周貝貝，王國(guó)祥＊＊，徐 瑤，楊 飛，宋 康，夏明芳

(1:南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，江蘇省環(huán)境演變及生態(tài)建設(shè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210046)

(2:江蘇省太湖水污染防治辦公室，南京210024)

南京秦淮河葉綠素a空間分布及其與環(huán)境因子的關(guān)系*

周貝貝1，王國(guó)祥1＊＊，徐 瑤1，楊 飛1，宋 康1，夏明芳2

(1:南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，江蘇省環(huán)境演變及生態(tài)建設(shè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210046)

(2:江蘇省太湖水污染防治辦公室，南京210024)

近年來(lái)，流動(dòng)的河流開始陸續(xù)暴發(fā)藻類水華，河流的水華現(xiàn)象是繼湖泊水華現(xiàn)象之后又一倍受關(guān)注的科學(xué)問(wèn)題.秦淮河水體污染嚴(yán)重并于2010年8月和9月間暴發(fā)水華.采用2010年8月15日和9月8日的秦淮河野外調(diào)查數(shù)據(jù)，對(duì)秦淮河水體葉綠素a的空間分布特征及其與環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行研究.結(jié)果表明，從上游到下游，秦淮河水體葉綠素a含量的分布表現(xiàn)出一定的空間差異性，平均值為73.7 μg/L，其中馬木橋樣點(diǎn)的葉綠素a含量最高(184.52 μg/L);秦淮河水體氮磷比為26.86，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)，與氮磷比的對(duì)數(shù)呈負(fù)相關(guān)，表明磷可能是秦淮河藍(lán)藻生長(zhǎng)的主要影響因子;河流水體葉綠素a濃度與pH和DO呈極顯著正相關(guān)，與呈顯著相關(guān)，而與、和TN無(wú)顯著相關(guān).

秦淮河;葉綠素a;環(huán)境因子;相關(guān)分析

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各種水環(huán)境問(wèn)題不斷發(fā)生，尤其以富營(yíng)養(yǎng)化和水華問(wèn)題異常突出［1-2］.我國(guó)湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)狀嚴(yán)峻，其中三大淡水湖(太湖、滇池、巢湖)常年暴發(fā)以微囊藻為優(yōu)勢(shì)種的藍(lán)藻水華，部分水華藍(lán)藻可以釋放不同的藍(lán)藻毒素，給人們健康帶來(lái)潛在嚴(yán)重威脅，因此有關(guān)湖泊水華現(xiàn)象的研究成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)［3-7］.相對(duì)于湖泊水華研究來(lái)說(shuō)，關(guān)于河流水華的研究比較滯后.近年來(lái)，流動(dòng)的河流水體開始陸續(xù)暴發(fā)藻類水華，如我國(guó)長(zhǎng)江最大支流——漢江下游漢口江段、松花江哈爾濱段等［8-10］.河流的水華現(xiàn)象逐漸受到重視，浮游植物生物量的測(cè)定及其季節(jié)變化已經(jīng)成為國(guó)際大型河流監(jiān)控項(xiàng)目的一部分［11］.為有效治理河流水華，很多學(xué)者對(duì)藻類水華的影響因子進(jìn)行研究，但仍不夠透徹［12-14］.

秦淮河是南京的母親河，南京城區(qū)面積的大部分都屬于秦淮河流域，南京市的發(fā)展同秦淮河息息相關(guān).隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大及沿河經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，秦淮河干流及上游河道水質(zhì)已有不同程度的污染，河水變黑發(fā)臭，水面垃圾漂浮.據(jù)調(diào)查，在2010年8月和9月間，秦淮河藍(lán)藻的平均密度為4×104cells/L，已達(dá)到水華暴發(fā)的密度(102～106cells/L).在水體研究中，對(duì)浮游植物生物量一般都是以葉綠素a(Chl.a)來(lái)估算［15］.本文以秦淮河為研究對(duì)象，用Chl.a來(lái)表征浮游植物生物量，分析秦淮河Chl.a的空間分布特征，并對(duì)Chl.a與環(huán)境因子進(jìn)行相關(guān)分析，探討秦淮河藍(lán)藻水華的主要影響因子，以期為河流的藻類水華治理提供一定的科學(xué)依據(jù).

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域概況

秦淮河全長(zhǎng)110 km，是南京第一大河.秦淮河流域地處江蘇省西南部，包括南京市區(qū)的一部分及江寧區(qū)、溧水縣和句容市的大部分，流域四周低山丘陵環(huán)繞，面積達(dá)2600多平方千米.秦淮河分內(nèi)河和外河，內(nèi)河進(jìn)入老城區(qū)，經(jīng)夫子廟于水西門涵洞再次匯入外秦淮，是十里秦淮最繁華之地.秦淮河的源頭有兩處，東部源頭出自句容市寶華山，南部源頭出自溧水縣東廬山(天生橋下胭脂河)，兩個(gè)源頭在江寧區(qū)的方山埭交匯，從東水關(guān)流入南京城.一般以七橋甕為分界點(diǎn)，劃分秦淮河的上游和下游.秦淮河自東向西橫貫?zāi)暇┦袇^(qū)，在三汊河口注入長(zhǎng)江.

圖1 秦淮河流域采樣點(diǎn)(1三汊河大橋，2清涼門，3集慶門，4仙鶴橋，5中華門內(nèi)，6夫子廟，7雨花門，8七橋甕，9宏運(yùn)大道，10馬木橋，11彩虹橋，12方山大橋，13云臺(tái)山河，14中國(guó)藥科大學(xué)，15楊山河橋，16湯銅公路，17俞莊橋，18新潭村，19二干河，20烏剎橋，21胭脂河，22句容河，23石臼湖，24固城湖)Fig.1 Sampling sites in Qinhuai River valley

1.2 研究方法

2010年8月15日和9月8日，遵循由上游源頭到下游入江口的采樣原則，分別對(duì)秦淮河全流域進(jìn)行了兩次采樣調(diào)查，共采集24個(gè)樣點(diǎn)(圖1).樣品采集取水體混合柱狀水樣，冷藏保存迅速帶回實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行葉綠素a與水質(zhì)的測(cè)定分析.現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括:溶解氧(DO)、酸堿度(pH)、總?cè)芙夤腆w(TDS)、電導(dǎo)率(EC).實(shí)驗(yàn)室測(cè)定指標(biāo)包括葉綠素a(Chl.a)、總磷(TP)、可溶性總磷(TDP)、溶解性活性磷

DO采用美國(guó)YSI-5500型溶解氧儀于水下20 cm測(cè)定，pH采用HANNA便攜式防水型pH計(jì)測(cè)定，TDS和EC采用HANNA便攜式防水型EC/TDS測(cè)定儀測(cè)定.Chl.a的測(cè)定:樣品用Whatman(GF/F)的濾膜過(guò)濾，濾膜低溫干燥后，用90%丙酮萃取，采用《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》中的方法進(jìn)行測(cè)定［16］，TN、TP等水質(zhì)指標(biāo)經(jīng)Skalar水質(zhì)流動(dòng)分析儀(荷蘭)測(cè)定.

1.3 數(shù)據(jù)分析

主成分分析(PCA)是將多維因子納入同一系統(tǒng)中進(jìn)行定量化研究的一種多元統(tǒng)計(jì)分析方法，其主要目的是在不損失變量太多信息的前提下盡可能地降低原變量的維數(shù)，其中對(duì)主成分貢獻(xiàn)大的變量其影響程度也大［17］.本文對(duì)環(huán)境因子進(jìn)行主成分分析，篩選出對(duì)秦淮河水環(huán)境影響較大的因子，然后對(duì)Chl.a與環(huán)境因子進(jìn)行相關(guān)分析，計(jì)算其相關(guān)系數(shù)，建立相應(yīng)的回歸方程，并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn).以上操作均在SPSS統(tǒng)計(jì)軟件中完成.

2 結(jié)果與分析

2.1 秦淮河水體Chl.a的空間變化特征

秦淮河各采樣點(diǎn)的葉綠素a含量呈現(xiàn)一定的空間差異性，兩次采樣調(diào)查Chl.a的平均值為73.7 μg/L，最高值出現(xiàn)在馬木橋(184.52 μg/L)，其次為楊山河橋(172.38 μg/L)和句容河(153.87 μg/L)(圖2).這些樣點(diǎn)河道的物理形態(tài)特征較特殊，岸邊停放的船只，交錯(cuò)生長(zhǎng)的蘆葦、葕菜、水花生等水草形成阻流作用，再加上充足的營(yíng)養(yǎng)鹽，使得這些樣點(diǎn)能截留和滋生浮游植物，因此水體中的Chl.a濃度較其他樣點(diǎn)高.秦淮河的其中一個(gè)源頭胭脂河的 Chl.a 含量為 49.41 μg/L，明顯低于另外一個(gè)源頭句容河，而其南面的固城湖和石臼湖的Chl.a含量也較低，分別為65.48和43.55 μg/L.秦淮河流經(jīng)市區(qū)后，隨著兩岸的開發(fā)建設(shè)程度的增加，Chl.a含量呈升高的趨勢(shì)，但是隨著向河口的遷移，Chl.a含量又逐漸下降.入江口樣點(diǎn)三岔河大橋Chl.a為70.20 μg/L，依然高于秦淮河的源頭胭脂河.

圖2 各樣點(diǎn)Chl.a濃度及平均值Fig.2 The Chl.a values and averages of sampling sites

2.2 秦淮河水體環(huán)境因子特征

秦淮河水體的pH值在7.02～8.59之間，偏堿性.DO的最高值出現(xiàn)在馬木橋，為7.15 mg/L.EC和TDS的平均值分別為375.50 μS/cm和186.54 mg/L.SRP和 TDP的平均值分別為0.10和0.12 mg/L，秦淮河水體中的平均值分別為1.13、0.87和0.13 mg/L.在總無(wú)機(jī)氮的組成中，所占百分比最高，平均為56.71%.秦淮河水體TP平均值為0.24 mg/L，其濃度范圍為0.07～0.72 mg/L，最高值出現(xiàn)在夫子廟樣點(diǎn)處(0.72 mg/L).水體TN的平均值為5.25 mg/L，其濃度范圍為3.44～8.08 mg/L，最高值也出現(xiàn)在夫子廟樣點(diǎn)處(8.08 mg/L)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了地表水環(huán)境質(zhì)量V類水標(biāo)準(zhǔn)(2 mg/L，GB3838－2002).從上游到下游，秦淮河水體TP濃度逐漸升高，隨著向河口的遷移，遷移和降解作用的增強(qiáng)，TP濃度有降低的趨勢(shì).TN含量的變化趨勢(shì)與TP類似.秦淮河源頭的胭脂河段和句容河段主要接納溧水縣和句容市的工業(yè)廢水和生活污水，該段排污量占秦淮河全流域排污總量的比例較低.下游進(jìn)入南京市區(qū)，匯集了全流域主要的生活污水和部分工業(yè)廢水，特別是內(nèi)秦淮夫子廟河段，該段人口稠密、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，自古就是繁華的商業(yè)區(qū)，隨著人口增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，水質(zhì)不斷惡化.

對(duì)秦淮河水體的11個(gè)環(huán)境因子進(jìn)行主成分分析(表1)，其解釋的方差累積為87.6%.其中第一主成分W1對(duì)方差的貢獻(xiàn)最大，為 62.6%，第二主成分 W2為 13.8%，第三主成分 W3為 11.2%.W1與 DTP、TP、SRP、TN和具有絕對(duì)值較大的相關(guān)系數(shù)，反映的是秦淮河水體磷鹽和部分氮鹽的特征，和氮鹽相比，磷鹽的因子負(fù)荷較大，說(shuō)明對(duì)環(huán)境因子降維后，磷鹽的影響程度最大.W2與、TDS和EC具有絕對(duì)值較大的相關(guān)系數(shù)，反映的是秦淮河水體懸浮物、離子屬性及部分氮鹽的特征.W3與pH和DO具有絕對(duì)值較大的相關(guān)系數(shù)，反映的是水體生物光合作用特征.主成分分析結(jié)果表明，磷鹽對(duì)秦淮河水環(huán)境的影響程度最大，這對(duì)分析秦淮河水華發(fā)生的主要限制因子極為重要.

2.3 秦淮河水體Chl.a與環(huán)境因子的相關(guān)分析

2.3.1 水體Chl.a的含量變化與營(yíng)養(yǎng)鹽的相關(guān)分析 浮游植物是水體的初級(jí)生產(chǎn)者，通過(guò)光合作用將水體中的無(wú)機(jī)物轉(zhuǎn)化為有機(jī)物.在這種物質(zhì)的轉(zhuǎn)化過(guò)程中，營(yíng)養(yǎng)元素含量的多寡是影響浮游植物光合作用的重要因素，而浮游植物的生長(zhǎng)狀況又是營(yíng)養(yǎng)鹽含量變化的主要條件［18］.在大型河流中，浮游植物生物量的變化規(guī)律和營(yíng)養(yǎng)鹽變化的關(guān)系非常復(fù)雜［19-20］.營(yíng)養(yǎng)鹽含量的變化可以影響浮游植物的生長(zhǎng)狀況，從而影響水體Chl.a 含量的變化.

表1 秦淮河水體環(huán)境因子旋轉(zhuǎn)后載荷矩陣Tab.1 Rotated component matrix of environmental factors in Qinhuai River

氮磷比(TN/TP)可以用來(lái)判斷水體的營(yíng)養(yǎng)限制因子，不同的研究者用不同的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)定義營(yíng)養(yǎng)限制，一般情況下，如果TN/TP低于9～13，那么氮就可能是限制因子;如果TN/TP高于17～21，那么磷就可能是限制因子［21］.秦淮河水體的 TN/TP為26.86，表明磷可能是秦淮河浮游植物生長(zhǎng)的限制因子.關(guān)于浮游植物生物量和磷濃度的相關(guān)性研究很多，一般來(lái)說(shuō)，Chl.a夏季的平均濃度和TP的春季循環(huán)有關(guān)，或者與夏季的TP濃度相關(guān)［22］.對(duì)水體 Chl.a和 TP以及 TN/TP一般先進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換，再進(jìn)行相關(guān)分析.進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換的目的是使誤差標(biāo)準(zhǔn)化，對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換可以幫助確定數(shù)據(jù)的趨勢(shì)，但也可能會(huì)增加二次錯(cuò)誤的概率［23］.Chl.a含量的對(duì)數(shù)與 TP對(duì)數(shù)呈一定的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.354(圖3a)，而與TN/TP的對(duì)數(shù)呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為－0.239(圖3b)，表明磷可能是秦淮河Chl.a的主要影響因子.

圖3 Chl.a 與 TP(a)、TN/TP(b)的相關(guān)關(guān)系Fig.3 Correlations between Chl.a and TP(a)，TN/TP(b)

表2 葉綠素a含量與不同形態(tài)氮的相關(guān)關(guān)系*Tab.2 Correlations between Chl.a and different forms of nitrogen

2.3.2 Chl.a含量的變化與pH和DO的相關(guān)分析 水體的pH值與浮游植物的生長(zhǎng)密切相關(guān).對(duì)秦淮河水體Chl.a與pH進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果表明，Chl.a與pH呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.676(圖4a).水體pH對(duì)浮游植物的的物種豐富度、種類組成以及優(yōu)勢(shì)種的變化都有重要的影響［24］.堿性環(huán)境有利于藻類的光合作用，因?yàn)閴A性系統(tǒng)易于捕獲大氣中的CO2［25］，因而較高的生產(chǎn)力往往出現(xiàn)在堿性水體中［26］.浮游植物的光合作用能顯著提高水體的pH水平，因而pH是Chl.a變化的被動(dòng)因子［27］，由此可知秦淮河水體的pH雖然與水體Chl.a呈顯著正相關(guān)，但并不是浮游植物生長(zhǎng)的限制因子.

水體的溶解氧往往是反映該水體生物生長(zhǎng)狀況和污染狀態(tài)的重要指標(biāo).秦淮河水體Chl.a含量與DO的相關(guān)分析表明，二者的相關(guān)關(guān)系顯著，相關(guān)系數(shù)為0.583(圖4b).有關(guān)研究表明，Chl.a含量與DO具有正相關(guān)關(guān)系［28-29］.隨著浮游植物生物量的急劇上升，由于充足的光合作用，DO會(huì)不斷增加到飽和狀態(tài)［30］.水體DO的變化和pH類似，隨著水體浮游植物生物量的增加，光合作用釋放的氧分子增加，從而使得水體DO水平增加.同樣，DO也是水體Chl.a含量變化的被動(dòng)因子.

圖4 Chl.a 與 pH(a)、DO(b)的相關(guān)關(guān)系Fig.4 Correlations between Chl.a and pH(a)，DO(b)

3 結(jié)論

1)秦淮河夏季水體葉綠素a的空間分布表現(xiàn)出一定的空間差異性，其平均值為73.7 μg/L，最高值出現(xiàn)在馬木橋樣點(diǎn)(184.52 μg/L).葉綠素a含量較高的斷面，水草雜生，生境特殊，能截留和滋生浮游植物.

2)通過(guò)對(duì)環(huán)境因子進(jìn)行主成分分析發(fā)現(xiàn)，磷鹽對(duì)水環(huán)境的影響程度最大.秦淮河水體氮磷比為26.86，表明磷可能是浮游植物生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)限制因子.水體Chl.a含量的對(duì)數(shù)與TP的對(duì)數(shù)呈正相關(guān)，與TN/TP的對(duì)數(shù)呈負(fù)相關(guān)，說(shuō)明磷可能是影響秦淮河藍(lán)藻水華的主要影響因子.水體Chl.a與呈顯著相關(guān)，而與和TN無(wú)顯著相關(guān).秦淮河水體Chl.a與pH和DO呈極顯著正相關(guān)，但pH和DO是Chl.a含量變化的被動(dòng)因子，并非限制因子.

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Spatial distribution of chlorophyll-a and its relationships with environmental factors in Qinhuai River，Nanjing

ZHOU Beibei1，WANG Guoxiang1，XU Yao1，YANG Fei1，SONG Kang1＆ XIA Mingfang2
(1:Jiangsu Key Laboratory of Environmental Change and Ecological Construction，College of Geographical Science，Nanjing Normal University，Nanjing 210046，P.R.China)
(2:General Office of Lake Taihu Water Pollution Prevention and Control，Nanjing 210024，P.R.China)

In recent years，algae bloom is common in the flowing waters，which has been one of the top scientific problems after the algae bloom in lakes.Due to the water pollution，phytoplankton blooms arose in Qinhuai River between August and September，2010.Based on the conventional monitoring data in August 15 and September 8，2010，this paper studied the spatial distribution characteristic of chlorophyll-a and its relationships with environmental factors.Results showed that chlorophyll-a concentration appeared obvious spatial difference from upstream to downstream，with a mean value of 73.7 μg/L and the maximum value occurred in Mamuqiao(184.52 μg/L).The ratio of TN/TP was 26.86，and the logarithmic correlation between chlorophyll-a and TP was positive，but the logarithmic correlation between chlorophyll-a and the TN/TP ratio was negative.It suggested that phosphorous might be the main impact factor for blue-green algae.Significantly positive correlation was found between chlorophyll-a and pH and DO，and significantly positive correlation was found between chlorophyll-a and，but no significant correlation between chlorophyll-a and，and TN.

Qinhuai River;chlorophyll-a;environmental factors;correlation analysis

＊ 國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目(2009ZX07101-013-02)和江蘇省太湖治理科研課題項(xiàng)目(TH2010303)聯(lián)合資助.2011－04－05收稿;2011－07－11收修改稿.周貝貝，女，1986年生，碩士研究生;E-mail:huoxi456@126.com.

＊＊ 通信作者;E-mail:wangguoxiang@njnu.edu.cn.