2018, Vol. 30 
(2: 江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心, 江苏省环境演变与生态建设重点实验室, 江苏省水土环境生态修复工程实验室, 南京 210023)
(2: Jiangsu Center for Collaborative Innovation in Geographical Information Resource Development and Application Jiangsu Key Laboratory of Environmental Change and Ecological Construction, Institute of Water Environmental Eco-remediation, Nanjing 210023, P. R. China)
大型浅水湖泊，由于频繁受风的作用，底部沉积物在风浪作用下易发生再悬浮[1]，造成赋存在沉积物中的营养盐进入水体，使水体营养盐水平增加数倍[2-4]，此时沉积物表现为营养盐的“源”；风浪过后，沉积物又表现为某些营养盐的“汇”，这也是浅水湖泊所具有的显著特征之一.针对浅水湖泊的特点，动力扰动造成的沉积物再悬浮和水体中营养盐变化受到了国内外极大关注.
太湖是一个平均水深约2 m的大型浅水湖泊，受风浪作用的影响较大.由于浅水湖泊底泥悬浮主要由风扰动而引起[5]，因而从风速因子着手成为研究沉积物再悬浮的关键因子之一.近年来不少学者对不同生境下太湖起悬的临界风速开展了研究.张运林等[5]在对太湖悬浮物的野外调查中发现底泥悬浮的临界风速大约在5~6.5 m/s之间；秦伯强等[6]对太湖中心附近沉积物进行观测，发现风速>4.0 m/s时才开始出现再悬浮现象.逄勇等[7]对太湖3号观测站1997-2002年的风速和悬浮物浓度进行分析，得到沉积物起悬的临界风速约为3.7 m/s.上述研究表明，不同地点、不同生境下沉积物悬浮的临界风速有所不同.
水生植被具有对风浪的削弱作用以及对沉积物的固定作用，可以有效减少风浪引起的底泥再悬浮，降低水体浊度[8-12]；生长过程可以吸收水体营养盐[13-14]；但植物死亡腐烂过程又将有机态转为无机态的营养盐释放回水体[15]，造成水体营养盐水平的改变.
在浅水湖泊中，沉积物中营养盐不仅通过静态扩散(分子扩散和浓度梯度扩散)进入水体，当水体受到动力扰动，营养盐也会通过底泥悬浮和沉积物-水界面环境条件的改变而进入水中，且这种动态扩散产生的量远大于静态释放量[16].目前，较多研究侧重动力作用下沉积物再悬浮的室内模拟实验[9, 17-18]和再悬浮过程对营养盐释放的影响[10, 19]，如Reddy等[20]在实验室研究发现，悬浮作用造成的上覆水氨氮浓度增加量可以达到单纯由扩散产生的数10倍；S∅ndergaard等[3]通过对丹麦的阿勒湖调查发现，动力作用引起的底泥再悬浮使水体营养盐浓度增加，可以达到扰动前的20~30倍；范成新[21]发现扰动作用下滆湖底泥的悬浮使得水体磷浓度增加约2~4倍.而对风速、区位特征和有无水生植被生长等因素对沉积物再悬浮的影响以及动力扰动对整个水柱悬浮物、营养盐浓度的影响研究较少.
太湖西北湖滨带及芦苇漕沟内水华藻类和水生高等植物残体大量堆积，使得该区域黑臭底泥淤积现象普遍，污染较严重，因此，本实验选取其作为研究区域，对湖心区、河口区、水生植被区和无水生植被分布区共6个代表性点位进行了为期12 d的原位监测，利用高精度分层同步采样技术采集不同深度的水体进行研究，分析了风浪扰动下水柱中悬浮物的垂直变化及营养盐响应特征，以期为太湖营养盐控制及湖泊管理提供科学依据.
1 材料与方法 1.1 样点布设及观测设计从太湖(30°56′~31°34′N, 119°54′~120°36′E)西北沿岸带到湖心开敞区共设置6个点位(图 1).在每个点位固定一根木桩(φ=15 cm，H=4 m)，并在木桩上扎上红布条，以保证每次采样点位的一致性. 1#点位于太湖西北部竺山湾的中心；2#点位于沙塘河的入湖河口处；3#点位于符渎港近岸的漕沟内(修建太湖大堤时取土而成的深漕)；4#点位于欧渎港的芦苇群从内；5#点位于师渎港近岸无植被缓坡区；6#点位于茭渎港蓝藻打捞点附近，沿岸无水生植物分布. 1#点表征湖心区、2#点表征河口区、3#点和4#点表征缓坡植被区、5#点和6#点表征缓坡无植被区，4个区域距离岸边距离分别为3、0.25、0.25和0.30 km.
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图 1 太湖采样点示意图 Fig.1 Schematic diagram of sampling sites in Lake Taihu |
原位分层水样通过高精度分层同步采样装置进行采集(图 2)[22].该装置主要由固定装置、样品收集和抽滤装置3部分组成.由于太湖风浪多变，悬浮物含量变化速度快，水样分层精度一般在0.25~0.50 m，本研究设定的采样精度为0.20 m.为了减少因人为扰动导致的系统误差，采样过程中支撑杆缓慢放入水中，以扎带固定在木桩上以保持垂直，并静置10 min后开始采样.
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图 2 分层采样装置示意图 Fig.2 Schematic diagram of stratified sampling device |
2016年10月12-24日每天上午9:00依次从1#~6#点采样，共采集12次.水样放入4℃冷藏箱中保存，迅速运回实验室.分析悬浮物(SS)、总磷(TP)、总氮(TN)、铵态氮(NH4+-N)和硝态氮(NO3--N)浓度.
1.2 样品分析与数据处理SS含量采用重量法测定(GB 11901-1989).溶解性营养盐NH4+-N、NO3--N浓度采用0.45 μm醋酸纤维膜抽滤后，用AA3c流动水质分析仪(德国Bran Luebbe公司)测定. TN浓度采用碱性过硫酸钾氧化紫外分光光度法测定(GB 11894-1989)，TP浓度采用钼酸铵分光光度法(GB 11893-1989)测定；TOC和DOC浓度(经0.45 μm玻璃纤维膜过滤)统一采用multi N/C 3100型总有机碳分析仪测定(德国Jena公司).每个样品设置3个平行样，结果以均值表示.风速和风向数据统一采用采样前、后10 min内实时气象要素数据的均值，用数据记录仪和气象要素监测系统软件测定(中国·武汉中科能慧科技公司).利用Origin 8.5软件对实验数据进行统计和图像绘制.运用ArcGIS 10.2软件作出研究区与采样点分布图.
太湖湖流较小，悬浮物的平流输移作用可以忽略，水柱总悬浮物量根据水样所处各水层深度的悬浮物浓度累积求和得出，按公式(1)计算.
| $ S = \sum\limits_{i = 1}^n {s{s_i} \cdot \Delta {h_i}} $ | (1) |
式中，S为单位面积水柱总悬浮物含量(kg/m2)，ssi为第i水层悬浮物含量(kg/m2)，Δhi为第i水层的厚度(m).
2 结果与讨论 2.1 实验期间风速和风向特征2016年10月13-24日实验期间，存在2次起风过程，分别是10月13-16日和10月17-24日(图 3)，起风过程中悬浮物浓度变化幅度较大.日平均风速范围在3~6 m/s之间.取样间隔内平均风速(10 min)最大值出现在10月20日，为5.8 m/s；最小值出现在10月16日，为0.8 m/s.观测期间风向变化较大.
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图 3 实验期间的风速、风向情况 Fig.3 Wind speed and wind direction during observation |
风速是引起水体中悬浮物浓度增加的主要因素.风速低于3.6 m/s的条件下，各点位悬浮物浓度的垂向差异并不显著，此时各点位水体中悬浮物浓度的均值在20~60 mg/L之间波动(图 4).这与逄勇等[7]和胡开明等[23]的研究结果较为一致，其结果表明太湖底泥起悬的临界风速分别是3.4和3.7 m/s，当风速小于该临界值，悬浮物浓度值范围为20~50 mg/L，没有明显上升趋势.而随着风速增加到临界风速(>3.6 m/s)，更多的沉积物发生悬浮，同时引起大粒径的颗粒发生悬浮[24-25].强风浪干扰下，底层悬浮物浓度明显高于上层水体, 底泥悬浮物在动力作用下向表层传递，使得表层浓度也逐渐升高，其浓度可以达到表层悬浮物浓度的3~5倍.因此随着风速增大，水体中悬浮物浓度也增大.
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图 4 观测期间各点位悬浮物浓度的垂向变化 Fig.4 Vertical variation of suspended solid concentration during observation |
各点位悬浮物浓度均值差异明显，表现为：无植被区(6#)>植被区(3#、4#)>河口区(2#)>湖心区(1#)(图 4).相同风速条件下，距离大湖区越近，湖面开阔，且无水生植被分布的近岸区域悬浮物浓度变化幅度较大(6#).当风速从2.8 m/s升至5.8 m/s时，近岸无植被区(6#)的悬浮物浓度从30 mg/L升至149 mg/L，而符渎港相对封闭的槽沟区(3#)，该区域分布有整齐的人工种植的芦苇群丛，水柱中悬浮物浓度仅从20 mg/L升至39 mg/L.水生植物具有消浪[9]和抑制底泥上浮[26]的作用.由此可见，悬浮物浓度除了受风速的影响，同样受地形特征和水生植被的影响.而近岸带悬浮物浓度高于湖心区(1#，远岸带).究其原因，一方面可能是受太湖常年主导风向东风、东南风的影响，造成大量蓝藻聚集在太湖西部近岸带，藻体死亡分解产生许多生物碎屑；另一方面可能是由于地形条件的限制，近岸带反射流作用较强，促进了悬浮物的起悬[27].
2.3 风速与水柱总悬浮量的对应关系胡春华等[22]研究结果表明，仅用表层悬浮物浓度计算整个水柱的悬浮物总量时，其结果多为实际值的80 % ~85 % (无风浪状态)和50 % (风浪状态).因此比起表层悬浮物的浓度，整个水柱的总悬浮量更能体现与风速的对应关系.按公式(1)，将各水层单位面积水柱的悬浮物浓度与水深累计求和得到水柱总悬浮量，将计算所得水柱总悬浮量与取样间隔内(10 min)平均风速作拟合(图 5), 可以看出实验期间1#~6#点位水柱悬浮物浓度与风速的相关性.其中近岸无植被区(6#)与风速的相关性最好，相关系数达到0.722.而远岸湖心区(1#)与风速的相关性仅为0.039，虽然都是无植被区，但本研究近岸带观测点位的水深仅为1.0~1.2 m，而6#湖心区水深可达1.8 m.由此可知悬浮物浓度不仅受风情的影响，也受水深的影响.
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图 5 水柱总悬浮量和风速的对应关系 Fig.5 The corresponding relationship between total suspended solids of water column and wind speed |
实验期间1#~6#点TN浓度变化范围分别为2.06~4.81、2.95~4.16、2.69~3.81、2.07~3.34、2.04~4.96和1.82~3.63 mg/L.相应的，TP浓度变化范围分别为0.14~0.48、0.15~0.38、0.10~0.63、0.18~0.42、0.18~1.47和0.21~0.46 mg/L(图 6).湖心区(1#)水体氮、磷浓度日变化幅度较大，受风情影响更为显著，TN、TP最大浓度可以达到每日最低值的2~3倍.该区域受地形干扰小，风暴露面积大，一定强度的风力扰动引起黏质颗粒物的起悬，使得沉积物中大量可溶性N、P进入水体. TN浓度均值表现为：3# >2# >5# >4# >1# >6#.漕沟区(3#)TN浓度最高，均值达3.31 mg/L，可能是受东南季风的影响，大量水华蓝藻从湖区随盛行风进入芦苇群丛和漕沟后，难以回到湖区，在漕沟内快速堆积腐烂，加之外源污染物汇聚到此，导致污染严重[28].
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图 6 不同点位营养盐分布特征 Fig.6 Distribution characteristics of nutrients at different sites |
同样是近岸带，植被区的TN浓度(3#、4#、5#)达到3.07 mg/L，高于TN浓度均值为2.64 mg/L的无植被区(6#).一方面可能是因为采样处于秋季，藻类和水生植物凋落分解，促进沉积物TN的释放[29-31]，而一经风浪扰动，使得沉积物中TN向上覆水释放；另一方面可能是因为，水生植物对风浪的削弱作用以及对沉积物的固定作用，一定程度能够抑制沉积物的再悬浮[9]，同等风情下植被区SS浓度较小，而SS浓度与水体N浓度呈负相关关系[12]，因此TN浓度高于无植被区.而芦苇在生长过程中对磷元素的吸收，又使得植被区的TP浓度高于无植被区，这与杨荣敏等[32]的研究结果一致，因此生境条件对水体氮、磷浓度具有一定影响.
2.4.2 水体中NH4+-N和NO3--N浓度分布特征实验期间1#~6#点位NH4+-N浓度变化范围分别为0.09~2.07、0.11~1.49、0.44~2.83、0.11~1.97、0.10~2.06和0.09~0.68 mg/L；相应的，NO3--N浓度范围分别为1.05~2.17、1.23~2.72、1.11~3.69、1.23~2.69、1.55~4.85和1.41~2.69 mg/L(图 6). NO3--N浓度普遍高于NH4+-N，这是因为太湖中的氮以无机氮为主，NO3--N和NH4+-N是无机氮的主要部分，而NO3--N浓度高于NH4+-N[33].
NH4+-N浓度日变化幅度较大，尤其是湖心区(1#)和5#，最大值比最小值分别高出23和20倍. NH4+-N平均浓度的分布趋势为: 3#>2#>5#>1#>4#>6#，与TN浓度分布相仿.植被区(3#和4#)NH4+-N浓度达到缓坡无植被区(5#和6#)NH4+-N浓度的1.8倍.水中胶体及颗粒悬浮物大多带负电荷, NH4+-N带有正电荷, 因此颗粒物对NH4+-N的吸附是无机氮吸附的主要方面[34].与无植被区相比，风浪扰动更易导致植被区悬浮物的增加，也加剧了水体中颗粒物与颗粒物、颗粒物与离子之间的碰撞, 且水中无机和有机胶体颗粒对溶解性盐类吸附作用加强，因此NH4+-N浓度表现为植被区>无植被区.而漕沟区(3#)，累积的大量蓝藻、水生生物以及密闭的空间，形成了厌氧还原环境，反硝化作用强烈，因此NH4+-N浓度处于最高.
NO3--N平均浓度各点位差异不大，各点位NO3--N浓度均值仅为0.8 mg/L.但实验期间每日NO3--N浓度有较大波动.植被区的NO3--N平均浓度(3#和4#)高于无植被区(5#和6#)，一方面因为水生植被的光合作用，吸收二氧化碳放出氧气，促进了硝化反应，使得NO3--N浓度高出无植被区；另一方面，水生植物生长也在吸收游离的氮、磷，减少了水相和沉积物相的N含量[35-36].因此，水生植物对水体中营养盐的释放和吸收起一定作用.
3 结论1) 风速是引起水体中悬浮物浓度增加的主要因素.低于临界风速(3.6 m/s)，各点位悬浮物浓度的垂向差异并不显著，此时各点位水体中的悬浮物浓度均值在20~60 mg/L，而无明显上升趋势.而随着风速增加到临界风速(>3.6 m/s)，更多的沉积物发生悬浮，同时引起大粒径的颗粒发生悬浮.
2) 各点位悬浮物浓度均值差异明显，表现为：无植被区(6#)>植被区(5#>4#>3#)>河口区(2#)>湖心区(1#).悬浮物浓度除了受风情的影响，同样受地形特征和水生植被的影响.适当种植水生植被和增加消浪装置，有利于控制水体悬浮物浓度，并有效缓解太湖内源营养盐的释放.
3) 太湖西北湖滨带水体氮、磷浓度日变化幅度较大，TN和TP浓度范围分别为1.82~4.96和0.10~1.47 mg/L，NH4+-N和NO3--N浓度范围分别为0.09~2.83和1.05~3.69 mg/L.
4) 比起表层悬浮物的浓度，整个水柱的总悬浮量更能体现与风速的对应关系.近岸无植被区(6#)与风速的相关性最好，相关系数达到0.722；而远岸湖心区(1#)与风速的相关性仅为0.039，悬浮物浓度不仅受风情的影响，也受水深的影响.
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