不同水體中葉綠素a與氮磷濃度關(guān)系及富營(yíng)養(yǎng)化研究

何為媛 王莉瑋 王春麗

摘要：過(guò)量的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入到水體中導(dǎo)致藻類(lèi)大量繁殖，造成水體富營(yíng)養(yǎng)化。葉綠素a是富營(yíng)養(yǎng)化常見(jiàn)的響應(yīng)指標(biāo)，是藻類(lèi)光合作用的主要物質(zhì)。該文綜述了國(guó)內(nèi)不同水體中葉綠素a與氮、磷濃度相關(guān)關(guān)系，對(duì)其富營(yíng)養(yǎng)化狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)狀況的豐欠與水體理化性質(zhì)有關(guān)，在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，對(duì)未來(lái)富營(yíng)養(yǎng)化研究方向進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析和展望。

關(guān)鍵詞：葉綠素a;總氮;總磷;相關(guān)分析;富營(yíng)養(yǎng)化

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類(lèi)活動(dòng)不可避免的對(duì)河流、湖泊、海洋等水體造成影響，各種水環(huán)境問(wèn)題不斷發(fā)生。過(guò)量的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的輸入已大大超出了水體能夠正常承載的范圍，使得藻類(lèi)等浮游植物和部分浮游動(dòng)物大量繁殖，造成水體富營(yíng)養(yǎng)化等一系列環(huán)境問(wèn)題[1-3]。研究表明，富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象受多種環(huán)境因子影響[4]，其中氮、磷作為浮游植物賴(lài)以生長(zhǎng)的重要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，參與光能轉(zhuǎn)化代謝過(guò)程，是最為重要的2個(gè)因素[5-7]。而葉綠素a（CHL-a）是藻類(lèi)光合作用的主要物質(zhì)，也是利用太陽(yáng)光能把無(wú)機(jī)物轉(zhuǎn)化為有機(jī)物的關(guān)鍵物質(zhì)，是富營(yíng)養(yǎng)化常見(jiàn)的響應(yīng)指標(biāo)。可以利用葉綠素a來(lái)評(píng)估藻類(lèi)生長(zhǎng)狀況[8-9]，反映水體理化性質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化和水體富營(yíng)養(yǎng)化狀況[10]。

然而，水體中氮、磷的濃度與藻類(lèi)的繁殖并不總是呈正比，而是表現(xiàn)出非常復(fù)雜的關(guān)系。營(yíng)養(yǎng)元素的形態(tài)不同，所表現(xiàn)出的地球化學(xué)行為也就不同，并且在生物地球化學(xué)循環(huán)中所起的作用也不同。氮、磷的形態(tài)、濃度和空間分布的差異性會(huì)對(duì)藻類(lèi)生長(zhǎng)產(chǎn)生不同的影響[11，12]，同時(shí)，葉綠素a濃度可能還受溫度、光照、水量和流速等水動(dòng)力條件與特征的影響[13]。因此，葉綠素a與氮、磷濃度的相關(guān)關(guān)系因水體不同呈現(xiàn)明顯的差異性。

研究葉綠素a與氮、磷濃度的關(guān)系，對(duì)認(rèn)識(shí)水體富營(yíng)養(yǎng)化的形成機(jī)理及其影響因素之間的相互關(guān)系有重要意義[14，15]，也可為水體富營(yíng)養(yǎng)化防治及水體水生態(tài)管理提供參考依據(jù)。

1 富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)方法

國(guó)內(nèi)外關(guān)于水體富營(yíng)養(yǎng)化程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)很多，不同評(píng)價(jià)方法所選取的參照因子也不相同。目前通用的富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)方法主要有5種：?jiǎn)我蜃雍吭u(píng)價(jià)法、綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法[16]、基于營(yíng)養(yǎng)鹽限制性的潛在性富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)法[17]、美國(guó)河口營(yíng)養(yǎng)狀況評(píng)價(jià)法（ASSETS）[18]和歐盟綜合評(píng)價(jià)法（OSPAR-COMPP）[19]。其中美國(guó)和歐盟的2種方法所涉及到的評(píng)價(jià)指標(biāo)較多，能夠較為全面地評(píng)估導(dǎo)致富營(yíng)養(yǎng)化的因素及其可能引起的各種富營(yíng)養(yǎng)化癥狀，較基于單一的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)指標(biāo)的評(píng)價(jià)方法有一定的優(yōu)越性。由于我國(guó)河流和近岸海域環(huán)境監(jiān)測(cè)資料的不完整，尚不能完全應(yīng)用以上2種評(píng)價(jià)方法。故選取葉綠素a濃度作為檢驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)，參照美國(guó)環(huán)?？偸穑║SEPA）有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)：[ρ]（Chl-a）>10mg·m-3，富營(yíng)養(yǎng)化;4mg·m-3<[ρ]（Chl-a）<10mg·m-3，中營(yíng)養(yǎng)化;[ρ]（Chl-a）<4mg·m-3，貧營(yíng)養(yǎng)化，進(jìn)行不同水體的富營(yíng)養(yǎng)化程度的劃分。

但在實(shí)際環(huán)境中，河流、湖泊、海洋等不同水體的水動(dòng)力條件與特征存在明顯差異，對(duì)于評(píng)價(jià)不同水體的富營(yíng)養(yǎng)化程度的方法也不應(yīng)一概而論。根據(jù)《湖泊富營(yíng)養(yǎng)調(diào)查規(guī)范（第2版）》的標(biāo)準(zhǔn)，采用0～100的連續(xù)數(shù)值對(duì)湖泊營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行分類(lèi)，評(píng)分值<30，貧營(yíng)養(yǎng);（30，50），中營(yíng)養(yǎng);（50，60），輕度富營(yíng)養(yǎng)化;（60，70），中度富營(yíng)養(yǎng)化;評(píng)分值>70，重度富營(yíng)養(yǎng)化。河流、湖泊、海洋都應(yīng)根據(jù)各自水體特征，設(shè)置明確的關(guān)鍵性因素指標(biāo)，對(duì)單一水體制定更為切合的富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，以便為富營(yíng)養(yǎng)化監(jiān)控和水環(huán)境的治理提供參考依據(jù)。

2 國(guó)內(nèi)不同水體中葉綠素a與氮磷濃度關(guān)系及富營(yíng)養(yǎng)化狀況評(píng)價(jià)

根據(jù)美國(guó)環(huán)保總署（USEPA）有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，選取所考察的葉綠素a濃度作為檢驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)，考察國(guó)內(nèi)不同水體中葉綠素a與氮、磷濃度相關(guān)關(guān)系，對(duì)其富營(yíng)養(yǎng)化狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果如表1所示。

區(qū)銘亮等[20]研究表明，鄱陽(yáng)湖2009年9月水體中氮磷鹽與葉綠素a相關(guān)性最好，大量營(yíng)養(yǎng)鹽的排入驅(qū)動(dòng)葉綠素a質(zhì)量濃度的增加;7月的相關(guān)性較小;其他月份無(wú)明顯相關(guān)。說(shuō)明季節(jié)性因素不同會(huì)使葉綠素a與營(yíng)養(yǎng)鹽的相關(guān)性會(huì)發(fā)生變化。商立海等[21]分析發(fā)現(xiàn)，湖水上層（8m）葉綠素a與TP有明顯的線性相關(guān)關(guān)系（r=0.965，P<0.01），表明紅楓湖富營(yíng)養(yǎng)化主要受磷元素限制。通過(guò)計(jì)算沉積物向水體的磷釋放通量得到，紅楓湖沉積物是水體的1個(gè)重要磷源，所以需要更有力地控制流域輸入。李堃和肖莆[22]在分析巢湖水體2002～2007年水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料發(fā)現(xiàn)，當(dāng)TN在5.8～9.4mg/L及TP在0.2～0.3mg/L區(qū)間時(shí)，葉綠素a的濃度與TN、TP成負(fù)相關(guān)，這可能是由于水華爆發(fā)，藻類(lèi)對(duì)氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的需求增大有關(guān);當(dāng)TP>0.3mg/L時(shí)，葉綠素a的濃度與TP成正相關(guān)，高濃度的TP促進(jìn)藻類(lèi)生物量的進(jìn)一步提高。

我國(guó)對(duì)于河流的監(jiān)測(cè)仍停留在水質(zhì)達(dá)標(biāo)上，針對(duì)河流富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)注不及湖泊和海域。成都府南河[23]按照葉綠素a的含量標(biāo)準(zhǔn)可判定為基本屬于貧營(yíng)養(yǎng)化，但按照氮、磷含量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)已達(dá)到富營(yíng)養(yǎng)化水平。相關(guān)性分析顯示葉綠素a和TDP含量呈顯著正相關(guān)，府南河富營(yíng)養(yǎng)化的主要污染因子為磷，限制因子為氮。南京秦淮河水體葉綠素a濃度的對(duì)數(shù)與TP的對(duì)數(shù)呈正相關(guān)，氮磷比為26∶86，與氮磷比的對(duì)數(shù)呈負(fù)相關(guān)，表明磷可能是導(dǎo)致秦淮河水華暴發(fā)的主要影響因子[24]。黃鸞玉等[25]在分析黔江不同河段的水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料發(fā)現(xiàn)，葉綠素a隨TN濃度升高而升高，可見(jiàn)TN濃度決定藻類(lèi)生物量的高低，黔江TP濃度整體較低，與葉綠素a呈現(xiàn)不顯著的負(fù)相關(guān)性。在黔江的污染治理時(shí)，要首要控制氮元素。

海域水環(huán)境由于面積廣闊，水動(dòng)力條件存在較大差異。葉綠素a含量與氮磷鹽關(guān)系存在較明顯的季節(jié)性和區(qū)域性差異。北戴河夏季葉綠素a的分布受近岸水域和陸源環(huán)境影響較大，氮、磷濃度均與葉綠素a呈顯著相關(guān)[26]。河口附近海域在地表徑流和潮汐的共同作用下，使水體得到充分混合，營(yíng)養(yǎng)鹽含量豐富，有利于藻類(lèi)等浮游植物的大量繁殖，使得葉綠素a含量相對(duì)較高。周艷蕾等[27]基于2013年夏、秋季和2014年春季黃渤海海域調(diào)查數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，不同水質(zhì)參數(shù)對(duì)海水葉綠素a含量的影響相對(duì)重要性具有季節(jié)差異。夏季，對(duì)海水葉綠素a含量影響最重要是磷酸鹽和溫度;春季，對(duì)于海水葉綠素a含量影響最重要的是鹽度和溶解無(wú)機(jī)氮。蔣玫和沈新強(qiáng)[28]調(diào)查杭州灣及鄰近水域葉綠素a與氮磷鹽的關(guān)系，杭州灣與舟山漁場(chǎng)葉綠素同氨氮呈現(xiàn)良好的負(fù)相關(guān)。杭州灣強(qiáng)烈的潮汐運(yùn)動(dòng)使沉積物再懸浮，阻擋了陽(yáng)光向較深水層投射，影響了浮游植物的光合作用，因而葉綠素含量相對(duì)較低;舟山漁場(chǎng)泥沙沉降擴(kuò)散并經(jīng)外海稀釋?zhuān)沟盟w透明度提高，有利于浮游植物的生長(zhǎng)與繁殖，導(dǎo)致葉綠素a含量出現(xiàn)較高值。

通過(guò)總結(jié)前人的研究結(jié)果可以看出不同水體中葉綠素a與氮、磷濃度相關(guān)關(guān)系各不相同，甚至同一水體環(huán)境中不同區(qū)域狀況特征也存在差異。所以，探究河流、湖泊、海洋不同水環(huán)境之間的葉綠素a與氮、磷濃度的關(guān)系異同，對(duì)于認(rèn)識(shí)水體富營(yíng)養(yǎng)化的形成機(jī)理十分必要。

3 不同水體之間的葉綠素a與氮、磷濃度的關(guān)系異同

大量研究表明，水體中葉綠素a受營(yíng)養(yǎng)鹽、光照、溫度、透明度和懸浮物等多種因素的影響和控制[29]，水體富營(yíng)養(yǎng)化狀況不一定導(dǎo)致水華、赤潮的暴發(fā)，水華、赤潮暴發(fā)也不能確定水體存在富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象。我國(guó)赤潮多發(fā)區(qū)（如長(zhǎng)江口）顯示出強(qiáng)烈的季節(jié)性，雖然水質(zhì)處于貧營(yíng)養(yǎng)化水平，但在適宜的環(huán)境條件下也能夠產(chǎn)生水華。由于湖泊溫度、水深、形態(tài)及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃度不同，其富營(yíng)養(yǎng)化時(shí)水華產(chǎn)生的特點(diǎn)也存在很大差別，特別是在大型湖泊中，影響水華產(chǎn)生的因素更加復(fù)雜，僅僅依據(jù)葉綠素a與氮、磷濃度的關(guān)系來(lái)判斷水體是否處于富營(yíng)養(yǎng)化水平是不夠的。葉綠素a有明顯的季節(jié)節(jié)律和時(shí)空差異，分布格局受到湖流、風(fēng)動(dòng)等因素綜合影響。湖泊底部沉積物釋放氮磷鹽的內(nèi)源作用是控制湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵。

城市河流受人類(lèi)影響更為直接，營(yíng)養(yǎng)鹽濃度較湖泊高了1個(gè)數(shù)量級(jí)[23]。然而，吳怡等[23]的研究中也指出在相對(duì)較高的氮、磷濃度下，河流葉綠素a濃度僅為湖泊的1/10乃至1/100，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是由于河流的水動(dòng)力條件制約了浮游植物的生長(zhǎng)。營(yíng)養(yǎng)鹽的輸入對(duì)于水體富營(yíng)養(yǎng)化起到重要作用，水動(dòng)力條件也是一項(xiàng)關(guān)鍵因素。河流的快速流動(dòng)性加快了溶解氧的補(bǔ)充，對(duì)葉綠素a含量的增加有一定程度的抑制作用。河流與湖泊、海洋相比，很大的不同在于河流所接納的營(yíng)養(yǎng)鹽輸入方式更廣，隨流經(jīng)區(qū)域不同而存在較大差異，從而造成葉綠素a的時(shí)空分布差異。而當(dāng)承載高濃度營(yíng)養(yǎng)鹽的河水匯入湖泊和海洋，無(wú)疑將增加湖泊和海域的富營(yíng)養(yǎng)化壓力。

海洋水環(huán)境除了攜帶大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的河流輸入外，容易受到湍流等海水獨(dú)有的特殊水動(dòng)力條件影響。如南黃海的中部受到黃海暖流和黑潮余脈的影響形成低營(yíng)養(yǎng)鹽分布海域，限制了浮游植物的生長(zhǎng)[27]。另外，有些海域存在冷水團(tuán)，即使氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽充足，浮游植物也會(huì)因溫度低生長(zhǎng)受到抑制，進(jìn)而葉綠素a的含量較低。但是，如杭州灣東部的舟山漁場(chǎng)潮流強(qiáng)，致使水體交換較為充分，營(yíng)養(yǎng)鹽穩(wěn)定，也有利于浮游植物生長(zhǎng)和繁殖[28]。

4 研究展望

水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題日益突出，氮、磷是導(dǎo)致水體發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化的重要營(yíng)養(yǎng)元素，研究葉綠素a與總氮、總磷濃度的關(guān)系，對(duì)認(rèn)識(shí)水體富營(yíng)養(yǎng)化的機(jī)理及富營(yíng)養(yǎng)化的控制有重要意義。目前，已有研究對(duì)于不同水體的富營(yíng)養(yǎng)化狀況評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，水文調(diào)查資料不全面。因此，需進(jìn)一步加強(qiáng)以下幾個(gè)方面的研究：

（1）針對(duì)河流、湖泊、海洋等不同水體的特點(diǎn)制定更全面、更切合的富營(yíng)養(yǎng)化狀況評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，多指標(biāo)綜合考量的評(píng)判體系?？梢罁?jù)3種水環(huán)境特征建立，對(duì)不同水體采用不同的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。在采樣過(guò)程中，對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行細(xì)化，避免遺漏水文數(shù)據(jù)，影響后續(xù)進(jìn)一步的評(píng)判和監(jiān)控。

（2）對(duì)于同一水域的研究設(shè)置長(zhǎng)期觀測(cè)，以觀察季節(jié)性變化對(duì)葉綠素a含量的影響，提高富營(yíng)養(yǎng)化的治理的及時(shí)性，并在一定程度上起到預(yù)測(cè)性的作用，以便更好地進(jìn)行水污染防控和治理。

（3）除研究葉綠素a與氮、磷濃度的相關(guān)關(guān)系外，對(duì)光照、溫度、透明度和水動(dòng)力條件等因素綜合考量，為預(yù)防大規(guī)模水華的發(fā)生和湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的治理提供科學(xué)數(shù)據(jù)及決策依據(jù)。

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（責(zé)編：楊 林）