溶解氧(dissolved oxygen，DO)是衡量河流、 水库等水体环境质量的重要指标之一，对于维持健康的水生生态系统有着重要的意义^{[1, 2, 3]}. 国内外相关文献表明水体中DO与水温、 浮游生物、 pH、 悬浮物浓度等多种因素相互制约^{[4, 5, 6, 7, 8, 9, 10]}. 因此，研究水体DO含量及其分布情况对水质保护与富营养化治理意义重大^{[11, 12]}.

国内关于DO的研究大多集中在长江、 河口以及近海域区域^{[8, 9, 13, 14]}，针对水库的研究也多集中于单一点位的分析^[11]. 千岛湖是我国大型人工深水湖泊之一，也是长三角战略饮用水源地. 关于千岛湖DO的监测研究已有一些报道^{[15, 16, 17]}，但得到的也只是特定水深的溶解氧浓度，系统性针对千岛湖DO时空分布规律的研究并不是很多，并且对其环境影响因素等也知之甚少. 因此，本研究通过对2011~2012年千岛湖6个站点溶解氧动态分布特征进行研究，着重探讨其垂直变化规律以及与水温、 叶绿素a浓度、 pH之间的相关关系，以期能更全面地掌握千岛湖DO变化规律及其对生物地球化学循环的动态影响，为水库环境管理与水体利用提供科学依据. 1 材料与方法 1.1 研究区域

千岛湖位于浙江省西北部(118°34′~119°15′E，29°22′~29°50′N)，地处钱塘江上游与安徽省交界处，是新安江大坝建成蓄水后形成的大型深水水库，流域属于亚热带季风气候，温暖湿润，雨量充沛; 水库正常水位在106~107 m，岸线总长度1406 km，共有大小入库支流30余条，而作为主要入库径流的新安江占入库地表径流总量的60%; 水库多年平均入库水量为94.10亿m³，多年平均出库水量为91.07亿m³，水面蒸发量约5.30亿m³; 平均水深约31 m^[18].

由于千岛湖为山谷型水库，呈现分枝状态，依据此生态特征，本研究共设置了6个采样点(图 1)：街口和小金山(西北区)、 航头岛(东北区)、 茅头尖(西南区)、 大坝前(东南区)、 三潭岛(湖心区). 采样时间为2011年1月~2012年12月的月初，茅头尖与航头岛采样频率为隔月采样(其中航头岛从2011年5月开始采样)，其他站点采样频率为每月一次.

图 1

Fig. 1

图 1 千岛湖采样点示意 Fig. 1 Sampling sites in Lake Qiandaohu

采用加拿大RBR公司的XRX-620型快速多参数水质剖面仪进行测定，主要得到DO、 水温、 叶绿素a(Chla)浓度及pH数据. 采样过程中，首先利用美国中西公司PON1-Ponoldepth-DDS型便携式超声波水深仪进行水深测定，之后将XRX-620仪器固定在船只的自动绞车上，以10 cm ·s^-1的速度匀速放入水中，仪器每隔2 s记录一个数据，并且自动存储于自带的存储器中. 与传统采样把原水带回实验室分析测定相比，XRX-620型快速多参数水质剖面仪具有采样速度快，实时记录数据，有助于了解不同季节各指标的垂向分层规律等优点.

使用Arcgis 9.3软件绘制千岛湖采样点示意图，使用美国GOLDEN软件公司的Surfer 8.0绘制等值线图，统计回归分析等采用SPSS16.0统计软件. 显著性水平设置为：①极其显著性相关，P<0.01; ②显著性相关,0.01<P<0.05; ③无显著性相关，P>0.05. 2 结果与讨论 2.1 DO垂直分布特征

从千岛湖2011~2012年DO的垂向分布来看，各站点呈现出明显的季节性差异(图 2). 总体来看，夏秋季表底层DO差大于冬春季节，尤其在夏季存在显著的突变层，即“氧跃层”. 从图 2可以看出，“氧跃层”的形成具有显著的空间差异.

图 2

Fig. 2

图 2 2011~2012年千岛湖6个站点溶解氧的垂直分布规律 Fig. 2 Vertical variations of DO in six sampling sites in Lake Qiandaohu during 2011 to 2012 (a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分别代表街口、小金山、三潭岛、大坝前、茅头尖和航头岛站点

对于水深较深的小金山、 三潭岛和大坝前，其DO的垂直分布呈现出相似的规律，春末夏初之时(5~6月)，DO开始呈现出显著的突变层. 为了更好说明这3个站点氧跃层的季节差异，选取了2012年2月(冬季)、 5月(春季)、 8月(夏季)以及11月(秋季)小金山、 三潭岛和大坝前的实时监测数据进行更深入的分析. 从图 3可以看出冬季，小金山和三潭岛DO无分层，两者平均DO值为(8.92±0.20)mg ·L^-1和(8.68±0.10)mg ·L^-1，而大坝前在水深26~32 m处有明显的溶氧突变层，DO从7.41 mg ·L^-1下降至3.19 mg ·L^-1，32 m以下水层DO趋于稳定，均值为[(2.79±0.24) mg ·L^-1]. 这与薛俊增等^[19]2004~2005年在千岛湖监测所得到的冬季大坝DO无显著分层的结果有所不同，2004~2005年冬季大坝前表底层DO差值仅为0.92 mg ·L^-1，而在2012年大坝前表底层DO差为5.65 mg ·L^-1. 春季，小金山、 三潭岛及大坝前这3个站点开始出现氧跃层，在水深10 m附近出现极小值，分别为9.39、 8.80、 8.95 mg ·L^-1，但之后DO呈现出缓慢增长的趋势. 3个站点在垂直分布上的平均DO值(>10 mg ·L^-1)比其他各季节高，而水体表底层无显著的DO差. 至夏季，太阳辐射不断增强，真光层内浮游植物大量繁殖，增氧作用超过耗氧作用，夏季DO的最大值出现在真光层，曾春芬等^[11]在天目湖也发现溶解氧最大值发生在水表层下、 中层上的位置. 从图 3中可以看出，夏季DO从最表层逐渐开始增大至次表层时形成了单高峰趋势(5~7 m)，小金山、 三潭岛和大坝前最大值分别达到11.59、 12.52、 10.96 mg ·L^-1. 当水深大于真光层后，如果混合层深度很大，即使真光层浮游植物光合作用很强，可能都很难抵消浮游植物群落在混合层的呼吸作用^[20]，由此水体氧气不断被消耗，形成显著的氧跃层，从图 3中可以看出大致位于水深7~15 m处. 而在图 2(b)、 2(c)中可以看出，小金山、 三潭岛的氧跃层变化存在显著的年际差异，2011年2个站点氧跃层出现的下降梯度在3~8 m之间. 然而3个站点DO降低到极小值后随着水深的增加又缓慢的不断增高，直至水深30 m附近处DO维持稳定呈现出随水深的变化略微呈下降的趋势，表底层DO差在2~3mg ·L^-1. 秋季，小金山、 三潭岛和大坝前在水深0~20 m处平均DO为(9.06±0.41)、 (9.14±0.25)和(7.30±0.10) mg ·L^-1，但DO随之出现突变层，随水深增加降至1 mg ·L^-1，表底层DO差在4~7 mg ·L^-1. 秋季，湖上层产生的有机物部分会沉降到湖下层，分解的过程中逐渐降低了下层水体DO的含量，而这一过程在深水湖泊的湖下层比较显著^[20].

图 3

Fig. 3

图 3 2012年小金山、三潭岛及大坝前不同季节溶解氧的垂直分布变化 Fig. 3 Vertical variations of DO in Xiaojinshan,Santandao,Dabaqian in different seasons in 2012

街口、 茅头尖以及航头岛分别位于千岛湖的西北、 西南以及东北区域，其水深较浅，DO在冬季以及初春无显著垂直分层[图 2(a)、 2(e)、 2(f)]，而在夏季出现明显的氧跃层，以2012年7月为例，茅头尖DO随着水深的增加快速升高，至水深5 m左右达到最大值12.5 mg ·L^-1，之后又快速下降，在水深14 m左右降至最小值5.14 mg ·L^-1，航头岛站点的变化趋势与其相同，而街口站点的DO没有随水深先增加的过程，从表层开始一直维持在高水平14~15 mg ·L^-1，直至水深15 m处DO发生突变，形成窄小的氧跃层.

根据DO的垂直分布特征，本文把水深分为如下层次：表层、 10 m、 20 m、 40 m，并分析探讨设定水深DO的时空分布特征. 从图 4中可以看出，大部分站点表层DO最大值出现在春季，如2011年街口、 小金山、 三潭岛以及大坝前DO最大值分别为13.87、 14.84、 12.97、 14.91 mg ·L^-1，2012年小金山、 三潭岛及大坝前DO最大值分别为12.82、 13.04、 10.91 mg ·L^-1. 表层溶解氧最小值大部分出现在秋季. 在上文中也讨论过春季是浮游植物开始大量繁殖的季节，尤其在表层适宜的光照条件和温度使得浮游植物进行光合作用释放大量的氧气，一部分逸散至大气中，而另一部分则溶解于水体，致使表层水体DO在春季时达到最高，而次高值大部分出现在夏季. 这与曾春芳等^[11]在天目湖监测得到夏季DO最低的结果所不同. 从年际变化来看，除小金山站点，各站点表层DO的年平均值2012年高于2011年，尤其街口站点，2012年表层DO年平均值为10.27 mg ·L^-1，是2011年表层DO年平均值的1.17倍.

分析水深10 m处的DO可得出以下规律：2011年千岛湖水体10 m处平均DO值春季>冬季>秋季>夏季，而2012年则为春季>秋季>冬季>夏季. 由此可得出在水深10 m处DO最小值出现在夏季，最大值出现在春季. 从年际变化来看，与表层DO变化规律相同. 从图 4中也能看出，冬季，水深20 m处DO值较大，2011年各站点平均DO值为10.09 mg ·L^-1，而夏季DO值仅为5.81 mg ·L^-1. 在上文中也讨论过千岛湖DO在冬季无显著垂向差异，而夏季温跃层显著，而且在表层藻类的大量繁殖，使得上下层水体交换受阻，由此夏季水体在中层DO较低. 街口、 茅头尖及航头岛由于水深较浅，故而不讨论水深在40 m处的DO变化. 从图 4(b)、 4(c)、 4(d)中可以看出，水深40 m处的DO值在夏季比20 m处DO值高，也可能是由于下层水体温度偏低，而使得水体溶解氧升高的缘故.

图 4

Fig. 4

图 4 2011~2012年千岛湖6个站点溶解氧在表层、10 m、20 m和40 m处的年际变化 Fig. 4 Temporal and spatial variations of dissolved oxygen at water surface, 10 m,20 m and 40 m at six sites during 2011 to 2012 in Lake Qiandaohu

根据溶解氧垂向分布特征，本研究选择不同季节[冬季(2月)、 春季(5月)、 夏季(8月)、 秋季(11月)]表层至水深20 m处的DO与水温、 pH、 Chla浓度进行相关性分析. 由于航头岛和茅头尖站点为隔月采样，缺失2月和8月数据，由此本研究选择了涵盖千岛湖上游至下游水域4个站点包括街口、 小金山、 三潭岛及大坝前数据进行分析，结果见表 1. 从中可知，夏季DO与水温存在显著性相关，但各站点相关系数有显著差异. 水深较浅的街口站点，2011、 2012年相关系数分别为0.52、 0.56(P<0.0001)，而对于水深较深的其余3个站点，DO与水温的相关系数范围为0.85~0.93(P<0.0001). 温跃层是湖面温水层和湖底静水层的过渡带，对于湖泊和水库的生态环境有着重要的影响^[21,22]，而千岛湖是典型的季节性温跃层^[23]. 夏季温跃层显著，温跃层与氧跃层出现在同一个水深位置，由此可说明在夏季，温度热力分层是影响DO的关键因素. 这一推断与曾春芬等^[11]在天目湖研究所得结果相同. Yin等^[6]在珠江口也发现DO与水温在夏季呈现显著正相关，而在冬季只有少数站点呈现显著相关. 冬季水温低，藻类生长缓慢，水温无显著垂向差异，DO的变化受水温影响较小. 图 5所示为千岛湖2011年大坝前、 街口站点夏季DO与水温的线性回归. 而对于春秋季而言，DO与水温的相关关系存在显著年际差异，从表 1中可以看出，2011年相关系数显著高于2012年.

表 1(Table 1)

表 1 不同年份不同季节DO与水温、 pH、 Chla浓度的相关性分析 Table 1 Correlation analysis between DO and water temperature,pH,Chla concentration in different years and different seasons 站点 季节 年份 水温 pH Chla r P r P r P 春季(5月) 2011 0.89 <0.0001 0.83 <0.0001 0.86 <0.0001 2012 0.15 0.16 0.07 0.498 0.04 0.720 夏季(8月) 2011 0.52 <0.0001 0.72 <0.0001 0.78 <0.0001 街口 2012 0.56 <0.0001 0.91 <0.0001 0.80 <0.0001 秋季(11月) 2011 0.70 <0.0001 0.69 <0.0001 0.45 <0.0001 2012 -0.44 <0.001 -0.50 <0.001 0.16 0.124 冬季(2月) 2011 0.33 <0.001 -0.97 <0.0001 0.15 0.209 2012 -0.81 <0.0001 -0.94 <0.0001 0.12 0.195 春季(5月) 2011 0.92 <0.0001 0.83 <0.0001 0.97 <0.0001 2012 0.34 <0.001 0.57 <0.0001 0.79 <0.0001 夏季(8月) 2011 0.86 <0.0001 0.82 <0.0001 0.89 <0.0001 小金山 2012 0.91 <0.0001 0.93 <0.0001 0.64 <0.0001 秋季(11月) 2011 nd nd nd nd nd nd 2012 0.89 <0.0001 0.68 <0.0001 -0.02 0.894 冬季(2月) 2011 -0.61 <0.0001 0.88 <0.0001 0.17 0.118 2012 0.79 <0.0001 0.79 <0.0001 -0.52 <0.0001 春季(5月) 2011 0.85 <0.0001 0.81 <0.0001 0.78 <0.0001 2012 -0.33 <0.01 0.37 <0.0001 -0.06 0.595 夏季(8月) 2011 0.91 <0.0001 0.92 <0.0001 0.79 <0.0001 三潭岛 2012 0.85 <0.0001 0.93 <0.0001 0.37 <0.0001 秋季(11月) 2011 0.86 <0.0001 0.79 <0.0001 0.84 <0.0001 2012 0.54 <0.0001 0.75 <0.0001 -0.12 0.263 冬季(2月) 2011 -0.71 <0.0001 0.79 <0.0001 0.05 0.677 2012 0.41 <0.0001 0.77 <0.0001 -0.33 <0.01 春季(5月) 2011 0.92 <0.0001 0.98 <0.0001 0.81 <0.0001 2012 0.96 <0.0001 0.94 <0.0001 0.80 <0.0001 夏季(8月) 2011 0.93 <0.0001 0.94 <0.0001 0.84 <0.0001 大坝前 2012 0.88 <0.0001 0.95 <0.0001 0.84 <0.0001 秋季(11月) 2011 0.97 <0.0001 0.27 <0.01 0.74 <0.0001 2012 0.72 <0.0001 0.65 <0.0001 -0.10 0.327 冬季(2月) 2011 0.42 <0.0001 0.01 0.93 -0.06 0.608 2012 0.81 <0.0001 0.92 <0.0001 -0.37 <0.0001

表 1 不同年份不同季节DO与水温、 pH、 Chla浓度的相关性分析 Table 1 Correlation analysis between DO and water temperature,pH,Chla concentration in different years and different seasons

图 5

Fig. 5

图 5 2011年夏季大坝前、街口DO与水温线性关系 Fig. 5 Linear relationships between DO and water temperature in Dabaqian and Jiekou in summer of 2011

除2012年街口外，其余站点在不同年份的春夏季节，DO与pH值呈显著性相关. 春夏季是水体浮游植物大量繁殖的季节，藻类进行光合作用，释放氧气的同时吸收二氧化碳，结果使得水中碳酸氢根大量积累，致使pH值升高. 有很多文献证实pH值与水中DO呈现显著线性相关^{[24, 25]}，pH对DO的影响是通过生化过程体现的^[26]. 而从图 6中也能直观看出，春夏季，DO与pH值呈现出显著的线性相关关系. 反观秋冬季节，DO与pH之间的相关性弱于春夏季节，有些站点两者的相关性几乎为零，如2011年冬季大坝前站点两者之间相关系数仅为0.01.

图 6

Fig. 6

图 6 2012年春季大坝前站点、夏季小金山站点DO与pH值线性关系 Fig. 6 Linear relationships between DO and pH in spring of Dabaqian and in summer of Jiekou in 2012

从表 1中可以看出，冬季，千岛湖各站点DO与Chla浓度之间无相关关系，春夏季大多站点两者相关性显著. 例如对2011年春夏季DO与Chla浓度进行回归分析发现，两者在不同站点不同季节呈现出不同的回归关系，结果如表 2所示. 位于千岛湖上游的街口站点以及位于下游的大坝站点，DO与Chla浓度呈现二次抛物线相关关系，罗冬莲^[26]认为这是产氧和耗氧矛盾运动的必然结果. 然而小金山与三潭岛站点，DO与Chla浓度呈现线性相关. 总体上来看，春夏季，水体中DO含量的变化与浮游植物光合作用有关.

通过对DO与水温、 pH、 Chla浓度相关性分析发现，水体DO含量变化是受多种因素共同影响. 首先，水温能直接影响水体DO含量，氧跃层的形成受到温跃层显著的影响; 其次，浮游植物在春夏季节大量繁殖，在水体真光层光合作用强烈，同时导致此层溶解氧含量增大，而消耗二氧化碳的同时又使得水体中pH值升高.

表 2(Table 2)

表 2 2011年春夏季千岛湖4个站点DO(x)与Chla浓度(y)的回归分析 Table 2 Regression analysis between DO(x) and Chla concentration(y) for four sampling sites in spring and summer of 2011 站点 5月 8月 回归方程 R2 P 回归方程 R2 P 街口 y=0.25x2-2.75x+7.73 0.77 <0.0001 y=0.12x2-1.45x+4.57 0.90 <0.0001 小金山 y=1.01x-9.21 0.94 <0.0001 y=0.90x-4.42 0.79 <0.0001 三潭岛 y=0.57x-0.86 0.63 <0.0001 y=0.47x-1.99 0.57 <0.0001 大坝前 y=0.45x2-11.11x+68.93 0.83 <0.0001 y=0.16x2-2.29x+8.52 0.85 <0.0001

表 2 2011年春夏季千岛湖4个站点DO(x)与Chla浓度(y)的回归分析 Table 2 Regression analysis between DO(x) and Chla concentration(y) for four sampling sites in spring and summer of 2011

3 结论

(1)千岛湖DO垂直分布存在显著的季节性差异. 夏秋季表底层DO差大于冬春季节，而在夏季，“氧跃层”的形成具有极其显著的空间差异. 除街口站点外，其余各站点夏季DO极大值出现在真光层. 冬季，除大坝前站点，DO无显著垂向差异.

(2)水体表层溶解氧最大值出现在春季，而最小值出现在秋季.

(3)夏季，温度热力分层是影响DO的关键因素，DO与水温在不同站点呈现出显著性线性相关. 春夏季，pH、 Chla浓度与DO的相关系数较高，主要与浮游植物光合作用有关.