受到季节变化而产生水温分层，这是深水型湖泊较于浅水型湖泊的一个重要特征.在高温季节，深水湖泊上层湖体由于受到较强的来自大气及太阳辐射的物质和能量交换，致使湖体上下层产生温差.温差导致了水密度的不同，进而导致垂向剖面水温结构自上而下形成变温层、温跃层和等温层^[1]，呈现出季节性分层现象.温跃层的静力稳定度较大，可阻碍上下层水体物质的混合交换，加之水的所有理化特性几乎都与水温有关^[2]，因此水温分层对水体的pH、溶解氧、营养盐及浮游植物的垂向分布会产生重大影响^[3~5].

抚仙湖位于云南省东部，跨澄江、江川、华宁三县，属珠江流域南盘江水系，水资源蕴藏丰富，湖泊储水量位于全国的第3位，占全国淡水湖泊蓄水量的9.16%^{[6, 7]}，最大水深157.3 m，平均水深87 m，是我国最大的深水型淡水湖泊，同时也是著名的高原深水断陷型湖泊.抚仙湖湖体容量大，生态价值显著，对地区乃至全国的经济、社会发展起着重要的支撑作用，开展针对以抚仙湖为代表的相关研究对于加深对高原深水湖泊的认识具有重要的意义.玉溪市监测站对抚仙湖水质的例行监测已持续进行了30多年，监测结果显示抚仙湖目前水质仍维持在Ⅰ类，但遗憾的是，例行监测获取的结果反映的大多只是表层区域 (0~15 m) 的水质情况，对于湖泊水体垂向分层的研究则较少涉及.

为了掌握抚仙湖夏季热分层期间水温分层的特征、水体理化性质与水温分层的响应关系，以及水温和水质分层的昼间变化特征，项目组于2014年7月在抚仙湖南部、中部以及北部各设置一个点位进行水体分层采样调查，并于昼间在北部采样点开展了连续9 h的分层调查监测.本研究在此调查基础上，以抚仙湖夏季热分层时期水体各理化参数成层与水温成层之间的关系为研究内容，探讨水温水质空间特征及其昼间变化规律，揭示抚仙湖夏季热分层时期的水环境特征，以期为保护抚仙湖水生态安全提供科学依据，并为暖温带高原深水湖泊的进一步研究提供科学参考.

2014年7月底在抚仙湖开展了垂向水体分层采样调查.根据抚仙湖的基本形状，选择的3个点位分别是抚仙湖的南部S点 (位置：东经102.851 33°，北纬24.409 93°)、中部M点 (位置：东经102.885 03°，北纬24.494 51°) 以及北部N点 (位置：东经102.857 68°，北纬24.561 90°)，采样点位示意如图 1所示.在S、M和N点分别进行一次垂向水体分层采样，并定点北部的N点，开展昼间9 h的连续分层采样观测，于08:00、11:00、14:00和17:00每间隔3 h进行一次垂向水体分层采样，共连续采集4次，采样现场情况见表 1.使用5 L容量的Schindler采水器采集水样，由于变温层和温跃层水温变化较大，而深水层水温变化较小，所以从表层开始到50 m的位置每间隔5 m采集一个水样，50 m以下每间隔10 m采集一个水样，分层采样示意图如图 2所示 (以S点为例). S、M及N点的水深分别为77、107和135 m，3个点位每次采样采集样品数分别为13、16和18个.其中水温、pH、溶解氧 (DO) 及电导率等指标在现场测定，总氮 (TN)、总磷 (TP)、叶绿素a及高锰酸盐指数等进行实验室分析.

图 1

Fig. 1

图 1 抚仙湖采样点位示意 Fig. 1 Sampling sites in the Fuxian Lake

表 1 (Table 1)

表 1 采样现场情况 Table 1 Sampling sites condition 采样点 日期 (年-月-日) 时间 气温/℃ 风向，风速/m·s-1 采样区域水深/m 天气 S 2014-07-30 14:52~16:28 27.1 东北风，1.2 77 晴 M 2014-07-30 17:18~18:33 25.6 东南风，1.5 107 晴 N 2014-07-31 08:00~09:10 21.8 东南风，1.8 135 晴 N-2 2014-07-31 11:00~12:11 23.6 东南风，2.8 135 晴 N-3 2014-07-31 14:00~15:10 27.2 东南风，2.5 135 晴 N-4 2014-07-31 17:00~18:04 27.4 东南风，0.5 135 晴

表 1 采样现场情况 Table 1 Sampling sites condition

图 2

Fig. 2

图 2 分层采样示意 Fig. 2 Hierarchical sampling

采用加拿大RBR公司生产的XRX-620快速多参数水质剖面仪现场测定水体不同水深处的水温、pH、溶解氧 (DO) 和电导率，总氮 (TN)、总磷 (TP)、叶绿素a及高锰酸盐指数等指标的测定参考文献[8]中的分析方法.

以Microsoft Excel 2013进行数据处理，以Origin 9.0和MATLAB进行绘图，采用SPSS 17.0进行Pearson相关性分析.

样品化学指标均按照标准方法的规定进行样品现场处理后送至实验室分析，并按照文献[9]进行质量控制，表 2为检测指标数据质量控制表.

表 2 (Table 2)

表 2 检测指标数据质量控制/% Table 2 Data quality control of the detection indicators/% 指标名称 相对偏差 加标回收 误差 总氮 ≤10 90~110 ≤±10 总磷 ≤25 85~115 ≤±15 高锰酸盐指数 ≤25 无 无

表 2 检测指标数据质量控制/% Table 2 Data quality control of the detection indicators/%

湖泊受气象因子季节变化影响而产生季节性温度分层，是深水湖泊最重要的环境特征之一. 2014年夏季监测到抚仙湖S、M及N点均存在明显的水温分层现象 (图 3)，0~15 m水深处是变温层，该层水体受到风力扰动，水温均在22℃以上且垂直分布较均匀，表层最高水温达到25.51℃；按照温度铅直梯度≥0.20℃ ·m^-1为温跃层的定义^[10]可知水深15~40 m之间为温跃层，厚度约为25 m，平均强度为0.33℃ ·m^-1；40 m以下水体受外界影响较小，水温逐渐趋于平稳并恒定至14℃左右，为等温层.温带高原湖泊的特点使得抚仙湖底层水温常年恒定在14℃左右，高于琵琶湖和千岛湖底层10℃左右的水温，较高的温度会增强有机质的分解并使得上层水体沉降下来的固形物及浮游植物残体在深水层的氧化矿化程度加大，耗氧增多^[11]，与温带湖泊相比，抚仙湖的这一特点将增加其沉积物内源释放的风险，加速湖体的富营养化进程，因此抚仙湖的地域特征决定了其必须更为严苛地控制外源负荷的输入与沉积.

图 3

Fig. 3

图 3 抚仙湖水体温度分层示意 Fig. 3 Water temperature hierarchical representation of the FuxianLake

抚仙湖秉承了云南高原湖泊pH偏高的特征性问题^[12]，S、M、N这3个点位表层水体的pH均在8.5以上，整个湖体的pH不低于8.2(图 4)；水深0~20 m范围内，pH随水深增加逐渐降低，20 m以下基本保持稳定. DO“上高下低”分层特征明显，S、M点在水深10 m左右处DO出现极大值，N点DO整体上要高于S和M点.变温层水体的电导率基本恒定，在温跃层急剧下降，并在等温层保持稳定.

图 4

Fig. 4

图 4 主要理化指标的垂直分布 Fig. 4 Vertical distribution of main physico-chemical variables

总磷 (TP) 质量浓度由上至下呈现“先减后增”的趋势，表层TP在0.008 0 mg ·L^-1左右，5~50 m水深之间TP有明显下降，最低达到0.001 4 mg ·L^-1，在距离湖底20 m左右的范围内快速升高.总氮 (TN) 质量浓度从表面至湖底呈现波动上升趋势，其中N点TN相较S、M点高，且波动幅度较大，并在10 m水深处出现极大值. 3个点位的叶绿素a质量浓度均在15 m水深处出现极大值，并在温跃层随着水深逐渐降低，到40 m左右水深处达到最小值. 10 m左右水深处的高锰酸盐指数达到最大，之后在30 m左右水深处降至极小值，整体上N点高锰酸盐指数最高，M点次之，S点最低.

抚仙湖夏季热分层时期，pH和DO呈现出与水温分层近似相同的层次结构和分层现象，响应速度基本达到同步，可见温跃层的存在导致pH和DO发生了跃变，高原深水湖泊阳宗海也有类似的趋势^[13].湖体上层光照及水温条件适宜藻类生长，光合作用大量消耗水中的CO₂导致该层水体pH、DO含量较高，10m左右水深处由于光合作用远大于呼吸作用导致DO蓄积达到极大值；温跃层的存在，阻碍了上下水体氧分子扩散，且PAR (光合成有效辐射) 强度急剧减弱，呼吸作用大于光合作用，DO出现明显的下降，同样，蓄积的CO₂向上层水体的传输受到水体分层的抑制而出现pH跃变；等温层由于水深、光照及温度的限制，藻类光合作用较弱难以复氧补充，加之底部水体和底泥因各种化学、生物的作用而耗氧，导致底部水体DO降低^{[14, 15]}，在缺氧或厌氧条件下，底泥中的有机物分解产生的酸性中间产物导致pH下降.抚仙湖底部DO质量浓度为3mg ·L^-1左右，相比平原深水湖泊千岛湖5mg ·L^-1和琵琶湖6mg ·L^-1的浓度较低，这是由抚仙湖高原湖泊特点决定的：①抚仙湖等温层水温常年恒定在14℃左右，使得底层的氧化矿化程度较高，消耗了水中的DO；②抚仙湖在非成层期是不完全循环的，湖体在非成层期垂直水体不能充分扰动混合，致使底层水体溶解氧不能得到完整的补充；③抚仙湖所处的高原环境特点使得冬季降雨较少，造成沿湖岸贯入湖底的冬季冷却河水不足，导致湖底DO不能有效补充.在深水湖泊中，如果湖泊底层DO急剧下降至厌氧条件的话，将会使沉积物氮、磷快速大量释放，从而影响水体水质，引发富营养化发生风险^[16~19].淡水中DO的溶解度主要取决于水温^[20]，而风力搅动会对上层水体DO的水平分布差异造成较大影响，由于抚仙湖3个点位水温差别较小，因此水温对DO的影响可忽略，在夏季东南季风作用下，从S点到M点再到N点的吹程不断增大，风浪扰动复氧程度增加，导致抚仙湖上层水体相同水深的DO从S、M、N点不断增大.

抚仙湖TN质量浓度从表层至湖底呈现“上低下高”的特征，可能原因一是由于上层水体与空气相通且极易发生波动，有充足的光照和氧气，藻类可以通过光合作用，把水中的NH₄⁺、NO₃^-、NO₂^-等无机离子所含有的N元素缔合到碳骨架上，形成藻类细胞，从而消耗大量的氮营养物质^[21~24]；二是由于温跃层的阻隔影响了等温层的营养盐与上层的交换，进而导致湖底TN较高. N点TN相比S、M点高，且在10 m水深处出现极大值，可能由于北部入湖河流较多，汇入了大量的氮营养盐，在水深10 m左右形成蓄积，同时抚仙湖的自然环境也有利于污染物向北部扩散.抚仙湖TP对水温分层的响应遵循一般研究规律：即温跃层形成后，变温层和温跃层的TP质量浓度逐渐降低，而等温层TP反而累积升高^{[25, 26]}.抚仙湖水体中磷的浓度较低，则沉积物表现出“源”的特征，向水体中释放磷^[27]，同时湖底的缺氧及碱性环境也有利于磷的释放^{[28, 29]}.抚仙湖水体叶绿素a与水温分层也存在响应关系，但相对pH和DO的响应有迟效性；抚仙湖上层叶绿素a含量较高，是由于上层水体水温及光照强度较为适宜，有利于藻类的生长；3个点位的叶绿素a均在15m水深处 (变温层和温跃层的交界处) 出现极大值，这与阳宗海^[13]、千岛湖^[21]以及泸沽湖^[30]等深水湖泊规律一致，也与上面讨论的DO及pH在该层出现极值规律类似，由于水体表层强光照条件下藻类生长受到抑制，为了能在更适宜的光照条件下大量繁殖，部分藻类下移至次表层而导致峰值的出现^{[31, 32]}；叶绿素a在40 m水深处出现极小值，可能由于该层是温跃层的底部，相较于温跃层其他水层藻类生长情况最差，为了能获得更适宜的生长条件，藻类有一部分上移，又由于热分层结构限制了温跃层与等温层水体的上下交换，等温层的藻类很难进入到温跃层，导致该处叶绿素a出现极小值.

电导率与水温分层有近似的变化，其变化趋势表明夏季抚仙湖水体的离子浓度从湖体表面至温跃层底部是逐渐降低的，且在温跃层有一个较大跃变.高锰酸盐指数反映水体中还原性物质和有机物的含量水平^[33]，N点高锰酸盐指数最高，可能与北部入湖河流较多，注入大量污染物有关，同时受夏季东南季风的影响，促使更多污染物积累在湖区北部.

根据水体特点进行分组分析：变温层和温跃层数据为一组，等温层数据为一组.采用SPSS软件对水温与水体理化指标进行相关性分析，结果表明 (表 3)：抚仙湖变温层和温跃层的水温与水深呈极显著负相关 (P＜0.01)，表明抚仙湖夏季水体变温层和温跃层随着水深的增加，有效光辐射减小，水温下降迅速；水温与pH、DO、电导率、TP、叶绿素a和高锰酸盐指数呈极显著正相关 (P＜0.01)，反映了由于温跃层的存在，使得光不能穿透温跃层而导致了PAR强度快速衰减，控制了浮游植物的光合作用及生长，抑制上下层水体的物质交换，影响了营养盐的相对位置^[34~36].如表 4，抚仙湖等温层的水温与水深、叶绿素a呈极显著负相关 (P＜0.01)，与DO呈极显著正相关 (P＜0.01)，与pH呈显著正相关 (P＜0.05)，与TN呈显著负相关 (P＜0.05).可见抚仙湖在夏季热分层时期，等温层水体的理化指标与变温层、温跃层水体的理化指标随水温变化不尽相同，可见水体分层限制了上下水层间的物质交换，造成了水体的物理、化学、生物分层，引起了不同的水环境响应.

表 3 (Table 3)

表 3 变温层和温跃层的Pearson相关分析1) Table 3 Pearson correlation analysis of epilimnion and thermocline 水深 水温 pH DO 电导 TP TN 叶绿素a 高锰酸盐指数 水深 1 水温 -0.976** 1 pH -0.841** 0.882** 1 DO -0.932** 0.943** 0.877** 1 电导 -0.961** 0.987** 0.834** 0.925** 1 TP -0.813** 0.768** 0.675** 0.758** 0.707** 1 TN -0.108 0.176 0.238 0.331 0.179 -0.143 1 叶绿素a -0.557** 0.576** 0.459* 0.627** 0.597** 0.216 0.657** 1 高锰酸盐指数 -0.550** 0.549** 0.608* 0.720** 0.510** 0.497** 0.652** 0.456* 1 1)*表示在0.05水平显著相关；**表示在0.01水平极显著相关，下同

表 3 变温层和温跃层的Pearson相关分析1) Table 3 Pearson correlation analysis of epilimnion and thermocline

表 4 (Table 4)

表 4 等温层的Pearson相关分析 Table 4 Pearson correlation analysis of hypolimnion 水深 水温 pH DO 电导 TP TN 叶绿素a 高锰酸盐指数 水深 1 水温 -0.809** 1 pH -0.775** 0.508* 1 DO -0.922** 0.573** 0.848** 1 电导 -0.486* 0.234 0.554* 0.500* 1 TP 0.710** -0.429 -0.844** -0.808** -0.394 1 TN 0.388 -0.518* -0.157 -0.156 -0.138 -0.012 1 叶绿素a 0.576** -0.633** -0.421 -0.542* 0.044 0.432 0.041 1 高锰酸盐指数 0.077 -0.388 0.277 0.260 0.011 -0.387 0.418 -0.186 1

表 4 等温层的Pearson相关分析 Table 4 Pearson correlation analysis of hypolimnion

为了探究抚仙湖夏季热分层时期水体不同深度的水温及水质昼间变化规律，在北部N点进行了连续9 h的调查监测.

抚仙湖水温分层存在昼间变化，上午随着光照辐射的增强，变温层和温跃层的水温逐渐升高 (图 5)，10:00~12:00出现较宽温度带，11:00达到最宽，表层最高温度达到25.36℃.等温层由于水的热导率小且相对静止，水温随昼间时间变化较小.所以夏季昼间光照辐射的增强导致抚仙湖湖体上层水温升高，温跃层下潜，强度变大，厚度变窄.

图 5

Fig. 5

图 5 N点垂向水温时间特征 Fig. 5 N-point characteristic graph of vertical temperature with time

N点变温层和温跃层pH、DO及叶绿素a均在11:00~17:00之间显著升高 (图 6)，这与该时间段PAR强度增强有关，光照强度增加导致藻类生长旺盛，光合作用造成CO₂大量消耗及DO大量产生，致使水体pH、DO及叶绿素a升高. N点TP分层现象显著，但昼间变化不大，水深100 m以下有蓄积，表层水体TP在12:00~16:00有小幅度减小. TN没有呈现出规律性的昼间变化，但从整体上看下午各层的TN质量浓度要高于上午.表层水体电导率从11:00开始逐渐升高，14:00达到最高，垂向其他深度在昼间变化较小.由于北部入湖河流所带来的污染物处于动态平衡中，所以高锰酸盐指数在昼间并未发现显著的变化规律.

图 6

Fig. 6

图 6 N点主要理化指标时间特征 Fig. 6 N-point characteristic graph of main physico-chemical variables with time

3结论

(1) 抚仙湖夏季水体水温分布具有明显的深水湖泊成层期温度分布特征，表面至水深15 m为变温层，水温变幅25.51~22.81℃，15~40 m为温跃层，水温变幅22.81~14.72℃，40 m以下为等温层，水温变幅14.72~13.70℃.湖体表层与湖底层的最大温差为11.8℃，与温带湖泊同期相比温差较小，而湖底等温层水温为14℃左右，较温带湖泊为高，体现了抚仙湖高原深水湖泊自身的水温成层特征.

(2) 抚仙湖夏季热分层结构明显限制了各个水层间的物质交换，决定了湖体的化学成层与生态成层特征：pH、DO及电导率均呈现出与水温分布相同的分层结构，值得注意的是湖底层DO浓度低至2~3 mg ·L^-1，作为贫营养湖泊，抚仙湖底层开始出现溶解氧偏低的现象昭示着其可能面临潜在的生态风险；TP及TN由于温跃层的隔断，深水层呈现一定程度的营养盐累积效应；叶绿素a与高锰酸盐指数也均与水温分层存在对应的响应关系，在湖体上层出现最大值.

(3) 抚仙湖夏季热分层时期，水温分层存在昼间变化，中午光照辐射增强导致温跃层下潜，强度变大，厚度变窄，显著影响变温层和温跃层的pH、DO、电导率及叶绿素a等动态分布，由于北部入湖河流所带来的污染物处于动态平衡中，在昼间变化不大，因此TP、TN及高锰酸盐指数的变化规律不显著.等温层由于水体相对静止，光照影响小，相应的理化指标日变异也较小.