崇明島河網(wǎng)浮游植物和無機、有機氮的時空分布特征*

葉琳琳，吳曉東，趙冬悅，周　芮，唐旭廉，朱倩雯，張繁宇，劉　波，閆德智

(1:南通大學地理科學學院，南通 226000)(2:華東師范大學，河口海岸學國家重點實驗室，上海 200062)(3:中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所，冰凍圈科學國家重點實驗室，青藏高原冰凍圈觀測研究站，蘭州 730000)

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崇明島河網(wǎng)浮游植物和無機、有機氮的時空分布特征*

葉琳琳1,2，吳曉東3，趙冬悅2，周芮2，唐旭廉2，朱倩雯2，張繁宇2，劉波2，閆德智2

(1:南通大學地理科學學院，南通 226000)(2:華東師范大學，河口海岸學國家重點實驗室，上海 200062)(3:中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所，冰凍圈科學國家重點實驗室，青藏高原冰凍圈觀測研究站，蘭州 730000)

為研究崇明島河網(wǎng)浮游植物和無機、有機氮的時空分布特征及其相互關(guān)系，于2014年1、4、7和10月在崇明島河網(wǎng)內(nèi)選取界河、堡鎮(zhèn)港、八滧港3條河道9個采樣點采集浮游植物和表層水樣，并選取崇西水閘作為對照點進行研究. 結(jié)果表明：河網(wǎng)內(nèi)浮游植物以綠藻和硅藻為主，其中水閘和堡鎮(zhèn)港夏季裸藻生物量所占比例超過50%. 八滧港總?cè)芙庑缘?TDN)的主要組分是溶解性無機氮，而水閘、界河和堡鎮(zhèn)港溶解性有機氮(DON)在TDN中的比例在夏、秋季低于冬、春季，農(nóng)田土壤釋放可能是DON的重要來源. 水溫、溶解氧和化學需氧量是影響銨態(tài)氮濃度變化的重要環(huán)境因素. 此外，通過冗余分析發(fā)現(xiàn)，銨態(tài)氮影響綠藻和裸藻分布，尿素影響甲藻分布.

崇明島；浮游植物；無機氮；有機氮；時空分布

氮素是水生生態(tài)系統(tǒng)的重要生源要素，以往關(guān)于浮游植物對氮素吸收利用的研究主要集中在溶解性無機氮(dissolved inorganic nitrogen, DIN)方面[1-3]. 江源等[3]在東江干流研究發(fā)現(xiàn)，夏季藍藻、綠藻和硅藻細胞豐度與銨態(tài)氮濃度呈顯著正相關(guān). 馮露露等[1]通過對全太湖1年的野外監(jiān)測數(shù)據(jù)進行相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，微囊藻豐度與硝態(tài)氮濃度呈顯著負相關(guān)，綠藻、硅藻豐度與硝態(tài)氮濃度呈顯著正相關(guān). 因此，不同區(qū)域水生生態(tài)系統(tǒng)和浮游植物群落吸收利用的主要氮素形式具有顯著差異. 近年來有大量研究表明[4-6]，浮游植物在生長過程中會受到氮素限制作用. 對日本富營養(yǎng)化湖泊Inba的研究發(fā)現(xiàn)[6]，夏季水體DIN濃度迅速降低，微囊藻和魚腥藻生長受到氮限制. 而溶解性有機氮(DON)也是水生生態(tài)系統(tǒng)中總?cè)芙庑缘?TDN)的重要組分[7-9]，在以色列Kinneret湖研究發(fā)現(xiàn)[8]，3月和9月DON在TDN中所占比例分別為53%和89%. 并且DON具有一定生物可利用性[9-10]，可以被浮游植物直接或間接吸收利用，與某些有害藻華的發(fā)生密切相關(guān)[11-12]. 通過15N示蹤實驗研究發(fā)現(xiàn)[11]，美國加州海岸DON中尿素為多邊舌甲藻赤潮的形成提供了重要氮源. Dai等[12]通過室內(nèi)培養(yǎng)實驗研究發(fā)現(xiàn)，從滇池分離得到的銅綠微囊藻無菌株能吸收利用DON中氨基酸組分維持自身生長和毒素合成. 綜上所述，DON也是影響浮游植物生長的重要氮素形態(tài)，并且在水體出現(xiàn)氮限制情況下，能為浮游植物的生長提供重要氮源補充[8].

崇明島位于長江河口，三面環(huán)江，一面瀕海，是我國第三大島. 島內(nèi)河網(wǎng)密集，河道引排受涵閘控制，引排期河網(wǎng)在潮汐作用下通過開啟南沿各水閘將長江水引入；而非引排期，各水閘基本處于關(guān)閉狀態(tài)，將內(nèi)河水體與長江隔離，形成了近乎封閉的水體[13-14]. 有研究表明[14]，長江口水體氮素污染嚴重，長江下游干流水體中氮素分布特征呈顯著空間異質(zhì)性[15]. 那么在這種引水背景下，崇明島河網(wǎng)水體氮素形態(tài)的分布特征如何？浮游植物對氮素的吸收利用是水生生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，目前關(guān)于崇明島河網(wǎng)不同浮游植物群落對氮素形態(tài)的響應(yīng)關(guān)系還不清楚，張穎純等[14]探討了崇明島河網(wǎng)各種無機氮素與浮游植物的相互作用機制，但并沒有探討溶解性有機氮的時空分布特征及其與浮游植物組成的相關(guān)性. 因此，本研究自西向東選取崇明島3條典型污染河道，分析了不同季節(jié)水質(zhì)理化參數(shù)以及浮游植物群落組成，明確了無機氮和有機氮的時空分布特征及影響因子，并運用冗余分析(redundancy analysis，RDA)探討了浮游植物群落與各氮素形態(tài)的關(guān)系，為島內(nèi)河網(wǎng)富營養(yǎng)化防治提供重要參考依據(jù).

1　材料和方法

1.1研究區(qū)域概況

崇明島屬沿海平原感潮河網(wǎng)地區(qū)，水資源主要來自長江水的供給和降雨形成的地表徑流. 根據(jù)長江徑流特點，將1-4月歸為枯水期，5-10月為豐水期. 島內(nèi)河網(wǎng)密集，市級河道南橫引河和北橫引河為東西走向，分別貫通崇明島南部和北部地區(qū). 31條縣級河道均為南北走向，河道20～30 m，水深1.5～3.0 m. 河水南進北出，河道南北兩側(cè)均有水閘控制河水進出，阻擋咸潮入侵. 崇明島南部以居民區(qū)和少量工業(yè)區(qū)為主，中部以農(nóng)業(yè)種植區(qū)為主，北部以養(yǎng)殖區(qū)和種植區(qū)為主[16].

1.2樣品采集與分析

圖1 崇明島河網(wǎng)采樣點位置Fig.1　Location of sampling sites in Chongming Island

崇明島河網(wǎng)水質(zhì)具有明顯的空間分異特征. 水質(zhì)南部優(yōu)于北部，西部優(yōu)于東部[17]. 因此，本次研究自西向東選取崇西水閘、界河、堡鎮(zhèn)港和八滧港為研究對象，其中崇西水閘設(shè)置1個采樣點作為對照，其它3條河網(wǎng)分別設(shè)置3個采樣點(圖1). 用YSI記錄現(xiàn)場水溫(WT)、溶解氧(DO)濃度和pH值水質(zhì)參數(shù)的變化.

1.3數(shù)據(jù)分析

本文中數(shù)據(jù)不滿足方差分析的要求，故采用Kruskal-Wallis非參數(shù)檢驗比較不同河道環(huán)境因子參數(shù)及浮游植物的差異性. 利用Canoco軟件對環(huán)境因子與浮游植物數(shù)據(jù)進行分析，首先對浮游植物數(shù)據(jù)進行去趨勢對應(yīng)分析(detrended correspondence analysis, DCA)，DCA分析結(jié)果中的4個排序軸的梯度長度最大值大于3時才適合進行CCA分析，否則適用于基于線性的冗余分析.

2　結(jié)果

2.1浮游植物群落組成的時空變化

水閘浮游植物主要由綠藻、硅藻和裸藻組成，其中冬、春季硅藻生物量所占比例超過95%. 界河浮游植物主要由綠藻、硅藻、裸藻和隱藻組成，春季綠藻生物量所占比例達到最大(58%)，夏季裸藻生物量所占比例達到最大(37%). 堡鎮(zhèn)港浮游植物主要由綠藻(3%～18%)和硅藻(15%～95%)組成，但夏季裸藻生物量所占比例達到54%. 八滧港浮游植物主要由裸藻、綠藻和硅藻組成(圖2).

圖2 浮游植物群落組成的時空變化Fig.2　Temporal and spatial variations of phytoplankton biomass contribution

2.2浮游植物豐度的時空變化

水閘、界河、堡鎮(zhèn)港和八滧港總浮游植物豐度，綠藻、硅藻、裸藻、隱藻、藍藻、甲藻和金藻豐度均無顯著差異. 水閘和八滧港浮游植物豐度季節(jié)變化規(guī)律一致，從春季開始至夏季出現(xiàn)最大值，然后逐漸降低，而界河浮游植物豐度在春季達到最大值(2.0±3.6)×105cells/L. 水閘、堡鎮(zhèn)港和八滧港綠藻豐度都在夏季達到最大值，分別為1.0×106、(3.1±1.5)×105和(2.5±1.1)×105cells/L. 水閘、界河和八滧港硅藻豐度都在秋季達到最大值. 水閘、界河和堡鎮(zhèn)港裸藻豐度都在夏季達到最大，分別為5.0×104、(2.7±0.2)×104和(4.4± 5.0)×104cells/L. 水閘4個季節(jié)隱藻豐度均為0，堡鎮(zhèn)港冬季隱藻豐度較其它季節(jié)有所降低，水閘和堡鎮(zhèn)港藍藻豐度都在秋季達到最大值，分別為4.5×105和(2.9± 2.0)×105，除界河，水閘、堡鎮(zhèn)港和八滧港甲藻豐度都在夏季達到最大值(圖3).

圖3 浮游植物豐度的時空變化Fig.3　Temporal and spatial variations of phytoplankton abundance

2.3水溫、DO、pH值、CODMn和Chl.a濃度的時空變化

水閘、界河、堡鎮(zhèn)港和八滧港的水溫、DO、pH值、CODMn和Chl.a濃度均沒有顯著差異. 水閘、界河、堡鎮(zhèn)港和八滧港的水溫呈明顯的季節(jié)變化規(guī)律，夏季溫度最高，冬季溫度最低. DO濃度與水溫變化規(guī)律基本相反，夏季最低，界河和堡鎮(zhèn)港春季最高. 島內(nèi)河網(wǎng)水體呈堿性，其中水閘和界河pH值在采樣期間逐漸降低，堡鎮(zhèn)港和八滧港秋季降至最低值后，冬季有所增加. 界河、堡鎮(zhèn)港和八滧港的CODMn都在夏季達到最大值，分別為5.97±0.81、5.74±0.77和6.67±0.41 mg/L. 而水閘的CODMn在冬季達到最大值. 水閘、界河、堡鎮(zhèn)港與八滧港的Chl.a濃度沒有顯著差異，但水閘與3條河流Chl.a濃度的季節(jié)變化規(guī)律不同，水閘的Chl.a濃度在夏季達到最大值，而3條河流的Chl.a濃度在春季達到最大值(圖4).

圖4 水溫、DO、pH值、Chl.a和CODMn濃度的時空變化Fig.4　Temporal and spatial variations of water temperature, DO, pH, Chl.a and CODMn concentrations

2.4無機氮和有機氮的時空變化

水閘的DON濃度變幅為0.86～1.46 mg/L. 界河、堡鎮(zhèn)港和八滧港的DON濃度變幅分別為0.63±0.11～1.30±0.16 mg/L、0.81±0.17～1.47±0.14 mg/L和0.60±0.10～1.12±0.42 mg/L，并且都在秋季出現(xiàn)最小值. 水閘的DON在TDN中所占比例為34%～52%. 界河、堡鎮(zhèn)港和八滧港的DON在TDN中所占比例分別為17%±6%～55%±5%、31%±4%～53%±6%和26%±4%～46%±11%. 水閘以及3條河流的DON在TDN中所占比例均為夏、秋季低，冬、春季高.

水閘、界河、堡鎮(zhèn)港與八滧港的尿素濃度沒有顯著差異. 水閘尿素濃度變幅為0.02～0.15 mg/L，界河、堡鎮(zhèn)港和八滧港的尿素濃度變幅分別為0.006±0.004～0.32±0.15、0.005±0.003～0.14±0.013和0.01±0.005～0.37±0.30 mg/L. 水閘、界河、堡鎮(zhèn)港和八滧港的尿素濃度都在夏季達到最大值，除水閘外，3條河流尿素濃度最低值均出現(xiàn)在春季. 尿素在DON中所占比例變幅較大，其中在界河春季僅占0.48%±0.28%，在夏季達到42.82%±19.73%. 在堡鎮(zhèn)港和八滧港的季節(jié)變化規(guī)律也是夏季比例最高，春季比例最低(圖5).

圖和尿素濃度的時空變化Fig.5　Temporal and spatial variations of -N, -N, DON and urea concentrations

2.5浮游植物和環(huán)境因子的RDA分析

DCA分析結(jié)果中4個排序軸的梯度長度最大值為1.779，因此使用RDA分析. 結(jié)果顯示前兩個軸共解釋了36.5%的物種數(shù)據(jù)的方差，79.5%的物種與環(huán)境關(guān)系的方差累計百分比(表1).

3　討論

3.1河網(wǎng)內(nèi)無機氮的時空變化

表1　浮游植物組成與環(huán)境因子的RDA分析

圖6 環(huán)境因素與浮游植物的RDA排序圖(Cry、Cya、Pyr、Chr、Bac、Chl和Eug分別代表隱藻、藍藻、甲藻、金藻、硅藻、綠藻和祼藻)Fig.6　RDA ordination diagram of the environmental factors and phytoplankton community

3.2河網(wǎng)內(nèi)有機氮的時空變化

DON是TDN的重要組分，有研究表明，在以農(nóng)業(yè)用地為主要土地利用方式的流域內(nèi)，河流中DON在TDN中所占比例達到72%～97%[32]. 此外，大量研究[33-34]表明，DON濃度變化具有顯著季節(jié)規(guī)律，夏季DIN濃度降低的過程中DON濃度開始顯著增加[35-36]. 有研究發(fā)現(xiàn)，瀨戶內(nèi)海2006年DON濃度從春季開始增加，在夏季達到最大值后開始減少[33]. 此外，河口水體夏、秋季DON在TDN中所占比例高于春季和冬季[37]. 但本文研究發(fā)現(xiàn)，島內(nèi)河網(wǎng)水體夏、秋季DON在TDN中所占比例低于春、冬季. 水閘和界河春季DON是TDN的主要組分，而夏、秋、冬季DIN是TDN的主要組分. 堡鎮(zhèn)港春季和冬季DON在TDN中所占比例高于50%. 但八滧港4個季節(jié)水體TDN的主要組分都是DIN，表明河網(wǎng)與河口DON來源及循環(huán)機制具有顯著差異，河口中沉積物的釋放是水體中DON的重要來源[38]. 而崇明島農(nóng)業(yè)用地所占比例較大，農(nóng)田土壤是釋放DON的重要來源[32]，因此在冬、春季，即枯水期，DON濃度及其在TDN中所占比例較高.

3.3影響浮游植物分布的無機氮和有機氮

在海洋赤潮的研究中，尿素是支持赤潮發(fā)生的重要氮素形態(tài). 有研究表明[43]，甲藻對尿素的有效吸收利用是維持東海赤潮高發(fā)區(qū)甲藻赤潮暴發(fā)的原因之一. 然而，尿素對于湖泊、河網(wǎng)等水生生態(tài)系統(tǒng)中浮游植物生長的作用研究較少. 楊柳等[42]在太湖研究發(fā)現(xiàn)，胥口灣優(yōu)勢群落隱藻對尿素吸收速率較高. 本文研究發(fā)現(xiàn)，尿素是影響甲藻分布的重要有機氮形態(tài)(圖6).

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Temporal and spatial distributions of phytoplankton and inorganic and organic nitrogen in Chongming Island

YE Linlin1,2, WU Xiaodong3, ZHAO Dongyue2, ZHOU Rui2, TANG Xulian2, ZHU Qianwen2, ZHANG Fanyu2, LIU Bo2& YAN Dezhi2

(1:SchoolofGeographyScience,NantongUniversity,Nantong226000,P.R.China)(2:StateKeyLaboratoryofEstuarineandCoastalResearch,EastChinaNormalUniversity,Shanghai200062,P.R.China)(3:CryosphereResearchStationontheQinghai-TibetanPlateau,StateKeyLaboratoryofCryosphericSciences,ColdandAridRegionsEnvironmentalandEngineeringResearchInstitute,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou730000,P.R.China)

To investigate the temporal and spatial distributions of phytoplankton, inorganic and organic nitrogen as well as their relationship, the phytoplankton and surface water samples were collected at nine sites in Rivers Jiehe, Baozhengang, and Bayaogang in Chongming Island in January, April, July and October of 2014, a sample in Chongxi gate site was also collected as control. These results indicated that the phytoplankton community was composed by chlorophyta and bacillariophyta, and the contribution of euglenophyta biomass was more than 50% in the Chongxi gate and River Baozhengang in summer. Dissolved inorganic nitrogen (DIN) constituted the major fraction of total dissolved nitrogen (TDN), and the percentages of dissolved organic nitrogen (DON) in TDN in the Chongxi gate, Rivers Jiehe and Baozhengang were lower in summer and autumn than those in winter and spring, the release from agriculture soil may be an important source of DON. The concentration of ammonium nitrogen was affected by water temperature, dissolved oxygen, and chemical oxygen demand. The redundancy analysis suggested that the distribution of Chlorophyta and Euglenophyta was affected by ammonium nitrogen, and the distribution of Pyrrophyta was affected by urea.

Chongming Island; phytoplankton; inorganic nitrogen; organic nitrogen; temporal and spatial distributions

J.LakeSci.(湖泊科學)， 2016， 28(3)： 528-536

10.18307/2016.0308

?2016 byJournalofLakeSciences

*國家自然科學基金項目(41201076, 41001032)和河口海岸學國家重點實驗室開放基金項目(SKLEC-KF201310)聯(lián)合資助. 2015-04-08收稿；2015-09-17收修改稿. 葉琳琳(1981～), 女，講師；E-mail: yelinlin8164@163.com.