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1、第 29卷 第 2期2010年 3月环 境 化 学ENVIRONMENTAL CHEM ISTRYVo.l 29,No.2M arch 2010 2009年 3月 9日收稿.*国家自然科学基金项目(50569002,50669004);内蒙古自然科学基金重点项目(200711020604);内蒙古自治区水利厅重点支持项目(20080105);内蒙古自治区/十一五0 科技攻关资助项目.*通讯联系人,Te:l04714312304,E-mai:lnndlichangyou 1631com乌梁素海叶绿素 a与理化因子的统计分析*张晓晶1 李畅游*1*张 生1 史小红1 裴 云2(1 内蒙古农业大学,
2、水利与土木建筑工程学院,呼和浩特,010018;2 黄河水利委员会,宁蒙水文水资源局,包头,014030)摘 要 利用 2008年 6月)10月乌梁素海水体叶绿素 a浓度与环境理化因子的测定结果,分析了叶绿素 a的时空分布特征.运用分层聚类分析法将乌梁素海现有的 20个测点分成四类,找出各类测点及总测点中与叶绿素 a显著相关的理化因子,建立了多元逐步回归方程.2008年乌梁素海各测点叶绿素 a的平均值为6131mg#m-3,变幅 1154)26187 mg#m-3;夏季最高,秋季居中,春季最低,整个区域呈现较明显的东北高西南低的分布趋势.应用 SPSS统计分析软件进行相关分析的结果表明叶绿素
3、a与 BOD5、悬浮物、浊度、总磷都呈极显著相关,与透明度呈极显著负相关,与 pH 值和溶氧呈显著负相关.综合逐步回归方程表明,影响乌梁素海叶绿素 a的理化因子因不同类型的测点各有所不同,但主要的影响因子有浊度、悬浮物、总磷、总氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮.关键词 乌梁素海,叶绿素 a,理化因子,聚类分析,相关性分析,多元逐步回归.叶绿素 a(chl1a)是富营养化湖泊水体监测中的一个重要生物学参数,同时也是湖水理化性质动态变化的综合反映指标.叶绿素是藻类重要的组成成分之一,水体叶绿素 a起着中心传递体的作用,其浓度的大小是表征光能自养生物量的重要指标.叶绿素 a含量的分布变化受光辐照度、温度、透
4、明度和营养盐等因素的影响 1.因此,通过测定叶绿素 a含量能够在一定程度上反映水质状况.有关叶绿素 a与环境理化因子相关性研究已有人做了大量工作 2)8,但对于内流区蒙新高原湖区湖泊的研究甚少,而这些地区太阳辐射强,降雨稀少,蒸发强烈,干湿期差异大,高辐射等特有的气候特征必定会对湖中浮游植物及藻类的生长产生影响,从而使这些地区湖泊中叶绿素 a含量的时空变化呈现出不同的特性.乌梁素海位于内蒙古自治区巴彦淖尔市乌拉特前旗境内,是内蒙古河套灌区排灌水系的重要组成部分,处于黄河河套平原的末端,属黄河内蒙段最大的湖泊.湖区介于 40b36cN)41b03cN 和108b43c E)108b57c E,南
5、北长约 35)40km,东西宽约 5)10km,湖面平均高程为 101815m,湖泊容量为 215)3亿 m3,最大水深为 3m,平均水深约为 1m 9.乌梁素海的部分区域曾出现过水华,2008年8月爆发较大规模的蓝藻水华,近年来的水质监测表明乌梁素海全湖大部分地区处于富营养化水平,少部分地区处于重富营养状态 10,11.浮游植物在湖泊生态系统的物质循环和能量转化过程中起着重要作用,而水体叶绿素 a是评价浮游植物含量高低的重要指标.本文根据 2008年 6)10月对乌梁素海的监测资料,运用 Sufer810软件分析了叶绿素 a含量的时空分布情况,应用 SPSS统计分析软件,找出与叶绿素 a显著
6、相关的环境理化因子并求出叶绿素 a与相关水质因子的定量关系,探讨决定乌梁素海叶绿素 a变动的主导因子,为其富营养化治理提供科学依据.1 实验部分111 样品的采集 将乌梁素海在空间上以 2km 2km 的正方形网格剖分,利用网格的交点,以梅花形布置水样监测316 环 境 化 学29卷点.由于夏季水生植物生长茂盛,芦苇密集,部分区域几乎被水草所填满,有些取样点未能到达,叶绿素 a有连续监测数据的点共 20个,监测点位置利用 GPS定位,取样时间为每月中旬.112 测定方法 叶绿素 a的测定采用丙酮萃取分光光度计法.取 300m l水样用乙酸纤维滤膜过滤,低温干燥后加入 90%的丙酮溶液,充分研磨
7、,提取叶绿素 a.在 3000)4000 r#m in-1下离心后将上清液放在分光光度计上,用 1cm 光程的比色皿,分别读取 750n m、663n m、645nm、630nm 波长的吸光度,并以90%的丙酮作空白吸光度测定.用以下公式换算叶绿素 a浓度:chl1a(mg#m-3)=11164(D663-D750)-2116 (D645-D750)+011 (D630-D750)#V1V#D其中,V为过滤水样体积(l);D为吸光度;V1为提取定容后的体积(m l);D为比色皿光程(c m).水质指标的测定:水温(WT)由哈纳公司 H I9060型温度仪测定,pH值、溶解氧(DO)由德国生产的
8、 WTW 系列 Multi 340i型号的便携式手提多参数计现场测定,透明度(SD)用自制塞氏盘测定,浊度由哈纳公司 LP2000-11型的浊度仪测定;CODCr,BOD5,SS,TP,TN,NH3-N,NO3-N,NO2-N的测定采用 5水和废水监测分析方法 6 12的方法进行.113 统计分析 运用 SPSS1310软件中的聚类分析对 20个水质监测点进行分类,再对乌梁素海水体叶绿素 a与环境理化因子进行相关分析,建立多元逐步回归方程.聚类分析是直接比较各事物之间的性质,把性质相近的归为一类,差别较大的归入不同的类.以测点的叶绿素 a和与其相关性较高的理化因子作为变量,对乌梁素海的 20个
9、测点进行聚类分析,将变量特点相同的测点归为一类,即采用 Q型聚类 13,14.通过逐步回归分析可以筛选出与叶绿素 a相对重要的水质影响因子,建立最优多元回归方程,并可进行方程显著性检验.逐步回归的诊断依据:(1)方程的方差分析 F 值的显著水平 P 要小于等于0105,否则建立的回归方程不能使用,(2)各个回归系数的偏相关系数的显著水平最好也小于等于0105,(3)Durbin-W atson统计量 d是否接近于 2.2 结果与讨论211 叶绿素 a的时空变化 图 1为运用 Surfer810软件,采用克里金插值法,绘制了代表不同季节三个月份的叶绿素 a浓度等值线图.图 1 乌梁素海叶绿素 a
10、浓度(mg#m-3)等值线图Fig11 Isoline of chlorophyl-la 2008 年乌梁素海各监测点叶绿素 a 平均值为 6131mg#m-3,变幅 1154)26187mg#m-3.采样点叶绿素 a的含量呈明显的时间变化,8月叶绿素 a含量为高峰期,最高值达到 80141mg#m-3,10月居中,6月最低,均值为 1172 mg#m-3.8月各测点叶绿素 a的值基本均高于其它 2个月份,最高点在夏季达到了 23141 mg#m-3,主要原因是该点在 2008 年 8 月有大量蓝藻爆发 15.由 2期张晓晶等:乌梁素海叶绿素 a与理化因子的统计分析317 于北方特殊的气候条件
11、 6月水温还比较低,不适宜藻类和其它各种浮游植物生长,因此叶绿素 a含量在各测点普遍都很低且无明显变化.从空间分布上来看,乌梁素海叶绿素 a的含量具有一定的变异性.从接近湖心到湖的西南端叶绿素 a的含量偏低且变化幅度相对较小,其余各点叶绿素 a的含量相对较高,尤其是排干入湖处,最高点为 39197 mg#m-3,其原因主要是该点处于排干入湖点,N和 P等营养物质含量高.212 叶绿素 a与相关环境理化因子聚类分析 本文运用 SPSS软件中的分层聚类,以欧式距离平方作为距离测度方法,以组间连接方法进行聚类.从聚类图谱看出,在距离系数等于 5185时,可以将乌梁素海现有的 20个监测点聚为四大类,
12、第一类监测点处于排干入湖口,浊度较高,水质最差,第二类监测点处于从排干入湖的水刚经芦苇区净化后的明水域,第三类监测点处于芦苇区周围,第四类监测点处于被古河道隔开的乌梁素海的南部,水质明显转好.213 叶绿素 a与水体环境理化因子的关系分析 叶绿素 a含量的发展变化是湖水各理化因子变化的综合反映.根据上面聚类结果,以叶绿素 a为因变量、湖水理化因子为自变量,采用相关分析和逐步回归的数理统计方法对合并后的四类监测点进行分析,筛选出决定 2008年 6月)10月乌梁素海水体中叶绿素 a水平变化的主导因子.21311 叶绿素 a与环境理化因子的相关分析 乌梁素海四类监测点及全湖所有监测点的叶绿素 a与
13、环境理化因子的 Pearson相关系数及双尾检验结果见表 1.由表 1可知,在第一类监测点中,叶绿素 a含量与浊度呈极显著相关,与总磷呈显著相关;在第二类监测点中,叶绿素 a含量与各理化因子无显著相关性,只与透明度和浊度有相对较高的相关系数;在第三类监测点中,叶绿素 a含量与硝酸盐氮呈极显著相关,与水温呈显著相关;在第四类监测点中,叶绿素 a含量与亚硝酸盐氮和总磷呈极显著相关,与 p H 值呈极显著负相关,与总氮呈显著相关.表 1 乌梁素海各类监测点水体叶绿素 a与环境理化因子的相关系数及其检验结果Table 1 Correlation coefficients between chlorop
14、hyl-l a and so me environmental factors in varioustypes of sa mpling sites in LakeW uliangsuhai第一类监测点第二类监测点第三类监测点第四类监测点总监测点WT012200107201356*01045-01015pH-01096-0114701240-01445*-01204*DO01151-0108901169-01174-01201*CODCr-01159-01063010450106301047BOD5-0107201053-01111-0101501286*SD-0120801337-01045
15、-01182-01283*SS-0102301182-114101476*01304*浊度01544*012660104601390*01456*TP01396*0120701274-0105201304*TN-0125601139-0120001257-01074NO3-N01126010301461*-0104901139NO2-N-01006011620104101847*01105NH3-N0101201054-013090104601112注:*(P 0105)相关显著,*(P 0 101)相关极显著(双尾检验).综合 2008年乌梁素海的所有监测点的相关性分析结果表明,叶绿素 a与
16、 BOD5、悬浮物、浊度、总磷都呈极显著相关,与透明度呈极显著负相关,与 p H 值和溶氧呈显著负相关.湖水叶绿素 a与理化因子之间的关系不仅与营养物来源和消耗机理有关而且与样本数的组合和大小也有关,这些理化因子对叶绿素 a含量有着直接或间接的影响,但不同类型的测点各影响因子所起的作用不同.21312 叶绿素 a与环境理化因子的逐步回归分析318 环 境 化 学29卷 根据诊断依据,以叶绿素 a含量为因变量,采用逐步回归分析的方法对水体理化因子进行筛选,确立了乌梁素海四类测点和全湖总测点的叶绿素 a与入选环境因子的回归方程,其结果如下:(1)第一类监测点水体的叶绿素 a与环境理化因子经逐步回归
17、建立的方程只有浊度入选,方程为:chl 1a=21009+11663 浊度 (F=111786,R=01544,Df=21143,p=01002)(2)第二类监测点水体的叶绿素 a与环境理化因子经逐步回归后没有因子入选,因为 p 值超过了 0105,建立的方程没有意义.(3)第三类监测点水体的叶绿素 a与环境理化因子经逐步回归后有两个因子入选,即硝酸盐氮和总氮,建立的多元回归方程为:chl1a=81683+4171 NO3-N-11307 TN(F=61928,R=01544,Df=11978,p=01003)(4)第四类监测点水体的叶绿素 a与环境理化因子经逐步回归后有三个因子入选,即亚硝酸
18、盐氮、总磷和总氮,建立的多元回归方程为:chl1a=-11818+811518NO2-N+121844 TP+01332 TN(F=40105,R=01877,Df=2105,p=0)(5)2008年乌梁素海叶绿素 a与环境理化因子经逐步回归后有三个因子入选,即浊度、悬浮物和总氮,建立的多元回归方程为:chl1a=01591+11301 浊度+01086 SS-0198 TN(r(浊度),p=0;r(SS),p=01046;r(TN),p=0105;复相关系数 R=01521,F=111893,Df=11825,p=0)3 结论 乌梁素海叶绿素 a的分布具有较明显的时空变化特征.叶绿素 a的含
19、量夏季最高,秋季居中,春季最低,这主要与北方地区特殊的气候变化有关.空间上,位于被河道隔开的湖西南端叶绿素 a的含量普遍偏低且变幅不大,在排干入湖处最高.乌梁素海叶绿素 a与环境理化因子的相关系数都比较低(01015)01456),表明叶绿素 a含量变化是受多个因子共同影响.综合 2008年所有测点的相关性分析结果表明,叶绿素 a与 BOD5、悬浮物、浊度、总磷都呈极显著相关,与透明度呈极显著负相关,与 p H 值和溶氧呈显著负相关.乌梁素海叶绿素 a与理化因子的聚类分析和逐步回归分析表明,影响乌梁素海叶绿素 a的理化因子因不同类型的测点会各有不同,但主要的影响因子有浊度、悬浮物、总磷、总氮、
20、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮.参 考 文 献 1 翁笑艳,山仔水库叶绿素 a与环境因子的相关分析及富营养化评价 J 1 干旱环境监测,2006,20(2)B 73)78 2 王丽卿,张军毅,王旭晨等,淀山湖水体叶绿素 a与水质因子的多元分析 J 1 上海水产大学学报,2008,17(1)B 58)64 3 谢允田,魏民,吕军等,南湖叶绿素 a含量与湖水理化性质的多元分析 J 1 东北水利水电,1999(1)B 43)45 4 吕唤春,王飞儿,陈英旭等,千岛湖水体叶绿素 a与相关环境因子的多元分析 J 1 应用生态学报,2003,14(8)B 1347)1350 5 杨广利,韩爱民,洪泽湖富营养化与环境
21、理化因子间的关系 J 1 环境监测管理与技术,2003,15(2)B 17)20 6 刘冬燕,宋永昌,陈德辉,苏州河叶绿素 a动态特征及其与环境因子的关联分析 J 1 上海环境科学,2003,22(4)B 261)264 7 Huang W J,Analysis ofG reyM odels between LakeW aterEnvironmentalEssentialFactors and the Incidence ofChlorophy l-l a in Po Y ang-hu Lake China J 1 A ctaHydrobiologica Sinica,2001,25(4)B
22、416)418 8 Cui Y,i Correlation of Phytoplankton and Its Environmental Factors in Rushan Bay J 1 Chinese Journal of App lied Ecology,2000(6)B 925)938 9 武国正,李畅游,周龙伟等,乌梁素海浮游动物与底栖动物调查及水质评价 J 1 环境科学研究,2008,21(3)B 76)81 10 任春涛,李畅游,全占军等,基于 GIS的乌梁素海水体富营养化状况的模糊模式识别 J 1 环境科学研究,2007,20(3)B68)74 11 李畅游,刘廷玺,高瑞忠等,
23、乌梁素海富营养化主控因子年际变化分析及综合评价 J 1 水文,2004,24(3)B 14)17 2期张晓晶等:乌梁素海叶绿素 a与理化因子的统计分析319 12 国家环境保护总局,水和废水监测分析方法,第 4版M 1 北京:中国环境科学出版社,2002,248)370 13 宁龙梅,王学雷,朱明勇,聚类分析在江汉湖群典型湖泊分类中的应用 J 1 长江流域资源与环境,2007,16(1)B 118)122 14 章文波,陈红艳,实用统计分析及 SPSS M 1 北京:人民邮电出版社,2006,2 15 陈宇炜,太湖梅梁湾藻类及相关环境因子逐步回归统计和蓝藻水华的初步预测 J 1 湖泊科学,20
24、01,13(1)B 63)65STATISTICAL ANALYSIS BETWEEN CHLOROPHYLL-ACONCENTRATION AND PHYSICAL-CHEM ICAL FACTORSIN THE LAKE OFWULIANGSUHAIZHANG X iao-jing1 LI Chang-you1 ZHANG Sheng1 S H IX iao-hong1 PEI Yun2(1 College ofW aterConservancy and Civil Eng ineering InnerM ongolia AgriculturalUniversity,Huhhot,0100
25、18,China;2 N i meng Hydrology&W aterResources Survey Bureau ofYellow R iverM anagement Comm ittee,Baotou,014030,China)ABSTRACT The spatial and temporal distribution characteristics of chlorophyl-l a were analyzed based on themonthlymonitoring data in the lake ofWuliangsuhai from June to October of 2
26、0081 Twenty sampling sites of LakeW uliangsuhaiwere categoried into four groups by clustering method1 The multiple regression equation wasworked out according to the analytical results between chlorophyl-l a and the physica-l chem ical factors1 Theresults showed that the concentration of chlorophyl-
27、l a ranged from 1154 mg#m-3to 26187mg#m-3and w itham ean value of 61314 mg#m-31Peak chlorophyl-l a concentration occurred in the su mmer,them ediu m inthe autumn and the lowest in the spring1 The distribution trend in the whole water area showed a pattern ofdecreasing from the northeast to the south
28、west1 The statistical analysis results showed that chlorophyl-l a hadsignificantly positive correlation w ith BOD5,suspended substance,turbidity,total phosphate,significantlynegative positive correlation w ith transparency,negative correlation w ith p H,and dissolved oxygen.Althoughthe factors affec
29、ting chlorophyl-l a varied w ith sampling sites,the m ajor physica-l chem ical factors wereturbidity,suspended substance,total phosphate,total nitrogen,nitrate nitrogen and nitrite nitrogen1 Keywords:the lake ofW uliangsuha,ichlorophyl-l a,physica-l chem ical factors,correlation analysis,cluster analysis,multiple stepw ise regression.