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水质较好湖泊在保障饮用水安全及支撑区域生态平衡方面具有重要意义，但是目前，我国一些水质较好湖泊存在富营养化风险[1]。阳澄湖是太湖流域上的第三大淡水湖，作为典型城市浅水湖泊，在苏州市的经济社会发展及生态环境方面发挥着重要作用[2]。近年来，随着阳澄湖流域工农业的快速发展及城镇化的持续推进，使湖泊接纳了大量的点源和面源污染物，长期制约着阳澄湖水环境质量的改善，造成湖体富营养化等问题[3]。
近年来，虽然有学者对阳澄湖的水质现状及富营养化状态进行了分析和探讨，但是研究多集中于阳澄湖整体湖区和阳澄西湖的评价[4-7]，针对阳澄湖各个湖区富营养化状态特征的研究较少，且分析的水质指标较少，不能很好地反映出阳澄湖各个湖区的水体富营养化特征及影响因子。为此，本研究基于2019年阳澄湖6个水质监测点位的10项水质指标的监测数据，运用综合营养状态指数法（TLI）对阳澄湖各湖区的富营养化特征进行分析，并应用主成分分析法（PCA）识别影响阳澄湖各湖区水质的主控因子，以期为管理部门宏观掌握阳澄湖水体营养状态及制定水质提升措施提供科学依据。
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阳澄湖（120°39′～120°51′E、31°21′～31°30′N）位于苏州市区东北部，跨苏州市相城区、工业园区及昆山市，南北长约17 km，东西宽约11 km，水面面积118.93 km2，湖内常水位约2.9 m，蓄水量约1.7亿m3[8]。湖中有两条南北向带状圩埂将湖体分为东湖、中湖和西湖3个部分，其中东湖面积最大，中湖和西湖次之，三湖之间有河道相汇沟通成一体。
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水质数据来源于苏州市生态环境局提供的阳澄湖2019年逐月水质监测数据，监测频次为每月一次。筛选其中的10项主要水质指标作为研究对象，包括叶绿素a（Chl-a）、透明度（SD）、高锰酸盐指数（CODMn）、总磷（TP）、总氮（TN）、溶解氧（DO）、氨氮（NH3-N）、氟化物、pH和水温。阳澄湖体共设6个常规监测点位，西湖、中湖和东湖各设2个，分别为阳澄西湖北、阳澄西湖南、阳澄中湖北、阳澄中湖南、阳澄东湖北和阳澄东湖南，具体点位分布情况见图1。
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参照文献[9]推荐的综合营养状态指数方法，选择Chl-a、TP、TN、SD和CODMn 5个指标对阳澄湖水体的营养化程度进行评价，其计算见式（1）。
式（1）中，TLI（∑）为综合营养状态指数；Wj为第j种参数的营养状态指数的相关权重；TLI（j）为第j种参数的营养状态指数；m为评价因子个数。
各项营养状态指数计算方法见式（2）～（6）。
式（2）～（6）中，Chl-a单位为mg/m；SD单位为m；其他指标单位均为mg/L。L。
用1～100连续数字对湖泊营养状态进行分级，分为贫营养、中营养、轻度富营养、中度富营养和重度富营养等5个级别，即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。
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主成分分析法是一种定量分析法，通过降维的思想对多个研究变量进行分析，通过一定的数学方法重新组合成少数几个相互独立的综合指标[10]，这些综合指标能够反映原始多个指标所包含的大部分信息。在对高维变量空间的降维基础上，根据旋转后的各因子方差贡献率和因子载荷量来提取影响水质的主控因子[11]。本研究应用SPSS 25.0软件对阳澄湖各湖区的10个水质指标的监测数据进行主成分分析，各湖区均提取出4个主成分，并从中筛选出了对阳澄湖水质影响最为显著的指标。
1.1. 区域概况
1.2. 数据来源
1.3. 研究方法
1.3.1. 综合营养状态指数法
1.3.2. 主成分分析法
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为了探究阳澄湖水质现状，对2019年阳澄湖各湖区主要水质指标的逐月监测数据进行了统计分析得到各水质指标的年均值，并参照《地表水环境质量标准：GB3838—2002》[12]Ⅲ类标准对全湖6个监测点位的CODMn、TP、TN、NH3-N和氟化物指标的全年超标率进行统计，见表1。
表1可知，2019年阳澄湖各湖区水温变化基本一致，2月水温最低为4.9 ℃，8月最高水温为31.6 ℃。全湖pH均值为8.05，基本呈弱碱性，各湖区在5～7月的pH值较高，最高值8.78出现在东湖的5月，8～9月时pH值较低，最低值7.18出现在中湖的8月。阳澄西湖的Chl-a年均值为7.1 μg/L，远低于中湖的25.6 μg/L和东湖的22.5 μg/L，但阳澄西湖的SD、氟化物、TP、TN和NH3-N年均值均高于中湖和东湖，说明阳澄西湖的氮磷营养盐污染最为严重，但藻类生物量较少，透明度较高。阳澄中湖的CODMn年均值高于西湖和东湖，说明中湖的有机污染物较其他2个湖区更多，各湖区的CODMn在8月均达到最大值，最小值均出现在12月。阳澄东湖的DO年均值大于西湖和中湖，各湖区的DO最大值出现在1月，最小值出现在8月。
阳澄湖各湖区的CODMn、NH3-N和氟化物年均值均能稳定达标，但TP和TN的年均值均超过地表水Ⅲ类标准，且超标率较高。因此，TP和TN是影响阳澄湖水质达标的主要因子。
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运用综合营养状态指数法（TLI），对阳澄湖2019年水体富营养化程度进行评价。阳澄湖各湖区TLI及相关水质指标年内变化特征，见图2。
图2可见，阳澄湖全湖TLI值的变化范围为45.1～52.5，平均值为49.0，全湖2019年呈中营养状态，各湖区综合营养状态指数TLI大小依次为阳澄中湖>阳澄东湖>阳澄西湖，其中阳澄中湖为轻度富营养，阳澄东湖和西湖为中营养。各湖区的TLI值均在4月达到波谷，为中营养状态，在1月达到全年最高为轻度富营养状态。
从与TLI值相关的各水质指标的年内变化特征来看，TN指标和CODMn指标有明显的季节性变化规律，而SD、TP和Chl-a指标全年波动变化，季节性变化规律不是很明显。
全湖TN指标在1～8月逐渐降低并在8月达到最低值0.8 mg/L，之后又呈逐渐上升趋势，而全湖CODMn指标与TN指标的变化趋势正好相反，在1～8月逐渐升高并在8月达到最大值4.6 mg/L，之后又逐渐下降。
全湖TP指标的全年变幅为0.033～0.1 mg/L，在4月出现明显波谷，达到全年最小值，之后呈现波动上升趋势，并在8～9月达到全年最大值，其中尤以阳澄西湖的增幅最大，10月后变化逐渐趋于平稳。根据2019年七浦塘引水量数据显示，4月开始至7月，七浦塘连续向阳澄湖引水，引水量合计2.13亿m3，全湖TP浓度开始显著上升，说明引水对全湖TP浓度具有一定影响。
全湖Chl-a指标变幅在7.5～34.3 μg/L，以12月最低，在7月达到最高，其中阳澄西湖的Chl-a指标值明显低于中湖和东湖，为中湖>东湖>西湖。而各湖区的SD指标情况为中湖<东湖<西湖，与Chl-a指标呈负相关关系。
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水温是湖泊发生富营养化的原因和驱动力，CODMn为湖泊中有机物污染程度的表征因子，N、P是藻类生长所必需的营养元素，Chl-a表征藻类生物量，是湖泊发生富营养化的主要表现，而pH、SD和DO是Chl-a变化的被动因子，因此pH、SD和DO是湖泊发生营养化后重要的表现指标[13]。为了进一步探讨阳澄湖阳澄湖富营养化与各水质指标之间的相关关系，运用SPSS 25.0软件Pearson相关系数对各水质指标做了相关性分析，各指标间的相关关系见表2。
表2可知，2019年阳澄湖TLI值与Chl-a和CODMn指标呈极显著正相关，与SD呈极显著负相关，而与TN和TP呈弱正相关关系，说明Chl-a、CODMn和SD指标对阳澄湖TLI值的影响贡献最大，营养盐物质TN和TP虽然浓度较高，但其对阳澄湖TLI值的影响并不显著。
Chl-a与SD、CODMn和NH3-N有极显著相关关系，与TN有显著相关关系，表明有机污染程度的CODMn已成为阳澄湖藻类生物量Chl-a的主要相关指标，其次为氮营养盐指标TN和NH3-N。通常情况下，湖泊中的Chl-a指标与N、P指标的相关性一致[14]，但从表2结果来看，2019年阳澄湖Chl-a指标与TN指标呈显著负相关，与NH3-N指标呈极显著负相关，与TP的相关性并不显著且相关系数为负值，说明阳澄湖藻类生物量与氮磷营养盐的变化趋势不一致。这一结果与何捷等[7] 2016年5月～2017年3月对阳澄西湖的水质评价结果相同，文献[7]的研究结果发现，这一异常现象与阳澄西湖放养鲢鱼、鳙鱼有关，部分影响来自于鲢鱼、鳙鱼对藻类的滤食作用，阳澄西湖TLI值的改善主要归功于Chl-a的下降和SD的提高，而非氮磷营养盐的减少。这也是阳澄西湖TN、TP浓度均远高于中湖和东湖，但阳澄西湖的TLI值在3个湖区中最低的原因。由此可见，采用全国通用的TLI法来评价阳澄湖的营养化状态具有一定局限性[15]。
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采用主成分分析法分别对阳澄湖3个湖区的10项水质指标进行分析，在主成分分析前，首先对水质指标的原始监测数据进行Z-Score标准化处理及KMO度量和Bartlett检验[16]。经计算，3个湖区的3组KMO值均大于0.6，且均通过了p<0.01的显著性检验，因此，符合分析要求，适合做主成分分析。
使用SPSS 25.0软件进行主成分分析，根据主成分特征值>1的提取原则，3个湖区均各提取出了4个主成分，分别记为F1、F2、F3和F4。西湖F1、F2、F3和F4的贡献率分别为32.05%、19.27%、16.64%和16.21%，累计贡献率为84.2%，中湖F1、F2、F3和F4的贡献率分别为30.66%、21.89%、16.36%和13.50%，累计贡献率为82.4%，东湖F1、F2、F3和F4的贡献率分别为34.15%、20.16%、15.95%和13.3%，累计贡献率为83.6%。说明提取的4个主成分能很好的代表各湖区10个水质指标的信息[17]，且主成分F1和F2的贡献率较大，包含的信息量最多，其重要性大于主成分F3和F4，因此阳澄湖各湖区的水质状况主要是由主成分F1相关联的指标决定的，其次是主成分F2的相关指标。各湖区水质指标的主成分旋转因子载荷矩阵见表3。
表3可见，阳澄西湖F1中的TN、NH3-N、水温和DO指标具有较大因子载荷，反映的是西湖水体的氮污染和物理环境状况，其中TN、NH3-N和DO与主成分F1呈正相关，水温与其呈负相关；F2中的较大因子载荷指标为CODMn和TP，反映的是西湖水体的有机物和磷元素的混合污染特征，CODMn和TP均与主成分F2呈正相关；F3的主要关联指标为氟化物和pH，反映的是西湖水体的工业污染和酸碱环境；F4的主要关联指标为Chl-a和SD，反映的是西湖浮游植物的生长情况[18]，且在主成分F4中出现说明Chl-a和SD对阳澄西湖水质污染的响应不灵敏。
阳澄中湖F1中的水温、DO和TN指标具有较大因子载荷，反映的是中湖水体的氮污染和物理环境状况，其中DO、TN与主成分F1呈正相关，水温与其呈负相关；F2中的SD、Chl-a、CODMn和TP具有较大载荷因子，反映的是中湖的富营养化状况[19]，且其与Chl-a、CODMn和TP呈正相关，与SD呈负相关；F3主要包括氟化物和pH指标，反映的是中湖水体的工业污染和酸碱环境；F4仅包括NH3-N指标。
阳澄东湖F1中的水温、CODMn、DO、TN和Chl-a指标具有较大因子载荷，反映的是东湖水体浮游植物的生长情况以及有机物和氮元素的混合污染特征，其中DO、TN与主成分F1成正相关，水温、CODMn和Chl-a与其呈负相关；F2中的NH3-N、pH具有较大载荷因子，反应的是东湖水体的氮污染和酸碱环境，且NH3-N与其呈正相关，pH与其呈负相关；F3的主要关联指标为氟化物和TP；F4仅包含SD指标。
因此，阳澄西湖水质受指标TN、NH3-N、水温和DO的影响较大，其次是CODMn和TP；阳澄中湖水质主要受指标水温、DO和TN的影响，其次是SD、Chl-a、CODMn和TP；阳澄东湖水质主要受指标水温、CODMn、DO、TN和Chl-a的影响，其次是NH3-N和pH。
2.1. 阳澄湖水质现状特征
2.2. 阳澄湖富营养化特征分析
2.2.1. 阳澄湖水体富营养化评价
2.2.2. 阳澄湖富营养化状况与水质指标的相关性分析
2.3. 影响阳澄湖水质状况的主控因子分析
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1）2019年阳澄湖的主要超标水质指标为TP和TN，在3个湖区中，阳澄西湖的氮磷营养盐污染最为严重，但藻类生物量在3个湖区中最少，透明度最高。
2）2019年阳澄湖全湖呈中营养状态，各湖区综合营养状态指数TLI大小依次为阳澄中湖>阳澄东湖>阳澄西湖，其中阳澄中湖为轻度富营养，阳澄东湖和西湖为中营养。
3）2019年阳澄湖的Chl-a、CODMn和SD指标对阳澄湖TLI值的影响贡献最大，营养盐物质TN和TP虽然浓度较高，但其对阳澄湖TLI值的影响并不显著。
4）2019年阳澄西湖水质受指标TN、NH3-N、水温和DO的影响较大，其次是CODMn和TP；阳澄中湖水质主要受指标水温、DO和TN的影响，其次是SD、Chl-a、CODMn和TP；阳澄东湖水质主要受指标水温、CODMn、DO、TN和Chl-a的影响，其次是NH3-N和pH。
5）建议针对阳澄湖的水生态特点，基于阳澄湖丰富的历史监测数据建立一套适用于阳澄湖水体特点的富营养化状态评估方法，以期在未来实现精准评价。
