成都府南河叶绿素a和氮_磷的分布特征与富营养化研究

成都府南河叶绿素a和氮、磷的分布特征与富营养化研究

吴

12

怡，郭亚飞，曹

342

旭，李天卉，邓天龙

1．四川省环境保护科学研究院，四川成都610041

2．天津市海洋资源与化学重点实验室，天津科技大学海洋科学与工程学院，天津3004573．中国建筑西南勘察设计研究院有限公司，四川成都6100004．成都理工大学材料与化学化工学院，四川成都610059摘

要：通过对成都市府南河上中下游共21个断面叶绿素a和总溶解态氮(TDN)、总溶解态磷(TDP)含量的测定，绘制

时空分布图，并应用SPSS13.0统计软件分析了3个指标之间的相关性，初步评价了府南河的富营养化状况。结果表明，府南河叶绿素a含量不高，磷污染较为严重;相关性分析显示叶绿素a和TDP含量呈显著正相关关系，氮是河水富营养化的主要限制因子;按照叶绿素a的含量判定府南河基本属于贫营养化型，但按照氮、磷含量评价已达到富营养化水平。这对评价城市河流的富营养化状态及生态环境整治和恢复有着积极意义。关键词：富营养化;叶绿素a;氮;磷;府南河中图分类号：X824；X171．1

文献标志码：A

6002（2013）04-0043-07文章编号：1002-

EutrophicationandSpatialDistributionofChlorophyll-a，NitrogenandPhosphorusinFu-NanRiver，ChengduCityWUYi1，GUOYa-fei2，CAOXu3，LITian-hui4，DENGTian-long21．SichuanAcademyofEnvironmentalSciences，Chengdu610041，China

2．TianjinKeyLaboratoryofMarineScienceandChemistry，CollegeofMarineScience＆EngineeringatTianjinUniversityofScience＆Technology，Tianjin300457，China

3．SouthwestInstituteforSurveyandDesignofCSCEC，Chengdu610000，China

ChemistryandChemicalEngineering，ChengduUniversityofTechnology，Chengdu610059，China4．CollegeofMaterials，

Abstract：Thewatersamplesweresampledfrom21sectionsofFu-NanRiver，whichisthemotherriverofChengdu．Theconcentrationsofchlorophyll-a，totaldissolvednitrogen（TDN）andtotaldissolvedphosphorus（TDP）weredeterminedrespectivelybynationalstandardmethods．Therefore，thespatialdistributionsofthethreeeutrophicindexinFu-NanRiverwereachievedtodemonstratetheeutrophiclevelinFu-NanRiverandtherelationshipsofthethreeparameterswerealsodiscussed．Theresultsshowthat：TheconcentrationofTDPinriverwaterwereexceedthenationalstandardforsurfacewaterqualitygradeIII，whereasTDNwerelowerthanthenationalstandard；thecorrelationcoefficientsbetweenTDPandchlorophyll-aweresignificantlypositive，andthecontrolfactorofbloomisnitrogen；itisdemonstratedthateutrophicstatusinFu-NanRiverundertheestimationofPandN，whereasmesotrophicforthechlorophyll-a．Itisofgreatsignificancetoassessingtheeutrophicstatusandretrivalingthebetteraquaticeco-environmentofFu-NanRiver．Keywords：eutrophication；chlorophyll-a；nitrogen；phosphorus；Fu-NanRiver

随着人类社会的高速发展，各种方式输入自然水体的营养物质已大大超出了水体能够正常承

由此引发的水体富营养化现象载的范围和能力，

已成为全球所面临的严重环境问题之一

［1］

“水华”迅速繁殖生产，严重时会引起和“赤潮”等

［2］

使水体功能大大减弱。研究表恶性自然灾害，

富营养化现象受多种环境因子影响，其中明，

最为重要的2个参数即是溶解性的氮和磷。而叶绿素a代表着水体中光能自养浮游生物，不仅能

［3］

，水体

中充足的营养盐造成浮游藻类和部分浮游动物的

11-17；修订日期：2012-04-08收稿日期：2011-40573044）；四川省杰出青年基金项目（20060616004）；四川省学术与技术基金项目：国家自然科学基金项目（40103009，

2005］390）学科带头人基金项目（［

），作者简介：吴怡（1982-男，回族，四川成都人，博士，工程师．

通讯作者：邓天龙

44中国环境监测第29卷第4期2013年8月

够衡量水体浮游植物量，也是生产力和富营养化

［4］

水平的重要指标。

我国现行的富营养化评价方法主要以叶绿素a的不同浓度划分营养级别，其参考依据建立在“十五”计划以来对于长江中下游湖泊水环境调查和监测的基础上

［5］

采样监测点的布设：分别在未进入城区的府

河和南河设置1个采样点，市区段各布设8个取下游汇合后布设3个取样点，各采样点间样断面，

椭圆表示隔距离约1km（详细采样点情况见图1，

市区范围），注意避免靠近城市下水道排污口。按照国家河流采样标准方法同时采集府河与

南河从上游到下游21个断面的水样：在实验室将聚乙烯瓶用二次蒸馏水冲洗干净后装入一次性保鲜袋中，取样前用河水润洗采样瓶2～3次，然后其中在水下0.3～0.5m处采集3个水样后密封，一瓶加入1%MgCO3溶液2mL固定（测定叶绿素a），返回实验室放入超低温冰箱冷冻保存，尽快

#

分析。样品编号1为河流上游段城区外样品，2#～9#为中游城区段的样品，10#～12#为河流交汇后城区外下游段样品。

［8］

。而对于河流往往停留在

针对几个关键因子水质是否达标和是否污染上，

对富营养化的协同和抑制作用还欠缺深入的认识和研究。目前我国大多数城市河流都面临着水源补给锐减、水体的景观和饮用功能均受到严重削弱等问题，同时随着城市化进程和城市的扩张，越使其营养状态和程度来越多的污水流入河流中，

进一步加深，大大增加了水华、蓝藻暴发等自然灾害的风险和可能。目前，有关城市河流中高营养背景下藻类生长的控制因素及主控因子之间的耦合作用和机制，至今尚不清楚。

，府南河是成都的“母亲河”作为一条具有2000多年历史的城市河流，随着20世纪60年代的城市化进程和工业化发展，河水水源极度匮乏，大量城镇生活污水的排放导致水质急剧恶化，生态环境遭到严重破坏

［6］

。在这种情况下，成都市

于20世纪末开展了为期10年的“府南河综合整，治工程”改善了沿岸人居生活和水环境质量，并荣获1998年联合国最佳人居奖。但目前府南河富营养化程度究竟如何，叶绿素a的分布与易于磷之间是否存在联系，迄今生物利用的可溶态氮、

未见报道。该研究采集府南河21个断面的水样TDN、TDP含量，分析了其中叶绿素a、讨论了3个因子之间的相关性，并初步评价了富营养化现状，以期为进一步的环境整治和生态修复提供科学依尤其对于河流和湖泊的富营养化防治具有重据，

要的借鉴意义。

1.2

图1

府南河采样图

采样过程和样品处理

叶绿素a含量测定采用《湖泊富营养化调查

［9］

规范》的丙酮研磨-比色法测定：量取0.1L水0.45μm微孔滤膜过滤，样，滤膜于低温干燥保

1

1.1

实验部分

采样点的选择

府南河又名锦江，它是岷江水系流经成都的

存，用90%丙酮萃取，测定萃取液中叶绿素a在750、645、663、630nm波长下的吸光度，并根据公式计算叶绿素a含量。

河水中总溶解态磷（TDP）、总溶解态氮（TDN）

《水和废水监测分析方法（第四版）》分别采用中磷钼蓝分光光度法和过硫酸钾-紫外分光光度法［10］

测定其含量，测定样品均为通过0.45μm微孔滤膜过滤后的水样。

河水物理化学参数：溶解氧（DO）、氧化还原电位（ORP）、电导（L）采用美国YSI多探头水质

结果见表1。探测仪现场在线分析并记录，

2条主要河流———府河和南河的总称，市区段总长29km；府河进入成都市区后绕城北、东而流，南河绕城西、南而流于合江亭处汇合，汇合后向南经乐山流入岷江，最终汇入长江位置和采样位置见图1。

［7］

。府南河地理

吴怡等：成都府南河叶绿素a和氮、磷的分布特征与富营养化研究45

表1

参数

府南河地理位置与河水物理化学参数

府河

484104°5'32.7″N30°39'57.5″E

14.520.214967.4748.1

南河481104°4'38.5″N30°38'48.1″E

16.793.066297.67150.9

平均海拔/m

经度纬度温度/℃·L－1）溶解氧/（mg·cm－1）电导率/（μSpH电位/mV

量，因此仅能根据其含量评价富营养化状态。2.2府南河TDP的分布趋势

府南河TDP的分布特征见图3。TDP是地表

间接反水环境中总磷（TP）的最主要组成部分，

［5］

映了水体磷污染状况，府河TDP的平均含量为0.33mg/L，参照《国家地表水环境质量标准》对［11］

总磷的划分属于V类水。上游入城区后由0.21mg/L逐渐增加到0.59mg/L，中游段增加幅

2

2.1

结果与讨论

府南河叶绿素a的分布趋势

府南河叶绿素a的分布特征见图2。府河的

度较大，汇合后含量明显下降。

3

叶绿素a含量为1.19～4.24mg/m，平均2.49mg/m3。上游城区外较低（1#），进入城区后突升

3#

至3.94mg/m（2），并维持较高水平；中游段呈####逐渐减少再升高的趋势（2～9），分别在2和8断面出现了较大的峰值；下游出城段的叶绿素a3

（10#～12#）下降较快，约为0.89mg/m。

图3府南河总溶解态磷的分布特征

南河平均含量较低（0.26mg/L），且波动不

3#和7#均处于市中心区并临近大型社区，大，其高值显示该市区断面受到了不同程度的外源污染，可能使河流产生局部的富营养化现象。

2条河流均受到了不同程度的由图3可见，

磷污染。城市河流除了发挥其固有的景观作用外，还接纳了部分生活污水和地表径流，使得TDP含量随着河流的流向持续增长。而2条河流也有

图2

府南河叶绿素a的分布特征

3

南河含量为0.32～1.65mg/m，平均0.93

南河TDP含量总体分布平稳，仅在2不同之处，

个点出现峰值，这表明了南河营养盐外源输入的随机性和区域性，并未构成面源污染对南河造成持续的营养压力；此外，府河排污口与南河相比更加密集，这与我们采样点环境记录是吻合的。2.3府南河TDN的分布趋势

TDN是评价富营养化的一个重要参数。由2条河流TDN的测定结果均较低，图4可见，但在

出城断面劣于国标III类水质标准（以TN计）

［11］

mg/m3。上游段、中游城区段和下游出城段波动并不大，其中中游呈先增加、再减少、趋于稳定的

##

仅在2和5断面出现了一个较小的峰值趋势，

（1.6mg/m3左右）；中游段和下游段过渡平稳，变化不大。

采样完成于春、夏换季时期，平均水温约15℃左右，较适宜于浮游植物的生长。府河与南河的水文条件差异较大，南河水量大于府河，汇合后府河叶绿素a浓度被稀释而突然降低，反之南河的水量充沛，流速较快，府河对其影响较小，因此2条河流汇合后叶绿素a的分布行为与南河较为相似。国标并未规定地表水中叶绿素a的含

。府河平均含量为0.57mg/L，中游段逐

#

渐增加，中下游8断面最低，值得注意的是该断面TDP和叶绿素a含量均达到峰值，可能该断面

藻类生长吸收营养盐而使氮强烈亏损；南河TDN平均含量为0.86mg/L，空间分布与府河相似，也呈上游降低，中游、下游逐渐增加的趋势。

46中国环境监测第29卷第4期2013年8月

2.4城市河流叶绿素a与可溶态氮、磷的相互作用藻类的生长和营养盐因子之间的关系非常密进叶绿素a的增殖，说明低TDN和高TDP的环境

可能会使河流藻类生长受到一定的阻碍。

藻类通过光合作用吸收水中的氮和磷合成细切，

胞所必需的物质，对上、中、下游21个采样断面的各参数应用SPSS统计软件计算其相关性（结果P＜0.05满足显著性检验条件）。从表2见表2，

可见：府河TDP与叶绿素a呈显著正相关关系（r=0.59），说明TDP在一定程度上促进叶绿素a的增长；TDN与叶绿素a的相关系数为－0.68，呈显著负相关关系，表现为氮的强烈亏损，说明府河藻类在生长过程中消耗了部分TDN；TDN和TDP之间不存在显著相关关系，但氮磷比与叶绿高氮磷比将促素a表现为显著正相关（r=0.84），

表2

指标叶绿素aTDPTDN氮磷比

府河

叶绿素a

10.59－0.680.84

TDP10.28－0.43

10.68

1

TDN

氮磷比

图4府南河总溶解态氮的分布特征

TDN的相关系数府南河水体中叶绿素a和TDP、

指标叶绿素aTPTDN氮磷比

南河

叶绿素a

1－0.36－0.84－0.56

TDP10.52－0.53

10.44

1

TDN

氮磷比

注：P＜0.05，空表示无数据，下同。

与府河相似，南河TDN与叶绿素a呈显著负相关关系（r=－0.84），同样观察到氮的消耗，程度较府河更高；不同的是TDP与叶绿素a含量均低于府河，且两者为负相关关系，氮磷比的降低使营养盐表现为一定程度上的消耗，叶绿素a的含量总体较府河偏低。城市河流低营养负荷环境下适合的氮磷比会刺激藻类的生长，而在高营养负荷下不平衡的氮磷比反而会对藻类生长造成一定程度上的抑制。

2条河流TDP和TDN相关性不强，表明季节的转变和温度的升高对浮游植物的生长提供了良好的外部环境和客观条件，两者共同促进叶绿素a的增加，氮磷在城市污水中来源复杂，随机性较强且比例差异较大，因此两者间未显示太强的相关性。

综上所述，较高的氮、磷含量说明府南河已处于较高营养负荷的环境，但叶绿素a含量并不高。一般认为，藻类氮磷比在7左右，水体中氮磷比高于7则磷为限制因子，若低于7则表现为氮限制，氮磷比的不同直接导致水体生产力不同的限制情况。在某些湖泊研究中，水体中磷为惟一主导因子（占80%），而氮为11%，其余9%为两者的共

［12］

同作用。该研究TDN与TDP比值为0.41～

3.41，府河低于南河，由此判断氮为府南河富营养化的主要限制因子。另一方面，如果富含氨氮的污水输入将使河水中氮磷比增大，则可能刺激藻类的恶性生长，其环境风险也不容小视。就该研究来看，仅仅靠溶解态的氮磷来解释和耦合城市河流中叶绿素a的分布规律还是比较有局限的，其分布可能还受其他因素决定，如温度，水量和流速等水动力条件与特征。

2.5城市河流中叶绿素a分布的影响因素大量研究表明，水体中叶绿素a受营养盐、光温度、透明度和悬浮物等多种因素的影响和控照、

［14］［15］，有关海洋、湖泊中各理化因子相关性研究已有较多的报道。对比我国其他水环境的富

制

［13］

营养化研究，在河口和海洋环境下，较低营养盐的输入和补充使水体中叶绿素a的含量不高，而我国赤潮多发区（如长江口）显示出强烈的季节［16-17］

，性虽然在贫营养化水平，但在适宜的环境条件下也能够产生水华等自然灾害。长江中下游

众多受到人类极大影响的湖泊（如太湖），在高背景的氮、磷暴露下，水体中藻类大量繁殖，叶绿素a含量可常年高达几十到上百毫克每立方米，是我国富营养化现象的重灾区。

相对于湖泊而言，城市河流受人类影响更为

吴怡等：成都府南河叶绿素a和氮、磷的分布特征与富营养化研究47

直接，营养盐浓度较湖泊高了一个数量级（表3），叶绿素a也略高，河水承载高浓度营养盐汇入长无疑将增加中下游湖泊富营养化压力。而在江，

叶绿素a浓度仅为湖泊相对较高的氮磷含量下，

的1/10乃至1/100，但研究显示，城市河流在更

高营养背景下的生产力反而会受到阻碍，这在该研究中显得尤为明显。

府南河与我国其他城市河流同样面临着极大

表3

水环境长江口东海深圳湾太湖红枫湖岳阳南湖西安城市湖泊华南地区水库

苏州河津河府南河

·m－3）叶绿素a/（mg

0.47～1.01

0.25～9.083.07～309.9415.0～69.05.68～57.751.75～3.623.50～25.271.3～33.210.0～80.88123.8～69.20.32～4.24

1.68～3.181.2612.50～3.860.32～0.960.18～1.76

4.744.11～4.640.22～1.64

的营养压力，据统计，为期10年的府南河综合整治期间，成都市有42条小流域得到治理，中心城区相继建成4个日处理能力为10万t级的污水处综合处理污水90万t/d，占总量的82%，水理厂，

环境质量较改造前有了大幅度的提高。但目前每天有接近20万t的废水未能进入污水管网进行处理而直接排放，这也是河水中氮、磷含量过高的直接原因。

不同水环境富营养化因子对比与状况评价

TDN/（mg·L－1）

1.94～2.41

TDP/（mg·L－1）

0.06

富营养化状况贫营养化贫营养化富营养化

0.079～0.156

0.0560.06～0.120.03～0.070.01～0.79

0.360.045～0.0940.14～0.58

富营养化富营养化富营养化中富营养化中富营养化富营养化富营养化

参考文献［16］［17］［18］［19］［20］［21］［22］［23］［24］［25］该研究

已有研究发现，府南河沉积物已成为营养盐其间隙水氨氮含量和无机磷的含的重要蓄积库，

［26］

其中磷量分别可达54.06mg/L和2.07mg/L，

养化受到抑制的一个重要原因之一。该研究发在流速较快的城市河流中，即使营养盐含量高现，

也不易产生藻类水华现象。③城市规划的不同造成了2条河流在水环境营养负荷方面存在明显的时空差异。表1物化参数中的DO和电位说明南河水质相对良好，府河处于相对还原性较强的有利于无机氮磷的转化和藻类的生长。这环境，

与河流所流经的区域和水文特征有着密切联系。府河由成都北门流入，进入市区后绕城北、城东向所经区域为成都建设较早的老城区，也是南流动，

人口最为稠密和集中的区域之一，而南河流经区域主要是规划较晚的新城区，人口密度较小，水环虽然2条河流源头均来境较府河更加清洁；其次，

但是各自功能和调控方式不同使南河的自岷江，

水量和流速均大于府河，这也导致2条河流的水直接决定了物化参数量和水化学成分存在差异，

南河水环的不同。在这2个方面的共同作用下，府河受沿岸城市废水污染较境质量较府河优良，

严重，而2条河流在下游交汇后，浓度随着水量的增大而迅速降低。

府南河明显的区域差异体现在整治工程和市政规划上，城市化进程必然会给河流带来营养物从而进一步促进浮游生物的生长、代质的输入，

谢、消亡及其分布。由此可见，一个良好的城市规

是主要污染因子，这可能与城市居民生活用水排虽然叶绿素a的分布与放有关。值得注意的是，

可溶性营养盐存在相关关系，但高营养负荷下叶绿素a一直处于较低水平（TDN约与太湖的含TDP含量更高，见表2），并未发生蓝藻暴量相当，

发和水华现象。高营养盐未刺激藻类大量生长的主要原因在于：①特殊的源输入形式导致了不平衡的氮磷比和不同的营养压力。城市河流的营养源输入具有多元性和分布的不平均性，氮磷在河其生物水水体中随流经区域的不同而变化较大，从而造可利用形态也随输入的不同而产生差异，成叶绿素a的时空分布特征迥异。府南河是一条河水中营养盐来源主要来自于典型的城市河流，

浓度普遍较高，氨氮、无机磷是城市污水的输入，

TDN和TDP的主要形态［6］，过大或过小的氮磷比均容易造成浮游植物的生长限制。②河流的水动力条件在某种程度上制约了水华的发生。富营养化现象除受到营养盐的影响外，水动力条件也是一个关键因素，城市水体的流动性加快了溶解氧化还原电位的变化提高了水体对高氧的补充，

含量营养盐的包容和缓冲能力，这可能也是富营

48中国环境监测第29卷第4期2013年8月

划、管网建设和污染综合控制措施对控制富营养化现象具有非常积极的作用。2.6

府南河富营养化状况评价

水体的营养状态是一个受多参数影响和控制各参数之间互相联系、互相影响、互的复杂状态，

相制约，一般来说，简化因子的方法可能引起某些信息的遗失，并且各因子对贡献并不一致，评价过程首要的就是确定评价指标，再确定各因子权重才能保证评价的客观性与准确性。因此用多参数的综合评价是十分必要的。评价水体富营养化程度的指标很多，目前比较通用的富营养评价方法主要有5种：单因子含量评价法，卡尔森及其修正营养状态指数法（TSI和TSIM），综合营养状态PCA），指数法，营养度指数法（AHP-均值评分法

［27］

大；叶绿素a含量不高，范围为0.32～4.24mg/m3，TDN和TDP没有蓝藻暴发迹象；叶绿素a、3个参数在河流的分布特征与城市规划和人口密度有着重要的联系。

2）府南河富营养化的主要污染因子为磷，限但仍然存在风制因子为氮。虽然总体情况良好，

险，如果城市污水中氮含量大量增加，则很可能刺其分泌的毒素等将大大损害激藻类的恶性生长，

水环境健康和城市水体景观功能，需要加强相关的监测以及预警机制和应急防控措施的建立。

3）除了氮、磷含量外，水动力条件（如流速）和温度也是城市河流富营养化的关键作用之一，需要进一步加强在区域性水动力特征、温度、藻类形态与富营养化现象耦合机制方面的专门研究。

4）按照叶绿素a的含量判断，府南河基本属于贫营养型；但按照氮、磷含量来看，府南河属于用简单的TDP和TDN指标富营养型。由此可见，

对城市河流水体富营养化状况进行评价和划分是有一定局限性的。尤其对于封闭系统应用到开放系统还有较多难以解决的问题，这需要更进一步比对更多参数进行多因子、全方位的综合评价。

致谢：感谢徐青和青鑫在该论文采样工作中提供的帮助!

。

TDN、TDP含量选取该文所考察的叶绿素a、

作为检验评价指标，参照美国环保局对叶绿素a含量作为富营养化单因子评价标准（大于10mg/

3m3为富营养化，小于4mg/m为贫营养化，其他

为中营养化）对府南河的富营养化状态进行评

#

2条河流其余断面叶绿素a含量价，除了府河8，3

均未超过4mg/m，可见，府南河水体整体处于贫

营养化状态。某些评价方法提出，当氮磷比超过1mg/L为富营养化状态，以此为依据判断府南河处于深度富营养化状态。

由此可见，虽然不同的评价方法为我们了解水体的营养状态起着标尺作用，但其中也存在不描述方少问题：对水体营养状态的划分比较混乱，法不一致，分级和方法依据及指标各不相同，直接导致了评价结果之间缺乏可比性。现行的营养化评价分级方法主要应用于湖泊水体的研究，是针对湖泊水环境的评价模式而建立起来的，针对河因此在对河流富营养化流的评价体系并不健全，

状况进行评价时，评价方法的选取十分关键，有关在此选用较为通用的河流富营养化的评价较少，

单因子法对府南河的营养状态评价出现了矛盾的地方，说明对于河流水体富营养化评价还需要更多的参数和评价方式。

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