YC湖區葉綠素a時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湖區水質逐月監測，分析了湖區生態系統響應參數（葉綠素a）及氮、磷營養鹽的時空變化特征。通過對監測數據進行多元逐步回歸分析，找出與葉綠素a顯著相關的環境因子，并建立多元回歸方程。結果表明，湖區葉綠素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性差異。湖區各監測點的水質因子含量時空差異較大，湖區西湖的葉綠素a、氨氮、總氮和總磷的距平系數分別為15.6%、51.5%、15.0%和17.5%，高于中湖和東湖，總體水質從北向南，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（CODMn）和pH呈極顯著正相關，而與透明度（SD）呈極顯著負相關；進一步逐步回歸分析，高錳酸鹽指數、總磷和水溫3個因子與葉綠素a顯著相關，均表現為正相關，復相關系數為0.573。

關鍵詞 葉綠素a；時空變化特征；生態系統；環境因子；多元逐步回歸分析

中圖分類號 X524? ?文獻標識碼 A

文章編號 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系統，具有提供水源、養殖水產和維護生物多樣性等生態功能，對支持湖泊流域經濟社會發展發揮著重要作用。受多種因素影響，部分淺水湖泊水質富營養化問題日漸突顯[1]。近年來，對湖泊水體富營養化密切相關的N、P的研究[2-4]，浮游植物群落結構與環境因子相關關系[5]的研究報道較多。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，與水環境質量緊密相關，通過測定葉綠素a含量可以了解水質的健康狀況[6]。有關太湖流域葉綠素a與環境理化因子的相關性已有較多研究，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為指標來表征水華發生程度，初步歸納了湖區水質指標的時空變化特征與藍藻水華暴發的關系；王震等[10]分析了葉綠素a含量和浮游植物密度的時空分布特征，探討了其相關關系并建立了逐步回歸方程。YC湖是重要的水源地，其水質安全對周邊社會穩定和經濟發展有著重要意義。目前，有關中型湖泊YC湖葉綠素a和相關環境因子的空間分布特征及相關性的研究還處于探索階段。本研究通過對2021年YC湖區水質進行監測，分析其各水質因子的年內變化趨勢，探究葉綠素a與相關環境因子的時空變化特征以及其響應關系，為中小型淺水湖泊的治理提供參考。

1 材料與方法

1.1 監測站點布設

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。正常水位時，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。共設置21個監測站點（圖1），編號依次為L1～L21。根據分區，設置點位西湖12個、中湖6個和東湖3個。

1.2 試驗方法

于2021年每月對湖體進行一次水樣采集調查。野外現場采樣時，用賽氏盤于船舷的背光一側測定水質透明度（SD）；pH值、溶解氧含量（DO）和藻密度等水質參數于現場采用Hydrolab多參數水質監測儀測定。同時用有機采水器采集表層、中層和底層的混合水樣，保溫箱保存帶回實驗室分析水質參數。實驗室內用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），各指標具體測定方法參照《水和廢水監測分析方法》。根據《地表水資源質量評價技術規程》（SL 395—2007）的相關規定，采用綜合營養狀態指數法對湖庫水質營養化程度進行評價，評價項目包括高錳酸鹽指數（CODMn）、TP、TN、Chl-a、氨氮（NH3-N）和SD。

1.3 數據分析

采用Excel軟件處理湖區21個監測點位的逐月水質監測數據，繪制葉綠素a與環境因子的時間變化特征圖；空間分布差異采用距平系數表征，以各參數的年平均值作為參比，分別計算湖區各部分水環境參數相對于年平均值的距平系數，并繪制湖區空間分異特征圖。采用SPSS 26.0標準化（Z-scoring）處理湖區水質監測數據，用pearson相關性分析和回歸分析對湖體葉綠素a與環境因子進行相關性和回歸分析，同時對葉綠素a與環境理化因子建立多元逐步回歸方程。

2 結果與分析

2.1 葉綠素a與環境因子的時空變化特征

如圖2所示，葉綠素a濃度1—3月變化平穩，4月急增達到小峰值（46.21 μg/L），7月再次出現峰值（46.96 μg/L），10—12月急劇下降，最低值出現在12月（5.80 μg/L），峰值與湖區歷年峰值相當（11.60～42.30 μg/L）[11]。葉綠素a濃度整體變化趨勢為夏秋季較高，春冬季較低，夏秋溫度適宜，同時在營養鹽等條件適宜的情況下，藍藻密度開始增大，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性差異。從空間維度上看，西湖、中部和南部的距平系數大多為正值，東湖、中湖和北部的距平系數均為負值，且偏離平均值較大，分異絕對值最大為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，對西湖水質造成一定負面影響；東湖大多為出湖河道，因此，中湖和東湖的水質優于西湖。對于東湖而言，中部的距平系數較大，其原因可能是東湖中部圍網養殖，導致各指標數據均高于其他區域；對于中湖而言，從北至南，水質逐漸優化；對于西湖而言，南部的距平指數均大幅高于中部和北部，入湖河道水量大量流入西湖南部，致使該區域水質較差。

如圖2所示，湖區TN含量從1月開始逐漸下降至9月（0.90 mg/L），達到谷值后大幅度上升，11月出現峰值（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，其年內變化趨勢與太湖總氮含量冬春季節偏高相似[8]。TN濃度春冬季較高，夏秋季較低，季節性變化明顯，可能是由于春季施肥，過剩的營養鹽會導致總氮含量上升，而夏秋季處于豐水期，會對營養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，藍藻具有一定的固氮作用，生長時會消耗一部分氮，使得氮含量下降。NH3-N含量有一定的波動，但總體變化趨勢與TN基本一致。3—7月TP含量呈上升趨勢，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物中的磷溶出，同時厭氧菌加速沉積物中磷的釋放，沉積物內源負荷增加，使得TP含量上升[12]。營養狀態指數與TP的變化趨勢基本一致，夏秋高于春冬，8月達到峰值（59.6）。CODMn無明顯的季節性差異，多數月份在4 mg/L左右波動。在空間上，西湖TN、NH3-N和TP等參數距平系數為正值，東湖和中湖等參數的距平系數為負值，空間分異特征明顯。

東湖和中湖水質明顯優于西湖，其原因主要是地理位置關系和周圍河道入湖流量，周圍河道對西湖水質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）會直接影響西湖的TN、NH3-N和TP[2-3]，導致其各項指標均高于東湖和中湖，與太湖湖西區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，為保護水源水質，制定了相關水源水質保護條例。總體而言，湖體從北向南，從西向東，水質逐漸趨好。

2.2 葉綠素a與環境因子的響應關系

葉綠素a與環境因子的線性關系如圖4所示，Chl-a與各水質因子的相關性矩陣如表1所示。Chl-a和T之間呈正相關（P<0.01），其主要原因是在一定溫度范圍內，隨著溫度的上升，藻類的生長和繁殖加速，最終導致水體中Chl-a的濃度增加。因此，河流湖泊中藻類的暴發多數發生在水溫較高的時期。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，嚴重時可能導致夏季藍藻水華暴發。研究區湖體水溫常年保持在5 ℃以上，4—9月基本在20 ℃以上，7月達到最高水溫（31.3 ℃），長期處于有利于藍藻生長的水溫條件。Chl-a和TP之間呈正相關（P<0.01），TP含量上升，Chl-a濃度也會有一定幅度的上升。Chl-a濃度受P元素的限制[9]，當P元素輸入增加時，水體中初級生產力提高，從而促進藻類的生長和繁殖，Chl-a濃度隨之上升。Chl-a和CODMn之間呈正相關（P<0.01）。CODMn能夠反映水體有機物污染情況，此類有機物極易被氧化分解釋放N、P營養鹽，通過促進藻類的生長，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（P<0.01）。研究表明，水體的pH值與藻類的生長關系緊密，當藻類生長較旺盛時，意味著其光合作用強度較大，水中CO2的水解與電離平衡系統受到一定程度的影響[14]，pH值會隨著藻類的生長逐漸上升，但當pH值達到一定極值時，將負反饋作用于藻類的生長，成為抑制條件[15]。當水體中pH值在正常范圍（7.5～8.5）內時，pH不會成為影響Chl-a濃度變化的主要因子。

Chl-a和SD之間呈負相關（P<0.01）。水體懸浮物的含量尤其是浮游植物對SD的影響較大，因此水體SD會影響水中浮游植物的光合作用，其值大小能夠反映水質的清潔程度[6]。Chl-a與水體浮游植物生物量呈正相關，Chl-a含量高說明水體中藻類數量多，以藍藻、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，導致水體的透明度降低。Chl-a和TN之間呈負相關（P<0.05），其可能的原因是藻類在生長和繁殖時會大量消耗氮源，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之間無明顯相關關系。水溫是影響Chl-a含量的關鍵因子，而pH、SD和DO等是影響Chl-a含量的被動因子（圖4）。

選取湖區水質因子數據進行多元逐步回歸，各相關水質因子與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。除營養物質外，T對Chl-a濃度的影響較大，說明藻類數量主要受溫度變化的調控，反映出水溫、透明度等環境因素對葉綠素濃度有較強的影響。

3 結論

（1）在時間上，湖體全年水質指標Chl-a、TN、TP和營養狀態指數有明顯的季節性差異。在溫度、營養鹽等條件的影響下，湖體夏秋季Chl-a、TP和營養狀態指數值較高，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和營養狀態指數均有明顯的空間差異。由于地理位置關系和周圍入湖河道對西湖的影響遠大于東湖和中湖，外源性污染源（如N、P）對西湖的TN、NH3-N和TP造成直接的影響，使其各指標值均高于東湖和中湖。總體來看，湖體從北向南，從西向東，水質逐漸趨好。

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

（4）Chl-a與環境因子的逐步回歸分析表明，監測點位葉綠素a濃度主要與CODMn、TP和T這3個因子密切相關，均表現為正相關。其中，水溫是影響水中浮游植物生長的重要限制因子，適宜的營養物質是藍藻暴發的前提條件。

綜上，本研究通過對YC湖區水質進行監測，分析其各水質因子的年內變化趨勢，探究了葉綠素a與相關環境因子的時空變化特征以及其響應關系，為中小型淺水湖庫的治理提供參考。

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