高珊珊, 張曙光, 劉陽, Lars G. Rudstam, 梅雪英, *

奧奈達(Oneida)湖營養(yǎng)狀態(tài)變化趨勢及影響因素

高珊珊1, 張曙光1, 劉陽1, Lars G. Rudstam2, 梅雪英1, *

1. 安徽農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院, 合肥 230036 2. 康奈爾大學自然資源系, 康奈爾大學野外生物站, 美國，紐約 13030

營養(yǎng)狀態(tài)是湖泊生態(tài)系統(tǒng)的基本特征, 也常是全面認識湖泊生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵。為了解奧奈達湖營養(yǎng)狀態(tài)演變, 根據(jù)1975—2012年5—10月奧奈達湖水體葉綠素()、總磷()、透明度()等指標, 采用修正的卡爾森營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法(TSIM), 計算了奧奈達湖營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù), 分析了其營養(yǎng)狀態(tài)演變規(guī)律及其影響因素。結(jié)果顯示: 1975—2012年間奧奈達湖、、溶解氧()和硝態(tài)氮(NO-N)總體呈下降趨勢, 下降幅度分別為2.6 μg·(L·10a)-1、1.5 μg·(L·10a)-1、0.3 mg·(L·10a)-1和4.0 μg·(L·10a)-1;和水溫()呈上升趨勢, 上升幅度分別為0.7 m·10a-1和0.5 ℃·10a-1; 溶解性活性磷()變化不明顯; 此外、、、和均具明顯季節(jié)變化。1975—2012年奧奈達湖的綜合呈下降趨勢, 范圍為37.8—51.3, 總體呈中營養(yǎng)狀態(tài); TSI的月均值也具明顯季節(jié)變化;、以及斑馬貽貝()和斑驢貽貝()的入侵是影響奧奈達湖營養(yǎng)狀態(tài)的重要因素。該研究結(jié)果可為全面了解奧奈達湖營養(yǎng)狀態(tài)演變提供參考。

奧奈達湖; 營養(yǎng)狀態(tài); 葉綠素;

0 引言

富營養(yǎng)化是當前水體面臨的最具挑戰(zhàn)性的環(huán)境問題之一, 水體富營養(yǎng)化是由于過量的營養(yǎng)物輸入, 導致藻類等浮游植物大量生長繁殖, 水質(zhì)變壞, 進而引起水體生態(tài)系統(tǒng)的一系列變化[1]。水體富營養(yǎng)化評價用以評價水體所處的營養(yǎng)狀態(tài), 進而為富營養(yǎng)化防治提供科學依據(jù)。近年來國內(nèi)外學者提出多種水體富營養(yǎng)化的評價方法, 主要包括營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法[2]、評分法[3]、模糊綜合評價法[4]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價法[5-6]、集對分析評價法[7]等。其中營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法最為常用, 已在許多湖泊如千島湖[8]、陽澄西湖[9]、鄱陽湖[10]、洱海[11]等進行應用。

奧奈達湖是美國紐約州中部一個淺水湖泊, 也是紐約州單獨管轄的面積最大、研究最多的內(nèi)陸淺水湖泊之一, 面積207 km2，長約33.6 km，寬約6.1 km, 平均水深6.8 m，該湖被廣泛用于旅游、垂釣和娛樂[12]。奧奈達湖具有長期的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù), 對其營養(yǎng)狀態(tài)的變化趨勢和影響因素仍需深入研究。分析奧奈達湖多年來營養(yǎng)狀態(tài)變化, 明確水體營養(yǎng)狀態(tài)的關(guān)鍵影響因子, 對了解湖泊水體營養(yǎng)狀態(tài)演變及營養(yǎng)化治理具有重要意義。本文通過對奧奈達湖1975—2012年5—10月的和、等水體理化因子的統(tǒng)計分析, 采用修正的卡爾森營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TSIM)法, 計算奧奈達湖營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù), 分析奧奈達湖的營養(yǎng)狀態(tài)變化趨勢, 并通過相關(guān)性分析找出影響水體營養(yǎng)狀態(tài)的關(guān)鍵因素, 為全面了解奧奈達湖生態(tài)系統(tǒng)演變和湖泊治理提供參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源與篩選

數(shù)據(jù)來源于康奈爾大學野外生物站的監(jiān)測數(shù)據(jù)(https://knb.ecoinformatics.org/knb/metacat/kgordon. 35.49/default), 該站對奧奈達湖具有長期監(jiān)測數(shù)據(jù), 監(jiān)測頻率為每周1 次, 選取1975—2012年5—10月間(因其他月份被冰覆蓋)奧奈達湖的葉綠素()、總磷()、透明度()、水溫()、溶解氧()、溶解性活性磷()和硝態(tài)氮(NO-N)等指標, 全湖四個監(jiān)測點如圖1。

1.2 營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)

采用修正的卡爾森營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法(TSIM)計算奧奈達湖的營養(yǎng)狀態(tài)等級。該方法將湖泊營養(yǎng)狀態(tài)用0—100的連續(xù)數(shù)值進行分級, 評價標準為:＜37為貧營養(yǎng), 38＜＜53為中營養(yǎng),＞54為富營養(yǎng)[11,13-14]。

計算公式:

式中: TSIM()、TSIM()、TSIM() 分別是以葉綠素()、透明度()、總磷()為基準的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù), 葉綠素()單位為μg·L-1, 透明度()單位為m, 總磷()為mg·L-1。

1.3 統(tǒng)計分析方法

利用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件, 分析奧奈達湖水體各指標間的Pearson相關(guān)性系數(shù)。數(shù)據(jù)處理和做圖使用Microsoft Excel 2016軟件、Origin 9.0軟件和ArcGIS 10.2軟件完成。文中水質(zhì)指標的“年均”值指1975—2012每年5—10月的平均值, “月均”值指該期間的每月的平均值, 文中所有數(shù)據(jù)均是四個監(jiān)測點的平均值。

2 結(jié)果

2.1 葉綠素a、透明度、水溫和溶解氧的時間變化特征

1975—2012年奧奈達湖葉綠素()年均值變化范圍為3.2—13.3 μg·L-1, 平均6.7 μg·L-1; 2010年最低, 為3.2 μg·L-1, 1977年最高, 達13.3 μg·L-1, 整體呈下降趨勢, 下降幅度為2.6 μg·(L·10a)-1(圖2)。具有明顯季節(jié)變化, 5—6月份低, 平均為3.0 μg·L-1, 之后升高, 到9月達最大11.6 μg·L-1, 9月份之后又呈下降趨勢(圖3)。

圖1 奧奈達湖監(jiān)測點位置

Figure 1 Monitoring sites of Oneida Lake

1975—2012年奧奈達湖透明度()年均值變化范圍為2.1—4.5 m, 平均3.3 m, 其中1985年最低2.1 m, 2008年最高達4.5 m, 整體呈波動上升趨勢, 上升幅度為0.7 m·10a-1(圖2)。奧奈達湖和的年變化存在明顯的負相關(guān)關(guān)系, 隨著降低, 相應的上升。和間也具明顯季節(jié)變化趨勢: 隨著濃度上升,相應下降, 從6月份4.3 m, 下降到最低9月份2.1 m(圖3)。因此, 奧奈達湖和呈明顯負相關(guān)關(guān)系。

1975—2012年奧奈達湖水溫()呈上升趨勢, 上升幅度為0.5 ℃·10a-1, 波動范圍為19.4—23.3 ℃, 平均為21.3 ℃, 最低值出現(xiàn)在1976年為19.4 ℃, 最高值在2005年為23.3 ℃(圖2)。呈明顯的季節(jié)變化, 其中7、8月份水溫高, 達23 ℃, 5、10月份水溫較低, 最低為13.4 ℃(圖3)。

奧奈達湖溶解氧()年均值變化范圍為3.4—7.1 mg·L-1, 平均為5.5 mg·L-1; 整體呈波動下降趨勢, 下降幅度為0.3 mg·(L·10a)-1(圖2);季節(jié)性變化明顯, 7月份最低, 平均為4.7mg·L-1, 8、9月份呈明顯上升趨勢(圖3)。因此, 奧奈達湖和存在明顯的年際變化和季節(jié)性變化。

同時, 1975—2012年間隨著的上升, 相應的降低; 季節(jié)變化中5—7月份,逐漸上升,下降; 8—10月份逐漸下降,上升, 兩者間呈負相關(guān)關(guān)系, 也表明是影響變化的重要因子。

2.2 水體營養(yǎng)鹽時間變化特征

1975—2012年奧奈達湖總磷()呈波動下降趨勢, 下降幅度為1.5 μg·(L·10a)-1。1982年達到最大值44.1 μg·L-1, 1993年最低值為15.0 μg·L-1(圖4)。TP也呈明顯季節(jié)變化, 5—6月份低, 之后逐漸上升, 9月份達到峰值后略有下降, 其變化范圍為17.6—45.1 μg·L-1(圖5)。該變化與的變化趨勢較為一致。

溶解性活性磷()年度變化趨勢不明顯, 年均值變化范圍為1.9—18.7 μg·L-1, 最高值出現(xiàn)在1988年為18.7 μg·L-1, 最低值出現(xiàn)在1990年僅1.9 μg·L-1(圖4)。也具有顯著的季節(jié)變化, 從5月(3.5 μg·L-1)到10月(22.4 μg·L-1) SRP濃度顯著升高(圖5)。

圖2 奧奈達湖Chl a濃度、SD、DO和WT的年變化

Figure 2 Annual variation ofconcentration, SD,andin Oneida Lake

圖3 奧奈達湖Chl a、SD、DO、WT的月變化

Figure 3 Monthly variation of,,,in Oneida Lake

年度變化呈緩慢上升趨勢, 上升幅度為0.1·10a-1,說明在中的貢獻率在上升;也具有明顯季節(jié)變化, 從5月(0.2)到10月(0.5)顯著升高(圖5)。

1975—2012年奧奈達湖硝態(tài)氮(NO-N)濃度年均值波動幅度較大, 為70.4—288.5 μg·L-1, 整體呈下降趨勢, 下降幅度為4.0 μg·(L·10a)-1, 在1981年出現(xiàn)最低值為70.4 μg·L-1, 2001年出現(xiàn)最大值為288.5 μg·L-1, 特別是從2001年開始, 下降趨勢明顯(圖4)。NO-N濃度月均值隨季節(jié)變化明顯, 5—9月份明顯降低, 月均值最大值出現(xiàn)5月份298.9 μg·L-1, 最低值出現(xiàn)在9月份84.4 μg·L-1(圖5)。

圖4 奧奈達湖營養(yǎng)鹽的年均值變化

Figure 4 Annual variation of nutrients in Oneida Lake

圖5 奧奈達湖營養(yǎng)鹽的月均值變化

Figure 5 Monthly variation of nutrients in Oneida Lake

2.3 水體營養(yǎng)狀態(tài)變化趨勢

1975—2012年間奧奈達湖總體呈持續(xù)下降趨勢, 下降幅度為2.5·10a-1; 1975—2012年間奧奈達湖變化范圍37.8—51.3, 絕大部分時間處于中營養(yǎng)狀態(tài)波動, 平均42.5, 呈中營養(yǎng)狀態(tài), 特別是1990年后, 一直在低位波動。月均值也呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化, 即5、6月份水質(zhì)較好, 呈貧營養(yǎng)狀態(tài), 7—10月份呈中營養(yǎng)狀態(tài), 8—9月份雖營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)較高, 但仍處于中營養(yǎng)狀態(tài)(圖6)。

2.4 水體營養(yǎng)狀態(tài)與生境因子的關(guān)系

奧奈達湖1975—2012年間5—10月濃度、、與相關(guān)營養(yǎng)鹽的相關(guān)關(guān)系可以看出,與、和均有極顯著正相關(guān)性(P<0.01), 與NO-N和有極顯著負相關(guān)性(P<0.01), 與和的相關(guān)性不顯著。與、NO-N、、均有極顯著相關(guān)性(P<0.01), 與相關(guān)性不顯著(表1)。

1991年斑馬貽貝入侵奧奈達湖, 入侵之后和均呈下降趨勢、相應的逐漸增加。2006年斑驢貽貝入侵之后進一步降低和, 并提高了水體(表2)。

3 討論

本研究表明奧奈達湖總體呈下降趨勢, 在37.8—51.3之間, 說明奧奈達湖總體屬于中營養(yǎng)型湖泊, 這與Hetherington等[15]發(fā)現(xiàn)奧奈達湖大部分時間都被認為是中營養(yǎng)型的研究結(jié)果一致。月均值呈明顯的季節(jié)變化,月均值變化趨勢與、月均值變化趨勢類似, 與的月均值變化趨勢相反。與、、、NO-N和均有極顯著相關(guān)性(P<0.01)。

圖6 奧奈達湖TSI時間變化

Figure 6 Variation ofin Oneida Lake

表1 1975—2012年奧奈達湖Chl a濃度、TSI和相關(guān)營養(yǎng)鹽的相關(guān)系數(shù)

*表示顯著相關(guān);**表示極顯著相關(guān); n=1824.(相關(guān)系數(shù)是建立在月尺度上的同步參數(shù)間的相關(guān)關(guān)系)

水體濃度能反映浮游植物生物量的高低, 作為浮游植物現(xiàn)存量的重要指標, 也是水體富營養(yǎng)化水平的重要指標[16]。是浮游植物生長必不可少的營養(yǎng)元素, 常限制浮游植物生長。OECD[17]對濃度和營養(yǎng)鹽相互關(guān)系進行大量的研究, 發(fā)現(xiàn)80%的水體中受的限制, 9%的水體受、共同影響。賈振睿等[18]研究發(fā)現(xiàn)P營養(yǎng)鹽是天津水上公園景觀湖的潛在限制因子。本研究表明與濃度、的季節(jié)變化趨勢一致,與、、呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01), 表明是影響奧奈達湖浮游植物生物量的重要營養(yǎng)鹽因素, 且與均是影響奧奈達湖營養(yǎng)狀態(tài)的關(guān)鍵因素; 同時湖泊中NO-N是水體浮游植物生長可利用的N源[19], 浮游植物生長過程中會吸收利用NO-N。張智淵等[20]研究發(fā)現(xiàn)NO-N是太湖浮游植物生長的限制因子。本研究中奧奈達湖水體中NO-N與、均呈極顯著負相關(guān)關(guān)系(P<0.01), 因此,NO-N也是影響奧奈達湖營養(yǎng)狀態(tài)的關(guān)鍵因素。

表2 斑馬貽貝和斑驢貽貝入侵前后Chl a、SD、TSI年均值

湖泊中浮游植物的大量增加會增加光的衰減, 降低水體透明度。透明度是評價水體富營養(yǎng)化的一個重要指標, 透明度的下降會導致水質(zhì)惡化, 加速湖泊富營養(yǎng)化[21]。梁麗娥等[22]發(fā)現(xiàn)是呼倫湖富營養(yǎng)化的主要表現(xiàn)指標。本研究顯示奧奈達湖與呈極顯著負相關(guān)關(guān)系(P<0.01)(表1), 表明也是影響奧奈達湖營養(yǎng)狀態(tài)的關(guān)鍵因素。

溫度也是影響浮游植物生長的重要因素之一。適宜的可以促進浮游植物的生長繁殖[23]。本研究表明奧奈達湖濃度與呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)(表1), 表明的升高對浮游植物的生長起到了促進作用。水體的是反映水體生物生長狀況和污染狀態(tài)的重要指標[24]。梁麗娥等[22]發(fā)現(xiàn)呼倫湖是湖泊營養(yǎng)化的驅(qū)動因子,是水體營養(yǎng)狀態(tài)的主要表現(xiàn)指標, 然而在本研究中、與相關(guān)性較差。

除了水環(huán)境因子之外, 斑馬貽貝和斑驢貽貝可顯著影響淡水生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能[25]。它們對水體的影響包括浮游植物生物量、水體透明度、底層物理結(jié)構(gòu)改變、底棲藻類生物量等[26], 這些都可能影響水體的營養(yǎng)狀態(tài)。Rudstam等[27]發(fā)現(xiàn)奧奈達湖水體透明度的增加是由斑馬貽貝和斑驢貽貝的入侵造成的, 從而降低了其富營養(yǎng)化程度。Karatayev等[28]也發(fā)現(xiàn)斑馬貽貝和斑驢貽貝對河流和湖泊的水體透明度也有類似的變化。本研究表明斑馬貽貝和斑驢貽貝入侵之后,和均呈下降趨勢、相應的逐漸增加。說明斑馬貽貝和斑驢貽貝的入侵可能是奧奈達湖水體減少、增加和營養(yǎng)狀態(tài)降低的重要因素。

4 小結(jié)

(1)1975—2012年間奧奈達湖、、和NO-N呈下降趨勢, 下降幅度分別為2.6 μg· (L·10a)-1、1.5 μg·(L·10a)-1、0.3 mg·(L·10a)-1和4.0 μg·(L·10a)-1,和呈上升趨勢, 上升幅度分別為0.7 m·10a-1和0.5 ℃·10a-1,變化不明顯; 此外、、、和均具顯著的季節(jié)變化:5—6月份低, 之后升高, 9月份達最大后下降; 該趨勢與的變化一致; 相應的同一時期隨濃度的變化而呈反向變化。

(2)奧奈達湖的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)()呈持續(xù)下降趨勢, 年均值變化范圍為37.8—51.3, 平均42.5, 呈中營養(yǎng)狀態(tài),的月均值存在明顯季節(jié)變化, 其中5—6月份呈貧營養(yǎng)狀態(tài), 7—10月份呈中營養(yǎng)狀態(tài), 8—9月份營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)雖較高, 但仍處中營養(yǎng)狀態(tài)。同時、以及斑馬貽貝和斑驢貽貝的入侵等是影響奧奈達湖水體營養(yǎng)狀態(tài)的重要因素。

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Dynamics of trophic state in Oneida Lake and their corresponding influencing factors

GAO Shanshan1, ZHANG Shuguang1, LIU Yang1, Lars G. Rudstam2, MEI Xueying1,*

1. College of Resources and Environment, Anhui Agricultural University, Hefei 230036, P.R. China 2. Department of Natural Resources, Cornell University, Cornell University Biological Field Station, New York 13030, USA

Trophic state is one of the basic characteristics of lakes and is also key in understanding lake ecosystems dynamics. Based on the metrics of chlorophyll a (), total phosphorus () and secchi depth () for May-October 1975-2012, Carlson trophic state index method (TSIM) was used to calculate thes of Oneida Lake. The time trends of its trophic state were evaluated with the main influencing factors. The results showed that,,andNO-Ndecreased in 1975-2012, with decreasing rates of 2.6 μg·(L·10a)-1, 1.5 μg·(L·10a)-1, 0.3 mg·(L·10a)-1and 4.0 μg·(L·10a)-1, respectively.andshowed an increasing trend with rates of 0.7 m·10a-1and 0.5 ℃·10a-1, respectively. In addition,,,,andchanged significantly with season during 1975-2012. The comprehensiveof Oneida Lake decreased from 1975-2012, ranged from 37.8 to 51.3 indicating a mesotrophic state. The mean value ofalso changed seasonally and indicated an oligotrophic state from May to June during the spring clear water phase. This example shows thatcan be used to detect changes in a lake over time, but that thechanges with season that needs to be accounted for when using this index for long term trends. In addition,,and the invasion of zebra mussel () and quagga mussel () were the important factors influencing the trophic state of Oneida Lake. The results of this study may throw light on understanding the dynamics of trophic state in Oneida Lake.

Oneida Lake; trophic state; chlorophyll;

10.14108/j.cnki.1008-8873.2020.04.004

高珊珊, 張曙光, 劉陽, 等. 奧奈達(Oneida)湖營養(yǎng)狀態(tài)變化趨勢及影響因素[J]. 生態(tài)科學, 2020, 39(4): 26–32.

GAO Shanshan, ZHANG Shuguang, LIU Yang, et al. Dynamics of trophic state in Oneida Lake and their corresponding influencing factors[J]. Ecological Science, 2020, 39(4): 26–32.

X522S157.

A

1008-8873(2020)04-026-07

2019-12-18;

2020-01-27

安徽高校自然科學研究項目(KJ2017A161); 國家自然科學基金項目(41771100, 41811530056)和國家水體污染與治理科技重大專項(2017ZX07603-005)聯(lián)合資助.

高珊珊(1994—), 女, 山西臨汾人, 碩士研究生, 主要從事生態(tài)環(huán)境方面的研究, E-mail: g1142448389@163.com.

梅雪英, 女, 博士, 副教授, 主要從事生態(tài)環(huán)境方面的研究, E-mail: qxxmxy@163.com.