来源:Frontiers of Agricultural Science & Engineering 发布时间:2024/2/2 13:56:46
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FASE | 亮文解读:洱海水质和藻类生物量的时空变化及其对环境治理的意义

论文标题:SPATIOTEMPORAL VARIATION OF WATER QUALITY AND ALGAL BIOMASS IN ERHAI LAKE AND ITS ENVIRONMENTAL MANAGEMENT IMPLICATIONS(洱海水质和藻类生物量的时空变化及其对环境治理的意义)

期刊:Frontiers of Agricultural Science & Engineering

作者:Xiaofei LIU, Yue WU, Zhaokui NI, Shengrui WANG

发表时间:15 Dec 2023

DOI:10.15302/J-FASE-2023520

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农业面源污染与绿色发展

Non-Point Source Pollution Control and Agricultural Green Development

专 辑 文 章 介 绍

· 第六篇 ·

▎论文ID

Spatiotemporal variation of water quality and algal biomass in Erhai Lake and its environmental management implications

洱海水质和藻类生物量的时空变化及其对环境治理的意义

发表年份:2023年

第一作者:刘晓斐,吴越

通讯作者:王圣瑞

wangsr@bnu.edu.cn

作者单位:北京师范大学珠海校区,粤港水安全保障联合实验室

Cite this article :

Xiaofei LIU, Yue WU, Zhaokui NI, Shengrui WANG. SPATIOTEMPORAL VARIATION OF WATER QUALITY AND ALGAL BIOMASS IN ERHAI LAKE AND ITS ENVIRONMENTAL MANAGEMENT IMPLICATIONS. Front. Agr. Sci. Eng., 2023, 10(4): 566–578 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2023520

· 文 章 摘 要 ·

阐明水质和藻类生物量的时空变化特征对于确定湖泊污染源、降低藻类水华的风险至关重要。本研究结合水质指数、Mann-Kendall检验和Senn’s slope (Sen斜率) 三种方法,分析1994–2021年洱海水质和藻类生物量的时空变化,阐明了水质恶化的潜在原因和藻类生物量动态变化。结果表明,洱海水质变化有三个阶段:满意 (1994–2001)、恶化 (2002–2010) 和改善 (2011–2021)。水质和藻类生物量的变化主要受总氮、总磷和化学需氧量的影响。由于在特定时间和地点实施了控制措施,降低了污染物负荷,洱海的水质显著改善。因此,有必要继续推进标准化养殖,加强农村废水收集,研究减少内源性释放的措施等。

· 文 章 亮 点 ·

1. 洱海的水质呈现出改善的趋势。

2. 总氮、总磷和化学需氧量是关键的水质指标。

3. 明析污染负荷的分布和控制措施是治理洱海的关键。

· Graphical abstract ·

· 研 究 内 容 ·

▎引言

湖泊的水质已因氮和磷等污染物的过量输入而恶化。因此,了解污染物输入造成的水质变化和趋势及其控制措施是改善湖泊水质,达到可持续治理的主要挑战。水质指数 (WQI) 是评价水质的有效方法,它将多个物理、化学和生物参数整合为一个值。结合Mann-Kendall (M-K) 检验等方法,有助于全面考察水质指标和藻类生物量的历史变化和特征。

洱海是中国西南部云南省九大高原湖泊之一,对当地的社会经济发展至关重要。由于污染物的大量输入,2002–2003年湖泊水质急剧恶化,自2011年以来,政府为保护洱海出台一系列措施,洱海的整体水质有所改善,但局部和延时藻华事件仍很常见。目前对水质和藻类生物量的精细时空评价有限,主要依赖于总氮 (TN)、总磷 (TP) 和氨氮等单一参数,这阻碍了对洱海生态环境的全面了解和评价。

因此,本研究利用WQI、M-K检验和Sen斜率趋势检验对洱海28年来的月度数据进行综合分析,评估水质和藻类生物量的综合时空分布格局。主要目的是:(1) 分析洱海水质和藻类生物量的时空变化和特征。(2) 确定各阶段影响水质和藻类生物量的主要参数及其原因。(3) 说明洱海治理中存在的问题和启示。

▎结果与分析

(1)洱海水质和藻类生物量的年际变化

通过分析年间水质指标发现,TN、TP和高锰酸盐基化学需氧量 (CODMn) 是影响洱海水质状况的主要参数。但不同水质参数的趋势和突变点存在显著差异,TN在2000年出现突变,在2002年有显著的上升趋势,在2010年后出现波动变化 (图1 (a))。TP总体呈上升趋势,1996年出现突变点,从2002年开始显著增加,2005年之后相对稳定 (图1 (b))。CODMn自1998年以来总体呈上升趋势,没有检测到显著的变化点,在2006年短暂下降,2012–2021年以来持续上升(图1 (e))。总之,TN、TP、CODMn呈上升趋势,分别从2002年、2002年、1998年开始呈显著上升趋势。

对于水质指数来说(图1 (g)),WQI在74.2–90.4之间,平均值为79.9,表明水质良好。然而,洱海水质在过去28年中有所下降。洱海水质的变化可分为三个阶段:满意 (1994–2001)、恶化 (2002–2010) 和改善 (2011–2021)。而藻类生物量自1996年出现突变点,1997年显著上升,2000年短暂下降,2001年开始出现上升趋势,2010年之后出现下降趋势 (图1 (h))。总的来说,藻类生物量的总体变化与WQI一致,也可以分为相同的三个阶段。

图1 洱海水质参数、水质指数和藻类生物量的年变化及Mann-Kendall趋势分析 (1994–2021)。

(2)洱海WQI和藻类生物量的年内变化

每月收集WQI和藻类生物量,并计算Sen斜率,研究洱海水质和藻类生物量的年内变化,发现在三个阶段中,WQI在7–10月最低 (图2 (a)),这对应于同时最高的藻类生物量 (图 2(b))。在2010年之前,最低的WQI和最高的藻类生物量出现在9月,而2011–2021年的最高藻类生物量出现在10月。各阶段的季节特征表明,从第一阶段 (1994–2001) 到第二阶段 (2002–2010),全年水质下降,藻类生物量增加。从第二阶段到第三阶段 (2011–2021),全年水质改善,藻类生物量下降,夏季和秋季的改善情况更好。从2011年到2021年,洱海夏秋两季的水质显著改善,藻类生物量呈下降趋势。

图2 洱海不同阶段水质指数和藻类生物量的季节变化及趋势特征。

(3)洱海WQI和藻类生物量的空间变化

将洱海划分为北部、中部和南部,发现站点之间的WQI只有很小的变化。洱海北部地区的WQI略低于中部和南部地区 (图3 (a))。藻类生物量在洱海南部的空间变异性更大,北部地区的藻类生物量显著高于其他地区 (图3 (b))。2011–2021年期间,湖泊南部地区的水质和藻类生物量有明显的改善趋势。

图3 洱海不同阶段水质指数和藻类生物量空间分异及趋势特征。

▎讨论

(1)洱海水质和藻类生物量阶段性变化的原因分析

影响湖泊水质的因素除水文、水动力和气象因素外,污染物输入是关键决定因素。通过研究包括流域经济发展、污染控制投资和污染物负荷在内的人为干扰对洱海水质的影响,发现洱海水质变化与大理市经济社会发展相关 (图4 (c)),2002年至2010年,点源和面源污染物的大量排放 (2010年达到峰值),导致水质显著下降,2003年爆发了铜绿微囊藻水华。洱海属于面源污染,流域内最严重的面源污染是农业污染,农业径流、畜牧业和家禽养殖产生的肥料导致大量氮磷负荷进入洱海,影响洱海水质,其中TN是主要因素,其次是TP,近10年来COD也成为一个重要因素。

图4 (a) 大理市区域生产总值 (GRP) 和人口,(b) 中央和地方财政对洱海治理的投入,(c) 洱海总氮 (TN)、总磷 (TP) 和化学需氧量 (COD) 的历史变化。

影响湖泊水质的因素除水文、水动力和气象因素外,污染物输入是关键决定因素。通过研究包括流域经济发展、污染控制投资和污染物负荷在内的人为干扰对洱海水质的影响,发现洱海水质变化与大理市经济社会发展相关 (图4 (c)),2002年至2010年,点源和面源污染物的大量排放(2010年达到峰值),导致水质显著下降,2003年爆发了铜绿微囊藻水华。洱海属于面源污染,流域内最严重的面源污染是农业污染,农业径流、畜牧业和家禽养殖产生的肥料导致大量氮磷负荷进入洱海,影响洱海水质,其中TN是主要因素,其次是TP,近10年来COD也成为一个重要因素。

1994年到2001年,藻类生物量与TP、BOD5 (5天生物需氧量) 和CODMn之间存在显著的正相关关系 (图 5)。TP始终是藻类生物量的最重要指标,其次是TN。近年来,洱海流域面源污染的控制促进了湖泊磷负荷的控制,内源性污染已成为藻类生长磷供应的关键。自2016年以来,政府大力实施藻华防控措施,建立藻水分离站和蓝藻救援队,在一定程度上阻止了磷的内源释放循环,洱海的TP浓度和藻类生物量显著降低,整体水质有了很大改善。然而,有人认为,藻类磷利用效率的提高可能抵消了藻类外部负荷减少的影响。此外,近年来气候变化为蓝藻提供了最佳的生长条件,提高了它们的生长速度和对外部环境变化的敏感性。

图3 洱海不同阶段水质指数和藻类生物量空间分异及趋势特征。

(2)洱海现状及治理思路

为了进一步改善洱海的水质,全流域控制污染源,不仅要推进沿湖缓冲区截留污染物,及时打捞藻类等有效措施,而且要更多地侧重于夏秋季节的雨水处理和污水分离。同时,有必要加强外部COD削减的针对性措施研究,除了推进流域标准化集中养殖等面源污染治理措施,增加畜禽废弃物处理和资源化利用手段,还应进一步优化内源污染循环阻断技术。

总体而言,洱海水环境的进一步改善,要求水污染治理与藻类生物量治理并重,体现在外源污染治理与内源污染治理并举。对于外部污染控制,重点关注特定时间段和区域的处理,加强北方农业农村污水集中治理,降低夏季和秋季西部入湖污染强度,特别是解决雨污外溢问题。对于内源污染阻控,需要及时消除内部污染负荷,加强对内源污染循环阻断机制的研究,并详细量化水体自净能力与外源污染负荷之间的关系 (图6)。

图6 洱海近几十年的治理措施。

· 结 论 ·

本研究评估了洱海水质和藻类生物量的时空变异性及其潜在原因,同时总结了当前阶段存在的问题和未来的管理重点。洱海水质经历了满意 (1994–2001)、恶化 (2002–2010) 和改善 (2011–2021) 三个阶段。TN是水质的最关键指标,而TP是藻类生物量的最重要指标。流域经济发展、环境污染控制投资、湖泊污染负荷等人为干扰极大地影响了洱海的环境条件,影响了流域污染物的排放/拦截。

在实施一系列控制措施后,2011–2021年洱海的水质在夏季和秋季有所改善(主要在南部),而COD水平仍然显著。夏季和秋季的高污染负荷、流域北部地区的面源污染和西部地区的地形诱导极大地影响了污染负荷的季节和空间特征。今后,必须通过规范畜牧业和加强农村污水收集来控制洱海COD浓度,此外,减轻内源性污染释放工作值得进一步研究。

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