王金航 李京霖 江德霜 武會會 王曙光 林愛軍*

(1.北京化工大學 北京市環(huán)境污染控制與資源化工程研究中心， 北京 100029；2.北京市可持續(xù)發(fā)展科技促進中心， 北京 100035)

引 言

湖泊水體富營養(yǎng)化是我國面臨的主要水環(huán)境問題[1]。我國第二次湖泊現(xiàn)狀調查顯示，85.4%的湖泊達到富營養(yǎng)化標準，40.1%的湖泊達到嚴重富營養(yǎng)化標準[2]。隨著水體富營養(yǎng)化日益嚴重，湖泊水華現(xiàn)象頻繁發(fā)生，尤其在我國的滇池、太湖和巢湖最為嚴重。水華是由藻類、浮游動植物和細菌等爆發(fā)性繁殖或高度聚集而引起水體變色的現(xiàn)象[2]。在各類水華中，藍藻水華在淡水中占據優(yōu)勢，被公認是全球最嚴重的湖泊水環(huán)境問題之一。藍藻水華的爆發(fā)會導致水體缺氧、水質變壞，同時藍藻還會產生藍藻毒素，直接威脅湖泊水環(huán)境和人類健康[3]。

藍藻水華爆發(fā)的主要原因是水體富營養(yǎng)化，同時易受氣象、水文、人類活動等因素的影響。Dokulil等[4]認為營養(yǎng)物質濃度、水溫、光照等條件是影響藍藻優(yōu)勢形成的關鍵?？追毕璧萚5]提出了藍藻水華成因的“四階段理論”，探索了符合我國湖泊特征的藍藻水華爆發(fā)的規(guī)律和機制。徐瀟等[6]從水- 土- 氣- 生多角度研究了各環(huán)境因素對藍藻水華爆發(fā)機制的影響。目前，我國對藍藻水華爆發(fā)的研究多集中在單一研究區(qū)域，缺乏多維度的藍藻水華爆發(fā)規(guī)律的研究。

近年來，Meta分析作為一種統(tǒng)計方法，可通過匯總初步研究中的數據，得出比單一研究更可靠的綜合分析結果，避免單一研究的局限性[7]。該方法已廣泛應用于醫(yī)學領域，并逐步應用于土壤、水、大氣等環(huán)境科學領域[8-10]。徐曉曄等[11]通過Meta分析函數構建了我國水資源價值移位模型，揭示了我國地理空間格局的水資源價值的差異性。Khan等[12]通過Meta分析研究了印度河流域的氣候變化與流域水文的關系，為印度水供應不足制定策略。Erni-Cassola等[13]利用Meta分析揭示了海洋不同采樣區(qū)域中常見塑料聚合物相對豐度的總體趨勢，為海洋微塑料治理提供了依據。這些研究表明Meta分析可全面揭示水環(huán)境流域特征，為水環(huán)境保護和管理策略的制定提供支撐，但目前沒有使用Meta分析對流域環(huán)境水華的爆發(fā)規(guī)律進行研究的報道。Conley等[14]提出氮磷雙控是防治湖泊富營養(yǎng)化和藍藻水華爆發(fā)的關鍵，但磷是最主要的限制性養(yǎng)分。因此，本文從1989—2019年公開發(fā)表的相關研究中提取583對有效數據，利用Meta分析，以我國典型湖泊(太湖、巢湖、滇池、白洋淀和松花湖)為對象，研究了磷濃度對水質指標以及藍藻水華爆發(fā)的影響，為藍藻水華爆發(fā)的防治提供參考，對水環(huán)境保護具有一定的現(xiàn)實意義。

1 研究方法

1.1 文獻收集

利用中國知網(CNKI)、萬方和維普等國內期刊數據庫，以“藍藻爆發(fā)”、“富營養(yǎng)化”、“磷”和“湖泊”為關鍵詞，檢索1989—2019年發(fā)表的有關“我國湖泊水體磷濃度與藍藻水華爆發(fā)”的文獻，對其進行Meta分析。涉及湖泊包括太湖、巢湖、滇池、白洋淀和松花湖。為達到本研究的目的和減少篩選文獻帶來的偏差，制定以下6條文獻篩選標準：1)在我國湖泊進行的實驗性或監(jiān)測性研究須設有實驗組和對照組，并以最低磷濃度作為對照組；2)在研究過程中，同一項研究須控制水體環(huán)境、氣象條件、實驗時長一致；3)所測點位至少觀測一個月以上，并取其均值，避免短期及氣候條件等導致實驗誤差；4)至少包含一項以下參數：總磷(TP)含量、溶解氧(DO)含量、水體透明度(SD)、高錳酸鹽指數(CODMn)和葉綠素a(Chla)含量；5)對于報道同一個研究的重復文獻，只選擇其中一篇；6)相關指標參數須以均值表示，并包含標準差(標準誤或置信區(qū)間)和樣本容量，必要時可從圖表中提取相關數據?；谏鲜龊Y選標準，由最初的5 000余篇文獻，最終獲得15篇有效文獻(見表1)，并利用拉依達準則(3σ準則)剔除異常值后獲得583對有效數據。同時，數據的預處理結果顯示，失安全數為4.57×1011(P<0.1)，大于Hedges等[30]提出的參考限值5×1010，即文獻的發(fā)表偏倚很小，基于此數據的Meta分析結果穩(wěn)定。

表1 研究的4項指標及其篩選文獻Table 1 Four research indexes and their screened literatures

1.2 數據整理

對每篇文獻中湖泊的地理位置、氣候條件、TP含量、DO含量、SD、CODMn、Chla含量的觀測數據進行記錄，同時也包括對照組和實驗組的均值、標準差、樣本容量。對表格形式的數據直接進行提取，對圖片形式的數據使用Origin 2018軟件(OriginLab，Northampton，MA，USA)將其數字化。

為研究不同磷濃度下湖泊水質指標的變化及藍藻水華爆發(fā)的趨勢，將磷的質量濃度分為4類：0～0.1、0.1～0.2、0.2～0.3 mg/L及>0.3 mg/L。此外，有研究表明氣候因素對藍藻水華爆發(fā)有較大影響[4-5]。因此，根據我國藍藻水華爆發(fā)區(qū)域的主要氣候特征，將亞熱帶季風氣候地區(qū)(年均氣溫13～20 ℃)和溫帶季風氣候地區(qū)(年均氣溫11.7 ℃)設為亞組進行Meta分析。

1.3 數據分析

采用MetaWin 2.0軟件(Sinauer Associates Inc，Sunderland，MA，USA)中的隨機效應模型計算合并效應值及其95%置信區(qū)間。Meta分析的效應值可分析某一指標的實驗組相對于對照組的變化幅度，以反應比(r)的自然對數(lnr)為效應值(E)，其計算公式如下。

E=lnr=ln (XE/XC)=lnXE-lnXC

(1)

式中，XE和XC分別表示實驗組和對照組中研究指標的均值。若E=0，則說明磷濃度未引起實驗組與對照組之間的差異；若E>0，則說明磷濃度對所研究的指標參數產生正效應：若E<0，則說明磷濃度對所研究的指標參數產生負效應。

效應值方差(v)的計算公式如下。

(2)

式中，SE和SC分別表示實驗組和對照組中研究指標的標準差；NE和NC分別表示實驗組和對照組的樣本容量。為了得出實驗組相對于對照組的效應，對效應值均值進行加權處理，分析效應值及其95%置信區(qū)間(95% CI)。若效應值的95% CI與效應值的“0”點相交，則認為磷濃度對該指標的影響不顯著(P>0.05)；反之，影響效果顯著(P<0.05)。

湖泊水體中磷濃度變化后，水體各項指標的變化率通過以下公式[31]獲得。

D=(eE-1)×100%=(eln r-1)×100%

(3)

式中，D為實驗組相對于對照組的指標變化率。

采用Origin 2018軟件進行相關圖件的制作，使用SPSS 25.0軟件(IBM，Armonk，NY，USA)進行Pearson相關性分析，P<0.05為相關性顯著，P<0.01為相關性極顯著。

2 結果與討論

2.1 湖泊中水質指標對磷濃度的總體響應

湖泊中DO含量、SD、CODMn和Chla含量對磷濃度的總體響應如圖1所示。Meta分析結果表明，湖泊中磷濃度對SD產生負效應，其變化率為-38.57%；對CODMn和Chla含量產生正效應，其變化率分別為17.35%和97.76%。DO含量效應值的95%置信區(qū)間與效應值的“0”點相交，說明水體中磷濃度對其影響不顯著(P>0.05)。但是，水體中磷濃度對SD、CODMn和Chla含量的影響顯著(P<0.05)。

括號內的第一個數字表示樣本容量，第二個數字表示指標變化率。圖1 湖泊中DO含量、SD、CODMn和Chla含量對磷濃度的總體響應Fig.1 The overall response of DO content, SD, CODMn and Chla content to phosphorus concentration in lakes

太湖、巢湖、滇池、白洋淀和松花湖5個不同地區(qū)的湖泊中，水體中DO含量、SD、CODMn和Chla含量對磷濃度的響應如表2所示，從表2中可以看出5個湖泊中DO含量對磷濃度的響應均不顯著(P>0.05)。在上述湖泊(不包含滇池)中磷濃度對SD均產生負效應，且效果顯著(P<0.05)，說明磷濃度升高會顯著降低水體透明度。5個湖泊中僅太湖中磷濃度對CODMn的效應顯著，產生正效應，而對其他湖泊的效果均不顯著。這可能是由于對太湖的相關研究主要集中在2007—2011年，正值2007年太湖藍藻污染事件，湖泊整體水質較差，因此CODMn效應顯著高于其他湖泊[32]。在Chla含量對磷濃度的響應方面，磷濃度對湖泊中Chla含量產生顯著的正效應，說明磷濃度升高是導致藍藻水華爆發(fā)的關鍵因素[2]。

表2 我國典型湖泊中DO含量、SD、CODMn和Chla含量對磷濃度的響應Table 2 Response of DO content, SD, CODMn and Chla content to phosphorus concentration of typical lakes in China

2.2 湖泊中磷濃度對水體指標的影響

湖泊中磷濃度是影響水體富營養(yǎng)化程度及藍藻水華爆發(fā)的主要因素，此外，溫度、光照時間、水利條件、風速和風向等自然因素也是影響湖泊藍藻水華爆發(fā)的關鍵因素[2]。太湖、巢湖和滇池屬于亞熱帶季風氣候地區(qū)，白洋淀和松花湖屬于溫帶季風氣候地區(qū)，故在分析湖泊中磷濃度變化的同時，也根據湖泊的氣候特點對各指標進行對比分析，以明確不同氣候地區(qū)的湖泊中藍藻水華爆發(fā)的規(guī)律。

2.2.1DO含量

DO含量反映水體的污染程度，是影響水環(huán)境健康的重要因素[33]。湖泊中磷濃度對DO含量的影響如圖2所示?？梢钥闯?，在2種氣候條件下當磷的質量濃度為0～0.1 mg/L時磷濃度對DO含量產生正效應，這可能是由于適量的磷可為水生植物提供養(yǎng)分，促進光合作用，從而使DO含量增加。隨著磷濃度的升高，磷濃度對DO含量產生負效應。在磷的質量濃度為0.2～0.3 mg/L(亞熱帶季風氣候)和>0.3 mg/L(溫帶季風氣候)時負效應最大，DO含量變化率分別為-12.74%和-27.32%。浮游植物會通過光合作用產生氧氣，從而增加水體中DO含量，但其呼吸作用又會消耗氧氣[33]。隨著磷含量逐漸升高，浮游動物和藻類迅速繁殖，占據大量湖泊表層面積，下層浮游動物和藻類進行光合作用的強度減弱。此外藻類死亡分解也會消耗氧氣，當光合作用的產氧量小于呼吸作用和藻類分解的耗氧量時，水體DO含量下降，進而危害水生生物健康和水生態(tài)系統(tǒng)安全[2]。

括號內的第一個數字表示樣本容量，第二個數字表示DO含量變化率。圖2 磷濃度對DO含量的影響Fig.2 Effect of phosphorus concentration on DO content

在自然條件下，湖泊水體中的DO含量會處于一個相對穩(wěn)定的范圍，水溫是影響其變化的主要因素[34]。溫度的改變可以在很大程度上影響有機物的產生和積累，同時也會影響水體的氧動態(tài)和氮磷循環(huán)過程[35]。從圖2可以看出亞熱帶和溫帶季風氣候地區(qū)的湖泊中DO含量隨磷濃度變化的趨勢相似。在磷的質量濃度為0～0.1 mg/L時，磷濃度對亞熱帶季風氣候地區(qū)DO含量的正效應顯著(P<0.05)，而對溫帶季風氣候地區(qū)的正效應不顯著(P>0.05)。這可能是由于亞熱帶季風氣候地區(qū)的光照強度和水溫較高，有利于水生植物的光合作用，從而導致水體DO含量升高[33]。

2.2.2SD

SD是反映水體渾濁程度的重要參數，在研究水環(huán)境變化和水體富營養(yǎng)化等方面都具有重要意義[36]。磷濃度對SD的影響如圖3所示，磷在不同濃度下均會對SD產生顯著負效應(P<0.05)，且隨磷濃度的升高負效應先增大后減小。在2種氣候條件下，當磷的質量濃度為0.1～0.2 mg/L時磷濃度對SD的負效應最明顯，SD變化率分別為-42.59%(亞熱帶季風氣候)和-57.33%(溫帶季風氣候)。Chang等[36]構建了水體透明度評價體系，指出SD受懸浮顆粒物和Chla的影響最大。磷濃度的增加會導致藻類加速生長，產生大量Chla，降低水體透明度。但藻類植物的生長在一定程度上可以起到凈化水體的作用，Brune等[37]提出菌藻共生體系可通過藻類光合作用和好氧菌代謝，對水體進行凈化，同時藻類和菌株還會吸附水中的懸浮顆粒物，改善水體透明度。因此，在磷濃度增加時，負效應不會持續(xù)降低，而是呈現(xiàn)輕微的反彈趨勢。

括號內的第一個數字表示樣本容量，第二個數字表示SD變化率。圖3 磷濃度對SD的影響Fig.3 Effect of phosphorus concentration on SD

亞熱帶和溫帶季風氣候地區(qū)的湖泊所呈現(xiàn)的規(guī)律相似。在磷的質量濃度為0～0.1 mg/L和0.1～0.2 mg/L時，溫帶季風氣候地區(qū)的SD負效應明顯高于亞熱帶季風氣候地區(qū)。這樣的差異主要是由溫度、光照、降水量不同導致的，亞熱帶季風氣候地區(qū)的年均溫度較高，更利于浮游動物和藻類的繁殖，對水體的凈化效果更好，所以負效應較低。

2.2.3CODMn

CODMn是我國評價地表水質的一項重要指標，能在一定程度上反映地表水質量[38]。磷濃度對CODMn的影響如圖4所示，磷在不同濃度下對CODMn均產生正效應，在磷的質量濃度為0.2～0.3 mg/L(亞熱帶季風氣候)時CODMn變化率最大，為74.46%。CODMn增加是水體中有機物含量增加導致的，藻類和浮游動物的大量繁殖會使CODMn升高[39]。韓志萍等[40]發(fā)現(xiàn)湖泊中藍藻生物量與CODMn呈正相關，且高峰期一致。其他相關研究[40-41]均發(fā)現(xiàn)CODMn對藍藻水華爆發(fā)有顯著影響，因此CODMn的管控是控制藍藻水華爆發(fā)的重要措施之一。

括號內的第一個數字表示樣本容量，第二個數字表示CODMn變化率。圖4 磷濃度對CODMn的影響Fig.4 Effect of phosphorus concentration on CODMn

2.2.4Chla含量

Chla含量作為浮游植物存量的表征指標[42]，可有效反映水體富營養(yǎng)化情況和藍藻水華爆發(fā)趨勢。例如，Aubriot等[43]利用遙感技術監(jiān)測Chla濃度，建立了藍藻水華爆發(fā)預警系統(tǒng)，為普拉塔河的藍藻水華爆發(fā)提供了阻控依據。磷濃度對Chla含量的影響如圖5所示，Chla含量對磷濃度的響應趨勢與CODMn基本相似。在亞熱帶季風氣候條件下，隨磷濃度的增加正效應逐漸增大，在磷的質量濃度>0.3 mg/L時效應值最大，Chla含量變化率為326.99%。在溫帶季風氣候條件下，在磷的質量濃度為0.1～0.2 mg/L時正效應最大，Chla含量變化率為154.77%。

括號內的第一個數字表示樣本容量，第二個數字表示Chla含量變化率。圖5 磷濃度對Chla含量的影響Fig.5 Effect of phosphorus concentration on Chla content

在不同氣候地區(qū)，磷濃度對Chla含量均產生正效應，在磷的質量濃度為0～0.1 mg/L時，亞熱帶季風氣候地區(qū)的Chla含量變化率(86.60%)高于溫帶季風氣候地區(qū)(67.21%)，說明此時其發(fā)生水體富營養(yǎng)化的風險相對較高。不同氣候地區(qū)的水溫差異較大，水溫可直接影響浮游植物體內酶的活性，調控浮游植物的光合作用和呼吸代謝速率，進而影響湖泊中Chla的濃度[43]。

2.3 相關性分析

為了論證Meta分析的結果以及磷濃度與水體各指標之間的關系，對各指標間的相關性進行了分析，結果如表3所示。DO含量、SD、CODMn與TP含量呈現(xiàn)顯著或極顯著相關性，其中DO含量和SD與TP含量呈負相關，CODMn與TP含量呈正相關。水體中的營養(yǎng)物質是藍藻生長繁殖的物質基礎，營養(yǎng)物質含量決定著藍藻的繁殖速度，對水華的發(fā)生有至關重要的影響[2]。結果表明TP含量是影響湖泊水質指標的重要因素，限制湖泊中磷濃度是防治水體富營養(yǎng)化和維護湖泊水質的重要手段。

表3 我國典型湖泊的水質指標相關系數Table 3 Correlation coefficients of water quality indexes of typical lakes in China

但是相關性分析結果顯示TP含量與Chla含量的相關性不顯著，這與前文Meta分析中TP含量會顯著影響Chla含量的結論存在出入，其原因分析如下：1)本文選擇5個不同地區(qū)的湖泊進行相關性分析，不同湖泊間TP含量和Chla含量的關系可能受自然因素(水利條件、氣象條件等)和人為因素(實驗差異等)的影響，其間的相關性被破壞；在Meta分析中由于選用同一篇文獻的實驗組與對照組進行分析，可以排除一定的人為因素和自然因素的影響。2)研究變量的差異。Meta分析為實驗組與對照組間的對比分析，而相關性分析屬于TP含量和Chla含量間關系的分析，故會產生一定的差異。

3 結論

(1)湖泊中磷濃度對SD產生負效應，使SD降低38.57%；對DO含量、CODMn和Chla含量產生正效應，使其分別增加了1.39%、17.35%和97.76%，其中對DO含量的影響不顯著(P>0.05)。

(2)隨著湖泊中磷濃度的增加，各指標呈現(xiàn)不同的變化趨勢。磷濃度對DO含量的正效應逐漸轉變?yōu)樨撔?，在磷的質量濃度為0.2～0.3 mg/L(亞熱帶季風氣候)和>0.3 mg/L(溫帶季風氣候)時對DO含量的負效應最大；對SD的負效應隨磷濃度的升高先增大后略微減小，在磷的質量濃度為0.1～0.2 mg/L時負效應最大；CODMn和Chla含量對磷濃度的響應趨勢基本相似，在亞熱帶季風氣候條件下，磷的質量濃度分別在0.2～0.3 mg/L和>0.3 mg/L時正效應最大。

(3)在不同氣候條件下，在磷濃度變化時湖泊的水質和藍藻爆發(fā)情況不盡相同。在磷的質量濃度為0～0.1 mg/L時亞熱帶季風氣候地區(qū)湖泊的DO含量、CODMn和Chla含量對磷濃度的響應程度高于溫帶季風氣候地區(qū)，更易受磷濃度的影響，藍藻水華爆發(fā)的風險相對較高。

在不同湖泊中，藍藻水華的影響因素間交叉和組合的作用是不同的，因此，不同水體藍藻水華爆發(fā)的原因和機制可能有所不同。在下一步的研究中建議采用網狀Meta分析，進行多因素的混合效應研究。同時，在討論特定水體的藍藻水華狀況時，有必要結合當地實際情況對其進行詳細分析。