草型湖泊叶绿素a浓度时空分布特征及其与氮磷浓度关系.pdf

草型湖泊叶绿素 a 浓度时空分布特征 及其与氮磷浓度关系 * 冯伟莹1， 2张生1王圣瑞2焦立新2王利明1崔凤丽1付绪金1杨芳1 1． 内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院， 呼和浩特 010018; 2． 环境基准与风险评估国家重点实验室/ 中国环境科学研究院湖泊生态环境创新基地/国家环境保护湖泊污染控制重点实验室， 北京 100012 摘要 采用 20062010 年 510 月份乌梁素海监测数据， 对叶绿素 a 浓度的时空分布特征及其与总氮、 总磷浓度相关 关系进行了分析。结果表明 乌梁素海叶绿素 a 浓度具有明显的时空分布差异性 在时间上， 呈现出明显的季节性变 化， 5、 6、 9、 10 月份叶绿素 a 浓度较高， 7、 8 月份叶绿素 a 浓度偏低， 秋季≈春季 ＞ 夏季， 最高值出现在 2007 年 9 月， 均 值为 9. 01 mg/m3， 最低值出现在 2010 年 7 月， 均值为 1. 80 mg/m3; 在空间上， 南北部叶绿素 a 浓度以 7. 78 mg/m3为 界， 呈现北部区 ＞ 南部区的趋势。通过叶绿素 a 与总氮、 总磷浓度相关性分析得出， 2006 年 5 月叶绿素 a 与总氮、 总磷 r 0. 7450、 0. 7596 、 2008 年 5 月叶绿素 a 与总磷 r 0. 5421 、 2010 年 5 月叶绿素 a 与总氮 r 0. 5089 存在较好的 相关性。 关键词 线性回归方程;相关性;时空差异 DOI 10. 7617/j. issn. 1000 －8942. 2013. 04. 032 SPACE- TIME DISTRIBUTION OF CHLOROPHYLL- a AND ITS RELATIONSHIP WITH TN AND TP CONCENTRATIONS IN PLANT TYPE LAKE Feng Weiying1， 2Zhang Sheng1Wang Shengrui2Jiao Lixin2Wang Liming1Cui Fengli1Fu Xujin1Yang Fang1 1． College of Water Conservancy and Civil Engineering，Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot 010018， China; 2． State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment，Research Center of Lake Eco- Environment， Chinese Research Academy of Environmental Sciences， State Environmental Protection Key Laboratory for Lake Pollution Control， Beijing 100012， China AbstractBased on the monitoring data from May to October in 20062010，the spatial- temporal distribution of chlorophyll- a concentrations and its relationship with and TN and TP concentrations were analyzed． The results showed that chlorophyll- a concentrations significantly change with both time and space，being timely higher in May，June，September and October ， lower in July and August， concentrations in spring and autumn were higher than those in summer， the maximum value occurred in september， 2007 with an average of 9. 01 mg/m3，and the minimum value in July， 2010 with an average of 1. 80 mg/m3; and spatially they were decreasing from the north to the south， with the border of 7. 78 mg/m3． The correlation between chlorophyll- a with TN，TP demonstrated evidently in May of 2006 r 0. 7450， 0. 7596 ，the correlation between chlorophyll- a with TP demonstrated evidently in May of 2008 r 0. 5421 ，the correlation between chlorophyll- a with TN demonstrated evidently in May of 2010 r 0. 5089 ． Keywordslinear regression equation;correlation;spatial- temporal change * 国家自然科学基金项目 51269016， 51269017， U1202235， 41103070 ; 内蒙古自治区重大科技项目 20091408 。 0引言 湖泊富营养化是由于过量的营养物输入湖泊， 导 致藻类等浮游植物大量繁殖， 水质变坏， 进而引起湖泊 生态系统的一系列变化 ［ 1 ］。叶绿素 a 最能表现水体富 营养化状态进程， 也是浮游植物现存量的重要指标之 一 ［ 2 ］。近两年， 虞英杰［ 3 ］等提出了一种基于微粒群 621 环境工程 2013 年 8 月第 31 卷第 4 期 PSO 算法的 BP 神经网络模型， 对水体叶绿素 a 进行 预测， 克服了传统 BP 模型在训练和测试中易陷入局部 最优的缺点， 提高了预测精度。郭劲松 ［ 4 ］等对三峡小 江回水区叶绿素 a 季节变化及其同组主要藻类的相互 关系进行了研究， 发现叶绿素 a 季节变化明显， 春季最 高可达61. 08 μg/L， 而冬季最低值仅为0. 19 μg/L。张 婷 ［ 5 ］等发现， HJ- 1A 卫星超光谱数据可以借鉴水体实 测光谱数据叶绿素 a 等不同水质参数敏感波段的分析 结果， 很好地应用于水质定量遥感。陈桥 ［ 6 ］等研究证 实， 太阳辐射和水温与叶绿素 a 呈显著正相关关系 P ＜0. 01 ， 太阳辐射和水温的增加为藻类的大量生长和 水华爆发提供了良好的物理条件， 太湖蓝藻水华爆发 时间有逐年前移的趋势且水华持续时间逐年增加。曹 金玲 ［ 7 ］等利用 SPSS 统计分析软件的相关性分析和曲 线估计功能分析了我国145 个湖泊富营养化指标与自 然因素之间的关系， 发现叶绿素 a 与湖泊平均水深呈 显著负相关 P ＜0. 05 ， 与年均温和 ＞0 ℃积温呈显著 正相关 P ＜0. 05 。除了叶绿素 a 是水质监测的重要 参数， 是影响湖泊真光层深度和初级生产力的重要因 子， 总氮和总磷浓度也是浮游植物生长繁殖所必需的 营养元素 ［ 1， 2 ］。陈晨［ 8 ］等对胶州湾微表层和次表层海 水中营养盐的分布特征及富营养化研究发现， 不论是 微表层还是次表层， 营养盐的分布都是从湾内向湾口 递减， 且胶州湾微表层海水对营养盐氮有不同程度的 富集作用， 对磷无富集现象。近几年来， 在浅水湖泊 中， 水体中叶绿素 a 含量的时空分布状况及季节变化 规律具有一定的特殊性， 且叶绿素 a 浓度与总氮、 总磷 浓度的相关关系因湖泊不同呈现明显的差异性。因 此， 本文在分析 20062010 年中 510 月份乌梁素海 水体叶绿素 a 浓度的时空分布特征的基础上， 针对乌 梁素海富营养化成因机理， 分析研究了叶绿素 a 与总 氮和总磷浓度的关系， 为乌梁素海富营养化治理提供 科学依据。 1研究区概况与研究方法 1. 1研究区概况 内蒙古乌梁素海是我国第 8 大淡水湖， 是内蒙古 干旱区最为典型的浅水草型湖泊， 是黄河中上游重要 的保水、 蓄水和调水场地 ［9 ］。乌梁素海属于蒙新高 原湖区， 其地理坐标介于北纬 4036 ～ 4103， 东经 10843 ～10857， 现有水域面积285. 38 km2， 其中芦 苇区面积为 118. 97 km2， 明水区面积为111. 13 km2， 明水区中 85. 7 km2为沉水植物密集区， 其余为沼泽 区。乌梁素海是内蒙古河套灌区灌排水系的重要组 成部分， 处于黄河河套平原末端， 属黄河内蒙段最大 的湖泊， 其补给来源 90 经总排干沟汇入乌梁素海 后， 由西山咀河口排入黄河 见图 1 ， 是当地农田退 水、 工业废水和生活污水的唯一承泄渠道， 每年汇入 乌梁素海的各种营养盐加速了乌梁素海的沼泽 化 ［10- 11 ］， 使乌梁素海成为我国中型湖泊中富营养化 水平较为严重的湖泊之一［12 ］。 图 1巴彦淖尔市河套灌区灌排系统 Fig．1Irrigation and drainage system of Hetao irrigation in Bayan Nur 1. 2材料与方法 按照我国水环境及湿地生态系统调查规范［8 ］， 根据乌梁素海污染源的分布和水动力特征［9 ］， 将乌 梁素海在空间上以 2 km 2 km 的正方形网格剖分， 利用网格的交点， 以梅花形布置 24 个水样监测点。 但由于乌梁素海的环境复杂， 水草、 芦苇各月分布情 况不同， 所以本文选每个月都能取到水样的点， 即 J11、 J13、 L11、 L15、 M12、 N13、 O10、 P9、 P11、 Q8、 Q10、 S6、 T5、 U4、 V3、 W2 共 16 个点的数据进行分析研究 见图 2 。取样时间为 20062010 年的 510 月 份， 每月取样 1 次， 每次取样点位置利用 GPS 定位。 图 2乌梁素海 局部 采样分布 Fig．2Locations of sampling sites in Lake Wuliangsuhai 叶绿素 a 测定采用丙酮萃取分光光度计法。取 721 环境工程 2013 年 8 月第 31 卷第 4 期 300 mL 水样用 What- man GP/C 微孔玻璃纤维滤膜抽 滤， 滤膜低温干燥后， 用 90 丙酮低温萃取， 离心后 取上清液测定光密度。实验方法和计算按规范进 行 ［13 ］。总氮测定采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光 度计法， 总磷采用钼锑抗分光光度计法进行测定。 2结果与讨论 2. 1乌梁素海水体中叶绿素 a 的时间变化 采用20062010 年 510 月各月取样点水体叶 绿素 a 浓度进行分析， 结果见图 3。由图 3 可看出 近 5 年乌梁素海水体中叶绿素 a 浓度随时间变化基本一 致， 呈现明显的季节分布， 即春季≈秋季 ＞ 夏季， 即 5 月、 6 月、 9 月、 10 月偏高， 7 月、 8 月偏低的趋势。最 高值出现在 2007 年 9 月， 均值为 9. 01 mg/m3， 最低值 出现在2010 年7 月， 均值为1. 80 mg/m3。这主要是由 于春灌秋浇期， 大量农田退水携带充足的氮、 磷等营养 盐进入乌梁素海， 使藻类在温度适宜的条件下迅速增 长繁殖， 而夏季北方地区雨量丰沛， 农作物基本不进行 浇灌， 外源营养盐含量相对较低， 不足以供应大量藻类 的生长需求， 导致夏季叶绿素 a 浓度偏低。 图 3乌梁素海各年叶绿素 a 浓度月均值随时间变化曲线 Fig． 3The monthly variation curve of chlorophyll- a in the Lake Wuliangsuhai during 20062010 year 2. 2乌梁素海水体中叶绿素 a 的空间变化 对20062010 年 16 个取样点所有月份取均值， 总氮、 总磷随空间变化如图 4 所示。分析结果表明 氮、 磷含量北部区较南部区浓度值较高， 主要由于排入 乌梁素海的工业废水、 农业废水及生活污水的 90是 经过 J11 点的总排干排入， 而南部区沿岸很少有污水 排入， 在湖水自北向南的运移过程中， 大量的营养物质 在途中已被水草和芦苇为主的生物吸收和降解， 从而 影响藻类的繁殖、 增长。这也导致了叶绿素 a 在乌梁 素海形成了十分明显的空间分布 图5 。即北部区 即 前6 个点 均值均大于7. 78 mg/m3， 而南部区 即后 10 个点 除 P9 点以外的9 个点均值均小于7. 78 mg/m3。 图 4各采样点 TN 和 TP 均值变化曲线 Fig．4The variation curve of the average concentration of TN and TP of sampling sites 图 5乌梁素海各采样点叶绿素 a 月均值变化曲线 Fig．5The monthly variation curve of chlorophyll- a in every sampling sites of Lake Wuliangsuhai 2. 3叶绿素 a 与总氮、 总磷浓度关系分析 浮游植物是湖泊中的初级生产者， 通过光合作用 将水体中的无机物转化为有机物。在这种物质转化 过程中， 水体中无机营养盐类的丰欠是影响浮游植物 光合生产的重要因素， 而浮游植物的生长状况又是影 响水体中营养盐类含量变化的主要因素， 作为浮游植 物体内主要色素的叶绿素 a， 其与营养盐的关系较为 复杂 ［14 ］。大量的研究结果都表明［15- 17 ］， 叶绿素 a 含 量的对数与总氮、 总磷含量的对数呈线性关系， 但直 线的斜率、 截距因水体影响因子的不同而有所差异。 采用 20062010 年每年 5 月份的数据对乌梁素海叶 821 环境工程 2013 年 8 月第 31 卷第 4 期 绿素 a 浓度与总氮、 总磷浓度相关关系进行分析， 建 立回归方程， 分析结果见表 1。 2006 年 5 月叶绿素 a 浓度与总氮、 总磷浓度之 间存在明显的关系， 相关系数分别为 0. 7450 和 0. 7596， 叶绿素 a 与总磷的相关性稍好于叶绿素 a 与 总氮的相关性; 2008 年 5 月叶绿素 a 浓度与总磷浓 度之间，2010 年 5 月叶绿素 a 浓度与总氮浓度之间 存在较明显的相关关系， 相关系数分别为 0. 5421 和 0. 5089。其他年份相关关系较小或无明显的相关 关系。 表 1叶绿素 a Chl． a 与总氮、 总磷浓度的相关关系 Table 1The correlation of Chlorophyll- a with TN and TP Concentrations 采样时间 Chl． a 与 TNChla 与 TP 线性回归方程相关系数 R2线性回归方程相关系数 R2 2006. 05lg Chl． a1. 1804lg TN0. 44680. 7450lg Chl． a2. 0538lg TP3. 10840. 7596 2007. 05lg Chl． a0. 9450lg TN0. 12170. 1349lg Chl． a0. 7516lg TP1. 49780. 4055 2008. 05lg Chl． a1. 1518lg TN－0. 18170. 3082lg Chl． a1. 3194lg TP1. 84610. 5421 2009. 05lg Chl． a0. 0411g TN0. 42010. 0007lg Chl． a0. 5795lg TP0. 72360. 2500 2010. 05lg Chl． a1. 1827lg TN0. 38810. 5089lg Chl． a0. 1056lg TP0. 44380. 0123 3结论 1 很多学者对湖泊叶绿素 a 浓度的时间分布的 研究表明春、 夏季含量较高， 秋、 冬季含量较低 ［16- 18 ］， 但本研究发现， 乌梁素海叶绿素 a 浓度在时间变化上 具有一定的特殊性， 其变化规律基本与氮磷随时间变 化规律一致为 9 月 ＞6 月 ＞5 月 ＞10 月 ＞7 月、 8 月， 这种现象主要原因是乌梁素海的来水以河套灌区的 农田退水为主， 在春灌秋浇期， 大量农田退水携带充 足的氮、 磷元素进入乌梁素海， 使藻类在温度适宜的 条件下迅速增长繁殖。 2 乌梁素海叶绿素 a 浓度在空间分布上北部区 大于南部区。这是由于大量的污水从北部的总排干 进入乌梁素海， 从南部的西山咀排出。在水自北向南 的运移过程中， 大量的营养物质在途中被以水草和芦 苇为主的生物吸收和降解， 氮、 磷元素浓度逐步降低。 3 乌梁素海叶绿素 a 浓度与总氮、 总磷浓度关系 分析表明， 大量营养盐的排入驱动叶绿素 a 浓度的增 加， 叶绿素 a 浓度与总氮、 总磷相关性小或无明显相 关的主要原因为外源排入氮磷元素相对减小， 而气温 逐渐增加， 藻类的生长吸收了大量的营养物质， 叶绿 素 a 浓度增加的同时氮磷营养元素浓度在减小， 故变 化呈现的不规律性影响相关性。 参考文献 ［1］金相灿， 屠清英． 湖泊富营养化调查规范［M］． 北京 中国环境 科学出版社， 1990 198- 210． ［2］金相灿． 中国湖泊富营养化［M］． 北京 中国环境科学出版社， 1990 31- 39． ［3］虞英杰， 蒋卫刚， 徐明芳． 基于 PSO 算法的 BP 神经网络对水体 叶绿素 a 的预测［J］ ． 环境科学研究， 2011， 24 5 526- 532． ［4］郭劲松， 陈园， 李哲， 等． 三峡小江回水区叶绿素 a 季节变化及其同 主要藻类的相互关系 ［ J］ ．环境科学， 2011， 32 4 976- 981． ［5］杨婷， 张慧， 王桥， 等． 基于 HJ － 1A 卫星超光谱数据的太湖叶 绿素 a 浓度及悬浮物浓度反演［J］． 环境科学， 2011， 32 11 3207- 3214． ［6］陈桥， 韩红娟， 翟水晶， 等． 太湖地区太阳辐射与水温的变化特 征及其对叶绿素 a 的影响［J］． 环境科学学报， 2009， 29 1 199- 206． ［7］曹金玲， 席北斗， 许其功， 等． 地理气候及湖盆形态对我国湖泊 营养状态的影响［ J］ ． 环境科学学报， 2012， 32 6 199- 206． ［8］陈晨， 杨桂朋， 高先池， 等． 胶州湾微表层和次表层海水中营养 盐的分布特征及富营养化研究［J］ ． 环境科学学报， 2012， 32 8 1856- 1865． ［9］李兴， 李畅游， 李卫平， 等． 基于地质统计学的内蒙古乌梁素海 氮素时空分布［J］． 中国农村水利水电， 2009， 44 37- 40． ［ 10］任春涛， 李畅游， 全占军， 等． 基于 GIS 的乌梁素海水体富营养化 状况的模糊模式识别［ J］ ． 环境科学研究， 2007， 20 3 68- 74． ［ 11］于瑞宏， 李畅游， 刘廷玺， 等． 乌梁素海湿地环境的演变［J］ ． 地 理学报， 2004， 59 6 948- 955． ［ 12］金相灿， 稻森悠平， 朴俊大， 等． 湖泊和湿地水环境生态修复技 术与管理指南［M］． 北京 科学出版社， 2007 70- 98． ［ 13］国家环保总局 水和废水监测分析方法 编委会． 水和废水监测 分析方法［ M］ ．4 版． 北京 中国环境科学出版社， 2002 670- 671． ［ 14］胡韧， 林秋奇， 段舜山， 等． 热带亚热带水库浮游植物叶绿素 a 与磷分布的特征［ J］ ． 中国环境监测， 2005， 21 4 69- 71． ［ 15］阮晓红， 石晓丹， 赵振华， 等． 苏州平原河网区浅水湖泊叶绿素 a 与环境因子的相关关系［ J］ ． 湖泊科学， 2008， 20 5 556- 562． ［ 16］任学蓉， 张宁惠． 沙湖水体富营养化限制因子分析［J］ ． 宁夏工 程技术， 2006， 5 3 288- 291． ［ 17］宋敬阳． 湖泊富营养化相关物理量的定量关系［J］ ． 中国环境 管理干部学院学报， 1999， 9 1 33- 36． ［ 18］钱天铭， 陈超， 程咏． 杭州西湖水体生态环境参数的相关关系 ［J］． 中国环境监测站， 2002 3 41- 44． 作者通信处王利明010018内蒙古呼和浩特市赛罕区昭乌达路 306 号水建院 E- maillimingw yahoo． com． cn 2012 －09 －26 收稿 921 环境工程 2013 年 8 月第 31 卷第 4 期