云南石屏异龙湖水质变化分析及相关环境因子研究.docx

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云南石屏异龙湖水质变化分析及相关环境因子研究

《数量地理学》课程期末论文

题目：

云南石屏异龙湖水环境变化及藻类与环境因子关系

姓名：

黄助群

学号：

专业:

学院：

资源环境与地球科学学院

2014年2月

云南石屏异龙湖水质变化分析及相关环境因子研究

黄助群

（资环学院）

摘要：

通过采集异龙湖不同水深下的39种硅藻，来分析异龙湖淡水湖泊中硅藻的分布特征和水质变化，并且运用主成分分析（PCA），探讨异龙湖硅藻特征与主要环境因子之间的关系。

结果表明，PH值和营养盐是影响异龙湖硅藻分布特征的主要环境因子，验证了硅藻在监测水质方面的重要性。

关键词：

异龙湖硅藻环境因子主成分分析

异龙湖位于云南省石屏县境内，属珠江水系，其水量多靠降水补给，为雨源性湖泊，是云南省九大高原湖泊之一。

但是，由于近年来工农业的迅速发展及城市规模的扩大，异龙湖出现湖水富营养化的问题而成为人们关注的焦点，许多学者对异龙湖湖底泥和水体中的氮、磷等污染物的分布规律,沉水植被的分布变化,生物群落的历史演化及蓝藻的多样性和种群动态等进行报道，但对于异龙湖水体中的硅藻鲜有关注。

大量研究表明硅藻是水体中重要的初级生产者，对水环境因子变化的响应比较敏感，藻类植物已被广泛用来评价江河、湖泊等水质变化，经常被用来指示水环境状况,甚至作为水污染预警的辅助监测手段之一[1]。

硅藻是一种生活在有水或潮湿环境中的微体生物，因水体物理、化学及水动力条件的差异，其种类、数量及组合特征都会有所不同，导致水环境出现不同的酸碱性特征[2]。

故可通过湖对中硅藻的酸碱性特征来推断水环境的变化和特征，探讨异龙湖水体硅藻季节变化的规律、空间分布的特点及其与水环境和气候变化的关系，为研究异龙湖水体富营养化提供依据和对策。

一、区域概况

异龙湖被誉为石屏人民的母亲湖，多少年来，它养育着湖区十多万人。

它调节气候、工农业用水、防洪抗旱、水产养殖、提供海肥、风景旅游等多种功能。

自1952年以来，湖泊饱经沧桑，历经防水发电、打通青渔湾隧洞放水造田等不合理利用方式，湖水干涸，湖泊历尽了干涸—复水—富营养化的恶性渲化过程。

把湖泊作为纳污水体，是恶性渲化过程的一个显著特征。

1986年以来，湖面不断有死鱼发生，芦苇成片枯死，使湖泊和湖区的环境发生了变化，改变和影响了

原有良好的稳定的自然生态平衡，有机污染不断加剧，日趋富营养化。

图1异龙湖形状图

异龙湖呈东西向条带状，湖区内地势平坦，微向南倾斜，湖底海拔为1407.11米，湖泊水位变化基本与降雨量大小相等，最大湖面积39.07km2，水面积35.67km2，近十年蓄水量为0.15—1.07亿立方米，最大水深3.7米，集水面积326km2。

湖泊东岸浅滩为细砂底质，其他均为淤泥底质，淤泥厚约2m、呈灰黑色，含腐殖质较多并行大量螺类外壳，属湖有机沉淀物；异龙湖有大小入湖河流20条、主要有城河、城南河、城北河，入湖河流中除城河有常年流水外，其他均为季节河，出水河道在东端老洪山与回龙山之间的新街村，经长山谷汇入南盘江。

近年来，异龙湖湖水有机污染严重，水质仅达V类标准。

每年，36.35吨总磷、264.17吨总氮和1043.19吨化学耗氧量等污染物正以惊人的速度剥夺着“母亲湖”的美丽。

同时，湖泊沼泽化严重，湖面正逐渐缩小，已导致部分湖床露出水面，蓄水量锐减，水资源贫乏。

已形成近133公顷沼泽地，沼泽化程度位居九大高原湖泊之首。

异龙湖属重富营养型湖泊，据云南省水产研究所1983年测定：

湖水色变11—16，透明度70——300cm，PH6．8—10*o，溶解氧7．5—9毫米／升；主要离子含量：

氯、碳酸根、碳酸氢根、亚硝酸盐氮、氨氮、磷、硅酸盐、铁含量较高，湖中水草茂盛，沉水植物亮子限于菜、马来眼子菜、轮叶黑藻遍布全湖，水质污染下异龙湖藻类群落组成及生物多样性变化已经引起人们的广泛关注。

二、材料与方法

1．采样点设置

试验共设置了异龙湖中63个不同深度的种属样本，监测时间为1993年至2010年。

2.异龙湖的藻类样品的采集、处理和分析

本次试验共采集异龙湖中Achnanthes、Ampora、Caloneis、Cyclotella、Cymbella、Diploneis、Epithemia、Eunotia、Fragilaria、Gomphonema、Mastogloia、Melosira、Melosira、Navicula、Nitzschia、Pinnulariaspp.、

Rhopalodia、Synedraspp等共39种硅藻。

选取各样点的理化因子：

总氮（TN）、氨氮（NH3-N）、总磷（TP）、叶绿素A（CHLa）、溶解氧（DO）、化学需氧量（CODMn）、5日生化需氧量（BOD5）和透明度。

3.数据分析

本次试验利用C2软件对异龙湖收集到的硅藻种属数据进行PCA分析（主成分分析），利用grapher5、coreldraw12软件对环境数据进行标准化，绘图并对比来揭示硅藻种属与水质环境变化的对应关系。

三、分析与讨论

（一）异龙湖水质变化分析

1.评价水环境的几种因子

为更进一步的研究云南石屏异龙湖水环境的变化，需要收集影响水质的相关评价指标。

（1）总氮

总氮的定义是水中各种形态无机和有机氮的总量。

包括NO3-、NO2-和NH4+等无机氮和蛋白质、氨基酸和有机胺等有机氮，以每升水含氮毫克数计算。

常被用来表示水体受营养物质污染的程度。

水中的总氮含量是衡量水质的重要指标之一。

其测定有助于评价水体被污染和自净状况。

地表水中氮、磷物质超标时，微生物大量繁殖，浮游生物生长旺盛，出现富营养化状态。

（2）氨氮

氨氮是指水中以游离氨（NH3）和铵离子（NH4+）形式存在的氮。

动物性有机物的含氮量一般较植物性有机物为高。

水中氨氮含量增高时指以氨或铵离子形式存在的化合氨。

氨氮是水体中的营养素，可导致水富营养化现象产生，是水体中的主要耗氧污染物，对鱼类及某些水生生物有毒害。

（3）总磷

总磷是水样经消解后将各种形态的磷转变成正磷酸盐后测定的结果，以每升水样含磷毫克数计量。

其主要来源为生活污水、化肥、有机磷农药及近代洗涤剂所用的磷酸盐增洁剂等。

磷酸盐会干扰水厂中的混凝过程。

水体中的磷是藻类生长需要的一种关键元素，过量磷是造成水体污秽异臭，使湖泊发生富营养化和海湾出现赤潮的主要原因。

（4）叶绿素A

目前，已有大量文献报道叶绿素A与水质因子间的复杂关系[3]。

水体中叶绿素a的浓度能够指示藻类的生长繁殖状况。

叶绿素A是反映藻类数量的重要指标，常被作为评价水体富营养化状况的主导因子。

叶绿素A含量的高低与该水体中藻类的种类、数量等密切相关。

（5）溶解氧

空气中的分子态氧溶解在水中称为溶解氧。

水中的溶解氧的含量与空气中氧的分压、水的温度都有密切关系。

在自然情况下，空气中的含氧量变动不大，故水温是主要的因素，水温愈低，水中溶解氧的含量愈高。

溶解于水中的分子态氧称为溶解氧，通常记作DO，用每升水里氧气的毫克数表示。

水中溶解氧的多少是衡量水体自净能力的一个指标。

溶解氧作为体现水质状况的指标之一，可通过呼吸作用影响浮游植物的生长繁殖，同时浮游植物的光合作用又可增加水体DO的含量。

（6）化学需氧量

化学需氧量（COD），是在一定的条件下，采用一定的强氧化剂处理水样时，所消耗的氧化剂量。

它是表示水中还原性物质多少的一个指标。

化学需氧量（COD）又往往作为衡量水中有机物质含量多少的指标，反映了水中受还原性物质污染的程度。

化学需氧量越大，说明水体受有机物的污染越严重。

（7）5日生化需氧量

BOD5是一种用微生物代谢作用所消耗的溶解氧量来间接表示水体被BOD检测仪器有机物污染程度的一个重要指标。

现在各国采用的培养时间都是5天，温度是20°C,参数称五日生化需氧量，用符号BOD5，20°C表示水中有机物等需氧污染物质含量的一个综合指标，它说明水中有机物出于微生物的生化作用进行氧化分解，使之无机化或气体化时所消耗水中溶解氧的总数量。

其值越高，说明水中有机污染物质越多，污染也就越严重。

（8）透明度

透明度即透光的程度，即水体清澈和光线透过的程度，是表示水的清澈情况，是水质评价指标之一。

影响湖水透明度的因素主要有太阳高度、悬浮物质和浮游生物。

太阳高度角越大，射入湖水中的光量越多，透明度越大；反之越小。

湖水中的悬浮物质和浮游生物越多，对光的散射和吸收越强，透明度就越小。

另外，入湖径流、风和季节变化对透明度也有一定影响。

透明度的日变，决定于悬浮物质和浮游生物的数量与迁移规律。

（9）PH值

水体的PH值是反映水体化学的一个重要指标，常被作为生态环境影响因素来考虑。

水体的PH值与藻类生命活动密切相关，PH的波动与藻类的光合作用有关。

在藻类繁盛的水体中，藻类的生长繁殖对水质的PH产生定量的影响，当藻类数量增加到一定数量级时，其数量的多少和生命活动的旺盛程度对PH起主导作用。

2.异龙湖几种环境因子相关数据

Age

TN

NH3-N

TP

chla

DO

CODMn

BOD5

1993

5.863333

0.426667

0.08

78.39

6.69

23.57667

10.17667

1994

5.253333

1.41

0.073333

86.52667

6.723333

21.09667

8.806667

1995

4.926667

0.163333

0.073333

93.61333

6.56

16.64333

7.6

1996

3.276667

0.85

0.076667

34.64667

5.943333

12.27

4.3

1998

2.012778

0.461667

0.054556

20.56111

6.326111

7.306111

3.297222

1999

2.131667

0.177222

0.055778

23.33333

5.731667

11.29722

3.172778

2000

2.593333

0.079444

0.039056

26.42778

5.393333

8.885556

3.246111

2001

2.502222

0.117778

0.045778

41.86111

5.693333

11.075

3.981667

2002

2.000556

0.175

0.037222

25.01667

5.147778

9.711667

3.39

2003

2.569667

0.112667

0.051167

47.94

4.795

12.676

4.872

2004

1.715833

0.226667

0.032083

13.63056

5.087222

9.067222

2.438889

2005

1.798889

0.075833

0.045194

17.425

5.962778

9.363333

2.881111

2006

2.778611

0.219444

0.069833

33.61667

4.5725

12.1625

4.055

2007

2.645

0.347778

0.104694

45.31944

5.431667

10.74306

4.991389

2008

2.064722

0.328611

0.046694

28.38861

5.856944

9.375278

2.829722

2009

3.993333

0.258611

0.104833

148.2872

7.395833

17.01111

10.98222

2010

5.9525

0.444722

0.148028

179.46

6.538333

27.47528

14.84556

3.分析结果

通过利用Grapher5软件，统计出异龙湖自1993年至2010年间总氮、氨氮、总磷、叶绿素A、溶解氧、化学需氧量、5日生化需氧量、透明度、PH值变化趋势，来分析异龙湖湖水水质变化规律。

结果如图2：

图2：

:

1993年至2010年异龙湖各环境因子变化趋势

从图中我们可以看出，总氮（TN）、氨氮（NH3-N）、总磷（TP）、叶绿素A（CHLa）、溶解氧（DO）、化学需氧量（CODMn）、5日生化需氧量（BOD5）线几乎呈正相关的发展趋势,各环境因子存在密切的关系，是影响湖水水质环境的重要影响因子。

尤其是2008年，各种环境因子指标均呈现大幅度的上升，说明湖水水质发生巨大的变化，出现较为严重的富营养化化问题。

（1）BOD5与CODMn曲线呈现同步变化的趋势。

自1993年至2008年以前，化学需氧量和5日生化需氧量均出现较为轻缓的下降，说明湖水水质环境出现转好的趋势，水质改善，湖水营养化问题得到缓解。

但是2008年，急剧上升，湖水水质出现较为严重的问题。

（2）总氮、总磷曲线呈现相似的正相关，变化趋于同步。

湖水中氮、磷含量自1993年一直处于下滑的状态，至1998年后开始出现小幅度的上升，说明湖水中氮、磷含量下降，原因可能是由于湖中大量的藻类植物生长，消耗了湖中大量的氮和磷；1998年至2008年，中途此起彼伏，湖水出现间歇性的改善；2008年以后，氮磷含量急剧上升，原因可能在于大量的工农业生活用水的排入，导致湖水水质的富营养化。

（3）叶绿素a与总磷、总氮的曲线较为相似。

从图中可以看书，三者呈近似的正相关关系。

氮、磷是水体浮游植物生长必不可少的物质基础，其含量变化可影响浮游植物的数量，而浮游植物的生长状况又可导致营养盐含量的变动[3]。

叶绿素a作为浮游植物存量的表征指标，与氮、磷含量的关系较为密切。

2004年，三者达到最低水平，湖中藻类可能大量生长和繁殖。

2008年以后，三者同步上升，湖水环境恶化。

（二）异龙湖藻类种属的PCA分析

PCA分析，即主成分分析，从统计学的角度来看是一种多元统计方法，将多个变量通过线性变换以选出较少的重要变量。

1.PH对硅藻生长的影响分析

根据采集到的异龙湖39种藻类，采用C2软件，进行统计学上的分析，并采用图的形式，利用PCA多元统计方法来分析异龙湖硅藻种属。

通过导入数据，得到数据的特征值。

从表中可以看出，第一轴和第二轴的特征值和为0.685，可以解释近70%的硅藻。

表1硅藻种属PCA分析后的特征值

因此，可以选取第一轴和第二轴，通过PCA分析，来分析异龙湖的藻类种属信息。

将原始图层导入到CorelDRAW12中，选取较为具有代表性的硅藻种属，并参考异龙湖硅藻生态表，见表2，如下：

图3异龙湖硅藻种属（Species）PCA分析图

Species

Inhabitation

Achnanthescrenulata

Achnanthesexigua

Al[1,6,7];In[6]

Achnantheslanceolatavar.elliptica

Al[1,2,4,6,7];In[5]

Achnantheslevanderi

Achnanthesspp.

Amporaovalisvar.libyica

Al[1,2,4,5,7];In[3,6]

Caloneisspp.

Cocconeisplacentula

Al[1,2,4,5,7];In[5]

Cyclotellameneghiniana

Al[1,2,6,7]

Cyclotellaspp.

Cyclotellastelligera

Ci[7]

Cymbellacymbiformis

Al[2,4,6,7]

Cymbellahustedii

Al[1,7]

Cymbellaventricosa

Ci[1,7];In[3,4,5,6]

Diploneisovalis

Al[1,2,5,6,7];In[3,4,6]

Epithemiasorex

Al[1,2,3,4,6,7]

Epithemiaspp.

Epithemiazebra

Al[1,2,4,5,6,7]

Eunotiapectinalisvar.minor

Ac[1,2,7];In[3,4]

Eunotiaspp.

Fragilariaconstruens

Al[1,2,3,4,5,6,7]

Fragilariaconstruensvar.venter

Al[1,6,7]

Fragilariainflata

Al[2,7]

Fragilariaspp.

Gomphonemaexiguum

Al[2]

Gomphonemagracilis

Al[1,2,3,4,6,7];In[5]

Mastogloiaelliptica

Al[6,7]

Melosiragranulata

Al[1,5,6,7]

Melosiragranulatavar.angustissima

Al[1,7]

Melosiraislandica

Al[1,7]

Melosiraspp.

Naviculamenisculus

Al[1,2,4,5,6,7]

Naviculaspp.

Naviculaviridula

Al[1,2,3,4,6,7]

Nitzschiadenticula

Al[1,2,3,4,7]

Nitzschiaspp.

Pinnulariaspp.

Rhopalodiagibba

Al[1,2,3,7]

Synedraspp.

表2异龙湖硅藻生态属性（PH）表

其中：

In:

Indifferent（广布）Al:

Alkaliphilous（碱性）Ci:

Circumneutral（中性）

Ac:

Acidophilous（酸性）

从图2并参考中可以看出，X轴正方向上Fragilariaconstruensvar.venter、Fragilariaconstruens、Mastogloiaelliptica、Achnantheslanceolatavar.elliptica硅藻均显示为碱性环境下的硅藻种类；X轴负方向上Cyclotellastelligera、Cymbellaventricosa、Eunotiapectinalisvar.minor则显示偏酸性。

因此，可以推断X轴代表硅藻生长环境的酸碱性。

大多数硅藻的最适PH值为7.8-8.2的微碱性环境，但不同种类之间的PH值的适宜范围也不同。

2.水质营养化程度对硅藻生长的影响分析

通过C2软件,将采集到的39种硅藻种类进行PCA分析,并选取了8种具有代表性的硅藻,来解释和说明营养化程度对硅藻生长的影响。

图4异龙湖硅藻种属（Species）PCA分析图

硅藻种属

硅藻生态

Naviculamenisculus

富营养

Achnantheslevanderi

Achnantheslanceolatavar.elliptica

Fragilariaconstruensvar.venter

贫营养

Cyclotellastelligera

Cymbellahustedii

Mastogloiaelliptica

Epithemiazebra

表3异龙湖营养化程度表

从上图4和表3可以看出贫营养种Fragilariaconstruensvar.venter位于Y轴正方向的极大值，Cyclotellastelligera、Cymbellahustedii、Epithemiazebra、Mastogloiaelliptica等贫营养种位于Y轴的正方向；富营养种Naviculamenisculus位于Y轴的极小值，Achnantheslevanderi、Achnantheslanceolatavar.elliptica等富营养种也位于Y轴的负方向。

因此，可以推断出Y轴为营养种对硅藻的影响，Y轴的负方向表明富营养化的生态环境，正方向表明生态环境富营养化程度低或贫营养化。

3.异龙湖不同水深对藻类生长的影响

不同深度的湖水，其PH值和营养化程度也发生着不同的变化，利用采集到的不同深度的63种硅藻种类，选取具有代表性的占位进行PCA分析。

图5异龙湖硅藻（Samples）PCA分析图

从图5中，我们可以发现：

水深在1-20m的样方藻类，主要分布在碱性到中性之间，营养化程度为贫营养到中营养；水深20-30m的样方藻类，主要分布在中性到碱性之间，营养化程度从中营养到富营养区间；水深31-44m的样方藻类，主要分布在中性到偏酸性之间，营养化程度从中营养到贫营养；水深45-54的样方藻类，水环境为中性到偏酸性，营养化程度为中营养到富营养；水深55-63m水环境PH为酸性，营养化程度处于贫营养状态。

因此，不同深度下，由于光照、温度、盐度、PH值的不同，水质环境出现较大的差异，湖水营养化程度和酸碱性不同下硅藻种类也不同。

四、结果

对于中国淡水湖泊而言，PH值是影响硅藻分布特征的主要环境变量，营养盐对硅藻的分布特征也有一定的影响。

硅藻对水环境变化非常敏感，硅藻属种及其组合特征在指示和监测营养变化、湖泊营养演化研究上具有很大的重要性[4]。

环境因子的变化会使硅藻的种类及组合发生相应的变化，从而可以用硅藻来监测环境。

综上所述，PH和营养化程度是影响硅藻种属分布的最大环境变量，异龙湖水体富营养程度也存在不同的分层现象，异龙湖水质整体富营养程度较高，污染较为严重。

同时，水体的营养化程度与硅藻的种类和数量、环境因子密切相关，环境因子对水质变化指示了方向，也为研究湖泊水质变化提供了科学依据。

【参考文献】

[1]章宗涉，莫珠成，戎克文.用藻类监测和评价图们江的水污染[J].水生生物学集刊.1983.8

（1）:

97-104

[2]黄玥，冉莉华，蒋辉，南海北部陆坡晚更新世末期硅藻及其古环境意义[J].海洋地质与第四纪地质，2006,26（4）：

8-9.

[3]吕学研，张文涛，吴时强，水华前后叶绿素a变化及其与质因子的关系[J].人民黄河.34

（2）.2012.2

[4]郜逗，胡晓兰，胡军等.兰州市银滩湿地硅藻群落演变及PCA相关分析[J].兰州大学学报自然科学版，2013，49

（1）：

44-49