上海公园绿地景观水体透明度影响因子研究

2012-12-20余丽凡施渺筱达良俊尹俊光

华东师范大学学报（自然科学版） 2012年4期

余丽凡，施渺筱，达良俊，3，严晓，尹俊光，5

（1.华东师范大学环境科学系，上海 200062；2.贵州省安顺学院化学与生物农学系，贵州安顺 561000；3.华东师范大学城市化生态过程与生态恢复重点实验室，上海 200062；4.上海市滨江森林公园，上海 200136；5.昆山市环境保护局，江苏昆山 215300）

上海公园绿地景观水体透明度影响因子研究

余丽凡1，施渺筱2，达良俊1，3，严晓4，尹俊光1，5

透明度；光学衰减系数；悬浮物；浮游藻类

0 引言

上海市属于江南典型的水乡型城市.近年来，城市建设中对于生态环境的重视使得上海市公园绿地人工景观水体的面积逐年增加，但由于景观水体受人为干扰活动剧烈，水体环境越来越恶劣［1］，利用水系的近自然型治理建立健康的水系生态系统迫在眉睫［2，3］.水系近自然型水生生态系统的构建关键和核心是高等水生植物群落的恢复和重建［2］，而水生植物尤其是沉水植物群落生长分布的制约因子则是水体深度和透明度，后者为水体能见程度的一个量度，既可作为评价水体富营养化的一个重要指标［4，5］，也是水生生态系统健康与否的重要标志［6］.透明度不足直接影响着上海城市公园绿地人工景观水体中沉水植被的分布，而水深不足使得水体的透明度难以测定，从而难以科学合理地评价水体质量.

不同的水体对影响透明度的因子及每个因子的影响程度均可能不同.浮游藻类、悬浮物和溶解性有机物被认为是影响透明度变化的几个常见因子［7］.目前国内外关于水体透明度影响因子的研究多见于自然湖泊，而对于人工水体的透明度特征及其影响因子等的探讨鲜见报道；同时城市公园绿地景观水体的透明度也迫切需要寻求新的替代估测方法.

本研究以上海城市公园绿地景观水体为研究对象，通过野外调查与室内分析，建立水体透明度与光学衰减系数之间的数学计算式以推算水体透明度值，并在此基础上分析影响水体透明度的主要因子，为科学合理地评价景观水体水质尤其是水体透明度提供测度，并为水体环境的改善、水生植被的构建及水体的养护管理提供科学依据.

1 研究方法

1.1 调查样点选取

于2010年，依据分布区域、面积大小和建成年代等基本特征（见表1，具体信息详见附录），选取上海市12个区90个公园绿地共107个景观水体作为研究对象（见图1）.

1.2 采样和分析方法

每个样点用测绳和标杆测量水深，用塞克氏盘（Secchi disc）测量透明度.用水下光量子仪（Licor192SA）测定光强，由水面而下，每隔0.25 m测定其水下光照强度，每个深度记录6个数据.

同时，现场测定水温和pH值，其他指标用聚乙烯瓶采集具代表性水样1 000 mL，带回实验室，48 h内完成指标测定.测定方法参照《中华人民共和国地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）（见表2）.其中，叶绿素a浓度在水体光学特性研究中，常作为衡量浮游植物生物量的指标［8］.为了综合反映景观水体的整体质量，分别对各个景观水体的测定数据进行内梅罗指数计算，内梅罗指数越大，水体综合质量越差.

表1 调查样点概况Tab.1 General situation of the sampling sites

图1 上海城市景观水体透明度调查样点分布示意图Fig.1 Water transparency sampling sites in landscape water bodies of Shanghai

1.3 数据分析

光衰减系数的计算［9］：

式中，Kd为光衰减系数（m－1），z为从湖面到测量处的深度（m），E（z）为深度z处的光合有效辐射强度（μmol·m－2·s－1），E（0）为水表面下0m 光合有效辐射强度（μmol·m－2·s－1）.Kd值通过对不同深度水下辐照度进行指数回归得到.回归效果只有当R2≥0.95，深度数N≥3时，其Kd值才被接受，否则视为无用值.

表2 测定项目与分析方法Tab.2 Items and analytical methods

长期以来，城市公园绿地景观水体作为地表水，其受污染类型一般以综合型有机污染为主［10］.故本文采用CODCr、NH3－N、NO3－N、TP、TN 及 DOC作为监测指标来计算其内梅罗指数，同时为了使研究对象在时间和空间尺度上具有可比性，本文一律将五类水标准值作为地表水标准浓度值.内梅罗指数（P）的计算公式［9］如下：

式中，Ci：地表水实测浓度，mg／L；C0：地表水标准浓度，mg／L；Pi：污染物的单项质量指数；Psum污染物单项指数（Pi）的总和；Fi：污染物i的负荷系数：污染物单项指数（Pi）的均值；n：指标个数；Pmax：污染物单项指数（Pi）的最大值；P：内梅罗指数.内梅罗指数（P）越大，水质越差.

所有数据经对数化处理后进行Pearson相关性分析，并运用多元线性回归分析透明度各影响因子的作用大小.所有数据分析采用Microsoft Excel 2007、Origin Pro8.1和SPSS16.0软件处理.

2 结果与分析

2.1 水深与透明度现状

上海城市公园绿地景观水体水深范围为0.3～2.45 m，平均水深为（0.92±0.05）m.其中，水深小于1 m的高达74.5%，而水深超过2 m的仅占2.8%（见图2），这是由于公园绿地的景观水体主要用于供人们娱乐、观赏，在水景设计时常出于安全考虑而降低水深，保证游客的安全.

水体透明度范围为0.09～1.40 m，平均透明度为（0.54±0.24）m.其中，透明度小于0.3 m的水体占20.34%，小于0.5 m 的水体占52.54%，小于1.0m 的水体占98.31%，72.73%的水体透明度位于0.3～0.7 m范围内（见图2）.此外，35.8%的水体，其透明度大于水深.这是因为上海城市公园绿地景观水体多为封闭型人造水体，部分水体常出于景观要求而追求“清澈见底”的效果，一旦水体出现浑浊或透明度太低便采取人工换水措施，从而保证水体的“见底”效果.关于水体透明度影响因子的分析，将不包括上述这部分水体.

图2 城市公园绿地景观水体水深与透明度频度分布图Fig.2 Distribution of depth and transparency frequency of urban landscape water bodies in parks and public green space

2.2 透明度与光衰减系数的关系

透明度和光学衰减系数之间存在良好的相关性（R＝0.623，p＜0.001），呈现极显著负相关关系（见图3），两者之间的关系可通过方程拟合表示为

式中，Kd为光学衰减系数（m－1），ST 为透明度（m）.

图3 水体透明度与光衰减系数的关系Fig.3 Relationship between water transparency and light attenuation coefficient

2.3 透明度的主要影响因子及其相关性

2.3.1 水质综合因子——内梅罗指数

全市内梅罗指数分布范围为0.52～2.78，平均值为1.2，大于标准值（内梅罗指数标准值＝1），其中67.9%的内梅罗指数小于1，表明近三分之二的水体水质综合情况良好（见图4）.

图4 城市公园绿地景观水体内梅罗指数频度分布图Fig.4 Distribution of Nemerow Pollution Index frequency of urban landscape water bodies in parks and public green space

2.3.2 水质各单因子指标间的相关性

相关性分析表明，悬浮物与总磷呈极显著正相关（p＜0.01），与铵态氮也呈显著正相关（p＜0.05）；叶绿素a与总磷、CODCr呈极显著正相关（p＜0.01）；总磷与悬浮物、叶绿素a、总氮、CODCr呈极显著正相关（p＜0.01）；铵态氮与总磷呈极显著正相关（p＜0.01），与悬浮物、CODCr呈显著正相关（p＜0.05）（见表3）.

表3 水质各单因子指标间的相关性Tab.3 R statistics of linear regression analysis among each single water quality indices

2.3.3 透明度与水质的关系

将透明度与所测各水质单因子指标和综合因子指标内梅罗指数进行相关性分析，结果显示，透明度与悬浮物和总磷呈现极显著负相关（p＜0.01），与叶绿素a、铵态氮呈显著负相关（p＜0.05），与溶解态总磷、总氮、铵态氮、CODCr、溶解性有机物、溶解性无机物及内梅罗指数均未表现出显著的相关性，说明上海城市公园绿地景观水体的透明度主要受悬浮物、叶绿素a、总磷和铵态氮的影响（见表4）.

透明度与各单因子指标线性回归的结果表明，悬浮物对透明度的影响权重最大（见表5）.

表4 透明度与各环境因子的相关性Tab.4 Correlation between transparency and environmental factors

表5 透明度与各影响因子的线性回归方程Tab.5 Linear Regression Equation between water transparency and each impact factors

3 讨论

3.1 城市公园绿地景观水体透明度的推定

水体透明度与光衰减系数同为反映水体光学特征的重要参数，能反映水体水下光场的分布情况［11］，其大小受太阳光线在水下的传输和分布影响.太阳光线在水下的传输和分布主要受制于4种物质：非生物悬浮颗粒、浮游植物、溶解性有机物和纯水［9］，其对光照的衰减主要通过吸收和散射效应实现.吸收效应是由水体中的水分子、溶解性物质、浮游植物和悬浮颗粒对光的直接吸收产生的；散射效应则主要是由水分子、浮游生物和悬浮颗粒对光的散射使光束偏离原来的路径而造成光能损失.水体透明度和光衰减系数反映的是二者总效应，光照在水下受衰减程度越高，水体的光衰减系数越大，水体透明度越低.

已有对自然水体中水体透明度与光衰减系数之间关系的研究表明，二者常常成反比关系并存在一定的经验关系［7，11，13－17］.本研究中水体光衰减系数与透明度亦呈反比关系，与国内外许多学者关于二者关系的研究结果相符合［13－17］.故通过水下光量子仪的实测和光衰减系数的计算，并应用本研究所建立的透明度与光衰减系数的经验关系，可间接推算透明度，为透明度大于水深的城市景观水体透明度的推定提供了可能.

3.2 城市公园绿地景观水体透明度的改善

悬浮物是导致上海城市公园绿地景观水体透明度下降的主导影响因子，主要通过对入射光的吸收和散射过程来增加对光辐射程度的衰减.悬浮物常包括有机悬浮颗粒物和无机悬浮颗粒物，有机悬浮颗粒物常来源于水体中的浮游藻类、浮游动物残屑等［18］；无机悬浮颗粒物在自然水体中常常来源于底泥的再悬浮作用［13，19］.

本研究中叶绿素a与水体透明度呈显著负相关，表明浮游藻类是造成城市公园绿地景观水体透明度下降的主要原因，其大量繁殖增强了对光的吸收和散射，并阻碍光线在水体中的传播，增加对光衰减的贡献率，从而降低水体透明度［20－22］.总磷和铵态氮引起水体中藻类的大量增长，是影响水体透明度的间接因子.这种状况在许多大型自然湖泊中也较为常见，如美国 Apopka湖［20］、Salton Sea［22］、云南抚仙湖［23］、滇池［24］、江苏太湖［7，12，13］、杭州西湖［25］和上海淀山湖［26］等.透明度与各影响因子的线性回归方程表明，悬浮物与水体透明度的相关性大于浮游藻类，可认为浮游动物残屑和无机悬浮颗粒物对水体透明度的影响也不可忽略，这有待于在今后的研究中进一步验证.因此改善水质，提高水体透明度可从总悬浮物的控制入手，主要包括减少无机悬浮颗粒物的再悬浮和抑制浮游藻类生长两个方面.以夏季型苦草、金鱼藻与冬季型菹草等乡土沉水植物为主的“水下森林”的构建［27］，既可通过植株对无机悬浮颗粒物的阻挡沉降及吸附作用，减少水体的无机悬浮颗粒物，又可通过对水体营养盐的吸收、转化、积累作用降低水体富营养化程度，抑制浮游藻类的大量生长［28］，起到改善水质并有效提高城市公园绿地景观水体透明度的效果，同时结合目前已广泛应用于城市公园绿地景观水体的挺水和浮水植物，建成“挺水—浮水—沉水”立体式水体绿化结构，为建成可自循环、自维持、健康的水系生态系统打下生命基础［2，3，28］.

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Influencing factors of water transparency in landscape water bodies of parks and public green space，Shanghai

YU Li-fan1， SHI Miao-xiao2， DA Liang－jun1，3， YAN Xiao4， YIN Jun-guang1，5

（1.Department of Environment Science，East China Normal University，Shanghai 200062，China；2.Department of Chemistry，Biology and Agronomy，Anshun University，Anshun Guizhou 561000，China；3.Shanghai Key Lab for Urban Ecological Processes and Eco-Restoration，East China Normal University，Shanghai 200062，China；4.Shanghai Riverside Forest Park，Shanghai 200136，China；5.Kunshan Environmental Protection Bureau，Kunshan Jiangsu 215300，China）