亚热带离岸串联水库叶绿素a动态的环境驱动机制与水质管理策略

本研究针对台湾仁义与兰潭两座串联亚热带离岸水库，采用广义加性混合模型(GAMM)探究叶绿素a(Chl-a)浓度波动的环境驱动因素，揭示水温、降雨和外部营养盐输入对浮游植物生长的差异化调控机制，为水库富营养化防控提供科学依据。研究发现仁义水库受巴张河外源营养负荷显著影响，而兰潭水库则更多受深度驱动的内循环过程调控，强调需采取针对性管理策略优化水文调控与实时监测。

　　

在亚热带地区，水库作为重要的饮用水源和农业灌溉设施，其水质安全直接关系到数百万人的健康。然而，这些人工水体正面临日益严重的富营养化威胁——浮游植物大量繁殖导致叶绿素a(Chl-a)浓度飙升，不仅产生令人不悦的土腥味物质如2-甲基异茨醇(2-MIB)和土臭素(Geosmin)，更会引发有毒蓝藻水华，威胁生态系统平衡。台湾嘉义的仁义-兰潭水库系统正是这类问题的典型代表，它们依赖巴张河补给却饱受营养盐输入困扰，而两座水库因水文特征差异表现出截然不同的藻类响应模式。传统线性模型难以捕捉这些复杂的环境-生物非线性关系，亟需更精准的分析工具来指导管理决策。

国立嘉义大学与国立成功大学的研究团队通过五年期(2018-2022)月度监测，采用广义加性混合模型(GAMM)这一能同时处理非线性关系和随机效应的先进统计方法，系统解析了两座水库Chl-a的动态规律。研究整合水温、溶解氧(DO)、化学需氧量(COD)、总氮(TN)、氨氮(NH₃-N)、总磷(TP)等22项水质参数，结合降雨、水位等水文数据，建立了包含300个月度样本和100个季节样本的数据库。关键技术包括：(1)基于薄板样条回归的平滑函数处理非线性关系；(2)引入季节(fSeason)和站点(fSite)作为随机效应；(3)采用varIdent方差结构处理异方差性；(4)通过AIC准则筛选最优模型；(5)应用Q×C公式量化巴张河营养盐输入负荷。

3.1 描述性统计

数据分析显示两座水库存在显著空间分异：仁义水库浅水区Chl-a平均5.03-5.73 μg/L，受巴张河直接影响其SS(4.45 NTU)和COD(5.1 mg/L)较高；兰潭水库Chl-a达6.26-6.40 μg/L，深层水温(25.4°C)较表层(27.4°C)低2°C，形成明显热分层。巴张河的TP(0.055 mg/L)和TN(0.445 mg/L)浓度是水库的2-3倍，证实其为主要外源污染途径。

3.2 最优模型构建

GAMM分析揭示：仁义水库最优模型(R²=0.819)关键变量为水温、降雨、水位、TN和电导率(EC)；兰潭水库模型(R²=0.837)则突出水温、TN、浊度(TBD)和COD的作用。值得注意的是，数据集规模显著影响季节效应识别——300个月度数据使季节变异显著性提升58%，强调长期监测的重要性。

3.4 环境驱动机制

水温呈现阈值效应：超过22°C时Chl-a显著下降，可能与高温抑制代谢有关。TN在0.36 mg/L(兰潭)和0.48 mg/L(仁义)处存在拐点，超出后反抑制藻类生长。氨氮(NH₃-N)在仁义水库呈现双相响应：<0.07 mg/L时负相关，>0.07 mg/L时正相关，反映藻类对氨毒性的差异耐受。深度效应仅在水深24米的兰潭水库显著，其中层出现Chl-a富集带，印证了光-营养盐权衡理论。

3.4.8 巴张河营养负荷

量化分析显示5-8月雨季期间，巴张河向仁义水库输送的TN负荷占全年62%，直接驱动夏季Chl-a峰值。相比之下，兰潭水库通过渠道受控引水，营养盐输入波动减小43%，其Chl-a季节变幅相应降低。

这项研究首次系统阐明了亚热带串联水库Chl-a形成的二元驱动机制：仁义水库受外源输入主导，需重点控制流域氮磷排放；兰潭水库则依赖内循环调节，应优化水位调控抑制沉积物释放。研究提出的"水温-营养盐-水文"协同管理框架，为全球类似水库的生态调控提供了范式转移。特别是GAMM模型成功捕捉非线性关系的应用，将推动水华预测从经验判断向机理建模的跨越。随着气候变化加剧，该成果对保障亚热带地区饮用水安全具有重要实践价值，相关方法已被台湾环境部门纳入水质预警系统。