YC湖区叶绿素a时空变化特征及影响因素分析

谢茂嵘 刘帅 吕文 杨文晶 杨惠 姜宇 孙瑞瑞 蔡晓钰 杨金艳

摘要 本研究基于2021年YC湖区水质逐月监测，分析了湖区生态系统响应参数（叶绿素a）及氮、磷营养盐的时空变化特征。通过对监测数据进行多元逐步回归分析，找出与叶绿素a显著相关的环境因子，并建立多元回归方程。结果表明，湖区叶绿素a含量全年平均值变化范围5.80～46.96 μg/L，叶绿素a、总氮和总磷含量有明显的季节性差异。湖区各监测点的水质因子含量时空差异较大，湖区西湖的叶绿素a、氨氮、总氮和总磷的距平系数分别为15.6%、51.5%、15.0%和17.5%，高于中湖和东湖，总体水质从北向南，从西向东，逐渐趋好。叶绿素a含量与水温（T）、总磷（TP）、高锰酸盐指数（CODMn）和pH呈极显著正相关，而与透明度（SD）呈极显著负相关；进一步逐步回归分析，高锰酸盐指数、总磷和水温3个因子与叶绿素a显著相关，均表现为正相关，复相关系数为0.573。

关键词 叶绿素a；时空变化特征；生态系统；环境因子；多元逐步回归分析

中图分类号 X524   文献标识码 A

文章编号 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

湖泊作為重要的生态系统，具有提供水源、养殖水产和维护生物多样性等生态功能，对支持湖泊流域经济社会发展发挥着重要作用。受多种因素影响，部分浅水湖泊水质富营养化问题日渐突显[1]。近年来，对湖泊水体富营养化密切相关的N、P的研究[2-4]，浮游植物群落结构与环境因子相关关系[5]的研究报道较多。叶绿素a是藻类的重要组分之一，其含量水平在一定程度上可以反映水体中浮游植物的生物量，与水环境质量紧密相关，通过测定叶绿素a含量可以了解水质的健康状况[6]。有关太湖流域叶绿素a与环境理化因子的相关性已有较多研究，例如，朱广伟等[7]分析了2005—2017年北部太湖水体营养盐和叶绿素a的变化特征，探讨了叶绿素变化的影响因素；张晓晴等[8]、陈永根等[9]以叶绿素a为指标来表征水华发生程度，初步归纳了湖区水质指标的时空变化特征与蓝藻水华暴发的关系；王震等[10]分析了叶绿素a含量和浮游植物密度的时空分布特征，探讨了其相关关系并建立了逐步回归方程。YC湖是重要的水源地，其水质安全对周边社会稳定和经济发展有着重要意义。目前，有关中型湖泊YC湖叶绿素a和相关环境因子的空间分布特征及相关性的研究还处于探索阶段。本研究通过对2021年YC湖区水质进行监测，分析其各水质因子的年内变化趋势，探究叶绿素a与相关环境因子的时空变化特征以及其响应关系，为中小型浅水湖泊的治理提供参考。

1 材料与方法

1.1 监测站点布设

湖体水域总面积为117.4 km2，分为西湖（26.89%）、中湖（29.03%）和东湖（44.08%），三湖之间彼此有河港、溇浜交联。正常水位时，西湖平均水深约2.94 m，中湖约2.09 m，东湖约2.00 m。研究区西湖水深最大，面积最小。湖体有主要出入河道29条，其中北部和西部以入湖为主，东部和南部以出湖为主。共设置21个监测站点（图1），编号依次为L1～L21。根据分区，设置点位西湖12个、中湖6个和东湖3个。

1.2 试验方法

于2021年每月对湖体进行一次水样采集调查。野外现场采样时，用赛氏盘于船舷的背光一侧测定水质透明度（SD）；pH值、溶解氧含量（DO）和藻密度等水质参数于现场采用Hydrolab多参数水质监测仪测定。同时用有机采水器采集表层、中层和底层的混合水样，保温箱保存带回实验室分析水质参数。实验室内用Whatman GF/F、GF/C玻璃纤维滤膜分别过滤一定体积的水样，用于测定叶绿素a（Chl-a）含量。用原始水样分析总氮（TN）、总磷（TP），各指标具体测定方法参照《水和废水监测分析方法》。根据《地表水资源质量评价技术规程》（SL 395—2007）的相关规定，采用综合营养状态指数法对湖库水质营养化程度进行评价，评价项目包括高锰酸盐指数（CODMn）、TP、TN、Chl-a、氨氮（NH3-N）和SD。

1.3 数据分析

采用Excel软件处理湖区21个监测点位的逐月水质监测数据，绘制叶绿素a与环境因子的时间变化特征图；空间分布差异采用距平系数表征，以各参数的年平均值作为参比，分别计算湖区各部分水环境参数相对于年平均值的距平系数，并绘制湖区空间分异特征图。采用SPSS 26.0标准化（Z-scoring）处理湖区水质监测数据，用pearson相关性分析和回归分析对湖体叶绿素a与环境因子进行相关性和回归分析，同时对叶绿素a与环境理化因子建立多元逐步回归方程。

2 结果与分析

2.1 叶绿素a与环境因子的时空变化特征

如图2所示，叶绿素a浓度1—3月变化平稳，4月急增达到小峰值（46.21 μg/L），7月再次出现峰值（46.96 μg/L），10—12月急剧下降，最低值出现在12月（5.80 μg/L），峰值与湖区历年峰值相当（11.60～42.30 μg/L）[11]。叶绿素a浓度整体变化趋势为夏秋季较高，春冬季较低，夏秋温度适宜，同时在营养盐等条件适宜的情况下，蓝藻密度开始增大，从而使叶绿素a浓度提高。

如图3所示，叶绿素a的分布有明显的季节性差异。从空间维度上看，西湖、中部和南部的距平系数大多为正值，东湖、中湖和北部的距平系数均为负值，且偏离平均值较大，分异绝对值最大为25.5%，分异特征明显。西湖多为入湖河道，周围较多入湖河道汇入，对西湖水质造成一定负面影响；东湖大多为出湖河道，因此，中湖和东湖的水质优于西湖。对于东湖而言，中部的距平系数较大，其原因可能是东湖中部围网养殖，导致各指标数据均高于其他区域；对于中湖而言，从北至南，水质逐渐优化；对于西湖而言，南部的距平指数均大幅高于中部和北部，入湖河道水量大量流入西湖南部，致使该区域水质较差。

如图2所示，湖区TN含量从1月开始逐渐下降至9月（0.90 mg/L），达到谷值后大幅度上升，11月出现峰值（2.81 mg/L）。5—9月汛期总氮含量基本低于2.0 mg/L，明显低于非汛期，其年内变化趋势与太湖总氮含量冬春季节偏高相似[8]。TN浓度春冬季较高，夏秋季较低，季节性变化明显，可能是由于春季施肥，过剩的营养盐会导致总氮含量上升，而夏秋季处于丰水期，会对营养盐的浓度起到一定的稀释作用[4]；此外，夏秋季温度较高，藻类生长旺盛，蓝藻具有一定的固氮作用，生長时会消耗一部分氮，使得氮含量下降。NH3-N含量有一定的波动，但总体变化趋势与TN基本一致。3—7月TP含量呈上升趋势，7月急剧上升至0.172 mg/L，随后逐渐下降，12月为0.070 mg/L。TP夏季出现峰值，夏秋季TP含量明显高于春冬季，其原因可能是夏秋季水温较高，水中的溶解氧浓度降低，致使河湖底泥和有机物中的磷溶出，同时厌氧菌加速沉积物中磷的释放，沉积物内源负荷增加，使得TP含量上升[12]。营养状态指数与TP的变化趋势基本一致，夏秋高于春冬，8月达到峰值（59.6）。CODMn无明显的季节性差异，多数月份在4 mg/L左右波动。在空间上，西湖TN、NH3-N和TP等参数距平系数为正值，东湖和中湖等参数的距平系数为负值，空间分异特征明显。

东湖和中湖水质明显优于西湖，其原因主要是地理位置关系和周围河道入湖流量，周围河道对西湖水质的影响较东湖和中湖大。西湖多为入湖河道，外源性污染源（如N、P）会直接影响西湖的TN、NH3-N和TP[2-3]，导致其各项指标均高于东湖和中湖，与太湖湖西区受入湖河流影响相似[13]。东湖多为出湖河道，且水源地位于东南部，为保护水源水质，制定了相关水源水质保护条例。总体而言，湖体从北向南，从西向东，水质逐渐趋好。

2.2 叶绿素a与环境因子的响应关系

叶绿素a与环境因子的线性关系如图4所示，Chl-a与各水质因子的相关性矩阵如表1所示。Chl-a和T之间呈正相关（P<0.01），其主要原因是在一定温度范围内，随着温度的上升，藻类的生长和繁殖加速，最终导致水体中Chl-a的浓度增加。因此，河流湖泊中藻类的暴发多数发生在水温较高的时期。藻类生长最合适的水温范围为20～30 ℃，在此温度范围藻类的生长得到促进，严重时可能导致夏季蓝藻水华暴发。研究区湖体水温常年保持在5 ℃以上，4—9月基本在20 ℃以上，7月达到最高水温（31.3 ℃），长期处于有利于蓝藻生长的水温条件。Chl-a和TP之间呈正相关（P<0.01），TP含量上升，Chl-a浓度也会有一定幅度的上升。Chl-a浓度受P元素的限制[9]，当P元素输入增加时，水体中初级生产力提高，从而促进藻类的生长和繁殖，Chl-a浓度随之上升。Chl-a和CODMn之间呈正相关（P<0.01）。CODMn能够反映水体有机物污染情况，此类有机物极易被氧化分解释放N、P营养盐，通过促进藻类的生长，间接增加水体中叶绿素a的含量[12]。通过拟合结果可以了解到Chl-a浓度在一定程度上随着CODMn的增加而增加。Chl-a和pH之间呈正相关（P<0.01）。研究表明，水体的pH值与藻类的生长关系紧密，当藻类生长较旺盛时，意味着其光合作用强度较大，水中CO2的水解与电离平衡系统受到一定程度的影响[14]，pH值会随着藻类的生长逐渐上升，但当pH值达到一定极值时，将负反馈作用于藻类的生长，成为抑制条件[15]。当水体中pH值在正常范围（7.5～8.5）内时，pH不会成为影响Chl-a浓度变化的主要因子。

Chl-a和SD之间呈负相关（P<0.01）。水体悬浮物的含量尤其是浮游植物对SD的影响较大，因此水体SD会影响水中浮游植物的光合作用，其值大小能够反映水质的清洁程度[6]。Chl-a与水体浮游植物生物量呈正相关，Chl-a含量高说明水体中藻类数量多，以蓝藻、绿藻为主，大量藻类平铺在水体表面，影响光线透过水体的程度，导致水体的透明度降低。Chl-a和TN之间呈负相关（P<0.05），其可能的原因是藻类在生长和繁殖时会大量消耗氮源，外部氮源的供给低于藻类的消耗，使得水体中的总氮浓度下降[7]。Chl-a与DO、NH3-N之间无明显相关关系。水温是影响Chl-a含量的关键因子，而pH、SD和DO等是影响Chl-a含量的被动因子（图4）。

选取湖区水质因子数据进行多元逐步回归，各相关水质因子与Chl-a建立多元逐步回归方程（表2），在筛选和剔除条件的前提下，得到逐步回归方程为Chl-a=-0.039+0.010×CODMn+0.106×TP+0.001×T（P<0.01）。可以看出，影响Chl-a浓度的主要因子为CODMn、TP和T。除营养物质外，T对Chl-a浓度的影响较大，说明藻类数量主要受温度变化的调控，反映出水温、透明度等环境因素对叶绿素浓度有较强的影响。

3 结论

（1）在时间上，湖体全年水质指标Chl-a、TN、TP和营养状态指数有明显的季节性差异。在温度、营养盐等条件的影响下，湖体夏秋季Chl-a、TP和营养状态指数值较高，而TN浓度则相反，春冬季较高。

（2）在空间上，湖体Chl-a、TN、NH3-N、TP和营养状态指数均有明显的空间差异。由于地理位置关系和周围入湖河道对西湖的影响远大于东湖和中湖，外源性污染源（如N、P）对西湖的TN、NH3-N和TP造成直接的影响，使其各指标值均高于东湖和中湖。总体来看，湖体从北向南，从西向东，水质逐渐趋好。

（3）Chl-a与环境因子的相关性分析表明，Chl-a浓度与T、TP、CODMn和pH呈正相关（P<0.01），与SD呈负相关（P<0.01），T、TP和CODMn為影响叶绿素a浓度的主动因子，pH、SD和DO为被动因子。

（4）Chl-a与环境因子的逐步回归分析表明，监测点位叶绿素a浓度主要与CODMn、TP和T这3个因子密切相关，均表现为正相关。其中，水温是影响水中浮游植物生长的重要限制因子，适宜的营养物质是蓝藻暴发的前提条件。

综上，本研究通过对YC湖区水质进行监测，分析其各水质因子的年内变化趋势，探究了叶绿素a与相关环境因子的时空变化特征以及其响应关系，为中小型浅水湖库的治理提供参考。

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