焦岗湖碳与叶绿素a的时空分布及相关性研究

2018-08-31杨晓东高良敏司家济解志林

安徽理工大学学报（自然科学版） 2018年4期

杨晓东，高良敏，杨婷，司家济，解志林

(安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南 232001)

碳是构成地球上一切生命的基础，在许多陆地及水生生物地球化学循环中扮演重要角色[1]。湖库作为大气圈、陆地生态体系和水生体系的结合点，是陆地地表碳元素汇集地之一，是陆地环境接收的碳传输、转换和贮存高度活跃的场所[2]。叶绿素a是反映湖泊富营养化水平的重要指标，其变化规律及其影响因素分析，能清楚的了解湖泊营养盐分布规律及富营养化的形成机制，为湖泊的生态修复提供重要的科学依据[3]。通过对影响叶绿素a含量的几个关键因素的分析，回溯污染源头，从而控制污染源，减少这些污染物进入水体，降低湖水的叶绿素a含量，为解决湖水富营养化的问题提供参考。

1 研究区概况

焦岗湖湿地位于淮北平原，地理位置 116°20′～116°42′E，32°33′～ 32°44′N，流域面积 497km2，是淮河中游最大的生态湿地，辖区内湿地、煤炭、生物资源丰富，被誉为“安徽白洋淀[4]。为发展地方经济和促进农业生产，近年来焦岗湖大力发展渔业养殖及生态旅游业，流域内农业生产过程中大量使用化肥、农药等，致使湖泊受到较大程度的干扰[5]。焦岗湖源多流广，历史上曾有“三十六湖归焦岗”之称。焦岗湖区最高气温38～40℃，最低气温零下10℃，全年平均气温15℃，平均水温14℃，无霜期225天，冬季湖面冰冻20～30天。该湖系椭圆形浅水湖泊，湖底平坦，水草丛生，底质为冲积淤泥，全年平均水深0.8m，下游建闸与淮河隔断，水体交换量小，汛期平均水深可达6m[6]。

2 研究方法

(1)样品采集。本文主要对污染物入湖量的研究，在河流入湖口以及出水口设置了监测点位，重点观测周围污染物进入湖水的污染状况，在研究湖区设置了13个采样点位，于2016年8月和2017年1月两个航次进行采样，每个采样点采表层水样2L于聚乙烯塑料瓶中，用于悬浮物总量，总有机碳(TOC)，总碳(TC)，总无机碳(IC)，总硬度，COD，总磷，总氮，氨氮等指标的测定，同时另采集500mL水样于棕色玻璃瓶中，加入体积分数为1%的碳酸镁悬浊液固定，用于叶绿素a的测定，采集的样品带回实验室分析(见图1)。

图1 焦岗湖采样点分布

(2)测试方法。TC、TOC和IC用岛津TOC-V分析仪测定；叶绿素测定依据SL 88-2012《水质叶绿素的测定分光光度法》；水样总硬度的测定方法依据GB 7477-87《水质钙和镁总量的测定EDTA滴定法》。

(3)数据分析。采用Origin 8.0绘制不同采样点位的浓度分布图。通过SPSS19.0对碳含量、总硬度与叶绿素a进行相关性分析。

3 结果与讨论

(1)碳的空间分布规律。焦岗湖水中碳的空间分布特征如图2所示。横坐标为监测点位，纵坐标为碳含量。夏季焦岗湖水的TC含量变化范围为51.34～59.13mg·L-1，平均值为55.27mg·L-1，整体波动幅度不大。在点位SY04处TC含量最高，点位SY05处TC含量最低，可能是由于点位SY04处受附近旅游景点排放的有机污染物的影响，而点位SY05处，叶绿素a含量较高，浮游植物较活跃，TC大量转化为IC，用于植物的光合作用。IC含量变化范围为42.84～53.40mg·L-1，平均值为48.17mg·L-1，变化趋势与TC类似，从图2中可以看出， IC对TC的贡献率较大，为79%～92%，因此两者变化趋势大体上一致。夏季陆源径流携带了丰富的碳和营养盐，促进了浮游植物光合作用，二氧化碳大量消耗，湖水IC含量降低。TOC含量变化范围为4.33～11.28mg·L-1，平均值为7.18mg·L-1，在点位SY02、SY03处分别达到最大值与最小值，从点位SY04开始总体呈上升趋势，表明湖水一定程度上受到有机物污染，焦岗湖近岸主要存在水产养殖和居民生活两种污染源，大量的陆源污染物质进入焦岗湖最终被分解为无机碳，使得焦岗湖IC含量升高.[7]。但湖中有机碳的含量较低，TOC含量大部分点位冬季高于夏季，但是对TC贡献率较低，变化趋势不明显。根据《生活饮用水卫生标准限值》(GB 5749-2006)，TOC含量均超过限定的58mg·L-1。

冬季TC含量变化范围为49.25～79.55mg·L-1，平均值为57.79mg·L-1，水体TC含量在不同点位波动幅度较大，点位SY08开始迅速升高，在点位SY10达到最大值79.55mg·L-1，可能是由于点位SY10位于便民沟，焦岗湖水通过便民沟闸入淮河，水体中的碳随水流汇聚到出水口处，使碳含量升高所致。IC含量变化范围为40.73～69.18mg·L-1，平均值为50.13 mg·L-1，IC对TC的贡献比例范围为83%～90%，与TC含量变化趋势同样相同，IC含量冬季高于夏季，这可能与温度因素有关，夏季气温高而冬季气温低，使得IC含量与温度呈现负相关性。TOC含量的变化范围为5.82～10.37mg·L-1，平均值为7.67mg·L-1。

图2 焦岗湖水中碳的空间分布

(2)碳的时间分布规律。焦岗湖水碳的时间分布规律如图3所示。由于IC对TC贡献率较大，达到79%以上，所以TC和IC含量均呈现出冬季高于夏季，在点位SY10处极为显著，可能是由于冬季湖泊内绿色植物和藻类处于不活跃状态或者死亡，减少了对IC的利用与转化，湖水中的碳随水流流入过便民沟闸入淮河所致[8-9]。在大部分点位TOC含量冬季高于夏季。

图3 焦岗湖水碳的时间分布

(3)叶绿素a的时空分布规律。焦岗湖水叶绿素a含量的时空分布如图4所示。横坐标轴为采样点位，纵坐标轴为叶绿素a含量。夏季叶绿素a 含量在不同点位波动幅度较大，在点位SY02处含量达到最大值，为219.16μg·L-1，这可能与仅岸处水产养殖和人类活动使水体营养盐含量增加，岸边植物生产旺盛造成的，出水口处叶绿素a含量呈上升趋势，可能与在便民沟两侧供观赏的芦苇荡与荷花淀有关，这些区域水流缓慢，水中杂质、腐败沉积物导致营养盐浓度增加，刺激了藻类的生长，冬季叶绿素a含量变化范围波动幅度较小。总体上，夏季叶绿素a含量高于冬季，这可能是由于夏季水体植被生长稳定，缓解了营养盐限制的压力，因此浮游植物的生物量上升较快，导致水体中叶绿素a浓度显著升高，冬季气温降低后，浮游植物进入衰退期，叶绿素a的浓度逐渐降低。

图4 焦岗湖水叶绿素a含量的时空分布

对焦岗湖夏季和冬季碳含量和叶绿素a含量分布进行差异分析，Sig值如表1所示。碳含量时空分布无显著性差异(P>0.05)，叶绿素a含量时空分布差异显著(P<0.05)。

表1 差异分析Sig值

(4)叶绿素a含量的影响因素分析。由于叶绿素a与总硬度的相关性不显著，对碳含量、总硬度和叶绿素a含量分别取对数后做进一步分析[10-11](见表2)。IC叶绿素a、TOC呈极显著负相关(P≤0.01)，与TC和总硬度呈极显著正相关(P≤0.01)；叶绿素a与总硬度呈显著负相关(P≤0.05)，与TOC相关性不显著；总硬度和TC呈极显著正相关(P≤0.01)[12-15]。由此可见，无机碳对叶绿素a是强影响因素之一，叶绿素a是反映浮游植物光合作用强度的直接表现，浮游植物光合作用消耗溶解无机碳，转化为生物质有机碳，使IC与叶绿素a含量呈负相关[16]。TC与IC呈现正相关性，是由于IC对TC的贡献率较高；IC与总硬度呈现正相关性，这与吴速园等[17]研究结果一致。