随着城镇化和工业化的推进，水资源开发利用需求不断增强，极大地扰动了河流的原生环境，致使河流水文连通性降低、水质环境恶化，河流水体富营养化问题逐渐凸显[1]。目前，水体富营养化评价分级标准主要针对湖泊水体，河流水体富营养化评价体系尚不健全。叶绿素a(Chl-a)是浮游植物的重要组成成分，可反映水体浮游植物生物量，其作为划分水体营养状态的重要依据[2]，在评估湖泊[3]、水库[4]、河口[5]、海洋[6]生产力及水环境质量中起着关键作用。然而，以Chl-a作为河流富营养化评价依据的相关研究较少。通过监测河流Chl-a浓度的变化，可有效判别水体的富营养状况，但由于尚无不同营养状态下Chl-a阈值的国家标准，当前水域营养状态评价中存在多种评价标准，其中以水利部《地表水资源质量评价技术规程》[7]中叶绿素浓度行业评价标准应用最为广泛。

淮河古称淮水，与长江、黄河和济水并称“四渎”，为当代中国七大江河之一。淮河发源于河南省桐柏县，流经湖北、河南、安徽和江苏四省，全长约1 000 km[8]，其中从洪河口到洪泽湖主要出口三河闸的淮河中游段，为历史上黄河决溢、泛滥、改道不断侵扰的河段，河床普遍淤高，水系紊乱、水患频发[9]。从1950年汛后治淮开始，根据“蓄洪兼筹”的治淮方针，在淮河上修建了大量闸坝，在治理水患的同时，实现了水资源的充分利用。至2000年，淮河流域修建了约1.1万座蓄水水库和拦河节制闸[10]。然而，过多的闸坝工程对淮河的自然生态产生了许多负面影响，如多次闸坝泄洪将坝前积累的污水下泄到下游河段，造成严重污染事故[11]。自此之后，国家就将淮河作为“三河三湖”污染治理的重点，经过国家“九五”和“十五”水污染综合治理，淮河的水污染状况得到了一定改善[12]。然而，对于淮河水质的研究一直没有停止，曾凤莲等[13]研究发现，1999—2019年间淮河流域主要污染因子氨氮、COD含量逐年下降，总磷含量呈上升趋势；刘玉年等[14]研究发现，临淮岗闸以下段较闸上段污染严重；严子奇等[15]研究发现，淮河流域内半数以上的水功能区水质超标，但当前针对淮河中游的水体富营养化状态和Chl-a浓度的时空变化特征鲜见报道。本研究中，系统分析了淮河中游Chl-a浓度和综合营养状态指数的时空变化特征，探讨了淮河中游水体在不同Chl-a浓度下的营养状态，以及闸坝、支流对淮河干流水体营养状态的影响，并分析了环境因子与Chl-a浓度的相关性，以期为淮河中游水体富营养化控制及其水生态治理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

淮河中游从洪河口至洪泽湖出口三河闸全长490 km，地面落差为16 m，北岸是面积辽阔的淮北平原，南岸是绵延东西的江淮丘陵。淮河地处中国的亚热带与暖温带过渡区，受大陆性季风气候影响，其气候复杂多变，降雨时空分布不均，水旱灾害频发[16]。淮河作为中国第一条全面治理的大河，也是闸坝设置密度最高的河流之一[17]，其中淮河中游的临淮岗闸和蚌埠闸已成为防汛抗旱、节水灌溉、水资源涵养和旅游利用等多功能的水利工程。

1.2 方法

1.2.1 监测点位布设与样品测定 基于鱼类繁殖、索饵和越冬的习性，综合考虑淮河中游的水文特征，于2019年6月(平水期)、9月(丰水期)和2020年2月(枯水期)对淮河干流三河尖至红山头河段开展了调查分析。依据闸坝建设地点将调查河段分为3部分，分别为临淮岗闸上段(L段)、临淮岗闸至蚌埠闸段(Z段)和蚌埠闸下段(B段)。其中，L段设置采样断面1～6，Z段设置采样断面7～22，B段设置采样断面23～28，共28个采样断面(图1)。参照《水质采样方案设计技术规定》[18]要求采样，采集表层0.5 m水样。

采用多参数水质检测仪YSI现场测定水温(WT)、溶解氧(DO)和酸碱度(pH)，采用赛氏圆盘法测定透明度(SD)，采用丙酮萃取分光光度法、碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法、钼酸铵分光光度法、酸性高锰酸钾法和紫外分光光度法分别测定Chl-a、总氮(TN)、总磷(TP)、化学需氧量(CODMn)、亚硝酸盐氮含量。除pH、SD、WT外，其他指标的含量均为质量浓度，以下简称“浓度”。

1.2.2 综合营养状态指数的计算 采用综合营养状态指数(TLI)评价淮河中游水体营养状态，该指标基于Chl-a、TN、TP、SD和CODMn 5个水质参数计算得到[19-20]，其计算公式为

(1)

(2)

式中：ITL(∑)为综合营养状态指数(TLI)；Wj为第j种参数所占综合营养状态指数的权重；ITL(j)为第j种参数的营养状态指数；rij为第j种参数与基准参数Chl-a的相关系数；n为指标数目。

5种水质参数的营养状态指数计算公式分别为

ITL(Chl-a)=10[2.5+1.086 ln ρ(Chl-a)]，

(3)

ITL(TN)=10[5.453+1.694 ln ρ(TN)]，

(4)

ITL(TP)=10[9.436+1.624 ln ρ(TP)]，

(5)

ITL(CODMn)=10[0.109+2.661×

ln ρ(CODMn)]，

(6)

ITL(SD)=10[5.118-1.94ln ρ(SD)]。

(7)

综合营养状态指数评价结果分级标准：TLI=30～50为中营养，TLI=50～60为轻度富营养，TLI=60～70为中度富营养。

1.2.3 主成分分析和多元线性逐步回归分析 采用Canoco 5软件进行主成分分析(Principal component analysis，PCA)，研究淮河中游不同河段环境因子与Chl-a浓度的相关性，解析不同河段的主要环境因子，并采用SPSS 26.0软件进行多元线性逐步回归分析，筛选出不同水文期影响Chl-a浓度的主要环境因子。

1.3 数据处理

采用Excel 2010软件对数据进行统计和整理；采用SPSS 26.0软件进行单因素方差分析(one-way ANOVA)，对不同水文期环境因子和Chl-a浓度进行差异性分析；采用ArcGIS 10.8软件利用空间插值法对Chl-a浓度和综合营养状态指数(TLI)进行反距离加权法(Inverse distance weighted，IDW)绘图。

2 结果与分析

2.1 淮河中游水环境因子变化特征

从表1可见：淮河中游各河段水温变幅较小，各水文期间有显著性差异(P<0.05)，谷值出现在枯水期，峰值出现在丰水期；丰水期SD平均值显著高于平水期和枯水期(P<0.05)；pH年平均值为8.10，DO年平均值为15.76 mg/L，3个时期的pH和DO平均值均为丰水期显著高于平水期和枯水期(P<0.05)；TN年平均浓度为2.53 mg/L，枯水期远超Ⅴ类水质标准；TP年平均浓度为0.12 mg/L，平水期与丰水期均达Ⅲ类水质标准；平水期浓度的平均值显著高于丰水期、枯水期(P<0.05)，平水期B段浓度最高，达0.15 mg/L；CODMn年平均浓度沿河段呈递减趋势，平水期和丰水期CODMn浓度平均值显著高于枯水期(P<0.05)，且3个时期均达Ⅲ类水质标准。

2.2 淮河中游Chl-a浓度的时空分布特征

淮河中游Chl-a浓度在不同水文期变化明显，年平均值为(20.12±7.25)μg/L，变化范围为2.97～80.61 μg/L；丰水期Chl-a浓度平均值显著高于平水期和枯水期(P<0.05)；最大值出现在丰水期Z段的颍河交汇口(B10)，最小值出现在平水期Z段(B14)(图2)。淮河中游Chl-a浓度在不同河段存在空间差异，在枯水期L段Chl-a浓度显著高于Z段与B段(P<0.05)；在平水期B段Chl-a浓度显著高于Z段(P<0.05)；在丰水期3个河段Chl-a浓度虽无显著性差异(P>0.05)，但Z段浓度最高，B段最低；Chl-a浓度从L段至B段沿线呈逐渐降低的趋势(图2)。依据《地表水资源质量评价技术规程》[7]标准：Chl-a≤1 μg/L为贫营养，1 μg/L

2.3 淮河中游综合营养状态指数的时空分布特征

淮河中游TLI为47.93～68.38，平均值为57.33，以轻度富营养状态为主。TLI的时空变化特征与Chl-a浓度基本一致，时间上，TLI依次为丰水期(60.61)>平水期(56.74)>枯水期(55.79)；空间上，TLI依次为L段(61.03)>Z段(56.65)>B段(52.54)(图3)。闸坝和支流通过影响TLI关键评价参数造成TLI的时空差异性，其中，平水期临淮岗闸下段至颍河交汇口河段(B7～B10)的SD显著低于颍河交汇口至涡河交汇口河段(B11～B22)(P<0.05)，B7～B10断面的TN、TP及TLI显著高于B11～B22断面(P<0.05)，中度营养化区域主要为Z段颍河汇口(B10)以上河段及北淝河交汇口以下河段(B24～B25)；丰水期，B7～B10断面Chl-a平均浓度低于B11～B22断面(P>0.05)，中度富营养化区域主要为L段及Z段颍河与涡河交汇口(B11～B22)中间区段；枯水期，L段的TN、CODMn浓度显著高于Z段与B段(P<0.05)(表1)，L段为中度富营养化状态，Z段与B段为轻度富营养化状态(表2)。

2.4 Chl-a浓度与环境因子的PCA分析

淮河中游3个河段主成分分析结果见表3，L、Z、B 3个河段的主成分均有3个，其解释的方差累积贡献率分别为88.73%、78.93%和80.43%。第一主成分因子(F1)对方差解释率均高于42%，其中，SD、DO在L段具有较高的绝对值相关系数，TN在Z段具有较高的绝对值相关系数，CODMn和TP在B段具有较高的绝对值相关系数，Chl-a浓度在不同河段的相关系数均较高。第二主成分因子(F2)方差解释率分别为30.92%、24.34%和20.43%，其中，TP和CODMn在L段和Z段具有较高的绝对值相关系数，DO和在B段具有较高的绝对值相关系数。第三主成分因子(F3)方差解释率分别为14.45%、11.79%和14.76%，其中，CODMn在L段的绝对值相关系数较高。

PCA分析显示，淮河中游3个河段Chl-a的重要驱动因子存在较大差异。其中，L段Chl-a浓度与SD、DO呈显著正相关(P<0.05)，与呈显著负相关(P<0.05)；Z段Chl-a浓度与DO、pH呈显著正相关(P<0.05)，与TN呈显著负相关(P<0.05)；B段Chl-a浓度与CODMn、TP呈显著正相关(P<0.05)(图4)。而TN与3个河段的Chl-a浓度均呈负相关，是影响淮河中游水质的主要环境因子；TP与3个河段的Chl-a浓度均呈正相关，可能是淮河中游浮游植物生长的限制营养因子。

2.5 Chl-a浓度与环境因子的多元线性回归分析

从表4可见：由于水文期的不同，环境因子对Chl-a浓度的影响程度存在差异，平水期淮河中游Chl-a浓度仅与DO呈正相关；丰水期筛选出和DO 4个影响因子，其中Chl-a浓度与和DO呈负相关，与CODMn呈正相关；枯水期Chl-a浓度与CODMn、SD和TN呈正相关，与呈负相关，其复相关系数最高(0.944)；淮河中游全年筛选出影响Chl-a浓度的主要环境因子是pH、TN和TP，Chl-a浓度与pH、TP呈正相关，与TN呈负相关。

3 讨论

3.1 淮河中游的营养状态及其影响因素

水体富营养化会加剧水质的恶化，促进水体中有害藻类的增加，破坏鱼类赖以生存的水生态环境[21]。在历经3个“五年计划”的持续治淮后，尽管淮河流域排污总量已有所削减，但水污染形势依然十分严峻，水质超标现象仍较普遍[13]，其中面源污染是淮河流域地表水体污染的主要来源之一，也是水体中TN的主要来源[22]。本研究中，采用单因子法评价发现，淮河中游全段各水文期TP和CODMn均未超过Ⅲ类水质标准，TN则均超过Ⅲ类水质标准，达到Ⅳ类甚至Ⅴ类标准。

本研究中，Chl-a浓度及TLI评价结果均显示，淮河中游水体全年以轻度富营养化为主，丰水期以轻度富营养化与中度富营养化为主。丰水期两种方法评价结果一致性达89.29%，而平水期与枯水期TLI评价结果显示，92.86%断面被评判的水体不同营养状态对应的Chl-a浓度范围为：中营养状态，Chl-a≤4.5 μg/L；轻度富营养化状态，4.5 μg/L[7]中Chl-a浓度标准。这表明，淮河中游平水期和枯水期采用TLI评价结果富营养化程度较Chl-a浓度评价结果高，其原因可能是淮河中游丰水期温度高、光照充足且营养盐浓度充足，浮游植物快速增殖，生物量显著高于平水期与枯水期[23]，同时作为TLI评价关键参数的TN，其浓度在平水期与枯水期远高于丰水期，故出现以Chl-a>10 μg/L为富营养化评价浓度基准，在淮河中游丰水期适用性较高，平水期和枯水期适用性较低的现象，其本质可能是由于河流水体的营养状态受多参数协同控制，单一参数评价易造成关键信息缺失，且不同区域、时期水体关键因子富营养状态下的基准浓度存在差异，评价结果间易产生矛盾，而河流多参数评价下参数的选取及其贡献率研究体系尚需扩展[24]。相比于湖泊水体的稳定性，河流水体的变化较强，同时存在河相水体及湖相水体，时空差异较明显，水体富营养化评价的关键因子基准浓度及其贡献率波动较大[3]，因此，在不同水文期及水相差异较大的河段水体均应构建相应评价体系，以保证评价结果的准确性。

淮河不同河段水体的营养状况受水坝、支流汇入和面源污染等多因素影响。刘二纯等[25]发现，水坝建设会造成局部河段的生境发生改变，并对水环境和浮游植物的生物量产生一定的影响。本研究中发现，不同水文期L段的富营养化状况均较其他区域较严重，原因可能是闸坝改变了河流的水文情势，进而导致淮河中游各区域水体的TLI产生差异。颍河为淮河的最大支流，其汇入后显著影响了淮河干流的水体营养状态，2020年《中国生态环境状况公报》数据显示，颍河上游为Ⅳ类水质，中下游均为Ⅲ类水质。淮河平水期L段及Z段颍河汇口段水体为中度富营养化，而颍河交汇口以下区域为轻度富营养化，可能是由于颍河水体的汇入对水体进行了稀释，从而对水体TLI产生了影响[11]。而淮河中游丰水期干流与颍河交汇口至涡河交汇口的中度富营养化，可能是由于颍河水体汇入后Chl-a浓度的上升所造成。今后淮河的治理需分河段进行，对河流交汇口重点监控[26]，明晰各区域责任，减少淮河流域的面源污染，预防污染物进入淮河[22]。

3.2 Chl-a浓度的时空变化特征

Chl-a浓度可在一定程度上反映浮游植物生物量，其分布受距离、水动力条件、营养盐和气候变化等多因素影响从而存在明显的时空变化[25]。本研究表明，淮河中游的Chl-a浓度有着明显的空间变化特征，不同河段Chl-a年平均浓度表现为L段>Z段>B段，整体上沿水流方向呈下降趋势，其原因可能是河流经过闸坝时会造成浮游植物的积累[23]，这与河流水库Chl-a浓度从上游向下游依次减少的情况类似[27]。河流中浮游植物的纵向演替现象普遍存在，其群落结构和种类组成受多种环境因素共同影响，而Chl-a浓度也会发生相应的改变[28-29]。周贝贝等[30]对南京秦淮河的Chl-a研究发现，随着流程距离的增加，Chl-a浓度会呈现出一定的波动性，但无明显规律。本研究中，淮河中游丰水期Chl-a浓度的波动性也印证了这一观点。刘毛亚等[28]发现，距上游距离不同引起的水力停留时间差异是直接或间接影响水体Chl-a浓度的重要因素。刘二纯等[25]发现，梯形水坝的修建会造成上游区域TN和硝酸盐浓度升高，为浮游植物的生长繁殖创造了有利条件。本研究中，淮河中游L段流程距离较短，枯水期水体流动较缓，TN浓度在3个河段中最高，同时受汛期与降雨造成的外源性营养输入影响较小，Chl-a浓度纵向演变特征最为明显，呈现出沿水流方向逐渐下降的态势。

本研究表明，淮河中游不同水文期Chl-a浓度具有明显的时间变化特征，丰水期Chl-a浓度显著高于平水期和枯水期。丰水期处于夏末初秋，降雨丰富，存在较多的外源性营养盐输入，光照与温度皆适宜浮游植物的生长繁殖，因此，水体中的Chl-a浓度最高[31]。淮河中游平水期水质监测时期正处于梅雨季节，此时降雨较多，水体中泥沙浓度高，透明度较丰水期与枯水期低，再加上光照不足，使得水体中Chl-a浓度较低。而枯水期在3个水文期中温度最低，其Chl-a浓度也最低。

3.3 Chl-a浓度与环境因子的变化关系

浮游植物的生长繁殖受多种因素共同作用，而水体中Chl-a浓度可在一定程度上代表浮游植物的生物量[28]。杨晓曦等[23]发现，淮河中游浮游植物密度与生物量在不同水文期均与Chl-a浓度呈显著正相关。由于淮河中游不同时期、区域的环境因子差异，Chl-a浓度与环境因子的相关性也存在差异。本研究中，通过主成分分析发现，淮河中游不同河段Chl-a浓度的重要驱动因子也存在较大差异，其中，L段Chl-a浓度主要受SD、DO和含量影响，Z段Chl-a浓度受DO、pH含量影响，而在B段水体富营养化程度较L段与Z段低，Chl-a浓度主要受水体中CODMn和TP浓度影响。通过对淮河中游不同河段Chl-a浓度重要驱动因子的研究，有利于对淮河不同区域采取更加科学的管理措施，可有针对性地控制水体中重要水质指标浓度。

本研究中，从淮河中游Chl-a浓度与环境因子的多元线性逐步回归方程发现，pH、TN和TP是影响Chl-a浓度的主要环境因子。淮河中游pH的年平均值为8.10，为弱碱性。浮游植物在碱性条件下捕获空气中CO2的能力会加强，光合作用的速率会加快，水体中Chl-a的浓度也会得到提高[30]。同时，浮游植物的光合作用可吸收水体中CO2，释放O2，提高水体中的pH水平[32]。pH作为浮游植物生长的响应性、结果性因子，在淮河中游与Chl-a浓度呈显著正相关，为Chl-a浓度变化的被动因子。氮、磷浓度是影响浮游植物生长的重要环境因子，对水体中Chl-a的浓度高低起着调控作用[33]。本研究中，通过对淮河中游水质数据分析发现，Chl-a浓度与TP均呈正相关；Chl-a浓度与TN的相关性在不同水文期存在差异，其中在丰水期呈负相关，在枯水期呈正相关。袁伟皓等[34]发现，Chl-a浓度与TN的相关性受浮游植物对TN浓度适应性的影响，TN在不同浓度条件下与Chl-a浓度的相关性有较大差异。淮河中游丰水期与枯水期Chl-a浓度与TN相关性的差异，其原因可能是由于TN浓度差异造成水体中藻类优势种的更替，浮游植物群落结构发生改变。氮磷比被广泛用于研究水体中限制营养因子，一般来说，若TN/TP<9～13，氮就可能是限制因子；若TN/TP>17～21，磷就可能是限制因子[30]。本研究中，淮河中游TN/TP质量比平均值为24.65，说明磷可能是淮河中游浮游植物生长的限制营养因子。

4 结论

1)淮河中游水体以轻度富营养化状态为主，水体中主要存在TN浓度超标的情况。Chl-a浓度可较好地指示淮河中游富营养化状况，临淮岗闸、淮河干流及颍河与涡河交汇口是淮河中游3个主要的水质突变点，水坝水流调度、面源污染和支流的影响是造成淮河中游富营养化时空差异的主要因素。

2)不同河段影响Chl-a浓度的主要环境因子存在较大差异，临淮岗闸上段为SD、DO和临淮岗闸至蚌埠闸河段为DO、pH 和TN，蚌埠闸下段则为CODMn和TP。因此，淮河中游水体富营养化状况的监测与治理需采用“一区一策”的方针，在不同河段重点监测影响Chl-a浓度变化的主要环境因子。

3)淮河中游Chl-a浓度主要受pH、TN和TP影响，其中，pH、TP与Chl-a浓度呈正相关，磷可能是淮河中游浮游植物生长的限制营养因子。

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Spatial and temporal distribution of chlorophyll a concentration and eutrophication evaluation in the middle reaches of Huaihe River

HE Licong1，WANG Dongwei1，ZHANG Minying2，ZHOU Yanfeng1，2*

(1.Wuxi Fisheries College，Nanjing Agricultural University，Wuxi 214081，China；2.Key Laboratory of Freshwater Fisheries and Germplasm Resources Utilization，Ministry of Agriculture and Rural Affairs，Freshwater Fisheries Research Center，Chinese Academy of Fishery Sciences，Wuxi 214081，China)

Abstract：In order to explore the spatial and temporal distribution characteristics and influencing factors of chlorophyll a (Chl-a) concentration and eutrophication in the middle reaches (from mouth of the Honghe River to the exit of Hongze Lake) of the Huaihe River, water quality was investigated in 28 sampling sections in the middle reaches of the Huaihe River in June 2019, September 2019 and February 2020, and the relationship between the spatial and temporal distribution of Chl-a and environmental factors were analyzed by principal component analysis and multiple linear stepwise regression analysis. The results showed that there was obvious spatial and temporal distribution characteristics of concentration of Chl-a in the middle reaches of the Huaihe River, with the annual mean value of (20.12±7.25)μg/L, with the variation range from 2.97 μg/L to 80.61 μg/L. The descending order of the spatial variation was expressed as Linhuaigang Sluice >from Linhuaigang Sluice to Bengbu Sluice >under Bengbu Sluice. Principal component analysis showed that Chl-a concentrations on Linhuaigang Sluice were positively correlated with transparency and dissolved oxygen level (P<0.05), but negatively correlated with nitrous nitrogen (P<0.05), and Chl-a concentrations from Linhuaigang Sluice to Bengbu sluice were significantly positively correlated with dissolved oxygen concentration and pH value (P<0.05), and Chl-a concentrations under Bengbu Sluice were positively correlated with permanganate index and total phosphorus (P<0.05). The multiple linear stepwise regression analysis revealed that pH, total phosphorus and total nitrogen were the main environmental factors affecting the concentration of Chl-a in the middle reaches of Huaihe River, pH being the passive factor for the change in Chl-a concentrations. There were obvious differences in the correlation between total nitrogen and concentration in different hydrological periods, and total phosphorus concentration was the limiting nutritional factors of phytoplankton in the middle reaches of Huaihe River. The water in the middle reaches of the Huaihe River was dominated by mild eutrophication, and the temporal and spatial variation characteristics of the comprehensive trophic status index (TLI) were similar to the changes in Chl-a concentration. The Linhuaigang Sluice and the confluence of the main stream of the Huaihe River with the Yinghe River and the Wuhe River were the main mutation points of water quality change. It was found that the total nitrogen concentration mainly exceeded the standard in the middle reaches of Huaihe River, and the changes in the hydrological situation of the river caused by dams, tributary inflows and non-point source pollution were the main influencing factors causing the change in the TLI.

Key words：Huaihe River; comprehensive trophic level index; chlorophyll a; dam; environmental factor

收稿日期：2023-06-19

基金项目：安徽省重点水域水生生物资源监测项目(ZF2021-18-0786)；中国水产科学研究院中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金资助(2023TD65)

作者简介：何利聪(1999—)，男，硕士研究生。E-mail：274502707@qq.com

通信作者：周彦锋(1979—)，男，副研究员。E-mail：zhouyf@ffrc.cn

DOI：10.16535/j.cnki.dlhyxb.2023-140

文章编号：2095-1388(2024)01-0114-10

中图分类号：S 913；X 832

文献标志码：A