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湖泊的富营养化问题是全世界面临的主要水环境问题之一[1]，富营养化进程加快易引起水华暴发[2-3]，透明度下降[4]，生物多样性下降[5]等一系列生态系统变化，甚至影响到工农业生产和居民生活，故富营养化问题值得密切关注[6]。关于富营养化现状、发生机制和控制措施等方面，国内外已有一些研究报道[7-10]。中国著名的太湖、巢湖、滇池（简称“三湖”）水华程度分别以“轻度水华”、“轻微水华”、“中度水华”为主[11]。一直以来国家将“三湖”治理纳入国家计划的重点环境治理工程[12]。鄱阳湖整体处于中营养状态，有向富营养化发展的趋势[13]。目前洞庭湖水体富营养化整体程度较轻，但局部水域（大小西湖）富营养化突出，已引起社会各界广泛的关注。有关洞庭湖富营养化研究报道也较多，熊剑等[14-15]利用水质单因子评价和综合营养状态指数对洞庭湖近30年的水质营养状况进行趋势分析，王婷等[16]系统分析了三峡工程运行导致的江湖关系变化对洞庭湖水环境和富营养风险的影响。吴可方等[17]于2016年对东洞庭湖环境因子和浮游植物进行调查，探讨了秋季东洞庭湖蓝藻水华发生的风险水平。然而鲜有在综合营养状态指数评价和洞庭湖浮游植物长期群落演变特征基础上，采用主成分分析对洞庭湖的富营养化影响因素进行研究。
本研究基于1988—2020年对洞庭湖全湖水质和浮游植物的数据跟踪，对洞庭湖的富营养现状及变化趋势作出了全面评价，并结合浮游植物长期的演变特征，采用主成分分析探讨了影响洞庭湖富营养化的主要水质因子，并运用RDA分析揭示了浮游植物与环境因子的关系，以期为洞庭湖水环境保护提供技术支撑。
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洞庭湖（111°53′E—113°05′E、28°44′N—29°35′N）位于湖南省东北部，长江中游荆江段南岸，由西洞庭湖、南洞庭湖和东洞庭湖组成，是我国第二大淡水湖，同时也是全球重要生态区和国际重要湿地。洞庭湖来水复杂，南纳湘、资、沅、澧(简称四水)，北接长江松滋、太平、藕池(简称三口)，经湖泊调蓄后，由城陵矶注入长江，有枯水一线、丰水一片的水文特征。洞庭湖共设置12个湖体监测断面，具体包括西洞庭湖区的南嘴(S1)、蒋家嘴(S2)和小河嘴(S3)断面；南洞庭湖区的万子湖(S4)、横岭湖(S5)和虞公庙(S6)断面；东洞庭湖区的鹿角(S7)、东洞庭湖(S8)、岳阳楼(S9)、扁山(S10)、洞庭湖出口(S11)和大小西湖(S12)断面，详见图1。
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所有水质和浮游植物数据均来自于湖南省洞庭湖生态环境监测中心，各监测指标的年际变化趋势分别以年度算术平均值进行分析处理。采用《湖泊（水库）富营养化评价方法及分级技术规定》中的综合营养状态指数法对水体营养状态进行评价（缺少2002年监测数据）[18]，评价指标包括叶绿素a（Chla）、总磷（TP）、总氮(TN)、透明度(SD)和高锰酸盐指数(CODMn)。使用SPASS软件对水质监测数据进行主成分分析，使用Canoco for Windows 4.5软件对浮游植物群落密度数据与水质因子数据进行RDA分析。
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水质样品采集表层（0.5 m）水样，水样采集后现场自然沉降30 min，取上层非沉降部分分析。浮游植物样品分定量和定性采集。浮游植物定量样根据采样点位的水深设置采样层次。定性样品的采集在定量样品采集结束后进行。使用 25 号浮游生物网，于水面下 0.5 m 深处以每秒 20—30 cm 的速度作“∞”形循环缓慢拖动，拖动时间至少 1—3 min。水质指标在2004年之前每年监测3次（1月、5月和9月），2005年起每月监测1次，浮游植物指标每季度监测1次。
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水质监测项目包含水温、pH、溶解氧（DO）、TP、TN、CODMn、化学需氧量(CODCr)、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、Chla、SD等11项。水温、pH和DO采用YSI现场水质多参数仪直接测定；TP采用钼酸铵分光光度法（GB 11893—1989)测定；TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法（HJ 636—2012）测定；CODMn采用酸性滴定法（GB 11892—1989）测定；CODCr采用重铬酸钾法（HJ 828—2017）测定；BOD5采用稀释与接种法（HJ 505—2009）测定；NH3-N采用纳氏试剂分光光度法（HJ 535—2009）测定；Chla采用分光光度法（HJ 897—2017）测定；透明度采用塞氏盘法现场测定。浮游植物样品用鲁哥氏液固定沉淀48 h后进行显微镜分类计数，种类鉴定参照《中国淡水藻志》[19]。
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2020年洞庭湖全湖综合营养状态指数（ΣTLI）为49.60，属中营养；12个监测断面ΣTLI在43.24—59.05之间，西、南洞庭湖区域ΣTLI均低于50，处于中营养水平；东洞庭湖区域ΣTLI为52.86，处于轻度富营养状态，其中大小西湖断面的ΣTLI最大，为59.05。2020年1月、4—7月、12月，洞庭湖全湖ΣTLI均超过50，达到轻度富营养，其他月份ΣTLI均小于50，属于中营养。下半年营养状况稍好于上半年。
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从时间上看，1991—2020年，洞庭湖全湖ΣTLI在41.09 — 51.68之间，总体呈上升趋势（图2），其中1998、2000、2010、2014—2016年的ΣTLI均超过50，处于轻度富营养状态，其余年份均处于中营养状态。可分为3个时间段分析：1991—2000年为第一阶段，这一时期ΣTLI明显上升，尤其是1998年和2000年达到轻度富营养水平，这可能与这一时期洞庭湖暴发洪水有关[20-21]，洪水期间地表径流携带的大量悬浮物会使湖泊水体中氮磷等污染物浓度升高[22-23]，另外强烈的风暴也会破坏水生植物群落，底泥悬浮易导致沉积物中营养物质得以释放[24]。2001—2007年为第二阶段，这一时期ΣTLI均低于50，水体富营养化趋势减缓，主要受低浓度叶绿素a的影响。2008—2020年为第三阶段，ΣTLI上升趋势明显，水体富营养化加剧。该时段洞庭湖流域工业和生活污染、农业面源污染增加，且湖区内水产养殖破坏水生植被，湖体自净能力减弱等加剧了湖泊富营养化进程[25]。另外，三峡工程运行也可能使洞庭湖水体透明度增大，水环境容量减少，水华暴发风险相对较大[16]。
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洞庭湖富营养的空间分布按西、南、东的3个湖区进行比较，总体表现为东洞庭湖>西洞庭湖>南洞庭湖，与熊剑等[14]的统计分析结果一致，也与汪星等[26]研究的藻类功能群的分布状况相符。近30年来，南洞庭湖区ΣTLI一直低于50，长期稳定在中营养水平。西洞庭湖区在1996、1998和2000年ΣTLI高于50，属轻度富营养，其他年份ΣTLI低于50，属中营养。东洞庭湖区ΣTLI呈上升趋势，与其他湖区差异性显著，在1996、1998、2008—2010年和2013—2020年都超过50，属轻度富营养，主要受大小西湖的影响。大小西湖断面位于东洞庭湖国家级自然保护区的核心区，其附近连通水域水流缓慢，营养盐浓度较高，在2008年首次出现水华，在2013年9月水华面积达400 km2，优势种为微囊藻[27]。“十三五”期间，大小西湖断面平均ΣTLI高于59，将接近中度富营养水平，应引起高度重视。
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除了ΣTLI可以表征湖体富营养状态外，浮游植物也可以作为湖泊富营养化的指示性生物[28]。自1988年以来，洞庭湖共记录浮游植物8门118属，其中蓝藻门17属、绿藻门48属、硅藻门28属、裸藻门8属、甲藻门4属、隐藻门5属、金藻门5属、黄藻门3属。绿藻门、硅藻门和蓝藻门是洞庭湖的主要物种，分别占洞庭湖总物种属的40.7%、23.7%和14.4%。如图3所示，1988—2020年洞庭湖浮游植物密度呈波动上升趋势。
1993年之前，各年平均密度均小于10.0×104 个·L−1；1994—2007年，各年平均密度均小于20.0×104 个·L−1；2008年后洞庭湖浮游植物密度迅速上升，2020年达最大密度为95.7×104 个 ·L−1，远高于20世纪90年代初的水平，主要与东洞庭湖自然保护区大小西湖及附近区域出现水华有关[27,29]。近30年来，洞庭湖浮游植物优势种群由隐藻(贫-中营养代表种)和硅藻（中-富营养型代表种）[30]转变为硅藻和绿藻。值得注意的是，近30年来，洞庭湖的蓝藻门（富营养型代表种）[30]密度有显著上升趋势，由1988年的200个·L−1上升到2020年的6.75×105 个·L−1，且2008年后上升明显，这表明洞庭湖呈现出由中营养过渡到轻度富营养的趋势[29]。
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湖泊营养状态评价指标为TN、TP、CODMn、Chla和透明度5项指标。洞庭湖表层水中CODMn、TN和TP浓度的年变化趋势见图4，Chla和透明度的年变化趋势见图5。
由图4可知，洞庭湖表层水中TN、TP浓度总体呈上升趋势，20世纪90年代中期后湖体TN、TP浓度超标，成为洞庭湖水质恶化和水体营养化程度加剧的重要因子。1991—2020年，TN年均浓度变化范围在1.06—2.04 mg·L−1之间，均高于地表水环境质量标准（GB 3838—2002）Ⅲ类标准限值（1.0 mg·L−1）。1991—2008年TN浓度一直在1.30 mg·L−1上下波动，无明显变化趋势；2009— 2020年TN浓度较前期明显上升，均超过1.60 mg·L−1，2013年达到峰值（2.04 mg·L−1），近7年有下降趋势。
1991—2020年，TP浓度波动较大，TP年均浓度变化范围在0.03—0.15 mg·L−1之间。1991—1994年，洞庭湖TP浓度较低，均低于地表水环境质量标准（GB 3838—2002）Ⅲ类标准限值（0.05 mg·L−1），1995年后TP浓度均高于Ⅲ类标准限值，有些年份甚至高于Ⅳ类标准限值（0.1 mg·L−1）。1995—2009年TP浓度波动较大，2010—2020年，TP浓度变化趋于平缓，近5年有下降趋势。
1991—2020年，洞庭湖CODMn浓度呈现先上升后下降的趋势。CODMn年均浓度变化范围在1.98—4.31 mg·L−1之间，CODMn浓度仅在1998、2000和2001年超过4 mg·L−1，其他年份都低于地表水环境质量标准（GB 3838—2002）Ⅱ类标准限值（4 mg·L−1）。
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叶绿素a是所有浮游植物门类都含有的叶绿素类型，不仅是水体营养状态划分的重要指标，还可表征浮游植物的现存量。由图5可知，洞庭湖表层水中Chla浓度的年变化可分为3个阶段：第一个阶段为1991—2000年，此阶段叶绿素a浓度波动较大，平均浓度为2.56 mg·m−3；第二个阶段为2001—2007年，此阶段叶绿素a浓度较低且波动不大，叶绿素a浓度均不超过1.5 mg·m−3，平均浓度仅为1.17 mg·m−3；第三个阶段为2008—2020年，此阶段叶绿素a浓度显著高于前两个阶段，平均浓度为4.11 mg·m−3，2010年、2016年、2018年和2020年叶绿素a浓度甚至超过5 mg·m−3。历年来洞庭湖透明度一直较低，2001年峰值仅为0.60 m，呈现先上升后下降的趋势。
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为分析各水质因子之间的相关性，并摸清洞庭湖水体富营养化的主导因子，运用主成分分析法[26,31-32]对监测结果进行统计分析（表1）。首先将环境质量监测数据进行标准化处理，后根据主成分选取标准（特征值γ大于1，特征值累积贡献率大于85%），提取F1、F2、F3三个主成分进行评价。从表中信息可知，第一主成分F1反应的信息量最大，贡献率为54.00%，与其关联的主要因子是CODCr、CODMn、NH3-N、Chla、TP，因子载荷量均超过0.85；第二主成分F2的贡献率为20.79%，关联较大的因子是TN和水温，因子载荷量分别为0.942和0.835；第三主成分F3的贡献率为12.75%，关联较大的因子是SD，因子载荷量为0.833；这也进一步证实了洞庭湖水体富营养化的主导因子是水体中的Chla、TP和TN含量。
从洞庭湖ΣTLI和藻密度与水体各环境因子之间的相关性分析结果（表2）可见，藻密度仅与Chla浓度呈极显著正相关（P<0.01），与其他环境因子相关性不显著。ΣTLI与TN和Chla浓度两个指标均极显著正相关（P<0.01），其中与Chla浓度的相关系数最高(0.574)，与CODMn和SD的相关性不显著。因此，洞庭湖ΣTLI的年变化趋势与Chla浓度的年变化趋势相似。Chla浓度与ΣTLI、藻密度、TN呈极显著正相关（P<0.01）；与透明度、pH、CODMn、NH3-N呈显著负相关（P<0.05）。李利强等[33]的藻类增长生物学实验结果也证实了氮对洞庭湖浮游植物生长有明显的促进作用，而磷对浮游植物的生长影响不大，有时出现抑制作用。Chla浓度的高低不仅受营养盐的影响[34]，还与洞庭湖特殊的水文和水动力条件有关[35]。钟成华[36]研究表明，利于藻类生长的水体流速为0.05—0.10 m·s−1，较大的流速导致的低透明度及低透光率限制了藻类的生长。三峡工程运行后，洞庭湖来水来沙相对较少，换水周期相对延长，平均水位下降[37]，这些变化都利于藻类的生长，这可能也是2010—2020年叶绿素a呈上升态势的原因。SD是描述湖泊光学的一个重要参数，而光照直接影响到浮游植物的生长和繁殖，其与NH3-N和TP呈极显著正相关（P<0.01）。
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DCA分析结果中的4个排序轴的梯度长度最大值为1.17，因此采用RDA分析。RDA分析方法通过大量的分析数据进行直接梯度排序，从而反映洞庭湖浮游植物对环境因子的响应[38]。图6反映了浮游植物组成与9种环境因子间的关系。水质因子第一、二轴间的相关系数为0，表明分析结果可信[39]。前两个轴共解释了70.3%的物种数据的方差，95.5%的物种与环境关系的方差累计百分比。浮游植物种群密度与环境因子的RDA分析结果较好地反映了浮游植物与环境特征的相关性。
蓝藻(Cyanophyta)、绿藻(Chlorophyta)、硅藻(Bacillariophyta)与Chla和TN呈现显著正相关，蓝藻与pH显著负相关，绿藻、硅藻则与DO显著负相关。甲藻(Pyrrophyta)、隐藻(Cryptophyta)与TN显著正相关，而与DO显著负相关。蓝藻、绿藻和硅藻是洞庭湖绝大多数断面的优势种群，近些年来这些藻类的密度明显上升，因此洞庭湖chla含量也显著升高。总体来说，TN、Chla、pH和DO是影响洞庭湖浮游植物群落分布格局的主要因素。
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一般地，湖泊水体出现富营养化的条件TN浓度大于0.20 mg·L−1、TP浓度大于0.02 mg·L−1 [35]。洞庭湖这两项指标浓度均已超出富营养化的阈值，但洞庭湖并未出现明显的富营养化及水华暴发现象，主要得益于洞庭湖属于过水性湖泊，水流较快，水体更新、交换频繁[40]。洞庭湖独特的水文和水动力条件（比如水位、水流流速）等都可能影响富营养发展进程。廖平安等[41-42]研究了水体流速与水华之间的关系，得出较快的流速可抑制藻类的生长，降低水华发生风险。故可以推断，洞庭湖没有发生大面积水华主要原因是洞庭湖水流速度较快，抑制了藻类的生长。而东洞庭湖的大小西湖水流流速较小，基本不受三口和四水洪水的动力影响，故水华发生几率很大。同样水位是调节自然湖泊生态系统结构和功能的重要参数，水位上升也可降低富营养化程度。杜冰雪等人[13]研究了鄱阳湖富营养与水位的关系，得出在年内季节变化上富营养化程度与水位呈负相关。至于洞庭湖水体富营养与水位的关系，有待下一步继续研究。
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（1）2020年洞庭湖全湖ΣTLI为49.60，属中营养。1991—2020年，洞庭湖全湖ΣTLI在41.09 —51.68之间，总体呈上升趋势，表现为东洞庭湖>西洞庭湖>南洞庭湖。“十三五”期间，大小断面平均ΣTLI高于59，将接近中度富营养水平，应引起高度重视。
（2）自1988年以来，洞庭湖共记录浮游植物8门118属，绿藻门、硅藻门和蓝藻门是洞庭湖的主要物种。值得注意的是，洞庭湖的蓝藻门（富营养型代表种）密度由1988年的200个·L−1上升到2020年的6.75×105 个·L−1，且2008年后上升明显，洞庭湖呈现出由中营养过渡到轻度富营养的趋势。
（3）洞庭湖水体富营养化的主导因子是水体中的Chla、TP和TN含量，其他环境因子也有一定影响。影响洞庭湖浮游植物群落分布格局的主要因素是TN、Chla、pH和DO。水位和水流流速也是影响洞庭湖富营养的重要因素。
洞庭湖的富营养演变特征及影响因素
The evolution and influencing factors of eutrophication in Dongting Lake
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摘要: 基于近30年洞庭湖水环境质量调查数据，从综合营养状态指数和浮游植物密度两方面探讨了洞庭湖富营养演变特征，运用主成分分析法筛选主导因子，并进行了环境因子与浮游植物的冗余分析（RDA）。结果表明，2020年洞庭湖全湖综合营养状态指数为49.60，属中营养，近30年，洞庭湖全湖综合营养状态指数在41.09—51.68之间，总体呈上升趋势，表现为东洞庭湖>西洞庭湖>南洞庭湖。自1988年以来，洞庭湖共记录浮游植物8门118属，绿藻门、硅藻门和蓝藻门是洞庭湖的主要物种，洞庭湖呈现出由中营养过渡到轻度富营养的趋势，且蓝藻门上升速度最快。洞庭湖水体富营养化的主导因子是水体中的Chla、TP和TN含量，水位和水流流速也是影响洞庭湖富营养的重要因素。影响洞庭湖浮游植物群落分布格局的主要因素是TN、Chla、pH和DO。Abstract: Based on the investigation of water environmental quality in Dongting Lake in recent 30 years, the characteristics of eutrophication evolution in Dongting Lake were studied from the perspectives of comprehensive nutritional state index and phytoplankton density. The dominant factors were chosen by principal component analysis. The redundancy analyses (RDA) between the environmental factors and the phytoplankton were carried out. The results showed that the comprehensive nutritional state index of Dongting Lake was 49.60 in 2020, which belonged to middle nutrition. In the past 30 years, the comprehensive nutritional state index of Dongting Lake has remained from 41.09 to 51.68, which showed an upward trend, namely East Dongting Lake > West Dongting Lake > South Dongting Lake. Since 1988, a total of 8 phyla and 118 genera of phytoplankton species have been recorded in Dongting Lake. Chlorophyta, diatom and Cyanophyta were the main species in Dongting Lake, and Cyanophyta was growing the fastest. The trend in Dongting Lake was from moderate nutrition to mild nutrition. The dominant factors affecting the eutrophication in Dongting Lake were chlorophyll a (Chla), total phosphorous (TP) and total nitrogen (TN). The water level and flow velocity were also important factors. TN, Chla, pH and Dissolved Oxygen (DO) were the main factors affecting the distribution pattern of phytoplankton community in Dongting Lake.
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图 1 洞庭湖水质监测断面示意图
Figure 1. Sampling sections of water quality monitoring in Dongting Lake
图 2 1991-2020年洞庭湖ΣTLI变化趋势
Figure 2. Changes of ΣTLI index in Dongting Lake from 1991 to 2020
图 3 1988—2020年洞庭湖浮游植物密度变化
Figure 3. Changes of phytoplankton density in Dongting Lake from 1988 to 2020
图 4 1991— 2020年洞庭湖CODMn、TN和TP浓度的年变化趋势
Figure 4. Change of CODMn、TN and TP concentration in Dongting Lake from 1991 to 2020
图 5 1991—2020年洞庭湖表层水SD和Chla的年变化趋势
Figure 5. Change of SD and Chla concentration in Dongting Lake from 1991 to 2020
图 6 洞庭湖浮游植物与环境因子的RDA分析
Figure 6. RDA biplot of phytoplankton and environment factors in Dongting Lake
表 1 因子载荷量
Table 1. Component matrix
F1 F2 F3 水温 0.336 0.835 0.345 pH 0.401 0.328 0.284 DO 0.695 -0.393 0.509 CODMn 0.987 -0.094 0.020 CODCr 0.991 -0.086 0.018 BOD5 0.828 -0.492 -0.235 NH3-N 0.935 0.297 -0.117 TP 0.861 0.209 0.380 TN -0.196 0.942 0.019 Chla 0.898 -0.056 -0.185 SD -0.279 0.216 -0.833 特征值 5.940 2.287 1.402 方差百分百/% 54.003 20.790 12.749 累积方差百分比 /% 54.003 74.794 87.543 
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表 2 洞庭湖各环境因子的相关分析
Table 2. Pearson Correlation coefficients of environmental factors in Dongting Lake
水温
TemperaturepH DO CODMn NH3−N TN TP Chla SD ΣTLI pH −0.023 DO −0.246 0.042 CODMn −0.300 0.166 0.319 NH3−N −0.227 0.407* −0.228 0.141 TN 0.029 −0.245 −0.568** −0.517** 0.044 TP −0.19 0.264 −0.032 0.351* 0.578** 0.01 Chla 0.068 −0.435* −0.173 −0.400* −0.449* 0.474** −0.276 SD −0.393* 0.331 0.164 0.3 0.559** −0.05 0.555** −0.350* ΣTLI −0.054 −0.324 −0.330 0.025 −0.107 0.510** 0.263 0.574** −0.066 藻密度 0.002 −0.149 0.107 −0.173 −0.347 0.158 −0.153 0.513** −0.256 0.195 注：**为极显著相关，P<0.01. *为显著相关，P<0.05. Note:**shows a very significant correlation, P<0.01. * shows a significant correlation, .
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