2008-2020年三峡库区小江叶绿素a的时空演变特征及驱动因子.pdf

（湖泊科学），（）：年三峡库区小江叶绿素 的时空演变特征及驱动因子唐海滨，郑志伟，胡 莲，潘晓洁，史 方，邹 曦，万成炎（水利部中国科学院水工程生态研究所，水利部水工程生态效应与生态修复重点实验室，武汉）摘 要：年至 年期间，对三峡水库小江 个监测断面的叶绿素（）及主要环境因子进行季度监测，分析小江 的时空变化特征，探讨水体 与环境因子的相关关系，解析影响小江 变化的主要环境因子。结果表明，小江 年平均浓度为（），变幅为 。浓度季节差异较大，总体呈现出春、夏、秋个季节明显高于冬季的变化特征，且春季 浓度最高，为 ；空间分布上，浓度呈现倒“”型分布规律，黄石断面最高（），养鹿断面最低（）。相关性分析结果显示，小江 浓度与、电导率、溶解氧呈显著正相关关系，与、透明度呈显著负相关关系。通过逐步回归分析，筛选得到对小江 影响最重要的 个环境因子。通径分析表明，各环境因子对水体 浓度的作用大小在时空上存在一定差异。不同季节中对水体 影响最显著的环境因子分别为：浊度（春季）、溶解氧（夏季）、（秋季）、水温（冬季）；不同断面中对 影响最显著的环境因子由上游到下游依次为：电导率（渠口）、（养鹿）、（高阳）、电导率（黄石）、溶解氧（双江）。溶解氧、是影响小江全段 最主要的环境因子，其中，溶解氧对 浓度的直接作用最大，其直接通径系数为，对 浓度的间接作用最大，其间接通径系数为。拟合分析结果显示，与溶解氧、与 均表现为指数函数的拟合效果最好，其次为幂函数，最后为线性函数。本研究对小江及三峡库区其他支流富营养化防控具有借鉴意义。关键词：叶绿素；三峡库区；小江；时空变化；理化因子；逐步回归分析；通径分析 ，（，）：，（），（），“”，（）（），收稿；收修改稿。国家重点研发计划项目（）、水利部重大科技项目（）和国家自然科学基金项目（，）联合资助。通信作者；：。（湖泊科学），（），：；随着社会经济的快速发展，水体富营养化已成为全球最突出的水环境问题之一。近年来，我国太湖、巢湖、洞庭湖等重要湖泊富营养化状况依然不容乐观。叶绿素是浮游植物重要成分，而叶绿素 是植物光合作用重要色素，广泛存在于各种浮游植物体内，其含量和动态变化能够反映水中藻类生长状况和变化规律。故叶绿素 常被用于表征水体浮游植物生物量，也是水体富营养化评价的重要因子。因此，开展水体叶绿素 监测调查，研究叶绿素 的时空变化及其与环境因子的相互关系，能够更全面地掌握水体浮游植物动态变化及形成机制，更加准确地研判水生态环境的演变趋势。三峡大坝建成运行后，水文形势、水动力条件发生着显著变化，库区支流水系由此产生了新的水环境问题，尤其是库区水体富营养化受到广大学者的关注。据统计，三峡水库蓄水后入库支流富营养化状况日趋严重，发生水华的支流数量逐年增加，年有 条支流暴发水华，而 年已上升至 余条。大坝阻隔导致支流流速变缓，水体滞留时间增加，是导致支流水华的主要原因。三峡水库蓄水已有 余年，库区支流逐渐由河流生境向湖库生境转换，这一过程水生态系统结构也发生了一系列变化。浮游植物作为水体重要的初级生产者，全面认识三峡库区入库支流浮游植物的时空动态变化特征，对于研判水环境的演变趋势、水华发生机制等具有重要意义。但是，针对入库支流基于长时间序列下叶绿素 的时空变化特征以及与环境因子相互关系的系统性研究相对较少。小江是三峡库区消落区面积最大、变动回水区较长以及常年流量较大的一条支流，具有典型性。本研究以小江为研究对象，在 年间对小江 个监测断面进行 个季度 的定期监测调查，分析小江 的时空演变特征，研究小江 不同断面及季节与水体主要理化因子的相关性，通过逐步回归分析，筛选出时空上影响 相对重要的环境因子，采用通径分析解析不同季节、不同断面小江 主要的驱动因子，旨为小江及三峡库区其它支流富营养化治理提供理论参考。研究区域与研究方法 研究区域小江，也称澎溪河，位于三峡库区北岸（，），为一级主流，全长，流域面积 。小江上游共南河和北河两条支流，于开县汇合，三峡水库蓄水后，在开县新城下游 处修建了汉丰湖大坝，至此形成了小江。根据小江地形地貌特征、水文水力特征、水系分布特点及重要闸坝分布等情况，研究区域主要为汉丰湖大坝以下至入三峡水库口，总长约 。本研究共设置 个监测断面，分别为渠口（，）、养鹿（，）、高阳（，）、黄石（，）和双江（，）（图）。样品采集在 年间，于每年、月监测各个断面的叶绿素 浓度及水体主要理化因子，采集水面下约 的表层水。监测指标包括水温（）、溶解氧（）、电导率（）、浊度（）、总碱度（）、透明度（）、总氮（）、总磷（）、氨氮（）、硝酸盐氮（）、正磷酸盐（）、高锰酸唐海滨等：年三峡库区小江叶绿素 的时空演变特征及驱动因子图 小江研究区域采样点位置 盐指数（）、叶绿素（）项。其中，、现场测定，其余指标将水样 内带回实验室测定。样品测定、采用 多参数水质测量仪原位测定，采用赛氏盘现场测定。实验室测定，采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，采用纳氏试剂分光光度法，采用紫外分光光度法，、采用钼酸铵分光光度法，采用酸性高锰酸钾法，采用酸碱指示剂滴定法，采用丙酮萃取分光光度法，具体测定方法严格按照水与废水监测分析方法（第四版）进行。数据处理数据整理采用 中的 表格软件，作图使用 ，统计分析使用 。本文对 与水体环境因子进行 相关分析和和双侧显著性检验，采用逐步线性回归筛选对小江 影响相对重要的环境因子，采用通径分析解析各个重要环境因子在不同季节、不同断面对 浓度的作用大小，采用线性及非线性拟合构建小江全段 与其主要环境因子的回归方程。图 小江叶绿素 的年度变化 图 小江各监测断面叶绿素 的时空变化 结果与分析 小江叶绿素 时空动态变化分析 年期间，研究区域内小江 年平均浓度为（），变幅范围在 之间，最小值出现在 年，最大值出现在 年（图）。整体趋势表现为上下波动，波动周期大约为 年。同时发现，浓度中位数也呈上下波动变化，但波动幅度较均值小。两者比较可知，各年中 浓度的均值高于中位数，表明数据中较低值的数量相对较多，而较大值的数值比较小值的数值大得多。实际中，本研究更加关注叶绿素 在高浓度的变化情况，故采用均值比中位数更符合实际需要。此外，异常值数值有所增加。小江 个监测断面 浓度时空变化如图 所示。在季节上，整体表现为春季、夏季、秋季 个季节远高于冬季的变化规律，浓度由高到低依次为，春季（）、秋季（）、夏季（）、冬季（）。其中，春季、夏季 浓度均在黄石断面最高，分别为、；秋 季 浓 度 在 高 阳 断 面 最 高，为 ；冬季 浓度在渠口断面最高，为 。浓度除了随季节变化外，还呈现出不同的空间差异性，即在空间上呈倒“”型分布特征，年 平 均 浓 度 最 高 值 出 现 在 黄 石 断 面 （湖泊科学），（）（），最低值出现在养鹿断面（）。小江叶绿素与环境因子的相关分析由 相关分析可知，小江各监测断面 浓度与环境因子的相关性有所差异（表）。渠口断面，浓度与 和 呈极显著正相关（）；养鹿断面，浓度与、相关性较强，其中与 呈显著负相关，与 呈显著正相关；高阳断面，浓度与、和 相关性较强，其中，与 呈显著负相关，与、和 呈正相关关系；黄石断面，浓度与、呈显著负相关，与、和 呈显著正相关；双江断面，浓度与、呈显著负相关，与 呈显著正相关。整个河段上，与小江 浓度显著相关的环境因子包括、和，其中，与、呈负相关关系，与、呈正相关关系。表 小江各监测断面叶绿素 与环境因子的 相关分析 指标渠口养鹿高阳黄石双江小江全河段 表示显著相关；极显著相关，。小江叶绿素 与环境因子的逐步回归分析为进一步分析 浓度与环境因子之间的定量关系及其主要影响因子，以 浓度为因变量，以环境因子为自变量，采用逐步回归分析，建立不同季节 不同监测断面的 浓度与环境因子间的回归关系，逐步剔除不显著的变量，最终得到逐步回归方程（表、表）。分析结果显示，小江不同季节影响 浓度的环境因子有明显差异。其中，春季在极显著水平下共有 个环境因子入选，分别为、和；夏季有 和 共 个环境因子入选，秋季有、和 共 个环境因子入选，冬季有、共 个环境因子入选。表 小江不同季节叶绿素 与环境因子的回归方程 季节逐步回归方程春夏秋冬 唐海滨等：年三峡库区小江叶绿素 的时空演变特征及驱动因子 如表 所示，通过逐步回归分析，筛选出对小江 浓度影响最重要的 个环境因子，分别为、和。其中，小江全河段 与、呈极显著正相关，与、呈极显著负相关。不同断面筛选出的对 有显著影响的环境因子各不相同，渠口断面为、和，养鹿断面有、和，高阳断面为、；黄石断面为、；双江为、。其中，黄石、双江断面构建的回归方程相关系数相对较大，分别为、。表 小江不同监测断面叶绿素 与环境因子的回归方程 监测断面逐步回归方程渠口养鹿高阳黄石双江小江全河段 图 小江不同季节叶绿素 与环境因子的通径分析图 小江叶绿素 与环境因子的通径分析在逐步回归分析结果上，采用通径分析计算各重要环境因子对小江不同季节 浓度的作用大小，（附表和图）。不同季节，各环境因子对水体 浓度的影响有明显差异。春季时，对小江 间接作用最大的环境因子为（），直接作用最大的环境因子为（），均为正向影响；夏季时，对小江 间接作用最大的环境因子为（），直接作用最大的因子为（），均为正向影响；秋季时，对小江 间接作用最大的环境因子为（），为负向影响，而直接作用最大的因子为（），为正向影响；冬季时，对小江 间接作用最大的环境因子为（），为负向影响，而直接作用最大的因子为（），为正向影响。总体上，对 （湖泊科学），（）水体 浓度影响最显著的环境因子分别为：（春季，通径系数 ）、（夏季，）、（秋季，）和（冬季，）。图 小江不同监测断面叶绿素 与环境因子的通径分析图 如图 所示，对小江全段 影响最显著的环境因子为（），且自上游渠口到下游双江的 个监测断面，对 影响最显著的环境因子依次为：（渠口，）、（养鹿，）、（高阳，）、（黄石）和（双江，）。其中，渠口断面，对小江 间接作用最大的环境因子为（），为正向影响，直接作用最大的因子为（），为负向影响；养鹿断面，对小江 间接作用和直接作用最大的环境因子均为（、）；高阳断面，对小江 间接作用最大的环境因子为（），直接作用最大的因子为（），均为负向影响；黄石断面，对小江 间接作用最大的环境因子为（），直接作用最大的因子为（），均为正向影响；双江断面，对小江 间接作用最大的环境因子为（），为负向影响，直接作用最大的因子为（），为正向影响。小江全段，对 间接作用最大的环境因子为（），最小的环境因子为（）；直接作用最大的环境因子为（），为正向影响，最小的环境因子为（），为负向影响。、决定系数 分别为、，其值远高于其它 个环境因子，两者占决定系数之和的。由此可知，、是影响小江 最主要的环境因子（附表）。唐海滨等：年三峡库区小江叶绿素 的时空演变特征及驱动因子 小江叶绿素 与关键环境因子的拟合分析进一步，采用线性函数、幂函数、指数函数 种常用函数拟合分析小江 与最主要环境因子（、）的关系。如图 所示，与、与 的拟合结果均表现为：指数函数的拟合效果最好，其次是幂函数，最后是线性函数。其中，浓度与 呈极显著正相关（），相关系数 为，构建的指数函数方程为；浓度与 呈极显著正相关（），相关系数 为，构建的指数函数方程为。图 小江叶绿素 与、的拟合结果 讨论 叶绿素 的时空变化特征不同季节、不同采样点影响水体叶绿素 浓度的环境因子往往存在差异。在本研究中，小江叶绿素 在季节上表现为春季、夏季、秋季远高于冬季的变化规律（图）。有关研究表明，温度是影响浮游植物生长的关键因子，随着水温的升高，浮游植物光合作用加强，生长速度加快，故冬季叶绿素含量往往较低。此外，三峡库区冬季持续蓄水，使得小江水位升高，水环境容量增大，这可能是叶绿素冬季最低的另一个原因。小江水温常年保持在 以上，除冬季外，其它时间水温基本都在 以上，适宜的水温条件有利于藻类生长，导致小江春、夏、秋 个季度 浓度整体高于冬季。本研究中，浓度在春季最高，这与郭劲松等研究结论一致。夏季 浓度较春季有所下降，这主要与上游来水流量明显增加有关，水体交换频率加快，水力停留时间缩短，不利于藻类的附着和大量生长。在当前全球气候变暖的背景下，水温的升高促进藻类在春季的提前生长，尤其是蓝藻等，故春季水华值得重点关注。小江 浓度空间分布上呈现倒“”型分布特征，在黄石最高而养鹿最低。同时发现，不同断面影响 的环境因子有所差异。各监测断面所构建的逐步回归方程中，除高阳外，其他断面 均与 有关，且呈正相关关系，故建议今后在小江水华预警监测中增加对 的同步监测。高阳及下游的 监测断面 均与 密切相关，这可能与下游回水有关。以往研究中，对长时间序列下 的时空变化特征以及与环境因子相互关系的系统性研究相对较少。潘晓洁等研究指出，高阳是小江水华暴发最敏感的水域。本研究中，高阳断面 浓度仅在秋季时最高，而春夏两季 浓度最高则出现在黄石断面，这与研究时间尺度的长短有关。此外，三峡库区蓄泄水过程，引起小江回水段营养盐和叶绿素的变化，有待于后续进一步研究。水体理化因子对叶绿素 的影响通过逐步回归分析，本研究筛选出对小江叶绿素 影响最重要的 个环境因子，分别为、和。营养盐是浮游植物生长的必要元素，而浮游生物代谢及死亡也能增加水体营养盐浓度，两者相互作用。目前普遍认为，浮游藻类的生物量与水体中的营养盐浓度变化趋势相同，本研究中小 （湖泊科学），（）江叶绿素 与、也呈正相关关系（表）。、作为可溶解性营养盐，易被浮游植物吸收利用，故有时表现为与叶绿素 呈显著负相关关系，这与吴怡等的研究一致。可看出，溶解态氮磷才是小江浮游生物生长的限制因素，今后可加强对小江可溶性营养盐的动态监测。小江 浓度与 有一定的正相关关系，与已有研究相同。是浮游植物代谢过程中的重要能源物质，浮游植物生消会引起水体 浓度变化，两者互为作用。小江 与 呈正相关关系，这与藻类光合作用释放溶解氧有关，即 浓度越高，浮游植物数量越多，浮游植物在光合作用中释放氧分子，使水体中 浓度增加。因此，常常作为叶绿素 变化的被动因子。小江 浓度与透明度呈负相关，水体透明度是藻类数量的直观表现，透明度越高，藻密度就越低，反之，透明度越低，藻密度越高，这与杨子超等研究结果相同。已有研究表明，藻类生长的最佳氮磷质量比为，如果氮磷比高于，则被认为是磷限制，而低于 则氮为限制因子。本研究中氮磷质量比为，故小江可能是磷限制水体，这与回归分析结果一致。磷也是洞庭湖、太湖等国内很多富营养化水体中主要影响因子，而氮通常十分丰富不再成为影响分布的限制因子，。此外，除了以上影响因子，流速、光照、调水以及生物因素也会影响藻类的生长。附录附表见电子版（：）。参考文献 ，（）：符哲，郭晶，黄代中等 洞庭湖的富营养演变特征及影响因素 环境化学，（）：张辉，杨雄 综合营养状态指数法在巢湖水体富营养化评价中的应用 安徽农学通报，（）：，（）：王震，邹华，杨桂军等 太湖叶绿素 的时空分布特征及其与环境因子的相关关系 湖泊科学，（）：，（）：，：？，（）：，（）：（），（）：邹曦，潘晓洁，郑志伟等 三峡水库小江回水区叶绿素 与环境因子的时空变化 水生态学杂志，（）：，（）：杨中华，杨水草，李丹等 三峡水库支流小江富营养化模型构建及在水量调度控藻中的应用 湖泊科学，（）：，：，（）：蔡庆华，孙志禹 三峡水库水环境与水生态研究的进展与展望 湖泊科学，（）：国家环境保护总局 水和废水监测分析方法（第 版）北京：中国环境科学出版社，（）：葛优，周彦锋，吕大伟等 阳澄西湖叶绿素 的时空分布及其与环境因子的关系 长江流域资源与环境，（）：，（）：杨子超，李延林，邱小琮等 沙湖叶绿素 的时空分布特征及其与环境因子的关系水生态学杂志，（）：，：，（）：郭劲松，陈园，李哲等 三峡小江回水区叶绿唐海滨等：年三峡库区小江叶绿素 的时空演变特征及驱动因子素 季节变化及其同主要藻类的相互关系 环境科学，（）：，（）：李哲，张曾宇，杨中华等 三峡澎溪河回水区流速对藻类原位生长速率的影响 湖泊科学，（）：，（）：，（）：潘晓洁，黄一凡，郑志伟等 三峡水库小江夏初水华暴发特征及原因分析 长江流域资源与环境，（）：王俊，韦肖杭，姚伟忠等 南太湖水体叶绿素 含量与氮磷浓度的关系 浙江海洋学院学报（自然科学版），（）：，（）：赵汉取，韦肖杭，姚伟忠等 南太湖近岸水域叶绿素 含量与氮磷浓度的关系 水生态学杂志，（）：，（）：吴怡，郭亚飞，曹旭等 成都府南河叶绿素 和氮、磷的分布特征与富营养化研究 中国环境监测，（）：，（）：阮晓红，石晓丹，赵振华等 苏州平原河网区浅水湖泊叶绿素 与环境因子的相关关系 湖泊科学，（）：，（）：张光贵 洞庭湖水体叶绿素 时空分布及与环境因子的相关性 中国环境监测，（）：杨世莉，何莹，祁云宽 抚仙湖水体透明度及主要影响因子变化分析 环境科学导刊，（）：，（）：，（）：武晗琪，李琦晖，李琪等 太湖北部蓝藻集聚区水体富营养化时空变化研究 环境污染与防治，（）：，（）：温新利，冯若楠，张根等 两小型浅水湖泊水体叶绿素 浓度的季节变化及与理化因子和生物因子的关系 湖泊科学，（）：，：，（）：王晓青，黄舸 小江水文气象条件对水体氮、磷、叶绿素 的影响研究 水利科技与经济，（）：，（）：