巢湖西北岸入湖口叶绿素a与营养盐因子相关性及特征分析

许 毅

（安徽省建设工程测试研究院有限责任公司，安徽 合肥 230051）

巢湖是我国蓝藻爆发最严重的三湖（巢湖、太湖、滇池）之一，湖水主要靠沿湖35条河流汇入和降雨补给，随着合肥市南向经济的加速发展，水质逐渐变差，80年代以来西半湖多次爆发蓝藻水华。2020年中国生态环境状况公报显示，巢湖西半湖为轻度富营养状态，西半湖入湖河流为轻度污染，其中南淝河为Ⅴ类，派河为Ⅳ类[1]。总磷总氮等营养盐相对充足导致的湖泊富营养化使蓝藻爆发成为常态，蓝藻是巢湖的优质藻种，叶绿素a作为藻类的重要组成成分，是富营养化水平的重要指标，常用来衡量以藻类为主的水体浮游植物量，其与藻密度的相关系数在0.9以上，呈高度相关[2]，国内外研究表明叶绿素a指标可作为蓝藻爆发的预警因子。目前国内对巢湖水体中叶绿素a和营养盐的研究大都集中在全湖，如殷守敬，吴传庆等在2018年对巢湖水体中营养盐进行了研究[3]，而对污染最严重的西北岸入湖口片区叶绿素a与营养盐因子的分布特征和相关性研究极少。本文通过对2021年4～11月5个入湖口水体中叶绿素a与营养盐因子的检测和分析，研究其分布规律及两者之间的相关性，了解入湖口水体富营养化的关联因素，为巢湖水环境治理尤其是营养盐削减提供参考依据。

1 实验部分

1.1 样品采集

巢湖西北岸派河，南淝河，塘西河，十五里河，丙子河入湖口处，在每个入湖口扩散面按照北、南、东、西方位布设4个采样点，总计20个点位，使用有机玻璃采样器以等体积法采集表层（水面下0.5 m处），中层（水深1/2处），底层（湖底以上0.5 m处）样品，避光冷藏后送本单位检测实验室进行水质分析。

1.2 样品分析方法

总磷按照钼酸铵分光光度法测定；总氮按照碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定；氨氮按照中和滴定法测定；硝酸盐氮按照酚二磺酸光度法测定；叶绿素a按照分光光度计-丙酮研磨比色法测定。所采集样品分析方法参照《水和废水监测分析方法（第四版）》。

2 结果与分析

2.1 叶绿素a浓度分布特征

对比分析各入湖口水体中叶绿素a浓度时空分布特征见图1，纵坐标为叶绿素a浓度，横坐标为各入湖口采样点位。比对分析可知各入湖口叶绿素a浓度的时间分布特征为：8月＞9月＞6月＞7月＞5月＞10月＞11月＞4月；空间分布特征为：南淝河入湖口＞派河入湖口＞塘西河入湖口＞十五里河入湖口＞丙子河入湖口，叶绿素a浓度最高峰出现在8月的南淝河入湖口，为116 µg/L，最低峰出现在4月的丙子河入湖口，为7 µg/L，最高值是最低值的16倍。4月为蓝藻复苏期，5月水温上升到25 ℃左右，蓝藻进入快速生长期，环巢湖地区在6～7月间进入梅雨季节，入湖河流水速加快，加上日照偏少不利于蓝藻聚集，8月水温上升到30 ℃以上，且降雨偏少，高温晴热少雨导致蓝藻爆发，水体中叶绿素a浓度显著升高。11月气温降低后，藻类进入衰退期，叶绿素a的浓度逐渐降低。对比显示叶绿素a浓度空间分布的差异性在每个月份都不同，4月叶绿素a浓度分布的差异性最小，而在10月与11月间叶绿素a浓度在各入湖口分布的差异性较大。需要进一步分析分布差异性大的10月数据，以研究入湖口水体中营养盐因子对叶绿素a浓度产生的影响，了解造成这种差异性的原因及程度。

图1 入湖口叶绿素a浓度时空分布

2.2 营养盐因子的空间分布特征

为分析营养盐因子与叶绿素a浓度的相关性，以分布差异性大的10月为例，绘制了入湖口营养盐因子总磷、总氮、氨氮和硝酸盐氮浓度空间分布图，见图2。

由图2可知：营养盐因子总磷、总氮、氨氮、硝酸盐氮浓度在入湖口总计20个点位的变化趋势与叶绿素a高度相似，不同营养盐因子浓度的变化幅度有所差异。最高点和最低点总磷浓度分别为0.33 mg/L、0.05 mg/L，总氮浓度分别为5.32 mg/L、1.61 mg/L，5#-8#四个点位氮磷水平显著高于其他入湖口水平，南淝河上游汇集了更多城镇生活污水、污水处理厂排水、农田排水，导致入湖口附近水域氮磷等营养盐的含量显著升高。国际上公认，当水体中营养盐因子总磷和总氮的浓度分别达到0.02 mg/L和0.2 mg/L时，会导致藻类大规模繁殖[4]。在水温下降藻类繁殖减弱的10月，5个入湖口水体总磷和总氮浓度仍然达到了富营养化水平。

图2 入湖口营养盐因子浓度空间分布

2.3 叶绿素a与营养盐因子相关性分析

为了解叶绿素a的变化，需要分析叶绿素a与营养盐因子的相关性和关联程度，使用SPSS软件对叶绿素a和相关营养盐因子与化学需氧量进行相关性分析，相关性见表1。

由表1可以看出：叶绿素a的浓度与总磷、总氮、氨氮、硝酸盐氮浓度均呈正相关。其相关系数分别为总磷（r=0.864，P＜0.01）、总氮（r=0.776，P<0.01）、氨氮（r=0.725，P<0.01）、硝酸盐氮（r=0.672，P<0.01）。根据统计学原理：相关系数＞0.8时，定义为高度相关；当0.5＜相关系数＜0.8，定义为显著相关[5]。由此可见：总磷为高度相关，总氮、氨氮、硝酸盐氮浓度为显著相关。相关性比较方面：总磷＞总氮＞氨氮＞硝酸盐氮。入湖口水体中叶绿素a的浓度受总磷的影响最大，总磷与总氮、氨氮、硝酸盐氮呈正相关，总氮与总磷、氨氮、硝酸盐氮亦呈正相关，说明水体中氮磷浓度变化趋势基本一致。根据相关性分析数据，对与叶绿素a呈正相关性的营养盐因子总磷、总氮、氨氮、硝酸盐氮进行回归曲线分析，如图3所示。

图3 叶绿素a浓度与营养盐因子的回归曲线

表1 叶绿素a与营养盐因子的相关性分析

由图3 可知：叶绿素a 与总磷浓度的回归曲线方程为y=0.719x-0.058（r=0.802，P<0.01）。叶绿素a与总氮浓度的回归曲线方程为y=0.056x-0.103（r=0.781，P<0.01），与氨氮的回归曲线方程为y=0.238x-0.174（r=0.716，P<0.01），与硝酸盐氮的回归曲线方程为y=0.936x-0.063（r=0.662，P<0.01）。入湖口水体中叶绿素a与营养盐因子的相关系数为0.662-0.802，表明水体中以氮磷为主的营养盐浓度的高低，比化学需氧量更能够影响叶绿素a的浓度。在巢湖环境生态系统中，氮元素 的循环过程远比磷元素的循环复杂，从而导致总氮的回归曲线系数比总磷的系数要低，总磷与叶绿素a的相关性要高于总氮。

3 结论

巢湖西北岸入湖口水体中南淝河水体的总磷总氮均值浓度最高，丙子河最低，南淝河在西北岸水体富营养化贡献中最高。叶绿素a在8月达到峰值，水体发生轻度水华现象。应根据不同入湖河流体现出的营养盐分布特征有针对性地开展上游河流氮磷削减治理措施。

比较5个入湖口水体中叶绿素a与营养盐因子相关性可知：总磷＞总氮＞氨氮＞硝酸盐氮，总磷为高度相关。叶绿素a浓度变化受多个因子共同影响，后续研究中应加入水体中的氮磷比，风向导致的入湖口滞流等研究要素，以提高叶绿素a作为蓝藻预警因子的准确性。