龔慶碗，徐兵兵(同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)江水環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092)

水體富營(yíng)養(yǎng)化是目前全球水環(huán)境可持續(xù)發(fā)展面臨的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)，我國(guó)是水體富營(yíng)養(yǎng)化最為嚴(yán)重的區(qū)域之一。隨著地區(qū)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加速，城鎮(zhèn)周邊水體的富營(yíng)養(yǎng)化已嚴(yán)重影響了人類正常的生產(chǎn)生活，藻類水華的暴發(fā)嚴(yán)重制約區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展［1］。藻類的種類組成和數(shù)量增加是水體富營(yíng)養(yǎng)化最為直觀的表現(xiàn)［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(yíng)養(yǎng)狀態(tài)、光照、溫度、水文等多種環(huán)境因子的制約和驅(qū)動(dòng)，同時(shí)與人類活動(dòng)密切相關(guān)［3－5］。土地利用特征是流域內(nèi)人類活動(dòng)強(qiáng)度的集中體現(xiàn)。因此，結(jié)合水域特征和土地利用類型分析藻類對(duì)各環(huán)境因子的生態(tài)響應(yīng)機(jī)制對(duì)于解析富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)程至關(guān)重要。

南苕溪是太湖的源頭水系，是青山水庫(kù)的入庫(kù)河流，其水環(huán)境保護(hù)關(guān)系著下游近千萬(wàn)人口的直接或間接飲用水安全及區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，并且其水質(zhì)狀況對(duì)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(jié)會(huì)缺水?dāng)嗔?，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(tài)系統(tǒng)上下游之間難以維持正常聯(lián)系，其自凈能力大幅度下降，易受到臨近污染源的影響。同時(shí)，南苕溪所處的臨安市處于典型城鎮(zhèn)化進(jìn)程之中，土地利用結(jié)構(gòu)類型的轉(zhuǎn)換以及農(nóng)業(yè)和城鎮(zhèn)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(fù)荷的增加，勢(shì)必增加水體發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化的可能性。但目前對(duì)于南苕溪為代表的太湖源頭溪流富營(yíng)養(yǎng)化特征及其影響因素的研究較為匱乏。因此，開展對(duì)南苕溪水質(zhì)以及藻類群落特征全年季節(jié)性調(diào)查，探討不同季節(jié)和土地利用類型背景下南苕溪水體藻類與環(huán)境因子間的耦合關(guān)系，其結(jié)果可以為了解源頭溪流生態(tài)演替特征及其污染負(fù)荷響應(yīng)機(jī)制以及上游河流水污染控制和可持續(xù)發(fā)展提供理論支持與決策依據(jù)。

圖1 南苕溪流域采樣點(diǎn)分布

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況 南苕溪為東苕溪主源，屬長(zhǎng)江水系，位于太湖流域的上游地區(qū)，是典型的山溪性河流，坡陡流急。研究區(qū)域包括南苕溪三大主要支流(浪口溪、南溪、錦溪)及浪口經(jīng)臨安市區(qū)至青山水庫(kù)段，總河長(zhǎng)約60.5 km，流域面積約603 km2。其中A區(qū)為浪口溪中上游流域，地勢(shì)較高，兩側(cè)為山地，四周覆被多為原始林木。B區(qū)為南溪流域，南溪自東天目山往下，經(jīng)青云鎮(zhèn)后與浪口溪匯合，主要分布著經(jīng)濟(jì)林區(qū)(雷竹林)，青云鎮(zhèn)擁有當(dāng)?shù)刈畲蟮睦字窠灰资袌?chǎng)。C區(qū)為錦溪中上游，土地利用多為基本農(nóng)田。D區(qū)為臨安市區(qū)及周邊城鎮(zhèn)區(qū)域。青山湖水庫(kù)水文站多年實(shí)測(cè)南苕溪上游平均流量為14.5 km2，上游里畈水庫(kù)和下游青山水庫(kù)分別是臨安市和杭嘉湖平原的重要飲用水源地［7］。流域?qū)俦眮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，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(tái)汛期。

1.2 樣品的采集與分析 經(jīng)過對(duì)南苕溪青山水庫(kù)上游段實(shí)地考察及流域特征研究，對(duì)不同土地利用類型區(qū)域及支流匯入位置合理設(shè)置采樣點(diǎn)，于2013年5月(春季)、7月(夏季)、9月(秋季)、12月(冬季)對(duì)南苕溪3條支流及臨安市區(qū)段共計(jì)22個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)開展表層水樣(水面下20～30 cm處)的采集與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)(圖1)。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)中，采用美國(guó)哈希(HQ40D)便攜式多參數(shù)水質(zhì)分析儀測(cè)定pH、溶解氧(DO)、水溫和電導(dǎo)率;采用美國(guó)哈希濁度儀(2100P)測(cè)定水體濁度;采用便攜式流速儀(LS300)測(cè)定流速。表層水樣采集冷藏后帶回實(shí)驗(yàn)室，24 h內(nèi)完成分析測(cè)定。原水樣用過硫酸鉀消解法測(cè)定總氮(TN)與總磷(TP)。抽濾水樣采用納氏試劑比色法測(cè)定氨態(tài)氮(NH3-N)，紫外分光光度法測(cè)定硝態(tài)氮(-N)，鹽酸萘乙二胺比色法測(cè)定亞硝態(tài)氮(-N)，紫外分光光度法測(cè)定正磷酸鹽溶解性有機(jī)碳(DOC)的含量使用有機(jī)碳分析儀(島津TOCVcph)測(cè)定。使用浮游植物熒光儀(Phyto-PAMWalz)通過活體藻細(xì)胞葉綠素?zé)晒鈦頊y(cè)定水體中葉綠素a(Chl-a)含量。在Meas.Freq.為32的條件下測(cè)量微藻熒光Chl-a 含量，并通過熱乙醇法［8－9］進(jìn)行校正。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析 相關(guān)性分析和同時(shí)冗余度分析(Redundancy Analysis，RDA)分別在 SPSS19.0 和 CANOCO5.0 軟件中進(jìn)行。RDA是一種直接用于描述兩個(gè)矩陣之間關(guān)系的漸變分析方法，是分析藻類組成與環(huán)境因子之間相互關(guān)系的有效工具。在環(huán)境因子特征變量構(gòu)成的空間內(nèi)，對(duì)環(huán)境變量和藻種進(jìn)行排序作圖，可以直觀地反映出藻類與環(huán)境因子之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。為使藻類生物量和環(huán)境因子的數(shù)據(jù)獲得正態(tài)分布，將其進(jìn)行l(wèi)g(x+1)轉(zhuǎn)換。在2個(gè)主軸構(gòu)成的平面中，箭頭表征了環(huán)境因子在平面上的相對(duì)位置，向量長(zhǎng)短代表其在主軸中的作用，箭頭所處象限表示環(huán)境因子與排序軸之間的正負(fù)相關(guān)性。

營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)方法采用修正的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法(TSIM)［10－11］，選取 Chl-a、TP、透明度(Sd)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。根據(jù)修正得營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，TSIM＜37為貧富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，37＜TSIM＜53為中富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，53＜TSIM＜65為富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，TSIM＞65為重富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。

2 結(jié)果與分析

2.1 水環(huán)境因子和Chl-a的時(shí)空變化 南苕溪水體呈中性偏弱堿性且溶氧量較高。從季節(jié)變化來看(表1)，春夏季水體電導(dǎo)率和濁度均要比秋冬季略高。臨安地區(qū)降雨集中于春夏季節(jié)，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(qiáng)，導(dǎo)致春夏季水體電導(dǎo)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(qū)域來看(表2)，源頭林區(qū)的水體電導(dǎo)率和濁度明顯低于農(nóng)田區(qū)和城鎮(zhèn)區(qū)水體。人為干擾是造成此現(xiàn)象的主要原因。

表1 南苕溪水體中環(huán)境因子和Chl-a的季節(jié)變化

表2 南苕溪水體中環(huán)境因子和Chl-a的區(qū)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(duì)較高。氮磷含量遠(yuǎn)高于公認(rèn)富營(yíng)養(yǎng)化發(fā)生所需要的閾值［12］。從季節(jié)變化看，其中TN全年為劣Ⅴ類，TP為Ⅱ～Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，NH3-N全年差異較大，春夏秋季基本為Ⅰ～Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn);冬季為Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。城鎮(zhèn)區(qū)水體TN、TP、NH3-N和DOC明顯高于源頭林區(qū)和農(nóng)田區(qū)水體。經(jīng)濟(jì)林區(qū)河流水體TN和-N明顯高于其他3個(gè)區(qū)域，這是由于雷竹林大量施用氮肥導(dǎo)致進(jìn)入水體氮含量增加［13］。與營(yíng)養(yǎng)鹽相比，不同土地利用類型區(qū)域水體Chl-a的含量的差異性更為明顯，人為活動(dòng)劇烈區(qū)的水體環(huán)境更利于促進(jìn)藻類初級(jí)生產(chǎn)力的提高。據(jù)OECD富營(yíng)養(yǎng)化單因子評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)［14］，Chl-a含量超過11 g/L被看作水體發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化的標(biāo)志。南苕溪城鎮(zhèn)區(qū)段河流內(nèi)的Chl-a含量四季都達(dá)到了富營(yíng)養(yǎng)水平。

2.2 水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)特征 南苕溪水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)處于中富營(yíng)養(yǎng)—富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，其中夏季達(dá)到富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，冬季接近富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)(圖2)。從土地利用類型來看，城鎮(zhèn)區(qū)水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)最高，水體接近重富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài);其次為農(nóng)田區(qū)、經(jīng)濟(jì)林區(qū);上游源頭林區(qū)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)最低，水體處于貧富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)。

圖2 南苕溪水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的季節(jié)變化和區(qū)域差異

2.3 藻類群落對(duì)Chl-a的影響 南苕溪水體中冬春季硅藻對(duì)Chl-a的貢獻(xiàn)高于藍(lán)藻和綠藻;而夏秋季藍(lán)藻和綠藻的Chl-a比例高于硅藻(圖3)。與源頭林區(qū)相比，下游區(qū)域水體主要表現(xiàn)為硅藻貢獻(xiàn)比例的下降，經(jīng)濟(jì)林區(qū)、農(nóng)田區(qū)和城鎮(zhèn)區(qū)的硅藻貢獻(xiàn)比例分別比源頭林區(qū)降低了13.1%、14.2%和30.1%(圖4)。硅藻的Chl-a貢獻(xiàn)比例與Chl-a含量和營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)均呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.01)，表明南苕溪水體環(huán)境中Chl-a含量的增加以及營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的提高過程中，伴隨著硅藻貢獻(xiàn)比例的下降以及藍(lán)藻和綠藻貢獻(xiàn)比例的上升(圖5)。因此，通過對(duì)硅藻群落Chl-a的貢獻(xiàn)變化進(jìn)行追蹤，可以較準(zhǔn)確地掌握南苕溪流域初級(jí)生產(chǎn)力和營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的動(dòng)態(tài)變化。

圖3 南苕溪水體中藻類群落對(duì)Chl-a的貢獻(xiàn)

圖4 不同土地利用區(qū)域水體中硅藻對(duì)Chl-a的貢獻(xiàn)

2.4 藻類與環(huán)境因子的關(guān)系 南苕溪水環(huán)境理化因子中水溫、濁度和電導(dǎo)率與Chl-a含量呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)，而流速與Chl-a含量呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.01);營(yíng)養(yǎng)鹽因子中TP、-P均與Chl-a含量呈顯著正相關(guān)(P＜0.01)(表3)。水溫的變化會(huì)不同程度地影響藻類的新陳代謝。在適宜的溫度范圍內(nèi)，水溫對(duì)藻類的生長(zhǎng)具有促進(jìn)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(guān)性，表明水溫在該范圍內(nèi)的升高能夠明顯促進(jìn)藻類生長(zhǎng)。水動(dòng)力引起的水體紊動(dòng)，能造成水體底質(zhì)起浮和沿岸的沖刷效應(yīng)，懸浮顆粒物含量增大［16－17］，水體光合有效輻射(PAR)衰減加強(qiáng)，從而不利于浮游植物生長(zhǎng)。朱宜平等［18］通過圍隔試驗(yàn)研究了水動(dòng)力對(duì)浮游植物的影響，結(jié)果表明:隨著流速的增大，浮游植物表現(xiàn)出被更強(qiáng)烈地抑制的趨勢(shì)。該研究中，流速與Chl-a含量呈顯著負(fù)相關(guān)也證明了藻類生長(zhǎng)一定程度上受到水體流動(dòng)的抑制。

表4列出了南苕溪藻類群落RDA分析的統(tǒng)計(jì)信息。由表4可以看出，軸1和軸2累計(jì)解釋了97.8%的藻類與環(huán)境因子相關(guān)性信息。在藻類種群與環(huán)境因子間的相關(guān)系數(shù)中，可以看到各點(diǎn)與軸1的相關(guān)性較高，接近0.95，與軸2的相關(guān)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(huán)境因子之間的關(guān)系。

圖5 硅藻群落對(duì)Chl-a的貢獻(xiàn)比例與Chl-a濃度(a)和營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(b)的相關(guān)關(guān)系

表3 南苕溪水體中Chl-a與環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系

表4 南苕溪藻類群落與環(huán)境因子的RDA統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖6為藻類群落與環(huán)境因子之間的RDA排序。在由軸1和軸2構(gòu)成的平面中，與藍(lán)綠藻變化相一致的環(huán)境因子是水溫、pH、DO、Chl-a;與硅藻變化趨勢(shì)一致的環(huán)境因子是濁度、電導(dǎo)率、TN、TP。藍(lán)綠藻比較偏好水溫較高的環(huán)境，大型淺水湖泊夏季藍(lán)藻的暴發(fā)事件已經(jīng)被證明與藍(lán)藻在高溫下具有相對(duì)較高的生長(zhǎng)速率有關(guān)［3］。藍(lán)綠藻的快速增長(zhǎng)使其光合作用加強(qiáng)，能夠引起pH和DO的升高。pH和DO與藍(lán)綠藻的正相關(guān)關(guān)系證明了藍(lán)綠藻的生長(zhǎng)是引起pH和DO升高的主導(dǎo)因素之一。因此，南苕溪水體藍(lán)綠藻的增加主要與水溫的升高有關(guān)。與藍(lán)藻和綠藻不同，南苕溪河流中硅藻的變化與營(yíng)養(yǎng)鹽、濁度和電導(dǎo)率存在明顯的正相關(guān)，營(yíng)養(yǎng)鹽促進(jìn)硅藻生長(zhǎng)。藍(lán)藻、綠藻和硅藻的變化與流速均存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，造成此結(jié)果的原因可能有以下兩方面:一是流動(dòng)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(dòng)產(chǎn)生向底層擴(kuò)散的水團(tuán)并挾帶藻類向下層運(yùn)動(dòng)，藻類受到的光照減弱;而水面附著性藻類的大量生長(zhǎng)又對(duì)光照起了遮蔽作用，使得向水體下層傳播的光照進(jìn)一步減弱。二是水體流動(dòng)能夠刺激水綿生長(zhǎng)，水綿對(duì)藻類生長(zhǎng)存在抑制作用［21－22］。南苕溪多數(shù)河段內(nèi)的巖石上和水體中均發(fā)現(xiàn)大量水綿體存在。

圖6 南苕溪藻類群落與環(huán)境因子的RDA排序

從藻種間的關(guān)系來看，藍(lán)綠藻與硅藻間存在一定的正相關(guān)，藻類群落之間的競(jìng)爭(zhēng)不明顯。從各季節(jié)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位在排序圖中的分布來看，軸2對(duì)冬季和其他季節(jié)有著較好的分割，冬季藻類群落特征與其他季節(jié)存在明顯差異。冬季監(jiān)測(cè)點(diǎn)位與硅藻代表向量的關(guān)系較其他季節(jié)更為密切，低溫造成的硅藻的群落優(yōu)勢(shì)是造成冬季與其他季節(jié)間存在差異的主要原因。

3 小結(jié)

(1)南苕溪水體正處于中富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)向富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)過渡的過程。南苕溪水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)自上游源頭林區(qū)至下游城鎮(zhèn)區(qū)逐步增高，營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的變化趨勢(shì)與水體Chl-a的含量變化趨勢(shì)一致。

(2)南苕溪硅藻的Chl-a貢獻(xiàn)比例具有空間和季節(jié)差異性。冬春季硅藻的Chl-a貢獻(xiàn)比例明顯高于夏秋季，自上游源頭林區(qū)至下游城鎮(zhèn)區(qū)硅藻對(duì)Chl-a貢獻(xiàn)比例逐步降低，硅藻對(duì)Chl-a的貢獻(xiàn)比例可以反映南苕溪水體初級(jí)生產(chǎn)力和營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的動(dòng)態(tài)變化。

(3)藻類群落與環(huán)境因子的響應(yīng)關(guān)系存在差異性。藍(lán)綠藻的生長(zhǎng)受溫度的變化影響顯著，溫度升高對(duì)藍(lán)綠藻生長(zhǎng)具有明顯促進(jìn)作用，硅藻的變化則與氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽含量呈顯著的正相關(guān)，水體的流動(dòng)對(duì)3種藻類的生長(zhǎng)均有抑制作用。

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