养殖型湖泊水体叶绿素a含量与营养盐相关性分析
Correlation Analysis of Chlorophyll a Content and Nutrients in Aquaculture Lakes
DOI: 10.12677/WPT.2021.94018, PDF, HTML, XML, 下载: 191  浏览: 427  科研立项经费支持
作者: 朱文谨, 张 梅, 董啸天*, 王 娜, 李 雪:江苏海洋大学土木与港海工程学院,江苏 连云港
关键词: 养殖型湖泊叶绿素a浓度总氮化学需氧量相关关系Aquaculture Lake Chl-a Concentration CTN CCOD Correlations
摘要: 为了反映阳澄湖水体叶绿素a和营养物质浓度的关系,在分析阳澄湖水体营养盐浓度对叶绿素a含量影响的基础上,建立了叶绿素a和水体营养盐浓度的定量关系。结果表明:阳澄湖水体总氮浓度与叶绿素a浓度之间呈显著正相关;化学需氧量和总磷浓度也分别与叶绿素a浓度之间呈现正相关关系,相关系数与总氮相比较低。根据叶绿素与水体营养盐浓度的定量关系,论文提出仅仅利用阳澄湖水体总氮含量计算叶绿素a浓度的单变量方法和同时利用总氮、化学需氧量计算叶绿素a浓度的多变量方法。研究思路和建立的方法能够给大型养殖型湖泊水体叶绿素a含量与营养盐浓度关系的研究提供借鉴。
Abstract: In order to study the relationship between Chl-a concentration and nutrients concentration in Yangcheng Lake, the quantitative relationship between Chl-a and nutrient concentration in the lake was established. The results showed that the total nitrogen concentration (CTN) and Chl-a concentra-tion had significant positive correlation. Chemical oxygen content concentration (CCOD) and total phosphorus (CTP) were both considered to study correlation with Chl-a concentration, and the cor-relation decreased. Based on this, new methods for computing Chl-a concentration were proposed in this paper, considering single variable (CTN) and two variables (CTN and CCOD) separately. The re-search idea and method can provide successful experiences for studying relationship between Chl-a and nutrient concentration in large-scale crab breeding lake.
文章引用:朱文谨, 张梅, 董啸天, 王娜, 李雪. 养殖型湖泊水体叶绿素a含量与营养盐相关性分析[J]. 水污染及处理, 2021, 9(4): 146-154. https://doi.org/10.12677/WPT.2021.94018

1. 引言

湖泊水质富营养化问题影响太湖流域经济和社会的发展,是治理湖泊水体面临的主要问题之一 [1]。近年来,有关湖泊水质现状特征及成因分析、湖泊水体营养元素时空变化及富营养化的研究逐渐增多,但对类似于阳澄湖等螃蟹养殖型湖泊的研究相对偏少 [2]。在阳澄湖养殖大闸蟹的面积一度占到整个湖泊面积的90%,严重影响了阳澄湖水域的生态环境 [3]。有研究表明,在一个养殖周期内,大闸蟹养殖产生的最大总氮负荷为68.29 mg/(m2∙d),其中饵料残留的贡献最大,其次是大闸蟹排泄物的贡献 [4]。

已有研究表明,水体中叶绿素a (Chl-a)浓度的含量是表征浮游藻类生长非常重要的指标。大型养殖型湖泊在氮磷污染负荷下直接影响湖泊水体叶绿素a浓度的含量 [5]。现有湖泊水库水质模型中,通过研究水体营养物质浓度变化来反映水体叶绿素a (Chl-a)浓度的变化已经成为探究湖泊水质和富营养化的重要方法 [6]。目前国内外常用的水质模型一般都是通过叶绿素a浓度和总磷浓度之间的定量关系来反映水体富营养化情况。已有研究表明,除了总磷之外,水深、水温等物理因素或其他营养元素也有可能在一定程度影响着叶绿素a (Chl-a)浓度 [7]。有学者在关于阳澄湖水体营养物质浓度方面的研究中发现水体叶绿素浓度和总氮浓度存在较高的相关系数,在此基础上建立了阳澄湖水体内的总氮浓度(CTN)和叶绿素a (Chl-a)浓度的线性方程,但并未进行较为深入的定量研究 [8]。

本研究拟在2009年5月、2009~2013年丰水期(6~9月)阳澄湖水体水质监测数据基础上,定量分析湖泊水体中叶绿素浓度与各营养物质浓度之间的关系,由此确定影响叶绿素浓度的主要因素;根据叶绿素浓度与水体营养盐浓度的定量关系,提出利用阳澄湖水体总氮浓度计算叶绿素a浓度的单变量方法和同时利用总氮、化学需氧量计算叶绿素a浓度的多变量方法,为水质模型中模拟水体富营养化过程提供参考,为大型养殖型湖泊水体富营养化防治提供技术支持 [9]。

2. 区域概况

阳澄湖(图1)为苏州市的大型湖泊,总面积为119.04 km2,南北长约17.0 km,东西宽约8.0 km [10]。是苏州市区重要的储水源地、备用水源,同时也是江苏最大的淡水湖泊之一。除了是十分重要饮水源地之外,阳澄湖还承担了旅游、航运、养殖等多种功能 [11]。阳澄湖东湖面积最大,中湖次之,西湖面积最小。湖泊水体来源于太湖及湖泊西部地区,最终汇入长江 [12]。整个湖区水位变幅不大,年变化一般不超过1.2 m,平均水位在3 m左右,平均流速一般在0.03 m/s~0.06 m/s。阳澄湖水生环境和水域环境得天独厚,水产资源也是应有尽有,是全国著名的养殖型湖泊之一,阳澄湖大闸蟹“蟹中之王”美誉更是无人不知,无人不晓 [13]。

Figure 1. The monitoring spots of the Yangcheng Lake

图1. 湖体监测点位图

3. 阳澄湖水体Chl-a浓度与营养物质浓度之间关系分析

为了获得到水体中叶绿素a (Chl-a)和营养物质浓度之间的定量关系,本文分析了2009年5月和2009~2013年丰水期(6~9月)阳澄湖水体Chl-a浓度与总氮浓度(CTN)、硝酸氮浓度( C N O 3 )、氨氮浓度( C N H 4 + )、总磷浓度(CTP)、化学需氧量(CCOD)之间相关关系;利用相关性分析选取显著相关的影响因素作为主要自变量,拟合出以总氮浓度为自变量,Chl-a浓度为因变量的单变量方程;以总氮和化学需氧量为自变量,Chl-a为因变量的双变量方程,得到水体Chl-a浓度的计算方法。

3.1. 影响水体Chl-a浓度变化的主要因素

阳澄湖2009年5月和2009~2013年丰水期(6~9月)表层水体中Chl-a与每种营养物质浓度的相关系数如表1所示。总的来说,阳澄湖水域Chl-a浓度与CTN呈正相关,且相关系数关系较为显著;2009~2013年期间的丰水期,阳澄湖水体Chl-a浓度与CCOD也呈正相关关系,但是与CTN相比,相关性有所下降;目前不少水质模型中均有Chl-a浓度与CTP的相关性表述,但阳澄湖水体2009~2013年丰水期呈现出,CTP的影响远不如CTNCCOD的影响大。

Table 1. Correlation coefficient between chlorophyll a concentration and nutrient concentration

表1. 叶绿素a浓度与各营养物质浓度之间关系

注:标注“-”为并未测量。

图2为相关性较为明显的氮、磷和化学需氧量与水体叶绿素浓度之间的关系图。在光合作用下,浮游植物可产生大量的有机物,Chl-a在浮游植物中大量存在,随着水中Chl-a浓度的增加,高猛酸盐指数也会随之增加。由此可见,CCOD是Chl-a浓度变化的变量之一,阳澄湖2009~2013年丰水期CCOD与Chl-a浓度之间相关系数的可达0.347。

(a) TP (b) TN (c) CO (D)Mn

Figure 2. Relationship between Chl-a and total phosphorus, total nitrogen and chemical oxygen demand in water

图2. 水体Chl-a与总磷、总氮和化学需氧量之间的线性关系

现有研究显示,大多数浅水湖泊中,磷为限制性营养盐。学者们多采用CTP与Chl-a的关系探究水体中限制性营养盐的决定因素 [14]。表1的数据可知,阳澄湖水域水体Chl-a和CTP的相关性不如与CTN的相关性。虽然大部分湖泊是以磷为限制性营养盐,而阳澄湖却是以氮为限制性营养盐 [15]。原因可能是阳澄湖是螃蟹养殖类湖泊,一方面大量螃蟹饲料残余遗留在湖中,为阳澄湖提供了较为丰富的氮磷营养,另一方面湖中养蟹在一定程度上影响了湖中氮磷比,从而影响了湖中限制性营养物质的种类 [16]。

3.2. 水体Chl-a浓度计算方程

阳澄湖是大型养殖类湖泊,其营养物质组成结构与一般的大型自然湖库营养物质组成结构存在不同,大量残余饵料和螃蟹的生存活动一定程度上影响了湖泊内水体氮磷比例,从而影响了湖泊内Chl-a浓度与营养物质浓度的关系。

3.2.1. 单变量方程

一般情况下,营养物质浓度接近于零时叶绿素浓度也趋向于零,拟建立的单变量方程应通过坐标原点,选取指数函数作为目标函数 [17]。2009年5月,将Chl-a浓度作为因变量,同时以CTN为自变量,拟合方程的相关系数为0.835。

(2009年5月) ρ (Chl-a) = 14 .0 5 C TN 1 .0 74 (1)

公式中:(2009年5月) ρ (Chl-a)为2009年5月份的叶绿素a浓度,单位为mg/m3CTN为总氮浓度,单位为mg/L。

式(1)拟合如图3所示:

Figure 3. Function relationships between Chl-a concentrations and nutrient CTN in May 2009

图3. 2009年5月Chl-a浓度与营养物质CTN的关系

2009~2013年丰水期(6~9月),同样以Chl-a浓度为因变量,CTN为自变量,其相关系数为0.524,虽然这一时段的相关系数较2009年5月有所降低,但Chl-a浓度与营养物质CTN仍然明显优于其他变量。

(2009~2013年丰水期(6~9月)) ρ (Chl-a) = 15.23 C TN 1 .786 (2)

公式中:(2009~2013年丰水期(6~9月)) ρ (Chl-a)为2009年~2013年丰水期(6~9月)的叶绿素a浓度,单位为mg/m3

式(2)拟合如图4所示。

2009年5月和2009~2013年丰水期(6~9月)监测数据显示,Chl-a浓度与营养物质CTN浓度显著相关,对这两个时期的所有样本进行分析,拟合方程的相关系数为0.69。Chl-a与营养物质浓度CTN的指数函数关系式如下:

ρ (Chl-a) = 16.86 C TN 0.94 (3)

公式中:ρ (Chl-a)为叶绿素a浓度,单位为mg/m3

式(3)拟合如图5所示。

Figure 4. Function relationships between Chl-a concentrations and nutrient CTN during the period of wet season from 2009 to 2013

图4. 2009~2013年丰水期Chl-a浓度与营养物质CTN的关系

Figure 5. Function relationships between Chl-a concentration and nutrient CTN in all samples during wet season

图5. 所有样本丰水期Chl-a浓度与营养物质CTN的关系

3.2.2. 双变量方程

总所周知,光合作用下Chl-a浓度有所增加时,化学需氧量也相应增加。一般来说,CCOD是引起Chl-a浓度变化的变量之一。从表1图2可以看出,2009年5月与2009~2013年丰水期(6~9月)阳澄湖Chl-a浓度也随CCOD的增加而增加,CCOD与Chl-a浓度呈正相关。根据前面的分析可知,CTNCCOD均能够影响到Chl-a的浓度。Chl-a浓度计算的双变量方程为:

(2009年5月) ρ (Chl-a) = 16.13CTN + 5.53CCOD − 41.48 (4)

公式中:CCOD为化学需氧量浓度,单位为mg/L。

式(4)拟合如图6所示:

Figure 6. Function relationships between Chl-a concentrations and nutrient CTN in May 2009

图6. 2009年5月Chl-a浓度与营养物质CTN的关系

图6可知,采用双变量方程计算的叶绿素浓度和测得的叶绿素浓度的相关系数为0.859,与单变量方程相比相关系数(0.835)有所提高。采用CTNCCOD计算叶绿素浓度的双变量方程具有更高的精度。2009~2013年丰水期(6~9月)的双变量方程:

(2009~2013年丰水期(6~9月)) ρ (Chl-a) = 17.37CTN + 0.0019CCOD + 0.83 (5)

式(5)拟合如图7所示:

Figure 7. Function relationships between Chl-a concentrations and nutrient CTN during the period of wet season from 2009 to 2013

图7. 2009~2013年丰水期Chl-a浓度与营养物质CTN的关系

2009~2013年丰水期(6~9月),采用双变量方程计算的叶绿素浓度和测得的叶绿素浓度相关系数为0.559,高于单变量方程的相关系数0.524。双变量方程的精度要略高于单变量方程。

为了能够更好的计算叶绿素浓度,对这一时期所有样本进行分析,Chl-a浓度与营养物质CTN的和化学含氧量CCOD指双变量方程如下:

ρ (Chl-a) = 16.59CTN − 0.94CCOD + 4.56(6)

式(6)拟合如图8所示。双变量方程计算这一时期的叶绿素浓度与实测值的相关性可达0.71。较高的相关性说明了,本文提出的双变量方程能够较为准确地反映阳澄湖水体浓度与营养物浓度之间的关系。

Figure 8. Function relationships between Chl-a concentrations and nutrient CTN in all samples

图8. 所有样本丰水期Chl-a浓度与营养物质CTN的关系

4. 结论

论文在阳澄湖2009年5月、2009~2013年丰水期(6~9月)水质监测数据基础上,定量分析了湖泊水体中叶绿素与各营养物质浓度之间的关系,由此确定了影响叶绿素浓度的主要因素,并提出了利用阳澄湖水体总氮浓度计算叶绿素a浓度的单变量方法和利用总氮、化学需氧量计算叶绿素a浓度的多变量方法。通过研究得出以下结论:

1) 分析2009年5月和2009~2013年丰水期(6~9月)阳澄湖水体叶绿素浓度与营养物质浓度的相关性可知,湖泊浮游藻类生长的主要限制元素可能为氮元素。总氮浓度(CTN)变化对与Chl-a浓度变化的影响更为显著,其相关系数达到了0.8以上。CCODCTP与Chl-a相关程度低于CTN

2) 分析了水体营养物质浓度与Chl-a浓度之间的定量关系,提出了阳澄湖水体Chl-a浓度计算方法。双变量方程计算效果好于单变量方程,有较高的可信度。新的计算方法比以往阳澄湖水域的水体叶绿素a和水体营养物质浓度关系的研究更进了一步。

3) 大部分湖泊都是以磷为限制性营养盐,而阳澄湖却是以氮为限制性养分,这大概是由于阳澄湖是养殖类湖泊,一方面,大量螃蟹饲料残余为阳澄湖提供了较为丰富的氮磷营养。另一方面,湖中养蟹在一定程度上影响了湖中氮磷比,从而影响了湖中限制性营养物质的种类。

基金项目

江苏省自然科学基金青年基金项目(BK20180803, BK20170871);江苏省海洋科技专项基金(JSZRHYKJ202008)、江苏海洋大学研究生科研与实践创新计划项目(KYCX20_2900, KYCX2021-040)。

参考文献

NOTES

*通讯作者。

参考文献

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