南淝河叶绿素a时空分布特征及环境因子影响分析

李 柱 郭伟杰 成水平 柴培宏 梁 威 吴振斌



南淝河叶绿素时空分布特征及环境因子影响分析

李 柱1, 2郭伟杰1, 2成水平3柴培宏1, 2梁 威1吴振斌1

(1. 中国科学院水生生物研究所, 淡水生态与生物技术国家重点实验室, 武汉 430072; 2.中国科学院大学, 北京 100049; 3. 同济大学长江水环境教育部重点实验室, 上海 200092)

浮游植物; 叶绿素; 富营养化; 南淝河; 城市河道; 水华

河流与人类文明、文化和历史戚戚相关, 是城市形成和发展的关键性资源和环境载体, 具有供水、泄洪、输沙、自净、景观、航运、发电、生态等功能[1, 2]。随着社会经济的快速发展和城市化的加速, 排入城市河流的工业、农业、生活污水日益增加, 大量河网被切断填埋, 河岸被大量的违章建筑所侵占, 造成河流系统急剧萎缩, 水质严重污染, 生态系统严重破坏, 城市河流的各项功能严重削弱甚至丧失[3]。

南淝河是合肥市的母亲河, 也是合肥主城区最大的巢湖入湖河流, 由于上游筑有董铺水库和中下游大量建设闸坝, 且长期接纳污水及污水处理厂尾水, 导致水体流通性差, 水质及底泥污染严重, 水生态系统严重退化, 时有水华暴发, 河内大型水生植物及鱼类几乎灭绝, 仅有少数耐污种存活[4]。

水体叶绿素(Chl)浓度的高低与水体浮游植物生物量密切相关, 也与水环境质量有关, 是水体富营养化的重要指标[5]。目前, 已有大量研究利用Chl浓度来研究水体浮游植物生长及其与环境因子关系[6—10], 但受污染城市河流的相关研究较少, 南淝河相关研究尚未见报道。本文以典型受污染城市河道南淝河为研究对象, 用Chl来表征浮游植物生物量, 分析南淝河Chl的时空分布特征, 通过Chl与环境因子的相关分析和逐步回归分析, 探讨影响南淝河浮游植物时空分布的主要环境因子。最后, 通过对南淝河与其他富营养化水体Chl的主要影响因子进行对比, 讨论了影响富营养化水体浮游植物的主要环境因子。

1 研究方法

1.1 研究区域概况及采样点设置

南淝河流域面积1464 km2, 主干河道全长约 70 km。本研究以具有典型城市河流特征的南淝河董铺水库至合九铁路桥约4.3 km河段为研究对象, 从上到下共设置8个采样点(图1)。该段河流宽度为20—30 m。由于上游被水库拦截, 主要依靠雨污水及下游污水处理厂尾水补水, 水体常年处于静止状态。

图1 南淝河研究河段8个采样点位置图

1.2 样品采集和分析方法

1.3 数据分析方法

本文所进行的方差分析、相关性分析及逐步回归分析均使SPSS Statistics19 (SPSS Inc., Chicago, IL USA) 软件进行。所有分析都以0.05作为显著性置信限。

图2 2009年8月至2012年4月南淝河采样点Chl. a平均值的时空变化

2 结果

2.1 南淝河叶绿素a的时空分布特征

Chl.的时间分布 南淝河Chl浓度呈现出一定的时间差异性。从图2可以看出, 2010年10—11月、2011年5月Chl浓度形成小高峰, 2011年7—10月Chl浓度形成大高峰。2010年4—9月叶绿素浓度要明显低于2011年相同月份。Chl平均浓度表现为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节Chl浓度有显著性差异(<0.05), 夏季Chl浓度要显著性大于春季和冬季(<0.05)。

Chl的空间分布 南淝河Chl浓度呈现出一定的空间差异性。2009年8月至2012年4月共32次调查的Chl平均值为83.46 μg/L, 各点Chl浓度大小依次为: 4#点(122.42 μg/L)>5#点(99.56 μg/L) >6#点(83.29 μg/L)>8#点(81.56 μg/L)>7#点(75.48 μg/L)>3#点(75.02 μg/L)>1#点(72.49 μg/L)>2#点(57.83 μg/L)。

2.2 南淝河叶绿素与环境因子相关性

表1 南淝河环境因子特征及其与Chl. a的相关系数

注:**表示极显著相关(<0.01),*表示显著相关(<0.05)。Rain表示采样当天至前天总降雨量。Wind表示采样当天至前天平均风速

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与各环境因子的逐步回归分析

注: ——表示无环境因子入选/无回归方程产生。N表示负相关关系

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

3 讨论

3.1 南淝河叶绿素a与环境因子的相关性

叶绿素与氮磷营养盐的关系 氮、磷营养盐是影响浮游植物生长的最重要营养盐种类, 其在水体中的浓度对浮游植物生长和增殖有重要影响[6, 9]。有研究认为在淡水中氮/磷比值(N/P, 质量比)<9—13时, 氮是限制性营养盐; 当N/P>17—21时, 磷是限制性营养盐[13]。南淝河平均TN/TP为26.93, 因此磷可能是南淝河Chl的重要影响因子。Chl与氮、磷的相关性分析结果(表1)表明尽管南淝河TP浓度高达0.31 mg/L, Chl仍与TP正相关(=0.22,<0.01), 与各形态氮不相关。该结果说明在高TN/TP比的富营养化水体中, 磷浓度的增加仍可促进浮游植物生长。其他研究也证实了该结论[14, 15]。然而也有研究认为富营养化水体中的磷浓度已经远超浮游植物生长繁殖所需量, 磷浓度的增加对浮游植物无影响[16, 17]。许海等[18]室内实验结果表明, 当N/P为28.9时, 铜绿微囊藻和斜生栅藻在磷浓度为0.2 mg/L时已达到最大生长速率。这种相互矛盾的结果可能由于不同水体中磷的生物可利用性不同造成。数据表明在南淝河水体中作为浮游植物主要利用形态的无机磷只占总磷含量的40%, 因此南淝河水中磷的生物可利用性较低, 浮游植物对磷的需求不能充分满足。此外, 其他环境因子也可能影响氮磷与Chl的关系。

表3 南淝河Chl. a与N/P比值的相关系数

注:*表示显著相关(<0.05)

Note:*indicates significance at the 0.05 level

叶绿素与其他理化因子的关系 浮游植物生物量受水温影响显著, 因此Chl与水温表现出明显正相关关系。此外, 水温还可影响浮游植物群落结构[23]。Chl与COD的正相关性可能是藻类增殖引起水体有机物浓度上升导致的。根据Paerl,的研究, 水体中有机物浓度增高不是导致蓝藻水华暴发的原因, 而是蓝藻水华造成的结果[24]。Chl与pH的正相关关系主要是由于浮游植物光合作用吸收二氧化碳造成pH升高导致的, 该结果在许多其他研究中都被证实[14—16]。Hoyer,发现水中无机悬浮颗粒物的增加会导致叶绿素浓度的显著降低[25]。然而在南淝河中Chl与TSS表现出正相关关系, 说明南淝河中无机悬浮颗粒物对藻类生长影响较小, TSS增加主要是藻类大量繁殖造成的。而TSS的增加则会导致水体透明度降低, 因此南淝河Chl与SD呈负相关关系。Chl浓度与水深呈负相关关系表明低水位有利于浮游植物生长。该推论在其他研究得到证实[26, 27]。原因可能为低水位位点的沉积物受外力干扰较大, 营养盐更容易向水体释放, 从而促进浮游植物生长。

叶绿素与气象因子的关系 对南淝河Chl与采样当天及采样前的降雨量进行相关性分析表明, Chl浓度与Rain3和Rain4有极显著性负相关关系(<0.01)(表4), 与Rain4相关性最大(= –0.175,0.01)。这说明浮游植物对降雨对的响应有一定的滞后效应, 采样前4天的总降雨量对浮游植物生长影响最大。南淝河Chl与降雨量的负相关关系可能是由两方面原因造成的: 一方面, 南淝河营养盐负荷过高, 不需要降雨带来的营养盐即可充足供应浮游植物生长, 降雨带来高浓度氨氮反而会抑制浮游植物生长; 另一方面, 降雨产生的地表径流对浮游植物生长造成冲击, 稀释了浮游植物浓度, 导致水体浮游植物浓度降低。

表4 南淝河Chl. a与降雨量及风速的相关系数

注:**表示极显著相关(<0.01),*表示显著相关(<0.05)。Rain表示采样当天至前天总降雨量。Wind表示采样当天至前天平均风速

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

有研究表明当风速小于临界风速3 m/s时不会引起波浪, 此时浮游植物在水表面顺着风向迁移[28]。本研究32次采样中有27次合肥日均风速小于3 m/s, 说明风场对南淝河浮游植物的作用主要是导致河中心浮游植物向岸边迁移。相关性分析表明南淝河Chl浓度与日均风速有显著性负相关关系(表 4), 这可能是风场引起浮游植物迁移而导致河心采样点处Chl浓度降低造成的。而Chl浓度与Wind3相关性最大(= –0.268,0.01), 说明浮游植物对风速的响应有一定的滞后效应。Gao,[29]的研究也发现Chl与1—3 d前风速相关性最大。相关性分析结果显示Wind3只与2#、3#、4#点Chl浓度有显著性关系(<0.05), 相关系数分别为–0.37、–0.36、–0.35。这说明风场对各点Chl的作用具有差异性, 主要是由于各点的不同地形特点对风场形成的影响造成的。

3.2 南淝河Chl. a时空分布特点与环境因子的关系

南淝河Chl时间分布特点与环境因子的关系 Chl浓度的年度变化与水温的动态变化密切相关。杜晓明等[23]研究表明, 水温在15℃时, 硅、蓝、绿藻的种群数基本相同; 20—25℃时, 蓝、绿藻大量发育, 尤以绿藻为甚; 30—40℃时, 蓝藻进一步发育, 绿藻减少, 蓝藻占绝对优势。从图3可以看出, 1—3月南淝河Chl浓度较低, 这是由于此时水温低于15℃, 只有少量寒水性种类生长。4—5月水温逐渐升高, 达到22℃, 这期间浮游植物大量增殖, 硅藻、绿藻等温水性种类生物量达到最大, 导致Chl浓度在5月份出现一个小高峰。 Chl浓度在8—11月份出现了较长时间的高峰, 6—8月水温继续升高, 在8月达到峰值32℃, 这期间蓝藻迅速增殖占主导地位, 甚至暴发水华。9—10月水温虽然开始下降, 但仍高于20℃, 仍有利于温水性种类的生长。11—12月 Chl浓度降低, 水温降至15℃以下, 浮游植物生长受抑制。南淝河Chl浓度年间差异的主要受降雨影响。由于2010年多雨水(2010年4月至9月采样前均有降雨, 合肥总降雨量为940.82 mm), 而2011年雨水较少(只有6月份采样前有降雨, 合肥总降雨量为642.59 mm), 因此造成2011年Chl浓度要显著性高于2010年(<0.05)。

图 3 2009年8月至2012年4月南淝河采样点水温和Chl. a每月平均值的变化

3.3 南淝河与其他富营养化水体Chl. a的主要影响因子比较

将南淝河与其他富营养化水体影响Chl的主要环境因子进行对比(表5)发现, Chl与各环境因子有十分复杂的相互作用关系。如DO、pH等因子虽已被公认为是受浮游植物影响的被动因子, 但其与Chl的关系在不同水体中有巨大差异, 氮磷营养盐与Chl的关系在不同水体中也表现出不同特点。此外, 在不同水体中影响Chl的主要环境因子有很大差异。这主要是由于水生态系统的复杂性和不同水体理化特征不同造成的。尽管如此, 从表5仍可看出, 除秦淮河与香溪河由于研究时间过短无法显示出水温变化对Chl的影响外, 在所有水体中水温均是影响Chl变化的最重要因子。此外, 还可看出在富营养化水体中氮磷比对Chl仍有重要影响, 只有当水体氮磷营养盐极度过剩(苏州河)才会造成氮磷比对Chl失效。如虽然南淝河、秦淮河、西湖、淀山湖富营养化程度不一, 但较高氮磷比(>14)都会引起磷的相对不足从而导致Chl与磷浓度表现出正相关关系。而当氮磷比降低到一定程度时(<7)水体则表现出氮缺乏。如在香溪河库湾由于氮浓度相对不足, 浮游植物生长所消耗的氮无法得到及时补充, Chl与TN表现出负相关关系。此外, 硫酸盐、硅酸盐、水生动植物、降雨、风速等其他环境因子对Chl也发挥重要作用, 甚至可影响氮磷比与Chl的关系。如在氮磷浓度较低的千岛湖, 由于2000年以来大量放养滤食性鱼类, 导致水体虽然氮磷比很高(>90)但Chl与TP相关性不强。

表5 南淝河与其他富营养化水体影响Chl. a的主要环境因子比较

注: ——表示无准确数据。+, –和0分别代表正、负和无相关性。WT: 水温, Cond: 电导率, 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 小结

对南淝河与其他富营养化水体影响Chl的主要影响因子进行比较, 结果表明水温是影响Chl的最重要因子, 在富营养水体中氮磷比仍然对Chl有重要影响, 此外硅酸盐、硫酸盐、降雨、风速、生物因子等其他环境因子均对富营养化水体Chl有影响。

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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

国家水体污染控制与治理科技重大专项项目(2008ZX07316-004、2011ZX07303-002)资助

李柱(1985—)男, 湖南岳阳人; 博士研究生; 主要研究方向为植物修复和生态工程。E-mail: lizhu1985@foxmail.com

吴振斌, 男, 研究员; 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