湖泊是地表水资源的重要载体，不仅为人类提供淡水资源，而且在维护区域生态与环境功能方面发挥着重要作用^[1]。然而，在自然演变和人为活动的双重影响下，全球大部分湖泊面临着面积萎缩、水体富营养化、生物多样性降低等多重生态环境问题，进而导致生态系统结构和功能遭到破坏或退化，制约着社会经济可持续发展^[2-3]。保安湖是长江中下游地区典型的浅水草型湖泊，具有防洪、灌溉、饮用水供给、生物多样性维持和旅游等多重功能，在湖北省国民经济和社会发展中发挥着重要作用^[4]。由于日益发达的工农业及水产养殖业蓄积大量营养元素通过土壤侵蚀和地表径流进入保安湖，导致湖泊水质恶化、富营养化、生物多样性减少正威胁着保安湖的生态安全^[4-5]。以往针对保安湖水生态环境已经开展了一些研究，主要集中在水质调查评价、沉积物营养盐和重金属污染，以及浮游植物群落特征等方面^[6-10]。根据2005—2016年湖北省生态环境公报数据显示^[11]，保安湖水质发生阶段性改变。2005—2009年水质为Ⅳ类，呈有机物污染和富营养化特征，2010—2012年水质为Ⅲ类，有所改善，2013—2016年水质为Ⅳ类，污染再次加重；湖泊水体长期处于富营养状态。近年来，国家对湖泊水环境治理力度不断加大，自2017年起保安湖正式推行河湖长制，加大了污染治理力度，开展了退渔还湖和生态修复治理，有效减少了入湖污染物排放量，保安湖恢复到Ⅲ类水质和轻度富营养状态^[11]。虽然保安湖水质呈现改善的趋势，但是目前仍然处于轻度富营养状态，需要进一步采取措施恢复良好的生态系统。为此，本文基于2019—2021年保安湖水质监测数据，分析保安湖2019—2021年营养状态变化特征，研究水体叶绿素a浓度与水环境因子的关系，以期为保安湖水生态环境治理和保护提供科学依据。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

保安湖(30°12′—30°18′N，114°39′—114°46′E)位于湖北省大冶市西北部，地处长江中下游江汉平原东部边缘部位，属梁子湖水系。保安湖流域面积245 km²，其中湖水平均面积39.3 km²，平均水深为2.27 m。流域内气候属亚热带季风气候，全年平均气温16.8 ℃，多年平均降水量1 283 mm，降雨多集中在4—9月。保安湖水流自南向北，水源主要来自地表径流，接纳南面的东港、西港，东南面的还地桥港和东北面的三八港等地表径流来水。流域内水田集中在东港、西港和还地桥港流域，鱼塘主要分布在保安湖周围。湖区内的扁担塘、桥墩湖与主体湖之间有透水坝阻隔，但仍有水道与主体湖相通，保持一定的水循环。本研究将保安湖湖区分为4个区域，分别为扁担塘、肖四海、桥墩湖和主体湖，其位置如图 1所示。

1.2 野外采样及监测分析

根据保安湖的水文情势变化周期，分别于2019—2021年丰水期(7或8月)、平水期(10月)和枯水期(1月)在保安湖开展野外监测及采样(图 1)，以2019年7月、10月和2020年1月代表2019—2020年度，以2020年8月、10月和2021年1月代表2020—2021年度。每个监测点以水下1 m处为第1层，每隔1 m采集水样，现场采样时使用测深锤确定监测点的水深(H)，通过黑白塞氏盘(Secchi disc)进行透明度(SD)的测定，使用HACH多功能水质分析仪(Hydrolab DS5X型)测定叶绿素a(Chl.a)、电导率(Cond)、pH值、水温(WT)、氧化还原电位(ORP)、浊度(Tur)和溶解氧(DO)。采集的水样冷藏后带回实验室用于总磷(TP)、总氮(TN)以及高锰酸盐指数(COD_Mn)的测定，TP，TN浓度分别采用钼酸铵分光光度法和碱性过硫酸钾消解—紫外分光光度法测定，高锰酸盐指数采用酸性高锰酸钾氧化法测定。各监测点各指标取多层水样的算术平均值代表。

1.3 研究方法 1.3.1 综合营养状态指数法

为评价2019—2021年保安湖水体营养状态，采用《湖泊(水库)富营养化评价方法及分级技术规定》(中国环境监测总站，总站生字[2001]090号)^[12]中的综合营养状态指数法计算保安湖及各湖区的综合营养状态指数(TLI)，计算采用Chl.a，TP，TN，SD，COD_Mn参数法，各因子的相应贡献权重分别为0.267，0.188，0.179，0.183和0.183，计算公式为：

$ \operatorname{TLI}\left(\sum\right)=\sum\limits_{j=1}^m W_j \cdot \operatorname{TLI}(j) $

(1)

$W_j=\frac{r_{i j}^2}{\sum\limits_{j=1}^m r_{i j}^2} $

(2)

式中：TLI(∑)为综合营养状态指数；TLI(j)为第j种参数的营养状态指数；W_j为第j种参数的营养状态指数的相关权重；r_ij为第j种参数与基准参数Chl.a的相关系数；m为评价参数的个数；Chl.a单位为(mg/m³); SD单位为(m), 其余指标的单位均为(mg/L)。

营养状态具体划分标准如下：TLI(∑)＜30为贫营养，30≤TLI(∑)≤50为中营养，50＜TLI(∑)≤60为轻度富营养，60＜TLI(∑)≤70为中度富营养，TLI(∑)＞70为重度富营养。在同一营养状态下，指数值越高，其营养程度越重^[12]。

1.3.2 方差分析

方差分析是一种假设检验，用于两个及以上样本均数差别的显著性检验，其基本原理是将全部观测数据的总变异分解为组间变异和组内变异，如果组间变异远远大于组内变异，则认为控制因素对因变量产生了影响^[13]。本研究分别以不同水文情势和不同湖区为控制因素，采用方差分析识别保安湖不同水文情势、不同湖区水体营养状态的时空差异。

1.3.3 空间自相关分析

空间自相关是指研究对象和其空间位置之间存在的相关，分为正相关和负相关，正相关表明属性值随着空间分布位置(距离)的聚集，相关性越发显著的趋势，负相关则相反^[14]。具体可分为两种分析角度。一种为全局自相关，是对整个区域属性值空间特征的描述；另一种为局部自相关，可用于探索集聚中心的空间位置。本研究选取的测度指标分别是Global Moran’s I以及Local Moran’s I。

(1) Global Moran’s I指数的计算公式为：

$ I=\frac{\sum\limits_{i=1}^n \sum\limits_{j=1}^n W_{i j}\left(x_i-\bar{x}\right)\left(x_j-\bar{x}\right)}{s^2 \sum\limits_{i=1}^n \sum\limits_{j=1}^n W_{i j}} $

(3)

$ s^2=\frac{1}{n} \sum\limits_{i=1}^n\left(x_i-\bar{x}\right)^2 $

(4)

式中：n是空间单元数目；x_i，x_j表示空间单元i和j的属性值; W_ij是空间权重系数矩阵。Moran’s I取值范围为[-1, 1]。I>0时, 表示空间正相关; I < 0时, 表示空间负相关; I=0时, 表示空间呈随机性。可用标准化统计量Z来表征空间自相关的显著性, 计算公式为：

$ Z=\frac{1-E(I)}{\sqrt{\operatorname{var}(I)}} $

(5)

式中：E(I)为I的期望值; var(I)为I的方差。在显著性为0.05水平下, Z>1.96(或者p <0.05)表示该区域的空间自相关是显著的。

(2) Local Moran’s I指数的计算公式为：

$I_i=\frac{n\left(x_i-\bar{x}\right) \sum\limits_{j=1}^n W_{i j}\left(x_j-\bar{x}\right)}{\sum\limits_{i=1}^n\left(x_i-\bar{x}\right)^2} $

(6)

根据I_i、(x_i- $ \bar{x}$)与显著性检验结果, 可以将第i个空间单元与周边单元属性值的相关性分为5种类型, 分别是高值中心且周围被高值区域包围, 属于热点(即高/高集聚), 低值中心且周围被低值区域包围, 属于冷点(即低/低集聚), 高/低集聚, 低/高集聚, 集聚不显著。

1.3.4 叶绿素a浓度影响因子模型

保安湖叶绿素a浓度的水环境影响因子采用非线性概率Logit模型进行研究，将叶绿素a浓度作为因变量，以2019—2021年监测的叶绿素a浓度均值作为标准，对叶绿素a浓度进行离散，其中监测点叶绿素a浓度大于均值表示水体营养水平较高，取值为“1”，叶绿素a浓度小于均值则表示水体富营养化水平较低，取值为“0”，其余各水环境影响因子作为自变量建立模型。通过模型边际效应分析，计算各水环境影响因子变化时相应因变量的响应概率，进而分析各水环境影响因子对湖泊Chl.a浓度的影响程度^[15]。Logit模型是二元离散选择模型，模型估计采用最大似然法估计，模型表达式为：

$\ln \left(\frac{P_i}{1-P_i}\right)=X_i^* \cdot \beta $

(7)

式中：P_i为因变量取值为1时的概率；X_i^*为自变量；β为自变量的回归系数。

1.3.5 相关性分析

采用IBM SPSS Statistics 20统计软件进行Pearson系数相关性分析。

2 结果与分析 2.1 保安湖水体营养状态时间特征

从长时间序列数据评价结果看，1987年和1992—1993年保安湖处于较低的中营养状态(表 1)，2011年9月TLI上升到59.80，接近中度富营养状态，之后，随着多年的治理与保护，水体营养状态逐渐改善，2019—2021年保安湖营养状态总体保持在中营养状态。与20世纪80—90年代相比，保安湖水体TN与COD_Mn浓度年际间变化不大；而叶绿素a和TP呈现明显的增加趋势，透明度则明显降低，说明保安湖水体TLI变化最主要是受叶绿素a，TP浓度上升和SD下降的影响。浮游植物的生长是富营养化的关键过程，而水体叶绿素a是表征浮游植物生物量和指示湖泊富营养化程度的一个重要指标，在富营养化湖泊中，叶绿素a浓度直接与浮游植物生物量相对应^[6]，因此有必要研究叶绿素a浓度变化的影响因子。

如图 2所示，2019—2021年保安湖水体营养状态在中营养和轻度富营养间波动。

TLI在2019年10月最高，为55.86，在2020年1月最低，为47.25，2019—2020年和2020—2021年TLI分别为51.86和50.69，水体营养状态逐渐转好。从不同水文情势期来看，2019—2020年丰水期、平水期和枯水期TLI差异显著(p＜0.05)，平水期TLI显著高于丰水期和枯水期，而丰水期显著高于枯水期；2020—2021年丰水期TLI显著高于平水期和枯水期(p＜0.05)。总体上，2019—2021年丰水期、平水期TLI与枯水期差异显著(p＜0.05)，丰水期和平水期TLI整体略偏向于轻度富营养，分别为52.61和52.36，枯水期营养状态明显转好，TLI为48.86。

2.2 保安湖水体营养状态空间特征

空间分布上，扁担塘的水体营养状态明显好于其他3个湖区，而肖四海、桥墩湖和主体湖之间无显著差异。全局空间自相关分析结果表明，2019—2021年保安湖综合营养状态指数的Global Moran’s I分别为0.46，0.93，0.60，0.31，0.60和0.62，说明保安湖富营养化水平呈显著的正空间自相关(p＜0.01)，各监测点的TLI趋于空间聚集，反映出湖内虽然有分割，但湖区富营养化水平空间结构性仍然明显，影响营养状态的因素如水体理化性质和气候条件等相近^[14]。根据95%置信度双侧检验量划分冷热点空间分布(图 3)，在定期监测分析过程中，除2019年7月全湖没有热点存在外，综合营养状态指数热点区域主要分布在主体湖南部；扁担塘湖区为综合营养状态指数的冷点区域，水体长期处于中营养状态，这也与方差分析的结果相一致。

2.3 保安湖叶绿素a浓度的主要影响因子

通过Logit模型建立保安湖叶绿素a浓度影响因子模型，建模结果为：

$ \ln \left(\frac{P_i}{1-P_i}\right)=X_i^* \cdot \beta $

(8)

式中：X_i^*·β=-22.081-4.970SD+3.438TP+1.318pH+1.023COD_Mn+0.903H+0.445DO-0.112TN+0.086WT+0.058Tur-0.046TN/TP+0.024ORP-0.016Cond。P_i表示湖泊水体叶绿素a浓度较高时的概率。

对Logit模型进行检验, 拟合优度为0.529 8, 拟合结果较好, LR-statistic检验值为144.56, 表明模型总体显著。

由表 2可知，Logit模型各影响因子响应概率的大小顺序为：SD＞TP＞pH值＞COD_Mn＞H＞DO＞TN＞WT＞Tur＞TN/TP＞ORP＞Cond。由响应概率的大小可知，SD的响应概率为50.91%，对保安湖水体叶绿素a浓度的影响最大，TP的响应概率为35.21%，对叶绿素a浓度的影响较大，pH和COD_Mn的响应概率分别为13.50%和10.47%，对叶绿素a浓度的影响次之，H和DO的响应概率分别为9.25%和4.55%，对叶绿素a浓度也有一定影响。相关性分析结果表明(表 3)，2019—2021年保安湖水体叶绿素a浓度与TP浓度，pH值，COD_Mn，水深呈显著正相关，与SD，DO浓度，TN浓度和TN/TP呈显著负相关。水温通过改变浮游植物酶促反应速率间接对光能和营养盐的获取、利用产生影响，进而影响浮游植物生产力^[19]，浊度的意义是在光线通过水样后，由于水中颗粒的遮拦或散射而使光强发生变化，影响浮游植物的光合作用^[20]，氧化还原电位反映了水溶液中所有物质表现出来的宏观氧化还原性，对环境中营养盐的迁移转化具有重要影响^[21]，电导率体现了水体中营养盐的含量，被认为是驱动浮游藻类群落演替的主要环境因子之一^[22]。在本研究中水温、浊度、氧化还原电位和电导率的响应概率较低，对保安湖水体富营养化产生的影响较弱。

3 讨论 3.1 保安湖水体营养状态特征分析

自2010年以来，管理部门在湖区内拆除围栏、

围网，取缔商业养殖，在流域内关停多家涉污企业，建立污水处理厂，加强非法排污口的打击、封堵，对出入湖河流清淤、建立生态护坡，有效减少了污染源，入湖港渠水营养盐含量已达到较低水平，湖区内营养状态逐渐转好。但水田是东港和西港流域内主要的土地利用类型，传统的耕作、施肥方式造成水土流失严重，其入湖港渠水的营养盐含量相比湖水仍相对较高。根据2019—2021年东港、西港水体的监测，东港TP，TN和COD_Mn浓度分别为0.087±0.063 mg/L，1.70±1.42 mg/L和4.31±1.36 mg/L，西港TP，TN和COD_Mn浓度分别为0.136±0.122 mg/L，2.79±2.30 mg/L和4.94±1.22 mg/L，造成主体湖南部区域水体营养状态较高。建议实施更为高效的控源截污等策略，减少入湖水体中的污染物含量。由于水体的流动自净能力，主体湖的北部聚集程度下降，营养状态明显好转。扁担塘湖区无点源污染，面源污染较少；由于湖区围堤存在，既阻拦了主体湖来水，又减小了风浪扰动引起的内源污染物释放；并且在扁担塘试点进行的生态修复项目使得沉水植物逐年恢复，水质明显改善。

3.2 氮、磷与营养状态的关系

经典湖沼学认为，磷、氮是湖泊富营养化风险的重要促发因素^[3]，然而，就2019—2021年监测分析结果来看，TN对保安湖叶绿素a浓度的影响较小，响应概率仅为1.15%，叶绿素a与TN之间呈显著的负相关关系，可能与水体中藻类的快速吸收利用有关，也与浅水湖泊生态系统中反硝化脱氮速率随温度升高而提高有关^[23]。在本研究中，叶绿素a浓度与TP浓度呈显著正相关。相关研究表明富营养化的实质是TP过高导致的浮游植物过度生长，使得浅水湖泊从沉水植物为优势的清水态转换为以浮游植物为优势的浑水态^[24]。在中等水深和中等面积的浅水湖泊中，TP低于0.04~0.06 mg/L为清水稳态，高于0.08~0.12 mg/L时为浊水稳态，中等磷浓度时存在两种状态^[25]。保安湖1987年和1992—1993年水体TP浓度低于0.04 mg/L，叶绿素a浓度较低，SD平均为1.5 m左右，水体仍是以沉水植物为优势的清水态，而当TP浓度升高后，叶绿素a浓度随之升高，SD一直保持在0.5 m左右，水体转为浑水态，所以TP浓度是导致保安湖浮游植物生长的主要因素，这也与孟睿、刘梅芳等^[6-7]的研究结果一致。Li等^[26]在保安湖开展的一系列长时间的中宇宙试验和全系统试验证明了减氮不能控制浮游植物总量，仅控磷就可控制富营养化，王洪铸和王海军等^{[25, 27]}提出湖泊富营养化治理应采取“放宽控氮、集中控磷的策略”。综上所述，保安湖富营养化治理在营养盐方面，磷、氮均需要关注，在已有污染控制基础上，应该进一步控制外源磷输入，采取钝化等措施减轻内源磷负荷。

3.3 透明度、水深与营养状态的关系

透明度(SD)是评价湖泊水质最直观的指标，在本研究中，保安湖叶绿素a浓度与SD呈显著负相关，浅水湖泊水体SD主要受2种因素影响：无机悬浮颗粒物及有机质或者浮游植物生物量^[28]。保安湖是一个草型湖泊，浮游植物生物量的升高一方面导致水体SD下降，另一方面会使沉水植物受到的光抑制逐步加强，竞争优势不断减弱，从而提高浮游植物的竞争优势，导致其生物量不断增加。沉水植物对浅水湖泊的底泥再悬浮具有重要的抑制作用，是保持水体高透明度的关键因子^[29]，保安湖由于早年间的鱼类养殖活动和富营养化导致其草型生态系统退化，可能也是导致其SD下降的主要原因。

水深是湖泊蓄水量变化的直观表现，也是水动力条件的直接反应^[30]。本研究中叶绿素a浓度与水深呈显著正相关。沉水植物的生长主要决定于其有效生长深度内光的可获得性，理论上沉水植物的生物量应与透明度成正比，与水深成反比。梁彦龄等^[17]发现除菹草外，黄丝草、苦草、聚草等其他沉水植物与指标(SD/H)的关系都十分显著，3—6月SD/H＞0.5才能保证沉水植物正常生长，汛期水位上涨速度过快会抑制沉水植物生长，甚至导致其死亡^[31]。然而从表 1可知，保安湖水体透明度较1992—1993年大大降低，降低了约1 m，水深的升高导致沉水植物的光合作用受到抑制，使得保安湖沉水植物群落恢复缓慢，另一方面，保安湖属于江湖阻隔型湖泊，水位受东沟闸口调控，汛期关闸增加了入湖污染物在湖泊的滞留时间，在湖内分割的共同作用下，水体流动性较差，导致水体藻类对营养盐的生物累积作用大大增强，叶绿素a浓度随之升高。已有研究发现江湖阻隔是湖泊富营养化的重要原因之一，相同营养盐背景下，阻隔湖泊的叶绿素a浓度明显高于通江湖泊^[32]。江湖阻隔还会导致水生植物、底栖动物、鱼类物种的生物多样性下降，导致底层食物网结构简化等生态环境问题^[31]。所以应该进行闸坝生态水位调控，恢复部分自然水文节律，控制保安湖春夏水位上涨速率，保证水生植物正常生长等措施来改善湖泊营养状态。

3.4 COD_Mn，溶解氧和酸碱度与营养状态的关系

在本研究中，COD_Mn浓度的季节性变化较大，在2.65~4.90 mg/L之间，叶绿素a浓度与COD_Mn浓度显著正相关，已有研究表明，浮游植物光合作用会产生大量有机物，从而使得水体COD_Mn增加，同时有机物的存在也有利于浮游植物的生长^[33]，而有机物在好氧微生物作用下发生生物降解，会消耗水体中的DO，可能是本研究中叶绿素a浓度与DO显著负相关的原因。保安湖水体叶绿素a浓度与pH值呈显著正相关，研究表明在浮游植物大量繁殖的水体中，藻类光合作用会提高水体的pH值，接触到沉积物表层，会促进沉积物磷的释放^[34]。孟睿等^[6]研究发现，pH值也是影响保安湖浮游植物群落分布的主要环境因子。

4 结论

(1) 2019—2021年保安湖水体营养状态在中营养和轻度富营养间波动，TLI变化范围为47.25~55.86，水体营养状态良好。保安湖TLI呈现出较明显的时空差异，时间上表现为：丰水期和平水期＞枯水期；空间上表现为：肖四海、桥墩湖和主体湖＞扁担塘。

(2) 保安湖营养状态整体呈现显著的正空间自相关关系，TLI的Global Moran’s I指数分别为0.46，0.93，0.60，0.31，0.60和0.62，热点(高/高集聚)区域主要分布在主体湖南部(p＜0.01)，冷点(低/低集聚)区域主要存在于扁担塘湖区(p＜0.01)，应将富营养化防治的重点区域放在主体湖南部，进一步加强对东港河、西港河污染治理，消减入湖污染物总量。

(3) 通过Logit模型分析可知，SD，TP，pH，COD_Mn，H，DO是影响保安湖叶绿素a浓度的重要因子。对影响因子分析可知，可以通过控制农田水土流失及养殖业面源污染等方式减少外源磷输入，采用生态水位调控和修复水生植被等措施来实现保安湖水体营养状态的良性发展。