湖和黄石磁湖等城市湖泊来说, 应控制工业废水以及生活污水的排放, 并利用生态工程方式对湖泊的水质进行修复和改善, 采用清淤的方式对内源污染进行清除, 以达到恢复生态环境的目的.而对于水库而言, 水体中的N、P浓度较低, 可以通过TN/TP判断为水体中浮游植物的生长受到磷的限制, 因此, 只需对磷加以控制便可以防止水库富营养化的发生[57].
4 结论(1) 本研究选取的3种不同类型的26个湖泊TN/TP空间分布以及季节变化差异性较大.在春季3种类型湖泊中富营养化湖泊的TN/TP较低, 深水湖泊的TN/TP较高; 夏季深水湖泊的TN/TP远远高于其余两类浅水湖泊, 而富营养化湖泊的TN/TP比值较低; 与春季相比, 夏季过水性湖泊和深水湖泊的TN/TP显著上升, 而富营养化湖泊却有明显下降.
(2) 湖库营养盐来源是影响TN/TP的主要因素, 另外, 浅水湖泊中因为深度较浅, 风浪扰动易引起沉积物再悬浮, 导致水体中的P浓度增加, 引起TN/TP的变化; 深水湖泊则因为深度较深, 沉积物中的磷难以影响上覆水中磷的含量; 对于过水性湖泊, 水体中的颗粒态磷易于堆积, 降低水体中的磷含量; 而在富营养化湖泊中, 藻类不仅会刺激底泥磷释放, 也会促进水体中的脱氮效果.因此水体中的磷沉积, 沉积物磷释放, 以及浮游植物导致的氮的减少是引起TN/TP变化的重要原因.
(3) 对于过水性湖泊来说, 局部挖深不仅可以减少水体中的磷负荷, 还可以降低底泥磷的内源风险, 抑制富营养化的发生; 对于深水湖泊来说, 可以通过控磷来调节浮游植物的生长; 对于富营养化湖泊来说, 一方面调控江湖关系, 将受阻隔的湖泊实现通江或半通江, 降低湖泊内污染物的堆积, 另一方面应控制污染源, 并结合引清调度、底泥疏浚、优化渔业产业结构等方式进行治理, 可以提高长江中下游湖泊生态质量.
致谢: 样品采集得到了李娜、笪文怡、石玉、史鹏程、陈业、郭锐和徐轩等人的大力帮助, 样品分析由余茂蕾、胡林娜、胡春华、薛静琛、钱荣树、张成英和叶小锐等人协助完成, 在此一并表示感谢！
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表 1
(Table 1)
