王艷麗，王　飛

(1. 高平市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站，山西 高平 030027； 2. 山西大學(xué) 實(shí)驗(yàn)中心，山西 太原 030006)

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白洋淀湖泊葉綠素a對(duì)水位周期波動(dòng)的響應(yīng)*

王艷麗1，王飛2

(1. 高平市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站，山西 高平 030027； 2. 山西大學(xué) 實(shí)驗(yàn)中心，山西 太原 030006)

摘要:淺水湖泊水體葉綠素a對(duì)水文周期波動(dòng)的響應(yīng)是生態(tài)補(bǔ)水調(diào)控的重要研究?jī)?nèi)容. 本研究選取了2007～2008年白洋淀補(bǔ)水入湖口南留莊和湖心王家寨兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)日水位變化和月葉綠素a濃度兩類(lèi)時(shí)間序列數(shù)據(jù). 首先，基于小波功率譜和小波總體方差對(duì)湖泊水位波動(dòng)周期進(jìn)行了劃分，并選取228天的周期結(jié)構(gòu)將研究期劃分為水位正負(fù)相位交替變化的5個(gè)時(shí)間段； 其次，分別對(duì)兩站點(diǎn)不同水文周期內(nèi)水位和葉綠素a濃度變化規(guī)律進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析； 最后，基于單樣本獨(dú)立t-test分析了各站點(diǎn)水位之間和葉綠素a濃度之間的差異性，揭示了正負(fù)相位波動(dòng)下湖泊葉綠素a對(duì)水位波動(dòng)的響應(yīng)在湖泊中心王家寨站點(diǎn)具有顯著性. 本研究結(jié)果可為淺水湖泊實(shí)施生態(tài)補(bǔ)水提供理論參考和實(shí)踐指導(dǎo).

關(guān)鍵詞:葉綠素a； 水位周期； 小波分析； 白洋淀湖泊

隨著世界范圍內(nèi)水資源緊缺問(wèn)題的日益突出，水利工程、 水體污染、 水資源的過(guò)度開(kāi)發(fā)及由此引發(fā)的水生態(tài)退化問(wèn)題成為河湖流域所面臨的共性問(wèn)題[1]. 其中，水文生態(tài)過(guò)程受阻和水環(huán)境污染是主要原因，而水生態(tài)過(guò)程和水環(huán)境效應(yīng)是最核心的問(wèn)題. 為優(yōu)化河湖流域水資源配置及改善其水環(huán)境效應(yīng)，對(duì)水利工程實(shí)施生態(tài)需水及其生態(tài)水文響應(yīng)的研究成為國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究關(guān)注的熱點(diǎn)[2]. 為保障淺水湖泊生態(tài)需水而進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水的宏觀調(diào)控是恢復(fù)和維持其正常生態(tài)功能的關(guān)鍵. 對(duì)內(nèi)陸淺水湖泊水生態(tài)系統(tǒng)而言，其生態(tài)補(bǔ)水的最終目的是使水量分配盡可能與其自然變化規(guī)律相一致[3]. 因此，生態(tài)補(bǔ)水考慮區(qū)域水文條件的自然變化特征顯得尤為必要. 事實(shí)上，白洋淀濕地生態(tài)補(bǔ)水已經(jīng)成為維持其濕地正常生態(tài)功能的重要舉措. 自2000年起，每年均有1～2次上游水庫(kù)的遠(yuǎn)程補(bǔ)水，多年來(lái)已對(duì)濕地水生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響. 因此，研究不同頻率、 不同時(shí)空尺度的水生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)的系統(tǒng)性和規(guī)律性、 生態(tài)補(bǔ)水效應(yīng)、 強(qiáng)度和水資源分配等具有重要的科學(xué)意義和實(shí)踐價(jià)值.

水位是湖泊管理中重要的水文因子之一[4]. 淺水湖泊水位波動(dòng)對(duì)于水量輸入和輸出具有快速響應(yīng)的敏感性，并直接影響著湖泊生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、 組成和功能[5]. 同時(shí)，水位變化是河湖流域及其周邊區(qū)域生態(tài)變化的重要壓力源，是控制河湖生態(tài)系統(tǒng)功能變化的主導(dǎo)因素之一[4-5]. 葉綠素a是衡量淡水生態(tài)系統(tǒng)浮游植物初級(jí)生產(chǎn)量的重要指標(biāo)，因其良好的光合作用能力及易檢測(cè)特性而成為內(nèi)陸淡水生態(tài)系統(tǒng)最常用的監(jiān)測(cè)指標(biāo). 淡水生態(tài)系統(tǒng)水體惡化的最突出生物響應(yīng)就表現(xiàn)為初級(jí)生產(chǎn)力的上升，即葉綠素a濃度的升高[6]，這也使得對(duì)葉綠素a濃度的監(jiān)測(cè)成為湖泊生態(tài)健康的重要指示因子[7-8]. 阮曉紅等運(yùn)用回歸統(tǒng)計(jì)方法建立了蘇州平原河網(wǎng)區(qū)淺水湖泊水體葉綠素a和8種環(huán)境因子的回歸方程[9]. Wang等在不同水文期建立了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的葉綠素a預(yù)測(cè)模型[10]. 駱傳婷等對(duì)由高含沙黃河水向東昌湖補(bǔ)水期間入湖口和出湖口縱斷面懸浮泥沙與葉綠素a濃度的變化研究揭示出黃河補(bǔ)水使得湖區(qū)葉綠素a濃度顯著上升[11]. 吳召仕等對(duì)鄱陽(yáng)湖豐水期葉綠素a空間分布及環(huán)境因子的研究中揭示了由于豐水期湖泊容積增大、 水體交換時(shí)間有限而抑制了浮游植物生物量的上升[12]. 可見(jiàn)，湖泊水文改變對(duì)湖泊葉綠素a濃度的影響既有正效應(yīng)也有負(fù)效應(yīng)，且研究尺度局限在補(bǔ)水期或豐水期，未能在更細(xì)的尺度上對(duì)湖泊水文改變進(jìn)行細(xì)分，故對(duì)葉綠素a濃度變化的影響也因此受到限制. 為此，本研究選擇北方重要淺水湖泊白洋淀，基于高頻日尺度水位數(shù)據(jù)進(jìn)行水位波動(dòng)周期的細(xì)分，進(jìn)而探討水體葉綠素a濃度對(duì)水位周期波動(dòng)的響應(yīng)特征，旨在揭示水庫(kù)等水利工程對(duì)淺水湖泊水生態(tài)系統(tǒng)的影響，并為相關(guān)部門(mén)提供決策參考.

1材料和方法

1.1研究區(qū)概況

白洋淀流域(40°04′-39°02′N(xiāo), 113°39′-116°11′ E)位于華北平原中部，湖泊距離北京130 km，跨河北、 山西兩省和北京共30多個(gè)市縣，流域面積約 31 200 km2，是中國(guó)北方最大的淡水湖泊(見(jiàn)圖 1).

圖 1　研究區(qū)域地圖Fig.1　Geographic location of the study area

整個(gè)流域地形地貌復(fù)雜，地勢(shì)西高東低，上游分布有多個(gè)水利工程，但湖泊區(qū)域地形平坦，最大地形落差不超過(guò)9 m[7]. 進(jìn)入20世紀(jì)以來(lái)，白洋淀湖泊水資源嚴(yán)重不足，每年實(shí)施的上游水庫(kù)生態(tài)補(bǔ)水已基本成為維持其生態(tài)功能的重要舉措(見(jiàn)表 1). 生態(tài)補(bǔ)水顯著改變了湖泊的水位波動(dòng)情況，因此研究水生態(tài)指標(biāo)葉綠素a濃度對(duì)湖泊水位波動(dòng)的響應(yīng)有助于了解和評(píng)價(jià)其生態(tài)補(bǔ)水的效應(yīng)，有助于完善生態(tài)水利工程補(bǔ)水措施，具有積極的實(shí)踐價(jià)值.

表 1　上游水庫(kù)對(duì)白洋淀湖泊水量補(bǔ)給 (2000～2009年)

1.2監(jiān)測(cè)站點(diǎn)及監(jiān)測(cè)指標(biāo)

采樣點(diǎn)設(shè)置如圖 1 所示，南劉莊監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于生態(tài)補(bǔ)水及市政污水排放的入湖口，王家寨監(jiān)測(cè)點(diǎn)處于湖泊中心. 兩監(jiān)測(cè)站點(diǎn)水位數(shù)據(jù)集采用日監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，時(shí)間段為2007年1月1日～2008年12月31日； 葉綠素a數(shù)據(jù)集是月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，時(shí)間段為2007年1月～2008年12月. 所有數(shù)據(jù)均來(lái)自安新縣環(huán)保局，各指標(biāo)檢測(cè)均參照國(guó)家相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格執(zhí)行.

1.3數(shù)據(jù)分析

采用Morlet小波連續(xù)變換的小波功率譜和小波總體方差揭示兩站點(diǎn)水位波動(dòng)的周期結(jié)構(gòu)及顯著性特征； 提取兩站點(diǎn)共有周期進(jìn)行水文變化周期的分類(lèi)； 采用獨(dú)立樣本的t-test分析基于水文周期分類(lèi)的各站點(diǎn)水位和葉綠素a濃度的正負(fù)相位波動(dòng)的顯著性差異.

本文基于Morlet小波變換的功率譜和小波方差以及共有小波周期提取分析用 Matlab 2012b軟件編程完成； 獨(dú)立樣本的t-test分析基于SPSS軟件(IBM SPSS statistics 18)完成.

2結(jié)果分析

2.1白洋淀湖泊水位波動(dòng)的小波功率譜和小波總體方差

小波分析對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間序列周期結(jié)構(gòu)的識(shí)別具有明顯優(yōu)勢(shì)，在小波變換中，小波功率直接由其變換數(shù)值絕對(duì)值的平方得來(lái)[13]. 圖 2 顯示了白洋淀湖泊兩站點(diǎn)日水位變化的小波功率.

圖 2　白洋淀湖泊南劉莊站點(diǎn)(a,c)和王家寨站點(diǎn)(b,d)水位波動(dòng)的小波功率譜和小波總體方差Fig.2　The wavelet spectrum and wavelet population variance of the water level fluctuations in Baiyangdian lake south of Liuzhuang site (a,c) and Wangjiazhai site (b,d)

功率譜圖中，高分辨區(qū)域是小波影響錐，其中黑色實(shí)線輪廓代表白噪聲背景下95%的顯著性置信水平； 在小波總體方差中，黑色實(shí)線代表小波總體方差，黑色虛線是與功率譜一致背景下95%的顯著性置信水平. 小波變換數(shù)值絕對(duì)值的平方顯示了不同尺度或周期結(jié)構(gòu)下水位變化功率的相對(duì)強(qiáng)弱. 圖2(a)和2(c)顯示了南劉莊站點(diǎn)和王家寨站點(diǎn)水位波動(dòng)的小波變化實(shí)際振幅及量級(jí). 小波功率譜揭示了湖泊水位時(shí)間序列不同尺度下的最高能量變化特征，在湖泊入口(南劉莊)和湖泊中心(王家寨)均顯示水位相對(duì)較高能量的變化周期為>32天，尤其集中在約128～256天 (圖2(a)和 2(b)). 精確的小波總體方差變化均揭示了約128～256天的周期結(jié)構(gòu)大于95%的統(tǒng)計(jì)置信水平(圖2(c)和2(d)). 這一結(jié)果與Wang等揭示的白洋淀湖泊水位波動(dòng)周期約4～8月為主的研究結(jié)果相類(lèi)似[14].

2.2白洋淀湖泊水位波動(dòng)周期劃分

小波功率譜和小波方差揭示了白洋淀湖泊兩站點(diǎn)水位約128～256天的顯著周期結(jié)構(gòu)，顯然這種周期結(jié)構(gòu)具有正負(fù)相位波動(dòng)特征，據(jù)此可以對(duì)湖泊水文周期進(jìn)行干濕期的劃分. 為了更清晰的顯示這一周期結(jié)構(gòu)特征，并保持兩站點(diǎn)所劃分序列的完整性，選擇228天作為主要周期成分. 同時(shí)，為了消除正負(fù)相位轉(zhuǎn)變的邊際效應(yīng)，將±10% 最大振幅作為邊際影響效應(yīng)，因此，228天的主周期成分將整個(gè)水文期劃分為5個(gè)區(qū)段： ClassⅠ, Class Ⅱ, Class Ⅲ, Class Ⅳ和Class Ⅴ(見(jiàn)圖 3). 正相位波動(dòng)代表相對(duì)的豐水期(ClassⅠ,Ⅱ和 Ⅲ)； 負(fù)相位波動(dòng)代表相對(duì)的枯水期(Class Ⅳ和Ⅴ). 圖 3 還顯示了南劉莊站點(diǎn)和王家

寨站點(diǎn)一致的水位周期結(jié)構(gòu)特征.

圖 3　基于228天主周期成分的白洋淀水文周期劃分：最大振幅的±10%為邊界效應(yīng)影響Fig.3　The wavelet hydrograph in 228-day periodic component for Nanliuzhuang site and Wangjiazhai site. For better classification of water level periodic structure, ±10% of maximum oscillations are representing alternated effects

2.3水文周期分類(lèi)下水位和葉綠素a濃度變化統(tǒng)計(jì)

表 2 顯示了研究時(shí)段內(nèi)228天主周期成分下白洋淀5個(gè)水文周期的劃分及其水位統(tǒng)計(jì)結(jié)果. 最大水位出現(xiàn)在南劉莊站點(diǎn)(Class Ⅲ)，最小水位出現(xiàn)在王家寨站點(diǎn)(Class Ⅳ).

圖 4 顯示了白洋淀湖泊各站點(diǎn)葉綠素a在各水文期的變化趨勢(shì). 由圖可見(jiàn)，不考慮邊界效應(yīng)影響，兩站點(diǎn)葉綠素a濃度對(duì)水位變化的響應(yīng)具有相似性，即在豐水期兩站點(diǎn)葉綠素a濃度均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)(ClassⅠ,Ⅱ和 Ⅲ)，在枯水期葉綠素a均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)(Class Ⅳ和Ⅴ). 然而，兩站點(diǎn)葉綠素a濃度對(duì)水位變化的響應(yīng)程度不同，劇烈的葉綠素a濃度波動(dòng)首先發(fā)生在2007年之前的入湖口(南劉莊，圖4(a))，進(jìn)而在2007年向湖心(王家寨，圖4(b))蔓延. 而相應(yīng)的水庫(kù)補(bǔ)水恰發(fā)生在2006年11月至2007年1月期間； 劇烈的葉綠素a波動(dòng)還發(fā)生在2008年6月左右，而這一期間也同樣進(jìn)行了生態(tài)補(bǔ)水. 這些結(jié)果揭示了白洋淀湖泊生態(tài)補(bǔ)水造成水位波動(dòng)，相對(duì)充裕的水資源有利于水體浮游植物的生長(zhǎng)，但在隨后的水資源匱乏期易于造成葉綠素a濃度的升高，不利于湖泊富營(yíng)養(yǎng)化治理. 這與駱傳婷等揭示的黃河向東昌湖補(bǔ)水使得葉綠素a呈現(xiàn)顯著增加的結(jié)論相似，但造成的原因則有顯著不同，駱傳婷等推斷可能是黃河泥沙顆粒大小造成的影響[11]. Wang等通過(guò)對(duì)白洋淀水位和葉綠素a周期結(jié)構(gòu)的同步性分析揭示了二者在不同時(shí)間尺度下的非線性變化特征[14]，還揭示了白洋淀湖泊水體營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)水位波動(dòng)的響應(yīng)，結(jié)果表明在湖心處水位和營(yíng)養(yǎng)鹽具有顯著的正相關(guān)特征[15]，揭示了生態(tài)補(bǔ)水影響下湖泊內(nèi)部發(fā)生復(fù)雜的地球化學(xué)反應(yīng)，使得營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的升高顯著高于水體容積增大造成的稀釋作用. 因此，生態(tài)補(bǔ)水影響下，水位波動(dòng)造成水體營(yíng)養(yǎng)鹽波動(dòng)的同時(shí)還有利于浮游植物的擴(kuò)散和傳播，葉綠素a濃度的變化受多種因素共同影響，存在復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程. 孟繁麗等對(duì)白洋淀水域溶解氧和葉綠素a的研究揭示了豐水期水域溶解氧呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，并受葉綠素a含量和沉水植物生物量的共同影響，其可能原因是浮游植物或水草腐解存在耗氧作用，消耗了水體中的溶解氧，葉綠素a含量隨之下降[16]. 對(duì)于水文改變?nèi)缢蛔兓瘜?duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)的影響及機(jī)制在未來(lái)研究中或通過(guò)構(gòu)建系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)生態(tài)模型予以揭示.

圖 4　葉綠素a在各水文期內(nèi)變化趨勢(shì)Fig.4　Trend of concentration of chlorophyl a in hydrological period

2.4白洋淀湖泊葉綠素a對(duì)水位波動(dòng)的響應(yīng)

圖 5 顯示了白洋淀湖泊各站點(diǎn)水位在正負(fù)相位波動(dòng)下葉綠素a的響應(yīng)情況. 由圖可知，正相位的水位波動(dòng)下，相應(yīng)的葉綠素a濃度較低，負(fù)相位的水位波動(dòng)下，相應(yīng)的葉綠素a濃度較高. 同時(shí)正負(fù)相位波動(dòng)情況下，處于湖泊入口處的南劉莊，其水位值(>6.6 m)高于處于湖泊中心的王家寨的水位值(<6.0 m). 正相位波動(dòng)時(shí)，南劉莊站點(diǎn)葉綠素a濃度 (35.06±52.61 mg/L)高于同相位波動(dòng)時(shí)王家寨站點(diǎn)葉綠素a濃度(23.99±28.12 mg/L)； 而負(fù)相位波動(dòng)時(shí)，王家寨站點(diǎn)葉綠素a濃度較高(79.61±58.99 mg/L Vs. 41.93±45.40 mg/L).

單樣本獨(dú)立t-test揭示正負(fù)相位波動(dòng)下，各站點(diǎn)水位之間和葉綠素a濃度之間的差異性(圖 5 和表 3). 兩站點(diǎn)正負(fù)相位波動(dòng)下水位差異極顯著(p=0.000 9和p=0.000)，這與小波總體方差的分析結(jié)構(gòu)相一致.正負(fù)相位波動(dòng)下葉綠素a濃度差異性的顯著性只存在于王家寨站點(diǎn)(p<0.05). 南劉莊站點(diǎn)正負(fù)相位波動(dòng)下葉綠素a濃度差異未能檢出，究其原因可能與其相對(duì)較高的本底值有關(guān).

表 3　白洋淀湖泊葉綠素a在水文波動(dòng)分類(lèi)的顯著性檢驗(yàn)

此外，圖5(a)亦顯示正負(fù)相位波動(dòng)下南劉莊站點(diǎn)葉綠素a濃度均值差異不明顯(35.06 vs. 41.93 mg/L).

圖 5　正負(fù)相位波動(dòng)下葉綠素a對(duì)水位波動(dòng)的響應(yīng)Fig.5　Response of Chlorophyl a to water level with the emphasis on the positive and negative phase water level fluctuations

3結(jié)論

1) 小波功率譜和小波總體方差揭示了約128～256天的水位周期具有顯著性(p<0.05)，約228天的主周期成分可以將整個(gè)水文期進(jìn)行合理劃分.

2) 白洋淀湖泊葉綠素a對(duì)水文變化的響應(yīng)呈現(xiàn)為在豐水期濃度下降，在枯水期濃度上升.

3) 白洋淀湖泊葉綠素a濃度對(duì)正負(fù)相位水位波動(dòng)的響應(yīng)呈現(xiàn)正相位的水位波動(dòng)時(shí)濃度較低，負(fù)相位的水位波動(dòng)時(shí)濃度較高，并且單樣本獨(dú)立t-test揭示了葉綠素a濃度對(duì)水位的正負(fù)相位波動(dòng)的響應(yīng)顯著性只存在于湖心的王家寨站點(diǎn)(p<0.05).

文中葉綠素a數(shù)據(jù)集尺度為月尺度時(shí)間序列數(shù)據(jù)，而水位數(shù)據(jù)集為日尺度時(shí)間序列數(shù)據(jù)，分析葉綠素a濃度變化及響應(yīng)時(shí)，尺度轉(zhuǎn)換容易忽略趨勢(shì)變化規(guī)律的細(xì)節(jié)成分，而且所研究期間的整段時(shí)間序列數(shù)據(jù)僅有24個(gè)月，在顯著性及趨勢(shì)分析上難免稍顯不足. 未來(lái)還應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)頻率，以便更好地揭示湖泊生態(tài)系統(tǒng)的變化規(guī)律和響應(yīng)特征.

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Response of Chlorophyllato Periodic Water Level Fluctuation in Lake Baiyangdian

WANG Yan-li1, WANG Fei2

(1. Gaoping Environment Monitoring Center, Gaoping 030027, China；2. Experimental Center in Shanxi University, Taiyuan 030006, China)

Abstract:The response of the chlorophyll a to periodic hydrological fluctuations is important research content for ecological water replenishment regulation. The time series data of daily water level and monthly chlorophyll a concentration in Nangliuzhuang and Wangjiazhai sites from 2007 to 2008 were selected in the research. Firstly, the periodic structure of water level was classified by the wavelet power spectrum and the global wavelet variance, and the 228 day main periodic component could be divided into 5 periods with alternate changes in positive and negative phase. Secondly, the variations of water level and chlorophyll a concentration were analyzed in different hydrological periods at each site separately. Thirdly, the differences between the water level and chlorophyll a concentration at each site were analyzed by the independent sample t-test, as well as the response of chlorophyll a concentration on water level fluctuations. The results revealed the significant response at Wangjiazhai station located in the center of the lake.The study can provide theoretical reference and practical guidance for the ecological water supply in shallow lake.

Key words:Chlorophyll a; hydrologic period; wavelet analysis; Lake Baiyangdian

文章編號(hào):1673-3193(2016)02-0126-07

*收稿日期:2015-08-17

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41401020)

作者簡(jiǎn)介：王艷麗(1970-)，女，高級(jí)工程師，主要從事環(huán)境保護(hù)及監(jiān)測(cè)的研究.

中圖分類(lèi)號(hào):X832

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

doi:10.3969/j.issn.1673-3193.2016.02.006