珠江流域東江干流浮游植物葉綠素a時空分布及與環(huán)境因子的關(guān)系*

田時彌，楊 揚(yáng),2**，喬永民,2，何文祥，林劍華，王棟宇

(1：暨南大學(xué)水生生物研究中心，廣州 510632)(2：暨南大學(xué)熱帶亞熱帶水生態(tài)工程教育部工程研究中心，廣州 510632)

珠江流域東江干流浮游植物葉綠素a時空分布及與環(huán)境因子的關(guān)系*

田時彌1，楊 揚(yáng)1,2**，喬永民1,2，何文祥1，林劍華1，王棟宇1

(1：暨南大學(xué)水生生物研究中心，廣州 510632)(2：暨南大學(xué)熱帶亞熱帶水生態(tài)工程教育部工程研究中心，廣州 510632)

為了解珠江流域東江干流水體葉綠素a的時空分布及與環(huán)境因子的關(guān)系，于2012年6月(豐水期)和12月(枯水期)對東江干流進(jìn)行采樣調(diào)查分析.結(jié)果表明，東江水體葉綠素a含量具有明顯的時空分布特征，其全年變化范圍為0.84～14.93μg/L，整體均值為3.60±2.45μg/L，豐水期葉綠素a含量顯著高于枯水期；而豐、枯水期葉綠素a含量空間分布特征相似，上游河段顯著低于下游河段.相關(guān)性與主成分分析結(jié)果顯示，水體中總氮濃度、總磷濃度、有機(jī)物含量、水溫和水流流速等都是影響東江浮游植物生長的重要因素，其中以總磷的影響最為顯著，表明磷可能是東江浮游植物生長的限制因子.

東江干流;葉綠素a;環(huán)境因子;相關(guān)性分析;主成分分析；珠江流域

浮游植物是河流生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分，其時空分布特征不僅影響了生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)過程、功能和穩(wěn)定性，而且反映了生態(tài)環(huán)境的變化[1].河流中浮游植物的生物量和種類組成受河流形態(tài)、水文、光照、營養(yǎng)鹽濃度以及水流搬運(yùn)和泥沙數(shù)量等作用的綜合影響，具有明顯的空間異質(zhì)性[2-7].近年來，由于大型河流受水利水電設(shè)施、水產(chǎn)、灌溉、航運(yùn)、防洪、排放等人類活動的干擾，以及上下游、干支流、淡咸水之間等多種河流自身作用相互交織，導(dǎo)致大型河流中浮游藻類快速繁殖，使河流水質(zhì)環(huán)境惡化，如長江的一級支流漢江漢口段、松花江哈爾濱段、南京秦淮河、三峽水庫第一大支流香溪河等開始陸續(xù)暴發(fā)藻類水華[8-12].然而相對于湖泊、水庫的藻類與水環(huán)境的關(guān)系研究來說，對河流生境變化與浮游植物之間的響應(yīng)關(guān)系關(guān)注較少.因此，建立浮游藻類對河流環(huán)境因子的響應(yīng)關(guān)系，并依據(jù)浮游藻類分布特征評估河流生態(tài)健康狀況，一直是許多研究者長期關(guān)注的理論問題和應(yīng)用目標(biāo).

東江作為南亞熱帶的大型河流、粵港澳地區(qū)重要的飲用水源地，對于維系該地區(qū)的穩(wěn)定和發(fā)展有著十分重要的作用.然而隨著區(qū)域經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，其水文水質(zhì)與生態(tài)環(huán)境受到不同程度的影響.如采砂、水利工程、農(nóng)業(yè)開發(fā)和其它土地資源不合理利用及排放等問題致使東江河床、岸坡結(jié)構(gòu)和水文條件等發(fā)生明顯變化[13-15].同時，水質(zhì)也呈下降趨勢，上游河段受農(nóng)業(yè)面源污染，中下游河段主要受生活污水和工業(yè)廢水的點(diǎn)源污染，且部分河段已趨于富營養(yǎng)化狀態(tài)[16-17].盡管目前針對東江水環(huán)境問題開展了一些研究[18-21]，但主要以局域河段為對象，且存在研究采樣點(diǎn)偏少、系統(tǒng)性不強(qiáng)和時間不足等問題.鑒于水體研究中，葉綠素a(Chl.a)可表征浮游植物的生物量，是描述水體營養(yǎng)狀態(tài)和研究河流生境的重要指標(biāo). 本文以東江干流為研究對象，分別在豐、枯水期對其水質(zhì)進(jìn)行調(diào)查，通過東江浮游藻類Chl.a的時空變化特征分析，探討東江浮游藻類與水環(huán)境因子之間的關(guān)系，認(rèn)識東江浮游藻類分布及其時空變化規(guī)律，揭示浮游植物對水環(huán)境因子的響應(yīng)機(jī)制，不僅具有生態(tài)學(xué)理論意義，而且在東江水生態(tài)系統(tǒng)管理和評價中具有廣泛的實(shí)踐應(yīng)用價值.

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域

東江是珠江三大水系之一，上游由潯烏江和定南河匯入，流經(jīng)龍川縣、河源、惠州、東莞等縣市，下游主要分南、中、北三條支流匯入珠江，全長562km，流域面積35340 km2.本研究區(qū)域?yàn)闁|江干流楓樹壩至下游中支流段，長446km，從上游至下游，根據(jù)不同生境將東江分為5個研究區(qū)域：楓樹壩段(FSB)為上游水庫，河源段(HY)為上游河段，惠州段(HZ)為中游河段，石龍段(SL)為下游河段，另外還有下游中支流(ZZ)河段，共設(shè)45個采樣點(diǎn)，詳見表1.

表1 東江各河段基本情況

1.2 研究方法

根據(jù)東江干流上中下游各個河段的周邊情況和地理特征，在每個河段布設(shè)樣點(diǎn)，各河段樣點(diǎn)個數(shù)與布設(shè)位置見表1和圖1.由于研究區(qū)域河段較寬，水樣用5L有機(jī)玻璃柱狀采水器采集河道左中右3點(diǎn)處離表層0.5m的混合樣，從每個混合樣中取2個平行樣帶回實(shí)驗(yàn)室測定.本研究于2012年6月(豐水期)和12月(枯水期)各進(jìn)行1次采樣，2次調(diào)查均用GPS定位以確保采樣位置一致，整個河段每次采樣連續(xù)15d進(jìn)行.水溫(WT)、溶解氧(DO)用YSI水質(zhì)監(jiān)測儀(Professional-Plus)檢測，pH值用pH儀(PHB-3)測定，流速(V)用流速儀(LS25-3C)測定.高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)用酸性高錳酸鉀法測定，總氮(TN)、總磷(TP)用堿性過硫酸鉀法測定. Chl.a采用丙酮萃取分光光度法測定.采樣方法參見《河流生態(tài)調(diào)查技術(shù)方法》[22]. 樣品保存方法和檢測方法詳細(xì)步驟參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》[23].

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

采用相關(guān)性分析研究葉綠素a與環(huán)境因子的響應(yīng)關(guān)系，并建立相應(yīng)的回歸方程，然后對水環(huán)境因子做主成分分析(PCA)，篩選出對浮游植物影響較大的因子.上述數(shù)據(jù)分析采用SPSS 18.0軟件.

圖1 東江采樣點(diǎn)布設(shè)Fig.1 Sampling sites in Dongjiang River

2 結(jié)果與討論

2.1 東江水環(huán)境因子變化

調(diào)查期間東江5個河段主要物理、化學(xué)參數(shù)變動情況如圖2.參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)基本項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)限值(GB/T 3838—2002)》，除TN外，其它水質(zhì)指標(biāo)均能達(dá)到地表水Ⅱ～Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn).其中水溫在豐水期(25.5℃)明顯高于枯水期(18.6℃)，全年變動范圍為16.3～29.0℃，較適宜浮游植物生長(圖2a).東江水體流速在豐、枯水期差異顯著(P<0.01)，其均值分別為0.32、0.10m/s，在空間上從上游至下游呈逐漸遞減趨勢(圖2b).而DO在豐、枯水期則差異不顯著，從上游至下游表現(xiàn)為逐漸降低趨勢，變動范圍在0.09～9.08mg/L之間(圖2c).水體CODMn全年均值為3.43mg/L，變動范圍為0.84～16.35mg/L，但其空間變化趨勢與DO相反(圖2d)，表明東江DO分布特征可能與有機(jī)物含量有關(guān).東江TN含量較高，均值為1.99mg/L，在受點(diǎn)源污染影響顯著的下游河段(HZ、SL、ZZ)均表現(xiàn)為枯水期高于豐水期(圖2e)，而以面源污染為主的上游河段(FSB、HZ)則表現(xiàn)為豐水期高于枯水期.東江TP變化范圍較大，為0.01～0.28mg/L(圖2f)，豐水期TP(0.13mg/L)顯著高于枯水期(0.06mg/L).從空間分布看，東江TN、TP含量越靠近下游，濃度越高，這可能與東江下游過度開發(fā)、人口增長有關(guān).

圖2 東江水環(huán)境因子時空變化Fig.2 Temporal and spatial variation of aquatic environmental factors in Dongjiang River

2.2 東江葉綠素a時空變化

圖3 東江葉綠素a濃度時空分布Fig.3 Temporal and spatial variation of Chl.a concentration in Dongjiang River

東江流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，四季變化不明顯，河道環(huán)境主要受豐、枯水期影響.豐、枯水期各河段Chl.a含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果(圖3)顯示，東江Chl.a整體均值為3.60±2.45μg/L，全年變化范圍為0.84～14.93μg/L，最大值出現(xiàn)在豐水期，最小值出現(xiàn)在枯水期. Chl.a含量隨時間變化明顯，豐水期Chl.a含量(4.85±2.56μg/L)要顯著高于枯水期(2.36±1.55μg/L)(P<0.01)，原因在于豐水期降雨徑流帶來的營養(yǎng)鹽以及水溫的升高在一定程度上刺激了浮游植物的生長.在空間上，豐、枯水期Chl.a含量分布特征具有相似性，主要表現(xiàn)為，除上游水庫(FSB)和河源段(HY)Chl.a含量低于5μg/L外，其余河段均較高，且Chl.a峰值區(qū)主要分布在中下游惠州段(HZ)和東莞段(SL、ZZ)，整個河段呈現(xiàn)明顯的上游低下游高的分布特征.這可以說明，東江Chl.a含量不僅表現(xiàn)出較明顯的季節(jié)差異，而且呈現(xiàn)出一定的空間差異性.此外，東江Chl.a含量水平與泰晤士河比較相近[24]，且該研究認(rèn)為Chl.a含量在2.5～8.0μg/L之間的水體為中度營養(yǎng)型，低于2.5μg/L則為寡營養(yǎng)型[25]，東江55%的點(diǎn)位Chl.a含量處于2.54～7.59μg/L之間，另有40%的點(diǎn)位Chl.a含量低于2.5μg/L，表明東江大部分河段水體基本處于中度營養(yǎng)或中度營養(yǎng)以下水平.

圖4 Chl.a與水溫、CODMn、TN、TP的相關(guān)關(guān)系Fig.4 Correlations between Chl.a and WT, CODMn, TN, TP

2.3 葉綠素a含量與水環(huán)境因子的相關(guān)性分析

對東江Chl.a和水環(huán)境因子做相關(guān)性分析，并建立回歸方程如圖4.相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，東江Chl.a與TN呈顯著正相關(guān)(r= 0.42，P<0.05)(圖4a)，與TP呈極顯著正相關(guān)(r= 0.64，P<0.01)(圖4b)，表明氮、磷營養(yǎng)鹽對東江浮游植物生長有重要影響，而磷對浮游植物的影響更為顯著.水體中氮、磷等無機(jī)營養(yǎng)鹽是影響浮游植物光合作用的重要因子[26]，其中磷是影響河流浮游植物生物量變化的主要因子[27-28].此外，當(dāng)水體中TN/TP大于17～21時，磷可能成為水體營養(yǎng)水平的限制因子[29].東江TN/TP在豐水期為25.17，枯水期為45.80，說明磷是東江浮游植物生長的限制因子，該結(jié)果與王博等[17]對東江的調(diào)查結(jié)論相一致.

東江Chl.a與水溫呈極顯著正相關(guān)(r= 0.58，P<0.01)(圖4c)，說明隨著水溫的上升，浮游植物的生長速度也隨之加快.水溫是影響藻類光合作用和呼吸代謝的重要因素，適宜的溫度可以加快藻細(xì)胞內(nèi)新陳代謝作用，促進(jìn)浮游植物生長繁殖[30].另外，東江Chl.a與CODMn也呈顯著正相關(guān)(r= 0.40，P<0.05)(圖4d)，這與江源等[31]對東江浮游植物的研究結(jié)果相似.水中有機(jī)物的存在會促進(jìn)藻類生長，東江有機(jī)物質(zhì)主要來自沿途生活污水的排放、農(nóng)業(yè)水產(chǎn)養(yǎng)殖以及地表徑流等，這些有機(jī)物質(zhì)經(jīng)氧化分解后可變成藻類直接利用的營養(yǎng)鹽.

東江流速與Chl.a的相關(guān)關(guān)系存在時空異質(zhì)性.上游河段(FSB、HY)在豐水期流速較快，均值達(dá)到0.44m/s，Chl.a與流速存在極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(r=-0.498，P<0.01)；但該河段在枯水期流速變小(0.10m/s)，Chl.a與流速無顯著關(guān)系(r=-0.93，P>0.05).而在下游河段(HZ、SL、ZZ)，Chl.a與流速在豐、枯水期都無顯著關(guān)系(P>0.05).有研究證明，流速要在較大范圍內(nèi)才對浮游植物生長產(chǎn)生抑制作用[32]，并且水體營養(yǎng)鹽偏高會減輕水動力對浮游植物生長的抑制作用[33].相比上游河段，下游河段氮、磷營養(yǎng)鹽含量較高，豐、枯水期流速變化幅度小，浮游植物的生物量主要受營養(yǎng)鹽濃度的影響.

在本研究中DO與Chl.a、CODMn、TN和TP均呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，于是以CODMn、TN和TP作控制條件，對Chl.a與DO做偏相關(guān)分析，結(jié)果表明兩者相關(guān)性不顯著(P>0.05)，說明東江DO只是Chl.a變化的被動因子，而DO含量主要受水體有機(jī)物質(zhì)或無機(jī)鹽類的影響.

2.4 葉綠素a含量與水環(huán)境因子的主成分分析

應(yīng)用PCA分析東江水環(huán)境因子的特征，結(jié)果見表2.東江豐、枯水期特征值大于1的主成分分別有2個和3個，其解釋的方差累積分別為63.433%和80.101%.

無論在豐水期還是枯水期，第一個主成分對方差的解釋率均高于40%，且TP、CODMn、DO、TN和Chl.a都具有絕對值較大的相關(guān)系數(shù).以上指標(biāo)反映了東江有機(jī)物質(zhì)、氮磷營養(yǎng)鹽和浮游植物生物量特征，其中有機(jī)物質(zhì)含量、氮磷營養(yǎng)鹽濃度都表征東江的污染程度，說明這幾種因素對浮游植物的生長起重要作用.各因子中TP在豐、枯水期相關(guān)系數(shù)的絕對值最大，分別為0.830和0.920，表明磷對浮游植物生物量的影響更加顯著.

豐水期第二個主成分以及枯水期第二、三個主成分對方差的解釋率分別為20.378%、20.396%和15.159%，這幾個主成分中水溫和流速相關(guān)系數(shù)的絕對值相對較大，主要反映的是東江水溫、水動力特征，表征東江水文氣象狀況，說明水溫、水動力條件對浮游植物生長也有重要影響.枯水期水溫和流速對方差的解釋率較豐水期高，分別是后兩個主成分的主要決定因子，原因可能是東江有機(jī)物質(zhì)和營養(yǎng)鹽濃度在枯水期明顯降低，使得水溫和水動力條件對浮游植物的影響相對增強(qiáng).

PCA分析結(jié)果表明，東江氮磷營養(yǎng)鹽、有機(jī)物質(zhì)含量、水溫和水動力條件都是影響東江浮游植物生長的重要因素，其中磷的影響作用最為突出，這對分析東江水環(huán)境控制因子以及浮游植物的生長影響因素有重要作用.

表2 東江水環(huán)境因子PCA分析

3 結(jié)論

1) 東江葉綠素a含量時空分布特征具有明顯差異，豐水期葉綠素a含量顯著高于枯水期，但豐、枯水期葉綠素a分布特征相似，葉綠素a高值區(qū)主要分布在中下游惠州段和東莞河段，整個河段呈現(xiàn)上游低下游高的分布趨勢.

2) 東江葉綠素a含量與水溫、CODMn、TN呈顯著正相關(guān)，與TP呈極顯著正相關(guān)，且東江豐枯水期TN/TP分別為25.17和45.80，說明磷可能是東江浮游植物生長的限制因子.東江葉綠素a含量與流速的相關(guān)性存在時空異質(zhì)性，主要受流速大小以及營養(yǎng)鹽濃度的影響.

3) 氮磷營養(yǎng)鹽、有機(jī)物質(zhì)含量、水溫和水動力條件都是影響東江浮游植物生長的重要因素，其中磷的影響最為顯著.

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Temporal and spatial distribution of phytoplankton chlorophyll-a and its relationships with environmental factors in Dongjiang River， Pearl River basin

TIAN Shimi1, YANG Yang1,2, QIAO Yongmin1,2, HE Wenxiang1, LIN Jianhua1& WANG Dongyu1

(1：ResearchCenterofHydrobiology,JinanUniversity,Guangzhou510632,P.R.China) (2：MinistryofEducationEngineeringResearchCenterofTropicalandSubtropicalAquaticEcologicalEngineering,JinanUniversity,Guangzhou510632,P.R.China)

Sampling was carried out in wet season and dry season of 2012 in order to analyze the distribution of chlorophyll-a and the effects of water environment factors on chlorophyll-a in Dongjiang River, Pearl River basin. Results showed chlorophyll-a concentration appeared strong temporal and spatial variations in Dongjiang River, ranging from 0.84 to 14.93μg/L, and with the annual mean value of 3.60±2.45μg/L. The chlorophyll-a concentration in wet season was obviously higher than that in dry season. For wet and dry season, the temporal distribution of chlorophyll-a had a similar pattern, increasing from upstream to downstream. The correlation analysis and principal components analysis indicated TN, TP, CODMn, water temperature and flow velocity were the most important factors for the growth of phytoplankton in Dongjiang River, and phosphorous might be the limiting factor because of its remarkable influence on phytoplankton.

Dongjiang River; chlorophyll-a; environmental factors; correlation analysis; Principal Components Analysis; Pearl River basin

*國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目(2012ZX07206-004)資助. 2014-02-27收稿；2014-04-03收修改稿.田時彌(1988～)，女，碩士研究生；E-mail: tianlinglanrui@gmail.com.

**通信作者；E-mail:yangyang@scies.org.