青山水庫藻類分布特征及相關(guān)性研究

金丹娟 童群 許振波 施思 王潔屏 石芳明

摘要：青山水庫是杭州的飲用水源之一，其水質(zhì)受生活污水、工業(yè)和農(nóng)業(yè)等方面的影響。研究、跟蹤調(diào)查了2018年4月至2019年3月青山水庫藻類在水體中的分布情況，并分析了葉綠素a與藻類、環(huán)境因子的相關(guān)性。結(jié)果表明，青山水庫的藻類常年以綠藻、藍(lán)藻、硅甲藻為主，夏季以藍(lán)藻為主;藻類主要集中在表層水中（水面下1～2 m）;葉綠素a含量與綠藻、藍(lán)藻、硅甲藻均呈極顯著正相關(guān);葉綠素a含量與水溫、高錳酸鹽指數(shù)呈極顯著正相關(guān)，與pH呈顯著正相關(guān)，與氨氮、硝酸鹽氮、總鐵、三價鐵離子、錳呈顯著負(fù)相關(guān);逐步回歸分析得出高錳酸鹽指數(shù)、硝酸鹽氮和水溫是影響青山水庫葉綠素a含量的主要因子，葉綠素a計算值與實(shí)測值擬合的相關(guān)性較好（R=0.920，P<0.01）。

關(guān)鍵詞：青山水庫;葉綠素a;藻類;逐步回歸分析

中圖分類號：X524;X832? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）20-0072-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.20.015? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Distribution characteristics and correlation analysis of algae in Qingshan reservoir

JIN Dan-juan1，TONG Qun1，XU Zhen-bo1，SHI Si1，WANG Jie-ping1，SHI Fang-ming2

（1.Lin'an Environmental Monitoring Station，Hangzhou 311300，China;

2.Lin'an Science & Technology Bureau of Hangzhou City，Hangzhou 311300，China）

Abstract： Qingshan reservoir is one of the drinking water sources in Hangzhou， and the water quality is affected by domestic sewage， industry and agriculture. The distribution of algae in Qingshan reservoir from April 2018 to March 2019 was investigated， and the correlation between chlorophyll a and algae and environmental factors was analyzed. The analysis showed that the main algae in Qingshan Reservoir were green algae， blue-green algae and diatoms all the year round. Blue-green algae were the main species in summer. Algae were mainly distributed in surface water （1～2 m below the surface）. Correlation analysis indicated that green algae， blue-green algae and diatoms were extremely significant correlated with chlorophyll a. Chlorophyll a was? extremely significant associated with water temperature， CODMn and was a significant positive correlation with pH， and it had a negative correlation with ammonia nitrogen， nitrate nitrogen， total iron， trivalent iron ion and manganese. Stepwise regression analysis showed that CODMn， nitrate nitrogen and water temperature were the most important factors， which influenced the concentration of chlorophyll a in Qingshan reservoir. The calculated and measured values of chlorophyll a have a good correlation （R=0.920，P<0.01）.

Key words： Qingshan reservoir; chlorophyll a; algae; stepwise regression analysis

大量工業(yè)、生活污水以及在農(nóng)業(yè)上使用的化肥等營養(yǎng)物質(zhì)不斷排入江河湖泊等水體，造成水體的富營養(yǎng)化問題日益嚴(yán)重，并引發(fā)藻類爆發(fā)[1-3]。藻類爆發(fā)引起的水華及其危害是一個全球性的環(huán)境問題，而藻類在飲用水源地爆發(fā)引起的供水安全問題對人類的影響最為深刻。影響藻類生長的因素眾多，包括水溫、光照、水的流速等物理因素和營養(yǎng)鹽、金屬等化學(xué)因素[4-7]。目前，對于藻類爆發(fā)的機(jī)制多為假說成因，在實(shí)踐中應(yīng)用性不強(qiáng)。

青山水庫是隸屬太湖源流域，水庫集雨面積603 km2，主源長46 km，集流時間10 h，總庫容2.15億m3[8]。青山水庫主要入庫水源有南苕溪、錦溪、橫溪及靈溪等地表徑流，其水質(zhì)受生活污水、工業(yè)和農(nóng)業(yè)等方面的影響。自五水共治開始，青山水庫整體水質(zhì)持續(xù)改善，但富營養(yǎng)化依然嚴(yán)重。本研究基于2018年4月至2019年3月青山水庫的監(jiān)測數(shù)據(jù)，旨在跟蹤調(diào)查青山水庫藻類在水體中的分布特征，進(jìn)一步研究葉綠素a與藻類、環(huán)境因子的相關(guān)性分析，并采用多元線性回歸中的逐步回歸分析建立葉綠素a含量的預(yù)測模型，以期為青山水庫水體富營養(yǎng)化預(yù)警提供參考。

1? 材料與方法

1.1? 采樣布點(diǎn)

本研究共設(shè)10個表層水采樣點(diǎn)（圖1）。水溫（WT）、溶解氧（DO）、透明度（SD）、葉綠素a（Chl-a）、藻密度、綠藻密度、藍(lán)藻密度、硅甲藻密度、隱藻密度等指標(biāo)為現(xiàn)場測定指標(biāo)，并記錄當(dāng)天采樣時間、天氣狀況、水樣外觀等參數(shù)供研究參考。采樣時間控制在9：30—11：00，采樣頻率為每月1次，且采樣前1～2 d的天氣均未下雨。水樣采集完成后，立即送實(shí)驗室，當(dāng)天完成其他化學(xué)指標(biāo)的測定。

另外，選取湖中心采樣點(diǎn)（圖1中的4號），監(jiān)測了該點(diǎn)位藻類垂直分布情況，現(xiàn)場監(jiān)測指標(biāo)包括水溫、葉綠素a、藻密度、綠藻密度、藍(lán)藻密度、硅甲藻密度、隱藻密度。采樣頻次為每季度1次，監(jiān)測時，將儀器勻速緩慢的放入水下（約3 s測量1次），測量深度最深為10 m。

1.2? 監(jiān)測項目與方法

水溫、溶解氧用HQ30d型美國哈希便捷式溶解氧測定儀進(jìn)行現(xiàn)場測定;透明度用塞氏盤法測定;pH、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、總氮（TN）、氨氮（NH3-N）、硝酸鹽氮（NO3-N）、亞硝酸鹽氮（NO2-N）、總磷（TP）、總鐵（TFe）、錳（Mn）、亞鐵離子（Fe2+）參照國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 6920-1986、GB/T 11892-1989、HJ 636-2012、HJ/T 195-2005、HJ 84-2016、GB/T 11893-1989、GB 11911-1989、HJ/T 345-2007）進(jìn)行測定;電導(dǎo)率、磷酸鹽（PO43-P）參照《水和廢水監(jiān)測分析方法（第四版增補(bǔ)版）》進(jìn)行測定[9];葉綠素a、藻密度、綠藻密度、藍(lán)藻密度、硅甲藻密度、隱藻密度采用BBE FluoroProbe野外藻類分析儀監(jiān)測。

1.3? 數(shù)據(jù)分析

對青山水庫葉綠素a與藻類、環(huán)境因子進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析[10]和逐步回歸分析[11-12]，并選用與葉綠素a相關(guān)性顯著的環(huán)境因子建立多元線性回歸方程，以預(yù)測葉綠素a含量變化及趨勢。采用SPSS 19.0軟件對水樣數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 青山水庫藻類季節(jié)分布特征

青山水庫常年生長的藻類主要是綠藻、藍(lán)藻、硅甲藻，各藻類種群結(jié)構(gòu)的季節(jié)變化規(guī)律如圖2所示。自2008年4月開始，藻類數(shù)量開始上升，8月達(dá)到最高值，然后開始下降;11月至次年2月，藻類數(shù)量較低且波動不大。2018年4月、2019年1—3月青山水庫水體中以硅甲藻為主，分別占總細(xì)胞數(shù)的62.5%、51.8%、79.9%和62.6%;2018年5、10、11、12月以綠藻為主，分別占總細(xì)胞數(shù)的52.8%、40.1%、48.8%和37.5%;2018年6—9月以藍(lán)藻為主，分別占總細(xì)胞數(shù)的53.1%、49.1%、47.8%、46.3%。

2.2? 青山水庫藻類數(shù)量的時空分布特征

選取湖中心點(diǎn)位（4號）監(jiān)測青山水庫藻類垂直分布特征。從垂直分布上看（圖3和圖4），1月隨深度的增加，藻類數(shù)量增加;5、8、11月藻類主要集中在表層水（水面下1～2 m）;底層水中，1、5、8、11月藻類數(shù)量相差不大。1月、8月和11月，表層水、中層水和底層水的水溫變化不大，1月水溫變化范圍為7.38～7.51 ℃，8月水溫變化范圍為27.3～30.37 ℃，11月水溫變化范圍為15.13～15.66 ℃;5月，表層水、中層水和底層水的水溫變化較大，范圍為18.01～28.12 ℃，表層水水溫高于中、底層。5月和8月，表層水水溫均高于24 ℃，且表層光照、溶解氧相對充足，為藻類生長提供了有利條件。

2.3? 葉綠素a含量變化與藻類、環(huán)境因子的相關(guān)性分析

水體中葉綠素a含量受諸多因子的制約，選取2018年4月至2019年3月青山水庫湖中心點(diǎn)位的數(shù)據(jù)，對水庫水體中葉綠素a含量與藻類、環(huán)境因子等進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析。葉綠素a與藻類生物量的Pearson相關(guān)性分析表明，葉綠素a含量與綠藻、藍(lán)藻、硅甲藻均呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.975、0.859、0.871;葉綠素a含量與隱藻無顯著相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.506，這表明研究期間綠藻、藍(lán)藻、硅甲藻對生成葉綠素a貢獻(xiàn)較大。葉綠素a與環(huán)境因子的Pearson相關(guān)性分析表明（表1），葉綠素a含量與水溫、高錳酸鹽指數(shù)均呈極顯著正相關(guān)，與pH呈顯著正相關(guān)，與氨氮、硝酸鹽氮、總鐵、三價鐵離子、錳呈均顯著負(fù)相關(guān);與其他指標(biāo)無顯著相關(guān)。

2.4? 葉綠素a含量的預(yù)測

根據(jù)Pearson相關(guān)性分析結(jié)果，選擇與葉綠素a相關(guān)性較大的高錳酸鹽指數(shù)、水溫、總鐵、錳、三價鐵離子、pH、氨氮、硝酸鹽氮8個環(huán)境因子，采用多元線性回歸中的逐步回歸分析，預(yù)測葉綠素a含量（表2）。逐步回歸分析結(jié)果表明，極顯著水平下高錳酸鹽指數(shù)、硝酸鹽氮和水溫這3個因子入選，因此高錳酸鹽指數(shù)、硝酸鹽氮和水溫是影響青山水庫葉綠素a含量的主要環(huán)境因子;多元線性回歸方程為y=46.773 X1+16.221 X2-1.277 X3-121.259（X1、X2、X3分別表示CODMn、NO3-N、WT），R為0.989，F(xiàn)為116.215，顯著性檢驗P=0.000<0.01，表明該方程有較好的擬合度，回歸結(jié)果有效。

將2018年5月10個采樣點(diǎn)的高錳酸鹽指數(shù)、硝酸鹽氮和水溫實(shí)測值帶入多元線性回歸方程計算葉綠素a的含量，葉綠素a含量實(shí)測值與計算值（表2）對比發(fā)現(xiàn)，最大相對偏差為10.53%，最小相對偏差為0，平均相對偏差為5.13%。對葉綠素a含量的計算值與實(shí)測值進(jìn)行相關(guān)性分析，兩者相關(guān)性較好（R=0.920，P<0.01）。

3? 結(jié)論

青山水庫藻類數(shù)量從2018年4月開始上升，8月達(dá)到最高值，然后開始下降;11月至次年2月，藻類數(shù)量較低且波動不大。青山水庫的藻類常年以綠藻、藍(lán)藻、硅甲藻為主，夏季以藍(lán)藻為主。從青山水庫湖中心藻類垂直分布的監(jiān)測結(jié)果來看，藻類主要集中在表層水（水面下1～2 m）。

基于2018年4月至2019年3月青山水庫湖中心點(diǎn)位的數(shù)據(jù)，對水庫水體中葉綠素a含量與藻類、環(huán)境因子等進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析。葉綠素a含量與綠藻、藍(lán)藻、硅甲藻均呈極顯著正相關(guān);葉綠素a含量與水溫、高錳酸鹽指數(shù)呈極顯著正相關(guān)，與pH呈顯著正相關(guān)，與氨氮、硝酸鹽氮、總鐵、三價鐵離子、錳均呈顯著負(fù)相關(guān)。藻類通過光合作用產(chǎn)生大量的有機(jī)物，水體中高錳酸鹽指數(shù)含量升高[13]。青山水庫葉綠素a含量與高錳酸鹽指數(shù)呈極顯著正相關(guān)（R=0.964，P<0.01），說明高錳酸鹽指數(shù)是影響葉綠素a的被動因子，有機(jī)物不是青山水庫藻類生長的制約因素[14]。一般情況下，pH是影響葉綠素a含量的被動因子、非限制因子，藻類光合作用大量吸收水體中的二氧化碳，釋放氧氣，進(jìn)而增加了pH[10，15]。因此，青山水庫葉綠素a含量與pH呈極顯著正相關(guān)（R=0.657，P<0.05），但pH是影響葉綠素a含量的被動因子。

逐步回歸分析得到的多元線性回歸方程，高錳酸鹽指數(shù)、硝酸鹽氮和水溫為該方程的自變量，該方程的擬合度較好（R=0.989，P<0.01）;多元線性回歸方程得出的葉綠素a含量計算值與實(shí)測值擬合的相關(guān)性較好（R=0.920，P<0.01），且實(shí)測值和計算值之間的相對偏差范圍為0～10.53%。葉綠素a含量平行樣的相對偏差要求≤20%[16]。表明用高錳酸鹽指數(shù)、硝酸鹽氮和水溫為自變量所建立的多元回歸方程可以較為準(zhǔn)確地擬合青山水庫葉綠素a的含量，以預(yù)測青山水庫葉綠素a含量的變化趨勢，其結(jié)果可為水體富營養(yǎng)化預(yù)警提供參考。

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