1 引言

　　受高含鹽土壤和地下水的影響，濱海地區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部分地表水體實地調研發現，區域內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部分混鹽水體水質監測，并結合其它文獻顯示，這些混鹽水體也面臨著富營養化趨勢加劇及由此帶來的水華問題，秋季富營養化尤為嚴重，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律各不相同，這使得混鹽水體富營養化具有自身獨特的特征與規律.目前，水體富營養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化問題的研究相對較少，這使得混鹽水體富營養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化問題進行專門研究.

　　富營養化發生的原因比較復雜，是眾多因素長期共同作用的結果，除N、P等營養鹽因子外，還包括氣象、水文、水質等環境因子.在混鹽水體富營養化問題研究中，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化的驅動規律，有助于更好地理解富營養化的原因，對于預測富營養化趨勢及水華產生，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計學方法，對清凈湖富營養化主要影響因子進行識別，進一步通過藻類生長模擬實驗，對營養鹽和鹽度進行量化分析，以期為濱海地區混鹽水體富營養化防治提供參考.

　　2 材料與方法

　　2.1 研究區概況

　　清凈湖位于天津濱海地區中新生態城內，范圍為東經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，水體咸化和富營養化是清凈湖面臨的兩個主要水環境問題.

　　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月對清凈湖水質進行采樣測試分析(1、2月冰封期暫停監測)，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、礦化度和葉綠素a等12項水質指標.pH、水溫和溶解氧采用HACH-sensiON便攜式水質多參數測量儀于現場測定;光照強度采用希瑪As823手持照度儀現場測定;透明度采用Secchi盤法現場測定;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、礦化度和葉綠素a，測試方法參見《水和廢水監測分析方法(第四版)》.

圖1 水體采樣點示意圖

　　2.3 數據分析與處理

　　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、礦化度和葉綠素a等13項指標與清凈湖營養狀態關系密切的水質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統計軟件進行.富營養化評價采用綜合營養狀態指數法(TLI)，具體方法參見《湖泊(水庫)富營養化評價方法及分級技術規定》.

　　2.4 鹽度對藻類生長影響模擬實驗

　　以BG-11培養基配方配制藻類培養液，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箱中進行培養，溫度為25 ℃，光照強度3200 lx，光暗比12 h ∶ 12 h.

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圖2 藻種鑒定顯微圖(放大倍數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調節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 水質現狀分析

　　計算葉綠素a(Chl-a)、透明度(SD)、高錳酸鹽指數(CODMn)、總氮(TN)、總磷(TP)月平均值±標準差，結果見表 1.監測期間，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. 通過水質監測數據的統計分析發現，CODMn、TN和TP達到及超過Ⅴ類水質標準的數據所占比例分別為92%、70%和60%，藻類和有機物污染嚴重，春季水質相對較好，夏秋季較差.

表1 水質監測和富營養化評價結果

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　　根據《湖泊(水庫)富營養化評價方法及分級技術規定》(中國環境監測總站，總站生字[2001]090號)，采用綜合營養狀態指數法對清凈湖各月營養水平進行評價，結果見表 1.由表 1可知，清凈湖富營養化程度嚴重，春季為輕-中度富營養化，夏秋季節為重度富營養化，尤其是8—12月比較嚴重，9、10月常出現局部水華.實地調研發現，清凈湖為非連續流動的淺水混鹽水體，湖水水質受補水水源影響很大，春季補水主要來自水質較好的過境地表水，這是春季水質較好的主要原因;夏秋季補水水源為水質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組水環境監測數據，應用SPSS統計軟件Correlation analysis功能對數據進行相關分析，結果見表 2.經檢驗，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化的限制因子.

表2 葉綠素a與影響因子的相關系數

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　　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統計軟件Factor analysis功能(Varimax直角旋轉)對水環境監測數據進行因子分析，結果如表 3所示.旋轉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%，這樣就從多維數據中抽取了主要信息.

表3 因子的特征值、貢獻率及累積貢獻率

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　　為了放大各因子之間的差異，繼續采用方差最大化正交旋轉，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、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、透明度、照度.

表4 主成分載荷矩陣

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　　利用多元回歸分析法，對清凈湖富營養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、透明度、照度為自變量，在SPSS軟件中輸入變量的數據，采用Stepwise策略對自變量進行篩選，得到4個回歸方程(表 5)，4個模型系數經T檢驗(表 6)，發現均滿足統計學檢驗要求.

表5 多元逐步回歸模型

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表6 回歸模型T檢驗

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　　利用2014年5月至2014年12月的14組水環境監測數據對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出較大誤差，且出現預測值為負的情況，表明以高錳酸鹽指數因子為自變量，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.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，表明在清凈湖水環境監測指標中，總磷、礦化度對葉綠素a濃度影響最大.

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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，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，但逐漸成為優勢藻;C1組和C2組席藻和小球藻數量減少，銅綠微囊藻和卵囊藻生長緩慢，逐漸成為優勢藻.8～18 d，C3~C5組銅綠微囊藻快速生長增殖，成為絕對優勢藻，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，小球藻為優勢藻.由此可知，銅綠微囊藻對混鹽環境適應性較好，尤其在15000~25000 mg · L-1的鹽度環境下，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水華.因此，應繼續采取壓鹽洗鹽措施，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 污水處理技術資料或污水技術資料更多相關技術文檔。

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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，在混鹽環境條件下，氮磷比對藻類生長同樣有顯著影響，當氮磷比大于10 ∶ 1時，藻類增殖速率隨著氮磷比降低(磷濃度升高)而增加;當氮磷比小于10 ∶ 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.

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圖5 不同磷濃度下藻類生長曲線

　　4 結論

　　1)清凈湖富營養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(無磷培養液)，氮磷比為10 ∶ 1最適宜藻類生長.因此，清凈湖水體富營養化防治應以控磷除磷為主.