不同水體中葉綠素a與氮磷濃度關(guān)系及富營養(yǎng)化研究

1、    不同水體中葉綠素a與氮磷濃度關(guān)系及富營養(yǎng)化研究    何為媛 王莉瑋 王春麗摘要：過量的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入到水體中導(dǎo)致藻類大量繁殖，造成水體富營養(yǎng)化。葉綠素a是富營養(yǎng)化常見的響應(yīng)指標(biāo)，是藻類光合作用的主要物質(zhì)。該文綜述了國內(nèi)不同水體中葉綠素a與氮、磷濃度相關(guān)關(guān)系，對其富營養(yǎng)化狀況進(jìn)行評價，發(fā)現(xiàn)營養(yǎng)狀況的豐欠與水體理化性質(zhì)有關(guān)，在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，對未來富營養(yǎng)化研究方向進(jìn)行了簡要分析和展望。關(guān)鍵詞：葉綠素a;總氮;總磷;相關(guān)分析;富營養(yǎng)化隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類活動不可避免的對河流、湖泊、海洋等水體造成影響，各種水環(huán)境問題不斷發(fā)生。過量的

2、氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)的輸入已大大超出了水體能夠正常承載的范圍，使得藻類等浮游植物和部分浮游動物大量繁殖，造成水體富營養(yǎng)化等一系列環(huán)境問題1-3。研究表明，富營養(yǎng)化現(xiàn)象受多種環(huán)境因子影響4，其中氮、磷作為浮游植物賴以生長的重要營養(yǎng)物質(zhì)，參與光能轉(zhuǎn)化代謝過程，是最為重要的2個因素5-7。而葉綠素a（chl-a）是藻類光合作用的主要物質(zhì)，也是利用太陽光能把無機(jī)物轉(zhuǎn)化為有機(jī)物的關(guān)鍵物質(zhì)，是富營養(yǎng)化常見的響應(yīng)指標(biāo)?？梢岳萌~綠素a來評估藻類生長狀況8-9，反映水體理化性質(zhì)的動態(tài)變化和水體富營養(yǎng)化狀況10。然而，水體中氮、磷的濃度與藻類的繁殖并不總是呈正比，而是表現(xiàn)出非常復(fù)雜的關(guān)系。營養(yǎng)元素的形態(tài)不同，所表現(xiàn)

3、出的地球化學(xué)行為也就不同，并且在生物地球化學(xué)循環(huán)中所起的作用也不同。氮、磷的形態(tài)、濃度和空間分布的差異性會對藻類生長產(chǎn)生不同的影響11，12，同時，葉綠素a濃度可能還受溫度、光照、水量和流速等水動力條件與特征的影響13。因此，葉綠素a與氮、磷濃度的相關(guān)關(guān)系因水體不同呈現(xiàn)明顯的差異性。研究葉綠素a與氮、磷濃度的關(guān)系，對認(rèn)識水體富營養(yǎng)化的形成機(jī)理及其影響因素之間的相互關(guān)系有重要意義14，15，也可為水體富營養(yǎng)化防治及水體水生態(tài)管理提供參考依據(jù)。1 富營養(yǎng)化評價方法國內(nèi)外關(guān)于水體富營養(yǎng)化程度的評價指標(biāo)很多，不同評價方法所選取的參照因子也不相同。目前通用的富營養(yǎng)化評價方法主要有5種：單因子含量評價法、

4、綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法16、基于營養(yǎng)鹽限制性的潛在性富營養(yǎng)化評價法17、美國河口營養(yǎng)狀況評價法（assets）18和歐盟綜合評價法（ospar-compp）19。其中美國和歐盟的2種方法所涉及到的評價指標(biāo)較多，能夠較為全面地評估導(dǎo)致富營養(yǎng)化的因素及其可能引起的各種富營養(yǎng)化癥狀，較基于單一的營養(yǎng)物質(zhì)指標(biāo)的評價方法有一定的優(yōu)越性。由于我國河流和近岸海域環(huán)境監(jiān)測資料的不完整，尚不能完全應(yīng)用以上2種評價方法。故選取葉綠素a濃度作為檢驗(yàn)評價指標(biāo)，參照美國環(huán)?？偸穑╱sepa）有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)：（chl-a）>10mg·m-3，富營養(yǎng)化;4mg·m-3<（chl-a）<10mg&

5、#183;m-3，中營養(yǎng)化;（chl-a）<4mg·m-3，貧營養(yǎng)化，進(jìn)行不同水體的富營養(yǎng)化程度的劃分。但在實(shí)際環(huán)境中，河流、湖泊、海洋等不同水體的水動力條件與特征存在明顯差異，對于評價不同水體的富營養(yǎng)化程度的方法也不應(yīng)一概而論。根據(jù)湖泊富營養(yǎng)調(diào)查規(guī)范（第2版）的標(biāo)準(zhǔn)，采用0100的連續(xù)數(shù)值對湖泊營養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行分類，評分值70，重度富營養(yǎng)化。河流、湖泊、海洋都應(yīng)根據(jù)各自水體特征，設(shè)置明確的關(guān)鍵性因素指標(biāo)，對單一水體制定更為切合的富營養(yǎng)化評價標(biāo)準(zhǔn)，以便為富營養(yǎng)化監(jiān)控和水環(huán)境的治理提供參考依據(jù)。2 國內(nèi)不同水體中葉綠素a與氮磷濃度關(guān)系及富營養(yǎng)化狀況評價根據(jù)美國環(huán)?？偸穑╱sepa）有

6、關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，選取所考察的葉綠素a濃度作為檢驗(yàn)評價指標(biāo)，考察國內(nèi)不同水體中葉綠素a與氮、磷濃度相關(guān)關(guān)系，對其富營養(yǎng)化狀況進(jìn)行評價，結(jié)果如表1所示。區(qū)銘亮等20研究表明，鄱陽湖2009年9月水體中氮磷鹽與葉綠素a相關(guān)性最好，大量營養(yǎng)鹽的排入驅(qū)動葉綠素a質(zhì)量濃度的增加;7月的相關(guān)性較小;其他月份無明顯相關(guān)。說明季節(jié)性因素不同會使葉綠素a與營養(yǎng)鹽的相關(guān)性會發(fā)生變化。商立海等21分析發(fā)現(xiàn)，湖水上層（8m）葉綠素a與tp有明顯的線性相關(guān)關(guān)系（r=0.965，p0.3mg/l時，葉綠素a的濃度與tp成正相關(guān)，高濃度的tp促進(jìn)藻類生物量的進(jìn)一步提高。我國對于河流的監(jiān)測仍停留在水質(zhì)達(dá)標(biāo)上，針對河流富營養(yǎng)化的關(guān)注不及

7、湖泊和海域。成都府南河23按照葉綠素a的含量標(biāo)準(zhǔn)可判定為基本屬于貧營養(yǎng)化，但按照氮、磷含量評價標(biāo)準(zhǔn)已達(dá)到富營養(yǎng)化水平。相關(guān)性分析顯示葉綠素a和tdp含量呈顯著正相關(guān)，府南河富營養(yǎng)化的主要污染因子為磷，限制因子為氮。南京秦淮河水體葉綠素a濃度的對數(shù)與tp的對數(shù)呈正相關(guān)，氮磷比為2686，與氮磷比的對數(shù)呈負(fù)相關(guān)，表明磷可能是導(dǎo)致秦淮河水華暴發(fā)的主要影響因子24。黃鸞玉等25在分析黔江不同河段的水質(zhì)監(jiān)測資料發(fā)現(xiàn)，葉綠素a隨tn濃度升高而升高，可見tn濃度決定藻類生物量的高低，黔江tp濃度整體較低，與葉綠素a呈現(xiàn)不顯著的負(fù)相關(guān)性。在黔江的污染治理時，要首要控制氮元素。海域水環(huán)境由于面積廣闊，水動力條件

8、存在較大差異。葉綠素a含量與氮磷鹽關(guān)系存在較明顯的季節(jié)性和區(qū)域性差異。北戴河夏季葉綠素a的分布受近岸水域和陸源環(huán)境影響較大，氮、磷濃度均與葉綠素a呈顯著相關(guān)26。河口附近海域在地表徑流和潮汐的共同作用下，使水體得到充分混合，營養(yǎng)鹽含量豐富，有利于藻類等浮游植物的大量繁殖，使得葉綠素a含量相對較高。周艷蕾等27基于2013年夏、秋季和2014年春季黃渤海海域調(diào)查數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，不同水質(zhì)參數(shù)對海水葉綠素a含量的影響相對重要性具有季節(jié)差異。夏季，對海水葉綠素a含量影響最重要是磷酸鹽和溫度;春季，對于海水葉綠素a含量影響最重要的是鹽度和溶解無機(jī)氮。蔣玫和沈新強(qiáng)28調(diào)查杭州灣及鄰近水域葉綠素a與氮磷鹽的關(guān)系，

9、杭州灣與舟山漁場葉綠素同氨氮呈現(xiàn)良好的負(fù)相關(guān)。杭州灣強(qiáng)烈的潮汐運(yùn)動使沉積物再懸浮，阻擋了陽光向較深水層投射，影響了浮游植物的光合作用，因而葉綠素含量相對較低;舟山漁場泥沙沉降擴(kuò)散并經(jīng)外海稀釋，使得水體透明度提高，有利于浮游植物的生長與繁殖，導(dǎo)致葉綠素a含量出現(xiàn)較高值。通過總結(jié)前人的研究結(jié)果可以看出不同水體中葉綠素a與氮、磷濃度相關(guān)關(guān)系各不相同，甚至同一水體環(huán)境中不同區(qū)域狀況特征也存在差異。所以，探究河流、湖泊、海洋不同水環(huán)境之間的葉綠素a與氮、磷濃度的關(guān)系異同，對于認(rèn)識水體富營養(yǎng)化的形成機(jī)理十分必要。3 不同水體之間的葉綠素a與氮、磷濃度的關(guān)系異同大量研究表明，水體中葉綠素a受營養(yǎng)鹽、光照、溫

10、度、透明度和懸浮物等多種因素的影響和控制29，水體富營養(yǎng)化狀況不一定導(dǎo)致水華、赤潮的暴發(fā)，水華、赤潮暴發(fā)也不能確定水體存在富營養(yǎng)化現(xiàn)象。我國赤潮多發(fā)區(qū)（如長江口）顯示出強(qiáng)烈的季節(jié)性，雖然水質(zhì)處于貧營養(yǎng)化水平，但在適宜的環(huán)境條件下也能夠產(chǎn)生水華。由于湖泊溫度、水深、形態(tài)及營養(yǎng)物質(zhì)的濃度不同，其富營養(yǎng)化時水華產(chǎn)生的特點(diǎn)也存在很大差別，特別是在大型湖泊中，影響水華產(chǎn)生的因素更加復(fù)雜，僅僅依據(jù)葉綠素a與氮、磷濃度的關(guān)系來判斷水體是否處于富營養(yǎng)化水平是不夠的。葉綠素a有明顯的季節(jié)節(jié)律和時空差異，分布格局受到湖流、風(fēng)動等因素綜合影響。湖泊底部沉積物釋放氮磷鹽的內(nèi)源作用是控制湖泊富營養(yǎng)化的關(guān)鍵。城市河流受人

11、類影響更為直接，營養(yǎng)鹽濃度較湖泊高了1個數(shù)量級23。然而，吳怡等23的研究中也指出在相對較高的氮、磷濃度下，河流葉綠素a濃度僅為湖泊的1/10乃至1/100，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是由于河流的水動力條件制約了浮游植物的生長。營養(yǎng)鹽的輸入對于水體富營養(yǎng)化起到重要作用，水動力條件也是一項(xiàng)關(guān)鍵因素。河流的快速流動性加快了溶解氧的補(bǔ)充，對葉綠素a含量的增加有一定程度的抑制作用。河流與湖泊、海洋相比，很大的不同在于河流所接納的營養(yǎng)鹽輸入方式更廣，隨流經(jīng)區(qū)域不同而存在較大差異，從而造成葉綠素a的時空分布差異。而當(dāng)承載高濃度營養(yǎng)鹽的河水匯入湖泊和海洋，無疑將增加湖泊和海域的富營養(yǎng)化壓力。海洋水環(huán)境除了攜帶大

12、量營養(yǎng)物質(zhì)的河流輸入外，容易受到湍流等海水獨(dú)有的特殊水動力條件影響。如南黃海的中部受到黃海暖流和黑潮余脈的影響形成低營養(yǎng)鹽分布海域，限制了浮游植物的生長27。另外，有些海域存在冷水團(tuán)，即使氮、磷等營養(yǎng)鹽充足，浮游植物也會因溫度低生長受到抑制，進(jìn)而葉綠素a的含量較低。但是，如杭州灣東部的舟山漁場潮流強(qiáng)，致使水體交換較為充分，營養(yǎng)鹽穩(wěn)定，也有利于浮游植物生長和繁殖28。4 研究展望水體富營養(yǎng)化問題日益突出，氮、磷是導(dǎo)致水體發(fā)生富營養(yǎng)化的重要營養(yǎng)元素，研究葉綠素a與總氮、總磷濃度的關(guān)系，對認(rèn)識水體富營養(yǎng)化的機(jī)理及富營養(yǎng)化的控制有重要意義。目前，已有研究對于不同水體的富營養(yǎng)化狀況評判標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，水文調(diào)

13、查資料不全面。因此，需進(jìn)一步加強(qiáng)以下幾個方面的研究：（1）針對河流、湖泊、海洋等不同水體的特點(diǎn)制定更全面、更切合的富營養(yǎng)化狀況評判標(biāo)準(zhǔn)，多指標(biāo)綜合考量的評判體系?？梢罁?jù)3種水環(huán)境特征建立，對不同水體采用不同的評判標(biāo)準(zhǔn)。在采樣過程中，對各指標(biāo)進(jìn)行細(xì)化，避免遺漏水文數(shù)據(jù)，影響后續(xù)進(jìn)一步的評判和監(jiān)控。（2）對于同一水域的研究設(shè)置長期觀測，以觀察季節(jié)性變化對葉綠素a含量的影響，提高富營養(yǎng)化的治理的及時性，并在一定程度上起到預(yù)測性的作用，以便更好地進(jìn)行水污染防控和治理。（3）除研究葉綠素a與氮、磷濃度的相關(guān)關(guān)系外，對光照、溫度、透明度和水動力條件等因素綜合考量，為預(yù)防大規(guī)模水華的發(fā)生和湖泊富營養(yǎng)化的治理

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