張艷艷，　魏金豹，　黃民生，　曹承進，　何　巖

(華東師范大學 生態(tài)與環(huán)境科學學院，上?！?00062)

環(huán)境因子對滴水湖浮游植物生長的影響分析

張艷艷，魏金豹，黃民生，曹承進，何巖

(華東師范大學 生態(tài)與環(huán)境科學學院，上海200062)

摘要：為了掌握環(huán)境因子對滴水湖浮游植物的影響，2012—2013年期間分4個季度選取14個點位對滴水湖及其外圍水體生境演變進行調查，分析環(huán)境因子以及浮游植物指標的時空變化特征，并對浮游植物指標和各項環(huán)境因子進行相關性分析以確定其生長的主要影響因子.湖區(qū)水質明顯優(yōu)于河道水質，且相對穩(wěn)定；各點浮游植物密度的四季變化趨勢與葉綠素a的變化大體上趨勢趨同，但夏季浮游植物密度稍高，而各點冬季葉綠素a含量達到最高，濾食性魚類的放養(yǎng)使得滴水湖夏季浮游植物的生長得到控制，浮游植物群落演替的總體趨勢表現(xiàn)為大型浮游植物比例下降，小型浮游植物比例增加.相關性分析顯示，滴水湖總磷濃度對浮游植物的生長具有重要影響.研究為滴水湖富營養(yǎng)化的防治以及水環(huán)境評價提供了理論依據(jù).

關鍵詞：滴水湖；環(huán)境因子；浮游植物生長；影響；相關性分析

第一作者：張艷艷，女，博士研究生，研究方向為水環(huán)境治理與修復. E-mail: yanyan2052@126.com.

0引言

作為上海臨港新城主城區(qū)的中心湖泊，滴水湖承載了新城建設發(fā)展的生態(tài)資源和環(huán)境條件，其水環(huán)境的健康與否直接影響到新城區(qū)的發(fā)展.自建成投入10年以來，滴水湖基本上解決了臨港新城主城區(qū)的排水出路，也大大提高了防汛排澇能力，然而在水質維護上，由于內源的不穩(wěn)定和易受外界環(huán)境影響等特點，這個于沿海灘涂開挖引水建成的大型人工湖泊出現(xiàn)了與眾多人工湖泊極為相似的問題.根據(jù)上海市水環(huán)境監(jiān)測中心提供的滴水湖水質狀況月報，滴水湖水質近年來維持在Ⅳ—Ⅴ類，主要存在水體透明度略低、水質富營養(yǎng)化程度逐步增加、接近或達到中度富營養(yǎng)化等問題，因此，滴水湖富營養(yǎng)化的防治引起了人們的廣泛關注.

浮游植物因其能對外界環(huán)境迅速做出響應，在水環(huán)境監(jiān)測與評價中發(fā)揮重要的指示作用.眾多環(huán)境因子的時空變化表現(xiàn)出一定的規(guī)律性，作用在浮游植物的生長上，以浮游植物密度、葉綠素a濃度等指標表現(xiàn)出來[16].一般來說，水體中的氮磷含量直接決定了浮游植物的增值速率，進而影響到水體富營養(yǎng)化進程[9-12].浮游植物對氮磷的攝取也是以恒定的比例進行的，有研究表明，在有機物充足的條件下，氮磷營養(yǎng)鹽的結構(N/P)和浮游植物對營養(yǎng)鹽吸收比例直接的差異會導致一種或幾種營養(yǎng)鹽對浮游植物生長的限制[13,14].但是由于環(huán)境條件的差異性和復雜性，有關湖庫浮游植物生長的主要影響因子到底屬于氮還是磷，或是其他水環(huán)境因子在學術界引起較大爭議，氮磷比的學術假說也存在很大爭議.因此有必要深入研究氮磷及其他環(huán)境因子對不同類型湖泊的影響，針對像滴水湖這樣在濱海鹽堿化地區(qū)新開挖的低鹽度人工湖泊的研究工作仍存在空缺.

本文作者于2012—2013年對上海滴水湖浮游植物及其環(huán)境因子進行調查，分析氮磷營養(yǎng)鹽、溶解氧等理化指標的時空分布特征，并從葉綠素含量分布、浮游植物密度的時空變化等方面分析了滴水湖浮游植物生長特征，討論了其與氮磷水質因子及其他環(huán)境參數(shù)的關系，為滴水湖富營養(yǎng)化防治、水環(huán)境評價提供理論依據(jù).

1研究地區(qū)與研究方法

1.1　滴水湖概況和采樣點設置

滴水湖毗鄰東海，呈正圓形，直徑2.6 km，面積5.56 km2，蓄水量1 620萬 m2，平均水深 3.7 m，最深處 6.2 m[1].除自身集水區(qū)來水(降雨及徑流)外，滴水湖水源來自于周邊河道，于每年的春季換水一次，通過C港和其臨近外圍水體進行引水和排水，為期近一個月，最后通過A港出海閘排放至東海[2].目前為止，滴水湖周邊尚處于開發(fā)建設時期，對于滴水湖水質影響主要來自于游艇的油污水、旅游業(yè)(燒烤、垂釣、餐飲等)污水及施工機械作業(yè)對周邊徑流的影響等[8].

根據(jù)滴水湖的環(huán)境條件及特點，在入湖口、湖心兼顧全湖共設置12個樣點，外圍水系設2個參照點(A港出海閘、C港引水閘處)，共設14個樣點(見圖1)，采集表層水樣.于2012年12月20日(冬)、2013年4月16日(春)、2013年7月30日(夏)和2013年11月5日(秋)對滴水湖進行采樣調查.

圖1　滴水湖采樣點位示意圖

1.2　樣品采集和處理

采樣和檢測方法參照《湖泊富營養(yǎng)化調查規(guī)范》[3]和《水和廢水監(jiān)測方法(第四版)》[4]的標準方法，現(xiàn)場測定鹽度(SAL)、水溫(WT)、溶解氧(DO)、電導率(COND)、pH值、氧化還原電位(Eh)和總懸浮物濃度(TSS)，實驗室測試項目為總氮(TN)、總磷(TP)、硝酸鹽氮、亞硝態(tài)氮、氨氮、溶磷、葉綠素a(Chl-a)和化學需氧量(CODCr)等指標.用采水器取表層(水下0.5m)采集1L水樣，加入魯格氏碘液固定后帶回實驗室做沉淀、濃縮后計數(shù)，并根據(jù)相關文獻[5-7]進行浮游植物種類鑒定.

1.3　數(shù)據(jù)分析

浮游植物密度的計算公式[3]為：

式中，

N——每L原水樣中浮游植物數(shù)量(ind/L)；

A——計數(shù)框面積(mm2)；

AC——計數(shù)面積(mm2)；

V——1L 原水樣沉淀濃縮后的體積(mL)；

Va——計數(shù)框的體積(mL)；

n——計數(shù)所得的浮游植物數(shù)目.

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用Excel軟件，并用SPSS軟件對各項指標進行Pearson相關性分析.

2結果與分析

2.1　滴水湖營養(yǎng)鹽及其他環(huán)境因子的時空分布

滴水湖水環(huán)境因子的時空分布隨各個季節(jié)各采樣斷面的變化而表現(xiàn)各異.滴水湖相對一般淡水湖泊稍咸，平均鹽度為1.3%，春季湖水鹽度稍高；電導率和pH值四季無明顯變化，均值分別為2 800 μs/cm和8.1，為堿性水體；水溫呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化，夏季均值為32 ℃，冬季為8 ℃；溶解氧DO在5.62 mg/L到11.2 mg/L之間，春冬季較高，夏季最低；總懸浮物濃度TSS夏季最高，其他季節(jié)無明顯變化，平均TSS為26.59 mg/L.化學需氧量COD冬季較高，夏季較低，均值為23.64 mg/L.

作為浮游植物生長的重要營養(yǎng)物質的氮磷營養(yǎng)鹽，其變化以及TN/TP 也有明顯的季節(jié)性.總氮濃度全年波動較大，在1 mg/L到5 mg/L范圍內變化，受春季開閘引水和夏季大量降水影響，滴水湖湖區(qū)春季和夏季總氮濃度偏高，湖區(qū)濃度均值最高出現(xiàn)在夏季.受長江中下游枯水期影響，引水河道(H5)總氮濃度冬春夏變化不大秋季較低，可見滴水湖區(qū)和其外圍河道屬于兩個不同的系統(tǒng)，營養(yǎng)鹽含量影響因素各不相同；銨態(tài)氮夏季較其他季節(jié)高；硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮夏季含量較低；調查區(qū)總磷濃度在0.03 mg/L到0.2 mg/L之間變化，磷基本上以顆粒態(tài)的形式存在，可溶性磷含量較低，總磷含量呈增高趨勢，這可能與臨港新城開發(fā)加速后，周邊地表徑流中顆粒態(tài)磷的增加有關[20]；氮磷比N/P變化范圍是8.5~110，秋季均值最低，由于氮磷比涉及總氮、總磷兩個變量，從圖2—4可以看出三者的年度變化趨勢均不相同，氮磷比在空間分布上也更為復雜，氮磷比最大值出現(xiàn)在春季南島附近，除秋季外，大部分點位氮磷比N/P>30，按照氮磷比假說，磷將成為藻類生長的限制因子[17]，對滴水湖富營養(yǎng)化的防治工作可以通過減少磷輸入進行.秋季大部分點位氮磷比在8~30之間，根據(jù)傳統(tǒng)的氮磷比假說屬于適宜藻類生長范疇，而事實上從滴水湖葉綠素a含量以及浮游植物密度的監(jiān)測結果來看，秋季值都較低，說明滴水湖生態(tài)系統(tǒng)受多個因素影響，具有高度復雜性，單純的氮磷比假說難以作為判別浮游植物生長的依據(jù).

滴水湖湖區(qū)各采樣點之間污染物濃度差異性不顯著，C港引水河道(H5)的氮磷含量相對較高.湖區(qū)水質明顯優(yōu)于河道水質，且相對穩(wěn)定，說明滴水湖本身有一定的凈化作用，近年來，通過在C港試驗河段構建以伊樂草、苦草、輪葉黑藻、光葉眼子菜和菹草為主沉水植物生態(tài)修復系統(tǒng)對[18,19]水質的改善也有一定效果，湖東部樣點(H13)磷含量以及夏、秋兩季氮含量較高，說明湖東部的旅游項目對湖水水質有較大的影響.

圖2　總氮含量時空變化圖

圖3　總磷含量時空變化圖

圖4　氮磷比時空變化圖

2.2　浮游植物組成和數(shù)量分布

葉綠素a是估浮游植物的生物量的重要指標.2012年12月份葉綠素a 含量值達到最高(見圖5)，引水河道C港閘門處四季葉綠素a含量高于湖區(qū)和排水河道.

調查期間浮游植物密度在6.4×106ind/L到60×106ind/L之間波動(見圖6)，均值夏季最大，春冬季相當，秋季最小，最大值出現(xiàn)在春季引水河道C港閘內，這可能與春季滴水湖進行引排水有關.湖區(qū)各采樣點間浮游植物群落結構的差異性不大.總量以綠藻、隱藻和硅藻為主，種類數(shù)上以綠藻和硅藻為主，優(yōu)勢藻種有尖尾藍隱藻(Chroomonasacuta)、嚙噬隱藻(Cryptomonaserosa)、卵形隱藻(Cryptomonsovata)、小環(huán)藻(Cyclotellameneghiniana)、顆粒直鏈藻(Melosiragranulata)、衣藻(Chl-amydomonasglobosa)、裸甲藻(Gymnodiniumsp.)和小色金藻(Chromulinapygmaea)，已出現(xiàn)長江中下游自然湖泊的常見物種.說明滴水湖生態(tài)系統(tǒng)可能向自然湖泊生態(tài)系統(tǒng)的方向發(fā)展，這與童琰等在2012年的調查相符[15].

各點浮游植物密度的四季變化趨勢與葉綠素a的變化大體上趨勢趨同，但冬季浮游植物密度較夏季低，而各點冬季葉綠素a含量達到最高，這可能與各個季節(jié)優(yōu)勢種的體積系數(shù)有關.由于鳙魚、鰱魚等濾食性魚類的大量放養(yǎng)，滴水湖夏季浮游植物的生長得到控制，同時濾食性魚類的放養(yǎng)使得大型浮游植物比例下降，小型浮游植物比例增加，浮游植物群落結構向小型化發(fā)展，夏季是鰱魚、鳙魚大量繁殖的季節(jié)，因此大部分點位夏季葉綠素含量較低.而冬季鰱魚潛至深水越冬，因此表層水體葉綠素含量較高.滴水湖春季浮游植物密度較高，這可能與春季滴水湖進行開閘換水有關.

圖5　葉綠素a濃度時空變化圖

圖6　浮游植物密度時空變化圖

2.3　滴水湖浮游植物與環(huán)境因子的關系

對4個季節(jié)樣點各項指標均值進行SPSS相關分析，其結果參見表1，結果顯示葉綠素a(Chl-a)和硝酸鹽氮(NO3-N)、總磷(TP)含量呈現(xiàn)負相關，與化學需氧量(CODCr)、亞硝酸鹽氮(NO2-N)含量呈現(xiàn)正相關；銨態(tài)氮(NH4-N)和溶解氧DO為顯著負相關，與水溫T、總懸浮物含量TSS呈顯著正相關；溶解氧DO和水溫T、總懸浮顆粒物含量TSS為極顯著負相關；浮游植物密度density和葉綠素a濃度(Chl-a)、氮磷比N/P、總氮TN、鹽度SAL呈現(xiàn)正相關，與硝酸鹽氮NO3-N、亞硝酸鹽氮NO2-N、總磷TP呈現(xiàn)負相關，但浮游植物密度density和各理化因子間無顯著相關性，由此可知作為一個新開挖的人工湖泊，滴水湖生態(tài)系統(tǒng)具有復雜性和不穩(wěn)定性，滴水湖的富營養(yǎng)化防治工作需根據(jù)其不同的時空特征進行深度探討.

表1　滴水湖各樣點各理化指標與生物指標相關性分析

注：*表示在 0.05 水平(雙側)上顯著相關；**表示在0.01 水平(雙側)上顯著相關

對冬季各樣點理化指標與葉綠素a濃度以及浮游植物密度進行SPSS相關性分析顯示，冬季各樣點浮游植物密度與葉綠素a濃度相關性極為顯著，與硝酸鹽氮、銨態(tài)氮、總氮、總磷呈顯著正相關，與溶解氧、鹽度呈顯著負相關；葉綠素a濃度與總磷、總懸浮物含量呈顯著正相關，與溶解氧呈顯著負相關；各樣點的硝酸鹽氮、銨態(tài)氮、總氮、總磷含量均與溶解氧DO呈現(xiàn)顯著負相關，而鹽度、pH與溶解氧為極顯著正相關；各樣點的總氮、硝酸鹽氮、銨態(tài)氮與水溫呈現(xiàn)顯著正相關，溶解氧與水溫呈現(xiàn)顯著負相關.針對滴水湖冬季的富營養(yǎng)化防治工作應主要控制總磷、總氮、硝酸鹽氮、銨態(tài)氮的輸入，可通過增加水體溶解氧改善水質.

對春季各樣點理化指標與葉綠素a濃度以及浮游植物密度進行SPSS相關性分析，結果顯示，春季各樣點浮游植物密度與硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、總磷呈現(xiàn)顯著正相關；葉綠素a濃度與硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、顆粒態(tài)磷PP、水溫、總懸浮物濃度、鹽度均呈現(xiàn)顯著正相關；各樣點的硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、總磷、顆粒態(tài)磷濃度均與水溫呈現(xiàn)極顯著正相關；此外，硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、總氮、總磷、顆粒態(tài)磷均與總懸浮物濃度呈現(xiàn)顯著正相關.針對滴水湖春季的富營養(yǎng)化防治工作可通過控制總磷、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮的輸入以及減少總懸浮物濃度進行.

浮游植物密度在夏季達到峰值，對夏季各樣點理化指標與葉綠素a濃度以及浮游植物密度進行SPSS相關性分析顯示(見表2)，夏季各樣點浮游植物密度與總磷、顆粒態(tài)磷呈現(xiàn)極顯著正相關，與亞硝酸鹽氮、銨態(tài)氮為顯著正相關，與溶解氧、水溫、總懸浮物濃度呈現(xiàn)顯著負相關；葉綠素a濃度與銨態(tài)氮、顆粒態(tài)磷、化學需氧量呈現(xiàn)顯著正相關，與溶解氧、pH、鹽度呈現(xiàn)顯著負相關；各樣點的硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、銨態(tài)氮、總氮、總磷、顆粒態(tài)磷、化學需氧量均與溶解氧呈現(xiàn)顯著負相關，pH、總懸浮物濃度、鹽度與其呈顯著正相關；硝酸鹽氮與化學需氧量、水溫之間呈現(xiàn)極顯著正相關；此外硝酸鹽氮、銨態(tài)氮、溶磷、化學需氧量與鹽度之間為顯著負相關，溶解氧、pH與鹽度呈現(xiàn)顯著正相關.針對夏季的富營養(yǎng)化防治可通過減少總磷、顆粒態(tài)磷、銨態(tài)氮的輸入進行，通過提高溶解氧改善水質.

表2　夏季滴水湖各樣點各理化指標與生物指標相關性分析

注：*表示在 0.05 水平(雙側)上顯著相關；**表示在0.01水平(雙側)上顯著相關

對秋季各樣點理化指標與葉綠素a濃度以及浮游植物密度進行SPSS相關性分析如表5所示，秋季各樣點浮游植物密度與葉綠素a濃度、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、氨氮、總氮、總磷、顆粒態(tài)磷、鹽度呈現(xiàn)極顯著正相關，與溶解氧、pH呈現(xiàn)極顯著負相關；葉綠素a濃度與亞硝酸鹽氮、銨態(tài)氮、總磷、顆粒態(tài)磷、鹽度呈現(xiàn)極顯著正相關，與溶解氧、pH呈現(xiàn)顯著負相關；各樣點的硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、銨態(tài)氮、總氮、總磷、鹽度均與溶解氧呈現(xiàn)極顯著負相關，pH與其呈極顯著正相關；亞硝酸鹽氮、總磷、顆粒態(tài)磷、化學需氧量均與水溫呈現(xiàn)顯著正相關，pH與其呈現(xiàn)極顯著負相關；此外，硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、銨態(tài)氮、總氮、總磷與鹽度之間為極顯著正相關，溶解氧、pH與鹽度呈現(xiàn)極顯著負相關.針對秋季的富營養(yǎng)化防治工作應以減少總磷、顆粒態(tài)磷、亞硝酸鹽氮等的輸入為主.

對各個季節(jié)理化指標與生物指標依次進行相關性分析可知， 滴水湖浮游植物密度在秋冬季與葉綠素a呈現(xiàn)極顯著正相關，春夏兩季為正相關，再次說明濾食性魚類的放養(yǎng)對浮游植物體積系數(shù)有很大影響；浮游植物的生長與氮磷營養(yǎng)鹽濃度關系密切，而不同季節(jié)營養(yǎng)鹽對其生長的影響不同，總磷含量對浮游植物生長影響很大，4個季節(jié)浮游植物密度都與總磷濃度呈現(xiàn)顯著正相關，因此對滴水湖富營養(yǎng)化的防治應集中控磷；大部分樣點氮磷營養(yǎng)鹽含量與溶解氧呈現(xiàn)負相關；鹽度、水溫、pH對營養(yǎng)鹽分布和浮游植物的生長也體現(xiàn)出較明顯的相關性.

3結論

滴水湖是在濱海灘涂上新開挖的人工湖泊，存在內源的不穩(wěn)定和易受外界環(huán)境影響等問題，本文著眼于各環(huán)境因子對浮游植物生長的影響，主要分析了滴水湖氮磷營養(yǎng)鹽及其他環(huán)境因子的時空變化規(guī)律，并對其變化與浮游植物生長指標進行相關性分析，得出以下結果.

(1)湖區(qū)水質明顯優(yōu)于河道水質，且相對穩(wěn)定，說明滴水湖本身有一定的凈化作用，近年來，通過在C港試驗河段構建以伊樂草、苦草、輪葉黑藻、光葉眼子菜和菹草為主沉水植物生態(tài)修復系統(tǒng)對[18,19]水質的改善也有一定效果；夏季營養(yǎng)鹽濃度偏高，在點源污染得到控制的前提下，非點源降雨徑流是目前污染物的主要來源；湖區(qū)東部樣點夏季氮含量較高，說明湖東部的水上娛樂項目對湖水水質有較大的影響.應加強對滴水湖水上及濱岸旅游項目的管理.

(2)同一季節(jié)湖區(qū)各樣點理化差異不明顯，浮游植物生境相似，湖區(qū)各采樣點間浮游植物群落結構的差異性不大.總量以綠藻、隱藻和硅藻為主，種類數(shù)上以綠藻和硅藻為主，已出現(xiàn)長江中下游自然湖泊的常見物種，說明滴水湖生態(tài)系統(tǒng)可能向自然湖泊生態(tài)系統(tǒng)的方向發(fā)展.

(3)調查期間，各樣點冬季葉綠素a 含量值達到最高，引水河道C港閘門處四季葉綠素a含量高于湖區(qū)和排水河道.各點浮游植物密度的四季變化趨勢與葉綠素a的變化大體上趨勢趨同，但冬季浮游植物密度較夏季低，而各點冬季葉綠素a含量達到最高，這可能與各個季節(jié)優(yōu)勢種的體積系數(shù)有關.同時也說明濾食性魚類的放養(yǎng)使得滴水湖夏季浮游植物的生長得到控制.

(4)作為一個新開挖的人工湖泊，滴水湖生態(tài)系統(tǒng)具有復雜性和不穩(wěn)定性，滴水湖的富營養(yǎng)化防治工作需根據(jù)其不同的時空特征進行深度探討.滴水湖各季節(jié)浮游植物與環(huán)境因子SPSS相關性分析顯示，浮游植物密度在秋冬季與葉綠素a呈現(xiàn)極顯著正相關，春夏兩季為正相關，再次說明濾食性魚類的放養(yǎng)對浮游植物體積系數(shù)有很大影響.各理化因子之間具有一定的相關性，大部分樣點氮磷營養(yǎng)鹽含量與溶解氧呈現(xiàn)負相關.滴水湖總磷濃度對浮游植物的生長具有重要影響，因此對滴水湖富營養(yǎng)化的防治應集中控磷.

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(責任編輯張晶)

Effects of environment factors on the growth of phytoplankton in Dishui Lake

ZHANG Yan-yan,WEI Jin-bao,

HUANG Min-sheng,CAO Cheng-jin,HE Yan

(SchoolofEcologicalandEnvironmentalSciences,EastChinaNormalUniversity,Shanghai200062,China)

Abstract:In order to understand the effects of environment factors on phytoplankton growth, phytoplankton in Dishui Lake had been sampled at 14 monitoring spot locations in December of 2012 and April, July, November of 2013, respectively. The physical and chemical indicators had been monitored to analyze the growth of phytoplankton and the space-time characteristics of influence factors. Correlative analysis was also made to determine major parameters that influence the growth of phytoplankton in Dishui Lake. It showed that main diversion channel of Dishui Lake is much higher than that of other sites. Seasonal variety of phytoplankton density was similar to that of chlorophyll-a content, but phytoplankton density of summer was a little higher than that of winter. The effect of filter feeding fish on phytoplankton can explain this phenomenon. Correlation analysis indicated that total phosphorous concentration had great influence on the growth of phytoplankton. This study provides biological basement in evaluating water quality and prevents eutrophication of Dishui Lake.

Key words:Dishui Lake;environmental factors;phytoplankton growth;correspondence analysis

通信作者：黃民生，男，教授，博士生導師，研究方向為環(huán)境工程. E-mail: mshuang@des.ecnu.edu.cn.

基金項目：國家科技重大專項(2013ZX07310001)；國家自然科學基金(41001347、41101471)；上海市科委重大攻關項目(1223120190)；上海市教委產學研項目(14cxy09)

收稿日期：2014-07

中圖分類號：Q948

文獻標識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-5641.2015.02.006

文章編號：1000-5641(2015)02-0048-10