衢州地區(qū)漁業(yè)水域水庫(kù)水體富營(yíng)養(yǎng)化水平及驅(qū)動(dòng)因子研究*

施沁璇 郝貴杰 葉 霆 吳琦芳 高 晟盛鵬程 周 聃 葉雪平①

(1. 浙江省淡水水產(chǎn)研究所 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部淡水漁業(yè)健康養(yǎng)殖重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室浙江省魚(yú)類健康與營(yíng)養(yǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖州 313001；2. 衢州市水產(chǎn)技術(shù)推廣站 衢州 324000)

根據(jù)《2018 年中國(guó)生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》，在監(jiān)測(cè)營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)的107 個(gè)湖泊(水庫(kù))中，中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)占61.7%，輕度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)占23.4%，中度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)占5.6%，水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化是我國(guó)當(dāng)前面臨的主要水環(huán)境問(wèn)題之一。富營(yíng)養(yǎng)化水體的理化性質(zhì)發(fā)生改變，生態(tài)系統(tǒng)平衡遭到破壞，最終給人類生活、生產(chǎn)帶來(lái)巨大影響(盛海燕等, 2014)。國(guó)內(nèi)外研究顯示，氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽是發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵因素(Smith, 1982;唐國(guó)華等, 2017)，但當(dāng)其到達(dá)一定濃度后，水溫(T)、溶解氧(DO)、pH 等水體理化因子可能成為限制因素(Dodds et al, 2002; 宋麗香, 2017)。此外，富營(yíng)養(yǎng)化發(fā)生往往伴隨著藻類的大量繁殖，藻類對(duì)重金屬有很強(qiáng)的吸收和吸附作用。藻類富集大量重金屬后，可能成為水體潛在的重金屬儲(chǔ)存庫(kù)(Radway et al, 2001)。由此可見(jiàn)，非營(yíng)養(yǎng)因子對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化水平的影響不可忽視。

浙江省水庫(kù)眾多，近年來(lái)，其水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化水平顯示，總磷(TP)和總氮(TN)是錢(qián)塘江和苕溪流域17座大中型水庫(kù)水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要影響因素(盛海燕等, 2014)，浙江省主要供水水庫(kù)中，有15 座水庫(kù)水體富營(yíng)養(yǎng)化趨勢(shì)明顯(呂振平等, 2010)。衢州市地處浙江省西部，境內(nèi)多丘陵山地，處于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)；水文上，衢州市境域?yàn)殄X(qián)塘江上游，徑流受季風(fēng)控制，季節(jié)變化大。衢州市水庫(kù)眾多，承擔(dān)著防洪、供水、灌溉、發(fā)電、養(yǎng)殖、休閑景觀等多重功能?；卺橹菔兴畮?kù)眾多且兼具養(yǎng)殖等多種功能，相關(guān)學(xué)者對(duì)黃壇口水庫(kù)、銅山源水庫(kù)等進(jìn)行了水質(zhì)監(jiān)測(cè)分析、浮游植物與環(huán)境營(yíng)養(yǎng)鹽因子的分析研究(周小炎,2012; 鐘衛(wèi)鴻等, 2003)，但對(duì)于水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化水平及其水質(zhì)驅(qū)動(dòng)因子識(shí)別的研究鮮有報(bào)道，更未見(jiàn)增殖放流水域、水產(chǎn)養(yǎng)殖水域等水庫(kù)的相關(guān)研究。本研究通過(guò)對(duì)2018 年衢州市黃壇口水庫(kù)、銅山源水庫(kù)、獅子口水庫(kù)、花園壟水庫(kù)和金倉(cāng)垅水庫(kù)5 個(gè)水庫(kù)水質(zhì)的調(diào)查分析，選取總磷、總氮、葉綠素a (Chl-a)、透明度(SD)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)等基準(zhǔn)參數(shù)評(píng)價(jià)水庫(kù)水體的富營(yíng)養(yǎng)化水平。同時(shí)，基于相關(guān)性分析、主成分分析和聚類分析方式，探討水溫、pH、溶解氧等水質(zhì)理化因子以及重金屬元素與水體富營(yíng)養(yǎng)化水平間的影響和相關(guān)關(guān)系，豐富擴(kuò)充水庫(kù)水體富營(yíng)養(yǎng)化水平及其驅(qū)動(dòng)因子的研究，為有效預(yù)防和控制漁業(yè)水域水庫(kù)水體富營(yíng)養(yǎng)化提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

根據(jù)《2018 年衢州市漁業(yè)水域水質(zhì)監(jiān)測(cè)通報(bào)》，選取5 個(gè)衢州市重要漁業(yè)水域水庫(kù)進(jìn)行調(diào)查分析，分別為黃壇口水庫(kù)(S1)、銅山源水庫(kù)(S2)、獅子口水庫(kù)(S3)、花園壟水庫(kù)(S4)和金倉(cāng)垅水庫(kù)(S5)。其中，黃壇口水庫(kù)、銅山源水庫(kù)為增殖放流水域，獅子口水庫(kù)、花園壟水庫(kù)和金倉(cāng)垅水庫(kù)為水產(chǎn)養(yǎng)殖水域，水庫(kù)具體信息及分布見(jiàn)表1。

表1 衢州市5 座水庫(kù)水文情勢(shì)基本情況Tab.1 Hydrological regime of five reservoirs in the Quzhou area

采樣點(diǎn)按照每個(gè)水庫(kù)大小進(jìn)行設(shè)置，銅山源水庫(kù)設(shè)置4 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，黃壇口水庫(kù)、獅子口水庫(kù)、花園壟水庫(kù)和金倉(cāng)垅水庫(kù)各設(shè)置3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。2018 年，分別在春季(4 月)、夏季(7 月)、秋季(9 月)和冬季(11 月)進(jìn)行水質(zhì)樣品采集。采用Ruttner 采水器采集水庫(kù)表層水樣(10～50 cm)，每個(gè)采樣點(diǎn)采集水樣4 瓶(3 個(gè)聚乙烯塑料瓶，1 個(gè)棕色玻璃瓶)。水樣采集后，1 瓶加入硫酸調(diào)節(jié)pH＜1，用于總磷測(cè)定；1 瓶加硫酸調(diào)節(jié)pH 為1～2，用于總氮、高錳酸鹽指數(shù)測(cè)定；1 瓶加碳酸鎂懸濁液，用于Chl-a 測(cè)定；1 瓶加硝酸調(diào)節(jié)pH＜2，用于重金屬元素Cu、Zn、Pb 和Cd 的測(cè)定。所采水樣貼好標(biāo)簽后，儲(chǔ)存于低溫保溫箱中運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，用于后續(xù)測(cè)定。

1.2 樣品分析測(cè)定

水溫、pH、溶解氧等參數(shù)使用哈希HQ40D 多功能水質(zhì)測(cè)定儀(美國(guó))現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，透明度采用圓盤(pán)法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定；總磷(TP)采用過(guò)硫酸鉀消解鉬酸銨分光光度法測(cè)定；總氮(TN)采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法測(cè)定；高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)采用滴定法測(cè)定；Chl-a 采用丙酮提取分光光度法測(cè)定；Cu、Zn、Pb和Cd 采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法進(jìn)行測(cè)定，空白標(biāo)準(zhǔn)偏差法評(píng)估Cu、Zn、Pb 和Cd 檢出限，分別為0.08、0.2、0.01 和0.002 μg/L。在整個(gè)分析過(guò)程中，每個(gè)樣品均設(shè)置3 個(gè)平行，平行樣間相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差＜5%；同時(shí)，TP、TN、CODMn、Chl-a、Cu、Zn、Pb 和Cd 均采用標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行質(zhì)量控制。

1.3 數(shù)據(jù)處理

原始數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2010 初步整理后，采用SPSS 13.0 軟件進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA)，并用Duncan′s 檢驗(yàn)法進(jìn)行多重比較分析，顯著水平P為0.05。采用Origin 8.0 作圖。

1.4 評(píng)價(jià)方法

本研究選取綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法評(píng)價(jià)水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化水平(中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站, 2001)，評(píng)價(jià)指標(biāo)為Chl-a、總氮(TN)、總磷(TP)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)和透明度(SD)。綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計(jì)算公式為：

式中，TLI(∑)為綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；TLI(i)為第i 種參數(shù)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；Wi為第i 種參數(shù)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重，其計(jì)算公式為：

式中，r1i為第i 個(gè)參數(shù)與Chl-a 的相關(guān)系數(shù)，m為選出的主要參數(shù)的目錄。中國(guó)水庫(kù)的Chl-a 與其他參數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)rij及r2ij見(jiàn)表2。

表2 中國(guó)湖泊(水庫(kù))部分參數(shù)與Chl-a 的相關(guān)關(guān)系(金相燦, 1995)Tab.2 The correlation between Chl-a and other parameters of lakes/reservoirs in China

各種營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計(jì)算公式為：

TLI(Chl-a)=10(2.5+1.086 lnChl-a)

TLI(TP)=10(9.436+1.624 lnTP)

TLI(TN)=10(5.453+1.694 lnTN)

TLI(SD)=10(5.118–1.94 lnSD)

TLI(CODMn)=10(0.109+2.661 lnCODMn)

采用0～100 的一系列連續(xù)數(shù)字對(duì)水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)進(jìn)行分級(jí)，TLI(∑)＜30 為貧營(yíng)養(yǎng)，30≤TLI(∑)≤50為中營(yíng)養(yǎng)，TLI(∑)＞50 為富營(yíng)養(yǎng)。其中，50＜TLI(∑)≤60為輕度富營(yíng)養(yǎng)，60＜TLI(∑)≤70 為中度富營(yíng)養(yǎng)，TLI(∑)＞70 為重度富營(yíng)養(yǎng)。同一營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)下，TLI(∑)越高，其營(yíng)養(yǎng)程度越重。

2 結(jié)果與分析

2.1 水庫(kù)水體理化參數(shù)變化規(guī)律

5 個(gè)水庫(kù)水溫、pH、溶解氧、透明度、Cu、Zn、Pb 和Cd 變化趨勢(shì)見(jiàn)表3。水體平均水溫、pH、溶解氧和透明度分別為22.5℃、8.39、7.17 mg/L 和1.10 m。多重比較顯示，水溫、pH 和溶解氧全年在5 個(gè)水庫(kù)間無(wú)顯著性差異(P＞0.05)，表明衢州市不同區(qū)域水庫(kù)間水溫、pH、溶解氧等水體理化參數(shù)差異較小，水質(zhì)情況較為穩(wěn)定。透明度在S1、S2、S3 與S4、S5之間存在顯著性差異(P＜0.05)，顯示增殖放流水域與水產(chǎn)養(yǎng)殖水域水體在透明度上存在一定差異。

表3 各水庫(kù)水體理化參數(shù)Tab.3 Physical and chemical characters of the reservoirs (Mean±SD)

從水體中重金屬元素看，Cu、Zn、Pb 和Cd 平均含量分別為0.89、1.41、0.11 和0.028 μg/L。多重比較顯示，除各水庫(kù)水體間Pb 無(wú)顯著性差異(P＞0.05)外，其余重金屬在5 個(gè)不同水庫(kù)間存在一定的差異，表現(xiàn)為S5 水庫(kù)中Cu、Zn 含量均顯著高于S1、S4(P＜0.05)，S3水庫(kù)中Cd 含量顯著高于其他4 個(gè)水庫(kù)水體(P＜0.05)。

各水庫(kù)水體不同季節(jié)各理化參數(shù)變化規(guī)律如圖1所示。從圖1 可以看出，各水庫(kù)水體中溶解氧、透明度和Pb 含量無(wú)顯著的季節(jié)性變化(P＞0.05)。水體中水溫、Cu、Zn 和Cd 均呈一定的季節(jié)變化，除Cd 外，均為夏季顯著高于秋季。各水體 pH 變化范圍為7.63～9.06，水質(zhì)偏堿性，從春季到冬季呈逐步降低趨勢(shì)，春季最高，為9.06，顯著高于冬季(P＜0.05)。春季水溫較低，且各水庫(kù)水體透明度較高，藻類的光合作用相對(duì)較強(qiáng)，這可能是造成水體pH 在春季較高的原因(朱思睿, 2015)。

圖1 各水庫(kù)理化參數(shù)隨季節(jié)變化的規(guī)律Fig.1 Seasonal variations of physical and chemical characters in the reservoirs

2.2 水庫(kù)水體營(yíng)養(yǎng)鹽參數(shù)變化規(guī)律

5 個(gè)水庫(kù)總磷、總氮、高錳酸鹽指數(shù)等營(yíng)養(yǎng)鹽參數(shù)的變化趨勢(shì)如圖2 所示。各水庫(kù)中總磷、總氮含量均為S5 最高，分別為0.818 和2.851 mg/L，顯著高于其他各水庫(kù)(P＜0.05)；S1 總磷、總氮含量均最低，分別為0.040 和0.469 mg/L。高錳酸鹽指數(shù)含量S5最高，為10.6 mg/L，顯著高于其他各水庫(kù)；S2 最低，為1.82 mg/L。從變異系數(shù)(C.V)看，總磷、總氮在各水庫(kù)間變異系數(shù)均較高，達(dá)到35%～119%，提示各水庫(kù)水體中營(yíng)養(yǎng)鹽含量可能受到不同季節(jié)的影響。

不同季節(jié)各水庫(kù)水體中的營(yíng)養(yǎng)鹽分析結(jié)果顯示(圖3)，各水庫(kù)總磷、高錳酸鹽指數(shù)含量無(wú)顯著的季節(jié)性變化(P＞0.05)；春、夏季總氮含量顯著高于秋、冬季(P＜0.05)，因此，水庫(kù)水體中總氮含量存在一定的季節(jié)性影響，這與孔范龍等(2016)的研究結(jié)果相一致。對(duì)比不同的水域類別發(fā)現(xiàn)，增殖放流水域(S1 和S2)與水產(chǎn)養(yǎng)殖水域(S3、S4 和S5)水體總磷、高錳酸鹽指數(shù)含量存在不同的季節(jié)性變化趨勢(shì)。其中，增殖放流水域總磷含量夏季平均為0.147 mg/L，顯著高于春季和冬季；高錳酸鹽指數(shù)含量秋、冬季顯著高于春、夏季；而水產(chǎn)養(yǎng)殖水域總磷、高錳酸鹽指數(shù)含量無(wú)顯著的季節(jié)性變化(P＞0.05)。這可能與水產(chǎn)養(yǎng)殖水域受到養(yǎng)殖活動(dòng)等人工干預(yù)較多有關(guān)。

圖2 各水庫(kù)水體營(yíng)養(yǎng)鹽含量分布 Fig.2 The contents of nutrient indicators in the reservoirs

圖3 各水庫(kù)水體營(yíng)養(yǎng)鹽隨季節(jié)變化規(guī)律 Fig.3 Seasonal variation of nutrient indicators in the reservoirs

2.3 水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)

水體中Chl-a 的含量是水體生產(chǎn)力及富營(yíng)養(yǎng)化水平的重要標(biāo)志(劉敏等, 2007)。從不同水庫(kù)看，S5 水域全年Chl-a 平均含量最高，為149.25 mg/m3，顯著高于其他水庫(kù)(P＜0.05)；S1 最低，為2.75 mg/m3。從不同的水域類別看，水庫(kù)中Chl-a 含量水產(chǎn)養(yǎng)殖水域顯著高于增殖放流水域(P＜0.05)?；贑hl-a 濃度對(duì)水庫(kù)進(jìn)行富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)顯示(表4)，S1、S2 和S3 均為中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，S4 為富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，S5 為超富營(yíng)養(yǎng)態(tài)。因此，增殖放流水域均為中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，而水產(chǎn)養(yǎng)殖水域存在一定程度的富營(yíng)養(yǎng)化。

根據(jù)綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法對(duì)各水庫(kù)水體富營(yíng)養(yǎng)化水平進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示(表5)，S5 營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)最高，為73.34，達(dá)到重度富營(yíng)養(yǎng)水平，顯著高于其他水庫(kù)(P＜0.05)；S1 最低，為35.86。S1、S2 和S3 均為中營(yíng)養(yǎng)，S4 為輕度富營(yíng)養(yǎng)，S5 為重度富營(yíng)養(yǎng)水平。從不同的水域類別看，水產(chǎn)養(yǎng)殖水域的富營(yíng)養(yǎng)化水平顯著高于增殖放流水域。上述評(píng)價(jià)結(jié)果與基于Chl-a 含量進(jìn)行富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)的結(jié)果一致。綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法綜合考慮了多個(gè)指標(biāo)的影響，可以較為真實(shí)地反映水體富營(yíng)養(yǎng)化水平，是我國(guó)環(huán)保監(jiān)測(cè)部門(mén)評(píng)價(jià)水體富營(yíng)養(yǎng)化水平的主要方法(陸強(qiáng)等, 2013)，但由于需要考慮多種因素的影響，監(jiān)測(cè)及計(jì)算過(guò)程稍顯復(fù)雜。因此，在衢州市上述水庫(kù)水質(zhì)的日常跟蹤監(jiān)測(cè)中，可以采用Chl-a 作為水庫(kù)水體的富營(yíng)養(yǎng)化水平的快速判定指標(biāo)，當(dāng)富營(yíng)養(yǎng)化水平出現(xiàn)較大波動(dòng)時(shí)，采用綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法進(jìn)行進(jìn)一步確證分析，從而兼顧效率和準(zhǔn)確性。

2.4 水質(zhì)驅(qū)動(dòng)因子對(duì)水庫(kù)水體富營(yíng)養(yǎng)化水平的影響

2.4.1 相關(guān)性分析Pearson 采用相關(guān)關(guān)系分析探求各水質(zhì)驅(qū)動(dòng)因子對(duì)水庫(kù)水體富營(yíng)養(yǎng)化水平的影響。從表6 可以看出，Chl-a 作為判定水體富營(yíng)養(yǎng)化水平的重要指標(biāo)，與TP、TN 和CODMn 間均呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01)，這與宋麗香(2017)的研究結(jié)果相一致，表明碳氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的含量與水庫(kù)水體富營(yíng)養(yǎng)化之間關(guān)系密切。此外，Chl-a 含量與SD、DO 間呈極顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.01)，表明水體透明度、溶解氧等變量也是影響水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要指標(biāo)，可以作為水體富營(yíng)養(yǎng)化的預(yù)警性指標(biāo)。然而，由于DO 在水體中的含量一直處于動(dòng)態(tài)變化中，DO 作為預(yù)警性指標(biāo)時(shí)，需要綜合考慮其他因素(張遠(yuǎn)等, 2006)。

表4 各水庫(kù)水體Chl-a 含量及富營(yíng)養(yǎng)化水平 Tab.4 The contents of Chl-a in the reservoirs and their eutrophication levels

表5 各水庫(kù)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)及富營(yíng)養(yǎng)化水平Tab.5 The TLI in the reservoirs and their eutrophication levels (Mean±SD)

表6 Chl-a 及綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)與各水質(zhì)因子間的相關(guān)關(guān)系Tab.6 The correlations between Chl-a, TLI and water environmental factors

綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法評(píng)價(jià)主要以Chl-a、TN、TP、CODMn 和SD 作為評(píng)價(jià)參數(shù)進(jìn)行，相關(guān)性分析顯示，TLI 除了與上述因子顯著相關(guān)外(P＜0.01)，與重金屬Cu 之間呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)，但與其他重金屬元素間相關(guān)性較弱。富營(yíng)養(yǎng)化可能影響水生生態(tài)系統(tǒng)對(duì)Cu 的遷移、轉(zhuǎn)化和歸宿。此外，TLI 與水溫間呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)，表明水溫變化對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)具有重要意義。

2.4.2 主成分分析 為進(jìn)一步探求各水質(zhì)因子對(duì)水庫(kù)水體富營(yíng)養(yǎng)化水平的影響，采用主成分分析法(Principal component analysis, PCA)進(jìn)行分析。KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)檢驗(yàn)和Bartletts’s 球度檢驗(yàn)(Bartlett-test of sphericity)結(jié)果顯示，KMO 值為0.688，Bartlett 球度檢驗(yàn)相伴概率為0 (P＜0.05)，各水質(zhì)因子之間具有較強(qiáng)的相關(guān)性，可以進(jìn)行因子分析。

按照特征值大于1 的原則，共提取4 個(gè)主成分，PC1、PC2 和PC3 特征值方差累積貢獻(xiàn)值達(dá)到61.2%，各項(xiàng)指標(biāo)的得分系數(shù)矩陣見(jiàn)表7。PC1 對(duì)總方差的貢獻(xiàn)率為34.8%，是主要影響成分，Chl-a、TP、TN 和CODMn 具有較高的正載荷，分別為0.901、0.852、0.827 和0.942，SD 具有較高的負(fù)載荷，為–0.678，與TLI 所選取的5 個(gè)評(píng)價(jià)因子相一致，因此，第1 主成分反映了水體富營(yíng)養(yǎng)化對(duì)水質(zhì)的影響。PC2 對(duì)總方差的貢獻(xiàn)率為15.2%，pH、Cu、Zn 和Cd 具有較高的正載荷，分別為0.530、0.483、0.637 和0.747，第2 主成分主要反映了水質(zhì)理化因子pH 以及重金屬元素Cu、Zn 和Cd 對(duì)水質(zhì)的影響。PC2 對(duì)總方差的貢獻(xiàn)率為11.2%，DO 和Pb 具有較高的正載荷，分別為0.412 和0.545，T 具有較高的負(fù)載荷，為–0.601，第3 主成分主要反映了水質(zhì)理化因子T、DO 以及重金屬元素Pb 對(duì)水質(zhì)的影響。

表7 主成分分析主要計(jì)算結(jié)果Tab.7 The calculated results of PCA

3 討論

3.1 氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化的影響

相關(guān)性分析及主成分分析均顯示氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽是造成水庫(kù)水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要因子，這與國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果相一致(李小平, 2002; Schindler, 1977)，這主要是因?yàn)榈鬃鳛楦∮沃参锷L(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)元素，對(duì)藻類的生長(zhǎng)具有顯著影響(趙永宏等, 2010)。Redfield 等(1963)認(rèn)為，藻類細(xì)胞組成的原子比率N∶P=16∶1，如果氮磷的濃度比超過(guò)7，磷被認(rèn)為是限制性因素；反之，當(dāng)?shù)椎臐舛缺刃∮? 時(shí)，氮通常被考慮為限制性因素。Redfield 比值被廣泛應(yīng)用于我國(guó)水體富營(yíng)養(yǎng)化分析(隋琪等, 2016)。相關(guān)性分析表明(表8)，TN/TP 與Chl-a、TLI 間均呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05)，因此，氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽相對(duì)比值是影響水體富營(yíng)養(yǎng)化最有意義的限制因子。分析各水庫(kù)水體TN/TP 顯示(圖4)，S1、S2、S3 和S4 水庫(kù)水體TN/TP 為13.87～25.88，均大于7，磷為主要的限制因素，這與封閉性淡水環(huán)境主要受到磷限制的研究結(jié)果(王保棟, 2003)相一致。然而，S5 水庫(kù)水體TN/TP 為4.24，氮為主要的限制因素，表明對(duì)衢州地區(qū)漁業(yè)水域水庫(kù)水體富營(yíng)養(yǎng)化控制過(guò)程中對(duì)氮的控制也不容忽視。因此，對(duì)水庫(kù)水體富營(yíng)養(yǎng)化的控制，主要以控磷為主，以控氮為輔。

表8 Chl-a 及綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)與各水質(zhì)因子間的相關(guān)關(guān)系Tab.8 The correlations between Chl-a, TLI and TN/TP

隨著近年來(lái)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)、生活廢水以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化產(chǎn)生了顯著的影響(王輝等, 2012; Kim et al, 2008)，成為水庫(kù)水體營(yíng)養(yǎng)鹽的重要來(lái)源。其次，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展可能造成氮、磷營(yíng)養(yǎng)壓力(朱鵬等, 2014; 白懷宇等,2018)，一定程度上推高水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化水平?；诘谞I(yíng)養(yǎng)鹽因子、富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)參數(shù)和水體氮磷比，對(duì)5 個(gè)不同水庫(kù)進(jìn)行聚類分析，結(jié)果顯示(圖5)，S1、S2、S3 和S4 水庫(kù)聚為一類，水體富營(yíng)養(yǎng)化水平較低；S5 單獨(dú)為一類，富營(yíng)養(yǎng)化水平較高，這與水體氮磷比的多重比較結(jié)果相一致。值得指出的是，S3、S4和S5 均為水產(chǎn)養(yǎng)殖水域，但S3 和S4 水庫(kù)水體富營(yíng)養(yǎng)化水平較低，且與S1、S2 等增殖放流水域聚為一類， 推測(cè)上述水庫(kù)中浮游植物可能受到鰱(Hypophthalmichthys molitrix)、鳙(H. nobilis)、浮游動(dòng)物等藻食生物控制為主(下行效應(yīng))，受到水體的營(yíng)養(yǎng)元素控制(上行效應(yīng))較弱(李培培等, 2011)。因此，適量的水產(chǎn)養(yǎng)殖不會(huì)引起水庫(kù)水體富營(yíng)養(yǎng)化污染。

圖5 不同水庫(kù)間聚類分析Fig.5 Cluster analysis on reservoirs

3.2 非營(yíng)養(yǎng)鹽因子對(duì)水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化的影響

分析各水庫(kù)不同季節(jié)綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(圖6)發(fā)現(xiàn)，中營(yíng)養(yǎng)及輕度富營(yíng)養(yǎng)水庫(kù)TLI 均為夏季最高，且TLI 與水溫呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)。由于夏季各水庫(kù)水溫顯著高于其他季節(jié)，因此，水體富營(yíng)養(yǎng)化水平的季節(jié)性差異主要來(lái)源于水溫的影響。在合適的范圍內(nèi)，水溫上升會(huì)影響水中溶解氧濃度(Blumberg et al,1990)，增強(qiáng)藻類活性，加速營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化，為浮游植物的生長(zhǎng)提供動(dòng)力。與其他水庫(kù)不同，富營(yíng)養(yǎng)化水平較高的金倉(cāng)垅水庫(kù)(S5)受到水溫的影響較小，周邊工農(nóng)業(yè)發(fā)展以及水庫(kù)內(nèi)的水產(chǎn)養(yǎng)殖等人類活動(dòng)可能是造成該水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化水平較高的重要原因，這與吳鋒等(2012)的研究結(jié)果一致。其次，主成分分析顯示，pH、溶解氧分別是第2 主成分和第3 主成分的主要影響因子。藻類生物量較高的水體吸收水中二氧化碳，放出氧氣，使得水中pH 升高，溶解氧增加，但當(dāng)富營(yíng)養(yǎng)化水平過(guò)高時(shí)，過(guò)度繁殖的藻類會(huì)造成水中溶解氧迅速下降。因此，pH、溶解氧不是水體浮游植物生長(zhǎng)的限制因子，是影響水體富營(yíng)養(yǎng)化水平的被動(dòng)因子和指示因子，關(guān)注水體pH、溶解氧變化趨勢(shì)，對(duì)于監(jiān)測(cè)控制水庫(kù)水體富營(yíng)養(yǎng)化具有重要意義。此外，相關(guān)性表明，CODMn 與Chl-a 和TLI 均呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)，且是第1 主成分的主要影響因子，顯示CODMn 作為有機(jī)物綜合污染指標(biāo)，可以通過(guò)作用于Chl-a 影響藻類生物量，從而影響水體富營(yíng)養(yǎng)化水平。

水體富營(yíng)養(yǎng)化在水生態(tài)系統(tǒng)中重金屬的遷移、轉(zhuǎn)化和歸宿也有著重要影響。相關(guān)性分析顯示，Cu 與TLI 之間呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)，且Cu、Zn 和Cd 均為水質(zhì)第2 主成分的主要貢獻(xiàn)因子，這與高廷進(jìn)等(2014)關(guān)于貴州高原水庫(kù)汞的研究結(jié)果一致，浮游植物對(duì)重金屬較強(qiáng)的富集作用可能是造成上述現(xiàn)象的主要原因(李志遠(yuǎn)等, 1997)。另一方面，富集了大量重金屬的浮游植物可能以顆粒物吸附態(tài)的形式沉入水底，成為水庫(kù)重金屬的一個(gè)潛在儲(chǔ)存庫(kù)。當(dāng)水體中水溫、溶解氧、pH 等發(fā)生變化時(shí)，導(dǎo)致底泥中重金屬向上輸送并釋放到水體中，這與洪繼華等(1987)對(duì)湘江沉積物中Cu、Cd 的釋放效應(yīng)相一致。

3.3 各水質(zhì)驅(qū)動(dòng)因子對(duì)水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化的影響

為進(jìn)一步探求各水質(zhì)驅(qū)動(dòng)因子對(duì)水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化的影響，分別選取與Chl-a 和TLI 相關(guān)性較好的各水質(zhì)因子，建立多元線性回歸方程，分別量化Chl-a 和TLI 與水質(zhì)驅(qū)動(dòng)因子之間的關(guān)系，通過(guò)方程顯著性檢驗(yàn)?zāi)苓M(jìn)一步驗(yàn)證相關(guān)關(guān)系以及回歸方程的準(zhǔn)確性和可靠性。多元逐步回歸分析結(jié)果顯示，Chl-a 與DO、SD、Cu、TP、TN 和CODMn 相關(guān)性較好，TLI 與T、SD、Cu、TP 和TN 相關(guān)性較好，多元線性逐步回歸分析得到模型：Chl-a=19.793 CODMn–32.065 TP –33.004，TLI=1.062 CODMn + 18.468 TP – 0.06 SD + 0.450T +1.765 TN + 33.886。多元線性逐步回歸分析表明，CODMn、TP 與Chl-a 關(guān)系較為密切，CODMn、TP、SD、T、TN 與綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)關(guān)系較為密切。這與呂喚春等(2003)對(duì)千島湖水庫(kù)研究中指出的水體富營(yíng)養(yǎng)化與水溫、總磷正相關(guān)，與透明度負(fù)相關(guān)的研究結(jié)果相類似。水庫(kù)中較緩的流速和適宜的水溫使得氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽以及有機(jī)物(CODMn)在水體中擴(kuò)散降解受到影響，營(yíng)造了適合于藻類生長(zhǎng)的環(huán)境，從而推高水中Chl-a 的含量，增加水體富營(yíng)養(yǎng)化水平。因此，CODMn、TP、SD、T 和TN 是影響衢州市水庫(kù)水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要因子，其余因子雖然具有較好的相關(guān)性，但只是富營(yíng)養(yǎng)化的“結(jié)果”，而不是“原因”。

4 結(jié)論

基于Chl-a 濃度評(píng)價(jià)水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化水平顯示，S1、S2 和S3 均為中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，S4 為富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，S5 為超富營(yíng)養(yǎng)態(tài)；綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法評(píng)價(jià)水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化水平顯示，S1、S2 和S3 均為中營(yíng)養(yǎng)，S4 為輕度富營(yíng)養(yǎng)，S5 為重度富營(yíng)養(yǎng)水平；2 種評(píng)價(jià)方式的結(jié)果一致。在日常跟蹤監(jiān)測(cè)中，可以采用Chl-a 作為水庫(kù)水體的富營(yíng)養(yǎng)化水平的快速判定指標(biāo)，當(dāng)富營(yíng)養(yǎng)化水平出現(xiàn)較大波動(dòng)時(shí)，采用綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法進(jìn)行進(jìn)一步確證分析，從而兼顧效率和準(zhǔn)確性。

從水庫(kù)的不同類別看，增殖放流水域?yàn)橹袪I(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，而水產(chǎn)養(yǎng)殖水域存在一定程度的富營(yíng)養(yǎng)化。聚類分析顯示，S1、S2、S3 和S4 水庫(kù)聚為一類，水體富營(yíng)養(yǎng)化水平較低；S5 單獨(dú)為一類，富營(yíng)養(yǎng)化水平較高。S3、S4 和S5 均為水產(chǎn)養(yǎng)殖水域，但S3、S4 水庫(kù)水體富營(yíng)養(yǎng)化水平較低，且與S1、S2 等增殖放流水域聚為一類，因此，適量的水產(chǎn)養(yǎng)殖不會(huì)引起水庫(kù)水體富營(yíng)養(yǎng)化污染。

相關(guān)性分析顯示，Chl-a、TLI 與TP、TN、CODMn間均呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01)；主成分分析表明，Chl-a、TP、TN 和CODMn 在第1 主成分具有較高的正載荷，因此，氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽和有機(jī)物是造成水庫(kù)水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要影響因子。其次，TN/TP 與Chl-a、TLI 間均呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05)，因此，氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽相對(duì)比值是影響水體富營(yíng)養(yǎng)化最有意義的限制因子。從TN/TP 看，衢州市漁業(yè)水域S1、S2、S3 和S4 水庫(kù)均為磷限制，S5 為氮限制，因此，對(duì)水庫(kù)水體富營(yíng)養(yǎng)化的控制，主要以控磷為主，控氮為輔。

水溫與富營(yíng)養(yǎng)化水平間顯著正相關(guān)(P＜0.05)，表現(xiàn)為各水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化水平的季節(jié)性差異；pH、溶解氧是影響水體富營(yíng)養(yǎng)化水平的被動(dòng)因子和指示因子。水體中pH、溶解氧均隨著富營(yíng)養(yǎng)化水平增加而增大，但當(dāng)富營(yíng)養(yǎng)化水平過(guò)高時(shí)，過(guò)度繁殖的藻類會(huì)造成水中溶解氧迅速下降。因此，關(guān)注水體pH、溶解氧變化趨勢(shì)對(duì)于監(jiān)測(cè)控制水庫(kù)水體富營(yíng)養(yǎng)化具有重要意義。其次，水體富營(yíng)養(yǎng)化在水生態(tài)系統(tǒng)中對(duì)重金屬的遷移、轉(zhuǎn)化和歸宿也有著重要影響，這可能與浮游植物對(duì)重金屬較強(qiáng)的富集作用以及沉積物的內(nèi)源釋放有關(guān)。

多元線性逐步回歸分析得到以下模型：Chl-a =19.793CODMn–32.065TP–33.004，TLI=1.062 CODMn +18.468 TP – 0.06 SD + 0.450 T + 1.765 TN + 33.886，表明CODMn、TP、SD、T 和TN 是影響衢州市水庫(kù)水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要因子，其余因子雖然具有較好的相關(guān)性，但只是富營(yíng)養(yǎng)化的“結(jié)果”，而不是“原因”。