李培培,史 文,劉其根**,余元龍,何光喜,陳來生,任麗萍,洪榮華
(1:上海海洋大學(xué)農(nóng)業(yè)部水產(chǎn)種質(zhì)資源與利用重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室,上海201306)
(2:浙江杭州千島湖發(fā)展有限公司,杭州311700)
千島湖葉綠素a的時(shí)空分布及其與影響因子的相關(guān)分析*
李培培1,史 文1,劉其根1**,余元龍1,何光喜2,陳來生2,任麗萍2,洪榮華2
(1:上海海洋大學(xué)農(nóng)業(yè)部水產(chǎn)種質(zhì)資源與利用重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室,上海201306)
(2:浙江杭州千島湖發(fā)展有限公司,杭州311700)
為了解千島湖在大量放養(yǎng)鰱鳙魚后葉綠素a的時(shí)空分布格局及其與主要環(huán)境因子的相關(guān)性,本文于2007年1月至2009年12月對(duì)千島湖葉綠素a及其他10個(gè)水質(zhì)理化指標(biāo)進(jìn)行了每月定期采樣及監(jiān)測(cè).結(jié)果表明:上游河流區(qū)和過渡區(qū)葉綠素a含量存在明顯的季節(jié)變化,其共同特點(diǎn)是每年會(huì)形成春季和夏末秋初的雙高峰.葉綠素a含量在空間分布上具有一定的分異性,河流區(qū)葉綠素a含量明顯高于中下游區(qū)(過渡區(qū)和湖泊區(qū)).葉綠素a含量的最高峰通常出現(xiàn)在4-12m,最深出現(xiàn)在20m,春夏季出現(xiàn)明顯分層.千島湖葉綠素a與亞硝酸鹽氮(NO2-N)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、水溫(WT)和硅酸鹽(SiO2-3)呈低度相關(guān),與其他環(huán)境因子無顯著相關(guān)性或相關(guān)性很弱.多元逐步回歸分析結(jié)果顯示,千島湖葉綠素a與篩選出的幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)境因子之間的回歸方程為:Chl.a=0.114WT+2.120CODMn+17.157SiO2-3-37.391NO2-N-1.946.
千島湖;葉綠素a;時(shí)空分布;相關(guān)分析
湖泊、水庫的富營養(yǎng)化問題是當(dāng)前我國乃至全世界面臨的最主要水環(huán)境問題.在我國不僅太湖、滇池等高度富營養(yǎng)化的湖泊會(huì)經(jīng)常暴發(fā)藍(lán)藻水華[1-2],就連環(huán)境優(yōu)美水質(zhì)較好的千島湖,也曾于1998、1999年發(fā)生過大面積藍(lán)藻水華,這引起了廣大專家、學(xué)者對(duì)千島湖水環(huán)境問題的重視.由于葉綠素a是浮游植物現(xiàn)存量的重要指標(biāo)[3],其含量的高低能夠反映水體的營養(yǎng)狀況,因此,葉綠素a是湖泊富營養(yǎng)化調(diào)查的一個(gè)主要參數(shù),并且在水體富營養(yǎng)狀況評(píng)價(jià)中起關(guān)鍵性作用[4].開展葉綠素a的監(jiān)測(cè),對(duì)于了解千島湖水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀及演變趨勢(shì)具有重要意義.
近年來國內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)湖泊(水庫)中葉綠素a的分布對(duì)其與各種環(huán)境因子的相關(guān)性開展了深入的研究,得到的結(jié)果不盡相同:雖然大多數(shù)研究認(rèn)為葉綠素a(或其對(duì)數(shù))主要與總磷(或其對(duì)數(shù))呈線性相關(guān),但也有不少報(bào)道認(rèn)為兩者呈其他回歸關(guān)系[5-7];此外,也有葉綠素a與其他環(huán)境因子的相關(guān)性分析.雖然有關(guān)千島湖的葉綠素a及其與各環(huán)境因子間的相互關(guān)系曾有過一些研究,但這些研究主要集中于發(fā)生水華的1998-1999年及隨后的2000年[8-10].自2000年起千島湖開展了以鰱鳙魚放養(yǎng)為主要措施旨在預(yù)防控制藍(lán)藻水華和改善水質(zhì)的保水漁業(yè)試驗(yàn)后[11],千島湖的食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著的改變,水質(zhì)也得到了明顯的改善,特別是總磷下降明顯[12].這些食物網(wǎng)和水質(zhì)的雙重改變是否會(huì)影響到葉綠素a的分布及其與環(huán)境因子的相關(guān)性值得關(guān)注.而有關(guān)濾食性魚類(鰱、鳙)能否用于控制浮游植物以及改變?cè)孱惿锪颗c營養(yǎng)鹽之間的相關(guān)性在國內(nèi)外也仍存有爭(zhēng)議[13-16].因此,本文將重點(diǎn)對(duì)2007年1月-2009年12月千島湖葉綠素a濃度的動(dòng)態(tài)變化及其與環(huán)境因子的相關(guān)性進(jìn)行分析,旨在了解千島湖在大量放養(yǎng)鰱鳙魚后葉綠素a的時(shí)空分布特征及影響因子,從而了解千島湖初級(jí)生產(chǎn)力的現(xiàn)存狀況、發(fā)展趨勢(shì),合理評(píng)價(jià)保水漁業(yè)對(duì)千島湖水質(zhì)的中長期影響并為千島湖今后的水環(huán)境保護(hù)提供重要的依據(jù).
千島湖原名新安江水庫,是1959年新安江水庫大壩建成后形成的巨大人工湖,位于浙江省淳安縣境內(nèi)(29°22'-29°50'N,118°34'-119°15'E),正常水位 108m 時(shí),庫區(qū)面積 573m2,蓄水量 178.4 ×108m3,平均水深30.44m,多年平均入庫水量94.5×108m3,出庫水量為91.07×108m3,水體交換周期長達(dá)2年.千島湖水量主要來自地表徑流,共有大小入庫支流30余條,其中新安江是最主要的入庫地表徑流,約占入庫總徑流量的60%.
圖1 千島湖地形圖及采樣點(diǎn)Fig.1 Sampling stations and Map of Lake Qiandao
根據(jù)水庫自上而下常區(qū)分為河流區(qū)、過渡區(qū)和湖泊區(qū)的生態(tài)特點(diǎn)設(shè)置樣點(diǎn):河流區(qū)樣點(diǎn)宅上(1#),過渡區(qū)樣點(diǎn)溫馨島(3#),湖泊區(qū)樣點(diǎn)猴島(4#),姥山(8#)和密山(9#),它們分別位于千島湖的西北、中心和東南湖區(qū).采樣的具體位置分別用Garmin72型(中國臺(tái)灣產(chǎn))全球定位儀(GPS)進(jìn)行定位.
從2007年1月至2009年12月每月中旬采集水樣一次,根據(jù)各采樣點(diǎn)的水文特征及其水體深度,對(duì)各采樣點(diǎn)水樣進(jìn)行分層采集.其中 1#設(shè)定了七個(gè)水層(0.5、4、8、12、16、20、25m),4#設(shè)定了八個(gè)水層(0.5、4、8、12、16、20、25、30m),9#設(shè)定了十二個(gè)水層(0.5、4、8、12、16、20、25、30、35、40、45、50m),3#和 8#為(0.5、4、8、12、16、20、25、30m)分層采樣后再取混合水樣.
樣品采集方法按照《湖泊富營養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范》[17]進(jìn)行,監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要有水溫、pH、溶解氧(DO)、葉綠素a(Chl.a)、透明度(SD)、總氮(TN)、硝酸鹽氮(NO3-N)、亞硝酸鹽氮(NO2-N)、銨氮(NH4-N)、總磷(TP)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、硅酸鹽(SiO2-3)等.
透明度采用Secchi盤法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定,水溫和DO采用YSI-58型溶解氧測(cè)定儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定,pH值采用pH B-2型便攜式pH儀現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),其余項(xiàng)目于24小時(shí)內(nèi)在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行相關(guān)分析測(cè)定:Chl.a采用分光光度法分析[17];TN、TP采用國家地表水質(zhì)量監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行,其中 TN用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(GB 11894-89),TP測(cè)定采用磷鉬酸銨分光光度法(GB11893-89).其他指標(biāo)的測(cè)定采用《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》中的方法[18].
采用多元統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)及PASW Statistics 18(SPSS 18)軟件進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析、三因素方差分析和逐步回歸分析,使用美國GOLDEN軟件公司的Surfer進(jìn)行作圖.
圖2 千島湖各采樣點(diǎn)Chl.a含量的時(shí)間變化Fig.2 Temporal change of Chl.a in different sampling stations of Lake Qiandao
2.1.1 Chl.a濃度的時(shí)間分布 從冬季到春季,全湖的Chl.a含量逐漸上升.從區(qū)域分布上看,湖泊區(qū)除4#在2008年7月和2009年9月形成峰值外,8#和9#的Chl.a含量隨季節(jié)變化幅度不大,但河流區(qū)和過渡區(qū)(1#、3#)存在明顯的季節(jié)變化,其共同特點(diǎn)是每年會(huì)形成2個(gè)高峰,即春季的高峰和夏末秋初的高峰,冬季為全年最低.最高值出現(xiàn)在2008年7月溫馨島采樣點(diǎn)(3#),均值為10.7μg/L,最低值出現(xiàn)在2009年2月密山采樣點(diǎn)(9#),均值為0.33μg/L(圖2).
三因素方差分析表明,千島湖Chl.a含量在季節(jié)、年份、采樣點(diǎn)間均有極顯著差異,且季節(jié)與年份(P <0.001)、季節(jié)與采樣點(diǎn)(P <0.05)對(duì) Chl.a 均有交互作用,而年份與采樣點(diǎn)對(duì)Chl.a無交互作用(表1).2007年5個(gè)采樣點(diǎn)的Chl.a含量基本維持在1.06-2.48μg/L 之間,2008 年的變動(dòng)范圍在1.59-3.13μg/L之間,2009 年則在 1.27-2.62μg/L 之間.除4#和8#外,各樣點(diǎn)的Chl.a含量2008年最高,2009年次之.但4#和8#的 Chl.a含量在2009年最高,2008 年次之.各樣點(diǎn)Chl.a均是2007年最低(圖3).
2.1.2 Chl.a 濃度的水平分布Chl.a含量在空間分布上具有一定的分異性,即河流區(qū)Chl.a含量(1#)最高,過渡區(qū)(3#)次之,湖泊區(qū)(4#、8#和 9#)最低(圖3),這與其他理化指標(biāo)空間分布基本保持一致,且各采樣點(diǎn)的Chl.a含量差異極顯著(表1).
圖3 千島湖各采樣點(diǎn)Chl.a含量的比較Fig.3 Spatial changes of Chl.a content in different sampling stations of Lake Qiandao
表1 千島湖Chl.a含量季節(jié)、年份、采樣點(diǎn)的三因素方差分析Tab.1 Three-way ANOVA of season,year and sampling station for Chl.a content in Lake Qiandao
2.1.3 Chl.a濃度的垂直分布 千島湖2007-2009年各采樣點(diǎn)在4-11月Chl.a形成明顯且穩(wěn)定的分層現(xiàn)象.這種分層現(xiàn)象較大可能是伴隨著“溫躍層”的出現(xiàn)而出現(xiàn)的。千島湖葉綠素a的峰值普遍出現(xiàn)在4m以下,最深出現(xiàn)在20m。此外,河流區(qū)(1#)Chl.a的垂直分布情況在不同月份之間的變化較大,而湖泊區(qū)各點(diǎn)(4#、9#)不同月份的變化相對(duì)較小(圖4),這可能與湖泊區(qū)水體營養(yǎng)物含量較穩(wěn)定而上游河流段營養(yǎng)鹽隨入庫徑流量出現(xiàn)較大的月變動(dòng)有關(guān).
2.2.1 葉綠素與各理化因子之間的相關(guān)分析 湖水的理化因子對(duì)Chl.a含量有著間接或直接的影響.對(duì)2007-2009年Chl.a與湖水理化因子進(jìn)行相關(guān)分析,結(jié)果表明千島湖三年的Chl.a與NO2-N、CODMn、WT和呈低度相關(guān),其 r值分別為 0.364、0.486、0.498和0.362,與其他環(huán)境因子無顯著相關(guān)性或相關(guān)性很弱.
表2 千島湖Chl.a與環(huán)境因子的相關(guān)系數(shù)Tab.2 Correlation coefficients between Chl.a and environmental factors in Lake Qiandao
2.2.2 葉綠素與各理化因子之間的逐步回歸分析 千島湖三年間Chl.a含量與環(huán)境因子的逐步回歸分析,4個(gè)關(guān)鍵因子入選,回歸方程.千島湖Chl.a與WT、CODMn、都表現(xiàn)為正相關(guān),然而與TP沒有相關(guān)性.
從千島湖2007-2009年Chl.a的時(shí)間分布來看,總體上在一年中呈現(xiàn)出春秋高、冬季低的特點(diǎn);從年際看,三年中以2008年最高,2009年次之,2007年最低(圖2).每年的12月到次年的3月全湖月平均水溫為一年中最低,此時(shí)即便有大量外源營養(yǎng)鹽補(bǔ)充到水體中,也會(huì)因水溫過低嚴(yán)重抑制浮游植物生長,導(dǎo)致Chl.a含量在全年中最低.隨著春季來臨,水溫升高,光照適宜,浮游植物開始大量繁殖,尤其是河流區(qū)(1#)由于上游河流攜帶而來的營養(yǎng)鹽急劇增加,以及河流段相對(duì)升溫快,從而形成較為明顯的春季高峰.夏季光照和水溫均過大,反而抑制了浮游植物的繁殖,而隨著秋季的到來,光照開始減弱,更適于藻類光合作用,同時(shí),夏末初秋常受臺(tái)風(fēng)等影響,雨量增多,外源性營養(yǎng)物質(zhì)不斷輸入,使浮游植物生物量推向最高峰.本研究顯示Chl.a濃度與水溫的相關(guān)性顯著,這也從另一方面解釋了千島湖Chl.a時(shí)間分布上的這一特點(diǎn).
圖4 2007-2009年1#、4#、9#點(diǎn)位 Chl.a濃度垂直分布隨時(shí)間變化Fig.4 Vertical and temporal variation of Chl.a in sampling stations 1#,4#and 9#from 2007 to 2009
本研究證實(shí),夏季水體分層,也會(huì)導(dǎo)致Chl.a含量下降.從年際變化來看,2008年春夏季雨量多,增加了水體的上下對(duì)流,而2007、2009年夏季雨量相對(duì)較少,導(dǎo)致水體分層時(shí)間延長,進(jìn)而形成較穩(wěn)定的水體分層,從而底層營養(yǎng)鹽未能供應(yīng)到表層,最終導(dǎo)致兩年相對(duì)較低的生產(chǎn)力.2008年夏、秋季溫度雖然高于2007、2009年,但其特殊的強(qiáng)對(duì)流天氣(暴雨、臺(tái)風(fēng)、季風(fēng)等)影響水體分層而產(chǎn)生了一系列效應(yīng)[19-22],從而導(dǎo)致較高的生產(chǎn)力.
從空間分布特點(diǎn)來看,千島湖Chl.a含量變動(dòng)有空間上的異質(zhì)性,Chl.a含量從上游河流區(qū)到中下游區(qū)(過渡區(qū)和湖泊區(qū))依次減少,這符合一般水庫的特點(diǎn).另一方面,由于千島湖流域土地利用狀況及土壤類型對(duì)水質(zhì)影響相對(duì)較大,千島湖Chl.a含量在受人類活動(dòng)影響較大的區(qū)域要高于受人類活動(dòng)影響較小的區(qū)域[10].
千島湖Chl.a的垂直分布和溫度類似,每年能形成兩次類似于“溫躍層”的格局.在較深水域還有浮游植物的存在,Chl.a濃度的高峰值甚至出現(xiàn)在20m水層,其原因可能有以下兩方面:一是由于千島湖水體透明度高,最大值為11m,在較深的地方還有陽光照射能夠進(jìn)行光合作用;另一方面是由于全同溫期的出現(xiàn),水體垂直交換強(qiáng)度大,部分浮游植物被水流帶到更深的區(qū)域.而湖泊區(qū)Chl.a分布較河流區(qū)穩(wěn)定,也顯示出湖泊強(qiáng)大的生態(tài)凈化功能.
在淡水湖泊或水庫中,Chl.a含量或藻類的生長是由多因素控制的,一般地,影響藻類生長的因子主要有水動(dòng)力條件,氣象條件、營養(yǎng)鹽等[23].千島湖Chl.a含量和環(huán)境因子之間的相關(guān)性分析表明,各理化因子對(duì)千島湖Chl.a含量都有著直接或間接的影響,其中TN、WT 、與Chl.a的相關(guān)性較為明顯.從相關(guān)性分析可以看出,千島湖Chl.a與國內(nèi)外許多磷限制性湖泊存在著一定的差異,Chl.a含量容易受到上游新安江來水、人類活動(dòng)的影響,另外天氣狀況、降雨量以及水生生物(尤其是魚類)對(duì)Chl.a含量的分布起到不可忽視的作用.
3.2.2 千島湖Chl.a與TP的關(guān)系 磷是藻類生長的限制因子已經(jīng)多次在各類湖泊,甚至在千島湖中得到證實(shí)[4,9-10].呂喚春等[9]曾在1999-2000年對(duì)千島湖 Chl.a含量及理化因子進(jìn)行監(jiān)測(cè),結(jié)果表明影響千島湖Chl.a含量變化的主要因子有氮、磷、水溫、透明度和降水等,Chl.a含量與TN、TP之間的相關(guān)系數(shù)分別為0.250、0.450,藻類數(shù)量的增長受磷的影響較為明顯.自2000年在千島湖實(shí)施“保水漁業(yè)”措施,大量放養(yǎng)鰱鳙魚后,劉其根等[12]通過分析 2004 年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得到 Chl.a與 TN(r=0.473,P <0.01)、TP(r=0.443,P <0.01)之間有極顯著的正相關(guān)關(guān)系.本研究通過三年的數(shù)據(jù)分析得出千島湖氮元素的含量逐年上升,局部區(qū)域已達(dá)到國家Ⅵ-Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn),而磷元素含量呈現(xiàn)下降趨勢(shì),特別是磷酸鹽含量常低于國家檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn).2007-2009年以來,千島湖全湖TN∶TP值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于90,根據(jù)經(jīng)典的Liebig最小因子定律和目前國際上廣泛認(rèn)可的Redfield定律(藻類細(xì)胞組成的原子比率C∶N∶P=106∶16∶1),千島湖藻類生長的限制因子是總磷,這一矛盾可能主要與以下幾個(gè)因素有關(guān),如千島湖較大的縱寬比導(dǎo)致的縱向梯度和空間異質(zhì)性、濾食性鰱鳙為主的食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)以及其他環(huán)境因子對(duì)兩者關(guān)系的強(qiáng)烈干擾作用等;由于千島湖上中下游相距較遠(yuǎn),不但上游采樣點(diǎn)受地表徑流影響強(qiáng)烈,其響應(yīng)時(shí)間較短,且下游湖泊區(qū)水質(zhì)穩(wěn)定,易產(chǎn)生熱分層等而且其本底營養(yǎng)程度和食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)也都存在較大差異,這些因素均可能導(dǎo)致上下游Chl.a對(duì)營養(yǎng)鹽響應(yīng)的程度有很大差異,其疊加的結(jié)果可能使Chl.a與TP的相關(guān)性削弱.正常情況下對(duì)于千島湖這樣的大型水體而言,湖中藻類數(shù)量的變動(dòng)主要取決于繁殖和死亡兩個(gè)方面,而影響藻類繁殖的因素主要是水體營養(yǎng)鹽含量(即通常認(rèn)為的上行效應(yīng)),以及光照和水溫等理化因素;而導(dǎo)致藻類數(shù)量減少的主要因素則包括藻食生物(主要是浮游動(dòng)物和鰱、鳙)的多少(即下行效應(yīng))和是否發(fā)生藻類病害等[28],因此推斷鰱鳙等對(duì)藻類的濾食等“下行效應(yīng)”改變了Chl.a和TP的關(guān)系的可能性較大,這表明營養(yǎng)化程度相對(duì)較低的千島湖,其浮游植物可能更主要由藻食生物控制的(下行效應(yīng)),而不是受水體中的營養(yǎng)元素控制(上行效應(yīng)).千島湖自2000年以來,每年都要投放近百萬斤的鰱、鳙魚種,并且大量捕撈鳡魚等兇猛魚類,使得整個(gè)湖泊中的浮游植物生物量受鰱鳙魚的強(qiáng)烈控制,可能使Chl.a含量與TP相關(guān)性減弱,乃至不顯著.當(dāng)然,千島湖中葉綠素與TP不顯著相關(guān)的原因尚有待進(jìn)一步驗(yàn)證.
致謝:陳來生、余元龍幫助野外采樣,史文、任麗萍等參與環(huán)境指標(biāo)的測(cè)定,在此向他們表示衷心的感謝.
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Spatial and temporal distribution patterns of chlorophyll-a and the correlation analysis with environmental factors in Lake Qiandao
LI Peipei1,SHI Wen1,LIU Qigen1,YU Yuanlong1,HE Guangxi2,CHEN Laisheng2,REN Liping2&HONG Ronghua2
(1:Key Laboratory of Aquatic Genetic Resources and Utilization,Ministry of Agriculture,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,P.R.China)
(2:Hangzhou Qiandaohu Development Co.,ltd.,Hangzhou 311700,P.R.China)
The temporal and spatial distribution patterns of chlorophyll-a and its correlation with the main environmental factors were analyzed according to the monthly investigation from January,2007 to December,2009 in Lake Qiandao where a large number of silver carp and bighead carp stocked.Results showed that the concentration of chlorophyll-a in sampling stations located in the upper reach riverine and transitional zones of the reservoir showed a significant seasonal variations with two concentration peaks occurred in spring and late summer or early fall,respectively.The concentrations of chlorophyll-a in upstream sites(in the riverine and transitional zones)were significantly higher than those of downstream sites.The chlorophyll-a during the warm season was usually stratified with a concentration peak occurring at depths between 4m and 12m,occasionally at a depth of 20m.The result of correlation analysis showed a weak correlation between chlorophyll-a and NO2-N,CODMn,water temperature(WT)and silicate(SiO2-3),while no significant correlations of the chlorophyll-a were found with other environmental factors,especially with the TP in the water.The regression equation between chlorophyll-a and the correlated environmental factors could be expressed through the multiple linear stepwise regressions as:Chl.a=0.114 WT+2.120 CODMn+17.157 SiO2-3-37.391 NO2-N-1.946.
Lake Qiandao;chlorophyll-a;spatial and temporal distribution;correlation analysis
* 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(30670388,31072218)和上海市重點(diǎn)學(xué)科項(xiàng)目(Y1101)聯(lián)合資助.2010-09-03收稿;2010-12-03收修改稿.李培培,女,1986年生,碩士研究生;E-mail:peisimple@live.cn.
** 通訊作者;E-mail:qgliu@shou.edu.cn.