长江下游湖泊群水体叶绿素a的时空动态及其驱动因素的研究

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湖泊富营养化是我国长江中下游地区的重大水环境问题之一,其与水体中高浓度的氮磷等营养盐导致藻细胞过度增殖、藻类生物量快速增加密切相关。叶绿素a(Chla)存在于所有的藻类细胞中,是衡量浮游植物现存量和湖泊营养状态的重要指标。为确定影响Chla时空变动的水环境因子,有关营养盐-Chla关系的研究报道很多,但相关研究存在部分不足,包括:(1)现有类似研究结论主要源于夏季样品的分析,营养盐-Chla的关系是否存在季节动态需要进一步明确;(2)关于植食性大型浮游动物(如:大型溞Daphnia)对营养盐-Chla关系的影响的研究甚多,而小型浮游动物对营养盐-Chla关系的影响具体如何需进一步明确;(3)除总磷(TP)外,总氮(TN)是否是影响Chla时空变动的限制因子尚存争议。长江下游地区属于典型的亚热带气候,四季分明,湖水中的浮游动物以小体型为主。本研究以长江下游21个中小型湖泊群和安徽巢湖为研究水体,同步采集了2019年4月(春季)、7月(夏季)、10月(秋季)和2020年1月(冬季)的水样,详细探究了水体Chla含量的时空动态与环境因子之间的关系,旨在为湖泊生态修复与水质管理等提供一定的科学依据。主要研究结果如下:(1)以分布在长江下游地区安徽和江苏两省的21个亚热带中小型浅水湖泊群为研究水体,根据湖泊的位置和与外界相连通的程度,将其分为两类:城中湖泊群(14个,封闭性较强)和城郊湖泊群(7个,与长江或其支流或大运河相通)。广义线性模型分析表明,整体上,相比水温,总氮(TN)和总磷(TP)对21个湖泊群Chla含量的影响更大。回归分析表明,TN-Chla和TP-Chla的关系因湖泊类型不同而存在差异;TP是调控城中湖泊Chla的关键因子。从14个城中湖泊来看,TP-Chla的关系存在季节动态,TP解释了春、秋、冬三季Chla变异量的50%以上(以回归方程的决定系数R~2为判断依据),但仅能解释夏季Chla变异量的28%。然而,在去除4个采样点(小型浮游动物夏季与春季的密度比大于17.5)后,夏季TP-Chla的回归方程R~2值由0.28增加到0.57。在夏季,14个城中湖泊间的小型浮游动物密度最高值与小型浮游动物密度最低值的比值为17.5,Chla:TP与小型浮游动物密度间无显著关系;而在春季,城中湖泊群中的小型浮游动物密度最高值与小型浮游动物密度最低值的比值为456(远高于17.5),Chla:TP随着小型浮游动物密度的增加而显著下降。这些结果表明,当小型浮游动物密度增加了17.5倍后,其显著削弱了TP-Chla的关系;小型浮游动物对TP-Chla关系的抑制效应存在密度依赖性。研究结果提示我们,即使是小型浮游动物,也具有降低亚热带城中湖泊群藻类生物量的能力。此外,根据营养盐-Chla-透明度(SD)的回归结果,所有湖泊(21个)中SD与TP间的关系最为密切,因此认为根据水体透明度的测定结果可以粗略估算水体TP浓度。(2)以大型湖泊安徽巢湖为研究水体,通过大量的样点设置和样品分析,发现巢湖三湖区的Chla含量、TN、TP和综合营养状态指数(TLI)等存在显著性差异(P<0.05),表现西部湖区最高,中部湖区次之,东部湖区相对最低。相关分析和回归结果表明,从全年来看,巢湖整体、中湖区和东湖区Chla的主要驱动因子均为TN:TP,其平均解释了Chla变异量的48%;西湖区Chla的主要驱动因子为TP,其解释了Chla变异量的61%。从各个季度来看,春季巢湖整体和中湖区Chla的主要驱动因子均为NH4+-N,而西湖区Chla的主要驱动因子为NO3--N,其均解释了Chla变异量的40%以上;夏季巢湖整体、东湖区Chla的主要驱动因子分别为TP和SD,但Chla-TP回归方程的决定系数仅为0.23。秋季巢湖整体、中湖区和东湖区Chla的主要驱动因子依次为TP、PO43--P和NO3--N,其分别均能解释Chla变异量的60%以上。冬季巢湖整体和东湖区Chla的主要驱动因子分别为NO3--N和NH4+-N,但Chla-(NO3--N)回归方程的决定系数仅为0.28。夏秋季巢湖中西湖区水体TP浓度较高(>0.1 mg/L),TN解释了Chla变化的35%,而TP仅解释了Chla变化的18%;相比TP-Chla的回归关系,TN-Chla回归方程的斜率显著增大(P<0.05),表明高TP环境下,巢湖Chla受N限制作用更明显。营养盐-Chla-透明度分析结果也表明,TP-SD间关系也最为密切,提示我们可以将SD作为预测巢湖TP浓度的简便指标。
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