千島湖葉綠素a的時空分布及其與影響因子的相關分析*

李培培，史 文，劉其根＊＊，余元龍，何光喜，陳來生，任麗萍，洪榮華

(1:上海海洋大學農業部水產種質資源與利用重點開放實驗室，上海201306)

(2:浙江杭州千島湖發展有限公司，杭州311700)

千島湖葉綠素a的時空分布及其與影響因子的相關分析*

李培培1，史 文1，劉其根1＊＊，余元龍1，何光喜2，陳來生2，任麗萍2，洪榮華2

(1:上海海洋大學農業部水產種質資源與利用重點開放實驗室，上海201306)

(2:浙江杭州千島湖發展有限公司，杭州311700)

為了解千島湖在大量放養鰱鳙魚后葉綠素a的時空分布格局及其與主要環境因子的相關性，本文于2007年1月至2009年12月對千島湖葉綠素a及其他10個水質理化指標進行了每月定期采樣及監測.結果表明:上游河流區和過渡區葉綠素a含量存在明顯的季節變化，其共同特點是每年會形成春季和夏末秋初的雙高峰.葉綠素a含量在空間分布上具有一定的分異性，河流區葉綠素a含量明顯高于中下游區(過渡區和湖泊區).葉綠素a含量的最高峰通常出現在4-12m，最深出現在20m，春夏季出現明顯分層.千島湖葉綠素a與亞硝酸鹽氮(NO2-N)、高錳酸鹽指數(CODMn)、水溫(WT)和硅酸鹽(SiO2－3)呈低度相關，與其他環境因子無顯著相關性或相關性很弱.多元逐步回歸分析結果顯示，千島湖葉綠素a與篩選出的幾個關鍵環境因子之間的回歸方程為:Chl.a=0.114WT+2.120CODMn+17.157SiO2－3－37.391NO2-N－1.946.

千島湖;葉綠素a;時空分布;相關分析

湖泊、水庫的富營養化問題是當前我國乃至全世界面臨的最主要水環境問題.在我國不僅太湖、滇池等高度富營養化的湖泊會經常暴發藍藻水華［1-2］，就連環境優美水質較好的千島湖，也曾于1998、1999年發生過大面積藍藻水華，這引起了廣大專家、學者對千島湖水環境問題的重視.由于葉綠素a是浮游植物現存量的重要指標［3］，其含量的高低能夠反映水體的營養狀況，因此，葉綠素a是湖泊富營養化調查的一個主要參數，并且在水體富營養狀況評價中起關鍵性作用［4］.開展葉綠素a的監測，對于了解千島湖水環境質量現狀及演變趨勢具有重要意義.

近年來國內外很多學者對湖泊(水庫)中葉綠素a的分布對其與各種環境因子的相關性開展了深入的研究，得到的結果不盡相同:雖然大多數研究認為葉綠素a(或其對數)主要與總磷(或其對數)呈線性相關，但也有不少報道認為兩者呈其他回歸關系［5-7］;此外，也有葉綠素a與其他環境因子的相關性分析.雖然有關千島湖的葉綠素a及其與各環境因子間的相互關系曾有過一些研究，但這些研究主要集中于發生水華的1998-1999年及隨后的2000年［8-10］.自2000年起千島湖開展了以鰱鳙魚放養為主要措施旨在預防控制藍藻水華和改善水質的保水漁業試驗后［11］，千島湖的食物網結構發生了顯著的改變，水質也得到了明顯的改善，特別是總磷下降明顯［12］.這些食物網和水質的雙重改變是否會影響到葉綠素a的分布及其與環境因子的相關性值得關注.而有關濾食性魚類(鰱、鳙)能否用于控制浮游植物以及改變藻類生物量與營養鹽之間的相關性在國內外也仍存有爭議［13-16］.因此，本文將重點對2007年1月-2009年12月千島湖葉綠素a濃度的動態變化及其與環境因子的相關性進行分析，旨在了解千島湖在大量放養鰱鳙魚后葉綠素a的時空分布特征及影響因子，從而了解千島湖初級生產力的現存狀況、發展趨勢，合理評價保水漁業對千島湖水質的中長期影響并為千島湖今后的水環境保護提供重要的依據.

1 研究方法

1.1 研究地區概況

千島湖原名新安江水庫，是1959年新安江水庫大壩建成后形成的巨大人工湖，位于浙江省淳安縣境內(29°22'-29°50'N，118°34'-119°15'E)，正常水位 108m 時，庫區面積 573m2，蓄水量 178.4 ×108m3，平均水深30.44m，多年平均入庫水量94.5×108m3，出庫水量為91.07×108m3，水體交換周期長達2年.千島湖水量主要來自地表徑流，共有大小入庫支流30余條，其中新安江是最主要的入庫地表徑流，約占入庫總徑流量的60%.

圖1 千島湖地形圖及采樣點Fig.1 Sampling stations and Map of Lake Qiandao

1.2 采樣點設置

根據水庫自上而下常區分為河流區、過渡區和湖泊區的生態特點設置樣點:河流區樣點宅上(1#)，過渡區樣點溫馨島(3#)，湖泊區樣點猴島(4#)，姥山(8#)和密山(9#)，它們分別位于千島湖的西北、中心和東南湖區.采樣的具體位置分別用Garmin72型(中國臺灣產)全球定位儀(GPS)進行定位.

1.3 樣品采集和處理

從2007年1月至2009年12月每月中旬采集水樣一次，根據各采樣點的水文特征及其水體深度，對各采樣點水樣進行分層采集.其中 1#設定了七個水層(0.5、4、8、12、16、20、25m)，4#設定了八個水層(0.5、4、8、12、16、20、25、30m)，9#設定了十二個水層(0.5、4、8、12、16、20、25、30、35、40、45、50m)，3#和 8#為(0.5、4、8、12、16、20、25、30m)分層采樣后再取混合水樣.

樣品采集方法按照《湖泊富營養化調查規范》［17］進行，監測項目主要有水溫、pH、溶解氧(DO)、葉綠素a(Chl.a)、透明度(SD)、總氮(TN)、硝酸鹽氮(NO3-N)、亞硝酸鹽氮(NO2-N)、銨氮(NH4-N)、總磷(TP)、高錳酸鹽指數(CODMn)、硅酸鹽(SiO2-3)等.

透明度采用Secchi盤法現場測定，水溫和DO采用YSI-58型溶解氧測定儀現場測定，pH值采用pH B-2型便攜式pH儀現場監測，其余項目于24小時內在實驗室里進行相關分析測定:Chl.a采用分光光度法分析［17］;TN、TP采用國家地表水質量監測標準進行，其中 TN用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(GB 11894-89)，TP測定采用磷鉬酸銨分光光度法(GB11893-89).其他指標的測定采用《水和廢水監測分析方法》中的方法［18］.

1.4 統計分析和作圖

采用多元統計分析技術及PASW Statistics 18(SPSS 18)軟件進行Pearson相關性分析、三因素方差分析和逐步回歸分析，使用美國GOLDEN軟件公司的Surfer進行作圖.

2 結果

2.1 Chl.a 的時空分布

圖2 千島湖各采樣點Chl.a含量的時間變化Fig.2 Temporal change of Chl.a in different sampling stations of Lake Qiandao

2.1.1 Chl.a濃度的時間分布 從冬季到春季，全湖的Chl.a含量逐漸上升.從區域分布上看，湖泊區除4#在2008年7月和2009年9月形成峰值外，8#和9#的Chl.a含量隨季節變化幅度不大，但河流區和過渡區(1#、3#)存在明顯的季節變化，其共同特點是每年會形成2個高峰，即春季的高峰和夏末秋初的高峰，冬季為全年最低.最高值出現在2008年7月溫馨島采樣點(3#)，均值為10.7μg/L，最低值出現在2009年2月密山采樣點(9#)，均值為0.33μg/L(圖2).

三因素方差分析表明，千島湖Chl.a含量在季節、年份、采樣點間均有極顯著差異，且季節與年份(P ＜0.001)、季節與采樣點(P ＜0.05)對 Chl.a 均有交互作用，而年份與采樣點對Chl.a無交互作用(表1).2007年5個采樣點的Chl.a含量基本維持在1.06-2.48μg/L 之間，2008 年的變動范圍在1.59-3.13μg/L之間，2009 年則在 1.27-2.62μg/L 之間.除4#和8#外，各樣點的Chl.a含量2008年最高，2009年次之.但4#和8#的 Chl.a含量在2009年最高，2008 年次之.各樣點Chl.a均是2007年最低(圖3).

2.1.2 Chl.a 濃度的水平分布Chl.a含量在空間分布上具有一定的分異性，即河流區Chl.a含量(1#)最高，過渡區(3#)次之，湖泊區(4#、8#和 9#)最低(圖3)，這與其他理化指標空間分布基本保持一致，且各采樣點的Chl.a含量差異極顯著(表1).

圖3 千島湖各采樣點Chl.a含量的比較Fig.3 Spatial changes of Chl.a content in different sampling stations of Lake Qiandao

表1 千島湖Chl.a含量季節、年份、采樣點的三因素方差分析Tab.1 Three-way ANOVA of season，year and sampling station for Chl.a content in Lake Qiandao

2.1.3 Chl.a濃度的垂直分布 千島湖2007-2009年各采樣點在4-11月Chl.a形成明顯且穩定的分層現象.這種分層現象較大可能是伴隨著“溫躍層”的出現而出現的。千島湖葉綠素a的峰值普遍出現在4m以下，最深出現在20m。此外，河流區(1#)Chl.a的垂直分布情況在不同月份之間的變化較大，而湖泊區各點(4#、9#)不同月份的變化相對較小(圖4)，這可能與湖泊區水體營養物含量較穩定而上游河流段營養鹽隨入庫徑流量出現較大的月變動有關.

2.2 Chl.a含量的變化與主要理化因子的相關性

2.2.1 葉綠素與各理化因子之間的相關分析 湖水的理化因子對Chl.a含量有著間接或直接的影響.對2007-2009年Chl.a與湖水理化因子進行相關分析，結果表明千島湖三年的Chl.a與NO2-N、CODMn、WT和呈低度相關，其 r值分別為 0.364、0.486、0.498和0.362，與其他環境因子無顯著相關性或相關性很弱.

表2 千島湖Chl.a與環境因子的相關系數Tab.2 Correlation coefficients between Chl.a and environmental factors in Lake Qiandao

2.2.2 葉綠素與各理化因子之間的逐步回歸分析 千島湖三年間Chl.a含量與環境因子的逐步回歸分析，4個關鍵因子入選，回歸方程.千島湖Chl.a與WT、CODMn、都表現為正相關，然而與TP沒有相關性.

3 討論與分析

3.1 Chl.a 含量的時空分布特點

從千島湖2007-2009年Chl.a的時間分布來看，總體上在一年中呈現出春秋高、冬季低的特點;從年際看，三年中以2008年最高，2009年次之，2007年最低(圖2).每年的12月到次年的3月全湖月平均水溫為一年中最低，此時即便有大量外源營養鹽補充到水體中，也會因水溫過低嚴重抑制浮游植物生長，導致Chl.a含量在全年中最低.隨著春季來臨，水溫升高，光照適宜，浮游植物開始大量繁殖，尤其是河流區(1#)由于上游河流攜帶而來的營養鹽急劇增加，以及河流段相對升溫快，從而形成較為明顯的春季高峰.夏季光照和水溫均過大，反而抑制了浮游植物的繁殖，而隨著秋季的到來，光照開始減弱，更適于藻類光合作用，同時，夏末初秋常受臺風等影響，雨量增多，外源性營養物質不斷輸入，使浮游植物生物量推向最高峰.本研究顯示Chl.a濃度與水溫的相關性顯著，這也從另一方面解釋了千島湖Chl.a時間分布上的這一特點.

圖4 2007-2009年1#、4#、9#點位 Chl.a濃度垂直分布隨時間變化Fig.4 Vertical and temporal variation of Chl.a in sampling stations 1#，4#and 9#from 2007 to 2009

本研究證實，夏季水體分層，也會導致Chl.a含量下降.從年際變化來看，2008年春夏季雨量多，增加了水體的上下對流，而2007、2009年夏季雨量相對較少，導致水體分層時間延長，進而形成較穩定的水體分層，從而底層營養鹽未能供應到表層，最終導致兩年相對較低的生產力.2008年夏、秋季溫度雖然高于2007、2009年，但其特殊的強對流天氣(暴雨、臺風、季風等)影響水體分層而產生了一系列效應［19-22］，從而導致較高的生產力.

從空間分布特點來看，千島湖Chl.a含量變動有空間上的異質性，Chl.a含量從上游河流區到中下游區(過渡區和湖泊區)依次減少，這符合一般水庫的特點.另一方面，由于千島湖流域土地利用狀況及土壤類型對水質影響相對較大，千島湖Chl.a含量在受人類活動影響較大的區域要高于受人類活動影響較小的區域［10］.

千島湖Chl.a的垂直分布和溫度類似，每年能形成兩次類似于“溫躍層”的格局.在較深水域還有浮游植物的存在，Chl.a濃度的高峰值甚至出現在20m水層，其原因可能有以下兩方面:一是由于千島湖水體透明度高，最大值為11m，在較深的地方還有陽光照射能夠進行光合作用;另一方面是由于全同溫期的出現，水體垂直交換強度大，部分浮游植物被水流帶到更深的區域.而湖泊區Chl.a分布較河流區穩定，也顯示出湖泊強大的生態凈化功能.

3.2 影響千島湖Chl.a含量及其時空動態的主要環境因子

在淡水湖泊或水庫中，Chl.a含量或藻類的生長是由多因素控制的，一般地，影響藻類生長的因子主要有水動力條件，氣象條件、營養鹽等［23］.千島湖Chl.a含量和環境因子之間的相關性分析表明，各理化因子對千島湖Chl.a含量都有著直接或間接的影響，其中TN、WT 、與Chl.a的相關性較為明顯.從相關性分析可以看出，千島湖Chl.a與國內外許多磷限制性湖泊存在著一定的差異，Chl.a含量容易受到上游新安江來水、人類活動的影響，另外天氣狀況、降雨量以及水生生物(尤其是魚類)對Chl.a含量的分布起到不可忽視的作用.

3.2.2 千島湖Chl.a與TP的關系 磷是藻類生長的限制因子已經多次在各類湖泊，甚至在千島湖中得到證實［4，9-10］.呂喚春等［9］曾在1999-2000年對千島湖 Chl.a含量及理化因子進行監測，結果表明影響千島湖Chl.a含量變化的主要因子有氮、磷、水溫、透明度和降水等，Chl.a含量與TN、TP之間的相關系數分別為0.250、0.450，藻類數量的增長受磷的影響較為明顯.自2000年在千島湖實施“保水漁業”措施，大量放養鰱鳙魚后，劉其根等［12］通過分析 2004 年監測數據得到 Chl.a與 TN(r=0.473，P ＜0.01)、TP(r=0.443，P ＜0.01)之間有極顯著的正相關關系.本研究通過三年的數據分析得出千島湖氮元素的含量逐年上升，局部區域已達到國家Ⅵ-Ⅴ類水標準，而磷元素含量呈現下降趨勢，特別是磷酸鹽含量常低于國家檢測標準.2007-2009年以來，千島湖全湖TN∶TP值遠遠大于90，根據經典的Liebig最小因子定律和目前國際上廣泛認可的Redfield定律(藻類細胞組成的原子比率C∶N∶P=106∶16∶1)，千島湖藻類生長的限制因子是總磷，這一矛盾可能主要與以下幾個因素有關，如千島湖較大的縱寬比導致的縱向梯度和空間異質性、濾食性鰱鳙為主的食物網結構以及其他環境因子對兩者關系的強烈干擾作用等;由于千島湖上中下游相距較遠，不但上游采樣點受地表徑流影響強烈，其響應時間較短，且下游湖泊區水質穩定，易產生熱分層等而且其本底營養程度和食物網結構也都存在較大差異，這些因素均可能導致上下游Chl.a對營養鹽響應的程度有很大差異，其疊加的結果可能使Chl.a與TP的相關性削弱.正常情況下對于千島湖這樣的大型水體而言，湖中藻類數量的變動主要取決于繁殖和死亡兩個方面，而影響藻類繁殖的因素主要是水體營養鹽含量(即通常認為的上行效應)，以及光照和水溫等理化因素;而導致藻類數量減少的主要因素則包括藻食生物(主要是浮游動物和鰱、鳙)的多少(即下行效應)和是否發生藻類病害等［28］，因此推斷鰱鳙等對藻類的濾食等“下行效應”改變了Chl.a和TP的關系的可能性較大，這表明營養化程度相對較低的千島湖，其浮游植物可能更主要由藻食生物控制的(下行效應)，而不是受水體中的營養元素控制(上行效應).千島湖自2000年以來，每年都要投放近百萬斤的鰱、鳙魚種，并且大量捕撈鳡魚等兇猛魚類，使得整個湖泊中的浮游植物生物量受鰱鳙魚的強烈控制，可能使Chl.a含量與TP相關性減弱，乃至不顯著.當然，千島湖中葉綠素與TP不顯著相關的原因尚有待進一步驗證.

致謝:陳來生、余元龍幫助野外采樣，史文、任麗萍等參與環境指標的測定，在此向他們表示衷心的感謝.

［1］秦伯強，胡維平，陳偉民等.太湖水環境演化過程與機理.北京:科學出版社，2004.

［2］王紅梅，陳 燕.滇池近20a富營養化變化趨勢及原因分析.環境科學導刊，2009，28(3):57-60.

［3］Reynolds CS.The ecology of fresh water phytoplankton.London:Cambridge University Press，1984.

［4］王飛兒，呂喚春，陳英旭等.千島湖葉綠素a濃度動態變化及其影響因素分析.浙江大學學報，2001，30(1):22-26.

［5］Dillon PJ，Rigler FH.The phosphorus-chlorophyll relationship in lakes.Limnology and oceanography，1974，19(5):767-773.

［6］Mccauley E，Downing JA，Watson S.Sigmoid relationships between nutrients and chlorophyll among lakes.Canadian Journal of Fisheries'and Aquatic Sciences，1989，46:1171-1175.

［7］Chow FP，Trew DO，Findlay D et al.A test of hypotheses to explain the sigmoidal relationship between total phosphorus and chlorophyll a concentrations in Canadian Lakes.Canadian Journal of Fisheries'and Aquatic Sciences，1994，51:2052-2065.

［8］呂喚春，王飛兒，陳英旭等.千島湖水體葉綠素a與相關環境因子的多元分析.應用生態學報，2003，14(8):1347-1350.

［9］呂喚春，陳英旭，方志發等.千島湖水體營養物質的主導因子分析.農業環境保護，2002，21(4):318-321.

［10］趙新民，王 軍，朱淑君等.千島湖水體葉綠素a時空變化特征及其影響因子分析.浙江樹人大學學報，2005，5(5):99-103.

［11］劉其根，陳馬康，何光喜等.保水漁業-大水面漁業發展的時代選擇.中國水產，2003，11:20-22.

［12］劉其根.千島湖保水漁業及其對湖泊生態系統的影響.上海:華東師范大學，2004.

［13］陳少蓮，劉肖芳.鰱鳙在東湖生態系統的氮，磷循環中的作用.水生生物學報，1991，15(1):8-26.

［14］Domaizon I，devaux J.Experimental study of the impacts of silver carp on plankton communities of eutrophic Villerest reservoir(France).Aquatic Ecology，1999，33:193-204.

［15］Xie P，Liu J.Practical success of biomanipulation using filter-feeding fish to control cyanobacteria blooms:a synthesis of decades of research and application in a subtropical hypereutrophic lake.The Scientific World Journal，2001，8(1):337-356.

［16］Wang HJ，Liang XM，Jiang PH et al，TN∶TP ratio and planktivorous fish do not affect nutrient-chlorophyll relationships in shallow lakes，Freshwater Biology，2008，53:935-944.

［17］金相燦，屠清瑛.湖泊富營養化調查規范(第2版).北京:中國環境科學出版社，1990.

［18］國家環保總局.水和廢水監測分析方法(第四版).北京:中國環境科學出版社，2002:88-200.

［19］王東紅，黃清輝，王春霞等.長江中下游淺水湖泊中總氮及其形態的時空分布.環境科學，2004，25:27-30.

［20］Brian moss.Ecology of fresh waters.London:Blackwell Scientific Publications，1980:11-35.

［21］Plisnier PD，Chitamwebwa D，Mwape L et al.Limnological annual cycle inferred from physical-chemical fluctuations at three stations of Lake Tanganyika.Hydrobiologia，1999，407:45-58.

［22］王雨春，朱 俊，馬 梅等.西南峽谷型水庫的季節性分層與水質的突發性惡化.湖泊科學，2005，17(1):54-56.

［23］翁笑艷.山仔水庫葉綠素a與環境因子的相關分析及富營養化評價.干旱環境監測，2006，20(2):73-78.

［24］余元龍.千島湖浮游植物群落結構時空分布格局及其與主要環境因子的關系.上海:上海海洋大學，2010.

［25］楊東方，李 宏，張越美等.淺析浮游植物生長的營養鹽限制及其判斷方法.海洋環境科學，2000，12:47-50.

［26］Yang DF，Zhang J，Gao ZH et al.Examination of silicate limitation of primary production in the Jiaozhou Bay，North ChinaⅡ.Critical value and time of silicate limitation and satisfaction of the phytoplankton growth.Chinese Journal of Oceanology and Limnology，2003，21(1):46-63.

［27］Hutchins DA，Bruland KW.Iron-limited diatom growth and Si:N uptake ratios in a coastal upwelling regime.Nature，1998，393:561-564.

［28］劉其根，陳立僑，陳 勇.千島湖水華發生與主要環境因子的相關性分析.海洋湖沼通報，2007，(1):117-12.

Spatial and temporal distribution patterns of chlorophyll-a and the correlation analysis with environmental factors in Lake Qiandao

LI Peipei1，SHI Wen1，LIU Qigen1，YU Yuanlong1，HE Guangxi2，CHEN Laisheng2，REN Liping2＆HONG Ronghua2
(1:Key Laboratory of Aquatic Genetic Resources and Utilization，Ministry of Agriculture，Shanghai Ocean University，Shanghai 201306，P.R.China)
(2:Hangzhou Qiandaohu Development Co.，ltd.，Hangzhou 311700，P.R.China)

The temporal and spatial distribution patterns of chlorophyll-a and its correlation with the main environmental factors were analyzed according to the monthly investigation from January，2007 to December，2009 in Lake Qiandao where a large number of silver carp and bighead carp stocked.Results showed that the concentration of chlorophyll-a in sampling stations located in the upper reach riverine and transitional zones of the reservoir showed a significant seasonal variations with two concentration peaks occurred in spring and late summer or early fall，respectively.The concentrations of chlorophyll-a in upstream sites(in the riverine and transitional zones)were significantly higher than those of downstream sites.The chlorophyll-a during the warm season was usually stratified with a concentration peak occurring at depths between 4m and 12m，occasionally at a depth of 20m.The result of correlation analysis showed a weak correlation between chlorophyll-a and NO2-N，CODMn，water temperature(WT)and silicate(SiO2-3)，while no significant correlations of the chlorophyll-a were found with other environmental factors，especially with the TP in the water.The regression equation between chlorophyll-a and the correlated environmental factors could be expressed through the multiple linear stepwise regressions as:Chl.a=0.114 WT+2.120 CODMn+17.157 SiO2－3－37.391 NO2-N－1.946.

Lake Qiandao;chlorophyll-a;spatial and temporal distribution;correlation analysis

＊ 國家自然科學基金項目(30670388，31072218)和上海市重點學科項目(Y1101)聯合資助.2010-09-03收稿;2010-12-03收修改稿.李培培，女，1986年生，碩士研究生;E-mail:peisimple@live.cn.

＊＊ 通訊作者;E-mail:qgliu@shou.edu.cn.