YC湖區(qū)葉綠素a時(shí)空變化特征及影響因素分析

謝茂嶸 劉帥 呂文 楊文晶 楊惠 姜宇 孫瑞瑞 蔡曉鈺 楊金艷

摘要 本研究基于2021年YC湖區(qū)水質(zhì)逐月監(jiān)測(cè)，分析了湖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)參數(shù)（葉綠素a）及氮、磷營養(yǎng)鹽的時(shí)空變化特征。通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元逐步回歸分析，找出與葉綠素a顯著相關(guān)的環(huán)境因子，并建立多元回歸方程。結(jié)果表明，湖區(qū)葉綠素a含量全年平均值變化范圍5.80～46.96 μg/L，葉綠素a、總氮和總磷含量有明顯的季節(jié)性差異。湖區(qū)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)因子含量時(shí)空差異較大，湖區(qū)西湖的葉綠素a、氨氮、總氮和總磷的距平系數(shù)分別為15.6%、51.5%、15.0%和17.5%，高于中湖和東湖，總體水質(zhì)從北向南，從西向東，逐漸趨好。葉綠素a含量與水溫（T）、總磷（TP）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）和pH呈極顯著正相關(guān)，而與透明度（SD）呈極顯著負(fù)相關(guān)；進(jìn)一步逐步回歸分析，高錳酸鹽指數(shù)、總磷和水溫3個(gè)因子與葉綠素a顯著相關(guān)，均表現(xiàn)為正相關(guān)，復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.573。

關(guān)鍵詞 葉綠素a；時(shí)空變化特征；生態(tài)系統(tǒng)；環(huán)境因子；多元逐步回歸分析

中圖分類號(hào) X524? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 1007-7731（2024）09-0077-07

Temporal and spatial characteristics of chlorophyll a and its influencing factors in YC Lake

Abstract Based on the monthly monitoring of water quality in YC Lake in 2021， the temporal and spatial variation characteristics of ecosystem response parameters （chlorophyll a） and nitrogen and phosphorus nutrients were analyzed. Multiple stepwise regression analysis was carried out on the monitoring data to find out the environmental factors significantly related to chlorophyll a， and the multiple regression equation was established. The results showed that the annual mean chlorophyll a content ranged from 5.80 to 46.96 μg/L. There were obvious seasonal differences in chlorophyll a， total nitrogen，and total phosphorus in the lake area. The water quality factor content of each monitoring site in the lake area had great difference in time and space. The anomaly coefficients of chlorophyll a， ammonia nitrogen， total nitrogen，and total phosphorus of west of the lake area were 15.6%， 51.5%， 15.0% and 17.5%， respectively， which were much higher than those of middle and east. Overall water quality from north to south， from west to east， gradually getting better. Chlorophyll a content was significantly positively correlated with water temperature， total phosphorus， permanganate index and pH， and significantly negatively correlated with transparency. Further stepwise regression analysis showed that three factors including permanganate index， total phosphorus and water temperature were selected， and all showed positive correlation， and the complex correlation coefficient was 0.573.

Keywords chlorophyll a; spatio-temporal variation characteristics; ecosystem; environmental factors; multiple stepwise regression analysis

湖泊作為重要的生態(tài)系統(tǒng)，具有提供水源、養(yǎng)殖水產(chǎn)和維護(hù)生物多樣性等生態(tài)功能，對(duì)支持湖泊流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展發(fā)揮著重要作用。受多種因素影響，部分淺水湖泊水質(zhì)富營養(yǎng)化問題日漸突顯[1]。近年來，對(duì)湖泊水體富營養(yǎng)化密切相關(guān)的N、P的研究[2-4]，浮游植物群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子相關(guān)關(guān)系[5]的研究報(bào)道較多。葉綠素a是藻類的重要組分之一，其含量水平在一定程度上可以反映水體中浮游植物的生物量，與水環(huán)境質(zhì)量緊密相關(guān)，通過測(cè)定葉綠素a含量可以了解水質(zhì)的健康狀況[6]。有關(guān)太湖流域葉綠素a與環(huán)境理化因子的相關(guān)性已有較多研究，例如，朱廣偉等[7]分析了2005—2017年北部太湖水體營養(yǎng)鹽和葉綠素a的變化特征，探討了葉綠素變化的影響因素；張曉晴等[8]、陳永根等[9]以葉綠素a為指標(biāo)來表征水華發(fā)生程度，初步歸納了湖區(qū)水質(zhì)指標(biāo)的時(shí)空變化特征與藍(lán)藻水華暴發(fā)的關(guān)系；王震等[10]分析了葉綠素a含量和浮游植物密度的時(shí)空分布特征，探討了其相關(guān)關(guān)系并建立了逐步回歸方程。YC湖是重要的水源地，其水質(zhì)安全對(duì)周邊社會(huì)穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重要意義。目前，有關(guān)中型湖泊YC湖葉綠素a和相關(guān)環(huán)境因子的空間分布特征及相關(guān)性的研究還處于探索階段。本研究通過對(duì)2021年YC湖區(qū)水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析其各水質(zhì)因子的年內(nèi)變化趨勢(shì)，探究葉綠素a與相關(guān)環(huán)境因子的時(shí)空變化特征以及其響應(yīng)關(guān)系，為中小型淺水湖泊的治理提供參考。

1 材料與方法

1.1 監(jiān)測(cè)站點(diǎn)布設(shè)

湖體水域總面積為117.4 km2，分為西湖（26.89%）、中湖（29.03%）和東湖（44.08%），三湖之間彼此有河港、溇浜交聯(lián)。正常水位時(shí)，西湖平均水深約2.94 m，中湖約2.09 m，東湖約2.00 m。研究區(qū)西湖水深最大，面積最小。湖體有主要出入河道29條，其中北部和西部以入湖為主，東部和南部以出湖為主。共設(shè)置21個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)（圖1），編號(hào)依次為L1～L21。根據(jù)分區(qū)，設(shè)置點(diǎn)位西湖12個(gè)、中湖6個(gè)和東湖3個(gè)。

1.2 試驗(yàn)方法

于2021年每月對(duì)湖體進(jìn)行一次水樣采集調(diào)查。野外現(xiàn)場采樣時(shí)，用賽氏盤于船舷的背光一側(cè)測(cè)定水質(zhì)透明度（SD）；pH值、溶解氧含量（DO）和藻密度等水質(zhì)參數(shù)于現(xiàn)場采用Hydrolab多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀測(cè)定。同時(shí)用有機(jī)采水器采集表層、中層和底層的混合水樣，保溫箱保存帶回實(shí)驗(yàn)室分析水質(zhì)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用Whatman GF/F、GF/C玻璃纖維濾膜分別過濾一定體積的水樣，用于測(cè)定葉綠素a（Chl-a）含量。用原始水樣分析總氮（TN）、總磷（TP），各指標(biāo)具體測(cè)定方法參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》。根據(jù)《地表水資源質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程》（SL 395—2007）的相關(guān)規(guī)定，采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法對(duì)湖庫水質(zhì)營養(yǎng)化程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)項(xiàng)目包括高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、TP、TN、Chl-a、氨氮（NH3-N）和SD。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel軟件處理湖區(qū)21個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的逐月水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制葉綠素a與環(huán)境因子的時(shí)間變化特征圖；空間分布差異采用距平系數(shù)表征，以各參數(shù)的年平均值作為參比，分別計(jì)算湖區(qū)各部分水環(huán)境參數(shù)相對(duì)于年平均值的距平系數(shù)，并繪制湖區(qū)空間分異特征圖。采用SPSS 26.0標(biāo)準(zhǔn)化（Z-scoring）處理湖區(qū)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，用pearson相關(guān)性分析和回歸分析對(duì)湖體葉綠素a與環(huán)境因子進(jìn)行相關(guān)性和回歸分析，同時(shí)對(duì)葉綠素a與環(huán)境理化因子建立多元逐步回歸方程。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉綠素a與環(huán)境因子的時(shí)空變化特征

如圖2所示，葉綠素a濃度1—3月變化平穩(wěn)，4月急增達(dá)到小峰值（46.21 μg/L），7月再次出現(xiàn)峰值（46.96 μg/L），10—12月急劇下降，最低值出現(xiàn)在12月（5.80 μg/L），峰值與湖區(qū)歷年峰值相當(dāng)（11.60～42.30 μg/L）[11]。葉綠素a濃度整體變化趨勢(shì)為夏秋季較高，春冬季較低，夏秋溫度適宜，同時(shí)在營養(yǎng)鹽等條件適宜的情況下，藍(lán)藻密度開始增大，從而使葉綠素a濃度提高。

如圖3所示，葉綠素a的分布有明顯的季節(jié)性差異。從空間維度上看，西湖、中部和南部的距平系數(shù)大多為正值，東湖、中湖和北部的距平系數(shù)均為負(fù)值，且偏離平均值較大，分異絕對(duì)值最大為25.5%，分異特征明顯。西湖多為入湖河道，周圍較多入湖河道匯入，對(duì)西湖水質(zhì)造成一定負(fù)面影響；東湖大多為出湖河道，因此，中湖和東湖的水質(zhì)優(yōu)于西湖。對(duì)于東湖而言，中部的距平系數(shù)較大，其原因可能是東湖中部圍網(wǎng)養(yǎng)殖，導(dǎo)致各指標(biāo)數(shù)據(jù)均高于其他區(qū)域；對(duì)于中湖而言，從北至南，水質(zhì)逐漸優(yōu)化；對(duì)于西湖而言，南部的距平指數(shù)均大幅高于中部和北部，入湖河道水量大量流入西湖南部，致使該區(qū)域水質(zhì)較差。

如圖2所示，湖區(qū)TN含量從1月開始逐漸下降至9月（0.90 mg/L），達(dá)到谷值后大幅度上升，11月出現(xiàn)峰值（2.81 mg/L）。5—9月汛期總氮含量基本低于2.0 mg/L，明顯低于非汛期，其年內(nèi)變化趨勢(shì)與太湖總氮含量冬春季節(jié)偏高相似[8]。TN濃度春冬季較高，夏秋季較低，季節(jié)性變化明顯，可能是由于春季施肥，過剩的營養(yǎng)鹽會(huì)導(dǎo)致總氮含量上升，而夏秋季處于豐水期，會(huì)對(duì)營養(yǎng)鹽的濃度起到一定的稀釋作用[4]；此外，夏秋季溫度較高，藻類生長旺盛，藍(lán)藻具有一定的固氮作用，生長時(shí)會(huì)消耗一部分氮，使得氮含量下降。NH3-N含量有一定的波動(dòng)，但總體變化趨勢(shì)與TN基本一致。3—7月TP含量呈上升趨勢(shì)，7月急劇上升至0.172 mg/L，隨后逐漸下降，12月為0.070 mg/L。TP夏季出現(xiàn)峰值，夏秋季TP含量明顯高于春冬季，其原因可能是夏秋季水溫較高，水中的溶解氧濃度降低，致使河湖底泥和有機(jī)物中的磷溶出，同時(shí)厭氧菌加速沉積物中磷的釋放，沉積物內(nèi)源負(fù)荷增加，使得TP含量上升[12]。營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)與TP的變化趨勢(shì)基本一致，夏秋高于春冬，8月達(dá)到峰值（59.6）。CODMn無明顯的季節(jié)性差異，多數(shù)月份在4 mg/L左右波動(dòng)。在空間上，西湖TN、NH3-N和TP等參數(shù)距平系數(shù)為正值，東湖和中湖等參數(shù)的距平系數(shù)為負(fù)值，空間分異特征明顯。

東湖和中湖水質(zhì)明顯優(yōu)于西湖，其原因主要是地理位置關(guān)系和周圍河道入湖流量，周圍河道對(duì)西湖水質(zhì)的影響較東湖和中湖大。西湖多為入湖河道，外源性污染源（如N、P）會(huì)直接影響西湖的TN、NH3-N和TP[2-3]，導(dǎo)致其各項(xiàng)指標(biāo)均高于東湖和中湖，與太湖湖西區(qū)受入湖河流影響相似[13]。東湖多為出湖河道，且水源地位于東南部，為保護(hù)水源水質(zhì)，制定了相關(guān)水源水質(zhì)保護(hù)條例。總體而言，湖體從北向南，從西向東，水質(zhì)逐漸趨好。

2.2 葉綠素a與環(huán)境因子的響應(yīng)關(guān)系

葉綠素a與環(huán)境因子的線性關(guān)系如圖4所示，Chl-a與各水質(zhì)因子的相關(guān)性矩陣如表1所示。Chl-a和T之間呈正相關(guān)（P<0.01），其主要原因是在一定溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的上升，藻類的生長和繁殖加速，最終導(dǎo)致水體中Chl-a的濃度增加。因此，河流湖泊中藻類的暴發(fā)多數(shù)發(fā)生在水溫較高的時(shí)期。藻類生長最合適的水溫范圍為20～30 ℃，在此溫度范圍藻類的生長得到促進(jìn)，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致夏季藍(lán)藻水華暴發(fā)。研究區(qū)湖體水溫常年保持在5 ℃以上，4—9月基本在20 ℃以上，7月達(dá)到最高水溫（31.3 ℃），長期處于有利于藍(lán)藻生長的水溫條件。Chl-a和TP之間呈正相關(guān)（P<0.01），TP含量上升，Chl-a濃度也會(huì)有一定幅度的上升。Chl-a濃度受P元素的限制[9]，當(dāng)P元素輸入增加時(shí)，水體中初級(jí)生產(chǎn)力提高，從而促進(jìn)藻類的生長和繁殖，Chl-a濃度隨之上升。Chl-a和CODMn之間呈正相關(guān)（P<0.01）。CODMn能夠反映水體有機(jī)物污染情況，此類有機(jī)物極易被氧化分解釋放N、P營養(yǎng)鹽，通過促進(jìn)藻類的生長，間接增加水體中葉綠素a的含量[12]。通過擬合結(jié)果可以了解到Chl-a濃度在一定程度上隨著CODMn的增加而增加。Chl-a和pH之間呈正相關(guān)（P<0.01）。研究表明，水體的pH值與藻類的生長關(guān)系緊密，當(dāng)藻類生長較旺盛時(shí)，意味著其光合作用強(qiáng)度較大，水中CO2的水解與電離平衡系統(tǒng)受到一定程度的影響[14]，pH值會(huì)隨著藻類的生長逐漸上升，但當(dāng)pH值達(dá)到一定極值時(shí)，將負(fù)反饋?zhàn)饔糜谠孱惖纳L，成為抑制條件[15]。當(dāng)水體中pH值在正常范圍（7.5～8.5）內(nèi)時(shí)，pH不會(huì)成為影響Chl-a濃度變化的主要因子。

Chl-a和SD之間呈負(fù)相關(guān)（P<0.01）。水體懸浮物的含量尤其是浮游植物對(duì)SD的影響較大，因此水體SD會(huì)影響水中浮游植物的光合作用，其值大小能夠反映水質(zhì)的清潔程度[6]。Chl-a與水體浮游植物生物量呈正相關(guān)，Chl-a含量高說明水體中藻類數(shù)量多，以藍(lán)藻、綠藻為主，大量藻類平鋪在水體表面，影響光線透過水體的程度，導(dǎo)致水體的透明度降低。Chl-a和TN之間呈負(fù)相關(guān)（P<0.05），其可能的原因是藻類在生長和繁殖時(shí)會(huì)大量消耗氮源，外部氮源的供給低于藻類的消耗，使得水體中的總氮濃度下降[7]。Chl-a與DO、NH3-N之間無明顯相關(guān)關(guān)系。水溫是影響Chl-a含量的關(guān)鍵因子，而pH、SD和DO等是影響Chl-a含量的被動(dòng)因子（圖4）。

選取湖區(qū)水質(zhì)因子數(shù)據(jù)進(jìn)行多元逐步回歸，各相關(guān)水質(zhì)因子與Chl-a建立多元逐步回歸方程（表2），在篩選和剔除條件的前提下，得到逐步回歸方程為Chl-a=-0.039+0.010×CODMn+0.106×TP+0.001×T（P<0.01）。可以看出，影響Chl-a濃度的主要因子為CODMn、TP和T。除營養(yǎng)物質(zhì)外，T對(duì)Chl-a濃度的影響較大，說明藻類數(shù)量主要受溫度變化的調(diào)控，反映出水溫、透明度等環(huán)境因素對(duì)葉綠素濃度有較強(qiáng)的影響。

3 結(jié)論

（1）在時(shí)間上，湖體全年水質(zhì)指標(biāo)Chl-a、TN、TP和營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)有明顯的季節(jié)性差異。在溫度、營養(yǎng)鹽等條件的影響下，湖體夏秋季Chl-a、TP和營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)值較高，而TN濃度則相反，春冬季較高。

（2）在空間上，湖體Chl-a、TN、NH3-N、TP和營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)均有明顯的空間差異。由于地理位置關(guān)系和周圍入湖河道對(duì)西湖的影響遠(yuǎn)大于東湖和中湖，外源性污染源（如N、P）對(duì)西湖的TN、NH3-N和TP造成直接的影響，使其各指標(biāo)值均高于東湖和中湖?？傮w來看，湖體從北向南，從西向東，水質(zhì)逐漸趨好。

（3）Chl-a與環(huán)境因子的相關(guān)性分析表明，Chl-a濃度與T、TP、CODMn和pH呈正相關(guān)（P<0.01），與SD呈負(fù)相關(guān)（P<0.01），T、TP和CODMn為影響葉綠素a濃度的主動(dòng)因子，pH、SD和DO為被動(dòng)因子。

（4）Chl-a與環(huán)境因子的逐步回歸分析表明，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位葉綠素a濃度主要與CODMn、TP和T這3個(gè)因子密切相關(guān)，均表現(xiàn)為正相關(guān)。其中，水溫是影響水中浮游植物生長的重要限制因子，適宜的營養(yǎng)物質(zhì)是藍(lán)藻暴發(fā)的前提條件。

綜上，本研究通過對(duì)YC湖區(qū)水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析其各水質(zhì)因子的年內(nèi)變化趨勢(shì)，探究了葉綠素a與相關(guān)環(huán)境因子的時(shí)空變化特征以及其響應(yīng)關(guān)系，為中小型淺水湖庫的治理提供參考。

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