, 倪兆奎2,3, 林日彭2,4, 郭舒琨2,5, 王圣瑞2,3
, 李晓秀11. 首都师范大学资源环境与旅游学院, 北京 100048;
2. 北京师范大学水科学研究院, 北京 100875;
3. 中国环境科学研究院, 北京 100012;
4. 南昌大学资源环境与化工学院, 南昌 330031;
5. 三峡大学水利与环境学院, 宜昌 443002
收稿日期: 2017-12-18; 修回日期: 2018-03-29; 录用日期: 2018-03-29
基金项目: 国家科技支撑计划课题（No.2014BAC09B02）；****项目（No.312232102）
作者简介: 王艳分(1987-), 女, E-mail:feiyuan18@163.com
通讯作者（责任作者）: 王圣瑞(1972—)，男，北京师范大学水科学研究院教授，博士生导师，主要从事湖泊污染过程、富营养化机理与湖泊管理等领域的研究, E-mail:wangsr@bnu.edu.cn
李晓秀, E-mail:lixiaoxiu0548@sina.com
摘要: 为了更有效地保护洞庭湖水环境，本研究基于1991-2015年流域社会经济发展、水文情势变化与湖泊水环境监测数据，从水质和藻类水华两方面探讨了洞庭湖水环境演变特征，采用主成分分析法筛选确定了主要驱动因素，并通过多元回归分析识别了不同阶段洞庭湖水环境演变的关键影响因素.结果表明：1991-2015年，洞庭湖水环境质量总体呈下降趋势；其中，1991-2002年洞庭湖水质下降较为缓慢，藻类水华程度总体稳定，影响水环境演变的关键影响因素为流域污染负荷输入，其中农业面源贡献相对较大；2003-2015年洞庭湖水质呈加速下降趋势，藻类水华程度也明显加重，局部水域已出现明显藻类水华现象，该阶段水环境演变主要受流域污染负荷输入和水文情势变化共同影响.因此，今后洞庭湖水环境保护不仅要继续加强流域污染控制，有效削减入湖污染负荷，也要密切关注水文情势变化对洞庭湖水环境的不利影响，采取针对性的措施，科学恢复或调整江湖关系，把不利影响降到最低.
关键词:洞庭湖水环境演变关键影响因素识别
Evolution characteristics of the Dongting Lake water environment and revealing its key influent factors
WANG Yanfen1,2,3
, NI Zhaokui2,3, LIN Ripeng2,4, GUO Shukun2,5, WANG Shengrui2,3 , LI Xiaoxiu1 1. College of Resource Environment and Tourism, Capital Normal University, Beijing 100048;
2. College of Water Sciences, Beijing Normal University, Beijing 100875;
3. Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012;
4. School of Resources Environment & Chemical Engineering, Nanchang University, Nanchang 330031;
5. College of Hydraulic & Environmental Engineering, China Three Gorges University, Yichang 443002
Received 18 December 2017; received in revised from 29 March 2018; accepted 29 March 2018
Supported by the National Key Technology Research and Development Program(No.2014BAC09B02) and the Ten Thousand People Plan(No.312232102)
Biography: WANG Yanfen(1987—), female, , E-mail:feiyuan18@163.com
*Corresponding author: WANG Shengrui, E-mail:wangsr@bnu.edu.cn
LI Xiaoxiu, E-mail:lixiaoxiu0548@sina.com
Abstract: The aims of this study were to explore the historical characteristics of water environment evolution from the aspects of water quality and algal blooms, and to reveal the key factors at different stages by the methods of principal component analysis and multiple regressions based on the social and economic development, the change of hydrological situation and the lake water environment monitoring data from 1995 to 2015, in order to protect the Dongting Lake water environment more effectively. The result showed that the water environment quality has been declined at whole during the past two decades, water quality of Dongting Lake decreased slowly, algae blooms were stable in general. From 1991 to 2002, the key factors affecting its evolution of water environment was the input of pollution loading from the basin, and the contribution of agricultural non-point source was relatively large at this stage. Thereafter, the water quality of Dongting Lake showed accelerated decline trend and algal blooms situation was more serious, the obvious algal blooms phenomenon has already appeared in local region. So the protection of Dongting Lake water environment should pay more attention to two points, one is to continue to strengthen pollution control, especially reducing the pollution loading into the lake, the other is pay close attention to the adverse effects on the Dongting Lake water environment from the hydrological changes. Targeted measures should be taken to restore or adjust the relationship between river and lake scientifically, reducing the adverse effects to the lowest.
Key words: Dongting Lakewater environment evolutionkey factorreveal
1 引言(Introduction)湖泊作为重要的自然资源，是流域社会经济发展的重要支撑.然而随着社会经济发展和人口增长，入湖污染负荷逐渐增加，湖泊水环境质量和生态系统服务功能受到严重威胁(徐鹏等，2013；Han et al., 2014).目前，有关湖泊水环境的研究日益受到关注，相关研究不仅从战略高度剖析了湖泊流域水环境保护与社会经济协调发展等问题(刘昌明等，2003)，而且对水环境演变规律进行了系统分析(肖生春等，2010；林泽新，2002)，特别是对水环境演变成因进行了定性或定量探讨，为我国湖泊保护治理提供了重要的科学数据和技术支撑(车越等，2005；刘涛等，2011；焦雯珺等，2011).
洞庭湖作为我国第二大淡水湖，是长江中下游地区最大的调蓄湖泊和国际重要湿地，也是长江重要水源、重要粮食生产和工业基地，担负着维护长江流域生态安全、水安全和国家粮食安全的重大责任(湖南省洞庭湖生态经济区建设领导小组办公室，2015).近年来，受气候变化、流域经济社会发展和水文情势变化等影响，洞庭湖水生态和水环境发生了较大变化.目前，洞庭湖水环境质量不断下降已然成为该地区主要的环境问题，因而也逐渐受到人们的关注(黄代中等，2013；王岩等，2014)，人们对洞庭湖水环境的研究主要集中在水质、富营养化(熊剑等，2016)、水生态评价(王丽婧等，2013；段玮娟等，2012)等方面，针对洞庭湖水环境演变趋势虽已有分析，但仍然缺乏对水环境演变的关键影响因素进行定性或定量识别.鉴于此，本研究基于1991—2015年流域社会经济发展、水文情势变化与湖泊水环境监测数据，从水质和藻类水华两方面探讨洞庭湖水环境演变特征，并采用主成分分析方法和多元回归统计方法识别出其关键影响因素，以期为洞庭湖水环境保护提供理论支撑.
2 材料和方法(Materials and methods)2.1 研究区概况洞庭湖位于湖南省北部，长江荆江河段以南，北纬27°39′~29°51′，东经111°19′~113°34′.洞庭湖区属亚热带季风气候，气候温润，雨量充沛，光热充足.多年平均气温为16.4~17.0 ℃，年降水量为1100~1400 mm，年平均径流量为3126亿m3.洞庭湖承纳由长江松滋口、太平口、藕池口(简称“三口”)分泄入湖的水量和湘江、资江、沅江、澧水(简称“四水”)的汇入，经湖泊调蓄后，由城陵矶一处重新汇入长江.
近年来，洞庭湖流域社会经济得到较快发展，对水环境影响较大.此外，自2003年三峡工程运行以来，由于水文情势变化导致洞庭湖水环境也发生了一定变化.总体而言，现阶段洞庭湖水环境呈恶化趋势，其中水质下降明显，藻类水华风险日益增大.
2.2 数据来源本研究采用的数据中，水质指标(TN、TP)及藻类水华指标(Chla、SD(透明度)、浮游植物数量)来源于国家环境保护洞庭湖科学观测研究站，水华面积数据通过查阅文献及相关资料获得，社会经济数据通过查阅统计年鉴获得，水位、径流量数据通过水利部网站(http://www.mwr.gov.cn/)和湖南水文公众信息网(http://www.hnsw.com.cn/)获得.
2.3 数据分析本研究基于以上数据，采用Origin软件作图，SPSS 13. 0软件统计数据，Spearman秩相关系数进行Daniel趋势检验，Person相关系数进行相关性分析，主成分分析和多元回归统计方法进行关键影响因素识别.水质指标选用TN、TP两项；藻类水华分析基于Chla、SD、浮游植物数量及水华面积.本文中水质及藻类水华指标数据均采用年平均值.
3 结果分析与讨论(Results and discussion)3.1 洞庭湖水环境演变特征目前，洞庭湖水环境问题主要体现在水质下降和藻类水华两方面(王圣瑞等，2017).因此，本研究重点针对这两个方面分析洞庭湖水环境演变特征.研究表明，TN和TP是引起洞庭湖水质下降的主导因子(梁丽娥等，2016).因此，本研究主要通过TN和TP浓度变化来反映洞庭湖水质变化.洞庭湖藻类水华演变特征则从浮游植物数量、Chla浓度和SD变化等进行综合分析.这是因为浮游植物对环境的变化十分敏感，环境的改变可影响浮游植物的种类组成、结构、现存生物量等指标(况琪军等，1992).在水质较好、营养水平较低的区域，浮游植物密度和生物量低(李清雪等，1999)；Chla作为浮游植物的重要成分，可表征浮游植物的现存量(张红等，2012)，在水体富营养状态评价中起关键作用(Liu et al., 2006)；水体SD与藻类生长繁殖有关，SD增大会引起藻类光合作用增强，有利于藻类生长繁殖(黄代中等，2013).
3.1.1 洞庭湖水质演变特征1991—2015年，洞庭湖TN浓度介于1.06~2.06 mg · L-1之间，全湖平均浓度由1991年的1.11 mg · L-1增加到2015年的2.01 mg · L-1，15年间增加了0.9倍；TP浓度介于0.03~0.20 mg · L-1之间，全湖平均浓度由1991年的0.04 mg · L-1增加到2015年的0.11 mg · L-1，15年间增加了约1.75倍(图 1).
图 1(Fig. 1)
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| 图 1 洞庭湖TN、TP浓度演变 Fig. 1TN and TP evolutions of the Dongting Lake |
具体变化主要分为两个阶段，第一阶段为1991—2002年，TN浓度呈波动增加趋势，增加幅度较小，浓度水平基本维持在Ⅳ类；TP浓度呈上升的趋势，浓度水平从Ⅲ类下降为Ⅴ类；第二阶段为2003—2015年，TN浓度增加明显，特别是2010—2015年，浓度水平下降到劣Ⅴ类；TP浓度变化比较平稳，浓度增加不明显，浓度水平在Ⅳ类和Ⅴ类之间波动(图 1).
定量统计分析结果显示，TN和TP浓度均呈上升趋势，其中，TN浓度呈极显著上升趋势(表 1).这表明1991—2015年洞庭湖TN和TP浓度普遍升高，水质下降.第二阶段TN和TP浓度平均值与第一阶段平均值相比分别增加了0.26倍和0.37倍.
表 1(Table 1)
| 表 1 洞庭湖TN、TP演变特征统计分析 Table 1 Statistical analysis of TN and TP of the Dongting Lake | ||||||||||||||||||||
表 1 洞庭湖TN、TP演变特征统计分析 Table 1 Statistical analysis of TN and TP of the Dongting Lake
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3.1.2 洞庭湖藻类水华演变特征1991—2015年，浮游植物数量则从16.95×103个· L-1上升至3320.25×103个· L-1；Chla浓度在0.99~5.39 mg · m-3之间波动；SD在0.33~0.55 m之间波动，变化不明显(图 2).
图 2(Fig. 2)
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| 图 2 洞庭湖浮游植物数量、Chla、SD演变 Fig. 2Phytoplankton quantity, Chla and SD evolutions of the Dongting Lake |
具体变化可分为两个阶段，第一阶段(1991—2002年)，洞庭湖浮游植物数量无明显增加，Chla和SD浓度均为波动上升.第二阶段(2003—2015年)，洞庭湖浮游植物数量呈上升趋势，其中，2003—2011年变化不明显，而2012年以来则明显上升；Chla浓度波动较大，其中，2003—2007年变化比较平稳，2008年以来呈上升趋势；而洞庭湖水华除2011年为零星水华外，其他年份均出现局部性水华现象，其中，最大水华面积已达到250 km2，占比已超过10% (韩秀珍等，2010；薛云等，2015).
定量统计结果显示，洞庭湖浮游植物数量、Chla浓度及SD均呈上升趋势，其中，浮游植物数量上升趋势极显著(表 2)，这表明1991—2015年洞庭湖藻类水华情况不容乐观.第二阶段浮游植物数量和Chla浓度平均值明显高于第一阶段，SD也有所增加.
表 2(Table 2)
| 表 2 洞庭湖浮游植物数量、Chla、SD演变特征统计分析 Table 2 Statistical analysis of phytoplankton quantity、Chla and SD of the Dongting Lake | ||||||||||||||||||||
表 2 洞庭湖浮游植物数量、Chla、SD演变特征统计分析 Table 2 Statistical analysis of phytoplankton quantity、Chla and SD of the Dongting Lake
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3.2 洞庭湖水环境演变关键影响因素识别湖泊水资源与人口、经济、社会与环境紧密联系，阶段不同，联系的紧密性也存在不同程度的差异(刘昌明等，2003).为识别1991—2002年和2003—2015年两个阶段洞庭湖水环境演变的关键影响因素，选用洞庭湖水环境、流域社会经济及水文等指标进行主成分分析筛选出主要驱动因素，然后根据不同阶段特征，分别进行多元回归分析，结果见表 3.
表 3(Table 3)
| 表 3 洞庭湖水环境影响指标主成分分析贡献率 Table 3 Principal component analysis contribution rate of the water environment in Dongting Lake | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
表 3 洞庭湖水环境影响指标主成分分析贡献率 Table 3 Principal component analysis contribution rate of the water environment in Dongting Lake
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根据各主成分的特征值、方差、累积方差及因子载荷，提取出2个有效因子，原始变量累积贡献率已经达到92%以上，基本概括了全部信息.因子1对总方差的贡献率为76.787%，第一产业增加值、人口密度、化肥施用量、地区生产总值、第二产业增加值占有较高的权重，工业废水排放总量比重也较高但载荷为负，因此，因子1表征着流域发展尤其是农业发展，可视为流域污染.因子2载荷主要分布在径流量和水位上，对方差的贡献率为16.189%，代表水文情势影响.以上2个因素较好地解释了两个相关变量提供的信息，说明流域污染和水文情势变化为洞庭湖水环境演变的主要驱动因素.
3.2.1 不同阶段水环境演变关键影响因素识别以主成分分析法筛选出的2个因子作为自变量，水质、藻类水华指标作为因变量进行回归分析，结果见表 4.1991—2002年，5个指标中仅浮游植物数量与因子1(流域面源污染)呈显著相关(p < 0.01)；水质、藻类水华指标与因子2(水文情势变化)相关性不显著，水文情势变化对水环境的影响较小.
表 4(Table 4)
| 表 4 多元回归分析结果 Table 4 Results of multiple linear regression | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
表 4 多元回归分析结果 Table 4 Results of multiple linear regression
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2003—2015年，TN、Chla及浮游植物数量与因子1(流域污染)呈显著相关(p < 0.01)，其他指标与因子1(流域污染)无显著相关性.作为浮游植物的重要成分，该时段TN、Chla及浮游植物数量均呈上升趋势，可见该阶段流域污染负荷输入是影响洞庭湖水环境的重要因素.TN、SD与因子2(水文情势变化)呈显著相关(p < 0.01)，其他指标与因子2(水文情势变化)无显著相关性.
影响洞庭湖水环境演变的因素较多，总体可概况为两点：①流域快速发展导致入湖污染负荷持续增加而引起水质下降；②径流量和水位变化引起湖泊自净能力下降.本研究表明，不同阶段，洞庭湖水环境演变的关键影响因素也存在一定差异.
1991—2002年，流域污染负荷输入对洞庭湖水环境演变影响较大(秦伯强等，2006)，尤其对浮游植物数量变化的影响较为显著.此阶段由于工农业生产的粗放经营、治理设施滞后于管理需求，以及流域人口增长和城市化进程的加快，工业废水、城镇生活污水的污染日趋严重，农药化肥、家禽养殖等面源污染也在不断上升，使流域内大量氮、磷污染物直接或间接排入洞庭湖，对其水环境造成了一定的负面影响(李景保等，2002).同时，由于洞庭湖为大型过水性湖泊，年径流量大、换水周期短，污染物质不易在湖内滞留，这在一定程度上减缓了水环境质量的下降(申锐莉等，2007；张建明等，2006).
2003—2015年，流域污染负荷输入进一步增加及水文情势的变化是洞庭湖水环境演变的关键影响因素.统计表明，2015年洞庭湖湖区农作物种植面积已达到2675×103 hm2，农业面源污染对TN、TP贡献率已超70%，已成为洞庭湖湖体TN、TP超标的首要原因(秦迪岚等，2012).可以明显看出，2003—2015年地区生产总值(图 3a)、第一产业增加值(图 3b)、化肥施用量(图 3b)及第二产业增加值(图 3c)与1991—2002年相比有明显增加，而径流量则明显减少(图 3d).同时，过去10年间，洞庭湖区人口增长约400多万，新增生活污染负荷持续增加.尤其是2008年之后，地区生产总值、第二产业增加值增长幅度呈明显加大趋势(图 3a、3c).对于水文条件而言，2003年三峡工程建成之后，洞庭湖径流量减少，入湖水量、沙量减少，换水周期延长，导致洞庭湖水环境容量减小，水体氮、磷等污染物浓度累积明显(图 1)，整体上对水质产生一定的不利影响(Dai et al., 2005).而洞庭湖水力停留时间、SD的增加(图 2)，为藻类生长创造了有利条件，促进了洞庭湖的富营养化作用，也加剧了洞庭湖水环境的恶化(Chang et al., 2010；王琦等，2015).
图 3(Fig. 3)
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| 图 3 洞庭湖水环境演变关键影响因素变化 Fig. 3The key influencing factors of the water environment evolution of Dongting Lake |
3.2.2 洞庭湖水环境保护治理需要关注的问题① 继续加强流域污染控制：首先，要续加强流域面源污染控制，合理安排耕作方式及施肥方法，避免农业生产中化肥过量使用，加快测土配方施肥普及力度，减少化肥用量，优化农业种植布局，从源头控制氮磷浓度(卢少勇等，2017).
其次，大力推进洞庭湖流域产业结构的战略性调整，从源头削减污染物的排放.地方政府要加大对行业落后产能的淘汰力度；同时，对循环经济类产业、清洁生产企业及环境友好型产品给予财政、税收等多方的政策扶持与鼓励，达到鼓励建立循环经济产业园区、提升企业开展清洁生产动力、促进环境友好型产品生产的目的(宁淼等，2009；李世杰，2006).
最后，加强系统管理.水环境保护是一项涉及多部门、多行业和跨地区的复杂的系统工程.目前对洞庭湖水环境的保护还处于一种分散投资、各自为政的状态，这在一定程度上削弱了水环境保护的效率.要有效的保持洞庭湖水环境，须具备全局的观点，以流域生态文化理念构建洞庭湖流域水环境综合整治一体化模式，实行全流域统一规划、综合管理(宁淼等，2009).
② 密切关切水文变化影响：近年来，水文情势发生的较大变化已成为洞庭湖水环境演变的重要影响因素.保证洞庭湖的基本水文节律及枯水期的生态需水，对维护洞庭湖水环境安全、改善区域生态环境、促进流域及区域社会经济发展十分重要(王圣瑞等，2017).
长江与洞庭湖有着极为密切的关系，特别是在三峡工程运行以后，洞庭湖水质和水量在很大程度上受到长江的影响(李忠武等，2013；丛振涛等，2014).清晰认识“江河”和“河湖”之间的关系，优化三峡调度方式，实现区域联合优化调度，对于保护洞庭湖水环境至关重要.
4 结论(Conclusions)1) 1991—2015年，洞庭湖水环境质量总体呈现下降的趋势.其中，1991—2002年，洞庭湖水质下降幅度较小，藻类水华程度总体稳定；2003—2015年，洞庭湖水质呈加速下降趋势，藻类水华程度也明显加重，局部水域已出现明显藻类水华现象.
2) 通过主成分分析法及多元回归统计发现，1991—2002年，流域污染负荷输入为洞庭湖水环境演变的关键影响因素，其与浮游植物数量变化呈显著相关(p＜0.01)；2003—2015年，流域污染负荷输入和水文情势变化为洞庭湖水环境演变的关键影响因素.其中，流域污染负荷输入与TN、Chla及浮游植物数量变化极显著相关(p＜0.01)；水文情势变化与TN、SD呈显著相关(p＜0.01).
3) 今后对洞庭湖的保护既要继续加强流域污染控制，有效控制入湖污染负荷；同时，也要关注水文情势变化对水环境的影响.
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