太湖流域源頭溪流富營養化特征及影響因素

龔慶碗，徐兵兵(同濟大學環境科學與工程學院，長江水環境教育部重點實驗室，上海200092)

水體富營養化是目前全球水環境可持續發展面臨的一個巨大挑戰，我國是水體富營養化最為嚴重的區域之一。隨著地區經濟的快速發展和城市化進程的加速，城鎮周邊水體的富營養化已嚴重影響了人類正常的生產生活，藻類水華的暴發嚴重制約區域社會經濟的可持續發展［1］。藻類的種類組成和數量增加是水體富營養化最為直觀的表現［2］。藻類群落的分布和演替受到其自身生理特性以及水體營養狀態、光照、溫度、水文等多種環境因子的制約和驅動，同時與人類活動密切相關［3－5］。土地利用特征是流域內人類活動強度的集中體現。因此，結合水域特征和土地利用類型分析藻類對各環境因子的生態響應機制對于解析富營養化進程至關重要。

南苕溪是太湖的源頭水系，是青山水庫的入庫河流，其水環境保護關系著下游近千萬人口的直接或間接飲用水安全及區域社會經濟的可持續發展，并且其水質狀況對太湖流域的污染治理有重要意義。南苕溪是典型性山溪性河流，汛期水量大，但部分季節會缺水斷流，需要通過修筑堰壩控制水位維持水利功能［6］。受到自然和人為因素雙重影響，河流生態系統上下游之間難以維持正常聯系，其自凈能力大幅度下降，易受到臨近污染源的影響。同時，南苕溪所處的臨安市處于典型城鎮化進程之中，土地利用結構類型的轉換以及農業和城鎮面源污染的加劇，致使入河污染物不斷增加。河流自凈能力的降低以及污染負荷的增加，勢必增加水體發生富營養化的可能性。但目前對于南苕溪為代表的太湖源頭溪流富營養化特征及其影響因素的研究較為匱乏。因此，開展對南苕溪水質以及藻類群落特征全年季節性調查，探討不同季節和土地利用類型背景下南苕溪水體藻類與環境因子間的耦合關系，其結果可以為了解源頭溪流生態演替特征及其污染負荷響應機制以及上游河流水污染控制和可持續發展提供理論支持與決策依據。

圖1 南苕溪流域采樣點分布

1 材料與方法

1.1 研究區域概況 南苕溪為東苕溪主源，屬長江水系，位于太湖流域的上游地區，是典型的山溪性河流，坡陡流急。研究區域包括南苕溪三大主要支流(浪口溪、南溪、錦溪)及浪口經臨安市區至青山水庫段，總河長約60.5 km，流域面積約603 km2。其中A區為浪口溪中上游流域，地勢較高，兩側為山地，四周覆被多為原始林木。B區為南溪流域，南溪自東天目山往下，經青云鎮后與浪口溪匯合，主要分布著經濟林區(雷竹林)，青云鎮擁有當地最大的雷竹交易市場。C區為錦溪中上游，土地利用多為基本農田。D區為臨安市區及周邊城鎮區域。青山湖水庫水文站多年實測南苕溪上游平均流量為14.5 km2，上游里畈水庫和下游青山水庫分別是臨安市和杭嘉湖平原的重要飲用水源地［7］。流域屬北亞熱帶季風氣候區，氣候溫和，雨量充沛，多年平均氣溫15.8℃，多年平均降水量約1 500 mm，正常年份5月中旬至7月中旬為梅汛期，其后至10月中旬為臺汛期。

1.2 樣品的采集與分析 經過對南苕溪青山水庫上游段實地考察及流域特征研究，對不同土地利用類型區域及支流匯入位置合理設置采樣點，于2013年5月(春季)、7月(夏季)、9月(秋季)、12月(冬季)對南苕溪3條支流及臨安市區段共計22個監測點開展表層水樣(水面下20～30 cm處)的采集與現場監測(圖1)。

現場監測中，采用美國哈希(HQ40D)便攜式多參數水質分析儀測定pH、溶解氧(DO)、水溫和電導率;采用美國哈希濁度儀(2100P)測定水體濁度;采用便攜式流速儀(LS300)測定流速。表層水樣采集冷藏后帶回實驗室，24 h內完成分析測定。原水樣用過硫酸鉀消解法測定總氮(TN)與總磷(TP)。抽濾水樣采用納氏試劑比色法測定氨態氮(NH3-N)，紫外分光光度法測定硝態氮(-N)，鹽酸萘乙二胺比色法測定亞硝態氮(-N)，紫外分光光度法測定正磷酸鹽溶解性有機碳(DOC)的含量使用有機碳分析儀(島津TOCVcph)測定。使用浮游植物熒光儀(Phyto-PAMWalz)通過活體藻細胞葉綠素熒光來測定水體中葉綠素a(Chl-a)含量。在Meas.Freq.為32的條件下測量微藻熒光Chl-a 含量，并通過熱乙醇法［8－9］進行校正。

1.3 數據處理與分析 相關性分析和同時冗余度分析(Redundancy Analysis，RDA)分別在 SPSS19.0 和 CANOCO5.0 軟件中進行。RDA是一種直接用于描述兩個矩陣之間關系的漸變分析方法，是分析藻類組成與環境因子之間相互關系的有效工具。在環境因子特征變量構成的空間內，對環境變量和藻種進行排序作圖，可以直觀地反映出藻類與環境因子之間的對應關系。為使藻類生物量和環境因子的數據獲得正態分布，將其進行lg(x+1)轉換。在2個主軸構成的平面中，箭頭表征了環境因子在平面上的相對位置，向量長短代表其在主軸中的作用，箭頭所處象限表示環境因子與排序軸之間的正負相關性。

營養狀態評價方法采用修正的營養狀態指數法(TSIM)［10－11］，選取 Chl-a、TP、透明度(Sd)作為評價指標。根據修正得營養狀態指數評價標準，TSIM＜37為貧富營養狀態，37＜TSIM＜53為中富營養狀態，53＜TSIM＜65為富營養狀態，TSIM＞65為重富營養狀態。

2 結果與分析

2.1 水環境因子和Chl-a的時空變化 南苕溪水體呈中性偏弱堿性且溶氧量較高。從季節變化來看(表1)，春夏季水體電導率和濁度均要比秋冬季略高。臨安地區降雨集中于春夏季節，且溫度較高，土壤淋溶作用和大氣中可溶性離子沉降作用加強，導致春夏季水體電導率偏高。雨水沖刷河岸，攜帶泥沙造成濁度偏高。從不同土地利用區域來看(表2)，源頭林區的水體電導率和濁度明顯低于農田區和城鎮區水體。人為干擾是造成此現象的主要原因。

表1 南苕溪水體中環境因子和Chl-a的季節變化

表2 南苕溪水體中環境因子和Chl-a的區域差異

南苕溪水體 TN、TP、Chl-a 含量分別為 2.81 mg/L、0.11 mg/L、16.70 mg/L，氮素含量相對較高。氮磷含量遠高于公認富營養化發生所需要的閾值［12］。從季節變化看，其中TN全年為劣Ⅴ類，TP為Ⅱ～Ⅲ類水質標準，NH3-N全年差異較大，春夏秋季基本為Ⅰ～Ⅱ類標準;冬季為Ⅲ類水質標準。城鎮區水體TN、TP、NH3-N和DOC明顯高于源頭林區和農田區水體。經濟林區河流水體TN和-N明顯高于其他3個區域，這是由于雷竹林大量施用氮肥導致進入水體氮含量增加［13］。與營養鹽相比，不同土地利用類型區域水體Chl-a的含量的差異性更為明顯，人為活動劇烈區的水體環境更利于促進藻類初級生產力的提高。據OECD富營養化單因子評價標準［14］，Chl-a含量超過11 g/L被看作水體發生富營養化的標志。南苕溪城鎮區段河流內的Chl-a含量四季都達到了富營養水平。

2.2 水體營養狀態特征 南苕溪水體營養狀態處于中富營養—富營養狀態，其中夏季達到富營養狀態，冬季接近富營養化狀態(圖2)。從土地利用類型來看，城鎮區水體營養狀態指數最高，水體接近重富營養狀態;其次為農田區、經濟林區;上游源頭林區營養狀態指數最低，水體處于貧富營養化狀態。

圖2 南苕溪水體營養狀態的季節變化和區域差異

2.3 藻類群落對Chl-a的影響 南苕溪水體中冬春季硅藻對Chl-a的貢獻高于藍藻和綠藻;而夏秋季藍藻和綠藻的Chl-a比例高于硅藻(圖3)。與源頭林區相比，下游區域水體主要表現為硅藻貢獻比例的下降，經濟林區、農田區和城鎮區的硅藻貢獻比例分別比源頭林區降低了13.1%、14.2%和30.1%(圖4)。硅藻的Chl-a貢獻比例與Chl-a含量和營養狀態均呈顯著負相關(P＜0.01)，表明南苕溪水體環境中Chl-a含量的增加以及營養狀態的提高過程中，伴隨著硅藻貢獻比例的下降以及藍藻和綠藻貢獻比例的上升(圖5)。因此，通過對硅藻群落Chl-a的貢獻變化進行追蹤，可以較準確地掌握南苕溪流域初級生產力和營養狀態的動態變化。

圖3 南苕溪水體中藻類群落對Chl-a的貢獻

圖4 不同土地利用區域水體中硅藻對Chl-a的貢獻

2.4 藻類與環境因子的關系 南苕溪水環境理化因子中水溫、濁度和電導率與Chl-a含量呈顯著正相關(P＜0.05)，而流速與Chl-a含量呈顯著負相關(P＜0.01);營養鹽因子中TP、-P均與Chl-a含量呈顯著正相關(P＜0.01)(表3)。水溫的變化會不同程度地影響藻類的新陳代謝。在適宜的溫度范圍內，水溫對藻類的生長具有促進作用［15］。該研究中，南苕溪水體水溫的四季變化范圍在5.5～33.8℃之間。Chl-a濃度與水溫呈顯著正相關性，表明水溫在該范圍內的升高能夠明顯促進藻類生長。水動力引起的水體紊動，能造成水體底質起浮和沿岸的沖刷效應，懸浮顆粒物含量增大［16－17］，水體光合有效輻射(PAR)衰減加強，從而不利于浮游植物生長。朱宜平等［18］通過圍隔試驗研究了水動力對浮游植物的影響，結果表明:隨著流速的增大，浮游植物表現出被更強烈地抑制的趨勢。該研究中，流速與Chl-a含量呈顯著負相關也證明了藻類生長一定程度上受到水體流動的抑制。

表4列出了南苕溪藻類群落RDA分析的統計信息。由表4可以看出，軸1和軸2累計解釋了97.8%的藻類與環境因子相關性信息。在藻類種群與環境因子間的相關系數中，可以看到各點與軸1的相關性較高，接近0.95，與軸2的相關性為0.47。說明通過軸1和軸2可以較好地反映出浮游植物和環境因子之間的關系。

圖5 硅藻群落對Chl-a的貢獻比例與Chl-a濃度(a)和營養狀態指數(b)的相關關系

表3 南苕溪水體中Chl-a與環境因子的相關關系

表4 南苕溪藻類群落與環境因子的RDA統計結果

圖6為藻類群落與環境因子之間的RDA排序。在由軸1和軸2構成的平面中，與藍綠藻變化相一致的環境因子是水溫、pH、DO、Chl-a;與硅藻變化趨勢一致的環境因子是濁度、電導率、TN、TP。藍綠藻比較偏好水溫較高的環境，大型淺水湖泊夏季藍藻的暴發事件已經被證明與藍藻在高溫下具有相對較高的生長速率有關［3］。藍綠藻的快速增長使其光合作用加強，能夠引起pH和DO的升高。pH和DO與藍綠藻的正相關關系證明了藍綠藻的生長是引起pH和DO升高的主導因素之一。因此，南苕溪水體藍綠藻的增加主要與水溫的升高有關。與藍藻和綠藻不同，南苕溪河流中硅藻的變化與營養鹽、濁度和電導率存在明顯的正相關，營養鹽促進硅藻生長。藍藻、綠藻和硅藻的變化與流速均存在顯著的負相關關系，造成此結果的原因可能有以下兩方面:一是流動條件下藻類不能獲得所需的充分光照，增殖受限［18］。水體表層紊動產生向底層擴散的水團并挾帶藻類向下層運動，藻類受到的光照減弱;而水面附著性藻類的大量生長又對光照起了遮蔽作用，使得向水體下層傳播的光照進一步減弱。二是水體流動能夠刺激水綿生長，水綿對藻類生長存在抑制作用［21－22］。南苕溪多數河段內的巖石上和水體中均發現大量水綿體存在。

圖6 南苕溪藻類群落與環境因子的RDA排序

從藻種間的關系來看，藍綠藻與硅藻間存在一定的正相關，藻類群落之間的競爭不明顯。從各季節監測點位在排序圖中的分布來看，軸2對冬季和其他季節有著較好的分割，冬季藻類群落特征與其他季節存在明顯差異。冬季監測點位與硅藻代表向量的關系較其他季節更為密切，低溫造成的硅藻的群落優勢是造成冬季與其他季節間存在差異的主要原因。

3 小結

(1)南苕溪水體正處于中富營養狀態向富營養狀態過渡的過程。南苕溪水體營養狀態自上游源頭林區至下游城鎮區逐步增高，營養狀態的變化趨勢與水體Chl-a的含量變化趨勢一致。

(2)南苕溪硅藻的Chl-a貢獻比例具有空間和季節差異性。冬春季硅藻的Chl-a貢獻比例明顯高于夏秋季，自上游源頭林區至下游城鎮區硅藻對Chl-a貢獻比例逐步降低，硅藻對Chl-a的貢獻比例可以反映南苕溪水體初級生產力和營養狀態的動態變化。

(3)藻類群落與環境因子的響應關系存在差異性。藍綠藻的生長受溫度的變化影響顯著，溫度升高對藍綠藻生長具有明顯促進作用，硅藻的變化則與氮磷營養鹽含量呈顯著的正相關，水體的流動對3種藻類的生長均有抑制作用。

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