不同水體中葉綠素a與氮磷濃度關系及富營養化研究

何為媛 王莉瑋 王春麗

摘要：過量的氮、磷等營養物質進入到水體中導致藻類大量繁殖，造成水體富營養化。葉綠素a是富營養化常見的響應指標，是藻類光合作用的主要物質。該文綜述了國內不同水體中葉綠素a與氮、磷濃度相關關系，對其富營養化狀況進行評價，發現營養狀況的豐欠與水體理化性質有關，在總結前人研究的基礎上，對未來富營養化研究方向進行了簡要分析和展望。

關鍵詞：葉綠素a;總氮;總磷;相關分析;富營養化

隨著社會經濟的快速發展，人類活動不可避免的對河流、湖泊、海洋等水體造成影響，各種水環境問題不斷發生。過量的氮、磷等營養物質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，造成水體富營養化等一系列環境問題[1-3]。研究表明，富營養化現象受多種環境因子影響[4]，其中氮、磷作為浮游植物賴以生長的重要營養物質，參與光能轉化代謝過程，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，也是利用太陽光能把無機物轉化為有機物的關鍵物質，是富營養化常見的響應指標。可以利用葉綠素a來評估藻類生長狀況[8-9]，反映水體理化性質的動態變化和水體富營養化狀況[10]。

然而，水體中氮、磷的濃度與藻類的繁殖并不總是呈正比，而是表現出非常復雜的關系。營養元素的形態不同，所表現出的地球化學行為也就不同，并且在生物地球化學循環中所起的作用也不同。氮、磷的形態、濃度和空間分布的差異性會對藻類生長產生不同的影響[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、磷濃度的相關關系因水體不同呈現明顯的差異性。

研究葉綠素a與氮、磷濃度的關系，對認識水體富營養化的形成機理及其影響因素之間的相互關系有重要意義[14，15]，也可為水體富營養化防治及水體水生態管理提供參考依據。

1 富營養化評價方法

國內外關于水體富營養化程度的評價指標很多，不同評價方法所選取的參照因子也不相同。目前通用的富營養化評價方法主要有5種：單因子含量評價法、綜合營養狀態指數法[16]、基于營養鹽限制性的潛在性富營養化評價法[17]、美國河口營養狀況評價法（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較多，能夠較為全面地評估導致富營養化的因素及其可能引起的各種富營養化癥狀，較基于單一的營養物質指標的評價方法有一定的優越性。由于我國河流和近岸海域環境監測資料的不完整，尚不能完全應用以上2種評價方法。故選取葉綠素a濃度作為檢驗評價指標，參照美國環保總署（USEPA）有關標準：[ρ]（Chl-a）>10mg·m-3，富營養化;4mg·m-3<[ρ]（Chl-a）<10mg·m-3，中營養化;[ρ]（Chl-a）<4mg·m-3，貧營養化，進行不同水體的富營養化程度的劃分。

但在實際環境中，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化程度的方法也不應一概而論。根據《湖泊富營養調查規范（第2版）》的標準，采用0～100的連續數值對湖泊營養狀態進行分類，評分值<30，貧營養;（30，50），中營養;（50，60），輕度富營養化;（60，70），中度富營養化;評分值>70，重度富營養化。河流、湖泊、海洋都應根據各自水體特征，設置明確的關鍵性因素指標，對單一水體制定更為切合的富營養化評價標準，以便為富營養化監控和水環境的治理提供參考依據。

2 國內不同水體中葉綠素a與氮磷濃度關系及富營養化狀況評價

根據美國環保總署（USEPA）有關標準，選取所考察的葉綠素a濃度作為檢驗評價指標，考察國內不同水體中葉綠素a與氮、磷濃度相關關系，對其富營養化狀況進行評價，結果如表1所示。

區銘亮等[20]研究表明，鄱陽湖2009年9月水體中氮磷鹽與葉綠素a相關性最好，大量營養鹽的排入驅動葉綠素a質量濃度的增加;7月的相關性較小;其他月份無明顯相關。說明季節性因素不同會使葉綠素a與營養鹽的相關性會發生變化。商立海等[21]分析發現，湖水上層（8m）葉綠素a與TP有明顯的線性相關關系（r=0.965，P<0.01），表明紅楓湖富營養化主要受磷元素限制。通過計算沉積物向水體的磷釋放通量得到，紅楓湖沉積物是水體的1個重要磷源，所以需要更有力地控制流域輸入。李堃和肖莆[22]在分析巢湖水體2002～2007年水質監測資料發現，當TN在5.8～9.4mg/L及TP在0.2～0.3mg/L區間時，葉綠素a的濃度與TN、TP成負相關，這可能是由于水華爆發，藻類對氮、磷等營養物質的需求增大有關;當TP>0.3mg/L時，葉綠素a的濃度與TP成正相關，高濃度的TP促進藻類生物量的進一步提高。

我國對于河流的監測仍停留在水質達標上，針對河流富營養化的關注不及湖泊和海域。成都府南河[23]按照葉綠素a的含量標準可判定為基本屬于貧營養化，但按照氮、磷含量評價標準已達到富營養化水平。相關性分析顯示葉綠素a和TDP含量呈顯著正相關，府南河富營養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濃度的對數與TP的對數呈正相關，氮磷比為26∶86，與氮磷比的對數呈負相關，表明磷可能是導致秦淮河水華暴發的主要影響因子[24]。黃鸞玉等[25]在分析黔江不同河段的水質監測資料發現，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呈現不顯著的負相關性。在黔江的污染治理時，要首要控制氮元素。

海域水環境由于面積廣闊，水動力條件存在較大差異。葉綠素a含量與氮磷鹽關系存在較明顯的季節性和區域性差異。北戴河夏季葉綠素a的分布受近岸水域和陸源環境影響較大，氮、磷濃度均與葉綠素a呈顯著相關[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查數據發現，不同水質參數對海水葉綠素a含量的影響相對重要性具有季節差異。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氮。蔣玫和沈新強[28]調查杭州灣及鄰近水域葉綠素a與氮磷鹽的關系，杭州灣與舟山漁場葉綠素同氨氮呈現良好的負相關。杭州灣強烈的潮汐運動使沉積物再懸浮，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散并經外海稀釋，使得水體透明度提高，有利于浮游植物的生長與繁殖，導致葉綠素a含量出現較高值。

通過總結前人的研究結果可以看出不同水體中葉綠素a與氮、磷濃度相關關系各不相同，甚至同一水體環境中不同區域狀況特征也存在差異。所以，探究河流、湖泊、海洋不同水環境之間的葉綠素a與氮、磷濃度的關系異同，對于認識水體富營養化的形成機理十分必要。

3 不同水體之間的葉綠素a與氮、磷濃度的關系異同

大量研究表明，水體中葉綠素a受營養鹽、光照、溫度、透明度和懸浮物等多種因素的影響和控制[29]，水體富營養化狀況不一定導致水華、赤潮的暴發，水華、赤潮暴發也不能確定水體存在富營養化現象。我國赤潮多發區（如長江口）顯示出強烈的季節性，雖然水質處于貧營養化水平，但在適宜的環境條件下也能夠產生水華。由于湖泊溫度、水深、形態及營養物質的濃度不同，其富營養化時水華產生的特點也存在很大差別，特別是在大型湖泊中，影響水華產生的因素更加復雜，僅僅依據葉綠素a與氮、磷濃度的關系來判斷水體是否處于富營養化水平是不夠的。葉綠素a有明顯的季節節律和時空差異，分布格局受到湖流、風動等因素綜合影響。湖泊底部沉積物釋放氮磷鹽的內源作用是控制湖泊富營養化的關鍵。

城市河流受人類影響更為直接，營養鹽濃度較湖泊高了1個數量級[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，出現這種現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。營養鹽的輸入對于水體富營養化起到重要作用，水動力條件也是一項關鍵因素。河流的快速流動性加快了溶解氧的補充，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鹽輸入方式更廣，隨流經區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。而當承載高濃度營養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化壓力。

海洋水環境除了攜帶大量營養物質的河流輸入外，容易受到湍流等海水獨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，即使氮、磷等營養鹽充足，浮游植物也會因溫度低生長受到抑制，進而葉綠素a的含量較低。但是，如杭州灣東部的舟山漁場潮流強，致使水體交換較為充分，營養鹽穩定，也有利于浮游植物生長和繁殖[28]。

4 研究展望

水體富營養化問題日益突出，氮、磷是導致水體發生富營養化的重要營養元素，研究葉綠素a與總氮、總磷濃度的關系，對認識水體富營養化的機理及富營養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化狀況評判標準不統一，水文調查資料不全面。因此，需進一步加強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制定更全面、更切合的富營養化狀況評判標準，多指標綜合考量的評判體系。可依據3種水環境特征建立，對不同水體采用不同的評判標準。在采樣過程中，對各指標進行細化，避免遺漏水文數據，影響后續進一步的評判和監控。

（2）對于同一水域的研究設置長期觀測，以觀察季節性變化對葉綠素a含量的影響，提高富營養化的治理的及時性，并在一定程度上起到預測性的作用，以便更好地進行水污染防控和治理。

（3）除研究葉綠素a與氮、磷濃度的相關關系外，對光照、溫度、透明度和水動力條件等因素綜合考量，為預防大規模水華的發生和湖泊富營養化的治理提供科學數據及決策依據。

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（責編：楊 林）