太原汾河公园水华高发期叶绿素a与环境因子的关系

摘要：利用2012年5月至9月太原市汾河公园蓄水池水华防治专项监测资料，分析了1号蓄水池叶绿素a（Chl-a）的动态变化及与相关环境因子的关系。结果表明，在整个研究期间，Chl-a的波动较大，浓度范围为20.1～132.0 mg/m3，均值为55.553 mg/m3；5月份Chl-a含量总体上低于其它月份；Chl-a含量总体上与水温（WT）、COD、总磷（TP）、氨氮（NH3-N）均呈现极显著的正相关，与溶解氧（DO）、总氮（TN）、透明度（SD）呈极显著负相关，但与pH值关系不显著。不过Chl-a与环境因子的关系在不同时间段的表现有所差异：水体Chl-a含量在5月份受环境因子的影响不显著；6月份则显著受到有机质、总磷（TP）、总氮（TN）的影响；7月份受到有机质、TP、透明度（SD）极显著的影响，8月、9月份受到WT、TP、SD的极显著影响。

关键词：叶绿素a；富营养化；水华；总氮；总磷；环境因子

中图分类号：X52 文献标志码：A 文章编号：1672-1683（2014）06-0039-05

太原汾河景区，即汾河太原城区段蓄水美化工程，始建于1998年10月，现已完成一期、二期工程建设并对外开放，全长约20.5 km，蓄水面积约5.15×106 m2。它是集休闲、度假、观光旅游为一体的大型公园，也是太原市目前规模最大的公共绿地游乐场[1]。近年来，由于太原市雨污分流不彻底，污水处理能力饱和，使得在暴雨季节大量混合着工业废水、生活污水的雨洪水进入景区蓄水池，加之蓄水池的补充水源-汾河水库的总氮、总磷含量也超标[2]，造成汾河景区水体富营养化趋势越来越显著。在2011年夏季，太原市汾河景区各蓄水池相继发生了不同程度的水华现象，严重削弱了其环境景观功能和生态功能。

水华是水体中氮、磷营养物质过量引起浮游植物大量生长繁殖并在水体表面发生聚集，并引起水质恶化的一种现象。叶绿素（Chl-a）作为水体浮游植物现存量的重要表征指标之一，是水体理化性质和生物指标的综合表现[3]。研究叶绿素a与其他环境因子的关系，对认识水体富营养化的形成机理具有重要的意义。

本文以太原市汾河公园1号蓄水池的水体为研究对象，通过分析2012年水华高发期（5月初-9月初）叶绿素a与环境因子的发展动态及其相关性，探索1号池水华变化规律，为以后1号池及相关水域的水华防治工作提供支持。

1 研究区域概况

太原市汾河景区的清水区由橡胶坝拦截分为6个蓄水池。位于最上游的1号蓄水池（以下简称1号池，见图1），北起胜利桥上游155 m处1号橡胶坝，邻接上游湿地，南至漪汾桥下游150 m处2号橡胶坝，邻接2号蓄水池；河段有效长度约1.9 km，平均宽度230 m，设计有效水深1.2～2.5 m，满蓄水量约为8.7×105 m3。因蒸发下渗和水量灌溉利用等影响，枯水季节蓄水量约5.0×105 m3。蓄水池基本为封闭水体，其主要补充水源为上游湿地的来水和自然雨水及地表径流。在雨季或暴雨时，城区内大量携带垃圾等杂物的地表径流汇入北沙河漫入1号池，带来了大量的营养物质（有机质、氮、磷等），加剧了水体的富营养化程度。

2 样品采集与测试

本研究的时间为2012年5月7日至9月10日（水华高发期），每日上午9时左右完成采样与现场测试工作，采样与分析方法依照《水和废水监测分析方法》（第四版）[4]进行。

监测项目包括水温（WT）、pH值、溶解氧（DO）、CODMn、CODCr、氨氮（NH3-N）、总磷（TP）、总氮（TN）、透明度（SD）、叶绿素a（Chl-a）。其中，WT、pH、DO、SD由现场测定，其余项目在24 h内完成室内实验测定。Chl-a采用分光光度法，TP采用过硫酸钾氧化法分析，TN采用碱性过硫酸钾氧化法分析，SD为萨氏盘测定[4]。

3 结果与分析

3.1 叶绿素a的日变化特征

从水体叶绿素a含量的日变化趋势（图2）可以看出，太原市汾河景区1号池水体叶绿素a含量在2012年5月-9月总体变化范围为20.1～132.0 mg/m3，均值为57.553 mg/m3。水体叶绿素a含量主要动态特征为：5月份水体叶绿素a含量整体上低于其它月份，在7月、8月份出现震荡峰值，8月中下旬后开始出现缓慢降低趋势，其中在7月3日、29日、30日、8月2日至5日均出现了超过100 mg/m3的高值。7月份三天出现高值的原因可能与连续几天超过30 ℃的高温与强日照天气有关，而8月2日至5日的高值可能与7月30日、31日特大暴雨以及随后的连续的强日照高温天气有关，因为高叶绿素含量与强日照、高温、高营养盐密切相关[5]。

3.2 叶绿素a与环境因子的关系

Chl-a的现存量在一定程度上反映浮游植物的生长状况[6]，而湖泊水体中浮游植物的生长受到多种环境因子的影响和制约，包括水体的营养物质含量（COD、TP、TN）和理化特征（WT、pH值、DO、SD）。太原市汾河公园1号蓄水池在水华高发期不同时段的水体叶绿素含量与相关环境因子的相关系数及检验结果见表1。由表1可知，水体Chl-a含量在水华高发期的不同发展时期与环境因子的相关性呈现不均一性：5月份水体Chl-a含量没有受到相关环境因子的显著影响；6月份显著受到有机质、总磷（TP）、总氮（TN）的影响；7月份受到有机质、TP、透明度（SD）极显著的影响；8月份受到水温（WT）、TP、SD的极显著影响。反映影响水体Chl-a含量的主导环境因子在水华发展动态期间呈现不稳定性。从整个监测期间看，水体Chl-a含量与WT、COD、TP、氨氮（NH3-N）均呈现显著的正相关，与溶解氧（DO）、TN、SD呈显著负相关，与pH值关系不显著。

（1） 与总氮（TN）、总磷（TP）关系。

氮、磷是水体浮游植物生长必不可少的物质基础，其含量变化可影响浮游植物的数量，而浮游植物的生长状况又可导致营养盐含量的变动。Chl-a作为浮游植物存量的表征指标，与氮、磷含量的关系较为复杂[3]。当浮游植物的生长受到某一营养元素限制时，水体Chl-a含量与该元素含量的相关性较显著。从表1可知，1号池水体Chl-a含量与水体TN、TP含量的相关性呈现动态相关性：5月份，与TN、TP均呈现不显著的相关性；6月份，与TP、TN均呈现显著的正相关；7月-9月份，与TP呈现显著的正相关，与TN无显著的相关性。这表明在1号池水体水华的不同发展时期水体Chl-a与水体TN、TP的影响制约关系发生着变化，其中，5月份水体TN、TP均能满足此时浮游植物的生长繁殖需求，但6月以后，TN、TP均开始显著影响浮游植物的生长繁殖，尤其是7月以后，TP的抑制作用表现尤为显著（R≥0.472 1，p

1号池水质监测结果显示，水体TN、TP均存在不同程度的变化：TN变化幅度在0.756～2.71 mg/L，均值为1.525 mg/L；TP变化幅度在0.029～0.211 mg/L，均值为0.097 mg/L。而水体TN/TP（N/P）的比值变化范围为7.6～72.8（图3），波动较大，均值为20.1；其中5月份水体N/P基本大于30，均值高达47.3。按照Reyonolds的研究，淡水水体中N/P>30时，浮游植物的生长与繁殖会受到磷的抑制[7]，而本研究中水体在5月份浮游植物未出现显著的磷抑制作用（R=0.050 3，p>0.05）；但6月以后，磷的抑制作用显著（R≥0.472 1，p7时，磷可能成为限制性营养盐[8]”的研究结果一致。

进一步分析不同时间段水体Chl-a含量与水体TN/TP（N/P）之间的关系（表2）可知，1号池在水华高发期间水体Chl-a含量与水体N/P呈现极显著的线性相关性，回归方程为y（chl-a） = 75.900 2-0.913 7x（N/P）（R= -0.593 9，p

（2） 与COD的关系。

浅水湖泊的有机碳来源包括水体内部浮游植物的光合作用生产的和除此以外的任何其他来源（包括水生高等植物和陆生植物光合作用生产后传输而来的部分），而湖泊中浮游植物生物量是有机碳生产的物质基础，其生物量也常用Chl-a的浓度表示[9]，以往研究发现在藻类水华爆发期间以及水华过后，水体中可溶性有机碳（DOC）容易积累[10]，Chl-a浓度与有机碳之间的关系比较复杂[11]。1号池水华高发期的COD显示（图4），水体CODCr变化范围为8.56～44.9 mg/L，均值为25.268 mg/L；水体CODMn变化范围为2.29～7.7 mg/L，均值为5.088 mg/L。进一步对其与Chl-a的相关性（表1）分析表明，在整个监测期间水体Chl-a浓度与CODCr、CODMn均呈现极显著的线性相关性，相关系数R分别为0.766 6（p

3.2.2 Chl-a的理化特性

（1） 与水温（WT）的相关关系。

水温通过对藻类光合作用与呼吸作用代谢速率的控制而影响Chl-a的含量，而且温度的变化也能引起湖泊环境中其他因子的变化，这些因子又能影响到藻类的生长发育，所以温度对藻类的生长具有重要意义[12]。整个监测期间，1号池水温在18.0 ℃～27.2 ℃范围变化，均温为24.4 ℃，其与Chl-a整体日变化趋势基本一致（图5）。根据叶绿素a与水温（WT）的相关性可知（表1），在整个水华高发期间，水体叶绿素a与水温呈现极显著的正相关（R=0.612 1，p

（2）与pH值的关系。

湖泊、水库的pH值主要受CO2含量的控制。在富营养化水体中，O2和CO2主要受生物过程控制。有关研究表明[3-13]，水中的pH值与藻类的生长有密切关系，浮游植物增加到一定数量后，其生命过程必然对水体pH值变化起主导作用。由于水中浮游植物或藻类的呼吸及光合作用，碳酸盐物种间的化学平衡受到影响，引起地表水的pH发生变化[14]；夏季浮游藻类爆发性增长，光合作用增强，导致湖水pH值的升高[15-16]。在pH值8.0～9.5的范围内，pH值8.5时藻类生长状况最好，pH值9.5时生长最差[17]。监测结果显示（图6），1号池2012年水华高发期（5月-6月）的pH值变化范围为7.81～9.01，均值为8.56，水体总体偏碱性。由表1可见，在整个水华高发期间，水体Chl-a与pH值整体上未呈现显著关系（R=0.066 7，p>0.05）；但在不同的时间段两者的相关性呈现不均一性，5月和7月份的Chl-a与pH值未呈现显著关系，6月和8月分别呈现显著的负线性与正线性相关性，相关系数R分别为-0.376 9（p

（3） 与溶解氧（DO）的相关关系。

溶解氧（DO）作为体现水质状况的指标之一，可通过呼吸作用影响浮游植物的生长繁殖，同时浮游植物的光合作用又可增加水体DO的含量。大量研究表明Chl-a与DO呈正相关关系，但是负相关的结果也同样存在，其原因是浮游植物与水体DO存在双向作用。如果采样时间处于光合作用强度高于呼吸作用强度阶段，则两者呈正相关关系，否则呈负相关关系[3]。1号池在水华高发期DO的监测结果显示，水体DO总体在3.25～12.3 mg/L范围内变化，均值为8.06 mg/L，其日变化趋势显示（图7），DO出现异常高值时，水体Chl-a含量也处于极大高值，可见水体DO含量能够反映水体浮游植物光合作用的强度。在整个水华高发期间，水体叶绿素含量与DO呈现极显著的负相关性（R=-0.2612，p

（4） 与透明度（SD）的相关关系。

透明度（SD）是水体澄清程度的度量，主要受水体悬浮物和胶体物质浓度的影响。在富营养化水体中，浮游植物是构成悬浮物的主体，是影响透明度的主要因子[3]。1号池水华高发期监测结果显示，水体透明度在0.28～0.90 m范围变化，均值为0.52 m，其日变化走向为5月中旬后水体透明度呈缓慢降低趋势（图8），这个可能与气温升高有利于水体生物活动的缘故。进一步分析水华高发期水体Chl-a含量与SD的相关性（表1）发现，Chl-a与SD整个水华高发期间呈现极显著的负线性关系（R=-0.652 7，p0.05）0.05）

4 结论

（1）太原市汾河公园1号池水体Chl-a存在明显的时间变化，变化范围为20.1～132.0 mg/m，均值为57.553 mg/m，5月份水体Chl-a含量整体上低于6月-9月份水体Chl-a含量。

（2）通过Chl-a与环境因子的相关分析，在整个监测期间，Chl-a与水温（WT）、COD、总磷（TP）、氨氮均呈现极显著的正相关，与溶解氧（DO）、总氮（TN）、透明度（SD）呈极显著负相关，但与pH值关系不显著；并且这种相关性在水华发展的不同时期表现为不均一性：5月份水体Chl-a含量没有受到相关环境因子的显著影响；6月份显著受到有机质、总磷（TP）、总氮（TN）的影响；7月份受到有机质、TP、透明度（SD）极显著的影响；8月和9月份受到WT、TP、SD的极显著影响。

（3）水体Chl-a与TN/TP（N/P）呈现极显著的线性相关性，但在水华发展过程中水体Chl-a含量与水体N/P的相关性却表现不均一性，在5月和6月份，水体Chl-a含量与水体N/P的线性关系不显著，但7月以后，两者却呈现极显著的负线性关系。

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