湖泊富营养化是世界范围最严重的水质问题，直接引起有毒藻华、鱼类死亡、生物多样性下降以及其他相关的生态问题；尤其在人口密集、经济发达的地区，由于人类活动的影响大大增加入湖污染负荷，更容易发生湖泊富营养化问题^{[1, 2]}。自改革开放以来，我国社会经济高速发展，人口、资源、环境与经济发展之间的矛盾也进一步加剧，直接导致湖泊生态环境急剧恶化，特别是富营养化问题日趋严重，反过来严重制约了社会经济的可持续发展^{[3, 4, 5]}。不同区域湖泊的富营养化成因、类型、演变过程以及物理、化学、生物学特性等方面存在显著差异，致使中国湖泊的营养物水平和富营养化效应具有显著的区域差异性^[6]。我国中东部平原地区由于社会经济的高速发展，不合理的环湖开发、渔业养殖、过量排污等因素，导致中东部平原地区的湖泊富营养化问题最为突出^[7]。在过去的十几年中，围绕湖泊富营养化治理，各级政府投入了大量的人力、物力和财力，仍收效甚微^[8]。

湖泊富营养化仍是一个非常复杂过程，很多关键问题都有待研究^[9]。湖泊的富营养化特征演化既受自然环境因素及变化的影响，还受人类活动的扰动。分布在同一地区的湖泊群受到自然环境因素的影响基本接近，但人类对各湖的开发强度、保护目标的不同，可能直接导致各湖的富营养化演变趋势不一致，富营养化水平差别较大。以一个地区的湖泊群作为单元研究湖泊富营养化的自然与人文因素的影响的方向与作用的强度，服务于科学制定湖泊富营养化的管理和污染防治策略，对于保护饮用水安全与湖泊生态环境健康具有重要意义^[10]。比较同一地区各湖的富营养化特征及过程，确定在人为因素影响下湖泊富营养化水平的拐点，能够为制定一个地区的湖泊环境整治和生态修复目标提供科学依据^[11]，富营养化程度较轻的湖泊可作为富营养化程度较重的湖泊的生态修复目标。本文运用比较湖沼学的相关方法，对苏南地区主要湖泊的富营养化特征进行差异性分析，探讨各湖泊所处的不同富营养化阶段及原因，对于科学应对我国中东部平原湖泊富营养化问题具有积极意义。

苏南地区在行政区划上的江苏省长江以南地区，是江苏经济最发达的区域，也是中国经济发展最快最发达的区域之一，在“2011年全国百强县(市)”前10名中占了7席。该地区河道纵横，拥有众多湖泊，列入《江苏省湖泊保护名录》的湖泊共有137 个，其中苏南地区就占据了128 个^[12]。苏南地区湖泊多呈浅碟形，岸边平缓，属外流淡水和浅水型湖泊，水位变化具有缓涨缓落的特性^[13]。本文研究苏南地区的湖泊群包括太湖、滆湖、长荡湖、昆承湖、淀山湖、澄湖、阳澄湖、傀儡湖、元荡、漕湖和尚湖，其中太湖面积最大(2425 km²)，尚湖面积最小(8km²)^[14]，淀山湖属于苏南地区与上海市省界湖泊。各湖泊的使用功能大多集饮用水源、洪涝调节、渔业生产、农业灌溉、航运、休闲旅游等多功能于一体。

图 1 苏南湖泊群的各湖泊区位图 Fig.1 The location map of lakes in the Southern Jiangsu Province

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从江苏省和上海市各地方环境监测站收集各湖泊2006—2010年的常规水质监测月平均或季度平均数据，分析的富营养化相关指标包括4个原因变量：高锰酸盐指数(COD_Mn)、氨氮(NH₃-N)、总氮(TN)、总磷(TP)，以及2个响应变量(Chl-a)和透明度(Secchi depth,SD)。面积越大的湖泊一般布置采样点个数越多：太湖20个、淀山湖13个、昆澄湖7个、阳澄湖6个、尚湖6个、滆湖4个、长荡湖4个、澄湖4个、傀儡湖3个、漕湖1个(湖中心)、元荡1个(湖中心)。2011年1月—2012年1月，笔者对湖泊进行了每季度1次现场采样，共获取5次补充数据，采样点全部在湖中心水域，太湖和淀山湖各3个点，其他每个湖泊1—2个点。高锰酸盐指数、总氮和总磷参照《水和废水监测分析方法》进行测定^[15]，透明度采用塞氏盘现场测定，叶绿素a浓度采用丙酮萃取分光光度计法测定。

(1)综合营养状态指数法评价

综合营养状态指数计算公式为：TLI(∑) =∑W_j× TLI(j)。式中TLI(∑)为综合营养状态指数；W_j为第j种参数的营养状态指数的相关权重，依据第j种参数与基准参数叶绿素a的相关系数来计算。TLI(j)为代表第j种参数的营养状态指数。富营养化程度分级标准： TLI(∑)＜30 贫营养；30≤TLI(∑)≤50 中营养；TLI(∑)>50 富营养^[16]。

(2)箱须图法

箱须图法(Box and Whisker plot)，是利用数据中的5个统计量：最小值、第25百分位数(P25)、中位数、第75百分位数(P75)与最大值来描述数据的一种方法，可反映一组或多组连续型定量数据的集中和离散趋势，能以简单的组合图形直观的表现数据批的形状和分布结构(图 2)。箱须图能客观地反映湖泊水质指标变化情况和分布结构，并进行多批数据的比较分析。利用统计软件Origin 8.0对各湖泊2006—2011年的水质数据进行箱须图分析。

(3)拐点探测分析法

借助空间换时间的方法，将所有湖泊的富营养化指标进行一定排序后便相当于同一湖泊在不同时间点的状态。基于各湖泊2010—2011年的实测水质数据，利用Taylor Enterprises公司的拐点分析软件Change-point analyzer 2.3 进行富营养化参数的拐点探测分析。

图 2 箱须图 (Box-whisker Plot) 示意图 Fig.2 Sketch map of Box-whisker Plot

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图 3 苏南地区各湖泊的综合营养状态指数 Fig.3 Trophic Level Index (TLIc) of lakes

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用相关加权综合营养状态指数(TLI_c)评价了苏南地区各湖泊的营养水平(图 3)。综合营养状态指数变化范围为43.5—64.2，其中尚湖的TLI_c值最低，富营养化程度最低，淀山湖的TLI_c值最高，富营养化程度也相应最高。尚湖与傀儡湖的综合营养状态指数介于30和50之间，处于中营养状态。淀山湖与澄湖的综合营养状态指数介于60和70之间，属中度富营养。其余7个湖泊的综合营养状态指数(TLI_c)值介于50和60之间，属轻度富营养化。

采用箱须图方法统计2006—2010年的水质数据，比较分析COD_Mn、NH₃-N、TN、TP、 Chl-a和SD等富营养化相关指标在苏南地区各湖泊之间的差异性，各湖泊之间的指标数值阶梯状变化非常明显(图 4)。从COD_Mn、NH₃-N、TN、TP这四项富营养化原因变量来看，淀山湖和澄湖的水质最差，TN和TP均劣于Ⅴ类，淀山湖的NH₃-N达到Ⅴ类。与其他湖泊比较，淀山湖和澄湖的NH₃-N、TN、TP数据离散程度均很大，与这两个湖泊属于典型的过水性湖泊有关，换水周期短，湖内水质受上游来水的波动影响更大。而作为封闭型水源地的尚湖与傀儡湖水质最好，各项指标处于Ⅱ—Ⅲ类，数据离散度低，说明湖泊状态相对比较稳定。其他7个湖泊的水质状况介于这4个湖泊之间，NH₃-N大多达到Ⅱ类，COD_Mn大多达到Ⅲ类，TN和TP均为Ⅲ—Ⅴ类不等，太湖的TN较高，劣于Ⅴ类。滆湖和长荡湖的TN浓度在苏南湖泊群中属较低水平，TP浓度也处于中等偏下水平，但藻类叶绿素a的平均浓度和数值离散程度均最大，透明度偏低，说明这两个湖泊的富营养化趋势正在加重。

从Chl-a和透明度(SD)这两项响应指标来看，Chl-a浓度较低的尚湖和元荡，透明度较高；而Chl-a浓度较高的长荡湖和滆湖则透明度较低。淀山湖、元荡、太湖、尚湖以及傀儡湖的Chl-a浓度平均值或中位数位于15ug/L以下，长荡湖和滆湖的Chl-a浓度平均值超过40ug/L。阳澄湖Chl-a平均浓度介于前两组之间。湖面面积较大的太湖、长荡湖、滆湖、阳澄湖，Chl-a浓度的离散程度明显大于其他面积较小的湖泊，这可能与大湖泊的多生境条件导致浮游藻类生物量空间差异性较大。太湖透明度较低与大湖面受风浪掀沙作用有关。尚湖的透明度离散程度大主要是因为受长江的泥沙影响，引水时泥砂含量高，降低透明度，经过数日沉淀之后，透明度显著提高。

图 4 苏南湖泊群近5年富营养化指标的空间差异性 (2006—2010) Fig.4 Spatial discrimination of eutrophication indicators among different lakes in the Southern Jiangsu Province

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将各湖泊2010—2011年同步监测的6个富营养化指标的平均值分别按从小到大排列，利用change-point analyzer 2.3对各指标进行拐点探测分析，结果如图 5所示，发现苏南地区各湖泊的营养物水平存在跃迁现象，不同湖泊所处的富营养化阶段有所不同。图中的上下两条虚线之间为控制区，代表当前富营养化状态下，湖泊数值可能最大变化范围，控制区以外的湖泊表示指标值异常好或异常差的湖泊。明显处于两片深色阴影之间的区域中心点可视为拐点或变化的敏感点，为湖泊不同富营养化状态间转换的指标阈值：透明度为50cm，TN为2.3mg/L，TP为0.125mg/L，Chl-a为25ug/L，NH₃-N为1.0mg/L，COD_Mn为4.7mg/L。总体来看，尚湖和傀儡湖目前处于富营养化程度最轻的下游区，元荡和阳澄湖处于敏感的拐点附近，淀山湖、澄湖、长荡湖等其他湖泊明显进入富营养化程度较重的上游区。

图 5 基于拐点分析的苏南湖泊群富营养化指标阈值判定 (2010—2011) Fig.5 The analysis of abrupt change of ecosystem parameters

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苏南湖泊群位于同一个地理区域，具备的气候条件、自然环境特征和湖泊形态基本相似，均属于浅水湖泊，在改革开放之前水质普遍良好，水草生长旺盛，生物种类丰富，透明度总体较高^[17]。然而，各湖泊2006—2010年的常规水质监测数据比较分析结果显示，苏南湖泊群的营养物水平和富营养化状态表现出很强的空间差异性。这种空间差异性既可能受湖泊本身的湖泊形态、水动力条件、水生植被、换水周期等自然因素影响，也可能受各湖的沿岸带开发强度、污染源输入规模、水资源管理模式以及功能定位等人为因素影响^[18]。在社会经济高速发展和人口高密度聚集的现实背景下，人为因素和自然因素往往共同作用，从而影响湖泊富营养化进程。淀山湖和澄湖同属于典型的过水性湖泊，系统开放度大，水力停留时间短至20余天，入湖污染物在湖内得不到充分消纳，湖内水质对上游来水水质非常敏感，生态系统很容易受到外源污染的冲击而崩溃，因此当整个流域的大量排污引起地表水水质恶化时，过水性湖泊的水质会比其他湖泊做出更快速的响应，分析结果显示淀山湖和澄湖的TN，TP浓度在整个苏南地区内最高，富营养化状态综合指数也达到最大。太湖的沿湖开发强度一直很大，入湖污染河流众多，藻华仍时有发生^[19]，自2007年藻华污染事件以来，加强了沿湖污染源管理，大幅削减入湖污染负荷，而且太湖最大的湖面积和最长的水力停留时间有助于提高自净能力，对外来污染的消纳能力要强于同地区的其它中小型湖泊，近5年太湖富营养化水平稳定在苏南湖泊群中的中游水平。综合营养状态指数较高的长荡湖、滆湖、漕湖、阳澄湖、澄湖、元荡等湖泊，属于渔业生产型湖泊，大多以水产养殖及相关休闲旅游为主要功能，多年的围网养殖活动已造成底泥中氮、磷的大量积累^[20]，内源污染严重，水质持续恶化，规模过大的养殖活动和不合理的养殖结构对湖内水草、底栖动物的多样性和生物量破坏严重^[21]，湖内水质恶化程度与围网养殖面积有着相同的变化趋势^[22]。尚湖和傀儡湖是苏南湖泊群中富营养化程度最低的湖泊，综合营养状态指数均小于50，属于中营养状态，这主要得益于这两个湖泊实行的合理功能定位和水资源管理模式，尚湖和傀儡湖分别被确定为常熟市和昆山市的封闭型湖泊水源地，湖泊管理模式已完成了从单纯的资源利用到资源保护和利用高度统一的转变，水资源保护甚至引进企业化运作机制，入湖量和出湖量采取严格的人工控制，外源污染输入控制到最小，内源污染得到清除，富营养化程度逐年改善，透明度提升。从以上比较分析结果来看，苏南湖泊群和东部平原地区的其它湖泊类似^[17]，各湖之间的水质指标空间梯度变化主要是由人为因素的的长期作用造成的，包括沿湖开发强度、入湖污染负荷、功能定位、管理模式等^{[10, 18]}，自然因素对富营养化的影响较小。从整个地区来看，湖泊的富营养化进程也是湖泊资源利用进程和管理组织制度的演化过程^[23]。人类生产活动的干扰强度和人为组织管理模式的转变成为影响苏南湖泊群富营养化演变进程的决定性因素。在整个地区水质出现整体下降的背景下，单个湖泊进行科学管理，削减外源输入，能实现稳定湖泊水质，控制富营养化趋势的目标。因此，实现湖泊水资源管理目标的合理转变是解决苏南地区湖泊群富营养化问题的关键，管理模式需要由资源利用管理向资源保护管理进行转变。

水污染的影响早已超越局部和“点源”的范围，区域性的富营养化污染问题越来越受到关注^{[6, 7]}，分布在苏南地区的湖泊群具有相似的气象条件、自然环境特征和湖泊形态，因此以同地区的湖泊群作为一个单元研究富营养化的自然与人文因素的影响方向与作用强度，比较各湖的富营养化特征及进程，判定在人为活动干扰下的湖泊群富营养化状态的拐点，对于科学制定湖泊营养物管理和富营养化控制策略具有重要意义^[10]。湖泊群的研究不仅着眼于比较分析同一地区的湖泊富营养化趋势，划定该地区的湖泊由较轻富营养化状态向更严重状态转化的警戒线，而且最终为该地区的单个湖泊富营养化控制策略提供方向。以淀山湖为例，综合营养状态指数法判定出淀山湖的TLI_c值在整个苏南地区的最高，2006—2010多年平均值高达64.2，标准差1.57，说明该湖一直稳居在中度富营养化状态(图 3)。箱须图显示了淀山湖的NH₃-N、TN、TP等分项指标的平均值、中位数和数据离散度均明显高于其它湖泊，只有叶绿素a浓度水平处于较低水平(图 4)；近20年淀山湖的TN和TP浓度一直持续上升的，TN和TP的年平均数据是在1995年之后开始分别超过苏南地区湖泊群的拐点阈值2.3mg/L 和0.125mg/L，两项指标的绝大部分监测数据在2000年之后都超过了阈值(图 6)。透明度也是在2000年之后全面低于50cm的阈值，近10年仍呈下降趋势，平均值目前维持在40cm左右。后10a(2001—2010)的叶绿素a浓度明显高于前10a(1991—2000)，在2001—2005期间年平均叶绿素a浓度值明显超过阈值25μg/L，虽然在2006—2010期间又迅速回归到阈值以内，但这不能归因于淀山湖的富营养化程度出现好转，因为藻类生物量可能受气象条件、水动力等其他因素影响很大。综合来看，淀山湖是在1995年前后开始由轻度富营养化状态向中度富营养化转移，在2000年前后全面进入中度富营养化状态。对于淀山湖的富营养化控制策略应首先控制上游来水的污染物输入，尽快实现NH₃-N、TN、TP等指标低于阈值，才有可能逐渐减缓湖体富营养化程度，最终目标要使湖体透明度重新提高至50cm以上。

图 6 淀山湖富营养化指标的长时间尺度的演变 Fig.6 20-years variation of eutrophication indicators of Dianshan Lake

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本研究采用综合营养状态指数法、箱须图法和拐点探测分析法对苏南湖泊群的富营养化状态进行比较分析，探讨湖泊由轻度富营养化向中度富营养化状态转换的相关指标阈值，3种方法的计算原理、表达方式、优势和局限性都有所不同。综合营养状态指数法用于评价各湖泊的富营养化程度，计算方法成熟，判定标准统一，对不同湖泊有较好的区分度，层级分明，结果显示尚湖与傀儡湖的综合营养状态指数最低，处于中营养状态，淀山湖与澄湖的综合营养状态指数最高，属中度富营养化状态，其余7个湖泊介于两者之间，属轻度富营养化。但综合营养状态指数法的计算结果是一种综合值，隐藏了分项指标的数值，不利于提出具体的污染指标控制目标。箱须图法和拐点探测分析法是对单项指标进行逐一细致分析，与综合营养状态指数法相比，对不同湖泊的富营养化状况区分度较低，但这两个方法对制定富营养化控制策略更具有操作性，因为污染减排和富营养化控制措施最终要落实到对各项单一指标的考核。箱须图可同时表达平均值、中位数、最小值、最大值以及不同分位上的数值，能全面、精确反映不同湖泊的水质指标在某段时间范围内的数据变化范围、分布结构和离散趋势，有利于判断湖泊群的富营养化相关指标的所有监测值在阈值上下的分布比例。淀山湖TN和TP平均浓度和数值离散程度均在苏南湖泊群中最大，而藻类叶绿素a和透明度的数值离散程度偏小，说明淀山湖受上游来水水质影响很大。尚湖和傀儡湖的NH₃-N、TN、TP平均浓度和数据离散度均最低，这两个湖泊目前稳定在中营养水平。滆湖和长荡湖的TN、TP平均浓度和数据离散度处于中等偏低水平，但藻类叶绿素a的平均浓度和数值离散程度均最大，透明度也相应较低，说明这两个湖泊的富营养化趋势正在加重。箱须图法的局限性在于比较湖泊富营养化状态的过程较复杂，尤其是当每个湖泊的各项指标之间的数据结构、平均水平、离散程度差异很大时，箱须图很难分辨各湖的富营养化程度。拐点探测分析方法是基于“各态遍历”假说(ergodic hypothesis)——同一区域在不同时段的发展状态(“时间序列谱”)可以从同一时间不同区域的发展状态(“空间局域谱”)中获得识别^[24]，判定出苏南地区湖泊群由轻度富营养化向中度富营养化状态转化的指标风险阈值，这些阈值可视为苏南地区各湖泊跨入中度富营养化状态的警戒线，为管理部门减缓湖泊富营养化趋势的提供目标值，在实际管理中有较大可操作性。拐点分析法的局限性在于只是对当前某一时间段各湖泊的指标平均值进行比较分析，当各湖之间的富营养化状态差异性很小时，不容易得到拐点阈值。总之，苏南湖泊群的3种比较分析方法的优势和局限性有所不同，但彼此关联，相互补充，能同时用于比较分析同一地区的湖泊富营养化趋势，提出苏南湖泊群由较轻富营养化状态向更严重状态转化的指标阈值。

本文借助综合营养状态指数法、箱须图法以及拐点探测分析法，分析了苏南地区11个主要湖泊的富营养化特征以及各湖之间的差异性，典型封闭性水源地尚湖与傀儡湖水质最好，总体为Ⅱ—Ⅲ类，评价为中营养状态。典型过水性湖泊淀山湖与澄湖水质最差，TN和TP均劣于Ⅴ类，评价为中度富营养状态，其他湖泊属于轻度富营养化状态。3种分析方法的优势和目标有所不同，但相互补充，能同时用于湖泊群的富营养化趋势的比较分析，明确富营养化控制目标。拐点探测分析提出了苏南湖泊群由轻度富营养化向中度富营养化转变的指标阈值：COD_Mn为4.7mg/L，NH₃-N为1.0mg/L，TN为2.3mg/L，TP为0.125mg/L，Chl-a为25ug/L，透明度为50cm。尚湖和傀儡湖位于富营养化程度最轻的下游，太湖、淀山湖、滆湖、澄湖、长荡湖、昆承湖、漕湖位于富营养化程度最高的上游，而元荡和阳澄湖目前处于前两者之间的拐点区域。湖泊群的比较分析对提出一个地区或一个流域的湖泊富营养化控制策略具有理论价值和实际意义。