磁湖叶绿素a的时空变化特征及其影响因子分析

2022-10-31陶世鑫刘蓬刘琳何文杰李如玥徐银李海波

湖北大学学报(自然科学版) 2022年6期

陶世鑫，刘蓬，刘琳，何文杰，李如玥，徐银，李海波

(1.湖北大学资源环境学院，湖北武汉 430062；2.黄石市生态环境局，湖北黄石 435000；3.武昌理工学院，湖北武汉 430223)

0 引言

湖泊与人类的生产、生活息息相关，是地球上生态要素相互作用的关键节点，也是生态系统中重要的淡水资源库、物种基因库和气候调节系统[1].近年来，随着我国城市化发展不断加快，大量生产生活废水排入湖中，导致湖泊出现了不同程度的富营养化，湖泊富营养化治理已成为当前环境领域研究热点.叶绿素a作为湖泊重要的生态因子，其浓度的多寡既可反映浮游植物的现存量，也可描述湖泊的营养状况[2].因此，开展叶绿素a的监测、分析叶绿素a的时空变化特征及影响因子，可及时掌握湖泊水环境营养状态、辨析污染来源.本研究以磁湖为研究对象，采用非度量多维尺度分析、相关性分析进行研究，重点阐析该水域2015—2019年叶绿素a的时空变化并探讨其影响因子，以期为磁湖富营养化治理及水生态修复提供科学参考.

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域概况磁湖地处湖北省黄石市城区中心地带，介于东经114°57′～115°06′，北纬30°10′～30°15′之间，水面面积8.3 km2. 磁湖流域属于典型的亚热带大陆季风性气候，年平均降水量达1 445.2 mm，年平均气温为16.9 ℃[3].作为典型城中湖，磁湖对于维系黄石市生态平衡、居民休闲娱乐、确保城市防汛安全等起着举足轻重的作用. 然而，由于历史上工业、农业、生活污染等排放带来了巨大的环境压力，磁湖长期不能达到水环境功能区Ⅲ类水质目标，湖泊水生态系统十分脆弱.

图1 磁湖水质监测点位分布图

1.2 数据来源研究中使用的基础数据来自黄石市生态环境局，主要是磁湖2015—2019年12个点位的监测数据，包括叶绿素a (Chl.a)、水温(WT)、pH、溶解氧(DO)、电导率(EC)、高锰酸盐指数(CODMn)、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、化学需氧量(CODCr)、总氮(TN)、总磷(TP)、透明度(SD)共12项指标，数据监测周期为每年每月一次，将研究区划分为南、北磁湖，其中1～7号为南磁湖监测点，8～12号为北磁湖监测点，具体分区及点位布设情况见图1(图中虚线为两湖区分界线).

1.3 数据处理与分析采用Excel 2019、Origin 2018对数据进行处理，在各年份不同水期的Chl.a研究时，先根据气象、水文条件将各年份按不同水期进行划分：1—3月为枯水期，6—9月为丰水期，其余月份为平水期，并对各月份12个点位Chl.a取均值作为当月Chl.a浓度，再依据水期对多个月份的浓度取均值作为该水期Chl.a浓度；在各年份不同点位的Chl.a研究时，取年均值作为各点位当年Chl.a浓度(对其他指标也做类似处理).接着用PRIMER 7.0.17软件对不同时期、点位的Chl.a浓度进行非度量多维尺度分析(Non-metric multidimensional scaling，NMDS)：数据经过四次方根变换，符合正态性要求后计算Bray-Curtis相似系数，构建相似矩阵，在此基础上进行NMDS分析.用胁强系数(Stress)来判断NMDS分析结果的可信度：完全可信(0

2 研究结果

2.1 Chl.a时间变化特征对磁湖2015—2019年不同水期Chl.a的数据采用Origin、PRIMER软件分别进行箱线图和NMDS分析，结果如图2所示.

注：(a)中每年度从左到右3个箱线框以及(b)中K、P、F均依次对应枯、平、丰水期.图2 2015—2019年磁湖Chl.a时间变化特征及NMDS分析结果

在图2(a)中，2015、2018年磁湖Chl.a变化呈现出随时间先降后升的趋势，Chl.a浓度最高值都在丰水期，分别为66.11 μg/L、72.78 μg/L，最低值都在平水期，分别为33.88 μg/L、16.25 μg/L.而在2016、2017、2019年，Chl.a平均浓度都表现为逐渐升高的特点，即Chl.a浓度均值最高是丰水期，分别为45.36 μg/L、51.8 μg/L、72.56 μg/L，最低值在枯水期，分别为22.36 μg/L、32.24 μg/L、40.83 μg/L.在图2(b)中，横、纵轴(NMDS1、NMDS2轴)表示同一平面内两个方向的距离，以此估计不同样本间的距离来判断其相似(或差异)程度，该分析结果显示多年度枯、平水期相距较近并组成一组，而丰水期距枯、平水期较远，单独为一组，这表明磁湖枯、平水期的Chl.a浓度相似性较高，均与丰水期相异，且多年表现如此；不同年份相同水期在横轴上呈现出离散现象，表明磁湖不同年份同一水期的Chl.a浓度存在年际差异.在NMDS可信度检验中，Stress=0.04说明此分析结果是可信.综上所述，磁湖Chl.a浓度的时间异质性明显，丰水期普遍高于枯、平水期.

2.2 Chl.a空间变化特征对磁湖2015—2019年不同点位Chl.a的数据采用Origin、PRIMER软件分别进行箱线图和NMDS分析，结果如图3、图4所示.

注：(a)中每年度7个箱线框从左到右依次对应1～7号点位，同理，(b)中箱线框依次对应8～12号点位.图3 2015—2019年南、北磁湖Chl.a空间变化特征

图3中南磁湖Chl.a浓度在5年内变化范围为43.20～64.11 μg/L，而北磁湖为30.52～59.96 μg/L.将各点位浓度由西向东依次对比发现，南磁湖Chl.a在多个年度都呈现出逐渐降低的趋势，浓度最高值常出现在1号点；而北磁湖多个年度表现出先升后降的特点，其变化过程中最高值常在11号点.图4中NMDS分析显示，存在多个年度的1、12号点各自组成一组，而其余点位共同组成一组的现象，这说明磁湖多数点位Chl.a是具有一定相似性的，而1、12号点位异于其他点位.在NMDS可信度检验中，Stress=0.1说明该结果具有一定参考价值.综上所述，磁湖水体Chl.a浓度存在空间异质性，南磁湖Chl.a浓度高于北磁湖.

注：图中1～12依次代表12个监测点位Chl.a浓度.图4 2015—2019年磁湖不同点位Chl.a NMDS分析

2.3 Chl.a与影响因子相关性将2015—2019年磁湖Chl.a与各影响因子进行相关性分析，结果显示：Chl.a与WT、CODMn、BOD5、CODCr、TP呈极显著正相关(P<0.01)，与SD、N/P呈极显著负相关(P<0.01)，与pH、EC、DO、NH3-N、TN的相关性均不显著(P>0.05)，详细结果见表1.

表1 Chl.a与各影响因子的Pearson相关系数

3 讨论

3.1 Chl.a时间变化影响分析由于季节、气温等众多外界因素影响，多数水体Chl.a存在时间异质性. 如王晓辉等[5]研究发现，水体Chl.a浓度在时间上常表现为枯水期<平水期<丰水期.还有研究表明，浮游植物常在夏、秋季迅速繁殖形成水华，导致水体Chl.a浓度较高[6].这与本文的研究结果有很大相似性，磁湖水体Chl.a浓度在丰水期的均值普遍高于枯、平水期，多年度NMDS分析结果也验证了Chl.a存在明显时间异质性.探究其原因，磁湖丰水期处于夏至初秋阶段，光照充足、水温较高，致使水体中浮游植物急剧增加，Chl.a浓度升高，而枯、平水期处于春冬季，外界条件不适宜浮游植物的生长.同时，NMDS分析结果显示磁湖不同年份同一水期Chl.a浓度存在年际差异，主要是由于各年份外界因素的差异性所致.综上所述，丰水期是磁湖水中浮游植物的繁殖期，相关监测部门此时应加强对Chl.a的监测工作，防范磁湖浮游植物过度繁殖引发水体营养化程度加重.

3.2 Chl.a空间变化影响分析由于地质地貌、人类活动等因素影响，水体中Chl.a浓度存在空间异质性.如韩晓霞等[7]研究表明，新安江水库上游水体Chl.a的浓度明显高出下游水体的一倍.还有研究发现，湖泊Chl.a浓度在受人类活动影响较大的区域要明显高于受影响较小的区域[8].这在本文研究中都有所体现，南磁湖Chl.a在多年度都呈现出由西向东逐渐降低的趋势，浓度最高值常出现在西南部(1号点).多年度NMDS分析结果也表明，南磁湖西南部Chl.a异于其他点位.南磁湖西南部为磁湖主要港渠(彭家堑港)入湖点，该港渠汇集了周边建成区、居民区产生的面源污染以及团城山污水处理厂尾水，携带大量营养盐流入磁湖，造成西南区域Chl.a浓度升高.

北磁湖多个年度表现出由西向东先升后降的特征，其浓度最高值常在其东北部(11号点)，主要是因为东北区域周边是棚户区，污水管网不健全，未实现雨污分流，外源营养盐负荷较大.此外，NMDS分析结果显示，北磁湖东部(12号点)Chl.a异于其他区域，远低于东北部Chl.a浓度，是因为周边居民区建设规范，污水管网建设相对完善，无工业污染和农业面源污染汇入，水中营养盐相对较低，Chl.a浓度下降.

南磁湖Chl.a浓度明显高于北磁湖，主要是因为南磁湖湖滨带建设滞后、周边分布着小型菜田、附近居民区管网建设不完善、雨污未分流情况突出等问题，而北磁湖已进行了截污、清淤、湖滨带修复等整治措施，湖泊治理工作渐显成效.

3.3 Chl.a与影响因子相关性分析多数研究表明，水体Chl.a浓度与其pH、电导率、DO值间均无显著相关性[9-10].该结论在本研究有所体现，磁湖水体中Chl.a与这3种影响因子的相关性均不显著，即P>0.05.究其原因，浮游植物繁殖对pH、电导率和DO的适宜范围分别为7.75～8.75、168.9～702.8 μs/cm和5.83～14.3 mg/L[11]，而磁湖水体中该3类指标变化范围分别为6.63～8.9、272～539 μs/cm和5.0～13.8 mg/L，整体变化幅度基本维持在适宜浮游植物生长的范围，故pH、电导率、DO对浮游植物的影响较小，与Chl.a的相关性不显著.

WT常与Chl.a呈正相关，被认为是Chl.a浓度变动的诱导因子，而SD与Chl.a呈负相关，被认为是被动因子[12].在本研究中，磁湖Chl.a浓度与WT呈极显著正相关，原因为WT的升高对浮游植物的生长和发育具有明显促进作用，Chl.a浓度相应升高. Chl.a与SD呈极显著负相关，表明浮游植物过度繁殖会直接影响沉水植物的光合作用，导致水质变差，SD降低.综上所述，WT是影响磁湖Chl.a的限制因子，SD为被动因子.在当前全球气候变暖的背景下，浮游植物过度繁殖引起水体Chl.a浓度的上升，并影响沉水植物光合作用，水体的自净能力日益下降，相关环保部门及环保工作者应对此给予高度重视.

CODMn、BOD5、CODCr是评价水质有机污染常用的指标，大致反映了水体中有机质的污染情况[13].有调查数据表明，有机污染物对Chl.a的影响仅次于WT、TP、TN[14].这与本研究的结论较为相近，磁湖Chl.a与CODMn、BOD5和CODCr均呈极显著正相关，其中，CODMn、CODCr与Chl.a的相关系数是除WT外最大的两个指标，说明有机污染物对磁湖Chl.a的影响显著.有机污染物浓度过高易引起水体Chl.a升高，是因为有机污染物在水体微生物的分解作用下，能够产生C、N、P等浮游植物生长所需要的营养物质，故推断有机污染物是影响磁湖Chl.a的重要驱动因子.

Chl.a浓度与营养盐间存在着复杂的关系，既有人认为P是影响Chl.a浓度变化的主导因子，但也有人认为Chl.a浓度受N的影响更大[15].本研究中，其水体Chl.a与TP、N/P呈极显著相关性，与TN、NH3-N的相关性不显著，这和Lv等[16]在研究武汉的15个城市浅水型富营养化湖泊得到TP与Chl.a相关性比TN高的结论一致.Liu等[17]认为N/P与浮游植物的生长有较为直接的关系，浮游植物正常代谢所需的N/P为7，当N/P大于7时，限制性营养盐是磷，反之为氮.磁湖水体平均N/P为15.4，且Chl.a与TP呈极显著正相关，与TN、NH3-N的相关性不显著，与N/P呈极显著负相关.综合考虑，TP是影响磁湖Chl.a的限制因子.