引用本文
文新宇, 张虎才, 常凤琴, 李华勇, 段立曾, 吴汉, 毕荣鑫, 路志明, 张扬, 欧阳椿陶. 泸沽湖水体垂直断面季节性分层.地球科学进展, 2016, 31(8): 858-869
Wen Xinyu, Zhang Hucai, Chang Fengqin, Li Huayong, Duan Lizeng, Wu Han, Bi Rongxin, Lu Zhiming, Zhang Yang, Ouyang Chuntao. Seasonal Stratification Characteristics of Vertical Profiles of Water Body in Lake Lugu. Advances in Earth Science, 2016, 31(8): 858-869  
Doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2016.08.0858.
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泸沽湖水体垂直断面季节性分层
文新宇, 张虎才*, 常凤琴, 李华勇, 段立曾, 吴汉, 毕荣鑫, 路志明, 张扬, 欧阳椿陶
云南师范大学旅游与地理科学学院,高原湖泊生态与全球变化实验室, 云南省地理过程与环境变化重点实验室,云南 昆明 650500
张虎才(1962-),男,陕西凤翔人,教授,主要从事湖泊沉积与环境变化研究.E-mail:515075638@qq.com

作者简介:文新宇(1981-),女,河南项城人,博士研究生,主要从事湖泊环境变化与同位素研究.E-mail:xywen0801@163.com

基金:云南省领军人才项目“云贵高原湖泊演化与水安全”(编号:2015HA024); 云南省高端人才引进项目“云南(云贵高原)湖泊记录与生态环境及可持续发展研究”(编号:2010CI111)资助
摘要

通过2015年1月、4月、7月、10月水温、电导率、溶解氧、pH及叶绿素a监测数据对水体温度的季节动态及其垂直分层结构进行分析,探讨了泸沽湖水体水化学性质的季节性分层特征。结果表明:泸沽湖水体在春、夏、秋季出现明显的热力分层现象,冬季水温在垂向上接近同温状态,夏季温跃层位于10~25 m水深处,而秋季温跃层下移至20~30 m处。均温层水温维持在9.5~10 ℃与泸沽湖年均温一致,说明均温层水体稳定且处于相对恒温状态,是湖区年均温的反映。热力分层结构对电导率、溶解氧、pH及叶绿素a变化有一定影响,致使水体电导率、溶解氧、pH出现明显的分层现象,尤其在夏季,气温升高,热力分层现象显著,溶解氧和pH在温跃层内出现峰值,自峰值处向上、向下均呈递减趋势,均温层处于缺氧状态且pH值较小。虽然叶绿素a在温跃层以下维持较低水平,整体不高,但在表层有突然增高的现象,应予以高度警示,防止泸沽湖出现大面积藻类繁殖甚至局部性爆发。电导率垂向上呈递减变化,在温跃层内降低幅度较大。泸沽湖水体盐度基本保持恒定(约0.10‰),在不考虑盐度效应的情况下,无论是在垂直断面上还是在变温层、温跃层及均温层中,电导率与水温之间存在一简单线性函数关系,证明泸沽湖仍受自然气候影响,保持自然水体状态。

关键词: 泸沽湖; 热力分层; 溶解氧; 电导率; pH值
中图分类号:P343.3 文献标志码:A 文章编号:1001-8166(2016)08-0858-12
Seasonal Stratification Characteristics of Vertical Profiles of Water Body in Lake Lugu
Wen Xinyu, Zhang Hucai*, Chang Fengqin, Li Huayong, Duan Lizeng, Wu Han, Bi Rongxin, Lu Zhiming, Zhang Yang, Ouyang Chuntao
Key Laboratory of Plateau Lake Ecology & Global Change, Yunnan Provincial Key Laboratory of Geographical Process and Environmental Change on the Plateau, College of Tourism and Geography Science, Yunnan Normal University, Kunming 650500, China
Corresponding author:Zhang Hucai (1962-), male, Fengxiang County, Shaanxi Province, Professor. Research areas include lake sediments and environmental changes.E-mails:515075638@qq.com
Fund:Project supported by the Yunnan Provincial Government Leading Scientist Program “Lake evolution and water security in Yunnan Plateau” (No.2015HA02); The Yunnan Provincial Government Senior Talent Program “The lake records and ecological environments in Yunnan and water security” (No.2010CI111)
Abstract

For the purpose of exploring seasonal stratification characteristics of water hydrochemistry, the seasonal dynamics and vertical thermal stratification of water temperature in Lake Lugu, the vertical profiles of water temperature (Temp), Electrical Conductivity (EC), Dissolved Oxygen (DO), pH and Chlorophyll-a (Chl-a) of Lake Lugu were monitored in January, April, July and October 2015, respectively. The results indicated that water body of Lake Lugu appeared thermal stratification in spring, summer and autumn, however, in winter, the water temperature in vertical direction was homogeneous. The thermocline was located between 10 and 25 m, nevertheless, it moved down to range from 20 to 30 m in autumn. In addition, water temperature in hypolimnion was maintained almost as a constant and consistent with annual temperature, indicating water body was stable all along. The results showed that the thermal stratification had some influences on vertical distributions of DO, EC, pH and Chl-a. The significant stratification of DO, EC and pH was found, especially in summer, DO and pH values in thermocline peaked due to greatly stable thermal stratification and temperature increase. In hypolimnion, DO concentration and pH value were very small. Moreover, Chl-a concentration was higher in the surface and lower in the bottom water, implying that human should be highly alter to prevent the emergence of a large area of algae in Lake Lugu. EC took on decreasing variation, besides, lower in the thermocline. While,Lugu Lake water salinity was lower and substantially constant (~ 0.10‰), without considering the effects of salinity, both in vertical sections and in epilimnion, thermocline and hypolimnion, there all existed a simple linear function of the relationship between EC andwater temperature, showing that Lugu Lake was affected by natural climate and keeps natural state.

Keyword: Lake Lugu; Thermal stratification; DO; EC; pH.
1 引言

不同季节太阳辐射不同使得湖水接受到不同的太阳辐射能, 从而引起湖水温度发生季节性变化, 致使湖水温度具有显著的季节性分层变化特征。一般情况下, 湖泊水温的垂向分布随湖水深浅的差异而不同。相对于浅水湖泊而言, 深水湖泊水体分层温度梯度大, 持续时间长[1], 而且深水湖泊受风力影响小、储热能力强、垂直温差大, 易于形成稳定的分层现象[2], 因此热力分层现象是存在于较深湖泊(水深大于10 m)中的一种自然现象[3]。深水湖泊的温跃层(Thermocline)犹如阻塞层, 其内湖水理化性质垂直梯度较大, 变温层(Epilimnion)和均温层(Hypolimnion)内的湖水理化性质比较均匀, 这是由于温跃层的存在能有效阻碍上下层水体的对流、紊动和分子交换, 影响光和营养盐在湖泊水体中的分布, 从而对水化学参数的垂直分布产生影响[4, 5]。

湖水温度分布状况与水体的物理性质、化学反应及生物活动等密切相关, 因此湖泊水体温度的垂直变化及温跃层的形成、发展和消失, 影响着湖泊水体水化学参数的垂向分布。溶解氧(Dissolved Oxygen, DO)对湖泊生物生长、发育及湖水自净能力影响颇大, 是衡量湖泊水质的一个重要参数, 也是湖泊水动力条件和初级生产力的综合反映[6]; 藻类在光合作用过程中消耗了湖泊水体中适量的CO2, 打破了CO2-H2CO3-HC O3--C O32-的平衡过程, 引起pH值升高, 因此水体pH的变化能反映湖泊中藻类的生长状况[7]; 叶绿素a(Chl-a)是衡量湖泊中浮游植物现存量的重要指标, 其含量高低能反映水体的营养水平[8]; 电导率(Electrical Conductivity, EC)大小可衡量湖泊水体中的盐度及可溶性物质的量。因此, 要深刻理解深水湖泊水化学参数的意义, 就必须对湖泊季节性热力分层现象进行深入细致的研究。同时, 湖泊热力分层的垂向变化影响DO、pH、Chl-a及EC等水化学参数的垂向分布, 这种由水温变化引起的水体各水化学参数的季节分层现象是深水湖泊的典型特征。

目前, 一些学者对许多自然深水、浅水湖泊及大型人工水库的季节分层现象及水化学特征进行了深入系统的研究, 如太湖[1]、天目湖[6]、抚仙湖[9]、万峰湖[10]、千岛湖[11, 12]和红枫湖[13]等。但对高原深水湖泊水体季节性热力分层及水化学参数的季节性研究却相对较为薄弱。泸沽湖属于暖温带半封闭高原深水湖泊, 湖水全年不冻结, 易于形成稳定的热力分层现象, 且入流与泄流对湖泊热量平衡的影响极小, 是研究湖泊水体季节性变化的最佳选择。赵雪枫[14]根据泸沽湖实测数据通过计算获得了湖泊稳定度、混合深度、温跃层深度及浮力频率, 阐明了泸沽湖季节性温度分层发生、发展及消失规律, 探讨了温度分层所引起的初始环境效应, 但该研究只在北面取一采样点, 也未对电导率与温度之间的关系进行讨论。Wang等[15]分析了泸沽湖表层水温变化及底部溶解氧浓度, 得出泸沽湖属于暖单次混合型湖泊, 秋、冬季DO较高, 并以夏、秋季在温跃层以下的透光区DO最高。

在全球变化背景下, 随着极端气候和气象事件的频繁发生和强度的不断增大[16], 季风区特别是变化剧烈的西南(印度)季风区气候环境也将发生一系列的变化和响应, 引起湖泊发生相应的变化。这些变化都会导致水文循环和水资源的变化, 并对我国水资源不仅在量方面, 而且在区域分配上产生重大影响[17]。这就要求我们对湖泊基本特征有所了解和认识。泸沽湖作为西南季风区一个重要的深水湖泊, 相对而言我们对其了解并不多, 缺乏对其温度季节性分层及水化学参数垂直变化的详细研究, 鉴于此, 我们对2015年1月、4月、7月和10月泸沽湖水温、EC、pH、DO和Chl-a等参数的垂直断面监测数据进行系统分析, 以期揭示泸沽湖水温的季节性分层特征及规律, 并进一步探讨泸沽湖水温季节性垂直分层变化所带来的环境效应, 为高原优质淡水湖泊的保护提供科学依据。

2 材料与方法
2.1 研究区概况

泸沽湖位于云南省西北部和四川省西南部的两省交界处, 是一个高原断层溶蚀陷落湖泊, 主要的断裂构造体系由1个西北东南向和2个东西向的断层共同构成, 地理坐标为27° 41'~27° 45'N, 100° 45'~100° 51'E。泸沽湖是一个天然淡水湖泊, 属金沙江水系, 湖泊略呈西北— 东南走向, 南北长9.5 km, 东西宽5.2 km, 湖岸线长约44 km。根据2005年实测数据[18]:湖面高程2 692.2 m, 面积57.7 km2, 最大水深105.3 m, 平均水深38.4 m。蓄水容量19.53亿m3, 年入湖水量1.1亿m3, 最大水体透明度12~14 m, 水体营养水平一直稳定保持为I类水质[19]。

泸沽湖处于西南季风气候区, 属于亚热带高原季风气候带, 具有暖湿带山地季风气候特点。冬季受干燥的大陆风控制, 夏季盛行湿润的印度洋季风, 干湿季分明。年均降水量730~830 mm, 全年降水约89%集中在雨季(6~10月)。湖水主要靠降水、地表水及地下水补给。湖泊出口位于南部湖区东岸, 通过唯一出口草海湿地外泄, 每年的干季(1~5月)湖水基本无外流, 湖水寄宿时间长达18.9年, 属半封闭湖泊。

2.2 数据采集

由于泸沽湖面积较大, 受地质构造影响, 湖泊分为南部和北部两部分, 为提高湖泊监测效率而又能覆盖全湖, 2015年1月、4月、7月和10月分别在泸沽湖南北建立监测断面(图1), 其中, 1月在A, B, C, D, E点; 4月在F, G, H, I点; 7月在J, K, L, R点; 10月在M, N, O, P点对泸沽湖水质进行了监测。

本研究中所用到的水质参数(水温、水深、溶解氧、叶绿素a、pH值、电导率)采用多参数水质分析仪(仪器型号:YSI-6600V2, 产于美国)现场连续测定。YSI-6600V2是一款多参数、宽量程的便携式水质监测仪器, 是监测工业污水、污水排放口、江河、湖泊、沼泽、江河口、沿海和饮用水水质的理想设备。测试前对所有探头进行校正, 测试时先采用手持式超声波水深仪测定水深, 以确保数据的可靠性。

图1 泸沽湖监测(采样)点分布Fig.1 Distribution of monitoring and sampling sites in Lake Lugu

3 结果与分析
3.1 水温垂直分层及季节变动

大型深水湖泊, 由于上下层水体的增温与冷却不一致, 致使水温沿垂向呈现一定变化, 泸沽湖各采样点1月(冬季)、4月(春季)、7月(夏季)和10月(秋季)水温的垂直分布(图2)清楚显示:泸沽湖水温季节性变化较大, 在4月、7月和10月水体垂直断面温度梯度明显, 温跃层深度范围随时间逐渐发生变化(图2), 1月随着气温降低, 水体温度整体下降, 出现上部和底部水体温度一致, 垂直断面不存在温度梯度(图2), 即无温跃层形成。

4月随着太阳辐射增强及气温升高, 表层水体快速增温, 与深层水体温差逐渐增大, 水体开始出现分层现象。泸沽湖气温在7月达到最高, 这使得外界热量持续不断地由表层向下传递, 最大温差减小, 温跃层深度上移, 呈明显的温度分层现象。根据“ 温跃层为水温梯度超过0.2 ℃/m的水层” [11, 20]这一定义, 7月泸沽湖水温在垂直断面上可分为3层:变温层(0~10 m)、温跃层(11~25 m)、均温层(25 m以下)。进入10月随着气温降低, 温跃层深度下移至20 m水层处。1月太阳辐射弱, 气温低, 湖泊水体释放潜热, 最终形成水体上下均匀的温度分布, 无明显分层。在季节尺度变化过程中, 温跃层形成后由于湖水紊动、对流及分子扩散的作用, 其位置不断下移, 因此泸沽湖春秋两季温跃层位置比夏季分别大约下移15 m和10 m, 到冬季温跃层完全消失。

沪沽湖表层水温受外界气候因素影响较大, 7月和10月水温变化明显, 其变化范围为17.1~22.0 ℃。但在深水层(40 m以下), 全年基本保持恒定, 均维持在9.5~10 ℃。据泸沽湖附近3个气象站点盐源(27.27° N, 101.37° E, 2 439.4 m)、中甸(27.50° N, 99.42° E, 3 276.1 m)及木里(28.08° N, 100.50° E, 2 666.6 m)1951— 1980年的年均温分别为12.6, 5.4和11.5 ℃, 经校正后得到泸沽湖年均温为10.3 ℃。由此可知, 泸沽湖均温层水体温度和湖区年均气温基本保持一致, 说明泸沽均温层水体多年来一直处于恒温状态, 是湖区年均温的反映。

从空间上看, 在全年中, 泸沽湖北部表层水温均比南部低。在春、夏、秋季, 泸沽湖南北部水体存在热力分层现象, 且以夏、秋季尤为明显, 水体温度在垂直断面上分为3层:变温层、温跃层、均温层。具体来讲4月北部水体在25 m水层处出现温跃层; 南部水体在21 m水层处出现温跃层。7月, 南北水体的温跃层均出现在10 m水层处。10月下旬, 南北水体的温跃层均出现在20 m水层处。北部水体表层水温的增温和冷却均比南部缓慢, 这是由于在同一个湖泊中水深不同或风的影响而使水温的水平分布产生差异。

图2 泸沽湖水温垂直断面季节变化Fig.2 Seasonal variations of vertical water temperature section in Lake Lugu

3.2 水化学参数的垂直变化特征及季节动态

3.2.1 电导率(Electrical Conductivity, EC)

水体电导率受水温、营养盐和水源补给影响, 因此也存在明显的季节性分层现象(图3), 泸沽湖水体电导率的垂向分布趋势和水温一致。

图3 泸沽湖电导率垂直分布季节变化Fig.3 Seasonal variations of vertical electrical conductivity in Lake Lugu

从图3可以看出, 1月电导率变化幅度较小, 最大值出现在7月, 最小值出现在4月; 泸沽湖电导率在垂直断面上变化明显, 呈先减小后恒定的变化趋势, 电导率在变温层和均温层的变化不大, 不同月份的电导率变化较大。

与1月水温垂向变化趋势一致, 电导率除在49 m以下水层呈现极微小的升高外, 其余无明显差异。但在4月、7月和10月电导率垂向变化趋势明显, 形成分层现象。其中, 4月电导率在25 m水层处发生突变, 31 m以下趋于稳定。7月电导率在10~25 m水深处波动较大, 25 m以下趋于稳定。10月电导率在20 m水深处出现突变点, 该深度以上电导率稳定, 该深度之下至30 m处逐渐减小, 30 m以下趋于稳定。

根据2015年的测定结果(图3)发现, 泸沽湖北、南部水体电导率的空间差异不大, 垂向上变化趋势十分相似。从季节上看, 电导率变化显著, 春夏秋变化趋势一致, 峰值出现在夏、秋季节, 冬季为全年最低。

3.2.2 溶解氧(Dissolved Oxygen, DO)

与水温变化趋势相对应, 泸沽湖水体DO垂向分布存在明显的季节分层现象(图4)。

图4 泸沽湖溶解氧垂直断面变化Fig.4 Seasonal variations of vertical DO section in Lake Lugu

实测数据显示, 1月、4月、7月和10月泸沽湖水体表层DO浓度在6.5~8.5 mg/L, 变化不大, 但在垂向上变化显著且各不相同。1月水体DO在垂直断面48 m以内无明显变化, 其质量浓度为7.0~8.5 mg/L; 北部水深较大的水体在50 m处DO发生突变, 水深大于55 m以下水层DO< 4.0 mg/L, 但当水深超过60 m时DO< 2.0 mg/L, 形成厌氧环境。时至4月, 由于湖水热力分层开始形成, DO质量浓度升高, 最明显的是在水深25 m以上DO稳定在8.0 mg/L左右, 其下随着水深增加, DO逐渐降低至5.5 mg/L左右。7月DO变化较为复杂多样, 在对应于0~10 m的变温层中, DO垂直分布比较稳定; 从11 m水深处向下DO逐渐升高, 并在水深20 m左右出现峰值, 20 m以下DO逐渐下降, 在11~33 m段形成一个DO高值层。10月在水体上层0~21 m, DO垂直分布均匀, 其值略高于7.0 mg/L。在水深21~45 m, DO浓度快速下降, 45 m以下水体DO已经降低至2.0~3.0 mg/L。

3.2.3 pH值

泸沽湖水体pH值整体呈弱碱性且垂向及季节变化明显, 具有明显的分层现象(图5)。由于表层处光照强度较大, 水生生物大量发育, 光合作用强烈, 消耗大量CO2, 致使表层水体pH值较高。而深层水体水生植物光合作用较弱, 有机质分解使水体积累大量CO2和有机酸, 同时由于下层水体滞留时间长, 分子扩散速率较慢, 导致pH值缓慢降低, 因此除夏季外, 泸沽湖水体pH值垂直变化呈逐渐降低趋势。

图5 泸沽湖pH垂直断面变化Fig.5 Seasonal variations of vertical pH section in Lake Lugu

对pH值的垂向变化进行分析(图5)可看出:1月受水温变化影响, 湖水断面pH值为7.6~8.4, 其水深50 m以上则pH值十分稳定, 在8.2左右变化。与1月相比, 4月水体pH值整体有所增大, 其中0~25 m水体中pH值较高且分布均匀, 在25 m水层处pH值出现突变并随水深增加而降低, 但至水体底部仍保持在8.0左右。由于气温升高, 7月水生植物光合作用增强, 消耗水体中大量CO2, 使pH值增大, 水体碱性增强, 此时, 由于各种因素最为活跃, 导致pH值变化多样, 尤其在15~55 m水深处变化很大, pH值最高可达9.6。到10月, 0~20 m水体中pH值垂向分布较为稳定, 变化幅度为8.4~8.8, pH值在20 m水深处出现突变, 形成逐渐降低的趋势。

从空间上看, 1月泸沽湖北部水体pH垂直变化稍微较南部明显, 但差别不大。在50 m水层处出现突变, 而南部水体pH垂直变化稳定。4月北部水体(F和G点)和南部水体(I点)pH值分别在25和23 m水层处出现突变。7月泸沽湖北部和南部水体pH在垂向上存在明显的分层现象, pH峰值出现在北部水体中。整体上来说, 10月南北部水体pH值变化趋势一致且分层明显, 均在19 m水层处发生突变, 北部表层水体pH值稍高于南部。

3.2.4 Chl-a浓度

Chl-a是表征浮游植物生物量的一个重要指标, 水体中Chl-a含量在一定程度上反映了水中藻类数量, 并且与藻类的生长活动、水体透明度、营养盐浓度及自身悬浮特征密切相关[21~23]。与EC, DO和pH相比, 泸沽湖Chl-a垂直分层现象不明显, 但季节变化较为显著(图6)。

从季节上分析, Chl-a含量具有明显的季节性变化, 夏季达到峰值, 冬季最低。1月, Chl-a含量垂直分布较为均匀, 45 m处的水层中浓度梯度最大, 但在55 m以下水层中, Chl-a含量基本维持不变。4月, 整体上来说, Chl-a含量垂直变化规律不明显, 没有出现明显的分层现象。7月, Chl-a含量分别在表层水体和20 m水深处出现极小值和极大值, 在整个垂直断面上Chl-a含量呈现两头小中间大的变化趋势。10月, Chl-a平均含量高于1月和4月, Chl-a含量在20 m处水层中发生突变, 即在温跃层内, Chl-a浓度梯度较大。另外, 通过对比发现, 10月Chl-a垂向波动较大, 1月和4月分布较为均匀。

根据2015年1月、4月和10月测试结果(图6)可看出:Chl-a含量在空间分布上具有一定的分异性, 泸沽湖北部水体水层中Chl-a垂直变化较南部明显, 北部表层水体中Chl-a含量大于南部。

图6 泸沽湖叶Chl-a垂直断面变化Fig.6 Seasonal variations of vertical Chl-a section in Lake Lugu

4 讨论
4.1 泸沽湖水体混合类型

湖泊水温与气温一样具有明显的季节变化, 相应地, 湖泊水体热力分层现象也呈现不同的季节格局。因此, 多数湖泊的分类都是基于热力分层及混合类型提出的[2]。泸沽湖的水温垂直断面揭示, 冬季水温垂直分布接近于同温状态, 春、夏、秋季呈正温层分布, 夏、秋季存在明显的温跃层现象。因此, 根据Lewis[24]在修正前人工作的基础上提出的湖泊分类方案及泸沽湖特殊的地理位置和现状, 其湖水混合模式符合冬季混合, 春季分层形成, 夏、秋季稳定分层的特征, 应为暖单次混合型湖泊。

4.2 温度分层季节变化与水体DO时空分布的关系

对水温分层类型的判断采用指数法[25], α =入库总流量/总库容, α < 10时, 为稳定分层型; α > 20时, 为完全混合型。泸沽湖蓄水容量为19.53亿m3, 年入湖水量1.10亿m3, 经计算可得α < 10, 由此可知, 泸沽湖垂直水温分布属于稳定分层型, 与测定结果相符。由于水体热力分层限制了各水层之间的物质及能量交换, 引起水质参数的明显响应。

对于深水型湖泊而言, 由于水动力较弱、水体滞留时间较长, 导致水体热能传输不均, 从而引起冷热水体密度产生差异, 进而导致不同水层物理化学性质产生差异, 同时表现在水体DO在温跃层内的显著变化。

影响湖泊DO垂直分布的因素很多, 如湖泊深度、大气温度、湖盆形状、水体热力分层及生物作用等。泸沽湖属于深水湖泊, DO季节性分层受水温分层的影响较大, 水温垂直分层状况在很大程度上影响着DO的垂直分布。在湖泊中, 上层水体与大气直接接触, 受风力扰动较大, 而且变温层水生植物的光合作用强烈, DO垂向混合较为均匀; 温跃层内, DO垂向混合受到严重抑制; 均温层内, 由于水生植物量极少, 光线弱, 光合作用弱, 而且有机质的降解进一步加重了水体消耗氧, 温跃层的存在严重阻挡了上下层水体的物质及能量交换, 同时由于均温层水体长期滞留, 无法得到上层水体DO的及时补充, 引起下层耗氧速率远远大于复氧速率, 导致泸沽湖均温层中水体DO含量不断下降, 逐步发展为厌氧环境。

泸沽湖水体温度分层对DO的垂直分布影响与万峰湖[9]和Korean水库[26]的研究结果类似, 水体温度季节性分层特征, 导致DO垂直分布的季节性分层变化。冬季, 太阳辐射较弱, 气温较低, 此时湖泊水体开始向外界释放潜热, 变温层富氧水体能及时补充均温层DO的消耗, 所以DO在垂直方向上分布均匀, 泸沽湖北部水位较深, 表层水温较高, 温跃层位于50 m水层处, 此处温度梯度变化较大, 同时DO在50 m处急剧降低, 而南部水温垂向变化均匀; 55 m以下水层DO< 4.0 mg/L, 处于缺氧状态。春季热力分层初步形成, 温跃层的存在有效阻止了水体垂直对流混合, 变温层内DO垂向分布较为均匀, 均温层DO逐步下降, 且变化缓慢; 北部水体温跃层深度较南部下移了5 m, 导致北部水体DO在垂向上的突变位置也较南部下移。夏季热力分层稳定, 变温层DO垂直分布均匀, 整体上, 变温层DO比4月偏低, 可能原因为:①DO随气温升高而降低, ②变温层的水动力减弱, ③水生生物的昼夜迁移; 在温跃层内, DO变化较为复杂多样, 峰值出现在大约20 m水深处, 自20 m向上、下, DO均迅速减小。造成DO极值的因素极为复杂, 大致可分为物理因素、生物因素及二者之综合作用。对泸沽湖而言, 物理因素基本排除, 因为物理作用所致的DO极值位置与水温或较高密度的水体补给, 而泸沽湖水体监测断面温差较小而又主要靠降水补给; 生物因素所致的DO极值位置与水体透明度一致[27], 泸沽湖属于I类水质, 透明度为12~14 m, 同时泸沽湖有可进行光合作用的水生生物, 所以主要是由生物作用造成的, 这是因为泸沽湖海拔较高, 夏季紫外线辐射很强, 水生生物为了躲避太阳紫外线辐射, 可能在20 m左右水层处最为富集, 这一水层恰好处于温跃层内。由于温跃层的存在严重抑制了光合作用所产生的O2在垂向上的传输, 因此变温层和均温层的DO偏低。秋季, 在20 m左右DO急剧减小, 0~20 m水层, 水生生物光合作用产生了大量DO, 较强的紊流混合作用使DO迅速扩散, 使之在0~20 m水层垂向混合较为均匀, 均温层DO极小, 处于厌氧环境。

4.3 水温分层对pH时空分布影响

水体中pH主要受控于CO2含量和HC O3-浓度, 而水体中CO2含量受水温、溶解离子、微生物等多种因素影响[28]。泸沽湖属于天然淡水湖泊, 水体透明较高, 因此水体pH变化主要与水生生物的光合作用有关, 表层水体光照充足, 浮游生物量大, 光合作用强烈, 消耗水体大量CO2, 打破了CO2-H2CO3-HC O3--C O32-平衡过程, 使pH值升高, 水体呈弱碱性; 而深层水体, 光线难以到达, 光合作用极弱, 此外水— 沉积物界面处有机质矿化降解产生大量CO2和小分子有机酸, 由于CO2和小分子有机酸的累积效应, 所以越接近底部, pH值越小。温跃层的存在严重阻挡了上下层水体的物质及能量交换, 下层水体滞留时间较长, 分子扩散速率较慢, 造成下层水体pH值变化缓慢。

与DO相似, 泸沽湖pH的时空分布也具有季节性分层特征。冬季, 水体处于潜热释放期, 50 m以上的变温层水体垂向混合均匀, 所以pH垂向分布均匀; 随着水深进一步加深, 水动力条件越来越弱, 水位较深的北部水体pH在51 m左右出现突变, 向下显著降低。春季, pH值相对于冬季略微升高, 这与水生生物的光合作用消耗水中的CO2有关, 在温跃层内pH值缓慢降低, 这可能是由春季温跃层初步形成, 稳定性较弱所致; 均温层内, pH变化极其微弱。7月, pH值呈现两端低中间高的分布趋势, 根据DO的垂直分布特征可推知pH值大约在20 m处较高, 但与此推知不同, 北、南部水体pH值分别在30 m和24 m左右出现峰值, 且北部水体pH值变化极为显著, 这可能是由水体的增温与冷却物理作用、或由于重力流或密度流引起pH极值位置下移引起, 具体机制尚不清楚, 有待进一步研究; 北部水位较深, 表层水温为20.5~21.0 ℃, 有益于水生生物大量生长, 光合作用参与生物量大, 消耗CO2多, 引起pH值明显升高。10月, 0~20 m水层pH垂向分布一致, pH值较高是由于水生植物的光合作用持续消耗CO2的累积效应造成。

4.4 水温分层对电导率时空分布影响

水体中的电导率与溶于水体中的离子浓度(或活度)成正比, 主要反映水体中可溶性离子总量。水的分子式(H2O)表明:水是由电中性的分子而不是离子组成, 天然水是良好的导电体, 其行为服从欧姆定律。湖泊水体中, 大量物质溶解、离解、形成电活性离子, 这可增加水体的电导率, 水体中的电导率主要受控于可溶性物质和温度[29], 由图2和图3可知, 在垂直方向上, 电导率与水温的季节性分层变化趋势一致, 即温度是影响电导率的主要因素。泸沽湖属于I类水质, 透明度较高, 盐度决定水体中的总离子浓度, 在水体垂直断面中, 盐度几乎保持恒定(约0.10‰ ), 那么忽略离子浓度对电导率的影响, 各垂直断面上电导率与水温之间的关系如表1所示。

表1相关性分析表明, 冬(泸沽湖北部水体除外)、春、夏、秋季电导率与水温呈显著的正相关关系, 同时可看出电导率与温度呈简单的线性函数。4月水体热力分层形成, 7月分层稳定, 由于温跃层的阻挡作用, 导致电导率波动性较大, 同时太阳辐射增强, 气温升高, 水温随之升高, 分子和离子运动速率加快, 导致泸沽湖南北水体交换速率加快, 引起电导率与水温之间的函数关系极其相近, 概括起来4月、7月电导率与水温的函数关系式为:C=0.004T+0.12。10月, 气温降低, 水温降低, 水体密度差异减小, 导致温跃层位置下移, 引起电导率与水温之间的斜率减小, 但南北水体之间无明显差异, 水体垂直断面上电导率与水温之间函数关系接近于:C=0.003T+0.14。冬季, 水体垂直紊流作用增强, 电导率在垂向上变化均匀, 但泸沽湖北部水体电导率与水温呈反相关关系, 关系式为:C=-0.008T+0.22, 而南部呈正相关关系, 其关系式为:C=0.004T+0.10。原理上讲, 电导率与温度及离子浓度均呈正相关关系, 但泸沽湖北部水体出现这种反相关关系, 可能是由于北部水体H+及可溶性物质浓度随水温的降低而增大, 离子浓度对电导率的影响超过了水温的影响所致。泸沽湖水体垂直断面上电导率与温度之间的函数关系与一些文献研究[30]的结果C(T)=aT+b相一致。

表1 电导率与水温之间的关系 Table 1 The relationship between electrical conductivity and water temperature

温跃层的存在有效抑制了湖泊上下层水体的对流、紊动和分子交换, 从而严重阻碍了上下层水体物质和能量的交换, 因此水体热力分层的存在也对电导率的垂向分布上产生一定影响。以冬季无分层现象为参考标准, 为了能代表全湖的电导率— 温度之间的关系, 把所有的监测断面全部考虑进去, 那么变温层、温跃层及均温层的电导率与温度之间的关系如表2所示。

表2 变温层、温跃层和均温层的电导率与温度之间的函数关系 Table 2 The functional relationship of epilimnion, thermocline and hypolimnion between electrical conductivity and water temperature

由表2相关性分析可知, 变温层、温跃层及均温层中电导率— 水温之间呈极显著的正相关关系。监测断面垂向上电导率— 温度之间的斜率逐渐增大, 这说明随着水深的增加, 温度对电导率的影响程度增大。

4.5 水温分层对Chl-a时空分布的影响

叶绿素是使植物呈绿色的色素, 是水体中浮游植物的重要组成成分, 水体中的光合作用主要靠浮游植物来完成, 而浮游藻类中都含有Chl-a, 因此常用Chl-a来衡量浮游植物现存量、光合作用及水质状况监测的指标[31~33]。根据世界经济合作与开发组织(Organization for Economic Co-operation and Develpment, OECD)规定湖泊营养状况的Chl-a划分标准[32], 泸沽湖一年四季Chl-a< 3.09 μ g/L, 为贫营养型湖泊。

泸沽湖Chl-a浓度随季节变化较为明显, 在夏秋季生长期内出现一个小高峰。表层水体Chl-a出现峰值, 水体分层后, 藻类停留在表层, 在适宜的水温和光照条件下得以大量繁殖, 而在均温层内, Chl-a变化较为均匀。冬季, Chl-a较高, 这时泸沽湖表层水温基本上降到全年最低水平, 而且该时期泸沽湖受旋转风控制。变温层内水温降低使上层水体产生增密效应, 引起变温层内水体的不稳定性增加, 另外持续无定向风使富含营养盐的下层水体翻涌到上层水体; 整体上来看, 泸沽湖Chl-a垂向分布波动较小。春季, 泸沽湖Chl-a普遍较低, 湖面温度升高, 风速减小, 风向不稳定, 泸沽湖普遍升温导致水体分层形成及较弱的风速都不利于水体的垂直混合, 而且此时浮游植物不适应水温的突然升高, 不利于浮游植物的生长, 从而可能限制了营养盐的上涌和浮游植物的生长[34], 因此泸沽湖Chl-a较低, 北部更低。夏季, 西南季风盛行, 此时降水量达到全年最高水平, 致使表层水体中Chl-a含量为全年最低水平; 夏季气温升高, 太阳紫外线辐射较强, 导致藻类在20 m水深处最为活跃, 引起Chl-a含量在此处出现峰值; 整体上看, 夏季Chl-a含量在温跃层内变化较为复杂, 均温层内Chl-a含量较为稳定。秋季, 西南季风撤退, 藻类生长较为繁盛, 因此Chl-a较高, 20 m左右出现突跃, 40 m以下水层, Chl-a垂向分布均匀。

泸沽湖水体Chl-a含量空间分布规律:南部> 北部, 这是由于同一湖泊中, 不同深度水域中Chl-a受地理位置、湖流、风向等多重影响不同。除上述原因之外, 人类活动也是泸沽湖Chl-a含量增加的主要原因之一, Chl-a含量增加最多的地点是泸沽湖观光活动最活跃的地方, 这应当引起高度关注。

5 结 论

基于泸沽湖南北水体断面的监测数据, 对泸沽湖水温季节变化及热力分层进行了分析, 据此推断泸沽湖属于典型的暖单次混合型湖泊。

泸沽湖热力分层控制着DO, pH, EC的垂直分布和变化, 导致DO, pH, EC垂直分层规律与温跃层协同变化。冬季, 水体处于混合期, 水化学参数EC, pH, DO纵向分布均匀; 夏季, EC, pH, DO垂直分层现象更明显, 温跃层内pH, DO出现峰值, 自峰值处向上、向下呈减小趋势。

泸沽湖表层水体Chl-a值虽相对较小, 但变化较大, 说明已有藻类长时间停留在光照充足和温度适宜的表层繁殖生长。尽管到目前泸沽湖Chl-a所指示的藻类数量还很低, 但却是一个警示, 作为云南高原水质最好的一个湖泊, 应当高度警惕藻类的数量、分布及变化特征, 预防藻类大量出现与季节性爆发。

泸沽湖是一天然湖泊, 其水体电导率和水温在整个垂直剖面上变温层、温跃层及均温层内均存在简单线性函数关系, 说明泸沽湖仍受自然气候的影响, 仍保持自然水体状态。

The authors have declared that no competing interests exist.

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