崇明岛河网浮游植物和无机、有机氮的时空分布特征*

叶琳琳，吴晓东，赵冬悦，周　芮，唐旭廉，朱倩雯，张繁宇，刘　波，闫德智

(1:南通大学地理科学学院，南通 226000)(2:华东师范大学，河口海岸学国家重点实验室，上海 200062)(3:中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，冰冻圈科学国家重点实验室，青藏高原冰冻圈观测研究站，兰州 730000)



崇明岛河网浮游植物和无机、有机氮的时空分布特征*

叶琳琳1,2，吴晓东3，赵冬悦2，周芮2，唐旭廉2，朱倩雯2，张繁宇2，刘波2，闫德智2

(1:南通大学地理科学学院，南通 226000)(2:华东师范大学，河口海岸学国家重点实验室，上海 200062)(3:中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，冰冻圈科学国家重点实验室，青藏高原冰冻圈观测研究站，兰州 730000)

为研究崇明岛河网浮游植物和无机、有机氮的时空分布特征及其相互关系，于2014年1、4、7和10月在崇明岛河网内选取界河、堡镇港、八滧港3条河道9个采样点采集浮游植物和表层水样，并选取崇西水闸作为对照点进行研究. 结果表明：河网内浮游植物以绿藻和硅藻为主，其中水闸和堡镇港夏季裸藻生物量所占比例超过50%. 八滧港总溶解性氮(TDN)的主要组分是溶解性无机氮，而水闸、界河和堡镇港溶解性有机氮(DON)在TDN中的比例在夏、秋季低于冬、春季，农田土壤释放可能是DON的重要来源. 水温、溶解氧和化学需氧量是影响铵态氮浓度变化的重要环境因素. 此外，通过冗余分析发现，铵态氮影响绿藻和裸藻分布，尿素影响甲藻分布.

崇明岛；浮游植物；无机氮；有机氮；时空分布

氮素是水生生态系统的重要生源要素，以往关于浮游植物对氮素吸收利用的研究主要集中在溶解性无机氮(dissolved inorganic nitrogen, DIN)方面[1-3]. 江源等[3]在东江干流研究发现，夏季蓝藻、绿藻和硅藻细胞丰度与铵态氮浓度呈显著正相关. 冯露露等[1]通过对全太湖1年的野外监测数据进行相关分析发现，微囊藻丰度与硝态氮浓度呈显著负相关，绿藻、硅藻丰度与硝态氮浓度呈显著正相关. 因此，不同区域水生生态系统和浮游植物群落吸收利用的主要氮素形式具有显著差异. 近年来有大量研究表明[4-6]，浮游植物在生长过程中会受到氮素限制作用. 对日本富营养化湖泊Inba的研究发现[6]，夏季水体DIN浓度迅速降低，微囊藻和鱼腥藻生长受到氮限制. 而溶解性有机氮(DON)也是水生生态系统中总溶解性氮(TDN)的重要组分[7-9]，在以色列Kinneret湖研究发现[8]，3月和9月DON在TDN中所占比例分别为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间接吸收利用，与某些有害藻华的发生密切相关[11-12]. 通过15N示踪实验研究发现[11]，美国加州海岸DON中尿素为多边舌甲藻赤潮的形成提供了重要氮源. Dai等[12]通过室内培养实验研究发现，从滇池分离得到的铜绿微囊藻无菌株能吸收利用DON中氨基酸组分维持自身生长和毒素合成. 综上所述，DON也是影响浮游植物生长的重要氮素形态，并且在水体出现氮限制情况下，能为浮游植物的生长提供重要氮源补充[8].

崇明岛位于长江河口，三面环江，一面濒海，是我国第三大岛. 岛内河网密集，河道引排受涵闸控制，引排期河网在潮汐作用下通过开启南沿各水闸将长江水引入；而非引排期，各水闸基本处于关闭状态，将内河水体与长江隔离，形成了近乎封闭的水体[13-14]. 有研究表明[14]，长江口水体氮素污染严重，长江下游干流水体中氮素分布特征呈显著空间异质性[15]. 那么在这种引水背景下，崇明岛河网水体氮素形态的分布特征如何？浮游植物对氮素的吸收利用是水生生态系统氮循环的重要环节，目前关于崇明岛河网不同浮游植物群落对氮素形态的响应关系还不清楚，张颖纯等[14]探讨了崇明岛河网各种无机氮素与浮游植物的相互作用机制，但并没有探讨溶解性有机氮的时空分布特征及其与浮游植物组成的相关性. 因此，本研究自西向东选取崇明岛3条典型污染河道，分析了不同季节水质理化参数以及浮游植物群落组成，明确了无机氮和有机氮的时空分布特征及影响因子，并运用冗余分析(redundancy analysis，RDA)探讨了浮游植物群落与各氮素形态的关系，为岛内河网富营养化防治提供重要参考依据.

1　材料和方法

1.1研究区域概况

崇明岛属沿海平原感潮河网地区，水资源主要来自长江水的供给和降雨形成的地表径流. 根据长江径流特点，将1-4月归为枯水期，5-10月为丰水期. 岛内河网密集，市级河道南横引河和北横引河为东西走向，分别贯通崇明岛南部和北部地区. 31条县级河道均为南北走向，河道20～30 m，水深1.5～3.0 m. 河水南进北出，河道南北两侧均有水闸控制河水进出，阻挡咸潮入侵. 崇明岛南部以居民区和少量工业区为主，中部以农业种植区为主，北部以养殖区和种植区为主[16].

1.2样品采集与分析

图1 崇明岛河网采样点位置Fig.1　Location of sampling sites in Chongming Island

崇明岛河网水质具有明显的空间分异特征. 水质南部优于北部，西部优于东部[17]. 因此，本次研究自西向东选取崇西水闸、界河、堡镇港和八滧港为研究对象，其中崇西水闸设置1个采样点作为对照，其它3条河网分别设置3个采样点(图1). 用YSI记录现场水温(WT)、溶解氧(DO)浓度和pH值水质参数的变化.

1.3数据分析

本文中数据不满足方差分析的要求，故采用Kruskal-Wallis非参数检验比较不同河道环境因子参数及浮游植物的差异性. 利用Canoco软件对环境因子与浮游植物数据进行分析，首先对浮游植物数据进行去趋势对应分析(detrended correspondence analysis, DCA)，DCA分析结果中的4个排序轴的梯度长度最大值大于3时才适合进行CCA分析，否则适用于基于线性的冗余分析.

2　结果

2.1浮游植物群落组成的时空变化

水闸浮游植物主要由绿藻、硅藻和裸藻组成，其中冬、春季硅藻生物量所占比例超过95%. 界河浮游植物主要由绿藻、硅藻、裸藻和隐藻组成，春季绿藻生物量所占比例达到最大(58%)，夏季裸藻生物量所占比例达到最大(37%). 堡镇港浮游植物主要由绿藻(3%～18%)和硅藻(15%～95%)组成，但夏季裸藻生物量所占比例达到54%. 八滧港浮游植物主要由裸藻、绿藻和硅藻组成(图2).

图2 浮游植物群落组成的时空变化Fig.2　Temporal and spatial variations of phytoplankton biomass contribution

2.2浮游植物丰度的时空变化

水闸、界河、堡镇港和八滧港总浮游植物丰度，绿藻、硅藻、裸藻、隐藻、蓝藻、甲藻和金藻丰度均无显著差异. 水闸和八滧港浮游植物丰度季节变化规律一致，从春季开始至夏季出现最大值，然后逐渐降低，而界河浮游植物丰度在春季达到最大值(2.0±3.6)×105cells/L. 水闸、堡镇港和八滧港绿藻丰度都在夏季达到最大值，分别为1.0×106、(3.1±1.5)×105和(2.5±1.1)×105cells/L. 水闸、界河和八滧港硅藻丰度都在秋季达到最大值. 水闸、界河和堡镇港裸藻丰度都在夏季达到最大，分别为5.0×104、(2.7±0.2)×104和(4.4± 5.0)×104cells/L. 水闸4个季节隐藻丰度均为0，堡镇港冬季隐藻丰度较其它季节有所降低，水闸和堡镇港蓝藻丰度都在秋季达到最大值，分别为4.5×105和(2.9± 2.0)×105，除界河，水闸、堡镇港和八滧港甲藻丰度都在夏季达到最大值(图3).

图3 浮游植物丰度的时空变化Fig.3　Temporal and spatial variations of phytoplankton abundance

2.3水温、DO、pH值、CODMn和Chl.a浓度的时空变化

水闸、界河、堡镇港和八滧港的水温、DO、pH值、CODMn和Chl.a浓度均没有显著差异. 水闸、界河、堡镇港和八滧港的水温呈明显的季节变化规律，夏季温度最高，冬季温度最低. DO浓度与水温变化规律基本相反，夏季最低，界河和堡镇港春季最高. 岛内河网水体呈碱性，其中水闸和界河pH值在采样期间逐渐降低，堡镇港和八滧港秋季降至最低值后，冬季有所增加. 界河、堡镇港和八滧港的CODMn都在夏季达到最大值，分别为5.97±0.81、5.74±0.77和6.67±0.41 mg/L. 而水闸的CODMn在冬季达到最大值. 水闸、界河、堡镇港与八滧港的Chl.a浓度没有显著差异，但水闸与3条河流Chl.a浓度的季节变化规律不同，水闸的Chl.a浓度在夏季达到最大值，而3条河流的Chl.a浓度在春季达到最大值(图4).

图4 水温、DO、pH值、Chl.a和CODMn浓度的时空变化Fig.4　Temporal and spatial variations of water temperature, DO, pH, Chl.a and CODMn concentrations

2.4无机氮和有机氮的时空变化

水闸的DON浓度变幅为0.86～1.46 mg/L. 界河、堡镇港和八滧港的DON浓度变幅分别为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，并且都在秋季出现最小值. 水闸的DON在TDN中所占比例为34%～52%. 界河、堡镇港和八滧港的DON在TDN中所占比例分别为17%±6%～55%±5%、31%±4%～53%±6%和26%±4%～46%±11%. 水闸以及3条河流的DON在TDN中所占比例均为夏、秋季低，冬、春季高.

水闸、界河、堡镇港与八滧港的尿素浓度没有显著差异. 水闸尿素浓度变幅为0.02～0.15 mg/L，界河、堡镇港和八滧港的尿素浓度变幅分别为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. 水闸、界河、堡镇港和八滧港的尿素浓度都在夏季达到最大值，除水闸外，3条河流尿素浓度最低值均出现在春季. 尿素在DON中所占比例变幅较大，其中在界河春季仅占0.48%±0.28%，在夏季达到42.82%±19.73%. 在堡镇港和八滧港的季节变化规律也是夏季比例最高，春季比例最低(图5).

图和尿素浓度的时空变化Fig.5　Temporal and spatial variations of -N, -N, DON and urea concentrations

2.5浮游植物和环境因子的RDA分析

DCA分析结果中4个排序轴的梯度长度最大值为1.779，因此使用RDA分析. 结果显示前两个轴共解释了36.5%的物种数据的方差，79.5%的物种与环境关系的方差累计百分比(表1).

3　讨论

3.1河网内无机氮的时空变化

表1　浮游植物组成与环境因子的RDA分析

图6 环境因素与浮游植物的RDA排序图(Cry、Cya、Pyr、Chr、Bac、Chl和Eug分别代表隐藻、蓝藻、甲藻、金藻、硅藻、绿藻和祼藻)Fig.6　RDA ordination diagram of the environmental factors and phytoplankton community

3.2河网内有机氮的时空变化

DON是TDN的重要组分，有研究表明，在以农业用地为主要土地利用方式的流域内，河流中DON在TDN中所占比例达到72%～97%[32]. 此外，大量研究[33-34]表明，DON浓度变化具有显著季节规律，夏季DIN浓度降低的过程中DON浓度开始显著增加[35-36]. 有研究发现，濑户内海2006年DON浓度从春季开始增加，在夏季达到最大值后开始减少[33]. 此外，河口水体夏、秋季DON在TDN中所占比例高于春季和冬季[37]. 但本文研究发现，岛内河网水体夏、秋季DON在TDN中所占比例低于春、冬季. 水闸和界河春季DON是TDN的主要组分，而夏、秋、冬季DIN是TDN的主要组分. 堡镇港春季和冬季DON在TDN中所占比例高于50%. 但八滧港4个季节水体TDN的主要组分都是DIN，表明河网与河口DON来源及循环机制具有显著差异，河口中沉积物的释放是水体中DON的重要来源[38]. 而崇明岛农业用地所占比例较大，农田土壤是释放DON的重要来源[32]，因此在冬、春季，即枯水期，DON浓度及其在TDN中所占比例较高.

3.3影响浮游植物分布的无机氮和有机氮

在海洋赤潮的研究中，尿素是支持赤潮发生的重要氮素形态. 有研究表明[43]，甲藻对尿素的有效吸收利用是维持东海赤潮高发区甲藻赤潮暴发的原因之一. 然而，尿素对于湖泊、河网等水生生态系统中浮游植物生长的作用研究较少. 杨柳等[42]在太湖研究发现，胥口湾优势群落隐藻对尿素吸收速率较高. 本文研究发现，尿素是影响甲藻分布的重要有机氮形态(图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.(湖泊科学)， 2016， 28(3)： 528-536

10.18307/2016.0308

©2016 byJournalofLakeSciences

*国家自然科学基金项目(41201076, 41001032)和河口海岸学国家重点实验室开放基金项目(SKLEC-KF201310)联合资助. 2015-04-08收稿；2015-09-17收修改稿. 叶琳琳(1981～), 女，讲师；E-mail: yelinlin8164@163.com.