2018,
Vol. 27
2. 昆山市渔政监督大队, 苏州 昆山 215300
淀山湖又称薛淀湖(31°04′~31°12′N，120°01′E~120°54′)，是太湖水系众多湖泊中的一个，位于上海市青浦区和江苏省昆山市的交界处[1-2]。淀山湖昆山水域在2014年被列入国家级水产种质资源保护区，主要保护对象是河蚬(Corbicula fluminea)和翘嘴红鲌(Erythroculter ilishaeformis)，总面积为2 000 hm2。淀山湖蓝藻水华会对区域饮用水安全和水生态环境带来重大影响，蓝藻事件的爆发使人们越发关注淀山湖的水质状况[3-5]。近年来，多家研究机构连续对淀山湖上海市水域开展水质监测，结果表明水体总氮、总磷浓度明显超标，属于中度富营养化[6-7]。由于捕捞强度加大、生态环境破坏等原因，淀山湖昆山水域保护区资源数量逐渐下降，种质品质有所退化。而目前针对昆山市淀山湖保护区水域的系统调查研究较少，因此对淀山湖昆山水域的水生态现状进行调查研究，具有重要的现实意义。
本研究以昆山市淀山湖河蚬和翘嘴红鲌国家级水产种质资源保护区(下文简称淀山湖保护区)为研究对象，针对湖泊水体富营养化问题，通过对保护区的核心区和实验区水质进行全年监测、统计，对淀山湖保护区的水质状况进行评估，探讨叶绿素a与环境因子之间的关系，评估保护区初级生产力，以期为昆山市淀山湖保护区的水生态环境保护、种质资源保护提供科学依据。
1 材料和方法 1.1 研究区域概况研究保护区为淀山湖昆山水域(31°08′33.5″~31°11′25.5″N，120°55′28″~121°00′49″E，图 1)。保护区最北部为千灯浦口，最西端为朱沙港，最东端为昆山上海交界处[7]。淀山湖昆山湖区分为两部分，南部敞水区面积1.3万亩，为保护区核心区，此区域为河蚬、翘嘴红鲌的繁殖、生长区域，将作为重点保护地区，全年禁止捕捞；北部湖湾1.7万亩水域为实验区，作为水生植被恢复、贝类增殖等场所[8]。
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图 1 采样点分布图
Fig. 1 Distribution of sampling points
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在2015年3月、5月、8月和11月，对淀山湖保护区进行了4次集中采样，以3月代表冬季，5月代表春季，8月代表夏季，11月代表秋季。在保护区共设置了10个采样点，其中1~6号采样点属于实验区，7~10号采样点属于核心区。按水样采集规范(GB/T 14581—93)，根据湖泊水面的宽度设置采样点，采集0.5 m以上表层水。
1.3 样品分析方法水体理化监测项目为水温(T)、pH、溶解氧(DO)、浊度(Tur)、透明度(SD)、水深(h)、总磷(TP)、溶解性总磷(DTP)、总氮(TN)、氨氮(NH4+-N)、亚硝酸盐氮(NO2--N)、高锰酸盐指数(CODMn)、叶绿素a(Chl.a)共13项。其中：T、pH、DO、Tur采用多参数水质检测仪(HACH-DS5XBASE)进行检测，SD和h分别采用透明度盘和测深仪进行现场检测；TP和DTP采用过硫酸钾氧化法；TN采用碱性过硫酸钾氧化法；NH4+-N采用纳氏试剂法；NO2--N采用紫外分光光度法；CODMn采用酸式滴定法；Chl.a采用丙酮提取分光光度法测定。水质数据按照地表水环境质量标准(GB3838—2002)来进行分析。
1.4 数据分析方法数据采用Excel和SPSS 19.0进行统计分析。初级生产力采用CADEE[9]提出的简化公式进行计算：
式中：CChl.a为初级生产力[mg/(m3·d)]；Ps为表层水中浮游植物的潜在生产力[mg/(m2·h)]；E为真光层深度(m)；D为白昼时间(h)。其中，表层水(1 m以内)中浮游植物的潜在生产力(Ps)根据表层水中叶绿素a含量计算[10]：Ps=CaQ，式中:Ca为表层水中叶绿素a含量(mg/m3)；Q为同化系数[mg/(mg·h)]，本次计算取经验值为3.70 mg/(mg·h)。真光层深度取透明度的3倍[11]；日照时间参考中国统计年鉴2015主要城市日照时数(2014年)。
2 结果与分析 2.1 水质因子时空变化特征淀山湖保护区水体全年营养元素含量见图 2。TP含量范围在0.02~0.34 mg/L之间，DTP含量范围在0.02~0.29 mg/L之间，春季和冬季水体的TP含量达到Ⅲ类水标准，夏季和秋季水体为Ⅲ~Ⅳ类水；TN含量范围为1.01~2.55 mg/L之间，春季和冬季水体的TN含量达到Ⅴ类水标准，夏季和秋季水体为劣Ⅴ类水；NH4+-N含量在0.19~1.32 mg/L之间，绝大多数采样点的水体达到Ⅱ~Ⅲ类水质标准；NO2--N含量在0.05~1.84 mg/L之间，水体自净能力较差。对TN、TP、NH4+-N、NO2--N含量分别进行单因素方差分析，结果表明营养元素含量在实验区(TA)与核心区(CA)无显著差异，而TN(P=0.04)、TP(P=0.02)、NH4+-N(P < 0.01)、NO2--N(P < 0.01)在季节间均有显著差异。
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图 2 淀山湖保护区N、P含量季节变化
Fig. 2 Seasonal variation of N、P in Dianshan Reserve
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CODMn含量范围为2.05~4.10 mg/L，达到Ⅱ类水质标准。高锰酸盐指数(CODMn)作为有机污染指标，当其含量超过4 mg/L时，表明水体受到有机污染[12]。淀山湖水体CODMn均值低于4 mg/L，表明其整体上未受到有机污染。对CODMn含量进行单因素方差分析，结果表明CODMn含量在实验区与核心区及季节间均无显著差异。淀山湖保护区CODMn含量季节变化见图 3。
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图 3 淀山湖保护区CODMn含量季节变化
Fig. 3 Seasonal variation of CODMn in Dianshan Reserve
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OECD富营养化单因子(Chl.a)评价标准规定：Chl.a < 3 mg/m3为贫营养；Chl.a处于3~11 mg/m3之间为中营养；Chl.a处于11~78 mg/m3之间为富营养；Chl.a > 78 mg/m3为严重富营养[13]。淀山湖保护区Chl.a含量范围为6.06~29.37 mg/m3，除冬季水体Chl.a含量为中营养水平，其余季节Chl.a含量均为富营养化水平。对Chl.a含量进行单因素方差分析，结果表明Chl.a含量在实验区与核心区无显著差异，而在季节间有显著差异(P < 0.01)。淀山湖保护区Chl.a含量季节变化见图 4。
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图 4 淀山湖保护区Chl.a含量季节变化
Fig. 4 Seasonal variation of Chl.a content in Dianshan Reserve
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当水体中TN、TP的含量分别达到0.20、0.02 mg/L以上时，水体存在发生富营养化的风险[14]。淀山湖保护区水体各采样点水体TN、TP均大于限值，表明水体中氮磷含量均较适合藻类生长。
氮磷比(N/P)是考察营养盐结构的主要指标，是水体浮游植物营养结构特点的重要反映[15]。若N/P < 7，说明污染物中磷含量相对充足，氮为藻类生长的限制因子；若N/P > 30，说明氮含量相对充足，磷为藻类生长的限制因子；若N/P处于7~30之间时，氮磷含量适合藻类生长[16]。对淀山湖保护区水体进行分析后发现，N/P值范围为5.30~64.66之间，绝大多数在7~30之间，表明淀山湖保护区水体N/P较适宜藻类生长(图 5)。
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图 5 淀山湖保护区氮磷比季节变化
Fig. 5 Seasonal variation of N/P in Dianshan Reserve
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水体的综合营养状态取决于一系列相关因子的综合作用[17]。本文利用卡尔森营养状态指数对保护区水资源进行综合营养状态评价，采用的参数包括Chl.a、CODMn、TN、TP和SD。图 6为淀山湖保护区实验区和核心区水体的综合营养状态指数季节变化。
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图 6 淀山湖保护区综合营养状态指数季节变化
Fig. 6 Seasonal variation of TSIM in Dianshan Reserve
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淀山湖保护区水体综合营养状态指数范围为46.67~60.70，均值为54.87，水体总体上为轻度富营养状态，水质定性评价为良好。综合营养状态指数最大值出现在实验区，最小值出现在核心区，其中实验区均值为56.53，核心区均值为53.21。单因素方差分析结果表明综合营养状态指数在核心区与实验区以及季节间均无显著差异。
2.3 Chl.a与环境因子的相关性分析Chl.a值基本反映了水域浮游植物的现存生物量，其分布特征体现了水体中浮游植物的丰度及其变化规律，而浮游植物的生长又受到多种环境因子的影响和制约[18]。有关Chl.a含量和水质环境因子的关系存在诸多不同的观点，部分研究认为Chl.a含量与氮磷之间是直线相关关系，也有研究指出两者之间呈对数相关关系[19-20]。Chl.a与T、pH、TN、TP的回归分析见图 7-10。
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图 7 Chl.a与T的回归分析
Fig. 7 Regression analysis between chlorophyll-a and water temperature and pH
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图 8 Chl.a与pH的回归分析
Fig. 8 Regression analysis between chlorophyll-aand pH
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图 9 Chl.a与TN的回归分析
Fig. 9 Regression analysis between chlorophyll-a and TN
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图 10 Chl.a与TP的回归分析
Fig. 10 Regression analysis between chlorophyll-a and TP
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由淀山湖水体Chl.a含量和环境因子之间的Pearson相性分析结果(表 1)可知，其Chl.a与T、pH、TN、TP和DTP均呈显著正相关，而与NH4+-N、NO2--N和CODMn无显著相关。
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表 1 Chl.a含量与环境因子的相关系数 Tab.1 Correlation coefficients between chlorophyll-a and environmental factors |
浮游植物光合作用与呼吸代谢速率受到水温T的控制，从而影响Chl.a含量[21]。由图 7可以看出，淀山湖Chl.a含量与水温的相关系数为0.741，呈现显著的正相关关系，这说明一定范围内，随着水温的上升, 浮游植物的生长速度也随之加快。水温是影响藻类光合作用和呼吸代谢的重要因素，适宜的温度可以加快藻细胞内新陈代谢作用，促进浮游植物生长繁殖[22]。淀山湖保护区内水体pH大部分在7.21~9.28之间，水质呈弱碱性。由图 8可知，淀山湖水体Chl.a含量与pH的相关系数为0.592，呈现出显著的正相关关系。pH是Chl.a的被动因子，一般浮游植物生长茂盛的水域，水体pH比较高，这主要由于浮游植物光合作用吸收水中的CO2，放出O2[23]。淀山湖叶绿素a含量与TN、TP均呈极显著相关，相关系数分别为0.501和0.432，表明氮、磷营养盐对淀山湖浮游植物生长有重要影响，水体中氮、磷等无机营养盐是影响浮游植物光合作用的重要因子[24]。
2.4 初级生产力与叶绿素a相关分析初级生产力采用Cadee提出的简化公式进行计算。淀山湖保护区水体初级生产力季节变化见图 11。
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图 11 淀山湖保护区初级生产力季节变化
Fig. 11 Seasonal variation of primary productivity in Dianshan Reserver
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淀山湖保护区水体各位点初级生产力范围为65.18~1423.11 mg/(m3·d)，均值为471.03 mg/(m3·d)。保护区内初级生产力季节差别明显，表现为夏季 > 秋季 > 春季 > 冬季。保护区内，除夏季外，其余三季均为实验区初级生产力高于核心区。对各季节的初级生产力进行单因素方差的分析，结果表明初级生产力在实验区与核心区无显著差异，而在季节间有显著差异(P < 0.01)。
由上述分析可见，淀山湖水域初级生产力时空动态与Chl.a含量时空动态较为一致，故该保护区可应用Chl.a含量评估水域初级生产力水平。研究区域初级生产力表现为夏季明显高于冬季，主要是因为夏季温度最高，光线最为充足，利于浮游植物生长繁殖；秋季和春季虽然温度都低于夏季，但与春季相比，秋季日照时数更长。
3 讨论 3.1 淀山湖水质现状淀山湖是太湖流域典型的过水湖泊，湖内水质受上游来水水质波动的影响很大[25]。淀山湖保护区的氨氮、总氮、总磷浓度明显超标，劣于地表水Ⅲ类水质标准，属于轻度富营养化。与上海市淀山湖水域相比[6]，保护区水域的营养元素含量显著低于上海市淀山湖水域。近年来流域污染物削减力度逐渐加大，淀山湖水况有改善趋势，表现为pH、化学需氧量有所下降，接近或者达到国家地表水Ⅲ类水质标准[26]。但由于上游来水质量较差和功能区的生活生产用水污染，上海市淀山湖湖区的氨氮、总氮、总磷浓度明显超标，属于中度富营养化，水质劣于淀山湖保护区。
调查结果显示实验区与核心区的营养元素含量、综合营养状态指数无显著差异，但核心区水体营养盐、CODMn含量略低于实验区，表明保护区功能区的划分有利于核心区水环境的保护。淀山湖南部敞水区为保护区核心区，此区域作为河蚬、翘嘴红鲌的繁殖、生长区域，为重点保护地区，全年禁止捕捞，故受人为影响较小；水质北部湖湾水域为实验区，除禁渔期(1—3月)外，可以进行渔业生产。
3.2 Chl.a与环境因子关系近年来国内外许多学者对湖泊中Chl.a的分布及其与各种环境因子的相关性开展了深入的研究[27-28]。水温是影响Chl.a含量的关键因子，淀山湖年平均水温为17.7 ℃，5—10月基本在20 ℃以上，而藻类生长的适宜水温为20~30 ℃，故淀山湖水温较适宜藻类生长。张浏等[29]研究认为藻类生长的适宜pH为7-9，淀山湖水体pH范围为7.21~9.28，故淀山湖水体为藻类生长提供了良好的环境。Chl.a与DO、CODMn的相关性不显著，这与王震等[19]的研究结果一致，表明淀山湖DO、CODMn只是Chl.a变化的被动因子。
关于Chl.a与氮磷营养盐之间是直线相关还是对数直线相关，目前结论不一[19, 30-31]。本文的结果显示Chl.a与氮磷之间是直线相关关系(P < 0.05)。CHATTERJEE[13]对营养盐因子和Chl.a动态变化的相互关系进行了大量研究，结果表明水体磷为唯一主导因子的占80%，氮为主导因子的占11%，其余9%的水体为氮和磷共同起作用。许多学者[25, 30, 32]认为氮磷比与藻类的生长有更直接的关系，淀山湖保护区N/P值范围绝大多数在7~30之间，表明淀山湖保护区氮、磷均未成为藻类生长的限制性因子，水体中氮、磷的含量适宜藻类的生长，这也与淀山湖保护区Chl.a与TN、TP显著正相关的结论相印证。
3.3 初级生产力汪益嫔等[33]通过改进的黑白瓶法对淀山湖初级生产力进行评估，结果表明淀山湖全年平均初级生产力变化范围为0.48~1.53 g/(m3·d), 与本文调查结果较为一致，说明用Chl.a含量估算初级生产力具有可行性。淀山湖保护区初级生产力的季节差别较大，表现为夏季初级生产力最高，秋季次之，春冬季节较低，与张运林[34]对太湖研究所得结果的变化规律一致。初级生产力是浮游植物通过光合作用生产有机物的速度，与浮游植物现存量Chl.a以及光合作用速率有关。目前，大水面水体中有关初级生产力和Chl.a之间的研究已有过很多[35-36]。由浮游植物所反映的初级生产力的季节变化主要取决于水温，对富营养型水体来说，温度和浮游植物生产量之间一般为正相关关系，即夏高冬低。赵文等[37]认为水温通过影响浮游植物光合作用的酶促反应，呼吸作用强度控制浮游植物产量。卢子园等[38]和汪益嫔等[33]对于淀山湖上海水域初级生产力和温度之间的正相关关系已有过相应阐述。
近年来，人们开始利用水生动物的“下行效应”来治理富营养化湖泊，通过合理的鲢、鳙放流减少水体氮磷含量[39]。由于本次调查还存在着一些不足之处，关于淀山湖保护区水体营养元素含量、初级生产力和鲢鳙放流之间的关系，还有待于进一步研究。为了更好发挥保护区的各项生态功能，建议建立长期科学的水生态环境监测机制，为下一步研究提供有效的基础数据。
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2. Fishery Supervision Brigade of Kunshan, Suzhou, Kunshan 215300, Jiangsu, China