瑤湖水體葉綠素a的時(shí)空分布及其與環(huán)境因子的關(guān)系

摘要：根據(jù)2010年5月至2011年4月期間江西瑤湖水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的分析數(shù)據(jù)，利用Q型聚類分析的方法將9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分成兩類區(qū)域，在此基礎(chǔ)上探討了水體中葉綠素a的時(shí)空分布規(guī)律。結(jié)果表明，全湖葉綠素a含量的年平均值為25.82 mg/m3，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變幅為1.59～142.68 mg/m3；在時(shí)間上，水體中葉綠素a含量總體上呈現(xiàn)春、夏和秋季持續(xù)升高，冬季降低的趨勢(shì)；在空間上，水體中葉綠素a含量存在顯著性差異，其隨著營(yíng)養(yǎng)鹽含量的減少而不斷降低。采用Pearson指數(shù)分析的方法進(jìn)一步考察了水體中葉綠素a與環(huán)境因子之間的相關(guān)性，研究顯示，水體中葉綠素a與水溫（或溶解氧）、營(yíng)養(yǎng)鹽（總磷、亞硝酸鹽氮、氨氮）和pH具有較高的正相關(guān)，而與透明度具有較高的負(fù)相關(guān)。

關(guān)鍵詞：葉綠素a；時(shí)空分布；環(huán)境因子；相關(guān)性；瑤湖

中圖分類號(hào)：Q178；X171.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）17-4069-04

Temporal and Spatial Distribution of Chlorophyll-a in Yao Lake and

Its Correlation with Environmental Factors

JIANG Li-wen，LIN Tun，CHEN Yang，WANG Ya

（School of Civil Engineering and Architecture， East China Jiaotong University， Nanchang 330013， China）

Abstract： According to the analysis on water quality monitoring indexes data of Yao lake in Jiangxi from May 2010 to April 2011， the nine monitoring sites were classified into two kinds of areas using Q-type analysis method， based on which the temporal and spatial distribution rules of chlorophyll-a were investigated. The results showed that the annual average content of chlorophyll-a was 25.82 mg/m3； and the variation range in the monitoring sites were 1.59～142.68 mg/m3. From the view of temporal distribution，on the whole， chlorophyll-a content increased continuously in spring，summer and autumn， and reduced in winter. Chlorophyll-a content was significantly different in different sites； and it decreased continuously with the decrease of nutrient content. The correlation between chlorophyll-a content and environmental factors was analyzed using Pearson index method. There was high positive correlations between chlorophyll-a content and water temperature （or dissolved oxygen）， nutrient （total phosphorus， nitrite nitrogen， ammonia nitrogen）， pH； while high negative correlation between chlorophyll-a content and transparency.

Key words： chlorophyll-a； temporal and spatial distribution； environmental factors； correlation； Yao lake

收稿日期：2012-10-29

基金項(xiàng)目：國(guó)家水體污染控制與治理重大專項(xiàng)（2009ZX07106-001）

作者簡(jiǎn)介： 江立文（1968-），男，江西都昌人，教授，主要從事水環(huán)境污染控制研究，（電話）13803503926（電子信箱）jianglw@ecjtu.jx.cn。

瑤湖位于長(zhǎng)江中下游江西省南昌市的東部，是集水產(chǎn)養(yǎng)殖和水上娛樂(lè)為一體的封閉型城市淺水湖泊。湖面呈長(zhǎng)方形，自南向北分為上瑤湖、中瑤湖、下瑤湖，水面面積15.86 km2，平均水深近2 m[1]。浮游植物在湖泊生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中起著重要的作用，而水體葉綠素a是評(píng)價(jià)浮游植物含量高低的重要指標(biāo)[2]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用湖泊（水庫(kù)）水體環(huán)境因子的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)湖泊水體葉綠素a與環(huán)境因子之間的關(guān)系進(jìn)行了大量的研究[3-9]。

本研究采用2010年5月至2011年4月期間水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的年均值為變量，運(yùn)用Q型聚類分析方法將全湖9個(gè)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)從空間上進(jìn)行了分類，在此基礎(chǔ)上，利用月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)水質(zhì)指標(biāo)的月平均值和監(jiān)測(cè)點(diǎn)水質(zhì)指標(biāo)的年平均值探討了葉綠素a時(shí)間和空間的變化規(guī)律，并采用Pearson指數(shù)分析的方法進(jìn)一步分析了水體葉綠素a與環(huán)境因子之間的相關(guān)性，以期為瑤湖的環(huán)境管理和污染防治提供理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)與數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)在瑤湖，全湖布設(shè)9個(gè)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)[1]，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)圖和監(jiān)測(cè)點(diǎn)所處經(jīng)緯度分別見(jiàn)圖1和表1。2010年5月至2011年4月，對(duì)全湖9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了為期1年每月1次的水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測(cè)和分析工作。分析水樣的采集為監(jiān)測(cè)點(diǎn)水面下0.5 m處，采集的分析水樣按要求進(jìn)行樣品的預(yù)處理后置于4 ℃恒溫箱中保存，并于當(dāng)日分析完畢。

1.2 水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)與分析方法

水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括葉綠素a（Chl.a）、水溫（Tw）、pH、溶解氧（DO）、塞氏透明度（SD）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、總磷（TP）、總氮（TN）、硝酸鹽氮（NO3--N）、亞硝酸鹽氮（NO2--N）、氨氮（NH4+-N）。監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的分析方法采用文獻(xiàn)[10]的方法。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

利用PASW Statistics 18.0軟件中的Q型聚類分析方法對(duì)湖區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分類；利用該軟件中的Pearson指數(shù)分析方法對(duì)葉綠素a和環(huán)境因子的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的聚類分析

以“1.2”中的11項(xiàng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的年平均值為變量，以歐式平方距離為度量，采用組間連接的方式對(duì)全湖9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行Q型聚類。監(jiān)測(cè)點(diǎn)聚類分析樹形圖見(jiàn)圖2。從圖2可以看出，當(dāng)距離系數(shù)為20時(shí)，可以將全湖9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分為兩類，第一類（A區(qū)）包括1、2、3、4、5號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中1、2、3號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處于下瑤湖，4號(hào)和5號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處于中瑤湖；第二類（B區(qū)）包括6、7、8、9號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，這4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)均處于上瑤湖。A區(qū)的營(yíng)養(yǎng)鹽主要來(lái)自于周圍農(nóng)田的面源；B區(qū)的營(yíng)養(yǎng)鹽主要來(lái)自于周圍的點(diǎn)源，其中6、7、8號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)是高校園區(qū)生活污水、氨廠工業(yè)廢水等的排放點(diǎn)和水產(chǎn)養(yǎng)殖基地，且6號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處是污水的主要排放點(diǎn)，9號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處建有國(guó)際水上運(yùn)動(dòng)中心。

2.2 水體Chl.a的時(shí)間和空間分布

在水質(zhì)監(jiān)測(cè)期間共監(jiān)測(cè)分析了83個(gè)樣本，全湖Chl.a含量的年平均值為25.82 mg/m3，各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)Chl.a含量在全年的變幅為1.59～142.68 mg/m3。Chl.a含量月平均值的時(shí)間分布規(guī)律見(jiàn)圖3，年平均值的空間分布規(guī)律見(jiàn)圖4，對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)Chl.a含量進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果表明各監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間Chl.a含量存在顯著差異（P<0.05）。

從圖3可以看出，在時(shí)間分布上，全湖Chl.a含量隨季節(jié)的變化比較明顯，在夏、秋季時(shí)，Chl.a含量呈明顯的上升趨勢(shì)，10月達(dá)到最大值，為57.76 mg/m3；在冬季時(shí)，Chl.a含量顯著減少，到次年春季時(shí)，Chl.a含量又開始增加，這種分布規(guī)律與李培培等[6]在千島湖和翁笑艷[11]在山仔水庫(kù)中得出的分析結(jié)果相似。說(shuō)明全湖Chl.a含量總體上呈現(xiàn)春、夏和秋季持續(xù)升高，冬季降低的趨勢(shì)。由于在冬季時(shí)水體平均水溫全年期間最低，不利于或抑制了水體中浮游植物的生長(zhǎng)繁殖，因此Chl.a含量顯著減少并在12月降到最低，為6.35 mg/m3；在春、夏季時(shí)，水體水溫逐步回升、光強(qiáng)度增強(qiáng)、雨量增多導(dǎo)致水體流入外源性面源營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的增加，促使水體浮游植物大量生長(zhǎng)繁殖，因此Chl.a含量上升；在秋季時(shí)，盡管光照度較夏季開始減弱，但秋季適宜的光照度更有利于水體浮游植物的光合作用[6]，另外魚類餌料被大量投放到水體中，水體中N、P等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)急劇增多有助于水體浮游植物的生長(zhǎng)繁殖，因此在秋季時(shí)Chl.a含量上升至最高。

從圖4可以看出，在空間分布上，總體上A區(qū)Chl.a含量比B區(qū)Chl.a含量低，并以6號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處Chl.a含量最高，為54.02 mg/m3。由“2.1”可知，與A區(qū)相比，B區(qū)輸入的外源性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)較多，有利于水體浮游植物的生長(zhǎng)繁殖，從而使B區(qū)Chl.a含量比A區(qū)Chl.a含量總體上要高；由于水體的擴(kuò)散和自凈作用，水體中浮游植物賴以生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)鹽以6號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處為分界點(diǎn)分別向南北方向不斷減少，從而導(dǎo)致水體中浮游植物減少，Chl.a含量降低。

2.3 水體Chl.a含量與環(huán)境因子的相關(guān)性

采用Pearson指數(shù)分析的方法，分別對(duì)A區(qū)、B區(qū)和全湖的水體Chl.a含量和環(huán)境因子之間的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)回歸分析，各類區(qū)域的水體Chl.a含量與環(huán)境因子的相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表2。從表2可以看出，A區(qū)Chl.a含量與Tw、pH、CODMn、NO2--N、NH4+-N、TP呈極顯著正相關(guān)，與SD呈極顯著負(fù)相關(guān)；B區(qū)Chl.a含量與pH、DO、NO2--N呈極顯著正相關(guān)；全湖平均Chl.a含量與pH、DO、CODMn、NO2--N、NH4+-N、TP呈極顯著正相關(guān)，與SD呈極顯著負(fù)相關(guān)。總的來(lái)說(shuō)，Chl.a含量與DO（或Tw）、SD、pH、營(yíng)養(yǎng)鹽（NO2--N、NH4+-N、TP）具有較高的相關(guān)性，說(shuō)明水體Chl.a含量受這些水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的影響較大。

2.3.1 Tw和DO對(duì)Chl.a含量的影響 Tw是影響水體浮游植物光合作用和呼吸代謝速率的重要因素，對(duì)水體浮游植物的生長(zhǎng)具有促進(jìn)作用[7]。一方面，Tw與水體中的DO含量關(guān)系密切，一般來(lái)說(shuō)，Tw越高水體中DO含量就越低；另一方面，DO是浮游植物繁殖的一個(gè)重要條件，也是浮游植物代謝過(guò)程中的一個(gè)重要的能源物質(zhì)[12]，水體中Chl.a含量越高代表著水體中浮游植物的數(shù)量就越多，在光合作用過(guò)程中浮游植物能釋放出更多的氧分子，從而提高水體中的DO。因此水體Chl.a含量與Tw（或DO）呈顯著正相關(guān)，然而也有研究表明，水體中Chl.a含量與DO的相關(guān)性并不顯著[4，7]。

2.3.2 SD對(duì)Chl.a含量的影響 SD與水體中懸浮植物含量之間的關(guān)系十分密切。一般情況下，水體中懸浮物含量越多其透明度就越低。水體中Chl.a含量間接表示了水體中藻類數(shù)量的大小，隨著水體中藻類數(shù)量增多，水體的透光性就減弱，其SD就會(huì)減小，因此水體Chl.a含量與SD呈負(fù)相關(guān)。

2.3.3 pH對(duì)Chl.a含量的影響 pH與浮游植物的生長(zhǎng)密切相關(guān)。研究表明，在堿性環(huán)境下有利于藻類進(jìn)行光合作用，有助于藻類捕獲大氣中的CO2，從而能夠獲得更高的生產(chǎn)力[12]。本研究水體的pH均值為7.94，屬于偏堿性，說(shuō)明pH對(duì)水體Chl.a含量影響較大。因此水體Chl.a含量與pH呈極顯著正相關(guān)。

2.3.4 營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)Chl.a含量的影響 營(yíng)養(yǎng)鹽是水體浮游植物生長(zhǎng)所必需的元素，營(yíng)養(yǎng)鹽含量的變化是影響浮游植物光合作用的重要因素[12]。國(guó)際經(jīng)合組織（OECD）通過(guò)對(duì)北歐264次水體試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水體P為惟一的主導(dǎo)因子占80%，N為惟一的主導(dǎo)因子占11%，P和N共同作用的主導(dǎo)因子占9%[13]。研究表明，N與P的比值（N/P）與藻類的生長(zhǎng)繁殖有著更直接的關(guān)系，藻類正常代謝所需的N/P為7，當(dāng)N/P>7時(shí)，P可能是限制性營(yíng)養(yǎng)鹽；當(dāng)N/P<7時(shí)，N可能是限制性營(yíng)養(yǎng)鹽[14]?，幒N的年平均值為1.26 mg/L，TP的年平均值為0.13 mg/L，TN/TP為9.69，表明TP可能是限制性營(yíng)養(yǎng)鹽。因此在本研究中全湖水體Chl.a含量與TP呈極顯著正相關(guān)，而與TN相關(guān)性不顯著。

從表2可以看出， A區(qū)、B區(qū)和全湖水體Chl.a含量與NO2--N呈極顯著正相關(guān)，A區(qū)和全湖水體Chl.a含量與NH4+-N呈極顯著正相關(guān)。這是因?yàn)樗w中的浮游植物需要利用NO3--N、NO2--N或NH4+-N在光合作用下合成細(xì)胞所需要的氨基酸等物質(zhì)，其結(jié)果說(shuō)明水體中的浮游植物更傾向于利用NO2--N或NH4+-N合成細(xì)胞所需要的物質(zhì)。

與A區(qū)和全湖區(qū)相比，B區(qū)水體中Chl.a含量與TP、SD和CODMn沒(méi)有顯著相關(guān)性。因?yàn)樗w營(yíng)養(yǎng)鹽含量（上行效應(yīng)）和藻食生物（主要是浮游動(dòng)物和鰱、鳙等藻食魚類）的多少（下行效應(yīng)）是影響藻類數(shù)量變動(dòng)的重要因素[6]。由“2.1”可知，B區(qū)是水產(chǎn)養(yǎng)殖基地，B區(qū)投放的大量藻食魚類對(duì)藻類的濾食改變了水體中Chl.a含量，說(shuō)明在B區(qū)中浮游植物的數(shù)量即水體Chl.a含量可能是受下行效應(yīng)控制的，即受藻食生物控制的，從而產(chǎn)生了此種差異性。

3 結(jié)論

根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)，利用Q型聚類分析的方法將全湖分為A區(qū)和B區(qū)，全湖分區(qū)的結(jié)果主要由所分區(qū)中監(jiān)測(cè)點(diǎn)周邊外源營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量決定。

水體中Chl.a含量具有明顯的時(shí)間和空間分布規(guī)律。在時(shí)間上，水體中Chl.a含量總體上呈現(xiàn)春、夏和秋季持續(xù)升高，冬季降低的趨勢(shì)；在空間上，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水體中Chl.a含量存在顯著差異（P<0.05），在水體的擴(kuò)散和自凈作用下，水體中Chl.a含量隨著營(yíng)養(yǎng)鹽含量的減少而不斷降低。水體中Chl.a含量與多個(gè)環(huán)境因子之間具有極顯著的相關(guān)性，其與Tw（或DO）、營(yíng)養(yǎng)鹽（TP、NO2-N、NH4-N）和pH具有較高的正相關(guān)，而與SD具有較高的負(fù)相關(guān)。當(dāng)水體中存在藻食生物時(shí)，可能改變水體中Chl.a與TP、SD之間的相關(guān)性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 江立文，陳 楊，林 暾，等.瑤湖湖泊水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的優(yōu)化布設(shè)研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)， 2012，35（9）：197-200.

[2] 阮曉紅，石曉丹，趙振華，等.蘇州平原河網(wǎng)區(qū)淺水湖泊葉綠素a與環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系[J]. 湖泊科學(xué)，2008，20（5）：556-562.

[3] 張曉晶，李暢游，張 生，等.內(nèi)蒙古烏梁素海富營(yíng)養(yǎng)化與環(huán)境因子的相關(guān)分析[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2010，33（7）：125-128，133.

[4] 王麗卿，張軍毅，王旭晨，等.淀山湖水體葉綠素a與水質(zhì)因子的多元分析[J].上海水產(chǎn)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，17（1）：58-64.

[5] 劉 佳，黃清輝，李建華.崇明北湖葉綠素a濃度與環(huán)境因子的GAM回歸分析[J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2009，29（12）：1291-1295.

[6] 李培培，史 文，劉其根，等.千島湖葉綠素 a的時(shí)空分布及其與影響因子的相關(guān)分析[J].湖泊科學(xué)，2011，23（4）：568-574.

[7] 趙 超，于寧樓，戴 偉，等.銀湖夏季葉綠素a與水質(zhì)因子的相關(guān)分析及富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38（32）：18252-18254.

[8] WERDELL P J，BAILEY S W， FRANZ B A， et al. Regional and seasonal variability of chlorophyll-a in Chesapeake Bay as observed by SeaWiFS and MODIS-Aqua[J]. Remote Sensing of Environment，2009，113（6）：1319-1330.

[9] CALVO-DAZ A， MORN X A G， SUREZ L . Searsonality of picophytoplankton chlorophyll a and biomass in the central Cabtabrian Sea， southern Bay of Biscay[J]. Journal of Marine Systems，2007，72（1-4）：271-281.

[10] 國(guó)家環(huán)保總局《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》編委會(huì). 水和廢水監(jiān)測(cè)分析法[M].第四版. 北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2002.

[11] 翁笑艷. 山仔水庫(kù)葉綠素a與環(huán)境因子的相關(guān)分析及富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)[J]. 干旱環(huán)境監(jiān)測(cè)， 2006，20（2）：73-78.

[12] 周貝貝，王國(guó)祥，徐 瑤，等.南京秦淮河葉綠素a空間分布及其與環(huán)境因子的關(guān)系[J].湖泊科學(xué)，2012，24（2）：267-272.

[13] Organization for Economic Cooperation and Development （OECD）. Eutrophication of Waters： Monitoring Assessment and Control[R]. Paris： OECD Cooperative Program on Monitoring of Inland Waters （Eutrophication Control）， Environment Directorate，OECD，1982.

[14] BULGAKOV N G， LEVICH A P. The nitrogen： Phosphorus ratio as a factor regulating phytoplankton community structure[J]. Arch Hydrobiol，1999，146（1）：3-22.

（責(zé)任編輯 呂海霞）