巢湖西北岸入湖口葉綠素a與營養鹽因子相關性及特征分析

許 毅

（安徽省建設工程測試研究院有限責任公司，安徽 合肥 230051）

巢湖是我國藍藻爆發最嚴重的三湖（巢湖、太湖、滇池）之一，湖水主要靠沿湖35條河流匯入和降雨補給，隨著合肥市南向經濟的加速發展，水質逐漸變差，80年代以來西半湖多次爆發藍藻水華。2020年中國生態環境狀況公報顯示，巢湖西半湖為輕度富營養狀態，西半湖入湖河流為輕度污染，其中南淝河為Ⅴ類，派河為Ⅳ類[1]。總磷總氮等營養鹽相對充足導致的湖泊富營養化使藍藻爆發成為常態，藍藻是巢湖的優質藻種，葉綠素a作為藻類的重要組成成分，是富營養化水平的重要指標，常用來衡量以藻類為主的水體浮游植物量，其與藻密度的相關系數在0.9以上，呈高度相關[2]，國內外研究表明葉綠素a指標可作為藍藻爆發的預警因子。目前國內對巢湖水體中葉綠素a和營養鹽的研究大都集中在全湖，如殷守敬，吳傳慶等在2018年對巢湖水體中營養鹽進行了研究[3]，而對污染最嚴重的西北岸入湖口片區葉綠素a與營養鹽因子的分布特征和相關性研究極少。本文通過對2021年4～11月5個入湖口水體中葉綠素a與營養鹽因子的檢測和分析，研究其分布規律及兩者之間的相關性，了解入湖口水體富營養化的關聯因素，為巢湖水環境治理尤其是營養鹽削減提供參考依據。

1 實驗部分

1.1 樣品采集

巢湖西北岸派河，南淝河，塘西河，十五里河，丙子河入湖口處，在每個入湖口擴散面按照北、南、東、西方位布設4個采樣點，總計20個點位，使用有機玻璃采樣器以等體積法采集表層（水面下0.5 m處），中層（水深1/2處），底層（湖底以上0.5 m處）樣品，避光冷藏后送本單位檢測實驗室進行水質分析。

1.2 樣品分析方法

總磷按照鉬酸銨分光光度法測定；總氮按照堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定；氨氮按照中和滴定法測定；硝酸鹽氮按照酚二磺酸光度法測定；葉綠素a按照分光光度計-丙酮研磨比色法測定。所采集樣品分析方法參照《水和廢水監測分析方法（第四版）》。

2 結果與分析

2.1 葉綠素a濃度分布特征

對比分析各入湖口水體中葉綠素a濃度時空分布特征見圖1，縱坐標為葉綠素a濃度，橫坐標為各入湖口采樣點位。比對分析可知各入湖口葉綠素a濃度的時間分布特征為：8月＞9月＞6月＞7月＞5月＞10月＞11月＞4月；空間分布特征為：南淝河入湖口＞派河入湖口＞塘西河入湖口＞十五里河入湖口＞丙子河入湖口，葉綠素a濃度最高峰出現在8月的南淝河入湖口，為116 μg/L，最低峰出現在4月的丙子河入湖口，為7 μg/L，最高值是最低值的16倍。4月為藍藻復蘇期，5月水溫上升到25 ℃左右，藍藻進入快速生長期，環巢湖地區在6～7月間進入梅雨季節，入湖河流水速加快，加上日照偏少不利于藍藻聚集，8月水溫上升到30 ℃以上，且降雨偏少，高溫晴熱少雨導致藍藻爆發，水體中葉綠素a濃度顯著升高。11月氣溫降低后，藻類進入衰退期，葉綠素a的濃度逐漸降低。對比顯示葉綠素a濃度空間分布的差異性在每個月份都不同，4月葉綠素a濃度分布的差異性最小，而在10月與11月間葉綠素a濃度在各入湖口分布的差異性較大。需要進一步分析分布差異性大的10月數據，以研究入湖口水體中營養鹽因子對葉綠素a濃度產生的影響，了解造成這種差異性的原因及程度。

圖1 入湖口葉綠素a濃度時空分布

2.2 營養鹽因子的空間分布特征

為分析營養鹽因子與葉綠素a濃度的相關性，以分布差異性大的10月為例，繪制了入湖口營養鹽因子總磷、總氮、氨氮和硝酸鹽氮濃度空間分布圖，見圖2。

由圖2可知：營養鹽因子總磷、總氮、氨氮、硝酸鹽氮濃度在入湖口總計20個點位的變化趨勢與葉綠素a高度相似，不同營養鹽因子濃度的變化幅度有所差異。最高點和最低點總磷濃度分別為0.33 mg/L、0.05 mg/L，總氮濃度分別為5.32 mg/L、1.61 mg/L，5#-8#四個點位氮磷水平顯著高于其他入湖口水平，南淝河上游匯集了更多城鎮生活污水、污水處理廠排水、農田排水，導致入湖口附近水域氮磷等營養鹽的含量顯著升高。國際上公認，當水體中營養鹽因子總磷和總氮的濃度分別達到0.02 mg/L和0.2 mg/L時，會導致藻類大規模繁殖[4]。在水溫下降藻類繁殖減弱的10月，5個入湖口水體總磷和總氮濃度仍然達到了富營養化水平。

圖2 入湖口營養鹽因子濃度空間分布

2.3 葉綠素a與營養鹽因子相關性分析

為了解葉綠素a的變化，需要分析葉綠素a與營養鹽因子的相關性和關聯程度，使用SPSS軟件對葉綠素a和相關營養鹽因子與化學需氧量進行相關性分析，相關性見表1。

由表1可以看出：葉綠素a的濃度與總磷、總氮、氨氮、硝酸鹽氮濃度均呈正相關。其相關系數分別為總磷（r=0.864，P＜0.01）、總氮（r=0.776，P<0.01）、氨氮（r=0.725，P<0.01）、硝酸鹽氮（r=0.672，P<0.01）。根據統計學原理：相關系數＞0.8時，定義為高度相關；當0.5＜相關系數＜0.8，定義為顯著相關[5]。由此可見：總磷為高度相關，總氮、氨氮、硝酸鹽氮濃度為顯著相關。相關性比較方面：總磷＞總氮＞氨氮＞硝酸鹽氮。入湖口水體中葉綠素a的濃度受總磷的影響最大，總磷與總氮、氨氮、硝酸鹽氮呈正相關，總氮與總磷、氨氮、硝酸鹽氮亦呈正相關，說明水體中氮磷濃度變化趨勢基本一致。根據相關性分析數據，對與葉綠素a呈正相關性的營養鹽因子總磷、總氮、氨氮、硝酸鹽氮進行回歸曲線分析，如圖3所示。

圖3 葉綠素a濃度與營養鹽因子的回歸曲線

表1 葉綠素a與營養鹽因子的相關性分析

由圖3 可知：葉綠素a 與總磷濃度的回歸曲線方程為y=0.719x-0.058（r=0.802，P<0.01）。葉綠素a與總氮濃度的回歸曲線方程為y=0.056x-0.103（r=0.781，P<0.01），與氨氮的回歸曲線方程為y=0.238x-0.174（r=0.716，P<0.01），與硝酸鹽氮的回歸曲線方程為y=0.936x-0.063（r=0.662，P<0.01）。入湖口水體中葉綠素a與營養鹽因子的相關系數為0.662-0.802，表明水體中以氮磷為主的營養鹽濃度的高低，比化學需氧量更能夠影響葉綠素a的濃度。在巢湖環境生態系統中，氮元素 的循環過程遠比磷元素的循環復雜，從而導致總氮的回歸曲線系數比總磷的系數要低，總磷與葉綠素a的相關性要高于總氮。

3 結論

巢湖西北岸入湖口水體中南淝河水體的總磷總氮均值濃度最高，丙子河最低，南淝河在西北岸水體富營養化貢獻中最高。葉綠素a在8月達到峰值，水體發生輕度水華現象。應根據不同入湖河流體現出的營養鹽分布特征有針對性地開展上游河流氮磷削減治理措施。

比較5個入湖口水體中葉綠素a與營養鹽因子相關性可知：總磷＞總氮＞氨氮＞硝酸鹽氮，總磷為高度相關。葉綠素a濃度變化受多個因子共同影響，后續研究中應加入水體中的氮磷比，風向導致的入湖口滯流等研究要素，以提高葉綠素a作為藍藻預警因子的準確性。