太浦河水體葉綠素a縱向演變特征及主要影響因子

劉毛亞,童春富,吳逢潤(rùn)

華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,崇明生態(tài)研究院, 上海 200241

浮游植物是水生生態(tài)系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)者,是水生食物鏈和食物網(wǎng)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié),具有增長(zhǎng)速度快、繁殖周期短以及對(duì)環(huán)境變化敏感等特點(diǎn),直接影響著水生生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能[1-3]。水體葉綠素a的含量水平能夠反映浮游植物生物量的高低；葉綠素a作為重要的水質(zhì)指標(biāo),可直觀的描述水體營(yíng)養(yǎng)狀況[4-5]。很多學(xué)者已經(jīng)對(duì)水體葉綠素a含量及其與環(huán)境因子的關(guān)系做了大量研究[4-8]。在歐美國(guó)家,水體葉綠素a含量已廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)[9-10]。

縱向演替一般指浮游植物等生物類群沿著水流方向沿程發(fā)生的演替過(guò)程。通常具有一定線狀流程變化的水體,浮游植物等生物類群都具有一定的縱向演替特征[1-2,9-12]。與之相對(duì)應(yīng),水體葉綠素a含量也勢(shì)必會(huì)隨之發(fā)生變化。由于不同河段和流程距離的增加會(huì)導(dǎo)致水體葉綠素a濃度有所不同,其縱向演變特征也存在差異[1,13-16]。如Sabater等[13]研究表明埃布羅河浮游植物葉綠素受多種因素的影響,從河的上游到中段有所波動(dòng),但整體逐漸增加,且在下游濃度達(dá)到最大。王瓊等[17]研究表明太子河流域水體葉綠素a上游濃度較低,下游河段葉綠素a濃度較高。周貝貝等[18]對(duì)南京秦淮河研究表明從上游到下游,水體葉綠素a含量的分布表現(xiàn)出一定的空間差異性,其縱向變化隨著距離的增加具有一定的波動(dòng)性,無(wú)明顯規(guī)律。

太浦河連接?xùn)|太湖和黃浦江,是江蘇、浙江、上海等地區(qū)的重要取水水源。上海市重要水源地金澤水庫(kù)也從太浦河取水。目前對(duì)太浦河水體葉綠素a變化特征的相關(guān)研究尚未有報(bào)道。本文擬通過(guò)對(duì)東太湖及太浦河沿程不同站點(diǎn)的月際取樣調(diào)研,探討以下科學(xué)問(wèn)題：(1)太浦河水體葉綠素a濃度的縱向演變特征如何？(2)影響水體葉綠素a濃度縱向演變的主要因子及其作用特征是什么？以期為進(jìn)一步研究水體葉綠素a縱向演變規(guī)律奠定基礎(chǔ),同時(shí)為水源地水質(zhì)安全保障提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于東太湖及太浦河,如圖 1 所示。該區(qū)域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)性氣候區(qū),氣候溫和濕潤(rùn),年均溫度為15.8 ℃,年均降水量為1093.5 mm[19]。太浦河是太湖流域的重要河流,長(zhǎng)為57.2 km,流經(jīng)江、浙、滬3省市15個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn),西起江蘇省吳江市廟港鎮(zhèn)太湖東岸,東至青浦區(qū)金澤鎮(zhèn)池家港村入上海市境,在練塘鎮(zhèn)南大港處與西泖河相接。太浦河沿線地勢(shì)平坦,中段河湖眾多,承擔(dān)著太湖泄洪通道的重要功能。同時(shí),區(qū)域水質(zhì)狀況受到了多方面的影響,如工業(yè)廢水排放、航運(yùn)業(yè)發(fā)展及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中農(nóng)藥和化肥的使用等,可能影響區(qū)域飲用水安全,已經(jīng)引起廣泛關(guān)注[20-23]。

圖1 東太湖及太浦河采樣站點(diǎn)示意圖 Fig.1 Map of sampling sites in the East Taihu Lake and Taipu RiverDT：東太湖 East Taihu Lake;T1：太浦閘 Taipu Gate;T2：平望大橋 Pingwang Bridge;T3：黎里東大橋 Lilidong Bridge;T4;蘆墟大橋 Luxu Bridge; T5：金澤水文站 Jinze Hydrological Station

2 材料與方法

2.1 取樣調(diào)研與分析

在東太湖及太浦河沿線設(shè)置了6個(gè)固定采樣站點(diǎn),如圖1所示。在東太湖靠近太浦河入口處,設(shè)置采樣站點(diǎn)DT；在太浦河沿線自西至東設(shè)置了5個(gè)采樣站點(diǎn)：T1(太浦閘)、T2(平望大橋)、T3(黎里東大橋)、T4(蘆墟大橋)及T5(金澤水文站)。2017 年 11月—2018年10月,每月一次對(duì)相應(yīng)站點(diǎn)表層水體葉綠素a含量進(jìn)行了取樣調(diào)查,具體采樣方法參照《水域生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)規(guī)范》進(jìn)行。現(xiàn)場(chǎng)采用IP67手持多參數(shù)水質(zhì)測(cè)量?jī)x測(cè)定水體溫度、溶解氧、pH和電導(dǎo)率；用塞氏圓盤測(cè)定水體透明度(SD)；用ZDS-10W系列照度計(jì)測(cè)定水上和水下0.5 m光照強(qiáng)度。

參照《中華人民共和國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)HJ 897-2017水質(zhì)葉綠素a的測(cè)定分光光度法》,在實(shí)驗(yàn)室采用分光光度法進(jìn)行水體葉綠素a的測(cè)定分析。

2.2 數(shù)據(jù)處理

用Excel軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)和整理分類；用SPSS 20.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn),不具備方差齊性的數(shù)據(jù)需轉(zhuǎn)化后再進(jìn)行分析；采用單因素方差分析(One-way ANOVA)對(duì)不同采樣站點(diǎn)環(huán)境因子和葉綠素a濃度的差異進(jìn)行顯著性分析,再選用最小顯著差法(LSD)進(jìn)行均數(shù)間多重比較[24]。以P<0.05 表示顯著差異,P<0.01表示極顯著差異。采用統(tǒng)計(jì)軟件PRIMER 5.2.8對(duì)水體葉綠素a濃度與環(huán)境因子進(jìn)行非線性回歸分析：用BVSTEP程序篩選與水體葉綠素a匹配最好的環(huán)境因子組合,并計(jì)算相關(guān)系數(shù)；再用RELATE程序檢驗(yàn)兩者之間的相關(guān)性是否顯著；所有數(shù)據(jù)在使用時(shí)需經(jīng)過(guò)四次方根變換,以滿足數(shù)據(jù)的正態(tài)性要求；環(huán)境因子的相關(guān)數(shù)據(jù)需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,以避免量綱差異造成的影響[25]。同時(shí),采用PRIMER 5.2.8對(duì)不同月份葉綠素a濃度進(jìn)行聚類及非度量多維尺度分析(non-metric multi-dimensional scaling, nMDS)：水體葉綠素a數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)四次方根變換后,計(jì)算Bray-Curtis 相似系數(shù),構(gòu)建相似矩陣；在此基礎(chǔ)上進(jìn)行等級(jí)聚類和非度量多維尺度變換分析[26-27]。用脅強(qiáng)系數(shù)(stress)來(lái)判斷一個(gè)二維非度量多維標(biāo)度分析結(jié)果的可信度：0

3 研究結(jié)果

3.1 葉綠素a濃度變化特征

2017年11月—2018年10月東太湖及太浦河沿線表層水體葉綠素a濃度如圖2所示。在圖2中,從東太湖至太浦河沿線葉綠素a濃度整體呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì),但T1站點(diǎn)全年平均葉綠素a濃度略高于DT站點(diǎn),前者為(15.650±1.910) μg/L,后者為(15.341±2.329) μg/L；在T4采樣站點(diǎn)全年葉綠素a平均濃度最低,為(9.941±0.932) μg/L。單因素方差分析結(jié)果表明,不同站點(diǎn)表層水體葉綠素a濃度整體存在顯著差異(P<0.05),但是不同站點(diǎn)兩兩之間的對(duì)比差異不同。DT站點(diǎn)葉綠素a濃度與T3、T4有顯著差異(P<0.05),與T1、T2、T5無(wú)顯著差異(P>0.05)；T1站點(diǎn)葉綠素a濃度與T3、T4、T5有顯著性差異(P<0.05),但與DT和T2站點(diǎn)之間均無(wú)顯著差異(P>0.05)；T2站點(diǎn)與其他各采樣站點(diǎn)兩兩之間均無(wú)顯著性差異(P>0.05)。

在圖2中,不同月份葉綠素a 濃度有所不同,其中9月各站點(diǎn)平均葉綠素a含量最高,為(21.295±3.012) μg/L,12月各站點(diǎn)平均葉綠素a含量最低,為(7.756±0.295) μg/L。單因素方差分析結(jié)果表明,不同月份表層水體葉綠素a濃度整體存在顯著差異(P<0.05),但是不同月份兩兩之間的對(duì)比差異不同。

同時(shí),不同月份葉綠素a濃度在不同站點(diǎn)間的變化特征也有所不同,如圖2所示。如在3—5月和11月葉綠素a濃度自DT站點(diǎn)至T5站點(diǎn),先降低再升高；而在7月和9月葉綠素a濃度沿程先升高再降低。

圖2 不同站點(diǎn)、不同月份水體葉綠素a濃度變化特征Fig.2 Variation characteristics of Chlorophyll a concentrations in the different sampling sites and in the different months圖中標(biāo)注不同小寫字母的柱狀圖表示相互之間存在顯著差異(P<0.05)

不同站點(diǎn)葉綠素a濃度的聚類及非度量多維尺度分析的結(jié)果如圖3所示。聚類分析將6個(gè)站點(diǎn)分成了3組,T2單獨(dú)成為一組；DT和T1組成一組；T3、T4和T5組成一組,且這六個(gè)站點(diǎn)的葉綠素a濃度相似性達(dá)到了96%以上。nMDS分析圖的Stress值為0.01,說(shuō)明解釋站點(diǎn)之間相似關(guān)系的可信度較好,可以把6個(gè)站點(diǎn)大致分成3組,這與聚類分析的結(jié)果一致。

不同月份葉綠素a濃度的聚類及非度量多維尺度分析的結(jié)果如圖3所示。聚類分析將12個(gè)月份分成了4組,6月單獨(dú)成為一組；3月、8月和10月組成一組；1、2、4、5、11和12月組成一組,7月和9月組成一組；其中3月、8月和10月及1、2、4、5、11和12月這幾個(gè)月份的葉綠素a相似性達(dá)到了95%以上。nMDS分析圖的Stress值為0.03,說(shuō)明解釋月份之間相似關(guān)系的可信度較好,可以把12個(gè)月份大致分成4組,這與聚類分析的結(jié)果一致。

圖3 不同站點(diǎn)和不同月份葉綠素a濃度的聚類及非度量多維尺度分析Fig.3 Cluster and NMDS analysis of the Chlorophyll a concentrations in the different sampling sites and the different months

3.2 不同采樣站點(diǎn)環(huán)境因子變化特征

不同采樣站點(diǎn)環(huán)境因子的變化特征如表1所示。方差分析結(jié)果顯示不同站點(diǎn)整體pH和電導(dǎo)率存在顯著差異(P<0.05),溶解氧、水溫、透明度、水上和水下0.5 m光強(qiáng)在各站點(diǎn)整體均無(wú)顯著性差異(P>0.05)。不同站點(diǎn)各因子兩兩比較的結(jié)果存在明顯差異。DT與T2—T5站點(diǎn)的pH和溶解氧有顯著差異(P<0.05),但與T1站點(diǎn)無(wú)顯著差異(P>0.05)。DT和T1站點(diǎn)的電導(dǎo)率與T4、T5有顯著差異(P<0.05),但與兩站點(diǎn)間電導(dǎo)率無(wú)顯著差異(P>0.05)；T2、T3站點(diǎn)的電導(dǎo)率與其他各采樣站點(diǎn)兩兩之間均無(wú)顯著性差異(P>0.05)。T1、T4水上光強(qiáng)與其他各采樣站點(diǎn)與無(wú)顯著差異(P>0.05)；T5水上光強(qiáng)與DT、T2、T3均有顯著差異(P<0.05),但與T2、T4無(wú)顯著差異(P>0.05)。T1—T4站點(diǎn)水下0.5 m光強(qiáng)與其他各采樣站點(diǎn)及站點(diǎn)兩兩之間無(wú)顯著性差異(P>0.05)；DT站點(diǎn)水下0.5 m光強(qiáng)與T5有顯著性差異(P<0.05),與其他各采樣站點(diǎn)無(wú)顯著性差異(P>0.05)。

表1 不同采樣站點(diǎn)環(huán)境因子(均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Table 1 Environmental factors in the different sampling sites (Mean±SE)

3.3 葉綠素a濃度與環(huán)境因子變化特征對(duì)應(yīng)分析

葉綠素a濃度與環(huán)境因子的最佳匹配組合如表2所示。從空間上來(lái)看,葉綠素a濃度整體與水下0.5 m光照強(qiáng)度存在極顯著相關(guān)性(P<0.01)；在各個(gè)站點(diǎn),現(xiàn)有環(huán)境因子與葉綠素a濃度均未呈現(xiàn)出顯著的相關(guān)性(P>0.05)。從時(shí)間上來(lái)看,葉綠素a濃度整體同樣與水下0.5 m光照強(qiáng)度呈極顯著相關(guān)(P<0.01)；在10月份葉綠素a濃度與溶解氧呈顯著相關(guān)(P<0.05)。

表2 葉綠素a濃度與環(huán)境因子的非線性相關(guān)性特征Table 2 Nonlinear correlations between the Chlorophyll a and environmental factors

4 討論

4.1 葉綠素a分布與縱向演變

已有研究表明,浮游植物的縱向演替是普遍存在的現(xiàn)象,但是在不同的研究區(qū)域,往往表現(xiàn)出不同的演替特征[13,15-16]。與浮游植物的縱向演替相對(duì)應(yīng),水體葉綠素a濃度也會(huì)隨水流發(fā)生縱向演變,但不同河流或同一河流不同河段往往具有不同的變化特征。如從源頭進(jìn)入到急流水域時(shí),葉綠素a濃度通常會(huì)顯著下降[1]；但也有研究表明,最低葉綠素a濃度出現(xiàn)在河流的上部,在中段及下游水體葉綠素a濃度顯著增加[1,11,14]；還有研究發(fā)現(xiàn),葉綠素a濃度隨著流程距離的增加而增加[29-30]。在本研究中,從東太湖至太浦河沿線葉綠素a濃度發(fā)生了明顯的縱向演變,從東太湖經(jīng)過(guò)多個(gè)站點(diǎn),到達(dá)金澤水文站時(shí)整體上呈顯著下降態(tài)勢(shì),但不同站點(diǎn)兩兩之間的對(duì)比特征存在差異,這與之前有些研究也有一定的相似性。同時(shí)本文中,空間上的聚類及非度量多維尺度分析結(jié)果表明河段的中游T2單獨(dú)成為一組、源頭DT和上游T1組成一組、下游河段T3—T5組成一組,且可信度較好,這也說(shuō)明表層水體葉綠素a濃度隨著流程距離的增加也存在著明顯的差別,具有一定的縱向演變特征?；谏鲜龇治隹芍?不同區(qū)域由于條件差異,水體葉綠素a的空間分布特征也存在著一定差異。

同時(shí)已有研究結(jié)果也表明,不同月份葉綠素a的變化特征也不同。如劉鎮(zhèn)盛等[31]研究結(jié)果表明葉綠素a分布的月際變化特征明顯,9月份葉綠素a濃度最高；王振方等[32]研究結(jié)果表明夏末初秋光照強(qiáng)度較強(qiáng),水溫較高,浮游植物接受充足的光照,迅速繁殖生長(zhǎng)形成水華,進(jìn)而使水體葉綠素a含量較高。有學(xué)者等在研究三峽水庫(kù)時(shí)發(fā)現(xiàn)冬季水溫及光強(qiáng)較低,浮游植物生長(zhǎng)受到抑制[33]。這在本文研究結(jié)果中也有所體現(xiàn),本文中不同月份葉綠素a濃度整體存在顯著差異,且不同月份兩兩之間的對(duì)比差異不同。其中9月葉綠素a含量最高,12月最低。9月處于夏末初秋,太浦河水溫較高、光照充足,導(dǎo)致葉綠素a含量明顯增加。12月處于冬季,水溫及光強(qiáng)均較低,不利于浮游植物生長(zhǎng)。此外,聚類分析將12個(gè)月份分成了4組,6月單獨(dú)成為一組；7月和9月組成一組；3月、8月和10月組成一組；1、2、4、5、11和12月組成一組；其中1—5月、8月及10—12月這幾個(gè)月份的葉綠素a相似性達(dá)到了95%以上,且可信度較好,這也說(shuō)明水體葉綠素a濃度在不同月份有明顯差別。

因此,通過(guò)測(cè)定水體葉綠素a濃度反映水環(huán)境狀況,特別是河流等線狀水體的水環(huán)境狀況,需要合理布設(shè)采樣站點(diǎn),并制定科學(xué)、合理的監(jiān)測(cè)計(jì)劃,包括采樣的時(shí)間間隔,才能有效的反應(yīng)區(qū)域水環(huán)境特征。

4.2 影響葉綠素a縱向演變的主要因子

葉綠素a濃度在一定程度上反映了水體中浮游植物的生長(zhǎng)繁殖情況,而浮游植物的生長(zhǎng)又受到不同因素的影響。其中,光照強(qiáng)度是浮游植物生長(zhǎng)的重要影響因素[34-36]。光照強(qiáng)度會(huì)影響浮游植物光合作用速率并且顯著影響浮游植物的生長(zhǎng)率[30,37],進(jìn)而對(duì)水體葉綠素a縱向演變產(chǎn)生一定影響。如劉流等[38]研究發(fā)現(xiàn)在水溫、營(yíng)養(yǎng)鹽滿足生長(zhǎng)的條件下,浮游植物的生長(zhǎng)主要受垂向可獲得光照的影響。吳召仕等[39]認(rèn)為水下光照對(duì)鄱陽(yáng)湖葉綠素a分布最為關(guān)鍵。這與本文中非線性回歸分析篩選得到的與水體葉綠素a總體縱向演變特征相關(guān)性最強(qiáng)的是水下0.5 m光照強(qiáng)度相一致。浮游植物的生長(zhǎng)除了光合作用,同時(shí)還需要氧氣來(lái)完成呼吸[40]。溶解氧差異是導(dǎo)致河流浮游植物生長(zhǎng)差異及水體葉綠素a濃度差異的重要原因,對(duì)葉綠素a縱向演變有重要影響。如有研究表明,葉綠素a濃度與溶解氧之間存在明顯正相關(guān)關(guān)系[31,41],這與本文研究中部分月份水體葉綠素a濃度與溶解氧呈顯著正相關(guān)較為一致。

本文研究結(jié)果中,除水下光強(qiáng)和溶解氧對(duì)水體葉綠素a縱向演變有顯著影響外,水質(zhì)指標(biāo)中水溫、pH、電導(dǎo)率、透明度也是影響葉綠素a縱向演變的重要因子。方麗娟等[42]研究表明溫度對(duì)浮游植物光合作用能力、呼吸速率和生長(zhǎng)速率都有重要作用。溫度過(guò)高或過(guò)低都不利于浮游植物生長(zhǎng),從而影響浮游植物生物量[43-44]；此外有研究表明,如Mayora等[45]對(duì)中古巴拉那河理化因子的研究得出水位、水深以及電導(dǎo)率對(duì)葉綠素a濃度變化具有很好的解釋性。有研究表明,浮游植物的光合作用能顯著提高水體的pH水平,因而pH是葉綠素a變化的被動(dòng)因子,但不是浮游植物生長(zhǎng)的限制因子[18,46]。此外,眾多研究表明一些營(yíng)養(yǎng)鹽如總氮、總磷、氨氮和硝態(tài)氮等都是對(duì)藻類生長(zhǎng)和繁殖影響顯著的環(huán)境因子,因而對(duì)水體葉綠素a濃度存在重要影響,它們的不足或過(guò)量會(huì)影響浮游植物的生長(zhǎng)和群落結(jié)構(gòu)。比如Chen等[47]通過(guò)室內(nèi)模擬以及太湖野外實(shí)驗(yàn)證明水溫與磷能夠改變?nèi)~綠素a濃度；2016年de Oliveira Marcionilio等[48]探討了巴西中部亞熱帶湖群葉綠素a的決定因子,最終認(rèn)為總氮等理化因子對(duì)葉綠素a分布至關(guān)重要。

此外,水動(dòng)力條件在部分水體也表現(xiàn)出直接或間接地影響葉綠素a分布的能力。已有研究表明,太浦河水域中浮游植物組成及豐富度受到豐枯季及離東太湖出水口距離差異引起的水力停留時(shí)間的影響[49-50]。本文中水體葉綠素a濃度在太浦河沿線呈現(xiàn)下降態(tài)勢(shì),也可能是由于離上游距離差異引起的水力停留時(shí)間的影響。如Sabater等[13]學(xué)者研究表明埃布羅河上游部分由于水力停留時(shí)間較短,葉綠素a含量較低。葉綠素a的變化除了受到水力停留時(shí)間影響,還會(huì)受到降水量、流量和流速的影響。戴晶晶等[51]研究結(jié)果表明太浦河流域內(nèi)不同月份降水量差異明顯,其中七月份降水量最高,3—5月降水量較低。在其他河流的相關(guān)研究中也獲得了類似的研究結(jié)果。李柱等[52]認(rèn)為降水對(duì)浮游植物造成沖擊,進(jìn)而稀釋了葉綠素a濃度；羅宜富和陳修康等[53-54]的研究也表明強(qiáng)降水過(guò)程會(huì)導(dǎo)致浮游植物直接流失,進(jìn)而會(huì)稀釋水體葉綠素a的濃度。古夫河著生藻類生物量時(shí)間變化主要受水動(dòng)力(流速)的影響[55]。對(duì)于太浦河而言,不同月份降水量不同,且沿程不同河段兩岸支流匯入水量有所不同,造成其在不同月份、不同站點(diǎn)的流量和流速也有較大變化,這也可能是造成太浦河沿線葉綠素a濃度出現(xiàn)明顯時(shí)空差異的原因。

影響水體葉綠素a縱向演變的環(huán)境因子往往是相互聯(lián)系、相互制約、共同作用的。未來(lái)的研究及監(jiān)測(cè)需要綜合更多的環(huán)境指標(biāo),如水動(dòng)力條件、氣候條件等,采用系統(tǒng)分析的研究手段,探討不同因子在不同時(shí)空尺度對(duì)葉綠素a縱向演變特征的綜合作用。