摘要：葉綠素a濃度和藻細(xì)胞密度是表征藻類生物量的兩種不同方法。為了分析南水北調(diào)中線總干渠葉綠素a與藻密度的相關(guān)關(guān)系，在干渠內(nèi)（動(dòng)態(tài)條件）和干渠旁（靜態(tài)條件）設(shè)置斷面進(jìn)行了采樣，依據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析了葉綠素a和藻密度的變化情況及相關(guān)性。結(jié)果表明：動(dòng)態(tài)條件下，葉綠素a濃度與藻密度的變化趨勢(shì)基本一致，兩者之間具有顯著的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.88 ～0.90;單一優(yōu)勢(shì)藻種水體中葉綠素a濃度與藻密度存在顯著正相關(guān)性，r>0.95;優(yōu)勢(shì)藻種的更替變化會(huì)導(dǎo)致葉綠素a濃度與藻密度的相關(guān)性下降;動(dòng)態(tài)條件轉(zhuǎn)為靜態(tài)條件時(shí)，空間和水文要素發(fā)生變化，將導(dǎo)致藻種、藻密度及葉綠素a濃度發(fā)生變化，并影響藻密度和葉綠素a濃度之間的相關(guān)性。研究成果有利于有關(guān)部門掌握南水北調(diào)中線工程引水水質(zhì)的變化，可為沿線用水戶提供更好的服務(wù)。

關(guān)鍵詞：葉綠素a; 藻密度; 野外監(jiān)測(cè); 相關(guān)性分析; 南水北調(diào)中線

中圖法分類號(hào)：X52文獻(xiàn)標(biāo)志碼： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.02.012

水是基礎(chǔ)性自然資源，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要保證[1]。南水北調(diào)工程作為一項(xiàng)國(guó)家戰(zhàn)略性基礎(chǔ)工程，為解決我國(guó)南北方地區(qū)水資源分布不均，尤其是華北地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源短缺這一矛盾具有重大戰(zhàn)略意義。其中，中線工程承擔(dān)著為京、津、冀、豫4省市調(diào)水的任務(wù)，總干渠全長(zhǎng)1 432 km，跨越長(zhǎng)江、淮河、黃河、海河四大流域。

中線總干渠是一條人工開挖的渠道，通水時(shí)間較短，尚未建立起適應(yīng)干渠環(huán)境的成熟穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)。自2014年12月中線工程通水以來，總干渠出現(xiàn)了藻類異常增殖現(xiàn)象，2015年1～12月份的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明：總干渠藻密度為57萬至2 960萬cells/L，以針桿藻、小環(huán)藻等微型藻為主要優(yōu)勢(shì)種，在5月8日發(fā)生密度最高值的邯鄲永年縣侯莊斷面，為2 960萬cells/L;葉綠素最高值為7月6日的劉灣斷面，監(jiān)測(cè)值為34 μg/L，隨著通水時(shí)間延長(zhǎng)，2016年藻密度有明顯下降。大規(guī)模藻類增殖，影響水色感官，對(duì)總干渠沿線水廠的處理工藝造成沖擊，增加供水成本。該問題受到中線工程管理單位、沿線水廠和廣大公眾的普遍關(guān)注。因此，開展總干渠藻類指標(biāo)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)控藻類異常增殖現(xiàn)象的演變態(tài)勢(shì)，尤其是避免因發(fā)生“水華”而導(dǎo)致的供水中斷事故，顯得尤為重要。

通常而言，表征浮游植物生物量的指標(biāo)有葉綠素a濃度和藻密度兩種。藻密度是指單位水體中藻細(xì)胞的個(gè)數(shù)，該方法比較直觀，但檢測(cè)過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力。葉綠素a是藻細(xì)胞的重要組成部分，其濃度是指單位水體中葉綠素a的質(zhì)量，該方法是一種間接指示方法，隨著分光光度計(jì)法的發(fā)展，分析過程相對(duì)簡(jiǎn)單，也逐步成為水質(zhì)評(píng)價(jià)的一項(xiàng)指標(biāo)。葉綠素a含量的高低與水體中藻類的種類、數(shù)量等密切相關(guān)[3]。建立葉綠素a與藻密度之間的相關(guān)關(guān)系，是目前研究的熱點(diǎn)。于海燕等分析了微囊藻為優(yōu)勢(shì)種的藻密度與葉綠素a之間的關(guān)聯(lián)性，并得出直線回歸方程[4]。杜勝藍(lán)等采用室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)圍隔實(shí)驗(yàn)和天然水體監(jiān)測(cè)等方法分析了潘家口水庫葉綠素a和藻密度之間的相關(guān)關(guān)系[5]。季振剛等建立了葉綠素a與藻密度的換算關(guān)系式，并被用于水體富營(yíng)養(yǎng)化預(yù)測(cè)模型中[6]。

本文借助于2015年全年南水北調(diào)中線總干渠內(nèi)流動(dòng)水體和靜止水體中藻密度和葉綠素a濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用線性相關(guān)分析等手段，探討總干渠輸水過程中葉綠素a濃度和藻密度之間的相關(guān)性，為相關(guān)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證和防控總干渠水華風(fēng)險(xiǎn)提供技術(shù)支持。

1實(shí)驗(yàn)方法

1.1實(shí)驗(yàn)方案

試驗(yàn)方案分為動(dòng)態(tài)方案和靜態(tài)方案：

（1） 在總干渠輸水的動(dòng)態(tài)條件下，在總干渠內(nèi)選取4個(gè)具有代表性的水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面，定期對(duì)葉綠素a濃度和藻密度等指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)分析，研究動(dòng)態(tài)條件下葉綠素a濃度和藻密度等生物監(jiān)測(cè)指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)性，并篩選出一個(gè)斷面，詳細(xì)分析不同優(yōu)勢(shì)藻種的葉綠素a和藻密度之間的相關(guān)關(guān)系。

（2） 在試驗(yàn)室靜置水體的靜態(tài)條件下，在總干渠附近設(shè)置一個(gè)梯型斷面蓄水池，將總干渠的水引入池內(nèi)使其充滿，實(shí)驗(yàn)期間不進(jìn)行水體交換，研究靜態(tài)條件下葉綠素a濃度和藻密度等生物監(jiān)測(cè)指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)性。

1.2采樣方法

用于葉綠素a濃度分析的水樣，根據(jù)《水質(zhì) 葉綠素的測(cè)定 分光光度法》（SL88-2012）標(biāo)準(zhǔn)要求[7]，在各監(jiān)測(cè)斷面分別采集1 000 mL水樣保存于棕色玻璃瓶中，并加入1 mL 1%碳酸鎂懸濁液，以防止酸化引起葉綠素a溶解。樣品采集后立即送實(shí)驗(yàn)室用直徑為47 mm的0.7 μm玻璃纖維濾膜過濾，并將濾膜在-20 ℃以下的冰箱內(nèi)保存。

用于藻密度分析的水樣，根據(jù)《內(nèi)陸水域浮游植物監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程》（SL733-2016）要求[8]，用采水器在水面下0.5 m處采集水樣1 000 mL，并加人10～15 mL魯哥氏液充分搖勻固定后，送實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行觀測(cè)分析。

1.3監(jiān)測(cè)頻次

動(dòng)態(tài)方案條件下，3個(gè)斷面（斷面1、斷面2、斷面3）自2015年1月1日至12月29日，每周采樣監(jiān)測(cè)一次;另外一個(gè)斷面（斷面4）自5月24日至11月24日開展夏秋兩季監(jiān)測(cè)，每周采樣監(jiān)測(cè)一次。靜態(tài)方案條件下，自2015年8月20日至11月26日每周采樣監(jiān)測(cè)一次。

1.4樣品分析方法

（1） 葉綠素a分析方法。根據(jù)《水質(zhì) 葉綠素的測(cè)定 分光光度法》（SL88-2012）要求，取定量體積的混勻水樣進(jìn)行孔濾膜抽濾，抽濾時(shí)負(fù)壓不超過20 kPa，逐漸減壓，在水樣剛剛完全通過濾膜時(shí)結(jié)束抽濾。用濾紙吸干孔濾膜剩余水分;然后將過濾后的濾膜放入玻璃離心管中，并放入-40 ℃低溫冰箱中冷凍20 min，室溫中放置5 min;向離心管中加入10 mL 90%丙酮酸液，劇烈搖震;將離心管放入離心機(jī)中，以3 500 r/min的速度離心15 min。將離心后的上清液倒入1 cm比色皿中，以90%丙酮酸液做參比，分別在750，664，647，630 nm波長(zhǎng)處測(cè)定吸光度值。

（2） 藻密度分析方法。將樣品充分搖勻，用移液器汲取0.1 mL樣品，移入計(jì)數(shù)框內(nèi)。移入之前將蓋玻片斜蓋在計(jì)數(shù)框上，在計(jì)數(shù)框中一邊進(jìn)樣，另一邊出氣，避免氣泡產(chǎn)生，注滿后把蓋玻片移正。計(jì)數(shù)標(biāo)本片制成之后，稍等幾分鐘，讓浮游植物沉至框底，然后在40～600倍光學(xué)生物顯微鏡下計(jì)數(shù)。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1動(dòng)態(tài)條件下葉綠素a濃度與藻密度長(zhǎng)期變化分析

以3個(gè)斷面2015年全年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，繪制葉綠素a和藻密度隨時(shí)間的變化曲線，見圖1～3。

由圖1～3可以看出，在動(dòng)態(tài)條件下，各監(jiān)測(cè)斷面藻類密度及葉綠素a濃度變化趨勢(shì)基本一致。隨著溫度升高，葉綠素a濃度和藻密度均呈逐漸上升趨勢(shì)，在春夏季節(jié)交替時(shí)，出現(xiàn)一次快速上升期;進(jìn)入夏季后，葉綠素a濃度和藻密度雖略有上升，但基本保持穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)較大波動(dòng);在夏秋季節(jié)交替時(shí)，葉綠素a濃度和藻密度均快速升高，出現(xiàn)一次極值，達(dá)到全年最高值。此后，隨著溫度逐漸降低，葉綠素a濃度與藻密度也呈現(xiàn)不斷下降趨勢(shì)。

總體來看，動(dòng)態(tài)條件下，各監(jiān)測(cè)斷面水中葉綠素a濃度與藻密度的變化趨勢(shì)是一致的?？梢娙~綠素a濃度和藻密度兩個(gè)參數(shù)都可以用作“水華”預(yù)警的表征參數(shù)[9]。

2.2動(dòng)態(tài)條件下葉綠素a濃度與藻密度相關(guān)性

通過對(duì)不同斷面葉綠素a濃度和藻密度全年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可得其相關(guān)關(guān)系見圖4～6。

由回歸關(guān)系曲線可知，從全年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，總干渠內(nèi)不同監(jiān)測(cè)斷面的葉綠素a濃度與藻密度之間具有顯著的相關(guān)性。這是因?yàn)槟纤闭{(diào)總干渠通水時(shí)間較短，尚未形成完善的生態(tài)環(huán)境，水質(zhì)良好，營(yíng)養(yǎng)化程度低，生物多樣性較少，水體中優(yōu)勢(shì)藻種更替不太明顯，藻密度增加時(shí)葉綠素a濃度也同比例增加，因而藻密度與葉綠素a濃度間呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系。這與于海燕等[4]研究結(jié)果和杜勝藍(lán)等[5]對(duì)天然水體研究結(jié)果類似。

2.3動(dòng)態(tài)條件下不同優(yōu)勢(shì)藻種時(shí)葉綠素a濃度與藻密度相關(guān)性

優(yōu)勢(shì)藻種是藻類群落中最具代表性的種類，也是最能反映出水質(zhì)狀況的指標(biāo)之一[2]。根據(jù)斷面4的監(jiān)測(cè)結(jié)果，6月2日至7月28日優(yōu)勢(shì)藻種為脆桿藻，8月1日至11月24日優(yōu)勢(shì)藻種為舟形藻。分別對(duì)以上時(shí)段和全時(shí)段內(nèi)葉綠素a濃度和藻密度的相關(guān)性進(jìn)行回歸分析，見圖7～9。

由圖7和圖8可以看出，當(dāng)優(yōu)勢(shì)藻種穩(wěn)定單一，葉綠素a濃度與藻密度存在顯著正相關(guān)性。這與有關(guān)人員在天然水體中得到的研究結(jié)論相同[10]。但從整個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)間段分析，由于不同季節(jié)優(yōu)勢(shì)藻種的更替變化，導(dǎo)致葉綠素a濃度與藻密度的相關(guān)性下降，見圖9。因此，優(yōu)勢(shì)藻種的變化在一定程度上會(huì)影響葉綠素a濃度與藻密度的相關(guān)性。

2.4靜態(tài)條件下葉綠素a濃度與藻密度變化分析

對(duì)試驗(yàn)池內(nèi)（靜態(tài)條件下）葉綠素a濃度和藻密度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作圖，見圖10～11。

由圖10～11可知，當(dāng)流動(dòng)水體變?yōu)殪o止水體時(shí)，適應(yīng)于干渠內(nèi)流動(dòng)水體環(huán)境的藻類，在進(jìn)入試驗(yàn)池內(nèi)，由于空間和水文要素發(fā)生變化，大多數(shù)藻種無法適應(yīng)而死亡使得藻密度急劇下降。隨后各藻類進(jìn)入一個(gè)生長(zhǎng)調(diào)整期，在此階段，不同藻類競(jìng)相適應(yīng)新的環(huán)境。適應(yīng)環(huán)境的藻類數(shù)量不斷增加，但葉綠素a濃度的增加趨勢(shì)相對(duì)不太明顯，兩者之間相關(guān)性也相對(duì)較低。這可能是由于水體中藻種較多，沒有明顯優(yōu)勢(shì)種造成的。隨著溫度降低，藻密度和葉綠素a均明顯下降，并逐漸趨于穩(wěn)定。

3結(jié)論與建議

（1） 動(dòng)態(tài)條件下，總干渠內(nèi)各監(jiān)測(cè)斷面水體中葉綠素a濃度與藻密度的變化趨勢(shì)基本一致。葉綠素a濃度和藻密度兩個(gè)參數(shù)都可以用作“水華”預(yù)警的表征參數(shù)。

（2） 總干渠內(nèi)不同監(jiān)測(cè)斷面的葉綠素a濃度與藻密度之間具有顯著的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)大于0.8。

（3） 當(dāng)優(yōu)勢(shì)藻種穩(wěn)定單一，葉綠素a濃度與藻密度存在顯著正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)大于0.90。當(dāng)優(yōu)勢(shì)藻種發(fā)生更替變化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致葉綠素a濃度與藻密度的相關(guān)性下降。

（4） 由動(dòng)態(tài)條件轉(zhuǎn)為靜態(tài)條件，空間和水文要素發(fā)生變化會(huì)影響藻種、藻密度及葉綠素a濃度的變化，同時(shí)也會(huì)影響藻密度和葉綠素a濃度之間的相關(guān)性。

（5） 由于夏、秋季節(jié)藻密度和葉綠素a濃度較冬、春季節(jié)高，建議夏、秋季節(jié)加強(qiáng)藻類和葉綠素a等生物指標(biāo)監(jiān)測(cè)，冬、春季節(jié)可適當(dāng)降低監(jiān)測(cè)頻次。

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引用本文：田勇.南水北調(diào)中線總干渠葉綠素a與藻密度相關(guān)性研究[J].人民長(zhǎng)江，2019，50（2）：65-69.

Study on correlation of Chlorophyll-a and Algal density in main canal of Middle Route of South-to-North Water Diversion Project

TIAN Yong

（The Construction and Administration Bureau of South-to-North Water Diversion Middle Route Project， Beijing 100038， China）

Abstract： The Chlorophyll-a concentration and Algal density can represent biomass of algal. In order to study the correlation between Chlorophyll-a concentration and Algal density in the main canal of Middle Route Project of South-to-North Water Diversion， the monitoring cross-sections were set in the main canal （dynamic condition） and stilling pool （static condition） beside the canal. The variation condition and correlation of Chlorophyll-a and Algal density were studied according to the monitored data. The results showed that in dynamic condition， the variation tendencies of Chlorophyll-a concentration and Algal density showed significant ?correlation， correlation coefficients were 0.88～0.90; Chlorophyll-a and Algal in water containing with single dominant specie had significant positive correlation，r>0.95; the change of dominant algal resulted in the decrease of correlation between Chlorophyll-a concentration and algal density; when dynamic conditions changed to static conditions， the changing spatial and hydrological factors influenced the correlation between Chlorophyll-a concentration and Algal density. The study results will help the relative departments to understand the water quality variation of diverted water by Middle Route Project of South-to-North Water Diversion and supply better service for water users along the route.

Key words：Chlorophyll-a; algal density; field monitoring; correlation analysis; Middle Route of South-to North Water Diversion Project