上海公園綠地景觀水體透明度影響因子研究

余麗凡， 施渺筱， 達(dá)良俊，3， 嚴(yán) 曉， 尹俊光，5

（1.華東師范大學(xué) 環(huán)境科學(xué)系，上海 200062；2.貴州省安順學(xué)院 化學(xué)與生物農(nóng)學(xué)系，貴州安順 561000；3.華東師范大學(xué) 城市化生態(tài)過程與生態(tài)恢復(fù)重點實驗室，上海 200062；4.上海市濱江森林公園，上海 200136；5.昆山市環(huán)境保護(hù)局，江蘇 昆山 215300）

上海公園綠地景觀水體透明度影響因子研究

余麗凡1， 施渺筱2， 達(dá)良俊1，3， 嚴(yán) 曉4， 尹俊光1，5

（1.華東師范大學(xué) 環(huán)境科學(xué)系，上海 200062；2.貴州省安順學(xué)院 化學(xué)與生物農(nóng)學(xué)系，貴州安順 561000；3.華東師范大學(xué) 城市化生態(tài)過程與生態(tài)恢復(fù)重點實驗室，上海 200062；4.上海市濱江森林公園，上海 200136；5.昆山市環(huán)境保護(hù)局，江蘇 昆山 215300）

透明度； 光學(xué)衰減系數(shù)； 懸浮物； 浮游藻類

0 引 言

上海市屬于江南典型的水鄉(xiāng)型城市.近年來，城市建設(shè)中對于生態(tài)環(huán)境的重視使得上海市公園綠地人工景觀水體的面積逐年增加，但由于景觀水體受人為干擾活動劇烈，水體環(huán)境越來越惡劣［1］，利用水系的近自然型治理建立健康的水系生態(tài)系統(tǒng)迫在眉睫［2，3］.水系近自然型水生生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建關(guān)鍵和核心是高等水生植物群落的恢復(fù)和重建［2］，而水生植物尤其是沉水植物群落生長分布的制約因子則是水體深度和透明度，后者為水體能見程度的一個量度，既可作為評價水體富營養(yǎng)化的一個重要指標(biāo)［4，5］，也是水生生態(tài)系統(tǒng)健康與否的重要標(biāo)志［6］.透明度不足直接影響著上海城市公園綠地人工景觀水體中沉水植被的分布，而水深不足使得水體的透明度難以測定，從而難以科學(xué)合理地評價水體質(zhì)量.

不同的水體對影響透明度的因子及每個因子的影響程度均可能不同.浮游藻類、懸浮物和溶解性有機(jī)物被認(rèn)為是影響透明度變化的幾個常見因子［7］.目前國內(nèi)外關(guān)于水體透明度影響因子的研究多見于自然湖泊，而對于人工水體的透明度特征及其影響因子等的探討鮮見報道；同時城市公園綠地景觀水體的透明度也迫切需要尋求新的替代估測方法.

本研究以上海城市公園綠地景觀水體為研究對象，通過野外調(diào)查與室內(nèi)分析，建立水體透明度與光學(xué)衰減系數(shù)之間的數(shù)學(xué)計算式以推算水體透明度值，并在此基礎(chǔ)上分析影響水體透明度的主要因子，為科學(xué)合理地評價景觀水體水質(zhì)尤其是水體透明度提供測度，并為水體環(huán)境的改善、水生植被的構(gòu)建及水體的養(yǎng)護(hù)管理提供科學(xué)依據(jù).

1 研究方法

1.1 調(diào)查樣點選取

于2010年，依據(jù)分布區(qū)域、面積大小和建成年代等基本特征（見表1，具體信息詳見附錄），選取上海市12個區(qū)90個公園綠地共107個景觀水體作為研究對象（見圖1）.

1.2 采樣和分析方法

每個樣點用測繩和標(biāo)桿測量水深，用塞克氏盤（Secchi disc）測量透明度.用水下光量子儀（Licor192SA）測定光強(qiáng)，由水面而下，每隔0.25 m測定其水下光照強(qiáng)度，每個深度記錄6個數(shù)據(jù).

同時，現(xiàn)場測定水溫和pH值，其他指標(biāo)用聚乙烯瓶采集具代表性水樣1 000 mL，帶回實驗室，48 h內(nèi)完成指標(biāo)測定.測定方法參照《中華人民共和國地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）（見表2）.其中，葉綠素a濃度在水體光學(xué)特性研究中，常作為衡量浮游植物生物量的指標(biāo)［8］.為了綜合反映景觀水體的整體質(zhì)量，分別對各個景觀水體的測定數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)梅羅指數(shù)計算，內(nèi)梅羅指數(shù)越大，水體綜合質(zhì)量越差.

表1 調(diào)查樣點概況Tab.1 General situation of the sampling sites

圖1 上海城市景觀水體透明度調(diào)查樣點分布示意圖Fig.1 Water transparency sampling sites in landscape water bodies of Shanghai

1.3 數(shù)據(jù)分析

光衰減系數(shù)的計算［9］：

式中，Kd為光衰減系數(shù)（m－1），z為從湖面到測量處的深度（m），E（z）為深度z處的光合有效輻射強(qiáng)度（μmol·m－2·s－1），E（0）為水表面下0m 光合有效輻射強(qiáng)度（μmol·m－2·s－1）.Kd值通過對不同深度水下輻照度進(jìn)行指數(shù)回歸得到.回歸效果只有當(dāng)R2≥0.95，深度數(shù)N≥3時，其Kd值才被接受，否則視為無用值.

表2 測定項目與分析方法Tab.2 Items and analytical methods

長期以來，城市公園綠地景觀水體作為地表水，其受污染類型一般以綜合型有機(jī)污染為主［10］.故本文采用CODCr、NH3－N、NO3－N、TP、TN 及 DOC作為監(jiān)測指標(biāo)來計算其內(nèi)梅羅指數(shù)，同時為了使研究對象在時間和空間尺度上具有可比性，本文一律將五類水標(biāo)準(zhǔn)值作為地表水標(biāo)準(zhǔn)濃度值.內(nèi)梅羅指數(shù)（P）的計算公式［9］如下：

式中，Ci：地表水實測濃度，mg／L；C0：地表水標(biāo)準(zhǔn)濃度，mg／L；Pi：污染物的單項質(zhì)量指數(shù)；Psum污染物單項指數(shù)（Pi）的總和；Fi：污染物i的負(fù)荷系數(shù)：污染物單項指數(shù)（Pi）的均值；n：指標(biāo)個數(shù)；Pmax：污染物單項指數(shù)（Pi）的最大值；P：內(nèi)梅羅指數(shù).內(nèi)梅羅指數(shù)（P）越大，水質(zhì)越差.

所有數(shù)據(jù)經(jīng)對數(shù)化處理后進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，并運用多元線性回歸分析透明度各影響因子的作用大小.所有數(shù)據(jù)分析采用Microsoft Excel 2007、Origin Pro8.1和SPSS16.0軟件處理.

2 結(jié)果與分析

2.1 水深與透明度現(xiàn)狀

上海城市公園綠地景觀水體水深范圍為0.3～2.45 m，平均水深為（0.92±0.05）m.其中，水深小于1 m的高達(dá)74.5%，而水深超過2 m的僅占2.8%（見圖2），這是由于公園綠地的景觀水體主要用于供人們娛樂、觀賞，在水景設(shè)計時常出于安全考慮而降低水深，保證游客的安全.

水體透明度范圍為0.09～1.40 m，平均透明度為（0.54±0.24）m.其中，透明度小于0.3 m的水體占20.34%，小于0.5 m 的水體占52.54%，小于1.0m 的水體占98.31%，72.73%的水體透明度位于0.3～0.7 m范圍內(nèi)（見圖2）.此外，35.8%的水體，其透明度大于水深.這是因為上海城市公園綠地景觀水體多為封閉型人造水體，部分水體常出于景觀要求而追求“清澈見底”的效果，一旦水體出現(xiàn)渾濁或透明度太低便采取人工換水措施，從而保證水體的“見底”效果.關(guān)于水體透明度影響因子的分析，將不包括上述這部分水體.

圖2 城市公園綠地景觀水體水深與透明度頻度分布圖Fig.2 Distribution of depth and transparency frequency of urban landscape water bodies in parks and public green space

2.2 透明度與光衰減系數(shù)的關(guān)系

透明度和光學(xué)衰減系數(shù)之間存在良好的相關(guān)性（R＝0.623，p＜0.001），呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（見圖3），兩者之間的關(guān)系可通過方程擬合表示為

式中，Kd為光學(xué)衰減系數(shù)（m－1），ST 為透明度（m）.

圖3 水體透明度與光衰減系數(shù)的關(guān)系Fig.3 Relationship between water transparency and light attenuation coefficient

2.3 透明度的主要影響因子及其相關(guān)性

2.3.1 水質(zhì)綜合因子——內(nèi)梅羅指數(shù)

全市內(nèi)梅羅指數(shù)分布范圍為0.52～2.78，平均值為1.2，大于標(biāo)準(zhǔn)值（內(nèi)梅羅指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值＝1），其中67.9%的內(nèi)梅羅指數(shù)小于1，表明近三分之二的水體水質(zhì)綜合情況良好（見圖4）.

圖4 城市公園綠地景觀水體內(nèi)梅羅指數(shù)頻度分布圖Fig.4 Distribution of Nemerow Pollution Index frequency of urban landscape water bodies in parks and public green space

2.3.2 水質(zhì)各單因子指標(biāo)間的相關(guān)性

相關(guān)性分析表明，懸浮物與總磷呈極顯著正相關(guān)（p＜0.01），與銨態(tài)氮也呈顯著正相關(guān)（p＜0.05）；葉綠素a與總磷、CODCr呈極顯著正相關(guān)（p＜0.01）；總磷與懸浮物、葉綠素a、總氮、CODCr呈極顯著正相關(guān)（p＜0.01）；銨態(tài)氮與總磷呈極顯著正相關(guān)（p＜0.01），與懸浮物、CODCr呈顯著正相關(guān)（p＜0.05）（見表3）.

表3 水質(zhì)各單因子指標(biāo)間的相關(guān)性Tab.3 R statistics of linear regression analysis among each single water quality indices

2.3.3 透明度與水質(zhì)的關(guān)系

將透明度與所測各水質(zhì)單因子指標(biāo)和綜合因子指標(biāo)內(nèi)梅羅指數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果顯示，透明度與懸浮物和總磷呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)（p＜0.01），與葉綠素a、銨態(tài)氮呈顯著負(fù)相關(guān)（p＜0.05），與溶解態(tài)總磷、總氮、銨態(tài)氮、CODCr、溶解性有機(jī)物、溶解性無機(jī)物及內(nèi)梅羅指數(shù)均未表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性，說明上海城市公園綠地景觀水體的透明度主要受懸浮物、葉綠素a、總磷和銨態(tài)氮的影響（見表4）.

透明度與各單因子指標(biāo)線性回歸的結(jié)果表明，懸浮物對透明度的影響權(quán)重最大（見表5）.

表4 透明度與各環(huán)境因子的相關(guān)性Tab.4 Correlation between transparency and environmental factors

表5 透明度與各影響因子的線性回歸方程Tab.5 Linear Regression Equation between water transparency and each impact factors

3 討 論

3.1 城市公園綠地景觀水體透明度的推定

水體透明度與光衰減系數(shù)同為反映水體光學(xué)特征的重要參數(shù)，能反映水體水下光場的分布情況［11］，其大小受太陽光線在水下的傳輸和分布影響.太陽光線在水下的傳輸和分布主要受制于4種物質(zhì)：非生物懸浮顆粒、浮游植物、溶解性有機(jī)物和純水［9］，其對光照的衰減主要通過吸收和散射效應(yīng)實現(xiàn).吸收效應(yīng)是由水體中的水分子、溶解性物質(zhì)、浮游植物和懸浮顆粒對光的直接吸收產(chǎn)生的；散射效應(yīng)則主要是由水分子、浮游生物和懸浮顆粒對光的散射使光束偏離原來的路徑而造成光能損失.水體透明度和光衰減系數(shù)反映的是二者總效應(yīng)，光照在水下受衰減程度越高，水體的光衰減系數(shù)越大，水體透明度越低.

已有對自然水體中水體透明度與光衰減系數(shù)之間關(guān)系的研究表明，二者常常成反比關(guān)系并存在一定的經(jīng)驗關(guān)系［7，11，13－17］.本研究中水體光衰減系數(shù)與透明度亦呈反比關(guān)系，與國內(nèi)外許多學(xué)者關(guān)于二者關(guān)系的研究結(jié)果相符合［13－17］.故通過水下光量子儀的實測和光衰減系數(shù)的計算，并應(yīng)用本研究所建立的透明度與光衰減系數(shù)的經(jīng)驗關(guān)系，可間接推算透明度，為透明度大于水深的城市景觀水體透明度的推定提供了可能.

3.2 城市公園綠地景觀水體透明度的改善

懸浮物是導(dǎo)致上海城市公園綠地景觀水體透明度下降的主導(dǎo)影響因子，主要通過對入射光的吸收和散射過程來增加對光輻射程度的衰減.懸浮物常包括有機(jī)懸浮顆粒物和無機(jī)懸浮顆粒物，有機(jī)懸浮顆粒物常來源于水體中的浮游藻類、浮游動物殘屑等［18］；無機(jī)懸浮顆粒物在自然水體中常常來源于底泥的再懸浮作用［13，19］.

本研究中葉綠素a與水體透明度呈顯著負(fù)相關(guān)，表明浮游藻類是造成城市公園綠地景觀水體透明度下降的主要原因，其大量繁殖增強(qiáng)了對光的吸收和散射，并阻礙光線在水體中的傳播，增加對光衰減的貢獻(xiàn)率，從而降低水體透明度［20－22］.總磷和銨態(tài)氮引起水體中藻類的大量增長，是影響水體透明度的間接因子.這種狀況在許多大型自然湖泊中也較為常見，如美國 Apopka湖［20］、Salton Sea［22］、云南撫仙湖［23］、滇池［24］、江蘇太湖［7，12，13］、杭州西湖［25］和上海淀山湖［26］等.透明度與各影響因子的線性回歸方程表明，懸浮物與水體透明度的相關(guān)性大于浮游藻類，可認(rèn)為浮游動物殘屑和無機(jī)懸浮顆粒物對水體透明度的影響也不可忽略，這有待于在今后的研究中進(jìn)一步驗證.因此改善水質(zhì)，提高水體透明度可從總懸浮物的控制入手，主要包括減少無機(jī)懸浮顆粒物的再懸浮和抑制浮游藻類生長兩個方面.以夏季型苦草、金魚藻與冬季型菹草等鄉(xiāng)土沉水植物為主的“水下森林”的構(gòu)建［27］，既可通過植株對無機(jī)懸浮顆粒物的阻擋沉降及吸附作用，減少水體的無機(jī)懸浮顆粒物，又可通過對水體營養(yǎng)鹽的吸收、轉(zhuǎn)化、積累作用降低水體富營養(yǎng)化程度，抑制浮游藻類的大量生長［28］，起到改善水質(zhì)并有效提高城市公園綠地景觀水體透明度的效果，同時結(jié)合目前已廣泛應(yīng)用于城市公園綠地景觀水體的挺水和浮水植物，建成“挺水—浮水—沉水”立體式水體綠化結(jié)構(gòu)，為建成可自循環(huán)、自維持、健康的水系生態(tài)系統(tǒng)打下生命基礎(chǔ)［2，3，28］.

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Influencing factors of water transparency in landscape water bodies of parks and public green space，Shanghai

YU Li-fan1， SHI Miao-xiao2， DA Liang－jun1，3， YAN Xiao4， YIN Jun-guang1，5

（1.Department of Environment Science，East China Normal University，Shanghai 200062，China；2.Department of Chemistry，Biology and Agronomy，Anshun University，Anshun Guizhou 561000，China；3.Shanghai Key Lab for Urban Ecological Processes and Eco-Restoration，East China Normal University，Shanghai 200062，China；4.Shanghai Riverside Forest Park，Shanghai 200136，China；5.Kunshan Environmental Protection Bureau，Kunshan Jiangsu 215300，China）

water transparency； light attenuation coefficient； suspended matter； phytoplankton

X37

A

10.3969／j.issn.1000-5641.2012.04.014

1000-5641（2012）04-0112-08

2011-03

上海市科委科技支撐項目（08DZ1203101，08DZ1203102）；上海市科技興農(nóng)重點攻關(guān)項目（滬農(nóng)科攻字（2007）第1～4號）

余麗凡，女，碩士研究生.

達(dá)良俊，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為植被生態(tài)學(xué)與城市生態(tài)學(xué).E-mail：ljda＠des.ecnu.edu.cn.