1 引言
受高含鹽土壤和地下水的影響，濱海地區(qū)地表水體咸化問題普遍比較突出，混鹽水體(含鹽量500~30000 mg · L-1)眾多.通過對天津濱海地區(qū)部分地表水體實地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，區(qū)域內(nèi)地表水體普遍存在不同程度咸化，以封閉半封閉水體最為嚴重，清凈湖、渤龍湖等水體含鹽量常年在3000 mg · L-1以上，夏秋季局部水域有時可達15000 mg · L-1.通常認為高鹽度對藻類生長有抑制作用，但通過對天津濱海地區(qū)部分混鹽水體水質(zhì)監(jiān)測，并結合其它文獻顯示，這些混鹽水體也面臨著富營養(yǎng)化趨勢加劇及由此帶來的水華問題，秋季富營養(yǎng)化尤為嚴重，葉綠素水平常常達到100 μg · L-1以上.許多研究結果表明，不同鹽度范圍的水體中藻類生長規(guī)律各不相同，這使得混鹽水體富營養(yǎng)化具有自身獨特的特征與規(guī)律.目前，水體富營養(yǎng)化問題的研究多以淡水湖庫和海水為主，有關混鹽水體富營養(yǎng)化問題的研究相對較少，這使得混鹽水體富營養(yǎng)化與水華防治工作缺乏理論支持與科學指導，故有必要對混鹽水體富營養(yǎng)化問題進行專門研究.
富營養(yǎng)化發(fā)生的原因比較復雜，是眾多因素長期共同作用的結果，除N、P等營養(yǎng)鹽因子外，還包括氣象、水文、水質(zhì)等環(huán)境因子.在混鹽水體富營養(yǎng)化問題研究中，從眾多影響因子中識別主要的影響因子，掌握主因子對富營養(yǎng)化的驅(qū)動規(guī)律，有助于更好地理解富營養(yǎng)化的原因，對于預測富營養(yǎng)化趨勢及水華產(chǎn)生，進而采取有針對性的防控措施，具有十分重要的意義.因此，本研究以天津濱海地區(qū)典型混鹽水體清凈湖為研究對象，采用因子分析法、多元回歸分析法等統(tǒng)計學方法，對清凈湖富營養(yǎng)化主要影響因子進行識別，進一步通過藻類生長模擬實驗，對營養(yǎng)鹽和鹽度進行量化分析，以期為濱海地區(qū)混鹽水體富營養(yǎng)化防治提供參考.
2 材料與方法
2.1 研究區(qū)概況
清凈湖位于天津濱海地區(qū)中新生態(tài)城內(nèi)，范圍為東經(jīng)117°44′39″~117°45′40″、北緯39°8′38″~39°9′41″，距渤海海岸線不足4 km，水面面積2.58 km2，平均水深2 m.研究期間的水體礦化度在5100~8400 mg · L-1之間，屬典型混鹽水體.由于天津淡水資源嚴重缺乏，清凈湖補水主要來自雨水和過境水，潔凈淡水補給十分有限，水體咸化和富營養(yǎng)化是清凈湖面臨的兩個主要水環(huán)境問題.
2.2 采樣與測試方法
本研究在清凈湖設A1~A9共9個采樣點，具體如圖 1所示.于2013年5月至2014年12月對清凈湖水質(zhì)進行采樣測試分析(1、2月冰封期暫停監(jiān)測)，每月采樣2~4次，測試指標包括pH、水溫、照度、溶解氧、透明度、氨氮、總氮、正磷酸鹽、總磷、高錳酸鹽指數(shù)、礦化度和葉綠素a等12項水質(zhì)指標.pH、水溫和溶解氧采用HACH-sensiON便攜式水質(zhì)多參數(shù)測量儀于現(xiàn)場測定;光照強度采用希瑪As823手持照度儀現(xiàn)場測定;透明度采用Secchi盤法現(xiàn)場測定;水樣帶回實驗室測試分析，測試項目包括氨氮、總氮、正磷酸鹽、總磷、高錳酸鹽指數(shù)、礦化度和葉綠素a，測試方法參見《水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版)》.
圖1 水體采樣點示意圖
2.3 數(shù)據(jù)分析與處理
選取pH、水溫、照度、溶解氧、透明度、氨氮、總氮、正磷酸鹽、總磷、氮磷比、高錳酸鹽指數(shù)、礦化度和葉綠素a等13項指標與清凈湖營養(yǎng)狀態(tài)關系密切的水質(zhì)指標進行因子分析和多元回歸分析，因子分析和多元回歸分析均采用SPSS19.0統(tǒng)計軟件進行.富營養(yǎng)化評價采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法(TLI)，具體方法參見《湖泊(水庫)富營養(yǎng)化評價方法及分級技術規(guī)定》.
2.4 鹽度對藻類生長影響模擬實驗
以BG-11培養(yǎng)基配方配制藻類培養(yǎng)液，設計含鹽量(NaCl)為0 mg · L-1(C0組)、5000 mg · L-1(C1組)、10000 mg · L-1(C2組)、15000 mg · L-1(C3組)、20000 mg · L-1(C4組)、25000 mg · L-1(C5組)、30000 mg · L-1(C6組)7個鹽度水平.依照清凈湖藻類鑒定結果(圖 2)，按照2 ∶ 2 ∶ 1 ∶ 1的比例接種銅綠微囊藻(Microcystis aeruginosa)、小球藻(Chlorella)、席藻(Phormidium)和卵囊藻(Oocystis)，接入藻種后于光照培養(yǎng)箱中進行培養(yǎng)，溫度為25 ℃，光照強度3200 lx，光暗比12 h ∶ 12 h.
圖2 藻種鑒定顯微圖(放大倍數(shù)10×40)
2.5 磷對藻類生長影響模擬實驗
實驗用水取自清凈湖，經(jīng)0.45 μm濾膜抽濾處理，測定總氮含量為3.49 mg · L-1，總磷含量為0.07 mg · L-1，礦化度為6300 mg · L-1;在總氮水平保持不變的情況下，參考清凈湖實際磷含量范圍，用 KH2PO4調(diào)節(jié)實驗用水磷濃度分別為0.07 mg · L-1(原水P1組)、0.175 mg · L-1(P2組)、0.349 mg · L-1(P3組)、0.698 mg · L-1(P4組)，對應氮磷比分別為50 ∶ 1、20 ∶ 1、10 ∶ 1、5 ∶ 1，另配制無磷培養(yǎng)液作為對照組(P0組)，接種藻和實驗條件與鹽度影響模擬實驗相同.
3 結果與分析
3.1 水質(zhì)現(xiàn)狀分析
計算葉綠素a(Chl-a)、透明度(SD)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、總氮(TN)、總磷(TP)月平均值±標準差，結果見表 1.監(jiān)測期間，清凈湖礦化度均值變化范圍為5920~7877 mg · L-1，總氮為1.03~6.35 mg · L-1，總磷為0.05~0.30 mg · L-1，高錳酸鹽指數(shù)為9.37~36.81 mg · L-1，透明度為21~33 cm，葉綠素a濃度為15.73~127.9 μg · L-1. 通過水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，CODMn、TN和TP達到及超過Ⅴ類水質(zhì)標準的數(shù)據(jù)所占比例分別為92%、70%和60%，藻類和有機物污染嚴重，春季水質(zhì)相對較好，夏秋季較差.
表1 水質(zhì)監(jiān)測和富營養(yǎng)化評價結果
根據(jù)《湖泊(水庫)富營養(yǎng)化評價方法及分級技術規(guī)定》(中國環(huán)境監(jiān)測總站，總站生字[2001]090號)，采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法對清凈湖各月營養(yǎng)水平進行評價，結果見表 1.由表 1可知，清凈湖富營養(yǎng)化程度嚴重，春季為輕-中度富營養(yǎng)化，夏秋季節(jié)為重度富營養(yǎng)化，尤其是8—12月比較嚴重，9、10月常出現(xiàn)局部水華.實地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，清凈湖為非連續(xù)流動的淺水混鹽水體，湖水水質(zhì)受補水水源影響很大，春季補水主要來自水質(zhì)較好的過境地表水，這是春季水質(zhì)較好的主要原因;夏秋季補水水源為水質(zhì)較差的城市雨水徑流和再生水，氮磷及有機污染物輸入負荷高，氮磷營養(yǎng)鹽累積，這可能是造成藻類生長迅速的主要原因.
3.2 富營養(yǎng)化主要影響因子識別
選取2013年5月至2014年4月的37組水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，應用SPSS統(tǒng)計軟件Correlation analysis功能對數(shù)據(jù)進行相關分析，結果見表 2.經(jīng)檢驗，葉綠素a濃度與正磷酸鹽、總磷、氮磷比和礦化度的相關性顯著.其中，葉綠素a與礦化度呈負相關關系，表明隨著含鹽量增加，水中浮游植物生物量隨之降低;與正磷酸鹽、總磷呈正相關關系，與氮磷比呈負相關關系，且96%水樣的氮磷比大于10 ∶ 1，表明磷是清凈湖富營養(yǎng)化的限制因子.
表2 葉綠素a與影響因子的相關系數(shù)
雖然葉綠素a濃度與正磷酸鹽、總磷、氮磷比和礦化度顯著相關，如果直接用于回歸分析，可能帶來嚴重的信息缺失和共線性的問題，故進一步采用SPSS統(tǒng)計軟件Factor analysis功能(Varimax直角旋轉(zhuǎn))對水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)進行因子分析，結果如表 3所示.旋轉(zhuǎn)后第一個主成分的特征根為3.381，它解釋了總變異的26%;第二主成分特征值為2.688，解釋總變異的20.673%;第三主成分的特征根為1.947，它解釋了總變異的14.979%;第四主成分的特征根為1.359，它解釋了總變異的10.45%.抽取前4個因子作為分析對象(特征值大于1)，4個因子累積貢獻率大于72%，這樣就從多維數(shù)據(jù)中抽取了主要信息.
表3 因子的特征值、貢獻率及累積貢獻率
為了放大各因子之間的差異，繼續(xù)采用方差最大化正交旋轉(zhuǎn)，結果如表 4所示.葉綠素a、磷酸鹽、總磷、礦化度、氮磷比在第一主成分上因子載荷較大，但由于總磷和磷酸鹽間相關性極顯著，為避免產(chǎn)生共線性問題，故剔除磷酸鹽因子;pH、氨氮、總氮在第二主成分上因子載荷較大，而總氮和氨氮相關性極顯著，礦化度和pH極顯著相關，故剔除pH和氨氮因子;高錳酸鹽指數(shù)、透明度在第三主成分上因子載荷較大;照度在第四主成分上因子載荷較大.在避免因子信息缺失和共線性問題的基礎上，本研究初步識別清凈湖富營養(yǎng)化主要影響因子為：葉綠素a、總磷、礦化度、氮磷比、總氮、高錳酸鹽指數(shù)、透明度、照度.
表4 主成分載荷矩陣
利用多元回歸分析法，對清凈湖富營養(yǎng)化主要影響因子初步識別結果進行進一步篩選.以葉綠素a為因變量，總磷、礦化度、氮磷比、總氮、高錳酸鹽指數(shù)、透明度、照度為自變量，在SPSS軟件中輸入變量的數(shù)據(jù)，采用Stepwise策略對自變量進行篩選，得到4個回歸方程(表 5)，4個模型系數(shù)經(jīng)T檢驗(表 6)，發(fā)現(xiàn)均滿足統(tǒng)計學檢驗要求.
表5 多元逐步回歸模型
表6 回歸模型T檢驗
利用2014年5月至2014年12月的14組水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)對4個模型進行驗證，結果如圖 3所示.4個模型預測值與葉綠素a實測值比較，模型3預測相對誤差范圍為12.6%~184.3%，平均相對誤差為97.1%;模型4模擬相對誤差范圍為10.8%~217.9%，平均相對誤差為118.8%;模型3和模型4預測結果均明顯表現(xiàn)出較大誤差，且出現(xiàn)預測值為負的情況，表明以高錳酸鹽指數(shù)因子為自變量，大大降低了模型預測精度.模型1預測相對誤差范圍為2.9%~79.3%，平均相對誤差為37.2%;模型2預測相對誤差范圍為0.13%~47.5%，平均相對誤差為20.9%;模型1和模型2預測結果誤差相對較小，以模型2模擬精度為優(yōu).4個模型驗證結果表明，由總磷和礦化度為自變量的多元線性回歸模型(模型2)模擬精度最好，表明在清凈湖水環(huán)境監(jiān)測指標中，總磷、礦化度對葉綠素a濃度影響最大.
圖3 模型驗證分析結果
綜合相關分析、因子分析和多元回歸分析的結果，確定總磷和礦化度為清凈湖富營養(yǎng)化主要影響因子，水體中浮游植物生物量隨著總磷濃度升高而增加，隨礦化度升高而降低.
3.3 鹽度對藻類生長影響分析
鹽度對藻類生長影響模擬實驗結果如圖 4所示，實驗期間7種鹽度水平條件下，藻類生長速率呈：C3組>C4組>C5組 >C0組>C1組>C2組>C6組，藻類平均增殖速率分別為13.9×105 cells · mL-1 · d-1(C3組)、12.8×105 cells · mL-1 · d-1(C4組)、11.2×105 cells · mL-1 · d-1(C5組)、3.5×105 cells · mL-1 · d-1(C0組)、3.2×105 cells · mL-1 · d-1(C1組)、2.8×105 cells · mL-1 · d-1(C2組)、13.9×105 cells · mL-1 · d-1(C6組).由此可以推斷，在0~10000 mg · L-1鹽度范圍，藻類生長速率隨著鹽度增加而降低;當鹽度范圍上升至15000~25000 mg · L-1范圍，藻類快速生長增殖，其中，含鹽量為15000 mg · L-1條件下藻類增殖速率最快;當含鹽量達到30000 mg · L-1時，藻類生長又受到抑制.有研究表明，鹽度對藻類生長繁殖有較大影響，在適宜的鹽度范圍內(nèi)，可促進藻類的生長，當鹽度高于或低于藻類耐鹽的適宜范圍時，藻類的生長就會受到抑制，其生理原因還有待于進一步研究.根據(jù)觀察，接種藻后0~8 d，C3~C6組中小球藻、席藻和卵囊藻均大幅減少，銅綠微囊藻生長緩慢，但逐漸成為優(yōu)勢藻;C1組和C2組席藻和小球藻數(shù)量減少，銅綠微囊藻和卵囊藻生長緩慢，逐漸成為優(yōu)勢藻.8～18 d，C3~C5組銅綠微囊藻快速生長增殖，成為絕對優(yōu)勢藻，卵囊藻、小球藻和席藻均未檢出;C1組和C2組4種藻均生長緩慢，銅綠微囊藻為優(yōu)勢藻.C0對照組中4種藻均生長較慢，第10 d達到頂峰，而后有所下降，小球藻為優(yōu)勢藻.由此可知，銅綠微囊藻對混鹽環(huán)境適應性較好，尤其在15000~25000 mg · L-1的鹽度環(huán)境下，小球藻、席藻和卵囊藻生長均受到嚴重抑制甚至消亡，在缺乏藻種競爭的情況下，更易導致銅綠微囊藻快速增殖而爆發(fā)水華.因此，應繼續(xù)采取壓鹽洗鹽措施，降低清凈湖水體含鹽量，尤其將夏秋季水體含鹽量控制在10000 mg · L-1以下.具體參見污水寶商城資料或http://www.bnynw.com更多相關技術文檔。
圖4 不同鹽度下藻類生長曲線
3.4 磷對藻類生長影響分析
磷對藻類生長影響模擬實驗結果如圖 5所示，實驗期間5種磷濃度水平下，藻類平均生長速率呈P3組(10 ∶ 1，氮磷比)>P4組(5 ∶ 1)>P2組(20 ∶ 1)>P1組(50 ∶ 1)>P0組(無磷培養(yǎng)液)，藻類平均增殖速率分別為0.018×105 cells · mL-1 · d-1(無磷)、0.111×105 cells · mL-1 · d-1(TP=0.07 mg · L-1，N ∶ P=50 ∶ 1)、0.286×105 cells · mL-1 · d-1(TP=0.175 mg · L-1，N ∶ P=20 ∶ 1)、0.345×105 cells · mL-1 · d-1(TP=0.349 mg · L-1，N ∶ P=10 ∶ 1)、0.295×105 cells · mL-1 · d-1(TP=0.698 mg · L-1，N ∶ P=5 ∶ 1).實驗結果表明，在混鹽環(huán)境條件下，氮磷比對藻類生長同樣有顯著影響，當?shù)妆却笥?0 ∶ 1時，藻類增殖速率隨著氮磷比降低(磷濃度升高)而增加;當?shù)妆刃∮?0 ∶ 1時，藻類增殖速率隨著氮磷比降低(磷濃度升高)而降低.根據(jù)Liebig最小生長定律，藻類細胞組成的原子比率C ∶ N ∶ P=106 ∶ 16 ∶ 1，對應的原子質(zhì)量比為40 ∶ 7.2 ∶ 1，當N ∶ P>7.2時，磷就會成為藻類生長的潛在限制因子，反之當N ∶ P<7.2時，氮就是藻類生長的潛在限制因子，此規(guī)律一般適合湖泊水庫等淡水中浮游植物的生長.本實驗中氮磷比為10 ∶ 1最適宜藻類生長，符合Liebig最小生長定律.
圖5 不同磷濃度下藻類生長曲線
4 結論
1)清凈湖富營養(yǎng)化主要影響因子識別結果表明，總磷和礦化度是清凈湖藻類生長的主要影響因子，葉綠素a濃度與含鹽量呈顯著的負相關關系，與總磷呈正顯著相關關系，以總磷和礦化度為自變量的多元線性回歸模型對葉綠素a預測精度較好.因此，確定磷含量和礦化度為清凈湖混鹽水體富營養(yǎng)化的主控因子.
2)鹽度對藻類生長模擬實驗結果表明，鹽度對藻類的生長增殖有明顯影響，含鹽量為15000~25000 mg · L-1范圍適宜藻類生長，含鹽量為15000 mg · L-1時，藻類生長增殖速率最快.而當含鹽量小于10000 mg · L-1或大于30000 mg · L-1時，藻類生長緩慢，故應繼續(xù)采取洗鹽措施，控制清凈湖水體含鹽量在10000 mg · L-1以下，以降低水華爆發(fā)的風險.
3)磷含量對藻類生長影響模擬實驗結果表明，磷含量對混鹽水體藻類生長有顯著影響，隨著磷含量增加，藻類生長速率隨之加快.在氮含量不變的情況下，藻生長速率P3組(10 ∶ 1，氮磷比)>P4組(5 ∶ 1)>P2組(20 ∶ 1)>P1組(50 ∶ 1)>P0組(無磷培養(yǎng)液)，氮磷比為10 ∶ 1最適宜藻類生長.因此，清凈湖水體富營養(yǎng)化防治應以控磷除磷為主.
