高山深水湖泊，受人类直接污染少，水质相对较好，但随着全球变化及人类活动影响加剧，其富营养化程度呈加剧趋势，如抚仙湖由贫营养化状态向中营养化状态过渡^[1]，洱海由中营养化状态向富营养化状态转变^[2]. 叶绿素a(Chl-a)是浮游植物现存量的重要指标^{[3, 4]}，水体中Chl-a的含量及其动态变化反映了水体中藻类的丰度、 生物量及变化规律^{[5, 6]}，是评价湖泊富营养状态的重要指标. 因此，研究Chl-a在水体中的分布及与影响因子的关系，对分析和探讨湖泊富营养化具有重要意义.

我国湖泊数量众多、 分布广泛、 类型多样、 成因复杂，所以导致不同湖泊营养物水平、 富营养化的成因、 效应等存在区域差异性. 目前，对于高山深水湖泊富营养化的研究，主要为受人类活动影响较大地区的湖泊，如洱海^[7]、 红枫湖^[8]、 程海^[9]等，对偏远高山冷水湖泊的研究较少. 天山天池是“中国温带荒漠区博格达北麓生物圈保护区”的核心区域，同时也是下游绿洲和绿洲边缘荒漠水源的重要组成部分，对当地自然景观、 湿地和山地森林生态系统等有很大影响. 天山天池属于典型高山冷水湖泊，有研究认为天池目前处在中营养水平之下^[10]，也有研究认为天池已进入中度富营养化状态^[11]，但对天池Chl-a的时空变化及其水环境质量响应的系统研究没有涉及. 因此，本研究于2014年夏季(6~8月)对天山天池Chl-a及总氮(TN)、 总磷(TP)进行监测，分析环境因子(水体温度、 透明度、 电导率、 溶解氧、 pH值、 蓝绿藻细胞密度等)对Chl-a分布的影响，探讨了天山天池水体Chl-a夏季分布特征及水体富营养化状况，并对其成因进行了分析，以期为高山冷水湖泊的保护、 水体富营养化的预防等提供数据支持和理论支撑.

天山天池位于新疆阜康市境内，是天山山脉东段博格达峰北麓典型的冰蚀冰碛湖，是以高山湖泊为中心的自然风景区. 天池在天山北坡三工河上游，形状狭长，南北长3.5 km，东西宽0.8~1.5 km，总面积4.9 km²，湖面海拔1 910 m，最大深度105 m. 该地区年平均气温2.55℃，最高15.9℃(7月)，最低-12.4℃(1月)，年平均水温7.4℃. 冬季降雪期6~7个月，结冰期长达5个月，湖水冰层厚度达1 m以上，分丰水期和平水期，每年5~9月湖水上涨，10月至次年5月湖水下降，并且其活动水位在10~13 m.

在天池布置3个监测断面(HN、 HZ、 HB)，其中HN为入水口区域，HZ为池中心区域，HB为游客聚集区和出水区，每个断面3个监测点(图 1). 在2014年6月至2014年8月，每月中下旬，距表层0.5 m起，以1 m为间隔，进行天池采样和水质监测，每个深度重复3次，测定深度20 m.

图 1

Fig. 1

图 1 天池采样点布置示意 Fig. 1 Distribution of sampling sites in Tianchi Lake

本研究水温、 溶解氧、 pH值、 电导率、 Chl-a和蓝绿藻细胞密度，采用多参数水质分析仪(HACH Hydrolab DS5X，美国)现场连续监测. 同时，用深层取水器采集不同深度水样于250 mL聚乙烯瓶中，用低温保温箱带回实验室，4℃冰箱保存，在短期内完成TN和TP的测定. TN采用碳氮分析仪(analytikjena multi N/C 2100，德国)测定，TP用钼酸铵分光光度法进行测定(UV-2401PC型紫外分光光度计，日本). HACH Hydrolab DS5X 是一款新型多参数、 宽量程的水质监测仪器，该仪器深度采用压敏电阻法，温度采用热敏电阻法，溶解氧采用荧光法，pH采用玻璃电极法，电导率采用石墨电极法，Chl-a和蓝绿藻细胞密度采用体内荧光法，所有探头传感器均定期在实验室进行参比定量校核，以保障在线监测数据的准确性与可靠性.

所有实验测定数据用SPSS 18.0进行统计分析，用Excel和Orgin 9.0完成数据计算、 分析与制图.

天池叶绿素a的变化如图 2所示，夏季Chl-a浓度在2.11~4.06 μg ·L^-1之间，平均值为(2.8±0.69) μg ·L^-1，明显低于其它湖泊^[12,13,14]. 其中，Chl-a浓度最低在6月入水口区域(HN)，为2.11 μg ·L^-1，最高在8月出水口区域(HB)，为4.06 μg ·L^-1. 6~8月天池水体Chl-a浓度平均值分别为2.35、 2.38、 3.67 μg ·L^-1，整体呈增加趋势. 天池水文特征常年稳定，水体流速缓慢，所以夏季不同监测断面Chl-a浓度垂直剖面变化趋势相似，但HN、 HB受入水、 出水影响，月份间的变化相对HZ波动大.

图 2

Fig. 2

图 2 天池叶绿素 a 含量的时空变化 Fig. 2 Temporal and spatial distribution of Chl-a in Tianchi Lake

受光照、 水温和营养物质等影响，表层(0~2 m)水体Chl-a含量在1.14~3.08 μg ·L^-1之间，均值为1.78 μg ·L^-1； 中上层(2~12 m)由于水温高、 光照充足和营养盐的补充，藻类大量繁殖使Chl-a积累，Chl-a含量较高，6月最大值出现在天池中心区域(HZ)6 m水深处，为4.45 μg ·L^-1，7、 8月最大值出现在HB 8 m和HN的3 m深处，分别为6.04 μg ·L^-1和6.88 μg ·L^-1； 深层(12 m以下)由于受光线、 营养盐限制，月份间的变化很小，Chl-a均值为1.29 μg ·L^-1，保持在较低水平. 所以，天池Chl-a浓度整体表现表层和深层低，中上层高的特点.

水体Chl-a的含量与藻类的分布密切相关，而藻类的生长又受到多种因素的影响. 天池水体Chl-a浓度与深度、 电导率显著负相关，与水温、 pH值、 溶解氧(DO)、 蓝绿藻细胞密度呈显著正相关(表 1).

将Chl-a浓度与水深、 水温、 电导率、 DO、 pH和蓝绿藻细胞密度进行进一步回归分析，结果如图 3所示，水深影响悬浮物含量和光照情况^[14]，还影响水体温度分层及营养盐的分布，所以随水深增加，Chl-a含量先增加后减小[图 3(a)]. 一般低纬度地区湖泊Chl-a与水温呈正相关关系^{[7, 12]}，但天池Chl-a与水温显著负相关. 回归分析发现，天池水体Chl-a浓度随水温上升先增加后减小[图 3(b)]. 可能低温不利于藻类的繁殖，高温使藻类生长受光抑制^[15]，而水温在10~14℃时，Chl-a浓度处于较高水平，说明该温度适合高原深水湖泊藻类的生长. 水体电导率能反映可溶性盐的量^[16]，一般受工业污染较少的淡水环境中，水体电导率越大，溶解性营养盐含量越高. 天池水体电导率与Chl-a明显负相关，Chl-a浓度随营养盐增加而降低[图 3(c)]，暗示增加溶解性营养盐会促进藻类的生长.

图 3

Fig. 3

图 3 Chl-a浓度与环境因子的回归分析 Fig. 3 Regression between Chl-a concentration and environmental factors

水体pH值的变化与藻类的光合作用有关^[17]，藻类光合作用强烈，消耗大量CO₂，pH 值升高，Chl-a浓度增加，但天池Chl-a与pH拟合度较差[图 3(d)]，可能水体pH值变化还受温度、 光照等影响. 大多湖库水体Chl-a度和DO负相关^{[18, 19]}，但天池Chl-a和DO显著正相关，与抚仙湖相似^[20]. 尽管水体中藻类繁殖，会产生有机体，但天池受工业污染小，有机物含量低，所以水体Chl-a随DO增加而增加[图 3(e)].

Chl-a是藻类生物体的重要组成成分之一，水体中Chl-a含量的高低与藻类的种类、 数量等密切相关. 天池水体蓝绿藻的垂直分布相对Chl-a，有向下聚集的特点，即叶绿素a在2~12 m深度，浓度较高，而蓝绿藻细胞密度在5~15 m深度较高. 因此，尽管天池Chl-a浓度与蓝绿蓝绿藻细胞密度显著正相关(表 1)，但相关系数较低[图 3(e)].

表 1(Table 1)

表 1 Chl-a与环境因子的相关系数1) Table 1 Correlation coefficients between Chl-a concentration and environmental factors 项目 深度 水温 电导率 pH值 DO 蓝绿藻细胞密度 r -0.49** 0.372** -0.593** 0.324* 0.514** 0.362** 1) n=60； *表示在P=0.05水平显著相关； **表示在P=0.01水平显著相关

表 1 Chl-a与环境因子的相关系数1) Table 1 Correlation coefficients between Chl-a concentration and environmental factors

N、 P是藻类生长必需的营养物质，是反映水体藻类生长状况的重要指标. 夏季天池水体TN浓度在0.21~0.35 mg ·L^-1之间，平均值为0.27 mg ·L^-1. TP浓度在0.028~0.042 mg ·L^-1之间，均值为0.035 mg ·L^-1. 天池与大多数湖库相似^{[13, 16, 21]}，Chl-a浓度与TN浓度的相关性较差[P=0.125，图 4(a)]，但与TP浓度显著正相关[P=0.007，图 4(b)]. 天池Chl-a浓度随TN浓度波动变化，随TP浓度的增加而增加，这表明TN不是限制藻类增长的限制因子，而天池藻类的生长可能更受P限制.

图 4

Fig. 4

图 4 叶绿素a与TN、TP的相关关系 Fig. 4 Correlation between Chl-a and TN, TP

此外，N/P值对于水体藻类水华的发生具有重要意义. 有研究认为，藻类正常代谢所需的N/P为7，当N/P<7，N是可能的限制性营养盐，而N/P>7，则P是可能的限制性营养盐^{[22, 23]}. 本研究中，夏季天池水体N/P在6.5~12.8之间，平均值为9.03，所以P更受限制，如果P浓度增大可能会加速水体富营养化进程.

天池为高山冷水湖泊，水体TN和TP浓度相对于国内的一些大型湖泊不算高^{[9, 13, 16]}，但均已超过国际上一般标准的富营养型湖泊的浓度(TN>0.2 mg ·L^-1，TP>0.02 mg ·L^-1)^[24]，表明天池存在发生水华的风险. 然而，根据经济合作与发展组织(OECD)富营养化单因子(Chl-a)评价标准(Chl-a<3 μg ·L^-1为贫营养，3~11 μg ·L^-1为中营养，11~78 μg ·L^-1为富营养，Chl-a>78 μg ·L^-1为严重富营养)^[19]，天池夏季水体Chl-a浓度超过3 μg ·L^-1，处于中营养化状态.

所以，采用修正的卡尔森营养状态指数(TSI_M)评价天池的营养化类型，TSI_M指数采用0~100 的连续数值对湖泊营养状态分级，评价标准为：TSI_M<37为贫营养，38M<53为中营养，TSI_M>54为富营养^[25,26,27].

式中，TSI_M(Chl-a)、 TSI_M(SD)和TSI_M(TP)分别是以Chl-a(μg ·L^-1)、 透明度(m)、 总磷(mg ·L^-1)为基准的营养状态指数.

如表 2所示，天池夏季卡尔森营养状态指数在44.1~47.2之间，不同监测断面(HN、 HZ、 HB)皆处于中营养化水平.

表 2(Table 2)

表 2 目标化合物工作曲线 Table 2 Regression 项目 6月 7月 8月 平均值 HN 44.1 46.8 47.2 46.1 HZ 46 47 46.5 46.5 HB 45.5 46.7 46.9 46.3

表 2 目标化合物工作曲线 Table 2 Regression

天池夏季出现明显水体分层现象，温跃层限制了上下水体的交换，影响浮游植物的垂向分布. 同时藻类生长表层受光抑制^[28]，深层受光照和水温共同限制，而中上层水体充足的光照和适宜的水温，有利于藻类的生长，所以天池Chl-a在垂向分布整体表现为表层和深层低，中上层高的特点(图 1)，与千岛湖相似^[29]. 但是，同为深水湖泊的红枫湖^[13]和抚仙湖^[20]，夏季Chl-a垂向变化为表层向底层逐渐降低，认为光照强度可能对水体Chl-a浓度的分布起主导作用，而西班牙喀斯特深水湖泊Chl-a浓度从表层到温跃层逐渐增加，在含氧深水层达到最大值^[30]，认为Chl-a的分布可能受光照和营养盐共同限制. 此外，天池周边当年夏季降水较少，同时天池为峡谷型湖泊，受风力影响小，所以不同监测断面Chl-a变化相对较小.

湖库富营养化的发生、 发展，是整个水环境失衡导致藻类大量繁殖引起的，对于不同区域环境、 自然气条件及水生态系统存在差异. 一般认为，适宜的水温和充足的营养盐是导致水体富营养化的主要原因. 大型浅水湖泊，诸如太湖^[31]、 滇池^[32]、 乌梁素海^[33]等水体的富营养化，主要是由于人类活动所导致的营养盐升高引起的. 但是，天山天池N、 P浓度虽然已达到富营养化限度，可能温度和光照限制了藻类的生长，所以目前处于中度富营养化水平.

然而，随着营养盐等的积累，高山冷水湖泊有逐渐向富营养化过渡的趋势. 有研究认为，大气氮沉降的增加，是引起偏远高山湖泊由贫营养向中富营养发展的主要原因^{[30, 34, 35]}. 但是，天池除受大气氮沉降影响外，其中度富营养化最有可能是由水体流失导致的水体营养盐升高引起的. 近年来，受气候变暖、 旅游开发、 周边草场过度放牧等的影响，强降雨及冰雪融水导致的水土流失非常严重^{[36, 37]}，含有大量营养盐的泥沙和动物粪便进入天池水体. 天池为峡谷型湖泊，水体交换性差，营养盐容易积累，天池没有大型水生植物分布，难以对输入的营养盐进行吸收和调节，所以营养盐升高使水体富营养化程度加剧. 目前，天池已在入水河道及周边区域建设构筑物，减缓水土流失，以降低面源营养盐的输入，同时采取封山禁牧等措施，以减少入湖营养盐的数量，但对天池生态恢复的重建仍需很长时间.

水体生物组成的变化很大程度上影响水体水质. 近几年在天池投放大量虹鳟、 高白鲑等外来鱼种，结果使水体浮游动物急剧减少，这可能也是导致天池目前处于中度富营养化状态的重要原因之一. 因为外来鱼种的引进增加对浮游甲壳动物的捕食压力，从而导致浮游植物生物量增加和Chl-a浓度升高^[7]. 所以，为降低天池水体富营养化加剧的风险，借助生态管理措施，对外来鱼种进行捕捞，控制鱼类数量，并有针对性选择浮游动物来控制水体藻类的生长，进行天池水体的保护和恢复.

虽然，目前天池水体为中度富营养化水平，但随着全球变化加剧，水体增温及营养盐的不断升高，天池发生水华的可能性将会增加，所以应及早开展水文、 理化、 生态等多学科角度的水体长期监测，进一步了解天池水体富营养化的程度及趋势，并采取有效措施以降低天池水体富营养化加剧的风险.

(1) 夏季天池Chl-a浓度变化范围为2.11~4.06 μg ·L^-1，平均值为(2.8±0.69) μg ·L^-1. 不同监测断面Chl-a垂直剖面变化趋势相似，整体表现为表层(0~2 m)和深层(12 m以下)低，中上层(2~12 m)高的特点.

(2)天池Chl-a浓度与深度和电导率显著负相关，与水温、 pH值、 溶解氧、 蓝绿藻细胞密度和TP显著正相关，而与TN相关性较小. 表明天池藻类生长与深度、 水温、 电导率、 溶解氧、 pH、 蓝绿藻细胞密度及TP等影响因子密切相关，天池藻类的生长可能更受P限制.

(3)天池TN和TP浓度超过国际上一般标准的富营养型湖泊的浓度，而Chl-a在标准之下，采用修正的卡尔森营养状态指数(TSI_M)评价天池的营养化类型，其目前处于中度富营养化水平.

(4)天池富营养化最可能是水土流失导致的水体营养盐升高，以及水体生物组成改变引起的藻类大量繁殖. 所以，需从生态恢复和生态管理的角度，进行天池水质和周边生态环境的保护和恢复，以降低天池水体富营养化加剧的风险.