环境因子对滴水湖浮游植物生长的影响分析

张艳艳，　魏金豹，　黄民生，　曹承进，　何　岩

(华东师范大学 生态与环境科学学院，上海　200062)

环境因子对滴水湖浮游植物生长的影响分析

张艳艳，魏金豹，黄民生，曹承进，何岩

(华东师范大学 生态与环境科学学院，上海200062)

摘要：为了掌握环境因子对滴水湖浮游植物的影响，2012—2013年期间分4个季度选取14个点位对滴水湖及其外围水体生境演变进行调查，分析环境因子以及浮游植物指标的时空变化特征，并对浮游植物指标和各项环境因子进行相关性分析以确定其生长的主要影响因子.湖区水质明显优于河道水质，且相对稳定；各点浮游植物密度的四季变化趋势与叶绿素a的变化大体上趋势趋同，但夏季浮游植物密度稍高，而各点冬季叶绿素a含量达到最高，滤食性鱼类的放养使得滴水湖夏季浮游植物的生长得到控制，浮游植物群落演替的总体趋势表现为大型浮游植物比例下降，小型浮游植物比例增加.相关性分析显示，滴水湖总磷浓度对浮游植物的生长具有重要影响.研究为滴水湖富营养化的防治以及水环境评价提供了理论依据.

关键词：滴水湖；环境因子；浮游植物生长；影响；相关性分析

第一作者：张艳艳，女，博士研究生，研究方向为水环境治理与修复. E-mail: yanyan2052@126.com.

0引言

作为上海临港新城主城区的中心湖泊，滴水湖承载了新城建设发展的生态资源和环境条件，其水环境的健康与否直接影响到新城区的发展.自建成投入10年以来，滴水湖基本上解决了临港新城主城区的排水出路，也大大提高了防汛排涝能力，然而在水质维护上，由于内源的不稳定和易受外界环境影响等特点，这个于沿海滩涂开挖引水建成的大型人工湖泊出现了与众多人工湖泊极为相似的问题.根据上海市水环境监测中心提供的滴水湖水质状况月报，滴水湖水质近年来维持在Ⅳ—Ⅴ类，主要存在水体透明度略低、水质富营养化程度逐步增加、接近或达到中度富营养化等问题，因此，滴水湖富营养化的防治引起了人们的广泛关注.

浮游植物因其能对外界环境迅速做出响应，在水环境监测与评价中发挥重要的指示作用.众多环境因子的时空变化表现出一定的规律性，作用在浮游植物的生长上，以浮游植物密度、叶绿素a浓度等指标表现出来[16].一般来说，水体中的氮磷含量直接决定了浮游植物的增值速率，进而影响到水体富营养化进程[9-12].浮游植物对氮磷的摄取也是以恒定的比例进行的，有研究表明，在有机物充足的条件下，氮磷营养盐的结构(N/P)和浮游植物对营养盐吸收比例直接的差异会导致一种或几种营养盐对浮游植物生长的限制[13,14].但是由于环境条件的差异性和复杂性，有关湖库浮游植物生长的主要影响因子到底属于氮还是磷，或是其他水环境因子在学术界引起较大争议，氮磷比的学术假说也存在很大争议.因此有必要深入研究氮磷及其他环境因子对不同类型湖泊的影响，针对像滴水湖这样在滨海盐碱化地区新开挖的低盐度人工湖泊的研究工作仍存在空缺.

本文作者于2012—2013年对上海滴水湖浮游植物及其环境因子进行调查，分析氮磷营养盐、溶解氧等理化指标的时空分布特征，并从叶绿素含量分布、浮游植物密度的时空变化等方面分析了滴水湖浮游植物生长特征，讨论了其与氮磷水质因子及其他环境参数的关系，为滴水湖富营养化防治、水环境评价提供理论依据.

1研究地区与研究方法

1.1　滴水湖概况和采样点设置

滴水湖毗邻东海，呈正圆形，直径2.6 km，面积5.56 km2，蓄水量1 620万 m2，平均水深 3.7 m，最深处 6.2 m[1].除自身集水区来水(降雨及径流)外，滴水湖水源来自于周边河道，于每年的春季换水一次，通过C港和其临近外围水体进行引水和排水，为期近一个月，最后通过A港出海闸排放至东海[2].目前为止，滴水湖周边尚处于开发建设时期，对于滴水湖水质影响主要来自于游艇的油污水、旅游业(烧烤、垂钓、餐饮等)污水及施工机械作业对周边径流的影响等[8].

根据滴水湖的环境条件及特点，在入湖口、湖心兼顾全湖共设置12个样点，外围水系设2个参照点(A港出海闸、C港引水闸处)，共设14个样点(见图1)，采集表层水样.于2012年12月20日(冬)、2013年4月16日(春)、2013年7月30日(夏)和2013年11月5日(秋)对滴水湖进行采样调查.

图1　滴水湖采样点位示意图

1.2　样品采集和处理

采样和检测方法参照《湖泊富营养化调查规范》[3]和《水和废水监测方法(第四版)》[4]的标准方法，现场测定盐度(SAL)、水温(WT)、溶解氧(DO)、电导率(COND)、pH值、氧化还原电位(Eh)和总悬浮物浓度(TSS)，实验室测试项目为总氮(TN)、总磷(TP)、硝酸盐氮、亚硝态氮、氨氮、溶磷、叶绿素a(Chl-a)和化学需氧量(CODCr)等指标.用采水器取表层(水下0.5m)采集1L水样，加入鲁格氏碘液固定后带回实验室做沉淀、浓缩后计数，并根据相关文献[5-7]进行浮游植物种类鉴定.

1.3　数据分析

浮游植物密度的计算公式[3]为：

式中，

N——每L原水样中浮游植物数量(ind/L)；

A——计数框面积(mm2)；

AC——计数面积(mm2)；

V——1L 原水样沉淀浓缩后的体积(mL)；

Va——计数框的体积(mL)；

n——计数所得的浮游植物数目.

数据统计分析采用Excel软件，并用SPSS软件对各项指标进行Pearson相关性分析.

2结果与分析

2.1　滴水湖营养盐及其他环境因子的时空分布

滴水湖水环境因子的时空分布随各个季节各采样断面的变化而表现各异.滴水湖相对一般淡水湖泊稍咸，平均盐度为1.3%，春季湖水盐度稍高；电导率和pH值四季无明显变化，均值分别为2 800 μs/cm和8.1，为碱性水体；水温呈现明显的季节变化，夏季均值为32 ℃，冬季为8 ℃；溶解氧DO在5.62 mg/L到11.2 mg/L之间，春冬季较高，夏季最低；总悬浮物浓度TSS夏季最高，其他季节无明显变化，平均TSS为26.59 mg/L.化学需氧量COD冬季较高，夏季较低，均值为23.64 mg/L.

作为浮游植物生长的重要营养物质的氮磷营养盐，其变化以及TN/TP 也有明显的季节性.总氮浓度全年波动较大，在1 mg/L到5 mg/L范围内变化，受春季开闸引水和夏季大量降水影响，滴水湖湖区春季和夏季总氮浓度偏高，湖区浓度均值最高出现在夏季.受长江中下游枯水期影响，引水河道(H5)总氮浓度冬春夏变化不大秋季较低，可见滴水湖区和其外围河道属于两个不同的系统，营养盐含量影响因素各不相同；铵态氮夏季较其他季节高；硝态氮和亚硝态氮夏季含量较低；调查区总磷浓度在0.03 mg/L到0.2 mg/L之间变化，磷基本上以颗粒态的形式存在，可溶性磷含量较低，总磷含量呈增高趋势，这可能与临港新城开发加速后，周边地表径流中颗粒态磷的增加有关[20]；氮磷比N/P变化范围是8.5~110，秋季均值最低，由于氮磷比涉及总氮、总磷两个变量，从图2—4可以看出三者的年度变化趋势均不相同，氮磷比在空间分布上也更为复杂，氮磷比最大值出现在春季南岛附近，除秋季外，大部分点位氮磷比N/P>30，按照氮磷比假说，磷将成为藻类生长的限制因子[17]，对滴水湖富营养化的防治工作可以通过减少磷输入进行.秋季大部分点位氮磷比在8~30之间，根据传统的氮磷比假说属于适宜藻类生长范畴，而事实上从滴水湖叶绿素a含量以及浮游植物密度的监测结果来看，秋季值都较低，说明滴水湖生态系统受多个因素影响，具有高度复杂性，单纯的氮磷比假说难以作为判别浮游植物生长的依据.

滴水湖湖区各采样点之间污染物浓度差异性不显著，C港引水河道(H5)的氮磷含量相对较高.湖区水质明显优于河道水质，且相对稳定，说明滴水湖本身有一定的净化作用，近年来，通过在C港试验河段构建以伊乐草、苦草、轮叶黑藻、光叶眼子菜和菹草为主沉水植物生态修复系统对[18,19]水质的改善也有一定效果，湖东部样点(H13)磷含量以及夏、秋两季氮含量较高，说明湖东部的旅游项目对湖水水质有较大的影响.

图2　总氮含量时空变化图

图3　总磷含量时空变化图

图4　氮磷比时空变化图

2.2　浮游植物组成和数量分布

叶绿素a是估浮游植物的生物量的重要指标.2012年12月份叶绿素a 含量值达到最高(见图5)，引水河道C港闸门处四季叶绿素a含量高于湖区和排水河道.

调查期间浮游植物密度在6.4×106ind/L到60×106ind/L之间波动(见图6)，均值夏季最大，春冬季相当，秋季最小，最大值出现在春季引水河道C港闸内，这可能与春季滴水湖进行引排水有关.湖区各采样点间浮游植物群落结构的差异性不大.总量以绿藻、隐藻和硅藻为主，种类数上以绿藻和硅藻为主，优势藻种有尖尾蓝隐藻(Chroomonasacuta)、啮噬隐藻(Cryptomonaserosa)、卵形隐藻(Cryptomonsovata)、小环藻(Cyclotellameneghiniana)、颗粒直链藻(Melosiragranulata)、衣藻(Chl-amydomonasglobosa)、裸甲藻(Gymnodiniumsp.)和小色金藻(Chromulinapygmaea)，已出现长江中下游自然湖泊的常见物种.说明滴水湖生态系统可能向自然湖泊生态系统的方向发展，这与童琰等在2012年的调查相符[15].

各点浮游植物密度的四季变化趋势与叶绿素a的变化大体上趋势趋同，但冬季浮游植物密度较夏季低，而各点冬季叶绿素a含量达到最高，这可能与各个季节优势种的体积系数有关.由于鳙鱼、鲢鱼等滤食性鱼类的大量放养，滴水湖夏季浮游植物的生长得到控制，同时滤食性鱼类的放养使得大型浮游植物比例下降，小型浮游植物比例增加，浮游植物群落结构向小型化发展，夏季是鲢鱼、鳙鱼大量繁殖的季节，因此大部分点位夏季叶绿素含量较低.而冬季鲢鱼潜至深水越冬，因此表层水体叶绿素含量较高.滴水湖春季浮游植物密度较高，这可能与春季滴水湖进行开闸换水有关.

图5　叶绿素a浓度时空变化图

图6　浮游植物密度时空变化图

2.3　滴水湖浮游植物与环境因子的关系

对4个季节样点各项指标均值进行SPSS相关分析，其结果参见表1，结果显示叶绿素a(Chl-a)和硝酸盐氮(NO3-N)、总磷(TP)含量呈现负相关，与化学需氧量(CODCr)、亚硝酸盐氮(NO2-N)含量呈现正相关；铵态氮(NH4-N)和溶解氧DO为显著负相关，与水温T、总悬浮物含量TSS呈显著正相关；溶解氧DO和水温T、总悬浮颗粒物含量TSS为极显著负相关；浮游植物密度density和叶绿素a浓度(Chl-a)、氮磷比N/P、总氮TN、盐度SAL呈现正相关，与硝酸盐氮NO3-N、亚硝酸盐氮NO2-N、总磷TP呈现负相关，但浮游植物密度density和各理化因子间无显著相关性，由此可知作为一个新开挖的人工湖泊，滴水湖生态系统具有复杂性和不稳定性，滴水湖的富营养化防治工作需根据其不同的时空特征进行深度探讨.

表1　滴水湖各样点各理化指标与生物指标相关性分析

注：*表示在 0.05 水平(双侧)上显著相关；**表示在0.01 水平(双侧)上显著相关

对冬季各样点理化指标与叶绿素a浓度以及浮游植物密度进行SPSS相关性分析显示，冬季各样点浮游植物密度与叶绿素a浓度相关性极为显著，与硝酸盐氮、铵态氮、总氮、总磷呈显著正相关，与溶解氧、盐度呈显著负相关；叶绿素a浓度与总磷、总悬浮物含量呈显著正相关，与溶解氧呈显著负相关；各样点的硝酸盐氮、铵态氮、总氮、总磷含量均与溶解氧DO呈现显著负相关，而盐度、pH与溶解氧为极显著正相关；各样点的总氮、硝酸盐氮、铵态氮与水温呈现显著正相关，溶解氧与水温呈现显著负相关.针对滴水湖冬季的富营养化防治工作应主要控制总磷、总氮、硝酸盐氮、铵态氮的输入，可通过增加水体溶解氧改善水质.

对春季各样点理化指标与叶绿素a浓度以及浮游植物密度进行SPSS相关性分析，结果显示，春季各样点浮游植物密度与硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、总磷呈现显著正相关；叶绿素a浓度与硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、颗粒态磷PP、水温、总悬浮物浓度、盐度均呈现显著正相关；各样点的硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、总磷、颗粒态磷浓度均与水温呈现极显著正相关；此外，硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、总氮、总磷、颗粒态磷均与总悬浮物浓度呈现显著正相关.针对滴水湖春季的富营养化防治工作可通过控制总磷、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮的输入以及减少总悬浮物浓度进行.

浮游植物密度在夏季达到峰值，对夏季各样点理化指标与叶绿素a浓度以及浮游植物密度进行SPSS相关性分析显示(见表2)，夏季各样点浮游植物密度与总磷、颗粒态磷呈现极显著正相关，与亚硝酸盐氮、铵态氮为显著正相关，与溶解氧、水温、总悬浮物浓度呈现显著负相关；叶绿素a浓度与铵态氮、颗粒态磷、化学需氧量呈现显著正相关，与溶解氧、pH、盐度呈现显著负相关；各样点的硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、铵态氮、总氮、总磷、颗粒态磷、化学需氧量均与溶解氧呈现显著负相关，pH、总悬浮物浓度、盐度与其呈显著正相关；硝酸盐氮与化学需氧量、水温之间呈现极显著正相关；此外硝酸盐氮、铵态氮、溶磷、化学需氧量与盐度之间为显著负相关，溶解氧、pH与盐度呈现显著正相关.针对夏季的富营养化防治可通过减少总磷、颗粒态磷、铵态氮的输入进行，通过提高溶解氧改善水质.

表2　夏季滴水湖各样点各理化指标与生物指标相关性分析

注：*表示在 0.05 水平(双侧)上显著相关；**表示在0.01水平(双侧)上显著相关

对秋季各样点理化指标与叶绿素a浓度以及浮游植物密度进行SPSS相关性分析如表5所示，秋季各样点浮游植物密度与叶绿素a浓度、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、氨氮、总氮、总磷、颗粒态磷、盐度呈现极显著正相关，与溶解氧、pH呈现极显著负相关；叶绿素a浓度与亚硝酸盐氮、铵态氮、总磷、颗粒态磷、盐度呈现极显著正相关，与溶解氧、pH呈现显著负相关；各样点的硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、铵态氮、总氮、总磷、盐度均与溶解氧呈现极显著负相关，pH与其呈极显著正相关；亚硝酸盐氮、总磷、颗粒态磷、化学需氧量均与水温呈现显著正相关，pH与其呈现极显著负相关；此外，硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、铵态氮、总氮、总磷与盐度之间为极显著正相关，溶解氧、pH与盐度呈现极显著负相关.针对秋季的富营养化防治工作应以减少总磷、颗粒态磷、亚硝酸盐氮等的输入为主.

对各个季节理化指标与生物指标依次进行相关性分析可知， 滴水湖浮游植物密度在秋冬季与叶绿素a呈现极显著正相关，春夏两季为正相关，再次说明滤食性鱼类的放养对浮游植物体积系数有很大影响；浮游植物的生长与氮磷营养盐浓度关系密切，而不同季节营养盐对其生长的影响不同，总磷含量对浮游植物生长影响很大，4个季节浮游植物密度都与总磷浓度呈现显著正相关，因此对滴水湖富营养化的防治应集中控磷；大部分样点氮磷营养盐含量与溶解氧呈现负相关；盐度、水温、pH对营养盐分布和浮游植物的生长也体现出较明显的相关性.

3结论

滴水湖是在滨海滩涂上新开挖的人工湖泊，存在内源的不稳定和易受外界环境影响等问题，本文着眼于各环境因子对浮游植物生长的影响，主要分析了滴水湖氮磷营养盐及其他环境因子的时空变化规律，并对其变化与浮游植物生长指标进行相关性分析，得出以下结果.

(1)湖区水质明显优于河道水质，且相对稳定，说明滴水湖本身有一定的净化作用，近年来，通过在C港试验河段构建以伊乐草、苦草、轮叶黑藻、光叶眼子菜和菹草为主沉水植物生态修复系统对[18,19]水质的改善也有一定效果；夏季营养盐浓度偏高，在点源污染得到控制的前提下，非点源降雨径流是目前污染物的主要来源；湖区东部样点夏季氮含量较高，说明湖东部的水上娱乐项目对湖水水质有较大的影响.应加强对滴水湖水上及滨岸旅游项目的管理.

(2)同一季节湖区各样点理化差异不明显，浮游植物生境相似，湖区各采样点间浮游植物群落结构的差异性不大.总量以绿藻、隐藻和硅藻为主，种类数上以绿藻和硅藻为主，已出现长江中下游自然湖泊的常见物种，说明滴水湖生态系统可能向自然湖泊生态系统的方向发展.

(3)调查期间，各样点冬季叶绿素a 含量值达到最高，引水河道C港闸门处四季叶绿素a含量高于湖区和排水河道.各点浮游植物密度的四季变化趋势与叶绿素a的变化大体上趋势趋同，但冬季浮游植物密度较夏季低，而各点冬季叶绿素a含量达到最高，这可能与各个季节优势种的体积系数有关.同时也说明滤食性鱼类的放养使得滴水湖夏季浮游植物的生长得到控制.

(4)作为一个新开挖的人工湖泊，滴水湖生态系统具有复杂性和不稳定性，滴水湖的富营养化防治工作需根据其不同的时空特征进行深度探讨.滴水湖各季节浮游植物与环境因子SPSS相关性分析显示，浮游植物密度在秋冬季与叶绿素a呈现极显著正相关，春夏两季为正相关，再次说明滤食性鱼类的放养对浮游植物体积系数有很大影响.各理化因子之间具有一定的相关性，大部分样点氮磷营养盐含量与溶解氧呈现负相关.滴水湖总磷浓度对浮游植物的生长具有重要影响，因此对滴水湖富营养化的防治应集中控磷.

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(责任编辑张晶)

Effects of environment factors on the growth of phytoplankton in Dishui Lake

ZHANG Yan-yan,WEI Jin-bao,

HUANG Min-sheng,CAO Cheng-jin,HE Yan

(SchoolofEcologicalandEnvironmentalSciences,EastChinaNormalUniversity,Shanghai200062,China)

Abstract:In order to understand the effects of environment factors on phytoplankton growth, phytoplankton in Dishui Lake had been sampled at 14 monitoring spot locations in December of 2012 and April, July, November of 2013, respectively. The physical and chemical indicators had been monitored to analyze the growth of phytoplankton and the space-time characteristics of influence factors. Correlative analysis was also made to determine major parameters that influence the growth of phytoplankton in Dishui Lake. It showed that main diversion channel of Dishui Lake is much higher than that of other sites. Seasonal variety of phytoplankton density was similar to that of chlorophyll-a content, but phytoplankton density of summer was a little higher than that of winter. The effect of filter feeding fish on phytoplankton can explain this phenomenon. Correlation analysis indicated that total phosphorous concentration had great influence on the growth of phytoplankton. This study provides biological basement in evaluating water quality and prevents eutrophication of Dishui Lake.

Key words:Dishui Lake;environmental factors;phytoplankton growth;correspondence analysis

通信作者：黄民生，男，教授，博士生导师，研究方向为环境工程. E-mail: mshuang@des.ecnu.edu.cn.

基金项目：国家科技重大专项(2013ZX07310001)；国家自然科学基金(41001347、41101471)；上海市科委重大攻关项目(1223120190)；上海市教委产学研项目(14cxy09)

收稿日期：2014-07

中图分类号：Q948

文献标识码：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-5641.2015.02.006

文章编号：1000-5641(2015)02-0048-10