洞庭湖水体叶绿素a时空分布及与环境因子的相关性

张光贵

湖南省洞庭湖生态环境监测中心，湖南 岳阳 414000

洞庭湖水体叶绿素a时空分布及与环境因子的相关性

张光贵

湖南省洞庭湖生态环境监测中心，湖南 岳阳 414000

叶绿素a；时空分布；环境因子；相关性；洞庭湖

湖泊的富营养化问题是当前我国乃至全世界面临的最主要的水环境问题之一。尽管目前洞庭湖水体富营养化程度较轻，但受流域社会经济发展等因素的综合影响，洞庭湖氮、磷污染突出，水质出现恶化，富营养化趋势加剧[1-2]。叶绿素是浮游植物的重要成分，其中叶绿素a(chla)是所有浮游植物门类都含有的叶绿素类型。chla不仅作为水体营养化状态划分的重要指标[3]，而且可用于表征浮游植物的现存量[4]。因此，chla是湖泊富营养化调查的一个重要参数，并且在水体富营养状态评价中起关键作用[5]。开展chla的监测，了解chla的时空变化特征，对于了解洞庭湖水质和富营养化现状及演变趋势具有重大意义。

关于湖泊水体Chla的分布及其与环境因子的相关性研究已有大量报道[6-14]，然而，关于洞庭湖水体chla的分布及其与环境因子的相关性研究较为少见。目前虽有黄代中等[1]对洞庭湖水体chla质量浓度的季节变化及其与环境因子的相关性进行了初步研究，但未对洞庭湖水体chla质量浓度的空间变化进行研究，且仅对chla质量浓度与少数环境因子的相关性进行了分析。本研究在全湖范围内进行chla的调查分析，通过2013年6月至2014年5月在洞庭湖11个断面进行12次野外定点水质监测，分析了全湖chla质量浓度的时空分布特征，探讨了chla质量浓度与不同环境因子的相关关系，以期为洞庭湖生态环境保护以及水体富营养化防控提供参考和依据。

1 实验部分

1.1 洞庭湖概况

洞庭湖位于湖南省北部、长江中游荆江南岸，北接长江松滋、太平、藕池三口，南纳湘、资、沅、澧四水，经城陵矶汇入长江，湖体呈近似“U”字形，总流域面积25.72万km2，集水面积104万km2，水位33.50 m时(岳阳站，黄海基面)，湖长143.00 km，最大湖宽30.00 km，平均湖宽17.01 km，湖泊面积2 625 km2，最大水深23.5 m，平均水深6.39 m，相应蓄水量167亿m3，是我国第二大淡水湖。受泥沙淤积、筑堤建垸等自然和人类活动的影响，洞庭湖现已明显地分化为西洞庭湖、南洞庭湖和东洞庭湖3个不同的湖泊水域。洞庭湖为典型的过水性洪道型湖泊[15]，兼具河流与湖泊双重属性[16]。

1.2 研究方法

1.2.1 监测断面布设与采样方法

本研究监测断面设置与洞庭湖水质常规监测相同，全湖共设11个监测断面(图1)：西洞庭湖区3 个，分别是南嘴(S1)、蒋家嘴(S2)和小河嘴(S3)；南洞庭湖区3个，分别是万子湖(S4)、横岭湖(S5)和虞公庙(S6)；东洞庭湖区5个，分别是鹿角(S7)、君山(S8)、扁山(S9)、岳阳楼(S10)和洞庭湖出口(S11)。每个断面设左、中、右3条垂线，采集表层(0.5 m)水样，采样时间为每月上旬。水温、pH、溶解氧(DO)、电导率和透明度均在现场测定，其中水温、pH、DO和电导率用美国YSI Professional Plus 多参数水质分析仪测定，透明度用塞氏圆盘法测定。

1.2.2 样品分析方法

1.3 数据分析与统计

采用Microsoft Office Excel 2007和IBM SPSS 19.0对数据进行统计处理和分析。相关性用Pearson相关系数表示，差异性比较用单因素方差分析，并建立chla质量浓度与主要环境因子的回归方程。春季为3—5月；夏季为6—8月；秋季为9—11月；冬季为12月至次年2月。

图1 洞庭湖水质监测断面示意图

2 结果与分析

2.1 水体chla的时空分布

2013年6月至2014年5月，洞庭湖水体chla质量浓度为0.11～8.62 mg/m3，年均值为(1.89±1.23)mg/m3，低于黄代中等[1]的研究结果[(2.36±3.18) mg/m3]，变异系数0.65。

各湖区chla质量浓度的年内变化比较明显，7—11月处于较高水平，其中7—8月出现峰值，总体呈现夏季>秋季>冬季>春季的规律(图2)。单因素方差分析结果显示，夏季与秋季以及冬季与春季之间chla质量浓度无显著性差异(P>0.05)，而夏、秋季与冬、春季之间chla质量浓度有显著性差异(P<0.05)，表明夏、秋季chla质量浓度明显大于冬、春季。

在空间分布上，洞庭湖水体chla质量浓度呈现的规律为西洞庭湖>东洞庭湖>南洞庭湖(图2、表1)。单因素方差分析结果显示，西洞庭湖与东洞庭湖之间chla质量浓度无显著性差异(P>0.05)，而南洞庭湖与西洞庭湖和东洞庭湖之间chla质量浓度有显著性差异(P<0.05)，表明西洞庭湖和东洞庭湖chla质量浓度明显大于南洞庭湖。

图2 洞庭湖水体chla质量浓度的时空变化

表1 洞庭湖chla监测结果统计

分区范围/(mg·m-3)平均值/(mg·m-3)标准偏差/(mg·m-3)变异系数全湖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东洞庭湖0.15～5.301.991.180.59

2.2 水体环境因子特征

2.3 水体chla质量浓度与环境因子的相关性

表2 洞庭湖水体chla与环境因子的相关系数

注：“**”表示在0.01水平(双侧)上显著相关；“*”表示在0.05 水平(双侧)上显著相关；n=396(全年的样品数)。

2.3.1 chla与理化因子的相关分析

2.3.1.1 chla与水温的相关关系

水温通过对浮游植物光合作用与呼吸代谢速率的控制而影响chla质量浓度。洞庭湖水体chla质量浓度与水温的相关分析[图3(a)]表明，chla质量浓度与水温呈较明显的正相关性，相关系数为0.412，说明随着水温的上升，浮游植物的生长速度也加快，水温对浮游植物的生长具有一定的促进作用。

2.3.1.2 chla与DO的相关关系

洞庭湖水体chla质量浓度与DO的相关分析[图3(b)]显示，chla质量浓度与DO呈较明显的负相关性，相关系数为-0.415。藻类的作用主要是将细菌及其他光合作用有机体在生活过程中放出的二氧化碳加以吸收，通过光合作用，释放出动物和其他非光合有机体所需的氧气[18]，所以理论上说，chla质量浓度越高，所释放出的氧气越多，从而使得水体DO水平增加。本研究中，DO与水温呈极显著负相关(P<0.01)，其相关系数的绝对值高达0.835，由于洞庭湖水体chla质量浓度较低，在一定条件下，DO主要是受温度控制，而与chla质量浓度之间的关系不明显[19]。

图3 chla与水温、DO、电导率、COD的相关关系

2.3.1.3 chla与电导率的相关关系

电导率反映了湖泊离子总量和离子种类的状况，代表了湖水中离子活动的程度[8]。洞庭湖水体chla质量浓度与电导率的相关分析[图3(c)]显示，chla质量浓度与电导率呈较明显的正相关性，相关系数为0.273，说明chla质量浓度与电导率关系密切。本研究中，电导率与水温和TP呈极显著正相关(P<0.01)，表明随着水温升高以及营养盐成分的增加，电导率升高，浮游植物的生长速度加快，进而增加chla质量浓度。

2.3.1.4 chla与COD的相关关系

洞庭湖水体chla质量浓度与COD的相关分析[图3(d)]表明，chla质量浓度与COD呈较明显的正相关性，相关系数为0.178，说明有机物的存在有利于藻类的生长。由于浮游植物的光合作用会生成大量的有机体，从而使水体COD升高，可见COD是chla质量浓度变动的被动因子，同时说明有机物不是浮游植物生长的制约因素。

2.3.2 chla与营养盐的相关分析

营养盐是水体浮游植物生长必不可少的因素，营养盐的质量浓度变化可以影响浮游植物的数量，因而浮游植物的生长状况是营养盐质量浓度变动的主要条件。作为浮游植物体内主要成分的chla，与营养盐的关系较为复杂。有研究者对营养盐与chla质量浓度动态变化的相互关系进行了大量研究[20]，结果表明，磷为唯一主导因子的占80%，氮为唯一主导因子的占11%，其余9%的水体为氮磷共同起作用。大量研究表明，chla与氮磷等营养盐有正负显著相关或无显著相关的结论都存在。

3 讨论

洞庭湖水体chla质量浓度明显低于国内主要大型湖泊太湖[7][(22.33±37.65) mg/m3]、巢湖西半湖[11](20.12～77.87 mg/m3)、洪泽湖[8](15.48 mg/m3)和滇池[10][22.56±12.69) mg/m3]，与鄱阳湖[9](0.79～3.06 mg/m3)相当。对照美国环保局(USEPA)对营养状态的chla划分标准[9](chla质量浓度大于10 mg/m3为富营养；4～10 mg/m3为中营养；小于4 mg/m3为贫营养)，洞庭湖水体为贫营养。在氮、磷浓度较高的背景下，洞庭湖水体chla质量浓度低主要是由于洞庭湖为一过水性洪道型湖泊，年径流量大，水体交换快，泥沙含量高，营养物质来不及被藻类充分利用就被水流带走，同时，高含量的泥沙阻碍水体藻类的光合作用[23]。

洞庭湖水体chla质量浓度的时间分布主要与洞庭湖区气候特征以及营养物质的来源有关。洞庭湖区属亚热带湿润气候，光照与降雨导致的入湖径流季节性变化显著，汛期(4—9月)多年平均入湖径流量占全年径流总量的74.6%，以夏季温度最高，光照最强，入湖径流最多[24]。研究表明[25-26]，洞庭湖水体氮、磷等营养物质主要来自长江三口和湘、资、沅、澧四水等入湖河流。在洞庭湖区，夏、秋季节与汛期基本吻合，此时洞庭湖水体水温高，光照强，流域降雨增多，导致外源性面源营养物质增加，促使水体浮游植物大量繁殖，chla质量浓度增加；而冬、春季节水温低，光照弱，流域降雨导致的外源性面源营养物质减少，浮游植物光合作用减弱，chla质量浓度降低，冬季chla质量浓度稍高于春季可能缘于秋季营养盐输入的滞后效应。此外，洞庭湖水体chla质量浓度的时间分布还与其年内水文、水动力学条件变化有关。洞庭湖洪水期与枯水期水情悬殊，水位变幅大，具有“洪水一大片，枯水几条线”和“高水湖相，低水河相”的特点[24]。汛期，洞庭湖水位高、水面比降小、流速慢，氮、磷等营养物质滞留时间长，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、磷等营养物质不能被浮游植物充分吸收。

洞庭湖水体chla质量浓度的空间分布与TP浓度的空间分布(表3)相似，即西洞庭湖和东洞庭湖大于南洞庭湖，而与TN浓度的空间分布(表3)不同，表明TP浓度的高低是影响chla质量浓度空间分布的主要因素。研究表明[27]，每年入湖的大量泥沙是洞庭湖水体TP的重要来源，西洞庭湖是湖区长江三口和澧水等含沙量较高入湖河流的直接受纳水体，而东洞庭湖则是西洞庭湖、南洞庭湖和含沙量较高的藕池东支河的汇聚地，致使西洞庭湖和东洞庭湖水体TP浓度高。

表3 洞庭湖水体chla质量浓度与TN、TP浓度的空间变化

营养盐对浮游植物生长的限制作用包括2个方面: 一是营养盐绝对浓度对浮游植物的影响，通过绝对浓度判断的限制因子指营养盐的绝对浓度低于限制浮游植物生长的阈值，限制了浮游植物的生长；二是营养盐的相对浓度比对浮游植物生长的影响，通过相对比值判断的限制因子只表明此营养盐将首先被消耗到低值，但不一定是此营养盐低于限制浮游植物生长的阈值，可能此营养盐高于阈值仍满足浮游植物生长的需要[7]。由于洞庭湖水体TN和TP质量浓度较高，远大于公认的水体富营养化阈值[28](氮质量浓度0.2 mg/L，磷质量浓度0.02 mg/L)，为浮游植物的生长提供了充分的营养物质条件，因此营养盐对洞庭湖浮游植物生长的限制作用主要体现为营养盐相对浓度比对浮游植物生长的影响。研究表明，氮磷比与藻类的生长有更直接的关系，一般情况下，如果TN/TP低于9，那么氮就可能是限制性营养盐；如果TN/TP高于21，那么磷就可能是限制性营养盐[29]。在本研究中，洞庭湖TN/TP的年平均值为28.5，chla质量浓度与TN/TP呈极显著负相关(P<0.01)。综合考虑，磷相对缺乏，从而成为洞庭湖水体浮游植物增长的限制性营养盐，与上述理论一致。此结果与淡水水体中浮游植物的生长主要受磷限制的一般结论[30]相符，而与李利强等[31]的研究结果(氮为洞庭湖水体浮游植物增长的限制性营养盐)不同。

4 结论

1) 洞庭湖水体chla质量浓度为0.11～8.62 mg/m3，年均值为(1.89±1.23)mg/m3，指示洞庭湖水体处于贫营养状态。

2)洞庭湖水体chla质量浓度的时空分布差异较为明显，在时间上，总体呈现夏、秋季明显大于冬、春季的规律；在空间上，总体表现为西洞庭湖和东洞庭湖明显大于南洞庭湖。

4)全湖TN/TP的年均值为28.5，磷可能是洞庭湖水体限制性营养盐。

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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

张光贵(1964-)，男，湖南南县人，学士，高级工程师。

X824

A

1002-6002(2016)04- 0084- 07

10.19316/j.issn.1002-6002.2016.04.16