松花湖富營養(yǎng)化的影響因子及發(fā)生閾值研究

松花湖富營養(yǎng)化的影響因子及發(fā)生閾值研究

湖泊、水庫的富營養(yǎng)化和“水花”災(zāi)害是今天國際水環(huán)境的一個重要問題，引起了世界各國的關(guān)注。近年來,許多學(xué)者對水體富營養(yǎng)化的形成、危害、模型及治理等進(jìn)行了大量的研究,由于對富營養(yǎng)化發(fā)生機理的研究還不充分,因此富營養(yǎng)化的量化、定義尚不明了;另外,我國的水體富營養(yǎng)化標(biāo)準(zhǔn)不能簡單地套用歐洲等其它國家的標(biāo)準(zhǔn),所以研究湖泊、水庫富營養(yǎng)化發(fā)生的機理,明確不同水體富營養(yǎng)化發(fā)生的限制因子及其閾值尤為重要。由于影響富營養(yǎng)化的環(huán)境因子眾多,難以根據(jù)環(huán)境因子的監(jiān)測數(shù)據(jù)建立確定性的富營養(yǎng)化評價和預(yù)測模型,所以利用研究不確定性的主要方法——隨機性方法來研究富營養(yǎng)化就顯得非常必要。本研究通過多元相關(guān)分析和多元逐步回歸分析以及室內(nèi)藻類培養(yǎng)和蒙特卡羅隨機模擬來確定松花湖富營養(yǎng)化發(fā)生的主要限制因子、判定富營養(yǎng)化發(fā)生的閾值和分析富營養(yǎng)化發(fā)生的概率,從而為有效地預(yù)防和控制松花湖富營養(yǎng)化的發(fā)生提供科學(xué)依據(jù),并且對同類湖泊和水庫的富營養(yǎng)化研究起到借鑒作用。1材料和方法1.1水文氣象及水源松花湖即豐滿水庫,位于北緯43°07′～43°50′,東經(jīng)126°45′～127°38′,是在松花江小豐滿處建水壩而形成的大型人工湖泊。流域面積43370.8km2,回水全長180km,湖面最寬約5km,最大水面550km2,平均水深30～40m;年入庫徑流量約137億m3。松花湖最大補給水源為松花江上游,入湖支流40余條。松花湖是長春市和吉林市民眾生活和生產(chǎn)用水的水源地,此外還有發(fā)電、防洪、養(yǎng)魚、航運、旅游等功能。由于水土流失嚴(yán)重以及工業(yè)和旅游業(yè)的發(fā)展等為湖區(qū)的生態(tài)環(huán)境帶來了一定的破壞和污染,有些區(qū)域已呈輕度富營養(yǎng)化,近幾年,在夏季以銅綠微囊藻(Microcystisaeruginosa)為優(yōu)勢種的條帶狀水華在局部區(qū)域時有發(fā)生。1.2采樣位點設(shè)置2002～2004年的5～10月(11月下旬～4月中旬處于冰封期)的每月上旬在松花湖中的14個斷面(圖1)采樣檢測。除臥龍?zhí)锻?每個斷面設(shè)置左、中、右3個采樣點位,每個點位設(shè)置上(距水面0.5m處)、中(1/2水深處)、下(距湖底0.5m處)3個采樣層次,采樣方法和湖水理化性質(zhì)的測定以及浮游植物的定性、定量測定均按照規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行。選取的理化指標(biāo)為:水深、水溫、電導(dǎo)率、pH、Sd、DO、COD、TOC、總磷、總氮、PO3-4-P、NO-3-N、NH+4-N、NO-2-N、有機氮、總鐵、SiO2、葉綠素a共18項指標(biāo)。1.3傅立花的閾值是由富營養(yǎng)化引起1.3.1檢測微囊藻體檢測結(jié)果用毛細(xì)滴管洗凈法從松花湖分離純化出夏季的絕對優(yōu)勢浮游藻類——銅綠微囊藻的單藻株,保存在M-11培養(yǎng)基中。預(yù)培養(yǎng):在試驗前期,將處于對數(shù)生長期的微囊藻轉(zhuǎn)移到無磷和無氮的M-11培養(yǎng)基中,在溫度25℃,照度2000lx,光暗比為12∶12下靜止培養(yǎng)(每天搖動4次)3d,使藻細(xì)胞處于磷、氮的饑餓狀態(tài)。磷以K2HPO4的形態(tài)添加,將其配成不同的濃度梯度(0、0.005、0.01、0.015、0.02、0.025、0.04、0.06、0.07、0.08、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0mg·L-1的PO3-43?4-P),其它物質(zhì)的濃度與M-11培養(yǎng)基相同。將經(jīng)過預(yù)培養(yǎng)達(dá)到對數(shù)生長期的銅綠微囊藻藻體移進(jìn)浮游植物網(wǎng),用去離子水洗凈,再用50W的超聲波處理30s,把群體打碎后接種于各種培養(yǎng)液中,使葉綠素a大約為1.0μg·L-1。在溫度25℃,照度2000lx,光暗比為12∶12下靜止培養(yǎng)(每天搖動4次)。氮以NaNO3的形態(tài)添加,將其配成不同的濃度梯度(0、0.03、0.1、0.3、0.55、1.0、1.2、1.5、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0mg·L-1的NO-3-N),其它過程與磷影響試驗相同。從接種當(dāng)天起,每天在同一時間計數(shù)銅綠囊藻的個數(shù),當(dāng)藻類增長小于5%時,結(jié)束培養(yǎng),其現(xiàn)存量(每升藻液中所含的藻類干重)減去接種時的生物量就是最大增長量Xmax。每種培養(yǎng)液作5個平行樣。另外,計數(shù)前用超聲波將微囊藻群體打碎后再計數(shù),每次計數(shù)有3個重復(fù)。比增長率(μ)是指在某一時間間隔內(nèi)藻類生長的速率,對數(shù)生長期的計算公式為:μ=lnX2-lnX1t2-t1μ=lnX2?lnX1t2?t1式中,μ為比增長率(d-1);X為藻體濃度(mg·L-1);t為時間(d)。最大比增長率μmax是逐日計算比增長率所得的最大值。1.3.2富營養(yǎng)化單元點根據(jù)磷、氮濃度(生物可利用磷和氮濃度)與銅綠微囊藻生長的定量關(guān)系,建立其關(guān)系曲線,從以上曲線中找到拐點即為松花湖富營養(yǎng)化發(fā)生的閾值。以2002～2004年松花湖水體中各種形態(tài)磷和氮的特征為依據(jù),再結(jié)合各種形態(tài)磷和氮被藻類利用的分析,得出水體中生物可利用磷和氮與總磷、總氮的定量關(guān)系,從而得到松花湖水體富營養(yǎng)化發(fā)生的總磷和總氮閾值,再根據(jù)葉綠素a與總磷和總氮的回歸模型,計算出富營養(yǎng)化發(fā)生的綠素a的閾值。1.4松花湖富營養(yǎng)化的概率利用SPSS12.0對松花湖水體中2002～2004年實測的葉綠素a含量進(jìn)行統(tǒng)計分析,從其頻數(shù)分布圖和累積頻率分布表中可知葉綠素a含量大于其閾值的累積頻率,即松花湖2002～2004年富營養(yǎng)化發(fā)生的概率。運用松花湖水體中總磷和總氮含量以及葉綠素a與總磷和總氮的回歸模型和蒙特卡羅隨機模擬方法,預(yù)測松花湖各采樣點在2002～2004年葉綠素a的含量,然后對其進(jìn)行統(tǒng)計分析,在arc/info8.01平臺下,通過克里格插值和面積計算,可得到松花湖水體發(fā)生富營養(yǎng)化的概率分布情況。2結(jié)果和討論2.1松花湖富營養(yǎng)化的主要限制因素的確定2.1.1富營養(yǎng)化程度與葉綠素a含量的關(guān)系在不同營養(yǎng)類型的湖泊中,根據(jù)水體中初級生產(chǎn)者生物的種類,分為藻型、草型和藻-草混合型3種類型。根據(jù)調(diào)查,松花湖屬于浮游植物響應(yīng)型(藻型)湖泊,這類湖泊是富營養(yǎng)化湖泊的代表型。其富營養(yǎng)化的本質(zhì)是由于過量的營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入湖泊水體,引起某幾種藻類大量繁殖,而其它藻類減少甚至消失,從而使水體生態(tài)系統(tǒng)和水體功能受到損害和破壞。葉綠素a是該類水體中浮游植物生物量的綜合指標(biāo),它的含量和動態(tài)既受到各種理化因子和生物因子的制約,同時又反過來影響和改變著這些因子,所以本研究以葉綠素a濃度來判斷富營養(yǎng)化的程度。分別對各種指標(biāo)和葉綠素a的相關(guān)擬合分析得出,葉綠素a和各指標(biāo)呈較好的冪函數(shù)關(guān)系,即葉綠素a和各指標(biāo)取自然對數(shù)后呈較好的線性相關(guān)。對所測40個采樣點的葉綠素a與各理化指標(biāo)共17項的年均值(5～10月份均值)取自然對數(shù)后進(jìn)行Pearson相關(guān)分析,得到相關(guān)系數(shù)矩陣,從中可知,取自然對數(shù)后的葉綠素a與總磷、TOC、COD、總氮、Sd、電導(dǎo)率、NH+4-N、pH、NO-2-N、PO3-43?4-P、NO-3-N、水溫、有機氮、水深、總鐵呈0.01水平下顯著相關(guān),其相關(guān)系數(shù)分別0.915、0.887、0.867、0.794、0.709、0.700、0.570、0.514、0.479、0.463、0.370、0.348、0.336、0.321、0.304;二氧化硅和溶解氧與葉綠素a的相關(guān)性不好。2.1.2總磷、總氮、總磷的回歸模型對以上相關(guān)性較好的各種指標(biāo)取自然對數(shù)后進(jìn)行線性多元逐步回歸分析,得到的回歸模型為:lnY=2.055+0.467lnX1+0.613lnX2-0.052lnX3+0.421lnX4+0.517lnX5(n=120)(1)lnY=2.055+0.467lnX1+0.613lnX2?0.052lnX3+0.421lnX4+0.517lnX5(n=120)(1)式中,Y為水體中葉綠素a含量μg·L-1;X1為水體中總磷濃度mg·L-1;X2為水體中TOC濃度mg·L-1;X3為水深m;X4為總氮濃度mg·L-1;X5為COD含量mg·L-1。復(fù)相關(guān)系數(shù)R=0.960,修正的R2即ˉR2=0.917Rˉˉˉ2=0.917?；貧w方程(1)中,t分布的雙尾顯著性概率Sig.分別為0.000、0.000、0.002、0.003、0.008,皆小于0.01,可以認(rèn)為回歸系數(shù)是顯著的;標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)分別為:0.384、0.339、0.109、0.172、0.183,標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)(Beta)的大小可以直接用來比較各自變量對因變量的影響程度,從(1)中可知,松花湖水體中總磷含量與葉綠素a含量關(guān)系最為密切,所以總磷是影響松花湖富營養(yǎng)化的主要因子之一。TOC和COD與葉綠素a的相關(guān)性也非常好,通常營養(yǎng)物濃度與有機污染物的含量變化有同步特點,在浮游植物生物量高的水體中,可以被氧化的有機物也高。因此葉綠素a和TOC、COD之間顯著的相關(guān)關(guān)系僅能表明數(shù)量上的協(xié)同趨勢,并不能說明松花湖中有機物直接成為藻類生長的制約因素。水深也是影響松花湖葉綠素a濃度的主要因子之一,這是因為水體越深,水的容量越大,水體的自凈能力也越強,因此對營養(yǎng)鹽的“凈化”能力也越強。從模型中可知,水深對葉綠素a含量的影響程度不是太大,總氮也是影響松花湖葉綠素a含量的一個重要因素。對松花湖水體中葉綠素a和營養(yǎng)鹽指標(biāo)總磷、總氮、PO3-43?4-P、NO-3-N、NH+4-N、NO-2-N、有機氮、總鐵取自然對數(shù)后,進(jìn)行多元逐步回歸分析,得到的回歸模型為:lnY=5.152+0.954lnX1+0.396lnX2(n=120)(2)lnY=5.152+0.954lnX1+0.396lnX2(n=120)(2)式中,Y為水體中葉綠素a含量μg·L-1;X1為水體中總磷濃度mg·L-1;X2為水體中總氮濃度mg·L-1;復(fù)相關(guān)系數(shù)為R=0.943,R2=0.889,修正的R2即ˉRRˉˉˉ2為0.882?；貧w方程(2)中,標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)分別為:0.785、0.161。這證明,總磷和總氮是松花湖富營養(yǎng)化的主要影響因子,與氮相比較,總磷的影響作用大一些。根據(jù)Redfield的假設(shè),典型藻類的分子式為(CH2O)106(NH3)16(H3PO4),這就是說,臨界的氮磷比按元素計應(yīng)為16∶1,按重量計應(yīng)為7.2∶1,從理論上講,如果氮磷比小于該比值,氮將限制藻類的增長;如果氮磷比大于該比值,則可認(rèn)為磷是藻類增殖的限制因素。在實際應(yīng)用中,藻類增長所需的氮磷均為可溶性的NO-3、NH+4和PO3-43?4,按Redfield分子式計算出來的比值并不實際。一般認(rèn)為,當(dāng)?shù)字亓勘却笥?0時,磷可以考慮為藻類增長的限制因素。松花湖的年平均TN/TP為23.51,大大超過磷限制的界限值,因此,總磷是限制松花湖富營養(yǎng)化的主要因子,這一點,從以上多元逐步回歸分析以及AGP試驗的結(jié)論中都可以得到證實。2.2松花湖富營養(yǎng)化閾值的確定2.2.1水體富營養(yǎng)化階段從磷濃度對銅綠微囊藻生長的影響結(jié)果(圖2)可知,PO3-43?4-P濃度0.005～0.025mg·L-1時,銅綠微囊藻的最大比增長率隨著磷濃度升高而迅速增加,PO3-43?4-P濃度0.025～0.06mg·L-1時,最大比增長率隨著磷濃度升高而增加得比較緩慢,即銅綠微囊藻的最大比增長率在PO3-43?4-P濃度0.025mg·L-1時出現(xiàn)了一個拐點,此時,銅綠微囊藻的最大比增長率很大,為0.61d-1,達(dá)到了最高的μmax的95%,即松花湖水體在PO3-43?4-P濃度0.025mg·L-1以上時,進(jìn)入富營養(yǎng)化階段。在PO3-43?4-P濃度0.06～0.6mg·L-1時,藻類一直以最高的最大比增率增長,在PO3-43?4-P濃度達(dá)到0.6mg·L-1以上后,銅綠微囊藻的增長速率減緩,生長量持平或呈下降的趨勢,也就是湖泊處于非響應(yīng)階段。因此,為防止松花湖富營養(yǎng)化的發(fā)生,應(yīng)使湖水中可利用磷的含量控制在0.025mg·L-1以下。美國EPA建議總磷濃度0.05mg·L-1和正磷酸鹽濃度0.025mg·L-1是湖泊和水庫磷濃度的上限,這與本研究的結(jié)論基本相符。從氮濃度對銅綠微囊藻生長的影響結(jié)果(圖3)可知,銅綠微囊藻的最大比增長率在NO-3-N濃度0.55mg·L-1時出現(xiàn)了一個拐點,此時,銅綠微囊藻的最大比增長率很大,為0.60d-1,達(dá)到了最高的μmax的95%,即松花湖水體在NO-3-N濃度0.55mg·L-1以上時,進(jìn)入富營養(yǎng)化階段。因此,為安全和防止松花湖富營養(yǎng)化的發(fā)生,應(yīng)使湖水中藻類可利用氮的含量控制在0.55mg·L-1以下。2.2.2水體中的堿類化合物和污染物天然水體中磷的物理狀態(tài)主要分為溶解態(tài)、懸浮態(tài)及膠體3種。從2002～2004年松花湖水體中各種形態(tài)的磷含量(5～10月份的平均值)及比率中(表1)可知,松花湖中顆粒態(tài)磷和可溶性有機磷占總磷的大部分。一般說來,溶解態(tài)無機磷被認(rèn)為是藻類最重要的磷源,但是近來的研究表明,藻類也可以利用溶解的有機磷,特別是在磷限制的湖泊和某些海域,溶解態(tài)有機磷的生物可利用性顯得更為重要,在對溶解態(tài)有機磷的利用中,堿性磷酸酶的活性都有所變化[20,21,22,23,20,21]。在許多湖泊中,溶解性有機磷(DOP)的濃度要比溶解性的反應(yīng)磷高1倍以上,其中大約60%左右的DOP可以被堿性磷酸酶水解后,用于藻類的生長。松花湖中PO3-43?4-P含量為0.014mg·L-1,低于太湖水體中堿性磷酸酶作用的濃度閾值,所以在松花湖的夏季,藻類和細(xì)菌中的酶被誘導(dǎo)后大量產(chǎn)生,水體中的有機磷化合物被水解,使水體中藻類的生長和繁殖得以持續(xù)。根據(jù)松花湖水體中PO3-43?4-P的含量和DOP與TP的比例(表1),可以計算出藻類可利用磷占總磷的比例,得出松花湖水體中總磷的38.46%為藻類可利用磷。天然水體中的氮,主要以溶解的氮氣(N2)、氨態(tài)氮(NH+4)、亞硝酸鹽氮(NO-2)、硝酸鹽氮(NO-3)以及有機氮等形式存在。其中溶解的無機氮(氨態(tài)氮、硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮)是可被植物直接吸收的最主要形式。松花湖水體中,溶解的無機氮占總氮的65.26%,有機氮含量占總氮的34.74%(表2和表3)。雖然有報道說,藻類也可利用有機氮,但是對于像松花湖這樣以磷為第一限制因子的湖泊來說,由于相對于磷來說,氮的含量是充分的,即藻類可直接吸收的氮也是充分的,所以藻類以利用溶解的無機氮為主,即松花湖水體中的藻類可利用氮占總氮的65.26%。2.2.3松花湖富營養(yǎng)化行為閾值從2.2.1中可知,為了防止松花湖富營養(yǎng)化的發(fā)生,應(yīng)使湖水中藻類可利用磷和可利用氮的含量分別控制在0.025mg·L-1和0.55mg·L-1以下。又根據(jù)2.2.2中松花湖水體中藻類可利用磷和可利用氮占總磷和總氮的比例,可以計算出松花湖富營養(yǎng)化發(fā)生的閾值為:總磷含量0.065mg·L-1,總氮含量0.843mg·L-1。再根據(jù)2.1.2得到的回歸模型2可以計算出松花湖富營養(yǎng)化發(fā)生的葉綠素a閾值為11.90μg·L-1,這與國內(nèi)外富營養(yǎng)化標(biāo)準(zhǔn)葉綠素a濃度大于10.0μg·L-1相差不多。2.3松花湖水體葉綠素a含量的預(yù)測結(jié)果從2002～2004年松花湖水體中葉綠素a含量的頻數(shù)分布圖(圖4)和累積頻率分布表中可知,葉綠素a含量大于11.90μg·L-1的累積頻率為69.0%,即松花湖2002～2004年富營養(yǎng)化發(fā)生的概率為0.69,可見松花湖大部分區(qū)域已進(jìn)入富營養(yǎng)化狀態(tài)。將松花湖水體中的總磷濃度和總氮濃度兩個變量的范圍值輸入回歸模型2,經(jīng)過蒙特卡羅隨機模擬得到松花湖葉綠素a含量的一般情況(圖5)。從中可以看出,葉綠素a含量服從正態(tài)分布,與實測的松花湖中葉綠素a含量的頻數(shù)分布圖相比,兩者具有相同的分布類型。兩者的P-P正態(tài)分布檢驗圖也顯示出相同的結(jié)論。表4列出了松花湖預(yù)測葉綠素a和實測葉綠素a含量對比分析結(jié)果。從統(tǒng)計結(jié)果看,實測葉綠素a值均在預(yù)測值范圍之內(nèi),因而預(yù)測葉綠素a能夠反映松花湖水體內(nèi)葉綠素a含量的一般水平。方差檢驗和均值檢驗的結(jié)果表明,預(yù)測葉綠素a和實測葉綠素a均值之間無明顯差異(p<0.01)。因此,松花湖中葉綠素a與總氮和總磷的回歸模型2能夠用于松花湖葉綠素a含量的預(yù)測預(yù)報。運用松花湖水體中總磷和總氮含量以及回歸模型2和蒙特卡羅隨機模擬方法,預(yù)測松花湖各采樣點在2002～2004年葉綠素a的含量,然后進(jìn)行統(tǒng)計分析,從而可知松花湖發(fā)生富營養(yǎng)化的概率分布情況(圖6)。從中可以看出,大豐滿和墻縫發(fā)生富營養(yǎng)化的概率很低,接近0,所以大豐滿和墻縫處于中營養(yǎng)階段(參照OECD標(biāo)準(zhǔn),葉綠素a>3μg·L-1),其它各采樣點發(fā)生富營養(yǎng)化的概率順序為:五股山<愛林<沙石滸<臥龍?zhí)?lt;螞蟻河口<小荒地<鷹嘴砬子<樺樹林子<漂河口<蛟河<山東屯<輝發(fā)河口。山東屯和輝發(fā)河口發(fā)生富營養(yǎng)化的概率基本為1,即這些區(qū)域已處于富營養(yǎng)化狀態(tài),但未進(jìn)入嚴(yán)重富營養(yǎng)化階段(參照OECD標(biāo)準(zhǔn),葉綠素a>78μg·L-1)。將松花湖富營養(yǎng)化發(fā)生的概率(葉綠素a>11.90μg·L-1的累積頻率)按照從小到大順序進(jìn)行等級劃分,分為6個等級,0～0.10無風(fēng)險;0.11～0.40、0.41～0.60、0.61～0.80、0.81～0.90、0.91～1.00,分別為一級、二級、三級、四級、五級,等級越高,發(fā)生富營養(yǎng)化的可能性越大,即發(fā)生富營養(yǎng)化的概率越大。在arc/info8.01平臺下,通過克里格插值和面積計算得到:無風(fēng)險的區(qū)域占19.21%、一級的區(qū)域占9.79%、二級占20.31%、三級占16.5%、四級占25.8%、五級占8.39%;可見,松花湖大部分區(qū)域處于輕度富營養(yǎng)化階段,小部分區(qū)域處于中營養(yǎng)階段。2.4密度對概率分析的影響以及模型的建立背景在以上松花湖富營養(yǎng)化的評價標(biāo)準(zhǔn)及其概率分析模型的確定過程中,有很多不確定性因素影響著其可靠性,首先是利用實驗室模擬試驗來確定松花湖富營養(yǎng)化發(fā)生的磷和氮的閾值時,由于湖泊