長春南湖水體中p、n和葉綠素a的時空分布及相關性分析

長春南湖水體中p、n和葉綠素a的時空分布及相關性分析

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和人類活動的加劇，湖泊等水體污染和富營養(yǎng)化問題日益嚴重。富營養(yǎng)化是水體中氮、磷等營養(yǎng)鹽含量不斷上升,引起水生植物、藻類等大量生長,導致水質(zhì)惡化的現(xiàn)象。其中,氮、磷是水生生物生長所必須的營養(yǎng)元素,葉綠素a是各種藻類及其他植物體的重要組成部分,是表征藻類現(xiàn)存量的重要指標之一。研究3者特征及相互之間的聯(lián)系對于認識湖泊富營養(yǎng)化問題具有重要的意義。已有大量常溫下TP、TN和葉綠素a分布規(guī)律及相關性的研究,但是對于北方湖泊,包含冰封期的相關研究尚不多見。筆者以長春南湖為例,研究了TP、TN和葉綠素a在湖泊水體中全年(包含冰封期)的分布規(guī)律及3者的相互關系,采用綜合富營養(yǎng)化指數(shù)法對南湖水體進行評價。南湖位于長春市區(qū)南部(N43°51′,E125°18′),是一個小型半封閉淺水內(nèi)陸城市湖泊,湖水面積0.96km2,最大水深4m,平均水深2m,最大庫容為300萬m3。南湖始建于1935年,是長春市內(nèi)主要的水上風景區(qū)和天然浴場1-2。近年來,由于人為影響,大量氮、磷、有機質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)進入水體,富營養(yǎng)化程度明顯加劇,破壞了湖泊原有的生態(tài)系統(tǒng),造成藻類、水草等瘋長,魚類大量死亡。盡管有關部門進行了治理,但上述現(xiàn)象仍然時有發(fā)生,威脅著南湖作為景觀水體的作用。1學習方法1.1采樣點采樣情況考慮南湖不同水域的功能,布設了3個區(qū)(見圖1):(1)1號區(qū)——荷花池區(qū),即采樣點1-2;(2)2號區(qū)——人為活動區(qū)(包括游船區(qū)、游泳區(qū)等),即采樣點2-1～2-4;(3)3號區(qū)——漁場保護區(qū),即采樣點3-1～3-5。其中,1號區(qū)和2號區(qū)在南湖大橋以北,3號區(qū)在南湖大橋以南。為了深入了解南湖水體中TP、TN及葉綠素a含量在不同季節(jié)的變化,于2008年9月(秋季,豐水,常溫期)、2009年2月(冬季,冰封期)和2009年5月(春季,平水,常溫期)進行了采樣測試,具體見表1。3次共采集樣品55個,其中水樣45個、冰樣10個。其中,當水深大于1.2光度法測定樣品指標均按文獻規(guī)定方法進行測試:TP采用過硫酸鉀氧化—鉬銻抗分光光度法測定;TN采用堿性過硫酸鉀氧化—紫外分光光度法測定;葉綠素a含量采用300mL水樣用0.45μm的醋酸纖維濾膜抽濾,加入95%(質(zhì)量分數(shù))的乙醇萃取,離心后取上清液用分光光度法比色測定。2海水中營養(yǎng)鹽和葉色a的分布與富營養(yǎng)化評價2.1海水中的養(yǎng)分分布和常綠葉子的時空分布特征2.1.1月和底層的tp、tn、葉綠素a含量測定由表2可知,TP、TN和葉綠素a含量均為9月>5月;9月的TP、TN為表層>底層,葉綠素a含量為底層>表層;5月的TP、TN和葉綠素a的含量均為底層>表層;TP為3號區(qū)>2號區(qū)>1號區(qū),TN和葉綠素a含量均為3號區(qū)>1號區(qū)>2號區(qū)。2.1.2冰樣分區(qū)的確定由表2可知:(1)2月的TP、TN和葉綠素a含量為水層>冰層;由于1號區(qū)在冰封期只有1個冰樣,所以在分區(qū)討論時只考慮2號區(qū)和3號區(qū)。TP、葉綠素a含量為3號區(qū)>2號區(qū),TN為2號區(qū)>3號區(qū)。(2)與常溫期相比,TP、TN和葉綠素a含量總體上均為9月>5月>2月;各區(qū)水體中TP和葉綠素a含量的分布與常溫期保持一致,而TN的分布有一定的變化。2.1.3冰、tp、tn、葉綠素a含量的時空差異以上TP、TN與葉綠素a含量分布的時空差異表明,自然因素和人為活動具有重要作用。(1)自然因素:主要是溫度、光照、擾動、降雨和蒸發(fā)量等,其具有明顯的季節(jié)性。常溫期,由于溫度升高,導致底泥中的磷更易釋放,而溫度的升高,微生物也處于活躍時期,生物固氮作用明顯,因氮、磷是藻類生長的營養(yǎng)來源,氮、磷含量的升高,溫度、光照等條件適宜,會促使藻類大量的繁殖。因此,TP、TN和葉綠素a含量為9月>5月。冰封期,TP、TN與葉綠素a含量均為水層>冰層。原因在于水在結冰過程中,水中溶質(zhì)只在結成冰核的初期進入冰體中,所以冰層是由相對純凈的水組成。冰封期水體溫度在4℃以下,底泥中的磷難以釋放,微生物基本處于休眠狀態(tài),且頂部的冰層將水體與空氣隔離,無法進行生物固氮,藻類生長受到抑制,導致冰封期TP、TN與葉綠素a含量均小于常溫期。(2)人為影響包括截留前的排污,定期的補水,游人活動,養(yǎng)魚、種植大型水生植物等,不同的功能區(qū)人為影響也有差異。3號區(qū)為漁場保護區(qū),由于投放魚苗、魚餌等進行人工養(yǎng)殖以及管理不善等,影響了湖泊生態(tài)系統(tǒng),造成營養(yǎng)物質(zhì)的短路循環(huán),大型水生植物固定的氮、磷重新釋放到水體中,氮、磷含量的增加促使藻類大量繁殖,導致3號區(qū)TP、TN和葉綠素a含量總體大于其他區(qū)域。為了進一步認識TP、TN的時空差異對葉綠素a含量及富營養(yǎng)化的影響,對不同時期、不同空間上TP、TN與葉綠素a含量的相關關系進行了統(tǒng)計分析,結果見表3。由表3可知,TP—葉綠素a含量呈顯著正相關關系,r為0.786～0.934(P<0.050)。TN—葉綠素a含量既有正相關關系,也有負相關關系,r絕對值為0.223～0.873,其中TN—葉綠素a含量在9月底層、2月冰層是顯著正相關的,在2月水層是顯著負相關,其余相關性不顯著。綜上可知,TP—葉綠素a含量的相關性要明顯高于TN—葉綠素a含量。這說明,相對于氮,磷含量的高低是控制藻類及浮游生物生長更為關鍵的因子。由表3還可知,TP—葉綠素a含量在9月相關性是表層>底層,TN—葉綠素a含量在9月相關性是底層>表層。TN可能是導致葉綠素a含量底層>表層的原因。這是因為9月TN在表層、底層分別為3.334、2.916mg/L,超標了15、13倍,TN過高抑制了藻類的生長,而表層氮的含量更高,抑制作用更加明顯,導致了葉綠素a含量底層>表層。2.2不同季節(jié)和季節(jié)動態(tài)營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的綜合權重為了充分認識氮、磷含量時空差異與湖泊富營養(yǎng)化的關系,半定量地統(tǒng)計出湖泊不同區(qū)域、不同時段發(fā)生富營養(yǎng)化的風險,采用綜合營養(yǎng)指數(shù)法(TLI)對南湖水體進行富營養(yǎng)化評價。以葉綠素a含量為基準指標,選用指標包括葉綠素a含量、TP、TN、透明度和高錳酸鹽指數(shù)11-13。常溫期各區(qū)水體評價綜合了這5個指標,月份評價則采用了葉綠素a含量、TP和TN。綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(T,范圍0～100)、第j種指標營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(Tj)計算見式(1)和式(2),其中第j種指標營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的計算常數(shù)Aj和Bj具體見表4。T=∑j=1mWjTj=r2j/∑j=1mr2jTjΤ=∑j=1mWjΤj=rj2/∑j=1mrj2Τj(1)Tj=Ajlncj+Bj(2)式中:Wj為以葉綠素a含量為基準,第j種指標的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的綜合權重;m為指標個數(shù);rj為第j種指標與基準指標葉綠素a含量的相關系數(shù);cj為第j種指標的質(zhì)量濃度數(shù)值。根據(jù)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù),對湖泊營養(yǎng)狀態(tài)進行分級:T<30為貧營養(yǎng),30≤T≤50中營養(yǎng),T>50為富營養(yǎng)。而富營養(yǎng)狀態(tài)又可細分為3個級別:50<T≤60為輕度富營養(yǎng);60<T≤70為中度富營養(yǎng);T>70為重度富營養(yǎng)。由表5中月份評價可知,9月的營養(yǎng)級別是中度富營養(yǎng),2月的營養(yǎng)級別是中營養(yǎng),5月的營養(yǎng)級別是輕度富營養(yǎng)。綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)大小依次為9月>5月>2月,發(fā)生富營養(yǎng)化的風險依次下降,其中2月的營養(yǎng)級別為中營養(yǎng),基本無富營養(yǎng)化的風險。9月的TP、TN和葉綠素a含量均達到最大,綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)也達到最大,而9月TP、TN與葉綠素a含量的相關關系顯著,即這個時期是最易富營養(yǎng)化的時期。究其原因,主要是9月光照充分,能給藻類生長提供足夠的能量;而9月又是夏末秋初,氣溫總體在20℃以上,是藻類生長最適宜的溫度,這個時期也是藻類繁殖最旺盛的時期,所以其發(fā)生富營養(yǎng)化的風險最大。5月的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)為50.1,雖然小于9月,但其TP均值為0.080mg/L,TN均值為1.339mg/L,均超過了富營養(yǎng)化所需的含量。由于5月是初春季節(jié),湖泊的冰層已完全融化,最高溫度也升高到15℃以上,藻類含量明顯高于冬季,有復蘇的跡象,且春季風大,對淺水湖泊的擾動大,適合底泥中的氮、磷釋放。在合適的溫度和高于富營養(yǎng)化水平的氮、磷含量的情況下,也存在發(fā)生富營養(yǎng)化的風險。2月的湖泊處于冰封期,其綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)為45.9,營養(yǎng)級別為中營養(yǎng),但是冰下溫度不超過4℃,同時冰雪的覆蓋阻礙了日照,藻類在既無能量也無適宜溫度的情況下,即使氮、磷含量均超過富營養(yǎng)化含量,也無發(fā)生富營養(yǎng)化的風險,然而底層水中富集的氮、磷等營養(yǎng)鹽是提供春季融凍期內(nèi)富營養(yǎng)化潛在風險的重要物質(zhì)基礎。常溫期不同功能區(qū)的營養(yǎng)級別均屬輕度富營養(yǎng)化。這是因為1號區(qū)是人工養(yǎng)殖了大型的水生植物的區(qū)域,一般認為,大型水生植物與浮游植物的生長屬于競爭關系,所以養(yǎng)殖大型的水生植物對藻類的生長起到一定的抑制作用;2號區(qū)受到游人劃船、游泳等影響,水體透明度較低,光照相對較少,藻類光合作用減弱,一定程度上抑制了藻類的生長;3號區(qū)由于人工養(yǎng)魚,影響了湖泊原有的水生生態(tài)系統(tǒng),造成營養(yǎng)物質(zhì)的短路循環(huán),加速了氮、磷的活化過程,增加了初級生產(chǎn)力,一定程度上增大了其發(fā)生富營養(yǎng)化的風險。3浮游生物營養(yǎng)狀態(tài)的變化(1)常溫期,TP、TN和葉綠素a含量均為9月>5月;9月的TP、TN為表層>底層,葉綠素a含量為底層>表層;5月的TP、TN和葉綠素a的含量均為底層>表層;TP為3號區(qū)>2號區(qū)>1號區(qū),TN和葉綠素a含量均為3號區(qū)>1號區(qū)>2號區(qū)。(2)冰封期,TP、TN和葉綠素a含量為水層>冰層;TP、葉綠素a含量為3號區(qū)>2號區(qū),TN為2號區(qū)>3號區(qū)。與常溫期相比,TP、TN和葉綠素a含量總體上均為9月>5月>2月;各區(qū)水體中TP和葉綠素a含量的分布與常溫期保持一致,而TN的分布有一定的變化。(3)TP—葉綠素a含量的相關性要明顯高于TN—葉綠素a含量。這說明,相對于氮,