郑州市景观水体东风渠绿藻水华污染特征及营养盐效应

乔辛悦，田国行，刘文霞，刘璐

(河南农业大学 林学院，河南 郑州 450002)

郑州市景观水体东风渠绿藻水华污染特征及营养盐效应

乔辛悦，田国行，刘文霞*，刘璐

(河南农业大学 林学院，河南 郑州 450002)

[目的]城市景观水体富营养化导致水质恶化是不少城市水环境的共性问题，研究景观水体水质与营养盐的关系，对控制水华爆发和改善景观水体质量具有重要意义。[方法]以郑州市东风渠为研究区域，对夏季绿藻水华爆发时和冬季水体中浮游藻类生物量叶绿素a(Chl.a)、脱镁叶绿素a (Dechla.)、营养盐浓度以及理化特性进行调查分析。[结果]夏季Chl.a平均值为29.76 μg·L-1，冬季为23.72 μg·L-1, 夏季Dechla.平均值为18.13 μg·L-1，冬季为19.32 μg·L-1，Chl.a和 Dechla.波动幅度冬季比夏季大，冬季河流中浮游藻类生物量有明显的空间异质性。在花园路桥东200米处(I-2#)Dechla.最大40.73 μg·L-1，溶解氧(DO)最低1.48 mg·L-1，此处水体污染最严重。夏季水体总氮(TN)平均值为226.08 mg·L-1，总磷(TP)平均值为6.25 mg·L-1，TP变化范围较小；冬季TN平均值为343.75 mg·L-1，TP平均值为11.70 mg·L-1，TP 变化范围较大，有明显的空间异质性。夏季和冬季水质营养等级均为重度富营养，夏季绿藻水华爆发时Chl.a与pH和浊度(TB)呈显著正相关。冬季底泥中Chl.a浓度范围为3. 21～10.74 μg·g-1，平均值6.82 μg·g-1，Dechla. 浓度范围为11.24～19.33 μg·g-1，平均值为13.81 μg·g-1；底泥TN平均值14.35 mg·g-1，TN沿水流方向从花园路到东明路变化趋势先下降后上升，在经三路桥西(I-2’#)最小12.66 mg·g-1；底泥TP平均值6.56 mg·g-1，TP沿水流方向逐渐降低。[结论]研究结果对绿藻水华污染控制有一定指导意义。

东风渠； 富营养化； 绿藻； 叶绿素a； 脱镁叶绿素a； 底泥

随着生活污水和工农业废水向水体中大量排放，氮、磷营养物质进入河流湖泊，水体富营养化态势迅猛发展，水华灾害频发的严峻形势受到广泛关注。国内外学者开展了对水体N、P含量与浮游藻类生长规律与特征的研究，对湖泊而言，通常认为浮游藻类的种类组成和数量特征与水体中N、P含量关系密切[1，2]，对河流浮游藻类生长规律与特征研究涉及到不同地区的多条河流[3～9]，然而河流存在复杂的物理、化学和生物过程，河流中N、P含量与浮游藻类之间的关系复杂。富营养化导致城市景观水体水质恶化是不少城市水环境的共性问题，研究景观水体水质与营养盐的关系，对控制水华爆发、改善景观水体质量具有重要意义。近年来，郑州市东风渠夏季爆发了绿藻水华，严重破坏了水体的生态平衡。底泥是影响水生生态系统的重要环境要素之一，水域营养水平与底泥氮、磷释放量密切相关[10，11]。为此对该水体浮游藻类生物量叶绿素a (Chl. a)、富营养化水平以及底泥营养盐进行了调查，研究了浮游藻类Chl.a与河流水环境因子的关系，探讨了底泥N、P浓度水平和时空分布特征，旨在为城市景观水体污染防治提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

郑州市属暖温带大陆性气候，四季分明，年平均气温14.4 ℃，年平均降雨量640.9 mm，无霜期220 d，全年日照时间约2 400 h。郑州市东风渠从北环进入市区，沿东风路从西向东依次流经花园路桥、经三路桥、东明路桥，在东三环和金水河交汇，水深1.5 m，每天有21 000 m3工业企业废水和150 000 m3生活污水流入[12]，是郑州北部市区和近郊的主要泄洪排污河道。自2001年进行综合整治以来，不但发挥了防洪除涝功能，还给沿岸居民提供了一个休闲、娱乐的活动场所。东风渠融防洪、生态、景观、文化、游览于一体，现有4个景区16个景点，已成为郑州市区内重要的休闲娱乐场所之一[13]。然而东风渠因常年纳污而污染严重，水质状况一直令人堪忧，自2015年以来花园路至经三路河段还常伴有黑臭现象，尤其在春夏之交绿藻水华频繁发生，严重影响了城市景观，干扰了沿岸居民的正常生活。

1.2 水样和底泥的采集

水质监测断面见表1, 于2015年6月6日采集水样, 气温22～35 ℃，采样点(1#,2#,3#)。此时花园路桥附近发生了绿藻水华污染，因此在桥西和桥东设置了采样断面1#,2#，并在东明路设置对照断面3#。在冬季于2016年12月6日采样，气温9～14 ℃，采样点(I-1#， I-2#，I-2’#，I-3#)，增加经三路桥西100米断面(I-2’#)，此水域2016年春夏季绿藻水华爆发，同步采取水样和底泥，现场测定DO和TB。用水样采样器在水体表层0.5 m处采集水样1.5 L，分别装入事先准备好的采样瓶；24 h内过滤，按《环境监测新方法》[14]，分别添加保存剂，并冷冻保存，带回实验室分析；底泥用挖泥器在0～10 cm处挖取，每点采集3份底泥样，每份重约1.0 kg，底泥样品在采集后尽快风干碾碎，剔除杂物和2 mm以上的沙砾，采用四分法将各个样点的三份相同类型样品等量缩分至一份，混匀后研磨，过100目筛，于烘箱中70 ℃烘干至恒重，备用。

1.3 试验仪器

eTRex 201x型GPS定位仪(佳明)，HI9141型溶解氧仪(哈钠公司)，HI93703-11 N型浊度仪 (哈钠公司)，PHSJ-3F 型pH计(上海雷磁仪器厂)，DDS-307型电导率仪(上海雷磁仪器厂)。2.5 L有机玻璃采水器(中国科学院水生生物研究所实验仪器厂), K06A型全自动凯氏定氮仪(上海晟声自动化分析仪器有限公司), A560紫外分光光度计(上海精密仪器仪表有限公司)。用统计分析软件SPSS 24.0进行数据分析，叶绿素a和水环境因子间的相关关系采用Pearson相关分析。

表1 采样断面的设置Table 1 Location of sampling sites

1.4 样品分析方法

1.4.1 叶绿素a的测定

水样用0.45 μm玻璃纤维滤纸过滤后，滤膜用于测定Chl. a，滤液测定其TN和TP含量。水样、底泥Chl. a的测定用乙醇—分光光度法[15，16]。每个样品2个重复，取其平均值。

1.4.2 水样与底泥总氮、氨氮和总磷的测定

水体和底泥TN用硫酸-HClO4消化,自动凯氏定氮仪测定；水体氨氮(NH3-N)直接用自动凯氏定氮仪测定。TP用硫酸-H2O2消化，黄钼酸氨比色法[14]。

1.4.3 其他理化指标的测定

用pH-玻璃电极法测定pH，手持溶解氧仪、浊度仪现场测定溶解氧和浊度；用电导率仪测定电导率(DE)。

2 结果与讨论

2.1 叶绿素a和脱镁叶绿素a的测定结果

叶绿素a的高低可以了解水体的生产力和富营养化水平，污染严重时Chl.a降解为Dechla.。水体Chl.a和Dechla.的测定结果见表2。冬季 Chl.a 13.95～50.22 μg·L-1，平均23.72 μg·L-1；Dechla. 6.98～40.73 μg·L-1，平均19.32 μg·L-1，Dechla.在花园路桥东200 m(I-2#)最大40.73 μg·L-1，这与花园路桥东30米处排污口有关，排放的污水使浮游藻类死亡降解，Dechla.最高。冬季Chl.a和Dechla. 的波动幅度较大，受河流形态、水文、光照以及水流搬运和泥沙数量、藻类繁殖速率等作用的影响，河流中浮游藻类的生物量具有明显的空间异质性。夏季Chl.a 27.9～33.48 μg·L-1，Chl.a的波动幅度较小，平均29.76 μg·L-1，高于北海25.9 μg·L-1[3]，Dechla.为14.23～21.76 μg·L-1，平均18.13 μg·L-1，Dechla.波动幅度夏季较冬季小。从总体上看, Chl.a的季节性变化特征明显，夏季绿藻水华爆发时，水面被绿藻覆盖，为了应急进行人工打捞，不同断面水体中绿藻生物量变化幅度较小，但均值高于冬季。有研究表明绿藻是喜温生物[17]，其最适宜温度在30～35 ℃，春夏季气温回暖，一些优势绿藻种群快速繁殖，打破了生态平衡，爆发了绿藻水华。

2.2 水体营养盐及理化指标测定结果与讨论

水体氮、磷营养盐结果见表2，由表2可见，冬季水体TN 278～418 mg·L-1，平均343.75 mg·L-1，是地表水V类景观水体标准的172倍[18]；NH3-N 16～60 mg·L-1，平均40 mg·L-1是地表水V类标准的20倍，是三垟湿地水体的7.43倍[11]；TP 6.29～20.60 mg·L-1，均值11.70 mg·L-1，是地表水Ⅴ类标准的29.3倍，最大值是最小值的3.28倍，具有明显的空间异质性。夏季水体TN 192.75～265.5 mg·L-1，平均226.08 mg·L-1，是地表水Ⅴ类标准的113倍。NH3-N 18～44 mg·L-1，平均29.67 mg·L-1，是地表水Ⅴ类标准的14.8倍；TP 4.88～8.41 mg·L-1，平均6.25 mg·L-1，是地表水Ⅴ类标准的15.63倍。据地表水资源质量评价技术规程[19]，冬季和夏季水质营养等级为重度富营养。夏季TN/TP为31.6～40.3，平均37.1；冬季TN/TP为13.50～48.8，平均36.2，不同断面变化幅度较大，TN/TP均值冬季和夏季变化不大。

表2 浮游藻类和水体理化特性监测结果Table 2 Average concentration of Chl.a and water properties in the different sites

注：“—”表示未监测

Note: “—”indicates no monitoring

DO在不同采样断面存在较大差异，冬季DO 1.48～15.55 mg·L-1，平均9.50 mg·L-1，地表水Ⅴ类景观水体标准(2.0 mg·L-1)，在花园路桥东200 m(I-2#)DO为1.48 mg·L-1，低于地表水V类标准(2.0 mg·L-1)，为劣V类水，该断面Chl.a为13.95 μg·L-1是4个断面中最低值，而Dechla.为40.73 μg·L-1,是4个断面中最高，因此该断面水污染最严重。在上游花园路桥东30 m处有一排污口，大量城市污水流入，浮游藻类大量死亡，Chl.a降解为Dechla.；河岸边有垂柳，垂柳落叶漂浮在水面，许多枯枝落叶沉积在底泥中，落叶分解释放氮、磷[20]，所以岸边绿化树种的选择对水体的影响不容忽视。根据地表水环境质量标准—GB 3838—2002东风渠水体为劣V类水。

夏季pH 7.34～7.97，平均7.57，冬季pH 7.85～8.65，平均8.18，符合地表水体标准。DE夏季1 042～1 107 μs·cm-1，平均1 070 μs·cm-1，冬季1 000～1 081 μs·cm-1，平均1 045 μs·cm-1，可溶解盐分离子冬、夏季变化不大，和2004年报道的结果相近[21]，近十几年来可溶解盐分离子污染变化不大。

2.3 水体浮游藻类与河流水质因子相关性分析

夏季水体浮游藻类Chl.a与河流水质因子相关矩阵见表3, 由表3可知Chl.a与pH和TB呈显著正相关，绿藻适宜在弱碱性条件下生长[17～22]，水体碱度增高，浮游藻类生长繁殖能力增强，水体变浑浊，这一结果与高玉荣的研究结果一致[3 ]。天津市津河、卫津河Chl.a和pH、DO、温度的相关系数也较大[23 ]。水体的NH3-N 和TN显著正相关；pH和TB显著正相关。Chl.a与NH3-N、TN、TP、TN/TP之间相关关系不明显。

冬季水体浮游藻类生物量与河流生境相关性分析见表4，由表4可知水体pH与TN显著正相关，TN/TP与TP有极显著负相关关系，Chl.a与NH3-N、TN、TP 和TN/TP之间相互关系不明显。除氮磷营养盐外，水温对Chl.a的变化有明显影响，水温是藻类生长、进行光合作用的必要条件，它与藻类细胞内酶反应的速率及植物的新陈代谢密切相关，是影响Chl.a的环境因子中的主导因子[23 ]。郑州冬季温度较低，不适宜绿藻生长，冬季水温是限制因子，浮游藻类Chl.a与河流营养盐没有显著相关性。夏季和冬季Chl.a与DO之间相关关系不明显，其结果和李贺的结果不一致[24 ]。

2.4 底泥中藻类和营养盐测定结果与讨论

随着河流夹带冲积物和水生生物残骸在河底的不断沉降淤积，进入秋季以后,随着气温的持续下降,水温相应下降,藻类的生长受到制约而逐步减少并下沉。底泥中Chl.a为 3. 21～10.74 μg·g-1，平均6.82 μg·g-1，Dechla.为11.24～19.33 μg·g-1，平均13.81 μg·g-1。不同断面底泥中Chl.a、Dechla.、TN、TP、TN/TP变化趋势见图1，底泥中Chl.a和Dechla.从花园路桥西(I-1#)到东明路桥西(I-3#)的变化趋势为先升高后下降，在经三路桥西(I-2’#)最高，Chl.a和Dechla.分别为10.74 μg·g-1和19.33 μg·g-1，此处在2016年夏季发生了绿藻水华，冬季底泥中藻类生物量最高。进入春季以后, 随着气温的回升而水温上升, 底泥中藻细胞的复苏对水层浮游藻类种群结构具有重要影响[25]。

表3 夏季水体中浮游藻类与水质因子相关矩阵Table 3 Correlation matrix for Chl.a concentration and water quality factors in summer

注：*. 在 0.05 级别(双尾)，相关性显著。**. 在 0.01 级别(双尾)，相关性显著。

Note：*.Correlation is significant at the 0.05 level (2-tailed);**. Correlation is significant at the 0.01 level (2-tailed).

表4 冬季水体浮游藻类与河流水质因子相关矩阵Table 4 Correlation matrix for Chl.a contents and water quality factors in winter

注：*. 在 0.05 级别(双尾)，相关性显著。**. 在 0.01 级别(双尾)，相关性显著。

Note：*.Correlation is significant at the 0.05 level (2-tailed);**. Correlation is significant at the 0.01 level (2-tailed).

底泥营养盐含量处于较高水平，其中TN含量为12.66～15.94 mg·g-1，平均14.35 mg·g-1，高出三垟湿地底泥4.74倍[11]，TN变化趋势从花园路到东明路先下降后上升(图1)，在经三路桥西(I-2’#)最小12.66 mg·g-1。 底泥TP为5.40～8.77 mg·g-1，平均为6.56 mg·g-1，是三垟湿地底泥的1.73倍，沿水流方向逐渐降低。TN/TP为1.82～2.75，平均为2.25，变化幅度较小。

底泥藻类与营养盐相关性分析见表5，底泥Chl.a与底泥TN呈极显著负相关。张修峰等研究表明底泥作为浮游藻类的“种源”，富营养水域底泥通过内源营养的迁移转化，能形成持续性水华，并导致浮游植物多样性降低[11]。东风渠水体己处于重度富营养化，在控制外源污染物进入东风渠的同时，要注意沉积物中营养盐向水体的释放。可通过河岸植物的立体种植进行截流截污，控制外源营养氮、磷以及有机物的输入; 可采取疏浚底泥，去除水草和藻类，引入低营养水稀释等措施；也可采用生物性措施，利用水生生物吸收利用氮、磷元素进行代谢活动以去除水体中氮、磷营养物质的方法[26]，如引入大型挺水植物与藻类竞争、在污染水域投放和养殖捕食藻类的河蚌、鲢鱼等抑制藻类繁殖生长、净化水体。多种方法相结合抑制藻类的过度增殖，控制水华污染。

图1 不同断面底泥中Chl.a、Dechla.、TN、TP、TN/TP变化趋势图Fig.1 Variation trend of Chl.a、Dechla.、TN、TP、TN/TP in different cross-section of sediment

表5底泥浮游藻类与营养盐相关矩阵

Table5 Correlation matrix for chlorophyll.a contents and nutrient in sediment.

Chl．aDechla．TPTNTN/TPChl．a10 778-0 612-0 992∗∗0 097Dechla．1-0 486-0 8240 094TP10 683-0 847TN1-0 193TN/TP1

注：*. 在 0.05 级别(双尾)，相关性显著。**. 在 0.01 级别(双尾)，相关性显著。

Note：*.Correlation is significant at the 0.05 level (2-tailed);**. Correlation is significant at the 0.01 level (2-tailed).

3 结论

(1)浮游藻类 Chl.a和 Dechla.夏季分别为29.76 μg·L-1和18.13 μg·L-1，冬季分别为23.72 μg·L-1和 19.32 μg·L-1，在花园路桥东200 m 处(I-2#)Dechla.最大40.73 μg·L-1，DO最低1.48 mg·L-1，此处污染最严重。夏季 Chl.a和Dechla.的波动幅度较小，Chl.a和Dechla.的波动幅度冬季较夏季大，冬季河流中浮游藻类生物量具有明显的空间异质性。

(2)冬季水体TN、TP均值分别为343.75 mg·L-1和 11.70 mg·L-1，TP最大值是最小值得3.28倍，冬季水体TP具有明显的空间异质性。夏季TN和TP均值分别为226.08 mg·L-1和6.25 mg·L-1，TP变化范围 4.88～8.41 mg·L-1，冬季和夏季水体营养等级为重度富营养。

(3)冬季和夏季 Chl.a与NH3-N、TN、TP、TN/TP之间相关关系不明显，夏季绿藻水华爆发时Chl.a与pH和TB有显著正相关关系。

(4)底泥中Chl.a为 3. 21～10.74 μg·g-1，均值6.82 μg·g-1，Dechla.为11.24～19.33 μg·g-1，均值13.81 μg·g-1。TN为12.66～15.94 mg·g-1，均值14.35 mg·g-1，沿水流方向从花园路到东明路TN变化趋势先下降后上升，在经三路桥西(I-2’#)最小12.66 mg·g-1。底泥TP为5.40～8.77 mg·g-1，均值为6.56 mg·g-1，沿水流方向从花园路到东明路逐渐降低。底泥中营养盐释放和藻类复苏是夏季绿藻爆发的影响因素。

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ContaminativecharacteristicsandnutrienteffectofgreenalgaeinthelandscapewaterbodyofDongFengRiverinZhengzhoucity

QiaoXinyue,TianGuohang,LiuWenxia*,LiuLu

(CollegeofForestry,HenanAgriculturalUniversity,Zhengzhou450002,China)

[Objective]The eutrophication of urban landscape water result is a common problem on deterioration of water quality. Studying the relationship between water quality and nutrient salt in landscape water is very important to control water blooming and improve water quality.[Methods]The Chlorophyll a (Chl.a), Demagnesiumchlorophyll a. (Dechla.), nutrient and physicochemical properties of samples collected from DongFeng river were investigated during algae blooming summer and winter.[Results]The result showed that average contents of Chl.a were 29.76 μg·L-1and 23.72 μg·L-1in summer and winter, and Dechla were 18.13 μg·L-1and 19.32 μg·L-1, respectively. The fluctuation ranges of Chl.a and Dechla. In winter was greater than that of in summer. The biomass of planktonic algae in winter had obvious spatial heterogeneity. In the sampling site I-2#, 200 meters far from the east of HuaYuan road bridge, the content of Dechla was the highest (40.73 μg·L-1), and dissolved oxygen (DO) was the lowest (1.48 mg·L-1) among all cross sections, showing the most serious water pollution. The average contents of total nitrogen(TN) and total phosphorus (TP) were 226.08 mg·L-1and 6.25 mg·L-1, respectively during summer，the content of TP was changed smoothly. The average contents of TN and TP were 343.75 mg·L-1and 11.70 mg·L-1, respectively in winter，and TP content varied widely in the different sites, showed spatial heterogeneity in winter. Water quality maintained a high eutrophic level in summer and winter. Chl.a was positively correlated with pH and turbidity(TB)during “water bloom”. In addition，the variation ranges of Chl.a and Dechla. in winter sediment were 3. 21～10.74 μg·g-1and 11.24～19.33 μg·g-1，and their averages were 6.82 μg·g-1and 13.81 μg·g-1, respectively. Average content of TN was 14.35 mg·g-1，it tended to decrease and then increase along the flow direction from HuaYuan road to the DongMing road, the minimum content of TN was 12.66 mg·g-1located in the west of JingSan road bridge (I-2’#). The average content of TP was 6.56 mg·g-1, tended to decrease gradually from upper to downstream river along the flow direction.[Conclusion]The result of the study have some guiding significance for controlling the pollution of algae blooms.

DongFeng River, Eutrophication, Chlorophyll a, Demagnesiumchlorophyll a, Sediment

2017-05-16

2017-08-01

乔辛悦(1991-)，女(汉)，河南郑州人，硕士研究生，研究方向：景观生态

*通信作者：刘文霞，副教授，研究生导师，Tel:13938532926；E-mail: hjxliuwenxia@163.com

国家科技重大专项(2008ZX07526-002-03)

S917.1; X52

A

1671-8151(2017)11-0811-07

(编辑：梁文俊)