江蘇滆湖北部湖區綜合整治后夏季水體光環境研究*

何尚衛，李 勇， 潘繼征，高 亞，吳曉東

(1：中國科學院南京地理與湖泊研究所湖泊與環境國家重點實驗室，南京 210008) (2：蘇州科技學院環境科學與工程學院，蘇州 215009) (3：江蘇省環境科學與工程重點實驗室，蘇州 215009) (4：中國科學院大學，北京 100049)

江蘇滆湖北部湖區綜合整治后夏季水體光環境研究*

何尚衛1，2，3，李 勇2，3， 潘繼征1**，高 亞1，2，3，吳曉東1，4

(1：中國科學院南京地理與湖泊研究所湖泊與環境國家重點實驗室，南京 210008) (2：蘇州科技學院環境科學與工程學院，蘇州 215009) (3：江蘇省環境科學與工程重點實驗室，蘇州 215009) (4：中國科學院大學，北京 100049)

選取滆湖為研究對象，探究這一開放水體的北部湖區水體光環境是否有利于沉水植物的恢復.通過對整治后的2013年夏季(7月和8月)滆湖北部整治湖區(A湖區)和臨近未整治區(B湖區)水體光環境的監測，發現在夏季7月A湖區透明度(SD)平均達39cm，顯著高于B湖區，同時7月A湖區SD較8月高.夏季懸浮物和葉綠素a(Chl.a)是影響水體光環境的主要因子.7月兩個湖區無機懸浮物的濃度差異是造成SD和Kd差異的原因；7月與8月A湖區Chl.a的濃度差異，是造成A湖區兩個月份水體光環境差異的主要因素.與整治時(2009年)相比，7月水體光環境顯著提高.整治后A湖區水深的顯著增加，在一定程度上不利于沉水植物的恢復.

滆湖；綜合整治；光；沉水植物

在人類對湖泊越來越多的干擾下，湖泊常由以大量沉水植物為代表的草型穩態湖泊演變為沉水植物大量消失、藻類占主導優勢的藻型穩態湖泊[1].如何將衰退成藻型的湖泊或湖區恢復成草型湖泊或湖區，以及如何營造適合沉水植物生長的條件成為目前湖泊生態修復的研究熱點.影響沉水植物生長的主要因素有：營養鹽、底質、光、溫度[2-6]等.目前多從營養鹽和底質角度探索對沉水植物的影響，如：營養鹽對沉水植物的脅迫[7]、底質對沉水植物生長的影響[8]等.而對于水體中的光環境，這一影響沉水植物生長的重要因素，以及已經經過整治后的湖泊水體是否有所改善，卻較少被關注.影響光在水體中衰減的因子有：水分子、懸浮物、浮游植物和有色溶解有機質(CDOM)[9-11]，其中水分子對光衰減可以看成本底值；懸浮物可以對不同波長的光造成衰減，浮游植物可以選擇性吸收光[12-13]；CDOM不僅吸收紫外光，還能夠吸收藍光，進而減少光在水體中的傳播[14]，在淺水湖泊中CDOM種類繁雜，其對光衰減的貢獻比較低，容易被光降解為小分子有機物[15].

五里湖在開展生態工程后，有國內學者曾對其水下光場進行了相關研究[16]，但其觀測是在工程完成后不久進行的，且五里湖是一個相對封閉的水域.滆湖位于常州武進和無錫宜興境內(31°33′N， 119°49′E)，面積164km2，于2008年至2011年對滆湖北部部分湖區進行了大范圍綜合整治，以期為沉水植物重建提供必要的條件.整治的主要措施有：前置庫入湖污染負荷控制[17]、底泥疏浚、水生植物凈化水質、鰱鳙魚非經典生物操縱、大型仿生式機械撈藻等.綜合整治后，整治湖區仍有污染不斷進入，且其同臨近湖區并未完全隔離.本文對綜合整治后整治湖區的水體光環境對沉水植物重建的影響進行初步探究.通過對2009年7月及2013年夏季(7月和8月)整治湖區和臨近未整治湖區水體光環境進行監測，分析整治對水體光環境的改變情況，并結合2010年定點的周年水深和透明度變化，提出綜合整治對重建沉水植物的影響.

1 材料和方法

1.1 采樣點布設

2013年在滆湖北部湖區共布設9個采樣點(圖1)，其中綜合整治的湖區共6個采樣點(1～6，記為A湖區)，臨近的未進行整治湖區3個采樣點(7～9，記為B湖區).A湖區與B湖區之間大部分由人造堤壩所隔離，僅由2個寬約8 m的通道相連接.在綜合整治時的2009年7月，滆湖北部湖區共布設5個采樣點(10～14)，2010年在滆湖東岸生態修復區的外敞水區進行定點周年水深和透明度(SD)的測量.

圖1 滆湖北部采樣點Fig.1 Sampling sites in the north Lake Gehu

1.2 測量方法及數據處理

2009年7月對樣點10～14進行光合有效輻射(PAR)測定，2013年7月23日對北部9個采樣點進行SD和PAR測定，8月28日僅對A區6個點進行SD和PAR測定.測定時間均在11：00-14：00之間，天氣晴朗.PAR采用XR-620CTD多參數水質剖面儀(RBR Ltd.， Canada)每隔2s連續自動進行測定記錄[9]，SD采用直徑為30cm的塞氏盤進行測量，用水深儀記錄水深.

水體中的光環境常用SD、PAR衰減系數(Kd)和真光層深度(Zeu)來描述[9-11，18]：

(1)

Zeu=4.605/Kd

(2)

式中，Z為從湖面到測量處的深度，E(Z)、E(0)分別為深度為Z處、0m處的PAR強度，Kd值通過對不同深度水下PAR強度進行回歸得到(R2≥0.95，N≥8，N為擬合深度個數)[10].

用聚乙烯瓶同步采集各樣點表層0～0.5m處水樣，快速帶回實驗室進行相關水質參數的測定.葉綠素a(Chl.a)采用90%丙酮浸提法測定[19]；懸浮物(SS)、無機懸浮物(ISS)、有機懸浮物(OSS)測量采用稱重法[20]；CDOM采用紫外-可見分光光度法，具體操作為：經0.22μm的Millpore膜的水樣，用UV100(天津冠澤科技有限公司)分光光度計光譜掃描測量吸光度.以純水作為參考，1nm為步長，掃描波段為200～800nm.CDOM用440nm波長處的吸收系數來表示[14，21]：

aCDOM(λ)=2.303A(λ)/r-a(700)·λ/700

(3)

式中，λ為波長，aCDOM(λ)為波長λ時CDOM的吸收系數，A(λ)為波長λ時的吸光度，r為光程路徑(m).

數據采用Excel 2003及SPSS 16.0處理.

2 結果

2.1 水深和透明度改變情況

在2010年滆湖東岸生態修復區的外敞水區水深和透明度呈現出顯著的季節變化(圖2).在春、夏季滆湖水深較秋、冬季高，水深最大值約為1.90m，周年平均水深1.20m.經過綜合整治的A湖區，在2013年8月幾個點位平均水深為2.7m，B湖區幾個點位平均水深僅為1.30m(圖3)，可見綜合整治顯著增加了A湖區水深.

圖2 2010年滆湖生態修復區外的水深和透明度變化Fig.2 Variations of water depth and transparency out of the eco-remediation zone in 2010

在生態修復區外，2010年夏、秋季SD顯著低于冬、春季，周年平均值為33cm(圖2).2013年7月A湖區SD為38～46cm，平均值為39cm，顯著大于(P<0.05) B湖區SD平均值(20cm).8月A湖區SD變化范圍為19～23cm，平均值為21cm，低于7月A湖區(P<0.01，圖3).

2.2 光衰減系數情況

2013年7月A湖區所有點位的Kd變化范圍為1.96～2.76m-1，平均值為2.47m-1；7月B湖區Kd變化范圍為3.46～4.42m-1，平均值為3.97m-1，顯著大于A湖區(P<0.05).2013年8月A湖區的Kd變化范圍為2.81～3.62m-1，平均值為3.28m-1，顯著大于2013年7月的Kd(P<0.01).同2009年7月相比，2013年7月A湖區Kd顯著小于前者(P<0.01)，而B湖區Kd與整治時相比無顯著差異(圖4)，說明綜合整治顯著提高了夏季(7月)A湖區水體光環境.

圖3 2013年夏季各采樣點水深和透明度Fig.3 The values of depth and SD at different samping sites in the summer of 2013

圖4 2009年7月、2013年7月及8月 滆湖北部湖區Kd值Fig.4 The value of Kd in the north Lake Gehu in July of 2009 and July， August of 2013

2.3 夏季不同衰減因子情況

通過滆湖北部A、B兩湖區夏季3個影響光衰減因子的對比研究，可以看出A、B兩湖區各光衰減因子對水體光環境的影響情況(圖5).

圖5 各采樣點7月及8月SS、ISS、OSS濃度值Fig.5 Concentrations of SS， ISS and OSS in July and August of different sampling sites

2.3.1 SS變化情況 A湖區的7月SS變化范圍為47～66mg/L，平均值為55mg/L；B湖區的SS變化范圍為103～128mg/L，平均值為118.7mg/L.A湖區8月SS變化范圍為57～87.5mg/L，平均值為69.6mg/L.7月A、B湖區SS差異性顯著(P<0.05)，同時A湖區7月和8月SS值差異也顯著(P<0.05).

SS由ISS和OSS組成.7月A湖區的ISS變化范圍為27～55mg/L，平均值為38.8mg/L；OSS變化范圍為10～22mg/L，平均值為16.2mg/L.B湖區的ISS變化范圍為88～112mg/L，平均值為101.3mg/L；OSS變化范圍為16～21mg/L，平均值為17.3mg/L.A、B兩湖區ISS有顯著差異(P>0.05)，而OSS沒有顯著差異(P>0.05).8月A湖區ISS變化范圍為23～40mg/L，平均值為30.7mg/L，與7月A湖區ISS相比差異不顯著(P>0.05)；OSS變化范圍為24～57mg/L，平均值為39.2mg/L，與7月A湖區OSS相比差異顯著(P<0.01).

2.3.2 Chl.a變化情況 7月A湖區采樣點4及其周圍出現大面積藻團，經現場觀測是由B湖區的藻團在風力的作用下經隔斷堤壩中的缺口涌向A湖區，從缺口處到采樣點4的直線距離的兩邊有大量藻類覆蓋.7月A湖區的Chl.a的變化范圍為14.86～118.53μg/L，平均值為49.13μg/L；B湖區的Chl.a變化范圍為65.71～81.24μg/L，平均值為73.46μg/L；8月A湖區在風力作用下，湖面也出現大面積的藻團，Chl.a變化范圍為36.45～175.44μg/L，平均值為94.06μg/L，是7月A區平均值的2倍左右(圖6).

2.3.3 CDOM變化情況 在滆湖北部湖區，CDOM對光的吸收呈現出顯著的空間差異，7月A湖區aCDOM(440)最小值為0.92m-1，最大值為3.91m-1，平均值為2.53m-1；B湖區最小值為2.53m-1，最大值為3.91m-1，平均值(2.91m-1)較A湖區大，但兩者之間沒有顯著差異(P>0.05).8月A湖區aCDOM(440)變化范圍為1.38～2.30m-1，平均值為1.65m-1，是7月平均值的56.7%，但差異不顯著(P>0.05)(圖6).

圖6 各采樣點7月及8月Chl.a和aCDOM(440)值Fig.6 The values of Chl.a and aCDOM(440) in July and August of different sampling sites

3 討論

3.1 水體光環境與相關因子之間的關系

湖泊底泥表面易懸浮顆粒物在綜合整治時被大量移除，且A、B兩湖區之間大部分被人造堤壩所隔離，起到類似消浪和圍隔的功能，大幅降低了底泥再懸浮的能力[22]，減少了顆粒物對光的吸收和散射，進而提高SD，減小Kd，但底泥疏浚這一措施在治理湖泊水體中的施用，具有較大的爭議[23].

對夏季滆湖A湖區SS、ISS和Kd之間關系進行擬合：

Kd=0.022SS+1.505R2=0.684n=14P<0.05

(4)

Kd=0.015ISS+2.369R2=0.446n=14P<0.01

(5)

夏季滆湖水體的SS、ISS和Kd均有一定的相關性(公式(4)、(5)).同整治時[24]相同，整治后SS也是影響夏季水體光環境的重要因子.在7月B湖區的水體光環境顯著較A湖區差，A、B湖區的Chl.a及CDOM均無顯著差異，而B湖區ISS平均值卻是A湖區ISS平均值的2.6倍左右，表明SS中的ISS是造成SD和Kd差異的原因之一.

夏季大面積藻團漂浮在滆湖水體表層，可以吸收大量可見光，導致SD的降低和Kd的增大.7月B湖區的藻類在風力的作用下經過隔斷堤壩缺口而遷移至A湖區，致使采樣點4的透明度較A湖區其他點位低.7月和8月A湖區OSS、Chl.a與SD之間呈一定的線性相關(公式(6)、(7))，但Kd和OSS、Chl.a之間線性關系并不顯著(P=0.086、0.522).

SD=-10.39ln(OSS)+60.034R2=0.301n=14P<0.05

(6)

SD=-9.274ln(Chl.a)+65.398R2=0.408n=14P<0.05

(7)

2013年7月和8月A湖區ISS、CDOM都無顯著差異，OSS有差異顯著，且OSS和Chl.a之間顯著相關(R2=0.603，n=14，P<0.001)，故可以認為Chl.a的差異是造成滆湖北部A湖區7月和8月SD差異的原因.通過減少水體中浮游植物的量，進而提高SD，可以為沉水植物的重建提供所需的光環境，如Pan等[25]用殼聚糖修飾粘土絮凝沉淀水體中大量的浮游植物至底泥表面，提高了SD，在4個月后便成功恢復了沉水植物.

夏季水體中藻類死亡后會釋放出CDOM，在一定時間內可以被微生物降解.藻類所產生的CDOM和Chl.a之間有一定的線性關系[26]，但在本研究中卻沒有發現Chl.a和CDOM有相關性(P>0.05)，可能與藻類尚未大量死亡有關.同時7月和8月的CDOM和SD及Kd之間無顯著線性相關關系(P>0.05).

3.2 綜合整治對沉水植物生長的影響

沉水植物在水體中的最大生長深度與水深有顯著的相關關系[27-32]，水深的增加使得到達湖底的光程增加，從而減少了沉水植物生長所需要的光，進而對沉水植物的生長產生不利影響，如在洱海水深超過2.5 m的地方，將限制沉水植物的生長[33].在綜合整治后，尤其是實施底泥疏浚后，大量的內源污染物從湖泊底泥中移除，降低了內源污染釋放的能力[34-35]，但同時也改變了湖區的底質和水深(圖3).

對沉水植物已消失的水體再進行沉水植物的恢復，其前提是SD必須達到一定的要求[36]，通常沉水植物在深度為SD的2倍處較容易恢復[23，27].2013年夏季(7、8月)A湖區沉水植物的容易恢復深度分別為80cm及40cm左右，這明顯小于綜合整治后A湖區的平均水深(圖3).從沉水植物生長的限制因子光角度而言，在2013年夏季除人工堆積的小島附近，A湖區大部分難以滿足沉水植物生長的需求，與現場觀測到只有人工小島附近有少量金魚藻生長相符合.

滆湖秋、冬季光環境較夏季好(圖2)[24].從光角度而言，秋、冬季沉水植物較容易重建，重建的沉水植物還可以為春季其他沉水植物的生長提供穩定的前驅水體光環境，如2010年秋季滆湖東岸生態修復區重建的菹草群落，穩定了生態修復區內的水體透明度[37].當考慮到湖區水體的使用功能時，恢復全部沉水植物是沒有必要的，因其會對航運等產生影響[38-39]，同時過多覆蓋面積與適宜覆蓋面積的沉水植物相比，如金魚藻，對水質的凈化也無顯著差異[40].故在滿足草型穩態和其他使用需求之間，沉水植物在水體中需達到一個協調的覆蓋率[38].

從光衰減因子的角度而言，SS是光衰減的重要因子，如當SS超過50mg/L時，沉水植物較難生長[41].在綜合整治后的2013年夏季7、8月份，A湖區SS達47～87.5mg/L，可見SS濃度是沉水植物在A湖區生長的限制因子之一.因此可以考慮從人工堆造的小島附近隔離部分湖區，種植漂浮植物，短期內迅速提高SD[42]，隨后移除漂浮植物，引種沉水植物，種植的沉水植物可以優先考慮較耐受SS的穗花狐尾藻[43].

4 結論

滆湖北部整治湖區在綜合整治后，夏季7月水體光環境與整治時相比顯著改善.在2013年7月滆湖北部整治湖區與未整治湖區水體的SS中ISS顯著不同，是造成2個湖區SD和Kd顯著差異的原因；在7月和8月整治湖區Chl.a濃度的顯著差異是造成這兩個月水體SD差異顯著的原因.7月和8月滆湖北部湖區CDOM對水體光環境無顯著影響.夏季在風力的作用下，臨近未整治湖區的藻類易飄移至北部整治湖區，從而影響了整治湖區水下光環境的穩定性.底泥疏浚使整治湖區水深顯著增加，導致了光程的增加，在一定程度上不利于整治湖區沉水植物的恢復.

致謝：初稿得到尚麗霞、徐偉偉的相關修改意見，在此對他們致以誠摯的感謝.

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Optical properties after multi-treatments in northern part of Lake Gehu， Jiangsu Province in summer

HE Shangwei1，2，3， LI Yong2，3， PAN Jizheng1， GAO Ya1，2，3& WU Xiaodong1，4

(1：StateKeyLaboratoryofLakeScienceandEnvironment，NanjingInstituteofGeographyandLimnology，ChineseAcademyofSciences，Nanjing210008，P.R.China)(2：SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering，SuzhouUniversityofScienceandTechnology，Suzhou215009，P.R.China)(3：KeyLaboratoryofEnvironmentalScienceandEngineeringofJiangsuProvince，SuzhouUniversityofScienceandTechnology，Suzhou215009，P.R.China)(4：UniversityofChineseAcademyofSciences，Beijing100049，P.R.China)

In order to investigate whether the optical properties were benefit for the restoration of submerged plants in an open water in the northern of a shallow lake， Lake Gehu， we measured the influence factors of the underwater light environment in the areas which were with and/or without multi-treatments(area A and area B) in July and August， 2013. The results showed that the average secchi disk depth(SD) was 39cm in July in area A， which was much higher than that in area B. The SD in July was also higher than that in August in area A. Suspended solids and chlorophyll-a(Chl.a) were the main factors of optical properties in summer. The significant difference of SD andKdbetween the two areas in July was caused by the difference of inorganic suspended solids in two areas. The optical properties in area A also had a significant difference between July and August in 2013， which was caused by the remarkable differences of Chl.a concentration in the two months. The underwater light environment of area A has improved significantly in July， compared with 2009 when it was under treatment. It will not benefit the restoration of submerged plants in area A as the depth has increased a lot.

Lake Gehu； multi-treatments； light； submerged plants

*國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07101-007-01)資助.2014-04-03收稿；2014-08-20收修改稿.何尚衛(1989～)，男，碩士研究生；E-mail：763713334@qq.com.

**通信作者；E-mail：jzhpan@niglas.ac.cn.