深水型湖库，水体分层温差大、持续时间长，水温变化而引起的水体季节分层现象，是深水湖库一个重要的特征^[1].与浅水湖库相比，深水湖库受风力作用影响小、垂直温差大，易形成稳定的分层现象^[2].深水湖库的热分层阻碍上下层水体的对流交换，影响湖泊氮、磷营养盐及光照在水体中的分布，从而对水体溶解氧浓度和水生生物的垂直分布产生影响，引起水环境质量的变化^[3-5].

分层湖库水温的分布及温跃层的形成和消失，对湖库水化学参数具有重要影响.叶绿素a浓度是浮游植物现存量的重要指标，叶绿素a浓度的高低能够反映水体的营养状况^[6-7]；溶解氧是湖泊初级生产力及水动力条件的综合反映^[8]，藻类光合作用消耗水中的CO₂，使pH值降低，溶解氧升高，水体pH值的高低和溶解氧浓度的大小，反映水体中藻类的生长及水环境变化的情况.因此，对深水湖库的研究，必须明确温度分层的形成和发展过程，确定温度分层发生和破坏后，湖泊叶绿素a浓度、溶解氧、pH值和蓝绿藻细胞密度等水化学参数的变化，这对深水湖库富营养化预防及水质保护具有现实意义.

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沙漠水源的重要组成部分，对当地自然景观、湿地与山地森林生态系统有重要影响.天山天池属高山峡谷性湖泊，水深大、更新慢，易形成相对稳定的垂直水温分层结构.目前对于浅水湖泊和低纬度地区深水湖泊，如太湖^[1]、千岛湖^[9-10]、天目湖^[8]和贵州红枫湖^[11]等季节性分层及水化学特征的研究较多，而对高山深水湖泊季节性分层的研究较少^[12-13].此外，对于天山天池这一典型的高寒深水湖泊，目前缺乏对其温度季节性分层及水化学参数变化的系统研究.因此，在2014年6-10月，对天山天池水温、电导率、溶解氧浓度、pH值、叶绿素a浓度、蓝绿藻细胞密度等参数进行垂直剖面的连续监测，通过对其季节动态和垂直分层结构的分析，探讨天山天池水体季节性分层特征，以期为高山深水湖泊水环境特征的研究及水体富营养化的预防、控制提供科学依据.

1 材料与方法 1.1 研究区概况

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1910 m，湖最深处105 m.该地区年平均气温2.55℃，最高15.9℃(7月)，最低-12.4℃(1月)，年平均水温维持在7.4℃左右.

1.2 数据采集

天山天池冬季降雪期为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月池水上涨，10月至次年5月池水下降，并且天池活动水位在10~13 m.所以，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，每个断面设3个监测点(图 1).在2014年6-10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.

本研究水温、溶解氧浓度、pH值、电导率、叶绿素a浓度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. HACH Hydrolab DS5X是一款新型多参数、宽量程的水质监测仪器，被广泛用于地表水、地下水、水源水、污水口、饮用水、海洋等不同水体的水质在线及便携监测.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值采用玻璃电极法，电导率采用四石墨电极法，叶绿素a浓度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.

1.3 统计分析

不同指标数据垂直剖面的变化为每个断面3个样点的平均值，所有数据用Excel和Origin 9.0软件完成计算、分析与制图.

2 结果与分析 2.1 水温的垂直分层及季节动态

天山天池属高山深水湖泊，全年有一半时间属于冰封期.天池水温季节性变化较小，但在夏、秋季节垂直剖面存在明显的温度梯度，温跃层分布范围因时间而异(图 2).天池水温的垂直变化有在上层和下层缓慢下降，而中层急剧下降的现象.表层受外界气候变化影响，夏、秋季水温变化明显，变化范围为8.55~ 15.98℃，而深水层变化范围小，为5.6~6.3℃.表层和深层(20 m)水温温差最大值在8月(10.05℃)，最小值在10月(1.59℃).

从时间上看，5月天池冰盖融化，并开始有较冷的冰雪融水补给，表层水温升高，上、下层水体开始混合. 6月随着气温上升及太阳辐射增强，表层水温增加快，与深层水温温差增大，水体出现分层现象.最大温度梯度在入水口区域(HN)，4 m水深处为2.81℃，池中心区域(HZ)8 m水深处为2.5℃和出水口区域(HB)5 m水深处为1.3℃，7、8月随着外界热量持续向下传输，最大温差减小，温跃层下降，0~2 m和10 m水深以下变化小，2~10 m水深处变化大，有明显的温度分层.如果定义水温梯度超过0.2℃/m的水层为温跃层^{[9, 14]}，则6-8月为天池水体稳定分层期，水温在垂直剖面可分为3层：变温层(0~2 m)、温跃层(2~18 m)和均温层(18 m以下). 9月随着气温降低和水源补给的减少，温跃层下移至9~15 m水层，3个监测断面(HN、HZ、HB)最大温度梯度分别为0.6℃(9 m水深处)、0.9℃(11 m水深处)和2.3℃(11 m水深处). 10月随着气温的快速下降，上、下层水体再次进入混合状态，水体温跃层下降到18 m水深以下，18 m水深以上温差小，形成较均匀的水体温度.

2.2 水化学参数的垂直变化特征及季节动态 2.2.1 电导率

水体电导率受水温、营养盐和水源补给的影响，存在明显的季节性分层现象(图 3a~c). 6-10月，电导率变化大致呈先减小后增大的趋势，最大值出现在6月，最小值出现在7月. 6-9月，电导率在垂直剖面的变化呈先减小后增大的趋势，为单峰变化模式，电导率在中、上层(水深小于15 m)变化大，水深超过15 m时，不同月份间的电导率变化很小.

6月电导率垂直变化为4 m水深处最小，随着丰水期到来，7、8月电导率最小值出现在5 m水深处，并且整个剖面电导率平均值较小，但垂直剖面变化大. 9月水源补给减少，电导率略微升高，垂直剖面变化小.无水源补给的10月，电导率在0~17 m水深几乎无变化，而17 m水深以下受表层物质下沉和底泥营养盐向上扩散的影响，电导率高于其它月份. 3个断面中HB的电导率季节性变化相对较小，而电导率最小值HZ断面相对HN、HB，出现在较深水体.

2.2.2 溶解氧

天池水体溶解氧浓度季节性分层明显(图 3d~f).溶解氧浓度与藻类的生长密切相关^[10]，上层水体的气体交换和藻类光合作用为上层水体提供了溶解氧，而深层水体由于水生生物呼吸和有机物的降解，消耗水体中的溶解氧^[15-16].温跃层的存在，使深层水体溶解氧无法得到有效补偿，所以6-10月天池水体溶解氧浓度呈现出上层高、下层低的现象.在藻类生长旺盛的6-8月，由于表层藻类生长受光抑制，光合速率降低^[17-18]，水体溶解氧浓度最大值出现在次表层(5~8 m水深处). 10月水温降低，藻类光合作用减弱，而冷水更容易富氧，所以最大溶解氧浓度出现在表层.

6-10月天池水体溶解氧浓度整体变化为逐渐降低.浅层水体(水深小于10 m)溶解氧浓度高，垂直变化较小，10 m深度以下水体溶解氧浓度明显降低.受入水补给和出水影响，6-8月HN和HB溶解氧浓度垂直剖面变化较为明显，而在HN较为均匀. 9-10月随着水体热分层的下降及逐渐消失，浅层高浓度溶解氧水体向下迁移，10~18 m水深处溶解氧浓度上升，3个监测断面最大溶解氧梯度都出现在18 m水深以下，并且最大梯度超过1.2 mg/(m·L). 18 m水深以下水体溶解氧浓度接近4 mg/L，进入缺氧状态.

2.2.3 pH值

天山天池水体pH值季节变化明显，但水体偏碱性(图 3g~i).表层水体藻类光合作用强烈，消耗大量CO₂，pH值较高，水体呈碱性，而深层藻类光合作用弱，藻类的大量死亡使CO₂积累，并且有机质分解产生酸，pH值急剧减小^[19-20]，所以天池pH值垂直变化呈逐渐降低趋势.

6-10月水体pH值整体变化为逐渐下降，只在8月表层水pH值相对7月略有增加. 6、7月表层水pH值大于9，但垂直剖面变化小. 8、9月10 m水深以上水体光合作用最为强烈，pH值较高，而深度大于12 m水体pH接近中性. 10月随着温度的急剧下降，pH值在垂直剖面的变化很小.就监测断面而言，受营养盐补给和藻类分布的影响，入水口(HN)表层水pH值6月最大，池中心(HZ)和出水口(HB)pH值6、7月最大，而10月出水口(HB)距表层16 m水深处pH值急剧降低.

2.2.4 叶绿素a浓度

天池水体叶绿素a浓度表现出明显的季节性分层(图 4a~c). 6月随着水温上升，藻类生长，叶绿素a浓度增加，并且在6、8月形成2个高峰，9-10月随着水温降低，外界营养盐输入减少，叶绿素a浓度逐渐降低.

水体叶绿素a浓度与藻类的分布密切相关.表层水体受营养盐限制及光照影响，叶绿素a浓度较低；中、上层由于水温高、光照充足、营养盐的补充，藻类大量繁殖使叶绿素a大量积累；深层受光线、营养盐限制，叶绿素a浓度保持在很低水平.所以，叶绿素a浓度整体表现为表层低、中上层高、深层低的特征.在不同监测断面，叶绿素a浓度垂直剖面变化趋势相似，但HN、HB断面受入水、出水影响，季节性变化相对HZ更加明显.

2.3 蓝绿藻细胞密度垂直变化特征及季节动态

在淡水生态环境中，适宜的水温是藻类进行光合作用的必要条件，温度影响藻类的生长及生物量的积累^[21-22].所以，6-10月天池蓝绿藻细胞密度表现出明显的季节性分层(图 4d~f). 6月随着水温的上升，蓝绿藻细胞密度急剧增加，并且在温度最高的8月达到最大值，10月随水温降低而减小.

水体上、下层温差的变化对湖库营养盐循环和水生态系统结构产生影响，从而形成利于藻类增殖和聚集的生境^[23-24]. 6月水温升高，蓝绿藻细胞密度逐渐增大，但较深水体营养盐浓度更高，所以其最大密度出现在水深10~15 m处. 7-9月，水温持续升高，蓝绿藻细胞密度增大，8月达到最大值，并且最大密度出现的范围上移到水深5~10 m处. 10月水温降低，蓝绿藻细胞密度降低，0~18 m水深变幅较小，18 m水深以下急剧减小.此外，蓝绿藻细胞密度在入水口断面(HN)受水源补给影响，浅层水体(0~8 m)较HZ、HB断面变化小，深层变化大.

3 讨论 3.1 天池温度分层特点

受水体热力状况、透明度、光照及湖泊形态影响，大多数深水湖库都会出现水体温度分层现象，并且一般表现为：春季有稳定的温跃层出现，并且温跃层厚度和温度梯度不断增大，在夏季的7、8月份达到最大值，而秋季温跃层的厚度和温度梯度下降^{[8, 25-27]}.天山天池也是如此，气温的季节性变化及湖库特征(天池水深大、更新慢)使其表现出水体的季节性分层.但是，天池温度分层时间相对其它湖库较短(6-9月)^{[8, 25-27]}，夏季出现明显温度分层，温跃层为2~18 m，9月温跃层下降到9~15 m水层，厚度变薄，10月水体发生混合，温跃层下移至18 m水深以下水体.

由于温度分层的变化，大多数低纬度地区深水湖库水体混合模式为单次混合型^{[8, 25-26, 28]}.但是，天池由于冬季结冰期的存在，在春季和秋季都发生上、下层水体的混合，所以天池可能为双混合型湖泊，与西藏班公错相似^[13].

3.2 水温分层的水环境响应

温度梯度的存在有效地抑制了热量和物质的垂直传递^[26]，虽然天池水体水温分层时间短，但其对水化学参数的垂直剖面变化有一定影响.本研究中，温跃层限制营养盐在垂直方向的传递，使电导率呈现明显的季节性分层.在藻类开始生长的6-7月，5~10 m天池水体电导率急剧降低，在蓝绿藻细胞密度较低的10月，电导率在浅层水体的变化较小.因此，电导率的高低能指示藻类对营养盐的利用情况.

温跃层的存在阻止上层水体溶解氧向下层传递^[28]，使上、下层水体形成明显的溶解氧梯度^[29].本研究中，这种效应在夏季尤为明显，8、9月上层水体的气体交换和藻类光合作用为上层水体提供溶解氧，而深层水体由于水生生物呼吸和有机物的降解，消耗水体中的溶解氧，水体热分层限制上、下层水体的交换，使深层水体溶解氧无法得到有效补偿，导致深层水体处于缺氧状态，易引起底泥营养盐的释放.同时，春季和秋季水体的对流和混合，导致底泥营养盐向上层扩散，对水体水质产生不利影响.受温度、营养盐及透明度影响，蓝绿藻细胞密度在水体分层明显的7-9月达到峰值，所以，需在夏、秋季节加强水体监测，预防天池水华发生.

此外，蓝绿藻有在5~15 m深度聚集的现象，说明此深度适合天池藻类的生长，这为预防天池水华发生进行取样和分析提供了依据.总之，天池水体温度的季节性分层引起水化学参数的变化，进而影响水质，所以对天池水环境质量变化的分析和探讨，需建立在对水体分层研究的基础上.