瑤湖水體葉綠素a的時空分布及其與環境因子的關系

摘要：根據2010年5月至2011年4月期間江西瑤湖水質監測指標的分析數據，利用Q型聚類分析的方法將9個監測點分成兩類區域，在此基礎上探討了水體中葉綠素a的時空分布規律。結果表明，全湖葉綠素a含量的年平均值為25.82 mg/m3，各監測點的變幅為1.59～142.68 mg/m3；在時間上，水體中葉綠素a含量總體上呈現春、夏和秋季持續升高，冬季降低的趨勢；在空間上，水體中葉綠素a含量存在顯著性差異，其隨著營養鹽含量的減少而不斷降低。采用Pearson指數分析的方法進一步考察了水體中葉綠素a與環境因子之間的相關性，研究顯示，水體中葉綠素a與水溫（或溶解氧）、營養鹽（總磷、亞硝酸鹽氮、氨氮）和pH具有較高的正相關，而與透明度具有較高的負相關。

關鍵詞：葉綠素a；時空分布；環境因子；相關性；瑤湖

中圖分類號：Q178；X171.1 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）17-4069-04

Temporal and Spatial Distribution of Chlorophyll-a in Yao Lake and

Its Correlation with Environmental Factors

JIANG Li-wen，LIN Tun，CHEN Yang，WANG Ya

（School of Civil Engineering and Architecture， East China Jiaotong University， Nanchang 330013， China）

Abstract： According to the analysis on water quality monitoring indexes data of Yao lake in Jiangxi from May 2010 to April 2011， the nine monitoring sites were classified into two kinds of areas using Q-type analysis method， based on which the temporal and spatial distribution rules of chlorophyll-a were investigated. The results showed that the annual average content of chlorophyll-a was 25.82 mg/m3； and the variation range in the monitoring sites were 1.59～142.68 mg/m3. From the view of temporal distribution，on the whole， chlorophyll-a content increased continuously in spring，summer and autumn， and reduced in winter. Chlorophyll-a content was significantly different in different sites； and it decreased continuously with the decrease of nutrient content. The correlation between chlorophyll-a content and environmental factors was analyzed using Pearson index method. There was high positive correlations between chlorophyll-a content and water temperature （or dissolved oxygen）， nutrient （total phosphorus， nitrite nitrogen， ammonia nitrogen）， pH； while high negative correlation between chlorophyll-a content and transparency.

Key words： chlorophyll-a； temporal and spatial distribution； environmental factors； correlation； Yao lake

收稿日期：2012-10-29

基金項目：國家水體污染控制與治理重大專項（2009ZX07106-001）

作者簡介： 江立文（1968-），男，江西都昌人，教授，主要從事水環境污染控制研究，（電話）13803503926（電子信箱）jianglw@ecjtu.jx.cn。

瑤湖位于長江中下游江西省南昌市的東部，是集水產養殖和水上娛樂為一體的封閉型城市淺水湖泊。湖面呈長方形，自南向北分為上瑤湖、中瑤湖、下瑤湖，水面面積15.86 km2，平均水深近2 m[1]。浮游植物在湖泊生態系統的物質循環和能量轉化過程中起著重要的作用，而水體葉綠素a是評價浮游植物含量高低的重要指標[2]。國內外學者利用湖泊（水庫）水體環境因子的監測數據對湖泊水體葉綠素a與環境因子之間的關系進行了大量的研究[3-9]。

本研究采用2010年5月至2011年4月期間水質監測指標的月監測數據，以水質監測指標的年均值為變量，運用Q型聚類分析方法將全湖9個數據監測點從空間上進行了分類，在此基礎上，利用月監測數據水質指標的月平均值和監測點水質指標的年平均值探討了葉綠素a時間和空間的變化規律，并采用Pearson指數分析的方法進一步分析了水體葉綠素a與環境因子之間的相關性，以期為瑤湖的環境管理和污染防治提供理論依據。

1 研究方法

1.1 監測點布設與數據監測

監測點設在瑤湖，全湖布設9個數據監測點[1]，監測點布設圖和監測點所處經緯度分別見圖1和表1。2010年5月至2011年4月，對全湖9個監測點進行了為期1年每月1次的水質指標監測和分析工作。分析水樣的采集為監測點水面下0.5 m處，采集的分析水樣按要求進行樣品的預處理后置于4 ℃恒溫箱中保存，并于當日分析完畢。

1.2 水質監測指標與分析方法

水質監測指標包括葉綠素a（Chl.a）、水溫（Tw）、pH、溶解氧（DO）、塞氏透明度（SD）、高錳酸鹽指數（CODMn）、總磷（TP）、總氮（TN）、硝酸鹽氮（NO3--N）、亞硝酸鹽氮（NO2--N）、氨氮（NH4+-N）。監測項目的分析方法采用文獻[10]的方法。

1.3 數據處理方法

利用PASW Statistics 18.0軟件中的Q型聚類分析方法對湖區監測點進行分類；利用該軟件中的Pearson指數分析方法對葉綠素a和環境因子的相關系數進行計算分析。

2 結果與分析

2.1 監測點的聚類分析

以“1.2”中的11項水質監測指標的年平均值為變量，以歐式平方距離為度量，采用組間連接的方式對全湖9個監測點進行Q型聚類。監測點聚類分析樹形圖見圖2。從圖2可以看出，當距離系數為20時，可以將全湖9個監測點分為兩類，第一類（A區）包括1、2、3、4、5號監測點，其中1、2、3號監測點處于下瑤湖，4號和5號監測點處于中瑤湖；第二類（B區）包括6、7、8、9號監測點，這4個監測點均處于上瑤湖。A區的營養鹽主要來自于周圍農田的面源；B區的營養鹽主要來自于周圍的點源，其中6、7、8號監測點是高校園區生活污水、氨廠工業廢水等的排放點和水產養殖基地，且6號監測點處是污水的主要排放點，9號監測點處建有國際水上運動中心。

2.2 水體Chl.a的時間和空間分布

在水質監測期間共監測分析了83個樣本，全湖Chl.a含量的年平均值為25.82 mg/m3，各個監測點Chl.a含量在全年的變幅為1.59～142.68 mg/m3。Chl.a含量月平均值的時間分布規律見圖3，年平均值的空間分布規律見圖4，對各監測點Chl.a含量進行單因素方差分析，結果表明各監測點之間Chl.a含量存在顯著差異（P<0.05）。

從圖3可以看出，在時間分布上，全湖Chl.a含量隨季節的變化比較明顯，在夏、秋季時，Chl.a含量呈明顯的上升趨勢，10月達到最大值，為57.76 mg/m3；在冬季時，Chl.a含量顯著減少，到次年春季時，Chl.a含量又開始增加，這種分布規律與李培培等[6]在千島湖和翁笑艷[11]在山仔水庫中得出的分析結果相似。說明全湖Chl.a含量總體上呈現春、夏和秋季持續升高，冬季降低的趨勢。由于在冬季時水體平均水溫全年期間最低，不利于或抑制了水體中浮游植物的生長繁殖，因此Chl.a含量顯著減少并在12月降到最低，為6.35 mg/m3；在春、夏季時，水體水溫逐步回升、光強度增強、雨量增多導致水體流入外源性面源營養物質的增加，促使水體浮游植物大量生長繁殖，因此Chl.a含量上升；在秋季時，盡管光照度較夏季開始減弱，但秋季適宜的光照度更有利于水體浮游植物的光合作用[6]，另外魚類餌料被大量投放到水體中，水體中N、P等營養物質急劇增多有助于水體浮游植物的生長繁殖，因此在秋季時Chl.a含量上升至最高。

從圖4可以看出，在空間分布上，總體上A區Chl.a含量比B區Chl.a含量低，并以6號監測點處Chl.a含量最高，為54.02 mg/m3。由“2.1”可知，與A區相比，B區輸入的外源性營養物質較多，有利于水體浮游植物的生長繁殖，從而使B區Chl.a含量比A區Chl.a含量總體上要高；由于水體的擴散和自凈作用，水體中浮游植物賴以生長的營養鹽以6號監測點處為分界點分別向南北方向不斷減少，從而導致水體中浮游植物減少，Chl.a含量降低。

2.3 水體Chl.a含量與環境因子的相關性

采用Pearson指數分析的方法，分別對A區、B區和全湖的水體Chl.a含量和環境因子之間的相關系數進行數學回歸分析，各類區域的水體Chl.a含量與環境因子的相關系數見表2。從表2可以看出，A區Chl.a含量與Tw、pH、CODMn、NO2--N、NH4+-N、TP呈極顯著正相關，與SD呈極顯著負相關；B區Chl.a含量與pH、DO、NO2--N呈極顯著正相關；全湖平均Chl.a含量與pH、DO、CODMn、NO2--N、NH4+-N、TP呈極顯著正相關，與SD呈極顯著負相關。總的來說，Chl.a含量與DO（或Tw）、SD、pH、營養鹽（NO2--N、NH4+-N、TP）具有較高的相關性，說明水體Chl.a含量受這些水質監測指標的影響較大。

2.3.1 Tw和DO對Chl.a含量的影響 Tw是影響水體浮游植物光合作用和呼吸代謝速率的重要因素，對水體浮游植物的生長具有促進作用[7]。一方面，Tw與水體中的DO含量關系密切，一般來說，Tw越高水體中DO含量就越低；另一方面，DO是浮游植物繁殖的一個重要條件，也是浮游植物代謝過程中的一個重要的能源物質[12]，水體中Chl.a含量越高代表著水體中浮游植物的數量就越多，在光合作用過程中浮游植物能釋放出更多的氧分子，從而提高水體中的DO。因此水體Chl.a含量與Tw（或DO）呈顯著正相關，然而也有研究表明，水體中Chl.a含量與DO的相關性并不顯著[4，7]。

2.3.2 SD對Chl.a含量的影響 SD與水體中懸浮植物含量之間的關系十分密切。一般情況下，水體中懸浮物含量越多其透明度就越低。水體中Chl.a含量間接表示了水體中藻類數量的大小，隨著水體中藻類數量增多，水體的透光性就減弱，其SD就會減小，因此水體Chl.a含量與SD呈負相關。

2.3.3 pH對Chl.a含量的影響 pH與浮游植物的生長密切相關。研究表明，在堿性環境下有利于藻類進行光合作用，有助于藻類捕獲大氣中的CO2，從而能夠獲得更高的生產力[12]。本研究水體的pH均值為7.94，屬于偏堿性，說明pH對水體Chl.a含量影響較大。因此水體Chl.a含量與pH呈極顯著正相關。

2.3.4 營養鹽對Chl.a含量的影響 營養鹽是水體浮游植物生長所必需的元素，營養鹽含量的變化是影響浮游植物光合作用的重要因素[12]。國際經合組織（OECD）通過對北歐264次水體試驗發現，水體P為惟一的主導因子占80%，N為惟一的主導因子占11%，P和N共同作用的主導因子占9%[13]。研究表明，N與P的比值（N/P）與藻類的生長繁殖有著更直接的關系，藻類正常代謝所需的N/P為7，當N/P>7時，P可能是限制性營養鹽；當N/P<7時，N可能是限制性營養鹽[14]。瑤湖全湖TN的年平均值為1.26 mg/L，TP的年平均值為0.13 mg/L，TN/TP為9.69，表明TP可能是限制性營養鹽。因此在本研究中全湖水體Chl.a含量與TP呈極顯著正相關，而與TN相關性不顯著。

從表2可以看出， A區、B區和全湖水體Chl.a含量與NO2--N呈極顯著正相關，A區和全湖水體Chl.a含量與NH4+-N呈極顯著正相關。這是因為水體中的浮游植物需要利用NO3--N、NO2--N或NH4+-N在光合作用下合成細胞所需要的氨基酸等物質，其結果說明水體中的浮游植物更傾向于利用NO2--N或NH4+-N合成細胞所需要的物質。

與A區和全湖區相比，B區水體中Chl.a含量與TP、SD和CODMn沒有顯著相關性。因為水體營養鹽含量（上行效應）和藻食生物（主要是浮游動物和鰱、鳙等藻食魚類）的多少（下行效應）是影響藻類數量變動的重要因素[6]。由“2.1”可知，B區是水產養殖基地，B區投放的大量藻食魚類對藻類的濾食改變了水體中Chl.a含量，說明在B區中浮游植物的數量即水體Chl.a含量可能是受下行效應控制的，即受藻食生物控制的，從而產生了此種差異性。

3 結論

根據水質監測指標，利用Q型聚類分析的方法將全湖分為A區和B區，全湖分區的結果主要由所分區中監測點周邊外源營養物質的含量決定。

水體中Chl.a含量具有明顯的時間和空間分布規律。在時間上，水體中Chl.a含量總體上呈現春、夏和秋季持續升高，冬季降低的趨勢；在空間上，各監測點水體中Chl.a含量存在顯著差異（P<0.05），在水體的擴散和自凈作用下，水體中Chl.a含量隨著營養鹽含量的減少而不斷降低。水體中Chl.a含量與多個環境因子之間具有極顯著的相關性，其與Tw（或DO）、營養鹽（TP、NO2-N、NH4-N）和pH具有較高的正相關，而與SD具有較高的負相關。當水體中存在藻食生物時，可能改變水體中Chl.a與TP、SD之間的相關性。

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（責任編輯 呂海霞）