千岛湖叶绿素a的时空分布及其与影响因子的相关分析*

李培培，史 文，刘其根＊＊，余元龙，何光喜，陈来生，任丽萍，洪荣华

(1:上海海洋大学农业部水产种质资源与利用重点开放实验室，上海201306)

(2:浙江杭州千岛湖发展有限公司，杭州311700)

千岛湖叶绿素a的时空分布及其与影响因子的相关分析*

李培培1，史 文1，刘其根1＊＊，余元龙1，何光喜2，陈来生2，任丽萍2，洪荣华2

(1:上海海洋大学农业部水产种质资源与利用重点开放实验室，上海201306)

(2:浙江杭州千岛湖发展有限公司，杭州311700)

为了解千岛湖在大量放养鲢鳙鱼后叶绿素a的时空分布格局及其与主要环境因子的相关性，本文于2007年1月至2009年12月对千岛湖叶绿素a及其他10个水质理化指标进行了每月定期采样及监测.结果表明:上游河流区和过渡区叶绿素a含量存在明显的季节变化，其共同特点是每年会形成春季和夏末秋初的双高峰.叶绿素a含量在空间分布上具有一定的分异性，河流区叶绿素a含量明显高于中下游区(过渡区和湖泊区).叶绿素a含量的最高峰通常出现在4-12m，最深出现在20m，春夏季出现明显分层.千岛湖叶绿素a与亚硝酸盐氮(NO2-N)、高锰酸盐指数(CODMn)、水温(WT)和硅酸盐(SiO2－3)呈低度相关，与其他环境因子无显著相关性或相关性很弱.多元逐步回归分析结果显示，千岛湖叶绿素a与筛选出的几个关键环境因子之间的回归方程为:Chl.a=0.114WT+2.120CODMn+17.157SiO2－3－37.391NO2-N－1.946.

千岛湖;叶绿素a;时空分布;相关分析

湖泊、水库的富营养化问题是当前我国乃至全世界面临的最主要水环境问题.在我国不仅太湖、滇池等高度富营养化的湖泊会经常暴发蓝藻水华［1-2］，就连环境优美水质较好的千岛湖，也曾于1998、1999年发生过大面积蓝藻水华，这引起了广大专家、学者对千岛湖水环境问题的重视.由于叶绿素a是浮游植物现存量的重要指标［3］，其含量的高低能够反映水体的营养状况，因此，叶绿素a是湖泊富营养化调查的一个主要参数，并且在水体富营养状况评价中起关键性作用［4］.开展叶绿素a的监测，对于了解千岛湖水环境质量现状及演变趋势具有重要意义.

近年来国内外很多学者对湖泊(水库)中叶绿素a的分布对其与各种环境因子的相关性开展了深入的研究，得到的结果不尽相同:虽然大多数研究认为叶绿素a(或其对数)主要与总磷(或其对数)呈线性相关，但也有不少报道认为两者呈其他回归关系［5-7］;此外，也有叶绿素a与其他环境因子的相关性分析.虽然有关千岛湖的叶绿素a及其与各环境因子间的相互关系曾有过一些研究，但这些研究主要集中于发生水华的1998-1999年及随后的2000年［8-10］.自2000年起千岛湖开展了以鲢鳙鱼放养为主要措施旨在预防控制蓝藻水华和改善水质的保水渔业试验后［11］，千岛湖的食物网结构发生了显著的改变，水质也得到了明显的改善，特别是总磷下降明显［12］.这些食物网和水质的双重改变是否会影响到叶绿素a的分布及其与环境因子的相关性值得关注.而有关滤食性鱼类(鲢、鳙)能否用于控制浮游植物以及改变藻类生物量与营养盐之间的相关性在国内外也仍存有争议［13-16］.因此，本文将重点对2007年1月-2009年12月千岛湖叶绿素a浓度的动态变化及其与环境因子的相关性进行分析，旨在了解千岛湖在大量放养鲢鳙鱼后叶绿素a的时空分布特征及影响因子，从而了解千岛湖初级生产力的现存状况、发展趋势，合理评价保水渔业对千岛湖水质的中长期影响并为千岛湖今后的水环境保护提供重要的依据.

1 研究方法

1.1 研究地区概况

千岛湖原名新安江水库，是1959年新安江水库大坝建成后形成的巨大人工湖，位于浙江省淳安县境内(29°22'-29°50'N，118°34'-119°15'E)，正常水位 108m 时，库区面积 573m2，蓄水量 178.4 ×108m3，平均水深30.44m，多年平均入库水量94.5×108m3，出库水量为91.07×108m3，水体交换周期长达2年.千岛湖水量主要来自地表径流，共有大小入库支流30余条，其中新安江是最主要的入库地表径流，约占入库总径流量的60%.

图1 千岛湖地形图及采样点Fig.1 Sampling stations and Map of Lake Qiandao

1.2 采样点设置

根据水库自上而下常区分为河流区、过渡区和湖泊区的生态特点设置样点:河流区样点宅上(1#)，过渡区样点温馨岛(3#)，湖泊区样点猴岛(4#)，姥山(8#)和密山(9#)，它们分别位于千岛湖的西北、中心和东南湖区.采样的具体位置分别用Garmin72型(中国台湾产)全球定位仪(GPS)进行定位.

1.3 样品采集和处理

从2007年1月至2009年12月每月中旬采集水样一次，根据各采样点的水文特征及其水体深度，对各采样点水样进行分层采集.其中 1#设定了七个水层(0.5、4、8、12、16、20、25m)，4#设定了八个水层(0.5、4、8、12、16、20、25、30m)，9#设定了十二个水层(0.5、4、8、12、16、20、25、30、35、40、45、50m)，3#和 8#为(0.5、4、8、12、16、20、25、30m)分层采样后再取混合水样.

样品采集方法按照《湖泊富营养化调查规范》［17］进行，监测项目主要有水温、pH、溶解氧(DO)、叶绿素a(Chl.a)、透明度(SD)、总氮(TN)、硝酸盐氮(NO3-N)、亚硝酸盐氮(NO2-N)、铵氮(NH4-N)、总磷(TP)、高锰酸盐指数(CODMn)、硅酸盐(SiO2-3)等.

透明度采用Secchi盘法现场测定，水温和DO采用YSI-58型溶解氧测定仪现场测定，pH值采用pH B-2型便携式pH仪现场监测，其余项目于24小时内在实验室里进行相关分析测定:Chl.a采用分光光度法分析［17］;TN、TP采用国家地表水质量监测标准进行，其中 TN用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(GB 11894-89)，TP测定采用磷钼酸铵分光光度法(GB11893-89).其他指标的测定采用《水和废水监测分析方法》中的方法［18］.

1.4 统计分析和作图

采用多元统计分析技术及PASW Statistics 18(SPSS 18)软件进行Pearson相关性分析、三因素方差分析和逐步回归分析，使用美国GOLDEN软件公司的Surfer进行作图.

2 结果

2.1 Chl.a 的时空分布

图2 千岛湖各采样点Chl.a含量的时间变化Fig.2 Temporal change of Chl.a in different sampling stations of Lake Qiandao

2.1.1 Chl.a浓度的时间分布 从冬季到春季，全湖的Chl.a含量逐渐上升.从区域分布上看，湖泊区除4#在2008年7月和2009年9月形成峰值外，8#和9#的Chl.a含量随季节变化幅度不大，但河流区和过渡区(1#、3#)存在明显的季节变化，其共同特点是每年会形成2个高峰，即春季的高峰和夏末秋初的高峰，冬季为全年最低.最高值出现在2008年7月温馨岛采样点(3#)，均值为10.7μg/L，最低值出现在2009年2月密山采样点(9#)，均值为0.33μg/L(图2).

三因素方差分析表明，千岛湖Chl.a含量在季节、年份、采样点间均有极显著差异，且季节与年份(P ＜0.001)、季节与采样点(P ＜0.05)对 Chl.a 均有交互作用，而年份与采样点对Chl.a无交互作用(表1).2007年5个采样点的Chl.a含量基本维持在1.06-2.48μg/L 之间，2008 年的变动范围在1.59-3.13μg/L之间，2009 年则在 1.27-2.62μg/L 之间.除4#和8#外，各样点的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.各样点Chl.a均是2007年最低(图3).

2.1.2 Chl.a 浓度的水平分布Chl.a含量在空间分布上具有一定的分异性，即河流区Chl.a含量(1#)最高，过渡区(3#)次之，湖泊区(4#、8#和 9#)最低(图3)，这与其他理化指标空间分布基本保持一致，且各采样点的Chl.a含量差异极显著(表1).

图3 千岛湖各采样点Chl.a含量的比较Fig.3 Spatial changes of Chl.a content in different sampling stations of Lake Qiandao

表1 千岛湖Chl.a含量季节、年份、采样点的三因素方差分析Tab.1 Three-way ANOVA of season，year and sampling station for Chl.a content in Lake Qiandao

2.1.3 Chl.a浓度的垂直分布 千岛湖2007-2009年各采样点在4-11月Chl.a形成明显且稳定的分层现象.这种分层现象较大可能是伴随着“温跃层”的出现而出现的。千岛湖叶绿素a的峰值普遍出现在4m以下，最深出现在20m。此外，河流区(1#)Chl.a的垂直分布情况在不同月份之间的变化较大，而湖泊区各点(4#、9#)不同月份的变化相对较小(图4)，这可能与湖泊区水体营养物含量较稳定而上游河流段营养盐随入库径流量出现较大的月变动有关.

2.2 Chl.a含量的变化与主要理化因子的相关性

2.2.1 叶绿素与各理化因子之间的相关分析 湖水的理化因子对Chl.a含量有着间接或直接的影响.对2007-2009年Chl.a与湖水理化因子进行相关分析，结果表明千岛湖三年的Chl.a与NO2-N、CODMn、WT和呈低度相关，其 r值分别为 0.364、0.486、0.498和0.362，与其他环境因子无显著相关性或相关性很弱.

表2 千岛湖Chl.a与环境因子的相关系数Tab.2 Correlation coefficients between Chl.a and environmental factors in Lake Qiandao

2.2.2 叶绿素与各理化因子之间的逐步回归分析 千岛湖三年间Chl.a含量与环境因子的逐步回归分析，4个关键因子入选，回归方程.千岛湖Chl.a与WT、CODMn、都表现为正相关，然而与TP没有相关性.

3 讨论与分析

3.1 Chl.a 含量的时空分布特点

从千岛湖2007-2009年Chl.a的时间分布来看，总体上在一年中呈现出春秋高、冬季低的特点;从年际看，三年中以2008年最高，2009年次之，2007年最低(图2).每年的12月到次年的3月全湖月平均水温为一年中最低，此时即便有大量外源营养盐补充到水体中，也会因水温过低严重抑制浮游植物生长，导致Chl.a含量在全年中最低.随着春季来临，水温升高，光照适宜，浮游植物开始大量繁殖，尤其是河流区(1#)由于上游河流携带而来的营养盐急剧增加，以及河流段相对升温快，从而形成较为明显的春季高峰.夏季光照和水温均过大，反而抑制了浮游植物的繁殖，而随着秋季的到来，光照开始减弱，更适于藻类光合作用，同时，夏末初秋常受台风等影响，雨量增多，外源性营养物质不断输入，使浮游植物生物量推向最高峰.本研究显示Chl.a浓度与水温的相关性显著，这也从另一方面解释了千岛湖Chl.a时间分布上的这一特点.

图4 2007-2009年1#、4#、9#点位 Chl.a浓度垂直分布随时间变化Fig.4 Vertical and temporal variation of Chl.a in sampling stations 1#，4#and 9#from 2007 to 2009

本研究证实，夏季水体分层，也会导致Chl.a含量下降.从年际变化来看，2008年春夏季雨量多，增加了水体的上下对流，而2007、2009年夏季雨量相对较少，导致水体分层时间延长，进而形成较稳定的水体分层，从而底层营养盐未能供应到表层，最终导致两年相对较低的生产力.2008年夏、秋季温度虽然高于2007、2009年，但其特殊的强对流天气(暴雨、台风、季风等)影响水体分层而产生了一系列效应［19-22］，从而导致较高的生产力.

从空间分布特点来看，千岛湖Chl.a含量变动有空间上的异质性，Chl.a含量从上游河流区到中下游区(过渡区和湖泊区)依次减少，这符合一般水库的特点.另一方面，由于千岛湖流域土地利用状况及土壤类型对水质影响相对较大，千岛湖Chl.a含量在受人类活动影响较大的区域要高于受人类活动影响较小的区域［10］.

千岛湖Chl.a的垂直分布和温度类似，每年能形成两次类似于“温跃层”的格局.在较深水域还有浮游植物的存在，Chl.a浓度的高峰值甚至出现在20m水层，其原因可能有以下两方面:一是由于千岛湖水体透明度高，最大值为11m，在较深的地方还有阳光照射能够进行光合作用;另一方面是由于全同温期的出现，水体垂直交换强度大，部分浮游植物被水流带到更深的区域.而湖泊区Chl.a分布较河流区稳定，也显示出湖泊强大的生态净化功能.

3.2 影响千岛湖Chl.a含量及其时空动态的主要环境因子

在淡水湖泊或水库中，Chl.a含量或藻类的生长是由多因素控制的，一般地，影响藻类生长的因子主要有水动力条件，气象条件、营养盐等［23］.千岛湖Chl.a含量和环境因子之间的相关性分析表明，各理化因子对千岛湖Chl.a含量都有着直接或间接的影响，其中TN、WT 、与Chl.a的相关性较为明显.从相关性分析可以看出，千岛湖Chl.a与国内外许多磷限制性湖泊存在着一定的差异，Chl.a含量容易受到上游新安江来水、人类活动的影响，另外天气状况、降雨量以及水生生物(尤其是鱼类)对Chl.a含量的分布起到不可忽视的作用.

3.2.2 千岛湖Chl.a与TP的关系 磷是藻类生长的限制因子已经多次在各类湖泊，甚至在千岛湖中得到证实［4，9-10］.吕唤春等［9］曾在1999-2000年对千岛湖 Chl.a含量及理化因子进行监测，结果表明影响千岛湖Chl.a含量变化的主要因子有氮、磷、水温、透明度和降水等，Chl.a含量与TN、TP之间的相关系数分别为0.250、0.450，藻类数量的增长受磷的影响较为明显.自2000年在千岛湖实施“保水渔业”措施，大量放养鲢鳙鱼后，刘其根等［12］通过分析 2004 年监测数据得到 Chl.a与 TN(r=0.473，P ＜0.01)、TP(r=0.443，P ＜0.01)之间有极显著的正相关关系.本研究通过三年的数据分析得出千岛湖氮元素的含量逐年上升，局部区域已达到国家Ⅵ-Ⅴ类水标准，而磷元素含量呈现下降趋势，特别是磷酸盐含量常低于国家检测标准.2007-2009年以来，千岛湖全湖TN∶TP值远远大于90，根据经典的Liebig最小因子定律和目前国际上广泛认可的Redfield定律(藻类细胞组成的原子比率C∶N∶P=106∶16∶1)，千岛湖藻类生长的限制因子是总磷，这一矛盾可能主要与以下几个因素有关，如千岛湖较大的纵宽比导致的纵向梯度和空间异质性、滤食性鲢鳙为主的食物网结构以及其他环境因子对两者关系的强烈干扰作用等;由于千岛湖上中下游相距较远，不但上游采样点受地表径流影响强烈，其响应时间较短，且下游湖泊区水质稳定，易产生热分层等而且其本底营养程度和食物网结构也都存在较大差异，这些因素均可能导致上下游Chl.a对营养盐响应的程度有很大差异，其叠加的结果可能使Chl.a与TP的相关性削弱.正常情况下对于千岛湖这样的大型水体而言，湖中藻类数量的变动主要取决于繁殖和死亡两个方面，而影响藻类繁殖的因素主要是水体营养盐含量(即通常认为的上行效应)，以及光照和水温等理化因素;而导致藻类数量减少的主要因素则包括藻食生物(主要是浮游动物和鲢、鳙)的多少(即下行效应)和是否发生藻类病害等［28］，因此推断鲢鳙等对藻类的滤食等“下行效应”改变了Chl.a和TP的关系的可能性较大，这表明营养化程度相对较低的千岛湖，其浮游植物可能更主要由藻食生物控制的(下行效应)，而不是受水体中的营养元素控制(上行效应).千岛湖自2000年以来，每年都要投放近百万斤的鲢、鳙鱼种，并且大量捕捞鳡鱼等凶猛鱼类，使得整个湖泊中的浮游植物生物量受鲢鳙鱼的强烈控制，可能使Chl.a含量与TP相关性减弱，乃至不显著.当然，千岛湖中叶绿素与TP不显著相关的原因尚有待进一步验证.

致谢:陈来生、余元龙帮助野外采样，史文、任丽萍等参与环境指标的测定，在此向他们表示衷心的感谢.

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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

＊ 国家自然科学基金项目(30670388，31072218)和上海市重点学科项目(Y1101)联合资助.2010-09-03收稿;2010-12-03收修改稿.李培培，女，1986年生，硕士研究生;E-mail:peisimple@live.cn.

＊＊ 通讯作者;E-mail:qgliu@shou.edu.cn.