巢湖葉綠素a與環(huán)境因子耦合效應(yīng)的多元分析

官 滌，高大文，任南琪

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，150090哈爾濱，di.guan@yahoo.com.cn;2.哈爾濱工程大學(xué) 航天與建筑工程學(xué)院，150001哈爾濱)

安徽省當(dāng)?shù)毓芾聿块T(mén)的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，巢湖富營(yíng)養(yǎng)化水面已占全湖的70%，其中臨近合肥的西半湖長(zhǎng)期處于重富營(yíng)養(yǎng)或極富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，本世紀(jì)已出現(xiàn)了10余次較為嚴(yán)重的藍(lán)藻水華，城鄉(xiāng)飲水安全存在較大隱患.水華的產(chǎn)生受多方水質(zhì)、氣象、水文條件等影響[1-3].由于巢湖具有面積廣、支流多、生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜等特點(diǎn)，影響水華藻類生長(zhǎng)的各類環(huán)境因子之間存在不同量度的統(tǒng)計(jì)依賴性，即耦合作用.目前，已有很多學(xué)者針對(duì)巢湖藻類與各環(huán)境因子間的相互關(guān)系作出深入研究[4-5]，但多以特定因子為研究對(duì)象，未考慮多方環(huán)境因子間的耦合效應(yīng)與藻類生長(zhǎng)的關(guān)系.

本文利用巢湖西半湖2005～2009年間的監(jiān)測(cè)資料，以葉綠素a質(zhì)量濃度作為水華藻類生物量的表征，將水質(zhì)、氣象、水文等各類指標(biāo)作為水華影響環(huán)境因子，統(tǒng)計(jì)葉綠素a與環(huán)境因子間的相關(guān)性，分析多元耦合效應(yīng)與葉綠素a的關(guān)系;并在此基礎(chǔ)上建立多元回歸預(yù)測(cè)模型，找出驅(qū)動(dòng)水華發(fā)生的顯著因子，同時(shí)描述葉綠素a質(zhì)量濃度的時(shí)空分布情況，為巢湖藍(lán)藻水華的防治提供理論依據(jù).

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究所用的水質(zhì)數(shù)據(jù)來(lái)源于合肥市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站2005年1月～2009年12月間在南淝河入湖區(qū)、十五里河入湖區(qū)、塘西入湖區(qū)、派河入湖區(qū)、新河入湖區(qū)、西半湖湖心等6個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)站的連續(xù)記錄，氣象數(shù)據(jù)來(lái)自合肥氣象局，水文數(shù)據(jù)來(lái)自合肥水文資源局.分析采用的環(huán)境指標(biāo)主要包括生物因子:葉綠素 a(Chla);水質(zhì)因子:總氮(TN)、總磷(TP)、BOD、DO、pH、氨氮、高錳酸鉀指數(shù)(CODMn);氣象因子:氣溫(TA)、風(fēng)速(vW)、氣壓(PA)、相對(duì)濕度(HR)、相對(duì)日照時(shí)數(shù)(SR);水文因子:水位(LW)等，共13項(xiàng)理化因子.各項(xiàng)目的分析均采用標(biāo)準(zhǔn)方法[6].

1.2 統(tǒng)計(jì)分析

利用SPSS.PASW.Statistics軟件計(jì)算變量間的相關(guān)性并進(jìn)行多元逐步回歸統(tǒng)計(jì)分析.兩個(gè)變量間的線性相關(guān)關(guān)系度量采用Pearson相關(guān)系數(shù)，同時(shí)計(jì)算偏相關(guān)系數(shù)，即在封閉環(huán)境中，排除其他變量條件下兩變量之間的線性相關(guān)性度量[7].數(shù)據(jù)的多元統(tǒng)計(jì)分析以葉綠素a為因變量，其他環(huán)境理化因子為自變量，選擇臨界值95%的顯著水平篩選自變量中對(duì)葉綠素a影響作用較大的環(huán)境因子，建立反映葉綠素a變化趨勢(shì)的回歸方程，并對(duì)得到的參數(shù)以及線性關(guān)系的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)通過(guò)后利用得到的葉綠素a樣本回歸方程對(duì)實(shí)際觀測(cè)數(shù)值進(jìn)行擬合，比較預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的差異[7].

2 結(jié)果與討論

2.1 葉綠素a質(zhì)量濃度的時(shí)空分布

由圖1可知，葉綠素a的質(zhì)量濃度存在明顯的季節(jié)性變化.2005年1月至2009年12月期間，巢湖西半湖葉綠素a質(zhì)量濃度總體變化趨勢(shì)為每年5～10月數(shù)值偏高，11～12月和次年1～4月數(shù)值偏低.由于藻類的生長(zhǎng)同時(shí)受到水體營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和水文氣象等因素影響，在冬季低溫且光照不足的環(huán)境中，藻類生物量較低，多呈休眠狀態(tài);而在春末夏初之時(shí)，水溫提高，風(fēng)浪擾動(dòng)頻繁，底泥中的營(yíng)養(yǎng)鹽和底泥表面的藻類休眠體開(kāi)始上浮進(jìn)入水體.根據(jù)有關(guān)部門(mén)2004～2005年的監(jiān)測(cè)資料，巢湖春季以藍(lán)藻門(mén)的密集念珠藻、硅藻門(mén)為主，夏季以藍(lán)藻門(mén)的銅綠微囊藻、綠藻門(mén)的絲藻為主.夏季因適宜的水動(dòng)力和環(huán)境條件，在局部湖區(qū)生物量急劇增長(zhǎng)，可爆發(fā)形成很厚的藍(lán)藻水華層，而藍(lán)藻門(mén)的密集念珠藻在陽(yáng)光充足時(shí)極易爆發(fā)春季水華[8].

圖1 巢湖西半湖各測(cè)點(diǎn)葉綠素a質(zhì)量濃度時(shí)空分布

同時(shí)，由于水華爆發(fā)消耗掉大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和溶解氧導(dǎo)致藻類生物量迅速下降[9].從圖1中可以看出，水中葉綠素a質(zhì)量濃度在達(dá)到峰值后都會(huì)出現(xiàn)明顯下降趨勢(shì).根據(jù)6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位水環(huán)境背景的不同，各點(diǎn)記錄的葉綠素a質(zhì)量濃度峰值及其出現(xiàn)時(shí)間也有一定差異.在2005～2006年間，南淝河入湖區(qū)和十五里河入湖區(qū)的葉綠素a質(zhì)量濃度較低，此后逐年變化較平穩(wěn)，夏季峰值在0.2 mg/L左右;塘西入湖區(qū)和派河入湖區(qū)的葉綠素a質(zhì)量濃度稍高，在2006年夏季出現(xiàn)最大值0.3 mg/L左右，此后逐年峰值呈下降趨勢(shì);而新河入湖區(qū)和湖心區(qū)前兩年的葉綠素a質(zhì)量濃度偏高，在2005年夏季湖心區(qū)峰值超過(guò)0.5 mg/L，此后峰值明顯逐年降低.

2.2 葉綠素a質(zhì)量濃度與環(huán)境因子的相關(guān)分析

巢湖西半湖各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位葉綠素a質(zhì)量濃度及相關(guān)平均值與各單項(xiàng)因子之間的Pearson相關(guān)系數(shù)分析結(jié)果見(jiàn)表1.巢湖西半湖水體葉綠素a質(zhì)量濃度與環(huán)境因子之間的相關(guān)系數(shù)在0.014～0.478，葉綠素a與單個(gè)因子之間的相關(guān)系數(shù)均較低，表明葉綠素a質(zhì)量濃度變化受多個(gè)因子共同影響.水華驅(qū)動(dòng)因子在不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的篩選結(jié)果有部分重合，水文氣象因子驅(qū)動(dòng)作用相對(duì)較強(qiáng).西半湖入湖區(qū)葉綠素a與氣溫、CODMn等顯著正相關(guān)，與氣壓顯著負(fù)相關(guān);湖心區(qū)葉綠素a與水位、氣溫、TN等顯著正相關(guān);6監(jiān)測(cè)點(diǎn)位平均值顯示西半湖葉綠素a與氣溫、水位、CODMn等顯著正相關(guān).

考慮環(huán)境因子間具有相互依賴的耦合效應(yīng)，在葉綠素a與單因子相關(guān)性分析外，進(jìn)行了任意兩環(huán)境影響因子間的相關(guān)性度量，其中氣溫和氣壓顯著負(fù)相關(guān)(相關(guān)系數(shù)-0.951)，和DO顯著負(fù)相關(guān)(相關(guān)系數(shù)-0.686).在建立預(yù)測(cè)模型時(shí)，可適當(dāng)排除此類冗余環(huán)境因子.本文分析了水體葉綠素a質(zhì)量濃度與任意一個(gè)或多個(gè)環(huán)境理化因子的相關(guān)關(guān)系強(qiáng)弱，即計(jì)算葉綠素a與水質(zhì)、氣象、水文各組因子和各單因子的偏相關(guān)性度量.由表1可知，在分組分析中，水體葉綠素a分別與各組因子中的TN、CODMn、氣溫、水位等顯著正相關(guān)，與氣壓顯著負(fù)相關(guān);在單因子分析中，水體葉綠素a分別與TN、CODMn、水位等顯著正相關(guān).在偏相關(guān)分析中，水華的主要影響因子集中為水質(zhì)因子.

水體的 N、P等與藻類生長(zhǎng)有密切關(guān)系[10-12]，并不是藻類生長(zhǎng)的限制因子而僅是主要營(yíng)養(yǎng)源[13].根據(jù)本文的分析結(jié)果，在過(guò)濾掉其他因子的依賴性影響后，巢湖西半湖水中TN對(duì)葉綠素a質(zhì)量濃度相關(guān)性較強(qiáng);如果加上多環(huán)境因子之間的耦合作用，則氣溫、水位等水文氣象因子呈現(xiàn)出對(duì)葉綠素a質(zhì)量濃度有較強(qiáng)的影響作用.已有研究表明，水溫升高能夠促進(jìn)藻類活性，加快營(yíng)養(yǎng)鹽的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程，為藻類生長(zhǎng)提供推動(dòng)力[14].

表1 2005～2009年巢湖西半湖葉綠素a質(zhì)量濃度和環(huán)境理化因子的相關(guān)系數(shù)

2.3 葉綠素a與環(huán)境因子的逐步回歸分析

從以上相關(guān)性分析中可以看出，在不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)位各環(huán)境理化因子對(duì)湖水中藻類葉綠素a質(zhì)量濃度的影響各異，為了找到相對(duì)重要的影響因子，通過(guò)逐步回歸分析方法，以葉綠素a質(zhì)量濃度為因變量，各影響因子為自變量，建立多元線性回歸方程，并對(duì)得到的參數(shù)以及線性關(guān)系的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)(方差分析F值顯著水平P≤0.05).

巢湖西半湖各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位葉綠素a質(zhì)量濃度與環(huán)境影響因子的逐步回歸結(jié)果見(jiàn)表2.從入湖區(qū)5監(jiān)測(cè)點(diǎn)位平均值和6點(diǎn)位平均值來(lái)看，對(duì)葉綠素a質(zhì)量濃度影響較顯著的驅(qū)動(dòng)因子集中為水位、CODMn、氣溫、TN等.水位在南淝河入湖區(qū)、新河入湖區(qū)和湖心區(qū)呈正相關(guān)，CODMn在十五里河入湖區(qū)、塘西入湖區(qū)和派河入湖區(qū)呈正相關(guān)，氣溫在塘西入湖區(qū)、新河入湖區(qū)和湖心區(qū)呈正相關(guān)，TN在新河入湖區(qū)和湖心區(qū)呈正相關(guān)，氨氮在派河入湖區(qū)和新河入湖區(qū)呈負(fù)相關(guān);此外還有風(fēng)速和氣壓在南淝河入湖區(qū)呈負(fù)相關(guān)，pH在塘西入湖區(qū)呈正相關(guān)，TP在新河入湖區(qū)呈正相關(guān)等.

表2 巢湖西半湖2005～2009年各樣點(diǎn)葉綠素a質(zhì)量濃度和水體理化因子的多元回歸統(tǒng)計(jì)

以入湖區(qū)平均方程作為簡(jiǎn)單預(yù)測(cè)模型，計(jì)算2005～2009年間巢湖入湖區(qū)平均葉綠素a質(zhì)量濃度預(yù)測(cè)值，結(jié)果見(jiàn)圖2.從入湖區(qū)平均葉綠素a質(zhì)量濃度預(yù)測(cè)曲線葉綠素a質(zhì)量濃度實(shí)測(cè)曲線的相符程度來(lái)看，夏季葉綠素a預(yù)測(cè)值較實(shí)測(cè)峰值偏低，在其他季節(jié)預(yù)測(cè)值則與實(shí)測(cè)值較為近似.原因可能是夏季水華爆發(fā)時(shí)，除了以上驅(qū)動(dòng)因子，藻類還同時(shí)受其他因素影響，如風(fēng)浪攪動(dòng)使淺水湖泊中的懸浮質(zhì)釋放磷、氮等營(yíng)養(yǎng)元素促進(jìn)藻類生長(zhǎng)等[15].

圖2 2005～2009年巢湖西半湖葉綠素a平均預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值比較

3 結(jié)論

1)巢湖西半湖葉綠素a的逐月監(jiān)測(cè)結(jié)果呈現(xiàn)季節(jié)特征，峰值多在每年5～10月出現(xiàn)，且各檢測(cè)點(diǎn)位上葉綠素a質(zhì)量濃度逐年變化趨勢(shì)不同.

2)葉綠素a質(zhì)量濃度與單個(gè)環(huán)境因子之間的相關(guān)系數(shù)均較低，可見(jiàn)其變化受多個(gè)環(huán)境因子共同作用影響.在多元耦合作用下，葉綠素a質(zhì)量濃度與氣溫、水位、氣壓、CODMn等顯著相關(guān)，即水文氣象因子表現(xiàn)出對(duì)水華有較強(qiáng)驅(qū)動(dòng)作用.

3)在水華預(yù)測(cè)方程中，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位對(duì)水體葉綠素a質(zhì)量濃度有較顯著影響的環(huán)境理化因子為水位、TN、CODMn和氣溫等.多因子間的相互依賴形成耦合效應(yīng)，產(chǎn)生統(tǒng)計(jì)冗余變量，在分析水華顯著驅(qū)動(dòng)因子和建立水華預(yù)測(cè)模型時(shí)應(yīng)考慮去除此類冗余環(huán)境因子.

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