富營養(yǎng)化湖泊葉綠素a時空變化特征及其影響因素分析

毛旭鋒，魏曉燕

1．青海師范大學生命與地理科學學院，青海 西寧 810000

2．青藏高原環(huán)境與資源教育部重點實驗室，青海 西寧 810000

3．青海師范大學班禪研究院，青海 西寧 810000

隨著中國人口的不斷增加，工業(yè)化、城市化以及農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的快速推進，大量營養(yǎng)物質(zhì)隨農(nóng)田退水、工業(yè)廢水、生活污水排入湖泊中，導致湖泊中氮、磷等含量迅速上升，造成了其中生物群落結(jié)構(gòu)簡化、多樣性降低、生態(tài)系統(tǒng)功能減退［1-3］。水體營養(yǎng)鹽過多時，水中藻類在適宜條件下大量生長繁殖或聚集并達到一定濃度，往往使水體呈現(xiàn)藍色、紅色、棕色、乳白色等，這種現(xiàn)象通常被稱為“水華”［4］。水華是湖泊富營養(yǎng)化的直接和集中反映，不僅會引起水質(zhì)惡化，而且會耗盡水中氧氣造成魚類死亡并產(chǎn)生藻毒素，對魚類、人畜飲水安全產(chǎn)生嚴重危害，最終產(chǎn)生水生生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)削弱甚至消失的嚴重生態(tài)后果［5-6］，對區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展與生產(chǎn)、生活用水保障帶來挑戰(zhàn)［7］。

葉綠素a是反映湖泊富營養(yǎng)化水平的重要指標，其變化規(guī)律及其影響因素分析，能清楚的了解湖泊營養(yǎng)鹽分布規(guī)律及富營養(yǎng)化的形成機制，為湖泊的生態(tài)修復提供重要的科學依據(jù)。對此，不同學者從不同角度開展相關(guān)研究。國外較早就針對三丁基錫對浮游生物群落的影響進行了研究［8］，而圍隔是常用的實驗環(huán)境［9］。一些研究集中對藻類生長過程中DO、pH與葉綠素的相關(guān)性進行了分析［10-13］。水質(zhì)對葉綠素a的影響研究也針對不同的對象開展起來［14-16］。另有學者將水體按其生態(tài)系統(tǒng)復雜度的不同，分為養(yǎng)殖水體、非養(yǎng)殖水體，并對養(yǎng)殖水體中pH、DO、葉綠素a之間關(guān)系進行討論［17］。將環(huán)境因素考慮在內(nèi)，分析太陽輻射、水溫等與葉綠素a關(guān)系的研究，也逐漸開展［18-20］。以上研究均為湖泊的富營養(yǎng)化治理和水華暴發(fā)的生物控制提供了基礎(chǔ)?？v觀不同的研究結(jié)果，由于地區(qū)和水體環(huán)境的不同，相關(guān)結(jié)果也存在一定差異，由此體現(xiàn)出不同指標與葉綠素a關(guān)系的復雜性。對特定的研究對象，應(yīng)展開針對性研究，才能制定出有效的恢復和控制措施。

干旱區(qū)水資源匱乏，如不科學治理湖泊，保證工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活用水安全，水資源緊缺程度將進一步加深。以半干旱地區(qū)內(nèi)蒙古烏梁素海湖泊為例，對湖泊水體葉綠素a濃度分布進行分析，判斷營養(yǎng)鹽在湖泊內(nèi)的削減過程，研究其相關(guān)因素與葉綠素a鹽濃度的相關(guān)性，為湖庫富營養(yǎng)化治理和水資源保護提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

烏梁素海位于內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市烏拉特前旗境內(nèi)，地處北緯 40°36'～41°03'，東經(jīng) 108°43'～108°57'。見圖1。

圖1 烏梁素海區(qū)位圖

湖面高程海拔1 018 m，湖水深度多數(shù)區(qū)域為0.5～2.5 m，近3年平均水深為1.5 m。烏梁素?，F(xiàn)有水域面積285.38 km2，其中蘆葦區(qū)面積為118.97 km2，明水區(qū)面積為 111.13 km2，近 80%為沉水植物密集區(qū)，以龍須眼子菜為優(yōu)勢植物。烏梁素海補給水源主要是河套灌區(qū)的農(nóng)田退水，其次是工業(yè)廢水、生活污水，年入水量約7×108～9 ×108m3，帶入總氮 1 088.59 t，總磷 65.75 t［21-22］。過量的營養(yǎng)鹽流入湖區(qū)后，導致水體呈現(xiàn)富營養(yǎng)化現(xiàn)象，藻類和水生植物過量生長，魚類缺氧死亡現(xiàn)象增多，2008年更是爆發(fā)大規(guī)模的水華，嚴重影響了當?shù)貪O業(yè)、農(nóng)業(yè)用水安全。

2 研究方法

2.1 樣點設(shè)置及采樣

如圖1所示，調(diào)查湖區(qū)范圍內(nèi)布設(shè)了20個采樣點位。分別于2013年5、7、9、11月下旬連續(xù)4次進行采樣。水樣采集后用干冰保存并立即帶回實驗室分析。

2.2 樣品分析方法

葉綠素a質(zhì)量濃度的測定采用熒光法，pH采用玻璃電極法，COD采用重鉻酸鉀法測定，總磷采用鉬銻抗分光光度法測定，總氮采用過硫酸鉀氧化紫外分光光度法，氨氮采用酚二磺酸光度法測定，總有機碳采用燃燒氧化-非分散紅外吸收法測定。

2.3 分析方法

采用Suffer制圖軟件描述不同監(jiān)測點的濃度分布。通過SPSS 19軟件對相同監(jiān)測點水體葉綠素a和相關(guān)指標進行簡單相關(guān)性分析后，采用線性回歸分析對結(jié)果進行定量分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 葉綠素a濃度空間分布規(guī)律

烏梁素海水體中葉綠素a濃度空間分布如圖2所示。橫坐標為監(jiān)測點與入水口的水平距離，縱坐標為監(jiān)測點與入水口的垂直距離?？傮w而言，水體中葉綠素a分布呈現(xiàn)由西北向東南方向減小，趨勢較為明顯。葉綠素a濃度由進水口處最高為203.31 μg/L下降至出水口附近的5.94 μg/L，削減率為97.7%，體現(xiàn)了湖泊對水體的自凈能力。但少數(shù)監(jiān)測點出現(xiàn)葉綠素a隨流動過程逆向增高的趨勢，如前圖1中監(jiān)測點5、15、19所示，其葉綠素a的濃度反而高于上游監(jiān)測點濃度，可能與這些區(qū)域水流緩慢，水中雜質(zhì)、腐敗植物沉積導致營養(yǎng)鹽濃度增加，刺激了藻類的生長。這也體現(xiàn)了葉綠素a在湖泊中濃度分布的復雜性。由此可見，營養(yǎng)鹽濃度總體隨水流方向不斷減小，但受地形、流速、小環(huán)境特征等因素影響，部分湖區(qū)葉綠素a濃度分布還存在復雜性，應(yīng)結(jié)合不同湖區(qū)的環(huán)境、水文特征進一步分析。

圖2 烏梁素海水體中葉綠素a濃度分布(圖中數(shù)字均為葉綠素a的濃度單位)

3.2 葉綠素a濃度時間分布規(guī)律

對比分析葉綠素a濃度時間變化分析結(jié)果顯示，葉綠素a濃度的時間分布情況為7＞9＞5＞11。5、11月葉綠素a濃度相當，而7、9月的葉綠素a濃度相當。烏梁素海水體中葉綠素a濃度時間分布規(guī)律，見圖3。

圖3 烏梁素海水體中葉綠素a濃度時間分布

4個監(jiān)測時段的最大濃度分別為203.31、76.23、9.98、9.11 μg/L，最 高 值 是 最 低 值 的20倍。可見，葉綠素a濃度受季節(jié)變化影響較大。5月，水體植物進入快速生長期、繁盛期，對營養(yǎng)鹽的大量吸收導致湖區(qū)營養(yǎng)鹽大量消耗，使浮游植物的生長受到明顯壓制，造成這些時段葉綠素a的質(zhì)量濃度相對較低。7月，水體植被生長穩(wěn)定，緩解了營養(yǎng)鹽限制的壓力，因此浮游植物的生物量上升較快，導致水體中葉綠素a濃度顯著升高。9—11月，氣溫降低后，浮游植物進入衰退期，葉綠素a的濃度逐漸降低。

就每個時段而言，其葉綠素a分布的差異性也各不相同。差異系數(shù)結(jié)果顯示，4個監(jiān)測時段內(nèi)葉綠素a濃度分布的差異系數(shù)分別為0.48、1.45、1.14、1.15，由此說明，7 月葉綠素 a在湖泊濃度分布的差異性最大，而在5月葉綠素a濃度分布是4個監(jiān)測時段中最為均勻的。為進一步分析造成這種差異的因素及其程度，特別對變異系數(shù)最大的7月進一步分析，研究水體中不同因素對葉綠素a產(chǎn)生的影響。

3.3 葉綠素a相關(guān)因素的空間變化分析

為進一步分析相關(guān)因素與葉綠素a的相關(guān)性，在每個監(jiān)測點同時監(jiān)測了COD、總磷，總氮，pH、總有機碳、硝酸鹽氮和氨氮濃度，見圖4。

圖4 葉綠素a相關(guān)因素的空間變化分析

一般COD反映有機物質(zhì)相對含量的一項綜合性指標。由圖4可知，COD的空間變化情況并不大，整體波動較小，說明水體的有機污染物空間分布差異不大。而總氮、總磷、氨氮、硝酸鹽氮的變化趨勢與葉綠素a基本相似。例如，總磷、總氮在監(jiān)測點1、20 的濃度分別為0.327、0.067，5.31、2.14 mg/L。其濃度削減率分別為79%、66%。從入水口的高濃度向出水口的低濃度逐漸擴散，只是不同營養(yǎng)鹽濃度下降的過程和幅度各有差異。從pH變化情況看，由監(jiān)測點1～20總體呈略微上升趨勢，最低點和最高點pH分別為8.04、9.73，但最高值并非出現(xiàn)在監(jiān)測點20，而是監(jiān)測點7?？傆袡C碳的變化呈上升趨勢，但變化規(guī)律并不顯著，前半程監(jiān)測點(監(jiān)測點9前)的變化幅度明顯高于后半程的變化趨勢，這種變化情況可能與前半程湖泊水體流速等因素有關(guān)。總體而言，除COD外不同指標都存在一定變化趨勢，該種變化趨勢與葉綠素a相同或相反，而變化過程也存在一定的差異和變化。為進一步分析變化的相關(guān)性和密切程度，需要對葉綠素a和影響因素進行相關(guān)和回歸分析。

3.4 葉綠素a與影響因素分析

采用Pearson相關(guān)性分析指數(shù)，分析葉綠素a和不同因素的簡單相關(guān)性，見表1。

表1 葉綠素a與不同因素的簡單相關(guān)性分析

由表1可以看出，除 COD外，葉綠素 a與pH、總磷、總氮、氨氮、硝酸鹽氮、總有機碳均存在一定相關(guān)性。其中與pH(r=－0.801，P＜0.01)和總有機碳(r=－0.585，P＜0.05)為負相關(guān)，而與總 磷 (r= －0.783，P＜0.01)、總 氮(r= －0.798，P＜0.01)、氨氮(r= －0.789，P＜0.01)和硝酸鹽氮(r= －0.678，P＜0.01)呈正相關(guān)。由此可見，葉綠素a的濃度分布，受水體中總N、總P濃度的影響較大，這與其他相關(guān)研究結(jié)果較為一致［13］。對比其他指標相關(guān)可以發(fā)現(xiàn)，COD與氨氮、硝酸鹽氮呈弱正相關(guān)，與其他指標沒有明顯相關(guān)性?？偭着c總氮、氨氮、硝酸鹽氮呈正相關(guān)，說明水體中氮磷濃度變化趨勢基本一致?？偟cpH、總有機碳呈負相關(guān)，相同的趨勢也在氨氮、硝酸鹽氮中體現(xiàn)，但未發(fā)現(xiàn)總磷與pH、總有機碳之間有明顯的相關(guān)性。

根據(jù)簡單相關(guān)性分析結(jié)果，對葉綠素a與相關(guān)性較強的葉綠素a與pH、總磷、總氮、氨氮、硝酸鹽氮、總有機碳進行線性相關(guān)分析，如圖5所示。

圖5 葉綠素a濃度與不同因素的回歸曲線

由圖5可知，葉綠素a與總磷的線性相關(guān)方程為y=0.721x－0.061(r=0.732，P＜0.01)。葉綠素a與總氮的線性回歸方程為y=0.059x－0.109(r=0.806，P＜0.01)，與氨氮的線性回歸方程為y=0.251x－0.185(r=0.784，P＜0.01)，與硝酸鹽氮的線性回歸方程為y=0.945x－0.070(r=0.659，P＜0.01)。上述結(jié)果說明，水體中以氮磷為主營養(yǎng)鹽濃度的高低，能夠影響浮游生物的生長，進而影響葉綠素a的濃度［25］。與pH的線性回歸方程為y=－0.089x+0.847(r=0.718，P＜0.01)，這點可能與一般的非養(yǎng)殖水體有所不同。一般水體中pH受藻類光合作用影響，隨著藻類數(shù)量增加，光合作用消耗的CO2增多，pH升高，與葉綠素 a呈較顯著正線性相關(guān)［17］。烏梁素海作為半干旱地區(qū)湖泊，因水體本身屬于高堿性，故水體中藻類光合作用不是水體呈堿性的主要因素［23］。此外，過高的pH可能抑制一些浮游植物的生長［24］。同樣，葉綠素a與總有機碳的線性回歸方程為y=－0.009x+0.175(r=0.531，P＜0.05)，雖然也呈負相關(guān)性，但相關(guān)系數(shù)已非常低?？傮w而言，烏梁素海葉綠素a與環(huán)境理化因子的相關(guān)系數(shù)均為0.531～0.806，表明葉綠素a含量變化是受多個因子共同影響，并非某個單項因子作用的結(jié)果。

4 結(jié)論

1)烏梁素海葉綠素a的分布具有較明顯的時空變化特征。葉綠素a的含量7月最高，9月居中，5月最低，這主要與湖泊所處地區(qū)的氣候有關(guān)?？臻g上，葉綠素a濃度通常在入湖處最高，而出水口出最低。

2)水體和植被對營養(yǎng)鹽的吸收、分解和轉(zhuǎn)化過程，將影響到葉綠素a的時空分布，應(yīng)針對不同的時空特征開展精細化的湖泊水華治理措施。由于受到風向、風速、地形、植被等因素的影響，湖泊各監(jiān)測點葉綠素a呈現(xiàn)一定的差異性、非線性變化。

3)葉綠素a與pH呈負相關(guān)，與總有機碳呈弱負相關(guān)，而與總磷、總氮、氨氮、硝酸鹽氮存在一定正相關(guān)。葉綠素a含量變化是受多個因子共同影響，應(yīng)綜合考慮不同的指標特征開展相關(guān)研究。

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