南淝河葉綠素a時空分布特征及環(huán)境因子影響分析

李 柱 郭偉杰 成水平 柴培宏 梁 威 吳振斌

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南淝河葉綠素時空分布特征及環(huán)境因子影響分析

李 柱1, 2郭偉杰1, 2成水平3柴培宏1, 2梁 威1吳振斌1

(1. 中國科學院水生生物研究所, 淡水生態(tài)與生物技術(shù)國家重點實驗室, 武漢 430072; 2.中國科學院大學, 北京 100049; 3. 同濟大學長江水環(huán)境教育部重點實驗室, 上海 200092)

浮游植物; 葉綠素; 富營養(yǎng)化; 南淝河; 城市河道; 水華

河流與人類文明、文化和歷史戚戚相關(guān), 是城市形成和發(fā)展的關(guān)鍵性資源和環(huán)境載體, 具有供水、泄洪、輸沙、自凈、景觀、航運、發(fā)電、生態(tài)等功能[1, 2]。隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市化的加速, 排入城市河流的工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活污水日益增加, 大量河網(wǎng)被切斷填埋, 河岸被大量的違章建筑所侵占, 造成河流系統(tǒng)急劇萎縮, 水質(zhì)嚴重污染, 生態(tài)系統(tǒng)嚴重破壞, 城市河流的各項功能嚴重削弱甚至喪失[3]。

南淝河是合肥市的母親河, 也是合肥主城區(qū)最大的巢湖入湖河流, 由于上游筑有董鋪水庫和中下游大量建設閘壩, 且長期接納污水及污水處理廠尾水, 導致水體流通性差, 水質(zhì)及底泥污染嚴重, 水生態(tài)系統(tǒng)嚴重退化, 時有水華暴發(fā), 河內(nèi)大型水生植物及魚類幾乎滅絕, 僅有少數(shù)耐污種存活[4]。

水體葉綠素(Chl)濃度的高低與水體浮游植物生物量密切相關(guān), 也與水環(huán)境質(zhì)量有關(guān), 是水體富營養(yǎng)化的重要指標[5]。目前, 已有大量研究利用Chl濃度來研究水體浮游植物生長及其與環(huán)境因子關(guān)系[6—10], 但受污染城市河流的相關(guān)研究較少, 南淝河相關(guān)研究尚未見報道。本文以典型受污染城市河道南淝河為研究對象, 用Chl來表征浮游植物生物量, 分析南淝河Chl的時空分布特征, 通過Chl與環(huán)境因子的相關(guān)分析和逐步回歸分析, 探討影響南淝河浮游植物時空分布的主要環(huán)境因子。最后, 通過對南淝河與其他富營養(yǎng)化水體Chl的主要影響因子進行對比, 討論了影響富營養(yǎng)化水體浮游植物的主要環(huán)境因子。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域概況及采樣點設置

南淝河流域面積1464 km2, 主干河道全長約 70 km。本研究以具有典型城市河流特征的南淝河董鋪水庫至合九鐵路橋約4.3 km河段為研究對象, 從上到下共設置8個采樣點(圖1)。該段河流寬度為20—30 m。由于上游被水庫攔截, 主要依靠雨污水及下游污水處理廠尾水補水, 水體常年處于靜止狀態(tài)。

圖1 南淝河研究河段8個采樣點位置圖

1.2 樣品采集和分析方法

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

本文所進行的方差分析、相關(guān)性分析及逐步回歸分析均使SPSS Statistics19 (SPSS Inc., Chicago, IL USA) 軟件進行。所有分析都以0.05作為顯著性置信限。

圖2 2009年8月至2012年4月南淝河采樣點Chl. a平均值的時空變化

2 結(jié)果

2.1 南淝河葉綠素a的時空分布特征

Chl.的時間分布 南淝河Chl濃度呈現(xiàn)出一定的時間差異性。從圖2可以看出, 2010年10—11月、2011年5月Chl濃度形成小高峰, 2011年7—10月Chl濃度形成大高峰。2010年4—9月葉綠素濃度要明顯低于2011年相同月份。Chl平均濃度表現(xiàn)為2011年(127.09 μg/L)>2010年(52.84 μg/L), 夏季(121.82 μg/L)>秋季(104.40 μg/L)>春季(59.48 μg/L)>冬季(55.44 μg/L)。方差分析表明不同季節(jié)Chl濃度有顯著性差異(<0.05), 夏季Chl濃度要顯著性大于春季和冬季(<0.05)。

Chl的空間分布 南淝河Chl濃度呈現(xiàn)出一定的空間差異性。2009年8月至2012年4月共32次調(diào)查的Chl平均值為83.46 μg/L, 各點Chl濃度大小依次為: 4#點(122.42 μg/L)>5#點(99.56 μg/L) >6#點(83.29 μg/L)>8#點(81.56 μg/L)>7#點(75.48 μg/L)>3#點(75.02 μg/L)>1#點(72.49 μg/L)>2#點(57.83 μg/L)。

2.2 南淝河葉綠素與環(huán)境因子相關(guān)性

表1 南淝河環(huán)境因子特征及其與Chl. a的相關(guān)系數(shù)

注:**表示極顯著相關(guān)(<0.01),*表示顯著相關(guān)(<0.05)。Rain表示采樣當天至前天總降雨量。Wind表示采樣當天至前天平均風速

Note:**indicates significance at the 0.01 level,*indicates significance at the 0.05 level. Rainmeans the total rainfall during the period from theth day before sampling to the sampling day. Windmeans the average wind speed during the period from theth day before sampling to the sampling day

表2 南淝河研究段Chl. a與各環(huán)境因子的逐步回歸分析

注: ——表示無環(huán)境因子入選/無回歸方程產(chǎn)生。N表示負相關(guān)關(guān)系

Note: —— indicates no environmental factor or regression equation.Nindicates a negative correlation

3 討論

3.1 南淝河葉綠素a與環(huán)境因子的相關(guān)性

葉綠素與氮磷營養(yǎng)鹽的關(guān)系 氮、磷營養(yǎng)鹽是影響浮游植物生長的最重要營養(yǎng)鹽種類, 其在水體中的濃度對浮游植物生長和增殖有重要影響[6, 9]。有研究認為在淡水中氮/磷比值(N/P, 質(zhì)量比)<9—13時, 氮是限制性營養(yǎng)鹽; 當N/P>17—21時, 磷是限制性營養(yǎng)鹽[13]。南淝河平均TN/TP為26.93, 因此磷可能是南淝河Chl的重要影響因子。Chl與氮、磷的相關(guān)性分析結(jié)果(表1)表明盡管南淝河TP濃度高達0.31 mg/L, Chl仍與TP正相關(guān)(=0.22,<0.01), 與各形態(tài)氮不相關(guān)。該結(jié)果說明在高TN/TP比的富營養(yǎng)化水體中, 磷濃度的增加仍可促進浮游植物生長。其他研究也證實了該結(jié)論[14, 15]。然而也有研究認為富營養(yǎng)化水體中的磷濃度已經(jīng)遠超浮游植物生長繁殖所需量, 磷濃度的增加對浮游植物無影響[16, 17]。許海等[18]室內(nèi)實驗結(jié)果表明, 當N/P為28.9時, 銅綠微囊藻和斜生柵藻在磷濃度為0.2 mg/L時已達到最大生長速率。這種相互矛盾的結(jié)果可能由于不同水體中磷的生物可利用性不同造成。數(shù)據(jù)表明在南淝河水體中作為浮游植物主要利用形態(tài)的無機磷只占總磷含量的40%, 因此南淝河水中磷的生物可利用性較低, 浮游植物對磷的需求不能充分滿足。此外, 其他環(huán)境因子也可能影響氮磷與Chl的關(guān)系。

表3 南淝河Chl. a與N/P比值的相關(guān)系數(shù)

注:*表示顯著相關(guān)(<0.05)

Note:*indicates significance at the 0.05 level

葉綠素與其他理化因子的關(guān)系 浮游植物生物量受水溫影響顯著, 因此Chl與水溫表現(xiàn)出明顯正相關(guān)關(guān)系。此外, 水溫還可影響浮游植物群落結(jié)構(gòu)[23]。Chl與COD的正相關(guān)性可能是藻類增殖引起水體有機物濃度上升導致的。根據(jù)Paerl,的研究, 水體中有機物濃度增高不是導致藍藻水華暴發(fā)的原因, 而是藍藻水華造成的結(jié)果[24]。Chl與pH的正相關(guān)關(guān)系主要是由于浮游植物光合作用吸收二氧化碳造成pH升高導致的, 該結(jié)果在許多其他研究中都被證實[14—16]。Hoyer,發(fā)現(xiàn)水中無機懸浮顆粒物的增加會導致葉綠素濃度的顯著降低[25]。然而在南淝河中Chl與TSS表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系, 說明南淝河中無機懸浮顆粒物對藻類生長影響較小, TSS增加主要是藻類大量繁殖造成的。而TSS的增加則會導致水體透明度降低, 因此南淝河Chl與SD呈負相關(guān)關(guān)系。Chl濃度與水深呈負相關(guān)關(guān)系表明低水位有利于浮游植物生長。該推論在其他研究得到證實[26, 27]。原因可能為低水位位點的沉積物受外力干擾較大, 營養(yǎng)鹽更容易向水體釋放, 從而促進浮游植物生長。

葉綠素與氣象因子的關(guān)系 對南淝河Chl與采樣當天及采樣前的降雨量進行相關(guān)性分析表明, Chl濃度與Rain3和Rain4有極顯著性負相關(guān)關(guān)系(<0.01)(表4), 與Rain4相關(guān)性最大(= –0.175,0.01)。這說明浮游植物對降雨對的響應有一定的滯后效應, 采樣前4天的總降雨量對浮游植物生長影響最大。南淝河Chl與降雨量的負相關(guān)關(guān)系可能是由兩方面原因造成的: 一方面, 南淝河營養(yǎng)鹽負荷過高, 不需要降雨帶來的營養(yǎng)鹽即可充足供應浮游植物生長, 降雨帶來高濃度氨氮反而會抑制浮游植物生長; 另一方面, 降雨產(chǎn)生的地表徑流對浮游植物生長造成沖擊, 稀釋了浮游植物濃度, 導致水體浮游植物濃度降低。

表4 南淝河Chl. a與降雨量及風速的相關(guān)系數(shù)

注:**表示極顯著相關(guān)(<0.01),*表示顯著相關(guān)(<0.05)。Rain表示采樣當天至前天總降雨量。Wind表示采樣當天至前天平均風速

Note:**indicates significance at the 0.01 level,*indicates significance at the 0.05 level. Rainmeans the total rainfall during the period from theth day before sampling to the sampling day. Windmeans the average wind speed during the period from theth day before sampling to the sampling day

有研究表明當風速小于臨界風速3 m/s時不會引起波浪, 此時浮游植物在水表面順著風向遷移[28]。本研究32次采樣中有27次合肥日均風速小于3 m/s, 說明風場對南淝河浮游植物的作用主要是導致河中心浮游植物向岸邊遷移。相關(guān)性分析表明南淝河Chl濃度與日均風速有顯著性負相關(guān)關(guān)系(表 4), 這可能是風場引起浮游植物遷移而導致河心采樣點處Chl濃度降低造成的。而Chl濃度與Wind3相關(guān)性最大(= –0.268,0.01), 說明浮游植物對風速的響應有一定的滯后效應。Gao,[29]的研究也發(fā)現(xiàn)Chl與1—3 d前風速相關(guān)性最大。相關(guān)性分析結(jié)果顯示W(wǎng)ind3只與2#、3#、4#點Chl濃度有顯著性關(guān)系(<0.05), 相關(guān)系數(shù)分別為–0.37、–0.36、–0.35。這說明風場對各點Chl的作用具有差異性, 主要是由于各點的不同地形特點對風場形成的影響造成的。

3.2 南淝河Chl. a時空分布特點與環(huán)境因子的關(guān)系

南淝河Chl時間分布特點與環(huán)境因子的關(guān)系 Chl濃度的年度變化與水溫的動態(tài)變化密切相關(guān)。杜曉明等[23]研究表明, 水溫在15℃時, 硅、藍、綠藻的種群數(shù)基本相同; 20—25℃時, 藍、綠藻大量發(fā)育, 尤以綠藻為甚; 30—40℃時, 藍藻進一步發(fā)育, 綠藻減少, 藍藻占絕對優(yōu)勢。從圖3可以看出, 1—3月南淝河Chl濃度較低, 這是由于此時水溫低于15℃, 只有少量寒水性種類生長。4—5月水溫逐漸升高, 達到22℃, 這期間浮游植物大量增殖, 硅藻、綠藻等溫水性種類生物量達到最大, 導致Chl濃度在5月份出現(xiàn)一個小高峰。 Chl濃度在8—11月份出現(xiàn)了較長時間的高峰, 6—8月水溫繼續(xù)升高, 在8月達到峰值32℃, 這期間藍藻迅速增殖占主導地位, 甚至暴發(fā)水華。9—10月水溫雖然開始下降, 但仍高于20℃, 仍有利于溫水性種類的生長。11—12月 Chl濃度降低, 水溫降至15℃以下, 浮游植物生長受抑制。南淝河Chl濃度年間差異的主要受降雨影響。由于2010年多雨水(2010年4月至9月采樣前均有降雨, 合肥總降雨量為940.82 mm), 而2011年雨水較少(只有6月份采樣前有降雨, 合肥總降雨量為642.59 mm), 因此造成2011年Chl濃度要顯著性高于2010年(<0.05)。

圖 3 2009年8月至2012年4月南淝河采樣點水溫和Chl. a每月平均值的變化

3.3 南淝河與其他富營養(yǎng)化水體Chl. a的主要影響因子比較

將南淝河與其他富營養(yǎng)化水體影響Chl的主要環(huán)境因子進行對比(表5)發(fā)現(xiàn), Chl與各環(huán)境因子有十分復雜的相互作用關(guān)系。如DO、pH等因子雖已被公認為是受浮游植物影響的被動因子, 但其與Chl的關(guān)系在不同水體中有巨大差異, 氮磷營養(yǎng)鹽與Chl的關(guān)系在不同水體中也表現(xiàn)出不同特點。此外, 在不同水體中影響Chl的主要環(huán)境因子有很大差異。這主要是由于水生態(tài)系統(tǒng)的復雜性和不同水體理化特征不同造成的。盡管如此, 從表5仍可看出, 除秦淮河與香溪河由于研究時間過短無法顯示出水溫變化對Chl的影響外, 在所有水體中水溫均是影響Chl變化的最重要因子。此外, 還可看出在富營養(yǎng)化水體中氮磷比對Chl仍有重要影響, 只有當水體氮磷營養(yǎng)鹽極度過剩(蘇州河)才會造成氮磷比對Chl失效。如雖然南淝河、秦淮河、西湖、淀山湖富營養(yǎng)化程度不一, 但較高氮磷比(>14)都會引起磷的相對不足從而導致Chl與磷濃度表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。而當?shù)妆冉档偷揭欢ǔ潭葧r(<7)水體則表現(xiàn)出氮缺乏。如在香溪河庫灣由于氮濃度相對不足, 浮游植物生長所消耗的氮無法得到及時補充, Chl與TN表現(xiàn)出負相關(guān)關(guān)系。此外, 硫酸鹽、硅酸鹽、水生動植物、降雨、風速等其他環(huán)境因子對Chl也發(fā)揮重要作用, 甚至可影響氮磷比與Chl的關(guān)系。如在氮磷濃度較低的千島湖, 由于2000年以來大量放養(yǎng)濾食性魚類, 導致水體雖然氮磷比很高(>90)但Chl與TP相關(guān)性不強。

表5 南淝河與其他富營養(yǎng)化水體影響Chl. a的主要環(huán)境因子比較

注: ——表示無準確數(shù)據(jù)。+, –和0分別代表正、負和無相關(guān)性。WT: 水溫, Cond: 電導率, SD: 透明度

Note: —— indicates no exact figures. +, – and 0 indicates a positive, negative and no correlation respectively. WT: water temperature. Cond: conductivity. SD:Secci depth

4 小結(jié)

對南淝河與其他富營養(yǎng)化水體影響Chl的主要影響因子進行比較, 結(jié)果表明水溫是影響Chl的最重要因子, 在富營養(yǎng)水體中氮磷比仍然對Chl有重要影響, 此外硅酸鹽、硫酸鹽、降雨、風速、生物因子等其他環(huán)境因子均對富營養(yǎng)化水體Chl有影響。

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The spatial and temporal distribution of chlorophyll-and its correlation with environmental factors in the Nanfeihe River

LI Zhu1, 2, GUO Wei-jie1, 2, CHENG Shui-ping3, CHAI Pei-hong1, 2, LIANG Wei1and WU Zhen-bin1

(1. State Key Laboratory of Freshwater Ecology and Biotechnology, Institute of Hydrobiology, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430072, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. Key Laboratory of Yangtze River Water Environment, Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 200092, China)

Phytoplankton; Chlorophyll-; Eutrophication; Nanfeihe River; Urban river; Water bloom

2013-01-31;

2013-12-17

國家水體污染控制與治理科技重大專項項目(2008ZX07316-004、2011ZX07303-002)資助

李柱(1985—)男, 湖南岳陽人; 博士研究生; 主要研究方向為植物修復和生態(tài)工程。E-mail: lizhu1985@foxmail.com

吳振斌, 男, 研究員; E-mail: wuzb@ihb.ac.cn; 成水平, 男, 教授; E-mail: shpcheng@yahoo.com.cn

Q142

A

1000-3207(2014)02-0342-09

10.7541/2014.49