湖光岩玛珥湖叶绿素a与水质因子的相关分析及富营养化评价

张国维，黄翔鹄，李长玲，曾园园

（广东海洋大学水产学院，广东 湛江　524088）

湖光岩玛珥湖叶绿素a与水质因子的相关分析及富营养化评价

张国维，黄翔鹄，李长玲，曾园园

（广东海洋大学水产学院，广东 湛江524088）

2013年1～12月对湖光岩玛珥湖水体的叶绿素a和水质因子进行周年的逐月监测，探讨叶绿素a与水质因子的相关关系，并应用修正的卡尔森营养状态指数（TSI）对该湖泊的营养状态进行分析评价。结果表明，湖光岩玛珥湖水体叶绿素a含量的变化范围为1.08～4.22 μg·L-1。氮磷比年均值为20.9，磷为营养限制因子，氮、磷共同限制浮游植物的生长。影响叶绿素a含量的主动因子与叶绿素a之间的Pearson相关系数大小关系为：r（NH4+-N）＞ r（DO）＞ r（NO2--N）＞ r（TP）＞ r（TN）＞ r（NO3--N），其中NH4+-N与叶绿素a含量呈极显著正相关，r（NH4+-N）= 0.907，NH4+-N为调控该湖泊浮游植物生长最关键的水质因子。水体TSI 值的全年变化范围为34.6～48.0，其中1、2、3月的TSI ＜ 37，属贫营养型；而其他月份为38＜ TSI ＜ 53，属中营养型；从全年分布来看，湖光岩玛珥湖属贫-中营养型。

湖光岩玛珥湖，叶绿素a，水质因子，湖泊富营养化评价，卡尔森指数法

湖光岩玛珥湖（21°09'N，110°17'E）为世界上最大且保存完整的玛珥湖，湖平均水深约为12 m，最大深度约为22 m，面积为2.3 km2，是一个典型的亚热带小型湖泊，属于热带季风气候区，年均气温23℃，具有明显雨季与旱季，可作为研究玛珥湖生态学的理想场所［1］。湖泊富营养化是指湖泊水体逐步由较低生产力水平的贫营养状态向较高生产力水平的富营养状态变化的一种现象［2］。目前，湖泊富营养化现象已成为我国面临的重要生态环境问题之一。叶绿素 a是湖泊水体浮游植物生物量的重要指标，水体叶绿素a含量的高低能够反映水体的营养状况，所以常作为湖泊富营养化调查的一个主要参数。叶绿素 a与其他水质因子之间存在紧密的相互联系，研究叶绿素 a与水质因子之间的相关性，可以对水华的发生提供生态预警。已有学者对一些湖泊中的叶绿素a与水质因子之间的相关性进行了研究［3-8］，但对湖光岩玛珥湖的相关研究鲜有报道。湖泊生态系统具有结构复杂、多因素的特点，用单因素统计方法难以有效分析水体叶绿素a，因此常采用相关性显著且独立性强的多种因素进行多元回归分析来综合衡量叶绿素 a的变化规律。修正的卡尔森营养状态指数（TSIM）是基于叶绿素a的多因子营养评价指数，由于湖泊生态系统的富营养化是受多种因子影响的复杂过程，因此常将多个参数综合起来，采用TSIM进行湖泊水体的富营养化评价，通过多因子评价指数来更为全面地评价湖泊营养状况。

本研究通过2013年1～12月对湖光岩玛珥湖的逐月调查和监测数据，分析叶绿素a含量的周年变化特征，探讨叶绿素 a与水质因子之间的相互关系，并采用多元线性回归的方法建立叶绿素a与关键水质因子的数学模型，以达到采用水质因子预测叶绿素a含量的目的，为湖光岩玛珥湖富营养化的监测提供技术支持；同时采用修正的卡尔森营养状态指数（TSIM）法对湖光岩玛珥湖的营养状态进行了评价，以期为湖光岩玛珥湖水体富营养化的预防提供基础参数和理论依据。

1　材料与方法

1.1采样点与采样时间

根据地表水监测点位的布设原则［9］，并结合考虑湖光岩玛珥湖的水文环境的实际情况［10］，选取6个采样点站位（S1、S2、S3、S4、S5、S6）（图1）用于表征整个湖泊的水质情况。于2013年1月～2013年 12月每月中旬在湖光岩玛珥湖各采样点进行采样，每次采样于9:00～11:00进行，于水面下0.5 m处用采水器采集水样，完成后立即带回实验室作水化指标分析。

图1　湖光岩玛珥湖采样站位Fig.1　Sampling site of Huguangyan Maar Lake

1.2理化指标测定

水体中水温（WT）、pH、溶解氧（DO）用YSI 650 MDS型多参数水质监测仪（美国）现场测定，透明度（SD）采用塞氏圆盘法现场测定。总氮（TN）、总磷（TP）、氨氮（NH4+-N）、硝酸盐氮（NO3--N）、亚硝酸盐氮（NO2--N）的测定方法依据《湖泊富营养化调查规范》［11］和《水和废水监测分析方法》［12］的方法测定；水体叶绿素a（Chl-a）含量采用丙酮萃取分光光度法测定［13］；化学需氧量采用碱性高锰酸钾法（CODMn）测定［14］。

1.3数据统计方法

数据分析使用 SPSS（19.0版）统计软件和EXCEL软件，相关性分析采用Pearson相关系数双尾检验。

1.4营养状态指数及评价标准

利用叶绿素 a含量、透明度和总磷等 3个参数，采用修正的卡尔森营养状态指数（TSIM）法对湖光岩玛珥湖的营养状态进行评价。修正的卡尔森营养状态指数法采用0～100的一系列数字对湖泊营养状态分级，TSIM指数小于37的定义为贫营养，介于38～53之间为中营养，大于54为富营养［15］。根据已测定的湖光岩玛珥湖水体水质指标对其进行营养状态评价。

式中：TSIM（Chl-a）、TSIM（SD）、TSIM（TP）分别是以叶绿素 a、透明度、总磷为基准的营养状态指数，ρ（Chl-a）、l（SD）、ρ（TP）分别为叶绿素 a值（μg·L-1）、透明度（m）、总磷浓度（mg·L-1）。

2　结果与分析

2.1叶绿素a的时间变化特征

浮游植物依靠光合作用进行生长繁殖，而浮游植物的主要光合色素是叶绿素 a，因此水体中叶绿素 a含量是反映浮游植物生物量的一项重要指标［16］。通过对湖光岩玛珥湖水质因子的逐月调查和监测数据，结果表明，湖光岩玛珥湖水体叶绿素a含量具有明显的时间分布规律，并呈现出季节性变化。1月的叶绿素 a含量最低，仅为 1.08±0.12 μg·L-1；12月的叶绿素a含量达到最高值，为4.22±0.48 μg·L-1；叶绿素a含量全年均值为2.33±0.27 μg·L-1。按照季节划分，叶绿素a含量大小顺序为：秋季＞春季＞夏季＞冬季。

2.2水质因子的时间分布

表1可知，湖光岩玛珥湖水温全年变化范围为18.7～31.1℃，水温较为恒定，全年平均值为24.5℃；pH值全年变化范围为7.50～8.24，平均值为7.97，呈弱碱性，秋季的水体 pH值略高于其他季节；溶解氧含量变化范围为6.61～8.10 mg·L-1，全年平均值为7.30 mg·L-1，春季和秋季的溶解氧含量高于冬季和夏季的溶解氧含量，这与浮游植物的数量和光合作用强度有关；透明度变化范围为 3.4 ～4.0 m，平均值为3.7 m；水体CODMn浓度变化范围为2.59～4.85 mg·L-1，平均值为3.57 mg·L-1，依据我国地面水环境质量标准（GB 3838 - 2002），符合地表水环境质量II类水质标准的要求。

图2　湖光岩玛珥湖叶绿素a浓度月份变化Fig.2　Monthly variation of chlorophyll-a in Huguangyan Maar Lake

TN含量介于0.345～1.216 mg·L-1之间，全年均值为0.583 mg·L-1，最高值出现在12月，最低值出现在5月，春季低于其他季节，这与春季水生植物尤其是浮游藻类开始大量生长与繁殖，耗氮作用大于增氮作用有关。TP浓度变化范围为0.004 8 ～0.047 2 mg·L-1，全年均值为0.027 9 mg·L-1。依据我国地面水环境质量标准（GB 3838 - 2002），TN、TP浓度结果表明湖光岩玛珥湖水质介于II～III类水质标准之间。NH4+-N浓度变化范围为0.022～0.128 mg·L-1，夏季含量较低，而秋季含量较高；NO3--N浓度变化范围为0.114～0.726 mg·L-1；NO2--N浓度变化范围为0.0010～0.0060 mg·L-1，全年波动较小，浓度范围处于极低的水平。3种溶解态的浓度关系为：ρ（NO3-- N）＞ρ（NH4+- N）＞ρ（NO2-- N）。

表1　湖光岩玛珥湖水质因子的时间分布Table 1　water quality parameters of time distribution in Huguangyan Maar Lake

续表1（Continued）

2.3氮磷比

水体N、P含量及氮磷比（N/P）的大小可影响浮游植物的生长。根据Redfield定律的描述，浮游植物生长的最适N/P为16:1，若N/P ＞ 16∶1，P是限制性因素；若N/P ＜ 10:1时，则N是限制性因素；如果N/P在10～20之间时，则浮游植物生长的限制性因素不确定［17］。表1所示，湖光岩玛珥湖N/P在1、2、3、8、12月份较高，均远大于16∶1，说明这几个月中P是限制性因素；而7月份湖水的N/P ＜10∶1，说明7月份N为限制性因素；4、5、6月份的N/P介于10～20之间，说明这几个月的限制性因素不明确。9、10、11月份的N/P均接近16∶1，浮游植物生长受限制因素最小，说明秋季湖泊水体N/P最适合浮游植物生长，浮游植物生物量适宜大幅增加。全年N/P均值为20.9，表现为P是营养限制因子。但从全年N、P的绝对含量水平分析，N、P共同限制浮游植物的生长。

2.4叶绿素a与水质因子的相关分析

湖光岩玛珥湖叶绿素a含量和水质因子之间的Pearson相关系数及其双尾检验的显著性分析结果见表2。由表2可知，湖光岩玛珥湖Chl-a含量与pH、DO、NH4+-N间存在极显著正相关，与SD之间存在极显著负相关，与TN、TP、NO2--N之间存在显著正相关，而与NO3--N、CODMn存在较明显的正相关，与水温之间相关不显著。

表2　湖光岩玛珥湖叶绿素a含量与水质因子的相关系数Table 2　Correlation coefficients between chlorophyll-a and water quality parameters in Huguangyan Maar Lake

2.5叶绿素a与水质因子的多元回归模型建立

建立叶绿素a与众多水质因子之间多元回归方程能以最便捷的方式显现叶绿素a的变化规律，从而对水华的发生提供有效预警。分析可知，DO、NH4+- N、TN、TP、NO3-- N与Chl-a含量之间相关性显著，并且是响应Chl-a变化的主动因子，因而选择作为关键水质因子，通过多元线性回归建立与Chl-a之间响应关系的数学模型。从数值上看pH、CODMn与Chl-a存在显著正相关，但后者是因，前者是果。这是由于浮游植物生长旺盛的水体其 pH一般比较高，因为浮游植物可通过光合作用吸收水中的CO2，降低水体中溶解态碳酸盐；浮游植物光合作用可产生大量有机物，从而使水体 CODMn含量升高；透明度与叶绿素a之间的因果关系也是如此，浮游植物生物量升高会在一定程度上导致透明度降低。NO2--N含量处于极低水平，对浮游植物的生长限制影响很小，因此均不列入回归分析。综上所述，最终选择NH4+-N（x1）、DO（x2）、TP（x3）、TN（x4）、NO3--N（x5）这 5项水质因子作为自变量，以Chl-a（y）为因变量建立多元线性模型，经过计算分析得到多元回归方程：

方程通过显著性0.05的F检验，复相关系数（R2）为0.935，校正复相关系数（Adjusted R2）为0.881，表明方程与数据的拟合程度好，方程有效。回归模型的方差分析表明，F 值为 17.292，显著性概率是 0.002，表明回归极显著。利用回归方程计算得出Chl-a值与实测值进行对比（图3），计算值与实测值的线性方程为ˆy= 1.002 0 x - 0.004 5（R² =0.936 1），拟合度高，说明计算值与实测值很接近，通过多元线性回归方程得出的Chl-a计算值可以接受。

图3　Chl-a计算值与实测值之间相关性分析Fig.3　The correlation analysis between calculated value and measured value of Chl-a

2.6营养状态指数

湖光岩玛珥湖各月份TSIM值计算结果见表3，结果表明，湖泊水体的叶绿素a分指数TSIM（Chl-a）值变化范围为25.4～40.3，年均值为32.8。秋季的水体Chl-a含量最高，相应的TSIM（Chl-a）值也表现秋季最高，按照营养状态分级标准［11］，单从Chl-a含量评价，秋季属于中营养，其他季节属于贫营养，全年均值来看属于贫营养。透明度分指数TSIM（SD）值变化范围为 41.7～44.9，年均值为43.1。湖光岩玛珥湖水体透明度在秋季最小，相应的TSIM（SD）值也表现秋季最高，单从SD评价，全年属于中营养。总磷分指数TSIM（TP）值变化范围为 30.8～59.5，平均值为 50.3，全年波动较大。秋季总磷最高，相应的 TSIM（TP）值也表现秋季最高，单从TP评价，2月、3月属于贫营养，而全年均值属于中营养。卡尔森营养状态综合指数TSI 值的变化范围为34.6～48.0，其水体富营养化程度较低的月份是1、2、3月，TSI ＜ 37，属贫营养型；其他月份TSI 值均介于38～53之间，为中营养型。按全年分布来看，湖光岩玛珥湖属贫-中营养型。

表3　湖光岩玛珥湖各水质指标TSIM值月份变化Table 3　Monthly variation of TSIMfor water quality indicators

3　讨　论

湖光岩玛珥湖是一个封闭式、面积小、结构简单且较深的湖泊生态系统，也是世界地质公园、国家AAAA级旅游景区和国家级风景名胜区，生态环境优良，湖周围没有明显的外来污水污染，因而其水文环境较为稳定。经研究表明，Chl-a及其他理化因子的平面分布除中心站位（S6）相对较低外，其他各站位的水质因子分布较均匀。因此在讨论Chl-a含量、其他水质因子以及营养状态评价的时候，为了更客观、更全面地反映出湖光岩玛珥湖的整体水质现状，取每个月的均值进行分析。

3.1湖光岩玛珥湖水体叶绿素 a与水质因子的相关关系

本研究Pearson相关分析结果表明，Chl-a含量与 pH呈极显著正相关，相关系数为0.729，pH对湖泊的初级生产力有相当显著的影响，一般情况下，浮游植物生长旺盛的水域，水体pH比较高，这主要由于浮游植物通过光合作用吸收水中的CO2，并释放出O2［18］。因此pH是Chl-a含量的被动因子，并非湖光岩玛珥湖浮游植物生长的限制性因子。

DO是浮游植物繁殖的一个重要条件，也是浮游植物代谢过程中的重要能源物质［20］。湖光岩玛珥湖Chl-a含量与DO呈极显著的正相关关系，相关系数为 0.737。 Chl-a含量越高，说明其浮游植物数量越多，浮游植物在光合作用中释放氧分子也越多，进而使水体中DO含量增加，而DO含量的升高也会促进浮游植物的生长。

Chl-a含量与SD呈极显著的负相关关系，相关系数为-0.851。Chl-a含量越高，说明其浮游植物数量越多，并增加水体中悬浮物的数量，其SD就越低。

Chl-a含量与CODMn相关关系较显著，相关系数为0.551。浮游植物光合作用可产生大量有机物，从而使水体 CODMn含量升高［5］。因此，CODMn也是Chl-a的被动因子，说明有机物不是该湖泊浮游植物生长的制约因素。

水温通过对影响浮游植物的酶活性而调节光合作用与呼吸代谢速率，进而影响Chl-a含量。对湖光岩玛珥湖水体Chl-a含量与水温进行相关分析表明，Chl-a含量与WT之间相关不显著。湖光岩玛珥湖属热带海洋性季风气候，水温全年变化不明显，水温不是影响该湖浮游植物生物量的关键因子。

氮、磷营养盐是浮游植物生长的必需营养条件和主要调控因子，其浓度的变化可以显著影响浮游植物的生物量，叶绿素a作为浮游植物的主要成分，其与氮、磷营养盐的关系较为复杂［20-21］。国际经济与合作发展组织（OECD）为研究 Chl-a含量与水质因子之间的相关关系，在北欧进行了264次水体实验，结果表明水体中磷为唯一主导因子的占80%，氮为唯一主导因子的占11%，其余9%的水体为氮、磷共同作用［22］。

本研究结果，湖光岩玛珥湖水体Chl-a含量与TN、TP之间存在显著正相关，表明该湖泊中浮游植物生长受氮、磷的共同限制。Chl-a含量与NH4+-N之间存在极显著正相关，其相关系数高达0.907，表明浮游植物生物量与NH4+-N浓度关系极为密切，随着NH4+-N浓度的升高，浮游植物生物量也显著增加。浮游植物需要吸收利用水体中的NH4+-N、NO2--N和NO3--N，通过光合作用合成细胞所需要的氨基酸等生物物质［5］，有研究表明，NH4+-N 是浮游植物最喜好的氮形态，因为吸收NH4+-N所消耗的能量最少［23］。

3.2湖光岩玛珥湖营养状态现状

从全年来看，湖光岩玛珥湖水体的各项卡尔森营养状态分指数不同，各项 TSIM分指数值关系为：TSIM（TP）＞ TSIM（SD）＞ TSIM（Chl-a）（表3），从卡尔森营养状态评价分析，湖光岩玛珥湖水体Chl-a含量较低，属于贫营养状态，而透明度和总磷的分指数已处于中营养状态。在不同季节中，秋季时TN、TP、NH4+-N含量以及CODMn浓度均高于其他季节，且秋季的氮磷比均接近 16∶1，浮游植物生长受营养限制因素最小，最适合浮游植物生长，浮游植物生物量也较高，其Chl-a含量也较高，相应的，表现出秋季的营养指数TSI值高于其他季节。

卡尔森营养状态综合指数（TSI）作为综合指标，融合了水质评价的 3个最关键的内容：Chl-a、TP、SD。研究表明，虽然TSIM（TP）、TSIM（SD）、TSIM（Chl-a）大小不同，但从季节变化来看，各项营养指数的总体变化趋势相同，可以准确反映出该湖泊的营养状态，因此，采用修正的卡尔森营养状态指数作为湖光岩玛珥湖水质营养状态的评价方法是适合的。

3.3湖光岩玛珥湖水质探讨与保护策略

相比我国其他地区的大部分湖泊，湖光岩玛珥湖叶绿素 a含量较低，全年均值仅为 2.33 ±0.27 μg·L-1，其他营养盐水质因子也处于较低水平，尚未构成湖泊浮游植物过度生长和繁殖的水质条件，按照叶绿素a含量划分营养状态的原则，该湖泊水质良好，没有出现富营养化的迹象。

本研究通过对湖光岩玛珥湖Chl-a和其他水质因子的周年调查，利用Pearson相关系数研究了影响其浮游植物生物量的关键水质因子。结果表明：影响 Chl-a含量的主动因子是 DO、TN、TP、NH4+-N、NO2--N、NO3--N，它们与 Chl-a之间的Pearson相关系数大小关系为r（NH4+- N）＞ r（DO）＞ r（NO2--N）＞ r（TP）＞ r（TN）＞ r（NO3--N）；Chl-a含量的被动因子是pH、SD、CODMn。考虑到DO也是重要的水质指标，水质好的湖泊水体其DO也相对较高。因此，防控湖光岩玛珥湖发生富营养化最关键的是控制该湖泊 N、P的浓度，尤其是NH4+-N与浮游植物生长呈极显著正相关关系（r = 0.907），NH4+-N是该湖泊发生水华的最为关键的营养限制因子。

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（责任编辑：陈庄）

Correlation Analysis between Chlorophylla and Water Quality Indices in Huguangyan Maar Lake and Its Eutrophication Evaluation

ZHANG Guo-wei，HUANG Xiang-hu，LI Chang-ling，ZENG Yuan-yuan
（Fisheries College，Guangdong Ocean University，Zhanjiang 524088，China）

The monthly monitoring data for chlorophyll-a and other water quality parameters in the Huguangyan Maar Lake from January to December in 2013 was collected in oder to explore the correlation between chlorophyll-a and water quality parameters and to analyze and evaluate the nutritional states of the lake by using modified carlson trophic state index..The results showed that the content of chlorophyll-a varied between the range of 1.08-4.22 μg·L-1.The ratio of N/P for annual average was 20.9，which indicated that Phosphorus was a nutrient limiting factor.But both N and P were limiting factors of nutrition based on the absolute value of N and P.The Pearson correlation coefficient between chlorophyll-a and other water quality parameters was as follows:r（NH4+-N）＞ r（DO）＞ r（NO2--N）＞ r（TP）＞ r（TN）＞ r（NO3--N）.The NH4+-N were very significant positive correlation with the content of chlorophyll-a（r = 0.907）whichsuggested that NH4+-N was the most critical water quality parameter which regulating the lake phytoplankton growth.Water TSI value ranged from 34.6 to48.0.TSI value were Less than 37 in January，February，March，which belonged to oligonucleotides nutrient.In other months，TSI value varied between 38 and 53，which belonged to medium nutrient.From the point of distribution throughout the year，Huguangyan Maar Lake belonged tooligonucleotides- medium.

the Huguangyan Maar Lake； chlorophyll-a；water quality parameters；evaluation of lake eutrophication；carlson trophicstate index

Q948.8

A

1673-9159（2015）01-0069-07

2014-12-28

张国维（1988-），男，硕士，从事水域生态学研究。E-mail:twzhangguowei@126.com

黄翔鹄（1962-），男，教授。E-mail:hxh166@126.com