太湖流域源頭溪流富營養(yǎng)化特征及影響因素

龔慶碗，徐兵兵(同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，長江水環(huán)境教育部重點實驗室，上海200092)

水體富營養(yǎng)化是目前全球水環(huán)境可持續(xù)發(fā)展面臨的一個巨大挑戰(zhàn)，我國是水體富營養(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，同時與人類活動密切相關(guān)［3－5］。土地利用特征是流域內(nèi)人類活動強(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各環(huán)境因子的生態(tài)響應(yīng)機(jī)制對于解析富營養(yǎng)化進(jìn)程至關(guān)重要。

南苕溪是太湖的源頭水系，是青山水庫的入庫河流，其水環(huán)境保護(hù)關(guān)系著下游近千萬人口的直接或間接飲用水安全及區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，并且其水質(zhì)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(jié)會缺水?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，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，勢必增加水體發(fā)生富營養(yǎng)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(yǎng)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(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)至青山水庫段，總河長約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?。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?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月中旬為臺汛期。

1.2 樣品的采集與分析 經(jīng)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(qū)域及支流匯入位置合理設(shè)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(qū)段共計22個監(jiān)測點開展表層水樣(水面下20～30 cm處)的采集與現(xiàn)場監(jiān)測(圖1)。

現(xiàn)場監(jiān)測中，采用美國哈希(HQ40D)便攜式多參數(shù)水質(zhì)分析儀測定pH、溶解氧(DO)、水溫和電導(dǎo)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(nèi)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(tài)氮(NH3-N)，紫外分光光度法測定硝態(tài)氮(-N)，鹽酸萘乙二胺比色法測定亞硝態(tài)氮(-N)，紫外分光光度法測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(jìn)行校正。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析 相關(guān)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(jìn)行。RDA是一種直接用于描述兩個矩陣之間關(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(huán)境因子與排序軸之間的正負(fù)相關(guān)性。

營養(yǎng)狀態(tài)評價方法采用修正的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法(TSIM)［10－11］，選取 Chl-a、TP、透明度(Sd)作為評價指標(biāo)。根據(jù)修正得營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評價標(biāo)準(zhǔn)，TSIM＜37為貧富營養(yǎng)狀態(tài)，37＜TSIM＜53為中富營養(yǎng)狀態(tài)，53＜TSIM＜65為富營養(yǎng)狀態(tài)，TSIM＞65為重富營養(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，氮素含量相對較高。氮磷含量遠(yuǎn)高于公認(rèn)富營養(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，人為活動劇烈區(qū)的水體環(huán)境更利于促進(jìn)藻類初級生產(chǎn)力的提高。據(jù)OECD富營養(yǎng)化單因子評價標(biāo)準(zhǔn)［14］，Chl-a含量超過11 g/L被看作水體發(fā)生富營養(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)到了富營養(yǎng)水平。

2.2 水體營養(yǎng)狀態(tài)特征 南苕溪水體營養(yǎng)狀態(tài)處于中富營養(yǎng)—富營養(yǎng)狀態(tài)，其中夏季達(dá)到富營養(yǎng)狀態(tài)，冬季接近富營養(yǎng)化狀態(tài)(圖2)。從土地利用類型來看，城鎮(zhèn)區(qū)水體營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)最高，水體接近重富營養(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)營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)最低，水體處于貧富營養(yǎng)化狀態(tài)。

圖2 南苕溪水體營養(yǎng)狀態(tài)的季節(jié)變化和區(qū)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(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生產(chǎn)力和營養(yǎng)狀態(tài)的動態(tài)變化。

圖3 南苕溪水體中藻類群落對Chl-a的貢獻(xiàn)

圖4 不同土地利用區(qū)域水體中硅藻對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)，水溫對藻類的生長具有促進(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。水動力引起的水體紊動，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。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(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。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(tǒng)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(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Chl-a的貢獻(xiàn)比例與Chl-a濃度(a)和營養(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較高的生長速率有關(guān)［3］。藍(lán)綠藻的快速增長使其光合作用加強(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養(yǎng)鹽、濁度和電導(dǎo)率存在明顯的正相關(guān)，營養(yǎng)鹽促進(jìn)硅藻生長。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(chǎn)生向底層擴(kuò)散的水團(tuán)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(jìn)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(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)，藻類群落之間的競爭不明顯。從各季節(jié)監(jiān)測點位在排序圖中的分布來看，軸2對冬季和其他季節(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)測點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養(yǎng)狀態(tài)向富營養(yǎng)狀態(tài)過渡的過程。南苕溪水體營養(yǎng)狀態(tài)自上游源頭林區(qū)至下游城鎮(zhèn)區(qū)逐步增高，營養(yǎng)狀態(tài)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(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Chl-a貢獻(xiàn)比例逐步降低，硅藻對Chl-a的貢獻(xiàn)比例可以反映南苕溪水體初級生產(chǎn)力和營養(yǎng)狀態(tài)的動態(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)綠藻的生長受溫度的變化影響顯著，溫度升高對藍(lán)綠藻生長具有明顯促進(jìn)作用，硅藻的變化則與氮磷營養(yǎng)鹽含量呈顯著的正相關(guān)，水體的流動對3種藻類的生長均有抑制作用。

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