洞庭湖水體葉綠素a時空分布及與環境因子的相關性

張光貴

湖南省洞庭湖生態環境監測中心，湖南 岳陽 414000

洞庭湖水體葉綠素a時空分布及與環境因子的相關性

張光貴

湖南省洞庭湖生態環境監測中心，湖南 岳陽 414000

葉綠素a；時空分布；環境因子；相關性；洞庭湖

湖泊的富營養化問題是當前我國乃至全世界面臨的最主要的水環境問題之一。盡管目前洞庭湖水體富營養化程度較輕，但受流域社會經濟發展等因素的綜合影響，洞庭湖氮、磷污染突出，水質出現惡化，富營養化趨勢加劇[1-2]。葉綠素是浮游植物的重要成分，其中葉綠素a(chla)是所有浮游植物門類都含有的葉綠素類型。chla不僅作為水體營養化狀態劃分的重要指標[3]，而且可用于表征浮游植物的現存量[4]。因此，chla是湖泊富營養化調查的一個重要參數，并且在水體富營養狀態評價中起關鍵作用[5]。開展chla的監測，了解chla的時空變化特征，對于了解洞庭湖水質和富營養化現狀及演變趨勢具有重大意義。

關于湖泊水體Chla的分布及其與環境因子的相關性研究已有大量報道[6-14]，然而，關于洞庭湖水體chla的分布及其與環境因子的相關性研究較為少見。目前雖有黃代中等[1]對洞庭湖水體chla質量濃度的季節變化及其與環境因子的相關性進行了初步研究，但未對洞庭湖水體chla質量濃度的空間變化進行研究，且僅對chla質量濃度與少數環境因子的相關性進行了分析。本研究在全湖范圍內進行chla的調查分析，通過2013年6月至2014年5月在洞庭湖11個斷面進行12次野外定點水質監測，分析了全湖chla質量濃度的時空分布特征，探討了chla質量濃度與不同環境因子的相關關系，以期為洞庭湖生態環境保護以及水體富營養化防控提供參考和依據。

1 實驗部分

1.1 洞庭湖概況

洞庭湖位于湖南省北部、長江中游荊江南岸，北接長江松滋、太平、藕池三口，南納湘、資、沅、澧四水，經城陵磯匯入長江，湖體呈近似“U”字形，總流域面積25.72萬km2，集水面積104萬km2，水位33.50 m時(岳陽站，黃海基面)，湖長143.00 km，最大湖寬30.00 km，平均湖寬17.01 km，湖泊面積2 625 km2，最大水深23.5 m，平均水深6.39 m，相應蓄水量167億m3，是我國第二大淡水湖。受泥沙淤積、筑堤建垸等自然和人類活動的影響，洞庭湖現已明顯地分化為西洞庭湖、南洞庭湖和東洞庭湖3個不同的湖泊水域。洞庭湖為典型的過水性洪道型湖泊[15]，兼具河流與湖泊雙重屬性[16]。

1.2 研究方法

1.2.1 監測斷面布設與采樣方法

本研究監測斷面設置與洞庭湖水質常規監測相同，全湖共設11個監測斷面(圖1)：西洞庭湖區3 個，分別是南嘴(S1)、蔣家嘴(S2)和小河嘴(S3)；南洞庭湖區3個，分別是萬子湖(S4)、橫嶺湖(S5)和虞公廟(S6)；東洞庭湖區5個，分別是鹿角(S7)、君山(S8)、扁山(S9)、岳陽樓(S10)和洞庭湖出口(S11)。每個斷面設左、中、右3條垂線，采集表層(0.5 m)水樣，采樣時間為每月上旬。水溫、pH、溶解氧(DO)、電導率和透明度均在現場測定，其中水溫、pH、DO和電導率用美國YSI Professional Plus 多參數水質分析儀測定，透明度用塞氏圓盤法測定。

1.2.2 樣品分析方法

1.3 數據分析與統計

采用Microsoft Office Excel 2007和IBM SPSS 19.0對數據進行統計處理和分析。相關性用Pearson相關系數表示，差異性比較用單因素方差分析，并建立chla質量濃度與主要環境因子的回歸方程。春季為3—5月；夏季為6—8月；秋季為9—11月；冬季為12月至次年2月。

圖1 洞庭湖水質監測斷面示意圖

2 結果與分析

2.1 水體chla的時空分布

2013年6月至2014年5月，洞庭湖水體chla質量濃度為0.11～8.62 mg/m3，年均值為(1.89±1.23)mg/m3，低于黃代中等[1]的研究結果[(2.36±3.18) mg/m3]，變異系數0.65。

各湖區chla質量濃度的年內變化比較明顯，7—11月處于較高水平，其中7—8月出現峰值，總體呈現夏季>秋季>冬季>春季的規律(圖2)。單因素方差分析結果顯示，夏季與秋季以及冬季與春季之間chla質量濃度無顯著性差異(P>0.05)，而夏、秋季與冬、春季之間chla質量濃度有顯著性差異(P<0.05)，表明夏、秋季chla質量濃度明顯大于冬、春季。

在空間分布上，洞庭湖水體chla質量濃度呈現的規律為西洞庭湖>東洞庭湖>南洞庭湖(圖2、表1)。單因素方差分析結果顯示，西洞庭湖與東洞庭湖之間chla質量濃度無顯著性差異(P>0.05)，而南洞庭湖與西洞庭湖和東洞庭湖之間chla質量濃度有顯著性差異(P<0.05)，表明西洞庭湖和東洞庭湖chla質量濃度明顯大于南洞庭湖。

圖2 洞庭湖水體chla質量濃度的時空變化

表1 洞庭湖chla監測結果統計

分區范圍/(mg·m-3)平均值/(mg·m-3)標準偏差/(mg·m-3)變異系數全湖0.11～8.621.891.230.65西洞庭湖0.15～8.622.041.500.74南洞庭湖0.11～3.791.580.920.58東洞庭湖0.15～5.301.991.180.59

2.2 水體環境因子特征

2.3 水體chla質量濃度與環境因子的相關性

表2 洞庭湖水體chla與環境因子的相關系數

注：“**”表示在0.01水平(雙側)上顯著相關；“*”表示在0.05 水平(雙側)上顯著相關；n=396(全年的樣品數)。

2.3.1 chla與理化因子的相關分析

2.3.1.1 chla與水溫的相關關系

水溫通過對浮游植物光合作用與呼吸代謝速率的控制而影響chla質量濃度。洞庭湖水體chla質量濃度與水溫的相關分析[圖3(a)]表明，chla質量濃度與水溫呈較明顯的正相關性，相關系數為0.412，說明隨著水溫的上升，浮游植物的生長速度也加快，水溫對浮游植物的生長具有一定的促進作用。

2.3.1.2 chla與DO的相關關系

洞庭湖水體chla質量濃度與DO的相關分析[圖3(b)]顯示，chla質量濃度與DO呈較明顯的負相關性，相關系數為-0.415。藻類的作用主要是將細菌及其他光合作用有機體在生活過程中放出的二氧化碳加以吸收，通過光合作用，釋放出動物和其他非光合有機體所需的氧氣[18]，所以理論上說，chla質量濃度越高，所釋放出的氧氣越多，從而使得水體DO水平增加。本研究中，DO與水溫呈極顯著負相關(P<0.01)，其相關系數的絕對值高達0.835，由于洞庭湖水體chla質量濃度較低，在一定條件下，DO主要是受溫度控制，而與chla質量濃度之間的關系不明顯[19]。

圖3 chla與水溫、DO、電導率、COD的相關關系

2.3.1.3 chla與電導率的相關關系

電導率反映了湖泊離子總量和離子種類的狀況，代表了湖水中離子活動的程度[8]。洞庭湖水體chla質量濃度與電導率的相關分析[圖3(c)]顯示，chla質量濃度與電導率呈較明顯的正相關性，相關系數為0.273，說明chla質量濃度與電導率關系密切。本研究中，電導率與水溫和TP呈極顯著正相關(P<0.01)，表明隨著水溫升高以及營養鹽成分的增加，電導率升高，浮游植物的生長速度加快，進而增加chla質量濃度。

2.3.1.4 chla與COD的相關關系

洞庭湖水體chla質量濃度與COD的相關分析[圖3(d)]表明，chla質量濃度與COD呈較明顯的正相關性，相關系數為0.178，說明有機物的存在有利于藻類的生長。由于浮游植物的光合作用會生成大量的有機體，從而使水體COD升高，可見COD是chla質量濃度變動的被動因子，同時說明有機物不是浮游植物生長的制約因素。

2.3.2 chla與營養鹽的相關分析

營養鹽是水體浮游植物生長必不可少的因素，營養鹽的質量濃度變化可以影響浮游植物的數量，因而浮游植物的生長狀況是營養鹽質量濃度變動的主要條件。作為浮游植物體內主要成分的chla，與營養鹽的關系較為復雜。有研究者對營養鹽與chla質量濃度動態變化的相互關系進行了大量研究[20]，結果表明，磷為唯一主導因子的占80%，氮為唯一主導因子的占11%，其余9%的水體為氮磷共同起作用。大量研究表明，chla與氮磷等營養鹽有正負顯著相關或無顯著相關的結論都存在。

3 討論

洞庭湖水體chla質量濃度明顯低于國內主要大型湖泊太湖[7][(22.33±37.65) mg/m3]、巢湖西半湖[11](20.12～77.87 mg/m3)、洪澤湖[8](15.48 mg/m3)和滇池[10][22.56±12.69) mg/m3]，與鄱陽湖[9](0.79～3.06 mg/m3)相當。對照美國環保局(USEPA)對營養狀態的chla劃分標準[9](chla質量濃度大于10 mg/m3為富營養；4～10 mg/m3為中營養；小于4 mg/m3為貧營養)，洞庭湖水體為貧營養。在氮、磷濃度較高的背景下，洞庭湖水體chla質量濃度低主要是由于洞庭湖為一過水性洪道型湖泊，年徑流量大，水體交換快，泥沙含量高，營養物質來不及被藻類充分利用就被水流帶走，同時，高含量的泥沙阻礙水體藻類的光合作用[23]。

洞庭湖水體chla質量濃度的時間分布主要與洞庭湖區氣候特征以及營養物質的來源有關。洞庭湖區屬亞熱帶濕潤氣候，光照與降雨導致的入湖徑流季節性變化顯著，汛期(4—9月)多年平均入湖徑流量占全年徑流總量的74.6%，以夏季溫度最高，光照最強，入湖徑流最多[24]。研究表明[25-26]，洞庭湖水體氮、磷等營養物質主要來自長江三口和湘、資、沅、澧四水等入湖河流。在洞庭湖區，夏、秋季節與汛期基本吻合，此時洞庭湖水體水溫高，光照強，流域降雨增多，導致外源性面源營養物質增加，促使水體浮游植物大量繁殖，chla質量濃度增加；而冬、春季節水溫低，光照弱，流域降雨導致的外源性面源營養物質減少，浮游植物光合作用減弱，chla質量濃度降低，冬季chla質量濃度稍高于春季可能緣于秋季營養鹽輸入的滯后效應。此外，洞庭湖水體chla質量濃度的時間分布還與其年內水文、水動力學條件變化有關。洞庭湖洪水期與枯水期水情懸殊，水位變幅大，具有“洪水一大片，枯水幾條線”和“高水湖相，低水河相”的特點[24]。汛期，洞庭湖水位高、水面比降小、流速慢，氮、磷等營養物質滯留時間長，有利于浮游植物的吸收，而非汛期，洞庭湖水位低、水面比降大、流速快，氮、磷等營養物質不能被浮游植物充分吸收。

洞庭湖水體chla質量濃度的空間分布與TP濃度的空間分布(表3)相似，即西洞庭湖和東洞庭湖大于南洞庭湖，而與TN濃度的空間分布(表3)不同，表明TP濃度的高低是影響chla質量濃度空間分布的主要因素。研究表明[27]，每年入湖的大量泥沙是洞庭湖水體TP的重要來源，西洞庭湖是湖區長江三口和澧水等含沙量較高入湖河流的直接受納水體，而東洞庭湖則是西洞庭湖、南洞庭湖和含沙量較高的藕池東支河的匯聚地，致使西洞庭湖和東洞庭湖水體TP濃度高。

表3 洞庭湖水體chla質量濃度與TN、TP濃度的空間變化

營養鹽對浮游植物生長的限制作用包括2個方面: 一是營養鹽絕對濃度對浮游植物的影響，通過絕對濃度判斷的限制因子指營養鹽的絕對濃度低于限制浮游植物生長的閾值，限制了浮游植物的生長；二是營養鹽的相對濃度比對浮游植物生長的影響，通過相對比值判斷的限制因子只表明此營養鹽將首先被消耗到低值，但不一定是此營養鹽低于限制浮游植物生長的閾值，可能此營養鹽高于閾值仍滿足浮游植物生長的需要[7]。由于洞庭湖水體TN和TP質量濃度較高，遠大于公認的水體富營養化閾值[28](氮質量濃度0.2 mg/L，磷質量濃度0.02 mg/L)，為浮游植物的生長提供了充分的營養物質條件，因此營養鹽對洞庭湖浮游植物生長的限制作用主要體現為營養鹽相對濃度比對浮游植物生長的影響。研究表明，氮磷比與藻類的生長有更直接的關系，一般情況下，如果TN/TP低于9，那么氮就可能是限制性營養鹽；如果TN/TP高于21，那么磷就可能是限制性營養鹽[29]。在本研究中，洞庭湖TN/TP的年平均值為28.5，chla質量濃度與TN/TP呈極顯著負相關(P<0.01)。綜合考慮，磷相對缺乏，從而成為洞庭湖水體浮游植物增長的限制性營養鹽，與上述理論一致。此結果與淡水水體中浮游植物的生長主要受磷限制的一般結論[30]相符，而與李利強等[31]的研究結果(氮為洞庭湖水體浮游植物增長的限制性營養鹽)不同。

4 結論

1) 洞庭湖水體chla質量濃度為0.11～8.62 mg/m3，年均值為(1.89±1.23)mg/m3，指示洞庭湖水體處于貧營養狀態。

2)洞庭湖水體chla質量濃度的時空分布差異較為明顯，在時間上，總體呈現夏、秋季明顯大于冬、春季的規律；在空間上，總體表現為西洞庭湖和東洞庭湖明顯大于南洞庭湖。

4)全湖TN/TP的年均值為28.5，磷可能是洞庭湖水體限制性營養鹽。

[1] 黃代中, 萬群, 李利強, 等. 洞庭湖20年水質與富營養化狀態變化[J]. 環境科學研究, 2013, 26(1):27-33.

[2] 鐃建平, 易敏, 符哲, 等. 洞庭湖水質變化趨勢的研究[J]. 岳陽職業技術學院學報, 2011, 26(3): 53-57.

[3] LIU X, LU X H, CHEN Y W. The effects of temperature and nutrient ratios on Microcystis blooms in Lake Taihu, China: An 11-year investigation[J]. Harmful Algae, 2011, 10(3): 337-343.

[4] 張紅, 黃勇, 李堃. 湖面亮溫對巢湖水華影響的遙感監測分析[J]. 環境科學, 2012, 33(10): 3 323-3 328.

[5] LIU Y M, CHEN W, LI D H, et al. First report of aphantoxins in China-waterblooms of toxigenic Aphanizomenon flos-aquae in Lake Dianchi[J]. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2006, 65(1): 84-92.

[6] 鄧河霞, 夏品華, 林陶, 等. 貴州高原紅楓湖水庫葉綠素a濃度的時空分布及其與環境因子關系[J]. 農業環境科學學報, 2011, 30(8): 1 630-1 637.

[7] 王震, 鄒華, 楊桂軍, 等. 太湖葉綠素a的時空分布特征及其與環境因子的相關關系[J]. 湖泊科學, 2014, 26(4): 567-575.

[8] 李為, 都雪, 林明利, 等. 基于PCA和SOM網絡的洪澤湖水質時空變化特征分析[J]. 長江流域資源與環境, 2013, 22(12): 1 593-1 601.

[9] 區銘亮, 周文斌, 胡春華. 鄱陽湖葉綠素a空間分布及與氮、磷質量濃度關系[J]. 西北農業學報, 2012, 21(6): 162-166.

[10] 陳永川, 湯利, 張德剛, 等. 滇池葉綠素a的時空變化及水體磷對藻類生長的影響[J]. 農業環境科學學報, 2008, 27(4): 1 555-1 560.

[11] 李堃, 肖莆. 巢湖葉綠素a濃度的時空分布及其與氮、磷濃度關系[J]. 生物學雜志, 2011, 28(1): 53-56.

[12] 阮曉紅, 石曉丹, 趙振華, 等. 蘇州平原河網區淺水湖泊葉綠素a與環境因子的相關關系[J]. 湖泊科學, 2008, 20(5): 556-562.

[13] ROMO S, VAN Donk E, GYLSTRA R, et al. A multivariate analysis of phytoplankton and food web changes in a shallow biomanipulated lake[J]. Freshwater Biology, 1996, 36: 683-696.

[14] JUAN C C, ROSARIO J E, ANTONIO P B. Numerical analysis of hydrogeochemical data: A case study[J]. Appl Geochem, 2000, 15: 1 053-1 067.

[15] 李有志, 劉芬, 張燦明. 洞庭湖濕地水環境變化趨勢及成因分析[J]. 生態環境學報, 2011, 20(8/9): 1 295-1 300.

[16] 張敏, 張偉軍. 洞庭湖水質狀況分析與水環境保護研究[J]. 長江工程職業技術學院學報, 2011, 28(4): 16-18, 23.

[17] 國家環境保護總局《水和廢水監測分析方法》編委會. 水和廢水監測分析方法(第四版增補版)[M]. 北京: 中國環境科學出版社, 2002: 670-671.

[18] 林碧琴, 謝淑琦. 水生藻類與水體污染監測[M]. 沈陽: 遼寧大學出版社, 1988: 2-3.

[19] 王琳, 王德龍, 崔桂賢. 引灤水葉綠素a 與水質理化因子的關聯性分析[C]//中國環境科學學會. 中國環境保護優秀論文集：2005(下冊). 北京: 中國環境科學出版社, 2005: 2 156-2 159.

[20] Organization for Economic Cooperation and Development (OECD). Eutrophication of Waters: Monitoring Assessment and Control[R]. Paris: OECD Cooperative Program on Monitoring of Inland Waters (Eutrophication Control), Environment Directorate, OECD, 1982.

[21] 金相燦, 劉鴻亮, 屠清瑛, 等. 中國湖泊富營養化[M]. 北京: 中國環境科學出版社, 1990: 31-34.

[22] 劉健康. 高級水生生物學[M]. 北京: 科學出版社, 2000: 38-50.

[23] 張建明, 余建青, 劉妍. 洞庭湖富營養評價指標分析及富營養化評價[J]. 內陸水產, 2006(2): 43-44.

[24] 竇鴻身, 姜加虎. 洞庭湖[M]. 合肥: 中國科學技術大學出版社, 2000: 5-8.

[25] 秦迪嵐, 羅岳平, 黃哲, 等. 洞庭湖水環境污染狀況與來源分析[J]. 環境科學與技術, 2012, 35(8): 193-198.

[26] 何介南, 康文星, 袁正科. 洞庭湖濕地污染物的來源分析[J]. 中國農學通報, 2009, 25(17): 239-244.

[27] 楊漢, 黃艷芳, 李利強, 等. 洞庭湖的富營養化研究[J]. 甘肅環境研究與監測, 1999, 12(3): 120-122.

[28] 張磊, 蔚建軍, 付莉, 等. 三峽水庫回水區營養鹽和葉綠素a的時空變化及其相互關系[J]. 環境科學, 2015,36 (6): 2 061-2 069.

[29] VELJO K, LEA T, TIINA N. Role of phosphorus and nitrogen for bacteria and phytoplankton development in a large shallow lake[J]. Hydrobiologia, 2001, 457: 187-197.

[30] 王松波, 耿紅, 劉娟娟, 等. 富營養水體中浮游植物生長的營養限制研究[J]. 長江流域資源與環境, 2011, 20(增刊1): 149-153.

[31] 李利強, 黃代中, 熊劍, 等. 洞庭湖浮游植物增長的限制性營養元素研究[J]. 生態環境學報, 2014, 23(2): 283-288.

Spatial-Temporal Distribution of Chlorophyll-a and Its Correlation with Environment Factors in Dongting Lake

ZHANG Guanggui

Dongting Lake Eco-Environmental Monitoring Center of Hunan Province, Yueyang 414000, China

chlorophyll-a; temporal and spatial distribution; environmental factors; correlation; Dongting Lake

2015-06-15;

2015-09-26

張光貴(1964-)，男，湖南南縣人，學士，高級工程師。

X824

A

1002-6002(2016)04- 0084- 07

10.19316/j.issn.1002-6002.2016.04.16