不同水体中叶绿素a与氮磷浓度关系及富营养化研究

何为媛 王莉玮 王春丽

摘要：过量的氮、磷等营养物质进入到水体中导致藻类大量繁殖，造成水体富营养化。叶绿素a是富营养化常见的响应指标，是藻类光合作用的主要物质。该文综述了国内不同水体中叶绿素a与氮、磷浓度相关关系，对其富营养化状况进行评价，发现营养状况的丰欠与水体理化性质有关，在总结前人研究的基础上，对未来富营养化研究方向进行了简要分析和展望。

关键词：叶绿素a;总氮;总磷;相关分析;富营养化

随着社会经济的快速发展，人类活动不可避免的对河流、湖泊、海洋等水体造成影响，各种水环境问题不断发生。过量的氮、磷等营养物质的输入已大大超出了水体能够正常承载的范围，使得藻类等浮游植物和部分浮游动物大量繁殖，造成水体富营养化等一系列环境问题[1-3]。研究表明，富营养化现象受多种环境因子影响[4]，其中氮、磷作为浮游植物赖以生长的重要营养物质，参与光能转化代谢过程，是最为重要的2个因素[5-7]。而叶绿素a（CHL-a）是藻类光合作用的主要物质，也是利用太阳光能把无机物转化为有机物的关键物质，是富营养化常见的响应指标。可以利用叶绿素a来评估藻类生长状况[8-9]，反映水体理化性质的动态变化和水体富营养化状况[10]。

然而，水体中氮、磷的浓度与藻类的繁殖并不总是呈正比，而是表现出非常复杂的关系。营养元素的形态不同，所表现出的地球化学行为也就不同，并且在生物地球化学循环中所起的作用也不同。氮、磷的形态、浓度和空间分布的差异性会对藻类生长产生不同的影响[11，12]，同时，叶绿素a浓度可能还受温度、光照、水量和流速等水动力条件与特征的影响[13]。因此，叶绿素a与氮、磷浓度的相关关系因水体不同呈现明显的差异性。

研究叶绿素a与氮、磷浓度的关系，对认识水体富营养化的形成机理及其影响因素之间的相互关系有重要意义[14，15]，也可为水体富营养化防治及水体水生态管理提供参考依据。

1 富营养化评价方法

国内外关于水体富营养化程度的评价指标很多，不同评价方法所选取的参照因子也不相同。目前通用的富营养化评价方法主要有5种：单因子含量评价法、综合营养状态指数法[16]、基于营养盐限制性的潜在性富营养化评价法[17]、美国河口营养状况评价法（ASSETS）[18]和欧盟综合评价法（OSPAR-COMPP）[19]。其中美国和欧盟的2种方法所涉及到的评价指标较多，能够较为全面地评估导致富营养化的因素及其可能引起的各种富营养化症状，较基于单一的营养物质指标的评价方法有一定的优越性。由于我国河流和近岸海域环境监测资料的不完整，尚不能完全应用以上2种评价方法。故选取叶绿素a浓度作为检验评价指标，参照美国环保总署（USEPA）有关标准：[ρ]（Chl-a）>10mg·m-3，富营养化;4mg·m-3<[ρ]（Chl-a）<10mg·m-3，中营养化;[ρ]（Chl-a）<4mg·m-3，贫营养化，进行不同水体的富营养化程度的划分。

但在实际环境中，河流、湖泊、海洋等不同水體的水动力条件与特征存在明显差异，对于评价不同水体的富营养化程度的方法也不应一概而论。根据《湖泊富营养调查规范（第2版）》的标准，采用0～100的连续数值对湖泊营养状态进行分类，评分值<30，贫营养;（30，50），中营养;（50，60），轻度富营养化;（60，70），中度富营养化;评分值>70，重度富营养化。河流、湖泊、海洋都应根据各自水体特征，设置明确的关键性因素指标，对单一水体制定更为切合的富营养化评价标准，以便为富营养化监控和水环境的治理提供参考依据。

2 国内不同水体中叶绿素a与氮磷浓度关系及富营养化状况评价

根据美国环保总署（USEPA）有关标准，选取所考察的叶绿素a浓度作为检验评价指标，考察国内不同水体中叶绿素a与氮、磷浓度相关关系，对其富营养化状况进行评价，结果如表1所示。

区铭亮等[20]研究表明，鄱阳湖2009年9月水体中氮磷盐与叶绿素a相关性最好，大量营养盐的排入驱动叶绿素a质量浓度的增加;7月的相关性较小;其他月份无明显相关。说明季节性因素不同会使叶绿素a与营养盐的相关性会发生变化。商立海等[21]分析发现，湖水上层（8m）叶绿素a与TP有明显的线性相关关系（r=0.965，P<0.01），表明红枫湖富营养化主要受磷元素限制。通过计算沉积物向水体的磷释放通量得到，红枫湖沉积物是水体的1个重要磷源，所以需要更有力地控制流域输入。李堃和肖莆[22]在分析巢湖水体2002～2007年水质监测资料发现，当TN在5.8～9.4mg/L及TP在0.2～0.3mg/L区间时，叶绿素a的浓度与TN、TP成负相关，这可能是由于水华爆发，藻类对氮、磷等营养物质的需求增大有关;当TP>0.3mg/L时，叶绿素a的浓度与TP成正相关，高浓度的TP促进藻类生物量的进一步提高。

我国对于河流的监测仍停留在水质达标上，针对河流富营养化的关注不及湖泊和海域。成都府南河[23]按照叶绿素a的含量标准可判定为基本属于贫营养化，但按照氮、磷含量评价标准已达到富营养化水平。相关性分析显示叶绿素a和TDP含量呈显著正相关，府南河富营养化的主要污染因子为磷，限制因子为氮。南京秦淮河水体叶绿素a浓度的对数与TP的对数呈正相关，氮磷比为26∶86，与氮磷比的对数呈负相关，表明磷可能是导致秦淮河水华暴发的主要影响因子[24]。黄鸾玉等[25]在分析黔江不同河段的水质监测资料发现，叶绿素a随TN浓度升高而升高，可见TN浓度决定藻类生物量的高低，黔江TP浓度整体较低，与叶绿素a呈现不显著的负相关性。在黔江的污染治理时，要首要控制氮元素。

海域水环境由于面积广阔，水动力条件存在较大差异。叶绿素a含量与氮磷盐关系存在较明显的季节性和区域性差异。北戴河夏季叶绿素a的分布受近岸水域和陆源环境影响较大，氮、磷浓度均与叶绿素a呈显著相关[26]。河口附近海域在地表径流和潮汐的共同作用下，使水体得到充分混合，营养盐含量丰富，有利于藻类等浮游植物的大量繁殖，使得叶绿素a含量相对较高。周艳蕾等[27]基于2013年夏、秋季和2014年春季黄渤海海域调查数据发现，不同水质参数对海水叶绿素a含量的影响相对重要性具有季节差异。夏季，对海水叶绿素a含量影响最重要是磷酸盐和温度;春季，对于海水叶绿素a含量影响最重要的是盐度和溶解无机氮。蒋玫和沈新强[28]调查杭州湾及邻近水域叶绿素a与氮磷盐的关系，杭州湾与舟山渔场叶绿素同氨氮呈现良好的负相关。杭州湾强烈的潮汐运动使沉积物再悬浮，阻挡了阳光向较深水层投射，影响了浮游植物的光合作用，因而叶绿素含量相对较低;舟山渔场泥沙沉降扩散并经外海稀释，使得水体透明度提高，有利于浮游植物的生长与繁殖，导致叶绿素a含量出现较高值。

通过总结前人的研究结果可以看出不同水体中叶绿素a与氮、磷浓度相关关系各不相同，甚至同一水体环境中不同区域状况特征也存在差异。所以，探究河流、湖泊、海洋不同水环境之间的叶绿素a与氮、磷浓度的关系异同，对于认识水体富营养化的形成机理十分必要。

3 不同水体之间的叶绿素a与氮、磷浓度的关系异同

大量研究表明，水体中叶绿素a受营养盐、光照、温度、透明度和悬浮物等多种因素的影响和控制[29]，水体富营养化状况不一定导致水华、赤潮的暴发，水华、赤潮暴发也不能确定水体存在富营养化现象。我国赤潮多发区（如长江口）显示出强烈的季节性，虽然水质处于贫营养化水平，但在适宜的环境条件下也能够产生水华。由于湖泊温度、水深、形态及营养物质的浓度不同，其富营养化时水华产生的特点也存在很大差别，特别是在大型湖泊中，影响水华产生的因素更加复杂，仅仅依据叶绿素a与氮、磷浓度的关系来判断水体是否处于富营养化水平是不够的。叶绿素a有明显的季节节律和时空差异，分布格局受到湖流、风动等因素综合影响。湖泊底部沉积物释放氮磷盐的内源作用是控制湖泊富营养化的关键。

城市河流受人类影响更为直接，营养盐浓度较湖泊高了1个数量级[23]。然而，吴怡等[23]的研究中也指出在相对较高的氮、磷浓度下，河流叶绿素a浓度仅为湖泊的1/10乃至1/100，出现这种现象的原因可能是由于河流的水动力条件制约了浮游植物的生长。营养盐的输入对于水体富营养化起到重要作用，水动力条件也是一项关键因素。河流的快速流动性加快了溶解氧的补充，对叶绿素a含量的增加有一定程度的抑制作用。河流与湖泊、海洋相比，很大的不同在于河流所接纳的营养盐输入方式更广，随流经区域不同而存在较大差异，从而造成叶绿素a的时空分布差异。而当承载高浓度营养盐的河水汇入湖泊和海洋，无疑将增加湖泊和海域的富营养化压力。

海洋水环境除了携带大量营养物质的河流输入外，容易受到湍流等海水独有的特殊水动力条件影响。如南黄海的中部受到黄海暖流和黑潮余脉的影响形成低营养盐分布海域，限制了浮游植物的生长[27]。另外，有些海域存在冷水团，即使氮、磷等营养盐充足，浮游植物也会因温度低生长受到抑制，进而叶绿素a的含量较低。但是，如杭州湾东部的舟山渔场潮流强，致使水体交换较为充分，营养盐稳定，也有利于浮游植物生长和繁殖[28]。

4 研究展望

水体富营养化问题日益突出，氮、磷是导致水体发生富营养化的重要营养元素，研究叶绿素a与总氮、总磷浓度的关系，对认识水体富营养化的机理及富营养化的控制有重要意义。目前，已有研究对于不同水体的富营养化状况评判标准不统一，水文调查资料不全面。因此，需进一步加强以下几个方面的研究：

（1）针对河流、湖泊、海洋等不同水体的特点制定更全面、更切合的富营养化状况评判标准，多指标综合考量的评判体系。可依据3种水环境特征建立，对不同水体采用不同的评判标准。在采样过程中，对各指标进行细化，避免遗漏水文数据，影响后续进一步的评判和监控。

（2）对于同一水域的研究设置长期观测，以观察季节性变化对叶绿素a含量的影响，提高富营养化的治理的及时性，并在一定程度上起到预测性的作用，以便更好地进行水污染防控和治理。

（3）除研究叶绿素a与氮、磷浓度的相关关系外，对光照、温度、透明度和水动力条件等因素综合考量，为预防大规模水华的发生和湖泊富营养化的治理提供科学数据及决策依据。

参考文献

[1]Anderson D M，Glibert P M，Burkholder J M. Harmful algal blooms and eutrophication：nutrient sources，composition，and consequences[J]. Estuaries，2002，25（4）：704-726.

[2]Glibert P M，Burkholder J A M. Harmful algal blooms and eutrophication：“strategies” for nutrient uptake and growth outside the Redfield comfort zone[J]. Chinese Journal of Oceanology and Limnology，2011，29（4）：724-738.

[3]Chen H，Sun C，Wu Y. Analysis of trend of nutrient structure and influencing factors in Changjiang Estuary and its adjacent sea during 23 years[J]. Marine environmental science，2011，30（4）：551.

[4]吳怡，邓天龙，廖梦霞，等.天然水体沉积物中有机氮的研究进展[J].广东微量元素科学，2006，13（11）：7-13.

[5]Wiley M J，Hyndman D W，Pijanowski B C，et al. A multi-modeling approach to evaluating climate and land use change impacts inaGreat Lakes River Basin[M]//Global Change and River Ecosystems—Implications for Structure，Function and Ecosystem Services. Springer，Dordrecht，2010：243-262.

[6]Li X，Yang L，Yan W. Model analysis of dissolved inorganic phosphorus exports from the Yangtze river to the estuary[J]. Nutrient cycling in Agroecosystems，2011，90（1）：157-170.

[7]Wang J，Yan W，Chen N，et al. Modeled long-term changes of DIN：DIP ratio in the Changjiang River in relation to Chl-α and DO concentrations in adjacent estuary[J]. Estuarine，Coastal and Shelf Science，2015，166：153-160.

[8]Gibson G，Carlson R，Simpson J，et al. Nutrient Criteria Technical Guidance Manual：Lakes and Reservoirs （EPA-822-B-00-001）. [M]. Washington DC：United States Environment Protection Agency，2000.

[9]McCarthy M J，James R T，Chen Y，et al. Nutrient ratios and phytoplankton community structure in the large，shallow，eutrophic，subtropical Lakes Okeechobee（Florida，USA）and Taihu （China）[J]. Limnology，2009，10（3）：215-227.

[10]黄祥飞，陈伟民，蔡启铭. 湖泊生态调查观测与分析[J].北京：中国标准出版社，1999，29：79.

[11]Schindler D W. Recent advances in the understanding and management of eutrophication[J]. Limnology and oceanography，2006，51（1part2）：356-363.

[12]Smith V H. Responses of estuarine and coastal marine phytoplankton to nitrogen and phosphorus enrichment[J]. Limnology and Oceanography，2006，51（1part2）：377-384.

[13]张伟，孙健，聂红涛，等.珠江口及毗邻海域营养盐对浮游植物生长的影响[J].生态学报，2015，35（12）：4034-4044.

[14]Desmit X，Ruddick K，Lacroix G. Salinity predicts the distribution of chlorophyllaspring peak in the southern North Sea continental waters[J]. Journal of Sea Research，2015，103：59-74.

[15]Fleming-Lehtinen V，Andersen J H，Carstensen J，et al. Recent developments in assessment methodology reveal that the Baltic Sea eutrophication problem is expanding[J]. Ecological Indicators，2015，48：380-388.

[16]鄒景忠，董丽萍，秦保平.渤海湾富营养化和赤潮问题的初步探讨[J].海洋环境科学，1983，2（2）：41-54.

[17]郭卫东，章小明.中国近岸海域潜在性富营养化程度的评价[J].台湾海峡，1998，17（1）：64-70.

[18]Bricker S B，Ferreira J G，Simas T. An integrated methodology for assessment of estuarine trophic status[J]. Ecological modelling，2003，169（1）：39-60.

[19]OSPAR Commission. Draft Common Assessment Criteria and their Application within the Comprehensive Procedure of the Common Procedure[C]//Meeting of the Eutrophication Task Group，London. 2001：9-11.

[20]区铭亮，周文斌，胡春华.鄱阳湖叶绿素a空间分布及与氮，磷质量浓度关系[J].西北农业学报，2012，21（6）：162-166.

[21]商立海，李秋华，邱华北，等.贵州红枫湖水体叶绿素a的分布与磷循环[J].生态学杂志，2011，30（05）：1023-1030.

[22]李堃，肖莆.巢湖叶绿素a浓度的时空分布及其与氮，磷浓度关系[J].生物学杂志，2011，28（1）：53-56.

[23]吴怡，郭亚飞，曹旭，等.成都府南河叶绿素a和氮，磷的分布特征与富营养化研究[J].中国环境监测，2013，29（4）：43-49.

[24]周贝贝，王国祥，徐瑶，等.南京秦淮河叶绿素a空间分布及其与环境因子的关系[J].湖泊科学，2012，24（2）：267-272.

[25]黄鸾玉，黎小正，胡湛波，等.黔江水体氮，磷基本特征及其与叶绿素a的相关性分析[J].江苏农业科学，2013，41（8）：337-339.

[26]朱凌宇，韩荣荣，刘志远.北戴河近岸海域叶绿素a分布特征及影响因素[J].中国环境管理干部学院学报，2017，27（3）：60-62.

[27]周艳蕾，张传松，石晓勇，等.黄渤海海水中叶绿素a的分布特征及其环境影响因素[J].中国环境科学，2017，37（11）：4259-4265.

[28]蒋玫，沈新强.杭州湾及邻近水域叶绿素a与氮磷盐的关系[J].海洋渔业，2004，26（1）：35-39.

[29]张晓晶，李畅游，张生，等.乌梁素海叶绿素a与理化因子的统计分析[J].环境化学，2010，29（2）：315-319.

（责编：杨 林）