白洋淀湖泊叶绿素a对水位周期波动的响应*

王艳丽，王　飞

(1. 高平市环境保护监测站，山西 高平 030027； 2. 山西大学 实验中心，山西 太原 030006)



白洋淀湖泊叶绿素a对水位周期波动的响应*

王艳丽1，王飞2

(1. 高平市环境保护监测站，山西 高平 030027； 2. 山西大学 实验中心，山西 太原 030006)

摘要:浅水湖泊水体叶绿素a对水文周期波动的响应是生态补水调控的重要研究内容. 本研究选取了2007～2008年白洋淀补水入湖口南留庄和湖心王家寨两个监测点日水位变化和月叶绿素a浓度两类时间序列数据. 首先，基于小波功率谱和小波总体方差对湖泊水位波动周期进行了划分，并选取228天的周期结构将研究期划分为水位正负相位交替变化的5个时间段； 其次，分别对两站点不同水文周期内水位和叶绿素a浓度变化规律进行了统计分析； 最后，基于单样本独立t-test分析了各站点水位之间和叶绿素a浓度之间的差异性，揭示了正负相位波动下湖泊叶绿素a对水位波动的响应在湖泊中心王家寨站点具有显著性. 本研究结果可为浅水湖泊实施生态补水提供理论参考和实践指导.

关键词:叶绿素a； 水位周期； 小波分析； 白洋淀湖泊

随着世界范围内水资源紧缺问题的日益突出，水利工程、 水体污染、 水资源的过度开发及由此引发的水生态退化问题成为河湖流域所面临的共性问题[1]. 其中，水文生态过程受阻和水环境污染是主要原因，而水生态过程和水环境效应是最核心的问题. 为优化河湖流域水资源配置及改善其水环境效应，对水利工程实施生态需水及其生态水文响应的研究成为国内外相关研究关注的热点[2]. 为保障浅水湖泊生态需水而进行生态补水的宏观调控是恢复和维持其正常生态功能的关键. 对内陆浅水湖泊水生态系统而言，其生态补水的最终目的是使水量分配尽可能与其自然变化规律相一致[3]. 因此，生态补水考虑区域水文条件的自然变化特征显得尤为必要. 事实上，白洋淀湿地生态补水已经成为维持其湿地正常生态功能的重要举措. 自2000年起，每年均有1～2次上游水库的远程补水，多年来已对湿地水生态系统产生重要影响. 因此，研究不同频率、 不同时空尺度的水生态系统响应的系统性和规律性、 生态补水效应、 强度和水资源分配等具有重要的科学意义和实践价值.

水位是湖泊管理中重要的水文因子之一[4]. 浅水湖泊水位波动对于水量输入和输出具有快速响应的敏感性，并直接影响着湖泊生态系统的结构、 组成和功能[5]. 同时，水位变化是河湖流域及其周边区域生态变化的重要压力源，是控制河湖生态系统功能变化的主导因素之一[4-5]. 叶绿素a是衡量淡水生态系统浮游植物初级生产量的重要指标，因其良好的光合作用能力及易检测特性而成为内陆淡水生态系统最常用的监测指标. 淡水生态系统水体恶化的最突出生物响应就表现为初级生产力的上升，即叶绿素a浓度的升高[6]，这也使得对叶绿素a浓度的监测成为湖泊生态健康的重要指示因子[7-8]. 阮晓红等运用回归统计方法建立了苏州平原河网区浅水湖泊水体叶绿素a和8种环境因子的回归方程[9]. Wang等在不同水文期建立了基于人工神经网络的叶绿素a预测模型[10]. 骆传婷等对由高含沙黄河水向东昌湖补水期间入湖口和出湖口纵断面悬浮泥沙与叶绿素a浓度的变化研究揭示出黄河补水使得湖区叶绿素a浓度显著上升[11]. 吴召仕等对鄱阳湖丰水期叶绿素a空间分布及环境因子的研究中揭示了由于丰水期湖泊容积增大、 水体交换时间有限而抑制了浮游植物生物量的上升[12]. 可见，湖泊水文改变对湖泊叶绿素a浓度的影响既有正效应也有负效应，且研究尺度局限在补水期或丰水期，未能在更细的尺度上对湖泊水文改变进行细分，故对叶绿素a浓度变化的影响也因此受到限制. 为此，本研究选择北方重要浅水湖泊白洋淀，基于高频日尺度水位数据进行水位波动周期的细分，进而探讨水体叶绿素a浓度对水位周期波动的响应特征，旨在揭示水库等水利工程对浅水湖泊水生态系统的影响，并为相关部门提供决策参考.

1材料和方法

1.1研究区概况

白洋淀流域(40°04′-39°02′N, 113°39′-116°11′ E)位于华北平原中部，湖泊距离北京130 km，跨河北、 山西两省和北京共30多个市县，流域面积约 31 200 km2，是中国北方最大的淡水湖泊(见图 1).

图 1　研究区域地图Fig.1　Geographic location of the study area

整个流域地形地貌复杂，地势西高东低，上游分布有多个水利工程，但湖泊区域地形平坦，最大地形落差不超过9 m[7]. 进入20世纪以来，白洋淀湖泊水资源严重不足，每年实施的上游水库生态补水已基本成为维持其生态功能的重要举措(见表 1). 生态补水显著改变了湖泊的水位波动情况，因此研究水生态指标叶绿素a浓度对湖泊水位波动的响应有助于了解和评价其生态补水的效应，有助于完善生态水利工程补水措施，具有积极的实践价值.

表 1　上游水库对白洋淀湖泊水量补给 (2000～2009年)

1.2监测站点及监测指标

采样点设置如图 1 所示，南刘庄监测点位于生态补水及市政污水排放的入湖口，王家寨监测点处于湖泊中心. 两监测站点水位数据集采用日监测数据，时间段为2007年1月1日～2008年12月31日； 叶绿素a数据集是月监测数据，时间段为2007年1月～2008年12月. 所有数据均来自安新县环保局，各指标检测均参照国家相应标准严格执行.

1.3数据分析

采用Morlet小波连续变换的小波功率谱和小波总体方差揭示两站点水位波动的周期结构及显著性特征； 提取两站点共有周期进行水文变化周期的分类； 采用独立样本的t-test分析基于水文周期分类的各站点水位和叶绿素a浓度的正负相位波动的显著性差异.

本文基于Morlet小波变换的功率谱和小波方差以及共有小波周期提取分析用 Matlab 2012b软件编程完成； 独立样本的t-test分析基于SPSS软件(IBM SPSS statistics 18)完成.

2结果分析

2.1白洋淀湖泊水位波动的小波功率谱和小波总体方差

小波分析对于长时间序列周期结构的识别具有明显优势，在小波变换中，小波功率直接由其变换数值绝对值的平方得来[13]. 图 2 显示了白洋淀湖泊两站点日水位变化的小波功率.

图 2　白洋淀湖泊南刘庄站点(a,c)和王家寨站点(b,d)水位波动的小波功率谱和小波总体方差Fig.2　The wavelet spectrum and wavelet population variance of the water level fluctuations in Baiyangdian lake south of Liuzhuang site (a,c) and Wangjiazhai site (b,d)

功率谱图中，高分辨区域是小波影响锥，其中黑色实线轮廓代表白噪声背景下95%的显著性置信水平； 在小波总体方差中，黑色实线代表小波总体方差，黑色虚线是与功率谱一致背景下95%的显著性置信水平. 小波变换数值绝对值的平方显示了不同尺度或周期结构下水位变化功率的相对强弱. 图2(a)和2(c)显示了南刘庄站点和王家寨站点水位波动的小波变化实际振幅及量级. 小波功率谱揭示了湖泊水位时间序列不同尺度下的最高能量变化特征，在湖泊入口(南刘庄)和湖泊中心(王家寨)均显示水位相对较高能量的变化周期为>32天，尤其集中在约128～256天 (图2(a)和 2(b)). 精确的小波总体方差变化均揭示了约128～256天的周期结构大于95%的统计置信水平(图2(c)和2(d)). 这一结果与Wang等揭示的白洋淀湖泊水位波动周期约4～8月为主的研究结果相类似[14].

2.2白洋淀湖泊水位波动周期划分

小波功率谱和小波方差揭示了白洋淀湖泊两站点水位约128～256天的显著周期结构，显然这种周期结构具有正负相位波动特征，据此可以对湖泊水文周期进行干湿期的划分. 为了更清晰的显示这一周期结构特征，并保持两站点所划分序列的完整性，选择228天作为主要周期成分. 同时，为了消除正负相位转变的边际效应，将±10% 最大振幅作为边际影响效应，因此，228天的主周期成分将整个水文期划分为5个区段： ClassⅠ, Class Ⅱ, Class Ⅲ, Class Ⅳ和Class Ⅴ(见图 3). 正相位波动代表相对的丰水期(ClassⅠ,Ⅱ和 Ⅲ)； 负相位波动代表相对的枯水期(Class Ⅳ和Ⅴ). 图 3 还显示了南刘庄站点和王家

寨站点一致的水位周期结构特征.

图 3　基于228天主周期成分的白洋淀水文周期划分：最大振幅的±10%为边界效应影响Fig.3　The wavelet hydrograph in 228-day periodic component for Nanliuzhuang site and Wangjiazhai site. For better classification of water level periodic structure, ±10% of maximum oscillations are representing alternated effects

2.3水文周期分类下水位和叶绿素a浓度变化统计

表 2 显示了研究时段内228天主周期成分下白洋淀5个水文周期的划分及其水位统计结果. 最大水位出现在南刘庄站点(Class Ⅲ)，最小水位出现在王家寨站点(Class Ⅳ).

图 4 显示了白洋淀湖泊各站点叶绿素a在各水文期的变化趋势. 由图可见，不考虑边界效应影响，两站点叶绿素a浓度对水位变化的响应具有相似性，即在丰水期两站点叶绿素a浓度均呈现下降趋势(ClassⅠ,Ⅱ和 Ⅲ)，在枯水期叶绿素a均呈现上升趋势(Class Ⅳ和Ⅴ). 然而，两站点叶绿素a浓度对水位变化的响应程度不同，剧烈的叶绿素a浓度波动首先发生在2007年之前的入湖口(南刘庄，图4(a))，进而在2007年向湖心(王家寨，图4(b))蔓延. 而相应的水库补水恰发生在2006年11月至2007年1月期间； 剧烈的叶绿素a波动还发生在2008年6月左右，而这一期间也同样进行了生态补水. 这些结果揭示了白洋淀湖泊生态补水造成水位波动，相对充裕的水资源有利于水体浮游植物的生长，但在随后的水资源匮乏期易于造成叶绿素a浓度的升高，不利于湖泊富营养化治理. 这与骆传婷等揭示的黄河向东昌湖补水使得叶绿素a呈现显著增加的结论相似，但造成的原因则有显著不同，骆传婷等推断可能是黄河泥沙颗粒大小造成的影响[11]. Wang等通过对白洋淀水位和叶绿素a周期结构的同步性分析揭示了二者在不同时间尺度下的非线性变化特征[14]，还揭示了白洋淀湖泊水体营养盐对水位波动的响应，结果表明在湖心处水位和营养盐具有显著的正相关特征[15]，揭示了生态补水影响下湖泊内部发生复杂的地球化学反应，使得营养盐浓度的升高显著高于水体容积增大造成的稀释作用. 因此，生态补水影响下，水位波动造成水体营养盐波动的同时还有利于浮游植物的扩散和传播，叶绿素a浓度的变化受多种因素共同影响，存在复杂的物理化学过程. 孟繁丽等对白洋淀水域溶解氧和叶绿素a的研究揭示了丰水期水域溶解氧呈现减少趋势，并受叶绿素a含量和沉水植物生物量的共同影响，其可能原因是浮游植物或水草腐解存在耗氧作用，消耗了水体中的溶解氧，叶绿素a含量随之下降[16]. 对于水文改变如水位变化对湖泊生态系统的影响及机制在未来研究中或通过构建系统动力学生态模型予以揭示.

图 4　叶绿素a在各水文期内变化趋势Fig.4　Trend of concentration of chlorophyl a in hydrological period

2.4白洋淀湖泊叶绿素a对水位波动的响应

图 5 显示了白洋淀湖泊各站点水位在正负相位波动下叶绿素a的响应情况. 由图可知，正相位的水位波动下，相应的叶绿素a浓度较低，负相位的水位波动下，相应的叶绿素a浓度较高. 同时正负相位波动情况下，处于湖泊入口处的南刘庄，其水位值(>6.6 m)高于处于湖泊中心的王家寨的水位值(<6.0 m). 正相位波动时，南刘庄站点叶绿素a浓度 (35.06±52.61 mg/L)高于同相位波动时王家寨站点叶绿素a浓度(23.99±28.12 mg/L)； 而负相位波动时，王家寨站点叶绿素a浓度较高(79.61±58.99 mg/L Vs. 41.93±45.40 mg/L).

单样本独立t-test揭示正负相位波动下，各站点水位之间和叶绿素a浓度之间的差异性(图 5 和表 3). 两站点正负相位波动下水位差异极显著(p=0.000 9和p=0.000)，这与小波总体方差的分析结构相一致.正负相位波动下叶绿素a浓度差异性的显著性只存在于王家寨站点(p<0.05). 南刘庄站点正负相位波动下叶绿素a浓度差异未能检出，究其原因可能与其相对较高的本底值有关.

表 3　白洋淀湖泊叶绿素a在水文波动分类的显著性检验

此外，图5(a)亦显示正负相位波动下南刘庄站点叶绿素a浓度均值差异不明显(35.06 vs. 41.93 mg/L).

图 5　正负相位波动下叶绿素a对水位波动的响应Fig.5　Response of Chlorophyl a to water level with the emphasis on the positive and negative phase water level fluctuations

3结论

1) 小波功率谱和小波总体方差揭示了约128～256天的水位周期具有显著性(p<0.05)，约228天的主周期成分可以将整个水文期进行合理划分.

2) 白洋淀湖泊叶绿素a对水文变化的响应呈现为在丰水期浓度下降，在枯水期浓度上升.

3) 白洋淀湖泊叶绿素a浓度对正负相位水位波动的响应呈现正相位的水位波动时浓度较低，负相位的水位波动时浓度较高，并且单样本独立t-test揭示了叶绿素a浓度对水位的正负相位波动的响应显著性只存在于湖心的王家寨站点(p<0.05).

文中叶绿素a数据集尺度为月尺度时间序列数据，而水位数据集为日尺度时间序列数据，分析叶绿素a浓度变化及响应时，尺度转换容易忽略趋势变化规律的细节成分，而且所研究期间的整段时间序列数据仅有24个月，在显著性及趋势分析上难免稍显不足. 未来还应加强监测频率，以便更好地揭示湖泊生态系统的变化规律和响应特征.

参考文献:

[1]杨志峰，崔保山，黄国和，等. 黄淮海地区湿地水生态过程，水环境效应及生态安全调控[J]. 地球科学进展，2006，21(11)： 1119-1126.

Yang Zhifeng，Cui Baoshan，Huang Guohe，et al. Hydro-ecological processes，water-environmental effects and integrated control of ecological security for wetlands in Huang-Huai-Hai region of China[J]. Advance in Earth Science，2006，21(11)： 1119-1126. (in Chinese)

[2]董李勤，章光新. 全球气候变化对湿地生态水文的影响研究综述[J]. 水科学进展，2011，22(3)： 429-436.

Dong Liqin，Zhang Guangxin. The research summary of the effects on global climate changes to eco-hydrology characteristics[J]. 2011，22(3)： 429-436. (in Chinese)

[3]Cui B，Li X，Zhang K. Classification of hydrological conditions to assess water allocation schemes for Lake Baiyangdian in North China[J]. Journal of hydrology，2010，385(1)： 247-256.

[4]Angel J R，Kunkel K E. The response of Great Lakes water levels to future climate scenarios with an emphasis on Lake Michigan-Huron[J]. Journal of Great Lakes Research，2010，36(S2)： 51-58.

[5]Coops H，Beklioglu M，Crisman T L. The role of water-level fluctuations in shallow lake ecosystems-workshop conclusions[J]. Hydrobiologia，2003，506(1)： 23-27.

[6]Nixon S. Coastal marine eutrophication： a definition，social causes，and future concerns[J]. Ophelia，1995，41(10)： 199-219.

[7]Wang F，Wang X，Zhao Y，et al. Temporal variations of NDVI and correlations between NDVI and hydro-climatological variables at Lake Baiyangdian，China[J]. International Journal of Biometeorology，2014，58 (7)： 1-13.

[8]Ma M，Liu J，Wang X. Biofilms as potential indicators of macrophyte-dominated lake health[J]. Ecotoxicology，2011： 1-11.

[9]阮晓红，石晓丹，赵振华. 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.

Ruan Xiaohong，Shi Xiaodan，Zhao Zhenhua. Correlation between chlorophyll-a concentration and environmental factors in shallow lakes in plain river network areas of Suzhou[J]. Journal of Lake Science，2008，20(5)： 556-562. (in Chinese)

[10]Wang F，Wang X，Zhao Y，et al. Long-term water quality variations and chlorophyll a simulation with an emphasis on different hydrological periods in Lake Baiyangdian，northern China[J]. Journal of Environment Informatics，2012，20(2)： 90-102.

[11]骆传婷，陈友媛，张超. 人工浅水湖泊高含沙补水过程中叶绿素 a 浓度的变化[J]. 农业环境科学学报，2013，32(9)： 1848-1854.

Luo Chuanting，Chen Youyuan，Zhang Chao. The concentration variation of Chlorophyll-a in artificial shallow lake during high suspended sediment water supplement [J]. Journal of Agro-Environment Science，2013，32(9)： 1848-1854. (in Chinese)

[12]吴召仕，张路，陈宇炜，等. 鄱阳湖丰水期叶绿素 a 空间分布及与环境因子关系[J]. 健康湖泊与美丽中国——第三届中国湖泊论坛暨第七届湖北科技论坛论文集，2013.

Wu Zhaoshi，Zhang Lu，Chen Yuwei，et al. Spatial distribution of chlorophyll a in Lake Poyang during the wet season and its relationship with environmental factors [J]. Health lakes and beautiful China - the third China lake Forum and Proceedings of the 7th BBS on science and technology of hubei province，2013. (in Chinese)

[13]Croitoru A E，Piticar A，Dragot C S，et al. Recent changes in reference evapotranspiration in Romania[J]. Global and Planetary Change，2013，111(11)： 127-132.

[14]Wang F，Wang X，Zhao Y，et al. Long-term changes of water level associated with chlorophyll a concentration in Lake Baiyangdian，North China[J]. Procedia Environmental Sciences，2012. 13： 1227-1237.

[15]Wang F，Wang X，Zhao Y，et al. Nutrient response to periodic hydrological fluctuations in a recharging lake： a case study of Lake Baiyangdian[J]. Fresenius Environmental Bulletin，2012，21(5a)： 1254-1262.

[16]孟繁丽，何连生，李一葳，等. 白洋淀草型与藻型水域溶解氧含量的差异性[J]. 湿地科学，2013，11(2)： 292-296.

Meng Fanli，He Liansheng，Li Yiwei，et al. Differences of contents of dissolved oxygen between oligotrophic and algal water area in baiyangdian lake[J]. Wetland Science，2013，11(2)： 292-296. (in Chinese)

Response of Chlorophyllato Periodic Water Level Fluctuation in Lake Baiyangdian

WANG Yan-li1, WANG Fei2

(1. Gaoping Environment Monitoring Center, Gaoping 030027, China；2. Experimental Center in Shanxi University, Taiyuan 030006, China)

Abstract:The response of the chlorophyll a to periodic hydrological fluctuations is important research content for ecological water replenishment regulation. The time series data of daily water level and monthly chlorophyll a concentration in Nangliuzhuang and Wangjiazhai sites from 2007 to 2008 were selected in the research. Firstly, the periodic structure of water level was classified by the wavelet power spectrum and the global wavelet variance, and the 228 day main periodic component could be divided into 5 periods with alternate changes in positive and negative phase. Secondly, the variations of water level and chlorophyll a concentration were analyzed in different hydrological periods at each site separately. Thirdly, the differences between the water level and chlorophyll a concentration at each site were analyzed by the independent sample t-test, as well as the response of chlorophyll a concentration on water level fluctuations. The results revealed the significant response at Wangjiazhai station located in the center of the lake.The study can provide theoretical reference and practical guidance for the ecological water supply in shallow lake.

Key words:Chlorophyll a; hydrologic period; wavelet analysis; Lake Baiyangdian

文章编号:1673-3193(2016)02-0126-07

*收稿日期:2015-08-17

基金项目：国家自然科学基金资助项目(41401020)

作者简介：王艳丽(1970-)，女，高级工程师，主要从事环境保护及监测的研究.

中图分类号:X832

文献标识码:A

doi:10.3969/j.issn.1673-3193.2016.02.006