磁湖葉綠素a的時(shí)空變化特征及其影響因子分析

陶世鑫，劉蓬，劉琳，何文杰，李如玥，徐銀，李海波

(1.湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院， 湖北 武漢 430062；2.黃石市生態(tài)環(huán)境局， 湖北 黃石 435000；3.武昌理工學(xué)院， 湖北 武漢 430223)

0 引言

湖泊與人類的生產(chǎn)、生活息息相關(guān)，是地球上生態(tài)要素相互作用的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，也是生態(tài)系統(tǒng)中重要的淡水資源庫、物種基因庫和氣候調(diào)節(jié)系統(tǒng)[1].近年來，隨著我國城市化發(fā)展不斷加快，大量生產(chǎn)生活廢水排入湖中，導(dǎo)致湖泊出現(xiàn)了不同程度的富營養(yǎng)化，湖泊富營養(yǎng)化治理已成為當(dāng)前環(huán)境領(lǐng)域研究熱點(diǎn).葉綠素a作為湖泊重要的生態(tài)因子，其濃度的多寡既可反映浮游植物的現(xiàn)存量，也可描述湖泊的營養(yǎng)狀況[2].因此，開展葉綠素a的監(jiān)測(cè)、分析葉綠素a的時(shí)空變化特征及影響因子，可及時(shí)掌握湖泊水環(huán)境營養(yǎng)狀態(tài)、辨析污染來源.本研究以磁湖為研究對(duì)象，采用非度量多維尺度分析、相關(guān)性分析進(jìn)行研究，重點(diǎn)闡析該水域2015—2019年葉綠素a的時(shí)空變化并探討其影響因子，以期為磁湖富營養(yǎng)化治理及水生態(tài)修復(fù)提供科學(xué)參考.

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況磁湖地處湖北省黃石市城區(qū)中心地帶，介于東經(jīng)114°57′～115°06′，北緯30°10′～30°15′之間，水面面積8.3 km2. 磁湖流域?qū)儆诘湫偷膩啛釒Т箨懠撅L(fēng)性氣候，年平均降水量達(dá)1 445.2 mm，年平均氣溫為16.9 ℃[3].作為典型城中湖，磁湖對(duì)于維系黃石市生態(tài)平衡、居民休閑娛樂、確保城市防汛安全等起著舉足輕重的作用. 然而，由于歷史上工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活污染等排放帶來了巨大的環(huán)境壓力，磁湖長期不能達(dá)到水環(huán)境功能區(qū)Ⅲ類水質(zhì)目標(biāo)，湖泊水生態(tài)系統(tǒng)十分脆弱.

圖1 磁湖水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位分布圖

1.2 數(shù)據(jù)來源研究中使用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來自黃石市生態(tài)環(huán)境局，主要是磁湖2015—2019年12個(gè)點(diǎn)位的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，包括葉綠素a (Chl.a)、水溫(WT)、pH、溶解氧(DO)、電導(dǎo)率(EC)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、化學(xué)需氧量(CODCr)、總氮(TN)、總磷(TP)、透明度(SD)共12項(xiàng)指標(biāo)，數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)周期為每年每月一次，將研究區(qū)劃分為南、北磁湖，其中1～7號(hào)為南磁湖監(jiān)測(cè)點(diǎn)，8～12號(hào)為北磁湖監(jiān)測(cè)點(diǎn)，具體分區(qū)及點(diǎn)位布設(shè)情況見圖1(圖中虛線為兩湖區(qū)分界線).

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析采用Excel 2019、Origin 2018對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在各年份不同水期的Chl.a研究時(shí)，先根據(jù)氣象、水文條件將各年份按不同水期進(jìn)行劃分：1—3月為枯水期，6—9月為豐水期，其余月份為平水期，并對(duì)各月份12個(gè)點(diǎn)位Chl.a取均值作為當(dāng)月Chl.a濃度，再依據(jù)水期對(duì)多個(gè)月份的濃度取均值作為該水期Chl.a濃度；在各年份不同點(diǎn)位的Chl.a研究時(shí)，取年均值作為各點(diǎn)位當(dāng)年Chl.a濃度(對(duì)其他指標(biāo)也做類似處理).接著用PRIMER 7.0.17軟件對(duì)不同時(shí)期、點(diǎn)位的Chl.a濃度進(jìn)行非度量多維尺度分析(Non-metric multidimensional scaling，NMDS)：數(shù)據(jù)經(jīng)過四次方根變換，符合正態(tài)性要求后計(jì)算Bray-Curtis相似系數(shù)，構(gòu)建相似矩陣，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行NMDS分析.用脅強(qiáng)系數(shù)(Stress)來判斷NMDS分析結(jié)果的可信度：完全可信(0

2 研究結(jié)果

2.1 Chl.a時(shí)間變化特征對(duì)磁湖2015—2019年不同水期Chl.a的數(shù)據(jù)采用Origin、PRIMER軟件分別進(jìn)行箱線圖和NMDS分析，結(jié)果如圖2所示.

注：(a)中每年度從左到右3個(gè)箱線框以及(b)中K、P、F均依次對(duì)應(yīng)枯、平、豐水期.圖2 2015—2019年磁湖Chl.a時(shí)間變化特征及NMDS分析結(jié)果

在圖2(a)中，2015、2018年磁湖Chl.a變化呈現(xiàn)出隨時(shí)間先降后升的趨勢(shì)，Chl.a濃度最高值都在豐水期，分別為66.11 μg/L、72.78 μg/L，最低值都在平水期，分別為33.88 μg/L、16.25 μg/L.而在2016、2017、2019年，Chl.a平均濃度都表現(xiàn)為逐漸升高的特點(diǎn)，即Chl.a濃度均值最高是豐水期，分別為45.36 μg/L、51.8 μg/L、72.56 μg/L，最低值在枯水期，分別為22.36 μg/L、32.24 μg/L、40.83 μg/L.在圖2(b)中，橫、縱軸(NMDS1、NMDS2軸)表示同一平面內(nèi)兩個(gè)方向的距離，以此估計(jì)不同樣本間的距離來判斷其相似(或差異)程度，該分析結(jié)果顯示多年度枯、平水期相距較近并組成一組，而豐水期距枯、平水期較遠(yuǎn)，單獨(dú)為一組，這表明磁湖枯、平水期的Chl.a濃度相似性較高，均與豐水期相異，且多年表現(xiàn)如此；不同年份相同水期在橫軸上呈現(xiàn)出離散現(xiàn)象，表明磁湖不同年份同一水期的Chl.a濃度存在年際差異.在NMDS可信度檢驗(yàn)中，Stress=0.04說明此分析結(jié)果是可信.綜上所述，磁湖Chl.a濃度的時(shí)間異質(zhì)性明顯，豐水期普遍高于枯、平水期.

2.2 Chl.a空間變化特征對(duì)磁湖2015—2019年不同點(diǎn)位Chl.a的數(shù)據(jù)采用Origin、PRIMER軟件分別進(jìn)行箱線圖和NMDS分析，結(jié)果如圖3、圖4所示.

注：(a)中每年度7個(gè)箱線框從左到右依次對(duì)應(yīng)1～7號(hào)點(diǎn)位，同理，(b)中箱線框依次對(duì)應(yīng)8～12號(hào)點(diǎn)位.圖3 2015—2019年南、北磁湖Chl.a空間變化特征

圖3中南磁湖Chl.a濃度在5年內(nèi)變化范圍為43.20～64.11 μg/L，而北磁湖為30.52～59.96 μg/L.將各點(diǎn)位濃度由西向東依次對(duì)比發(fā)現(xiàn)，南磁湖Chl.a在多個(gè)年度都呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)，濃度最高值常出現(xiàn)在1號(hào)點(diǎn)；而北磁湖多個(gè)年度表現(xiàn)出先升后降的特點(diǎn)，其變化過程中最高值常在11號(hào)點(diǎn).圖4中NMDS分析顯示，存在多個(gè)年度的1、12號(hào)點(diǎn)各自組成一組，而其余點(diǎn)位共同組成一組的現(xiàn)象，這說明磁湖多數(shù)點(diǎn)位Chl.a是具有一定相似性的，而1、12號(hào)點(diǎn)位異于其他點(diǎn)位.在NMDS可信度檢驗(yàn)中，Stress=0.1說明該結(jié)果具有一定參考價(jià)值.綜上所述，磁湖水體Chl.a濃度存在空間異質(zhì)性，南磁湖Chl.a濃度高于北磁湖.

注：圖中1～12依次代表12個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位Chl.a濃度.圖4 2015—2019年磁湖不同點(diǎn)位Chl.a NMDS分析

2.3 Chl.a與影響因子相關(guān)性將2015—2019年磁湖Chl.a與各影響因子進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果顯示：Chl.a與WT、CODMn、BOD5、CODCr、TP呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與SD、N/P呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，與pH、EC、DO、NH3-N、TN的相關(guān)性均不顯著(P>0.05)，詳細(xì)結(jié)果見表1.

表1 Chl.a與各影響因子的Pearson相關(guān)系數(shù)

3 討論

3.1 Chl.a時(shí)間變化影響分析由于季節(jié)、氣溫等眾多外界因素影響，多數(shù)水體Chl.a存在時(shí)間異質(zhì)性. 如王曉輝等[5]研究發(fā)現(xiàn)，水體Chl.a濃度在時(shí)間上常表現(xiàn)為枯水期<平水期<豐水期.還有研究表明，浮游植物常在夏、秋季迅速繁殖形成水華，導(dǎo)致水體Chl.a濃度較高[6].這與本文的研究結(jié)果有很大相似性，磁湖水體Chl.a濃度在豐水期的均值普遍高于枯、平水期，多年度NMDS分析結(jié)果也驗(yàn)證了Chl.a存在明顯時(shí)間異質(zhì)性.探究其原因，磁湖豐水期處于夏至初秋階段，光照充足、水溫較高，致使水體中浮游植物急劇增加，Chl.a濃度升高，而枯、平水期處于春冬季，外界條件不適宜浮游植物的生長.同時(shí)，NMDS分析結(jié)果顯示磁湖不同年份同一水期Chl.a濃度存在年際差異，主要是由于各年份外界因素的差異性所致.綜上所述，豐水期是磁湖水中浮游植物的繁殖期，相關(guān)監(jiān)測(cè)部門此時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)Chl.a的監(jiān)測(cè)工作，防范磁湖浮游植物過度繁殖引發(fā)水體營養(yǎng)化程度加重.

3.2 Chl.a空間變化影響分析由于地質(zhì)地貌、人類活動(dòng)等因素影響，水體中Chl.a濃度存在空間異質(zhì)性.如韓曉霞等[7]研究表明，新安江水庫上游水體Chl.a的濃度明顯高出下游水體的一倍.還有研究發(fā)現(xiàn)，湖泊Chl.a濃度在受人類活動(dòng)影響較大的區(qū)域要明顯高于受影響較小的區(qū)域[8].這在本文研究中都有所體現(xiàn)，南磁湖Chl.a在多年度都呈現(xiàn)出由西向東逐漸降低的趨勢(shì)，濃度最高值常出現(xiàn)在西南部(1號(hào)點(diǎn)).多年度NMDS分析結(jié)果也表明，南磁湖西南部Chl.a異于其他點(diǎn)位.南磁湖西南部為磁湖主要港渠(彭家塹港)入湖點(diǎn)，該港渠匯集了周邊建成區(qū)、居民區(qū)產(chǎn)生的面源污染以及團(tuán)城山污水處理廠尾水，攜帶大量營養(yǎng)鹽流入磁湖，造成西南區(qū)域Chl.a濃度升高.

北磁湖多個(gè)年度表現(xiàn)出由西向東先升后降的特征，其濃度最高值常在其東北部(11號(hào)點(diǎn))，主要是因?yàn)闁|北區(qū)域周邊是棚戶區(qū)，污水管網(wǎng)不健全，未實(shí)現(xiàn)雨污分流，外源營養(yǎng)鹽負(fù)荷較大.此外，NMDS分析結(jié)果顯示，北磁湖東部(12號(hào)點(diǎn))Chl.a異于其他區(qū)域，遠(yuǎn)低于東北部Chl.a濃度，是因?yàn)橹苓吘用駞^(qū)建設(shè)規(guī)范，污水管網(wǎng)建設(shè)相對(duì)完善，無工業(yè)污染和農(nóng)業(yè)面源污染匯入，水中營養(yǎng)鹽相對(duì)較低，Chl.a濃度下降.

南磁湖Chl.a濃度明顯高于北磁湖，主要是因?yàn)槟洗藕I帶建設(shè)滯后、周邊分布著小型菜田、附近居民區(qū)管網(wǎng)建設(shè)不完善、雨污未分流情況突出等問題，而北磁湖已進(jìn)行了截污、清淤、湖濱帶修復(fù)等整治措施，湖泊治理工作漸顯成效.

3.3 Chl.a與影響因子相關(guān)性分析多數(shù)研究表明，水體Chl.a濃度與其pH、電導(dǎo)率、DO值間均無顯著相關(guān)性[9-10].該結(jié)論在本研究有所體現(xiàn)，磁湖水體中Chl.a與這3種影響因子的相關(guān)性均不顯著，即P>0.05.究其原因，浮游植物繁殖對(duì)pH、電導(dǎo)率和DO的適宜范圍分別為7.75～8.75、168.9～702.8 μs/cm和5.83～14.3 mg/L[11]，而磁湖水體中該3類指標(biāo)變化范圍分別為6.63～8.9、272～539 μs/cm和5.0～13.8 mg/L，整體變化幅度基本維持在適宜浮游植物生長的范圍，故pH、電導(dǎo)率、DO對(duì)浮游植物的影響較小，與Chl.a的相關(guān)性不顯著.

WT常與Chl.a呈正相關(guān)，被認(rèn)為是Chl.a濃度變動(dòng)的誘導(dǎo)因子，而SD與Chl.a呈負(fù)相關(guān)，被認(rèn)為是被動(dòng)因子[12].在本研究中，磁湖Chl.a濃度與WT呈極顯著正相關(guān)，原因?yàn)閃T的升高對(duì)浮游植物的生長和發(fā)育具有明顯促進(jìn)作用，Chl.a濃度相應(yīng)升高. Chl.a與SD呈極顯著負(fù)相關(guān)，表明浮游植物過度繁殖會(huì)直接影響沉水植物的光合作用，導(dǎo)致水質(zhì)變差，SD降低.綜上所述，WT是影響磁湖Chl.a的限制因子，SD為被動(dòng)因子.在當(dāng)前全球氣候變暖的背景下，浮游植物過度繁殖引起水體Chl.a濃度的上升，并影響沉水植物光合作用，水體的自凈能力日益下降，相關(guān)環(huán)保部門及環(huán)保工作者應(yīng)對(duì)此給予高度重視.

CODMn、BOD5、CODCr是評(píng)價(jià)水質(zhì)有機(jī)污染常用的指標(biāo)，大致反映了水體中有機(jī)質(zhì)的污染情況[13].有調(diào)查數(shù)據(jù)表明，有機(jī)污染物對(duì)Chl.a的影響僅次于WT、TP、TN[14].這與本研究的結(jié)論較為相近，磁湖Chl.a與CODMn、BOD5和CODCr均呈極顯著正相關(guān)，其中，CODMn、CODCr與Chl.a的相關(guān)系數(shù)是除WT外最大的兩個(gè)指標(biāo)，說明有機(jī)污染物對(duì)磁湖Chl.a的影響顯著.有機(jī)污染物濃度過高易引起水體Chl.a升高，是因?yàn)橛袡C(jī)污染物在水體微生物的分解作用下，能夠產(chǎn)生C、N、P等浮游植物生長所需要的營養(yǎng)物質(zhì)，故推斷有機(jī)污染物是影響磁湖Chl.a的重要驅(qū)動(dòng)因子.

Chl.a濃度與營養(yǎng)鹽間存在著復(fù)雜的關(guān)系，既有人認(rèn)為P是影響Chl.a濃度變化的主導(dǎo)因子，但也有人認(rèn)為Chl.a濃度受N的影響更大[15].本研究中，其水體Chl.a與TP、N/P呈極顯著相關(guān)性，與TN、NH3-N的相關(guān)性不顯著，這和Lv等[16]在研究武漢的15個(gè)城市淺水型富營養(yǎng)化湖泊得到TP與Chl.a相關(guān)性比TN高的結(jié)論一致.Liu等[17]認(rèn)為N/P與浮游植物的生長有較為直接的關(guān)系，浮游植物正常代謝所需的N/P為7，當(dāng)N/P大于7時(shí)，限制性營養(yǎng)鹽是磷，反之為氮.磁湖水體平均N/P為15.4，且Chl.a與TP呈極顯著正相關(guān)，與TN、NH3-N的相關(guān)性不顯著，與N/P呈極顯著負(fù)相關(guān).綜合考慮，TP是影響磁湖Chl.a的限制因子.

4 結(jié)論

1)磁湖Chl.a濃度存在時(shí)空異質(zhì)性.時(shí)間上，磁湖Chl.a濃度在豐水期常高于枯、平水期.空間上，南磁湖Chl.a濃度高于北磁湖，其中，南磁湖Chl.a濃度最高值在西南部，北磁湖Chl.a濃度最高值常在東北部.

2) Chl.a與影響因子的相關(guān)性分析表明，WT、TP是影響磁湖Chl.a的限制因子，有機(jī)污染物是重要驅(qū)動(dòng)因子，SD是被動(dòng)因子.

3)對(duì)磁湖水體的整治應(yīng)以控磷為主，并削減入湖有機(jī)污染負(fù)荷.同時(shí)，相關(guān)部門應(yīng)加強(qiáng)對(duì)磁湖豐水期Chl.a的監(jiān)測(cè)工作，并且關(guān)注南磁湖西南部、北磁湖東北部兩個(gè)區(qū)域Chl.a濃度的動(dòng)態(tài)變化，防范磁湖浮游植物過度繁殖引發(fā)水體營養(yǎng)化程度加重.