Journal of Water Resources Research 水资源研究, 2013, 2, 352-357 http://dx.doi.org/10.12677/jwrr.2013.26049 Published Online December 2013 (http://www.hanspub.org/journal/jwrr.html) Eutrophication Status of Artificial Lakes in a Small Coastal Watershed in Pearl River Delta* Yujiu Xiong1,2#, Zhi Wang3 1Department of Water Resources and Environment, School of Geography and Planning, Sun Yat-sen University, Guangzhou 2Key Laboratory of Water cycle and water security in Southern China of Guangdong High Education Institute, Guangzhou 3Sanya Urban Planning Department, Sanya Email: #xiongyuj@mail.sysu.edu.cn Received: Sep. 30th, 2013; revised: Nov. 20th, 2013; accepted: Nov. 26th, 2013 Abstract: Water samples were analyzed for a small coastal watershed in Sun Yat-sen University (Zhuhai) from March to July. Based on the results of total nitrogen (TN), total phosphor (TP), phytoplankton and chlorophyll a, eutrophication status were evaluated. The results showed that: 1) the comprehensive trophic level indexes of upper watershed were less than 40, which suggested the water was meso-eutrophic. The in- dexes of lower watershed were more than 50, which suggested the water was eutrophic; 2) TN concentration was 2.96 - 11.51 mg/L and TP concentration was 0.13 - 0.67 mg/L in artificial lakes in the lower watershed, which exceeded 0.7 mg/L and 0.05 mg/L respectively, the thresholds of lake eutrophication; 3) the abundance of phytoplankton in the artificial lakes was 1.09 × 106 - 4.58 × 106 cells/L, which is higher than 106 cells/L, the threshold of eutrophication occurring; 4) the chlorophyll a concentration in the artificial lakes was 65 - 505.23 μg/L. Keywords: Eutrophication; Comprehensive Trophic Level Index; Phytoplankton; Artificial Lake; Zhuhai 珠江三角洲滨海小流域人工景观湖富营养化评价* 熊育久 1,2#,王 志3 1中山大学地理科学与规划学院水资源与环境系,广州 2中山大学华南地区水循环与水安全广东省普通高校重点实验室,广州 3三亚市规划局,三亚 Email: #xiongyuj@mail.sysu.edu.cn 收稿日期:2013 年9月30 日;修回日期:2013 年11 月20 日;录用日期:2013 年11月26 日 摘 要:在2009 年3~7 月间,通过对中山大学珠海校区滨海小流域上游河流、下游人工景观湖不同 监测样点进行取样分析,根据营养盐、藻类与叶绿素 a等指标评价该流域水体的富养化状态,结果表 明:1) 上游河流采样点的综合营养状态指数(TLI)均小于 40,水体仅处于中营养状态,富营养化的风 险小,下游人工景观湖的TLI 在50~96 之间,均已进入轻度富营养状态甚至重度富营养状态;2) 下游 人工景观湖中总氮(TN)浓度在 2.96~11.51 mg/L 之间,总磷(TP)浓度在 0.13~0.67 mg/L 之间,均超过湖 泊富营养化发生的初始值(TN 为0.7 mg/L,TP 为0.05 mg/L);3) 人工景观湖浮游藻类丰度介于 1.09 × 106~4.58 × 106个/L 之间,大于湖库富营养化发生时的阈值 106个/L,且浮游藻类以蓝藻、绿藻为主; 4) 人工景观湖中叶绿素 a浓度在65~505.23 μg/L 之间。 关键词:富营养化;综合营养状态指数;浮游藻类;人工景观湖;珠海 *基金项目:高校基本科研业务费中山大学青年教师培育项目(12lgpy49)。 作者简介:熊育久(1982 年-),男,博士/讲师,主要研究方向:水文水资源评价。 #通讯作者。 Open Access 352 熊育久,王志:珠江三角洲滨海小流域人工景观湖富营养化评价 Open Access 第2卷 · 第6期 353 1. 研究背景 富营养化是水体接纳过量的氮、磷等营养性物 质,使藻类以及其它水生生物异常繁殖,造成水体透 明度、溶解氧下降、水质恶化的过程,导致水生生态 系统及其功能受到阻碍和破坏[1]。自然条件下,水体 从贫营养到富营养化的过程要经过几千年或更长时 间,但由于人类不合理的活动(使用大量含氮、磷的肥 料、任意排放生活污水等),加速了富营养化的进程, 可以使水体在几年内出现富营养化现象。 注:图中红虚线为采样点所处的断面位置,红实线为流域边界。 Figure 1. Location of the study area and the sample sites 城市人工景观湖,是城市景观的重要组成部分, 美化环境、改善局部小气候。然而,城市景观湖大部 分封闭性强、水体流动性差,富养化发生的几率大, 是城市景观水体的主要环境问题[2-5]。尤其是随着城市 化进程的增加,大量生活污水进入景观湖,造成水质 急剧下降、富养化程度高[6]。珠江三角洲地区城市化 进程迅速,城市景观湖水体富营养化研究相对较少。 本文以中山大学珠海校区滨海小流域为研究区,分别 在2009 年3~7 月间取样,对该流域内人工景观湖的 富养化状态进行评价,为城市景观湖水体富养化预防 与水质管理提供科学依据。 图1. 研究区域及监测点示意图 2009 年3~7月,每月进行现场采样,具体采样时 间为:3月8日、4月12 日、5月5日、6月2日、7 月10 日,采样时间在10:00~12:00 AM。距水面 0.5 m 处采 1 L水样 3次,分别加入鲁哥试液(检测浮游植 物)、硫酸(检测总氮 TN 、总磷 TP、高锰酸钾指数 CODMn)、碳酸镁溶液(检测 Chla)固定,当天运回中山 大学地理科学与规划学院的实验室分析。现场测定水 温(温度计)、PH 值(酸碱试纸)、透明度 SD(圆盘法)。 浮游植物检测采取虹吸法浓缩,用 0.1 mL 的浮游 生物计数框进行藻类定量镜检[7]。浮游植物种类鉴定 主要参照《中国淡水藻类-系统、分类及生态》[8]。叶 绿素 a的测定采用分光光度法,水样经丙酮充分萃取 后离心定容,用751 型分光光度计分别测量酸化前后 上清液在665 nm 和750 nm 处的吸光值,再计算叶绿 素a含量[9,10]。其它水质指标检测方法见表 1。 2. 材料与方法 2.1. 小流域概况 研究区位于广东省珠海市中山大学珠海校区内, 小流域三面环山,流域从上游补给区至下游排泄区距 离约为 4 km,集雨面积约为5 km2。流域上游为丘陵 区,下游地势平坦,为学校教学生活区,该区有 4个 人工景观湖,本次研究关注其中两个,由北向南分别 为岁月湖、隐湖(见图1),各湖之间由输水管相连。 以上各检测指标每次读数或实验3次,取其平均 值作为最终检测结果。 2.3. 富营养化评价方法 本文采用综合营养状态指数(TLI)评价研究区富 营养化,其原理是选取叶绿素 a为基准因子,TLI (Chl-a)为基准状态指数,将 TP、TN、SD、CODMn 的 营养状态指数同TLI (Chl-a)加权后累加。若 TLI (∑) < 30,水体为贫营养型;TLI 在30~50 之间为中营养型; TLI > 50,为富营养型。综合营养状态指数计算方法 见公式(1-2)[11]: 研究区属亚热带海洋性气候,年平均气温 22.3℃, 最低气温2.5℃。年降雨量为1770~2300 毫米,4月至 9月盛行东南季风,为雨季,降水量占全年的 85%; 10 月至次年 3月盛行东北季风,为旱季。 2.2. 样品采集与处理方法 监测点共 6个,1、2号采样点分别设在上游河流 断面,3号采样点设在下游人工景观 湖(岁月湖)出水 口,4、5、6分别设在下游人工景观湖(隐湖)的污水进 水处、湖中部和出水口(见图1)。 1 m j j TLIWTLI j (1) ln( )TLI jABj (2) 熊育久,王志:珠江三角洲滨海小流域人工景观湖富营养化评价 第2卷 · 第6期 Table 1. Methods to detect water quality indexes 表1. 水质指标检测方法 检测项目 检测方法 最低检出限 (mg/L) TN 碱性过硫酸钾消解紫外分光光 (GB11894-89) 0.05 TP 氯化亚锡分光光度法 (GB11893-89) 0.01 CODMn 高锰酸盐指数法(GB11892-82) 0.50 式中:TLI 为综合营养状态指数;TLI(j)为第 j种参数 的营养状态指数,Wj为第 j种参数的营养状态指数的 相关权重;m为评价参数的个数;A、B为系数[11](见 表2)。 研究中采用科学制图与数据分析软件 OriginPro 8.5。 3. 结果与分析 3.1. 营养盐 1) 总氮(TN) 从上游的 1号采样点到下游的 6号采样点,TN 浓度大致呈增加的趋势,在 0.81~11.51 mg/L之间波 动,(见图 2)。按照湖泊营养类型标准[11],各监测点 水体 TN 浓度均已超过富养化发生的阈值(0.70 mg/L), 大部分检查结果均高于重度富养化状态TN浓度临界 值1.30 mg/L。各采样点 TN 浓度均值从大到小排序为: S4 > S6 > S5 > S3 > S2 > S1。从流域上游到下游水体 受TN污染的程度逐渐增加。 2) 总磷(TP) TP 浓度变化规律比 TN明显,从1号采样点到 6 号采样点,5次采样检测的 TP浓度均呈相似的增加趋 势(见图 3)。上游 1、2号采样点的TP浓度在5次采 样期间变化不大,主要在 0.01~0.05 mg/L 之间,但从 下游 3号采样点开始,呈明显的爬升状态,TP 浓度在 0.13~0.67 mg/L 之间变化。根据湖泊营养类型标准[11], 上游 1、2号监测点水体 TP浓度仅达到中营养状态, 下游 4个监测点 TP 浓度均已超过富养化发生的阈值 (0.05 mg/L),大部分检测结果均高于重度富养化状态 TP 浓度临界值 0.09 mg/L。各采样点 TP浓度均值从 大到小排序为:S5 > S4 > S6 > S3 > S2 > S1。从流域 上游到下游水体受TP 污染的程度逐渐增加。 Table 2. The value of A, B and W for Chl-a and other parameters of lakes/reservoirs in China [11] 表2. 中国湖库营养状态指数权重与 A、B系数[11] 指标 系数 SD COD TN TP Chl-a W 0.1834 0.1834 0.1790 0.1879 0.2663 A 15.18 1.09 54.53 94.36 25 B −19.4 26.61 16.94 16.24 10.86 Figure 2. The concentration of total nitrogen for each sample site1 图2. 各采样点 TN 浓度 1 Figure 3. The concentration of total phosphor for each sample site 图3. 各采样点 TP 浓度 3.2. 浮游藻类丰度与优势种 上游 1、2号采样点浮游藻类丰度相对较低,介 于0.21 × 104~45.75 × 104个/L 。下游3、4、5、6号采 样点浮游藻类丰度在 1.09 × 106~4.20 × 106个/L(见图 4),均大于湖库富营养化时浮游藻类丰度的阈值106 个/L(除3号采样点在 7月的丰度低),表明在监测期 间各景观湖的浮游藻类数量处在很高的水平。就浮游 藻类平均丰度而言,S6 > S5 > S4 > S3 > S2 > S1。在 空间上同样是流域下游的浮游藻类丰度高于上游,与 TN、TP 的空间变化一致。 17月份采样数据中,有4个采样点的检测结果小于 TN 的最低检出 限0.05 mg/L,不采纳该组实验结果。 Open Access 354 熊育久,王志:珠江三角洲滨海小流域人工景观湖富营养化评价 第2卷 · 第6期 Figure 4. The abundance of algae for each sample site 图4. 各采样点浮游藻类丰度 在监测期间,主要检出浮游藻类4门22 属,分 别为绿藻门、蓝藻门、硅藻门、甲藻门。其中:蓝藻 门6属,占 27.3 %;绿藻门 11属,占 50%;硅藻门3 属,占 13.6%;甲藻门 2属,占 9.1%(见图 5(a))。研 究表明,硅藻、蓝藻、绿藻是水体富营养化的指示生 物(当丰度大于 106个/L 时),尤其是蓝藻和绿藻,代 表水体富养化程度非常高,已进入轻度富营养甚至重 度富营养状态;甲藻表明水体富营养化程度处于中营 养状态[12]。 对各采样点检出的浮游藻类种数而言,S3 > S5 > S6 > S4 > S2 > S1。其中:上游 1、2号点浮游藻类种 数较其它点少;下游 3号采样点种类最多,蓝藻与绿 藻的种类也最多;4、5号采样点蓝藻种类一样,但 5 号点的绿藻种类略比 4号点多;6号采样点绿藻种类 与3号点一样多,但其蓝藻种类较 3、4、5号点少。 藻类种数在各采样点的多寡,从某种程度上也反映了 从上游到下游水体富营养化的程度逐渐严重。 3.3. 叶绿素 a (Chl-a)浓度 叶绿素 a是反映水体中浮游藻类生物量的一个综 合指标。各采样点叶绿素 a的浓度变化较大,在 0.36~505.23 μg/L 之间。1、2、3号采样点叶绿素a浓 度在 0.82~14.20 μg/L 之间(3号点3月份的检测结果除 外)(见图 6)。按照金相灿的研究成果[6],其水质尚可 达到 III 类;下游 4、5、6号采样点叶绿素 a浓度在 65~505.23 μg/L 之间(6号点 4月份的检测结果及 6月 份结果除外),其水质均为V类,已处于轻度富营养 或重度富营养的阶段,只能满足一般景观用水要求。 就叶绿素a平均浓度而言,S4 > S5 > S6 > S3 > S2 > S1。 (a) (b) Figure 5. (a) Dominant algae and its ratio; (b) Dominant algae for each sample site 图5. (a) 浮游藻类优势种及其比例;(b) 各采样点浮游藻类优势类 群 Figure 6. The concentration of chlorophyll a for each sample site 图6. 各采样点 Chl-a 浓度 3.4. 综合营养状态指数 各采样点综合营养状态指数(TLI) 在23~96 之间 变化(见图 7)。就 TLI 平均值而言,上游1、2号采样 点仅处于中营养状态(S2 > S1),水质相对较好,富营 养化的风险小;下游 3、4、5、6号采样点已进入富 营养状态,3号点富养化程度较轻,其它三处均达到 重度富营养(S5 > S4 > S6 > S3)。与前面单指标判断结 果基本一致,即流域下游富养化严重。 在本次研究中,由于 6、7月份分别出现一组实 验数据异常现象,被剔除,导致其TLI 结果偏小。6 月份的透明度观测原始数据因2个采样点数据缺测, 在计算 TLI 时未参与运算,若假定各采样点的水质好 (透明度均为30 cm),则需在现有TLI 运算结果上加 14 (0.1834 × [51.18 − 19.41 × ln0.3]);7月份 TN 的检 测结果有 4个值出现异常,小于检测方法的最低检出 限,在计算 TLI 时未采用TN,若按所有检测 TN 浓 度的最小值 0.81 mg/L计算,则需在现有TLI 运算结 果上加 9 (0.1790 × [54.53 + 16.94 × ln0.81])。根据以上 假设,新的 TLI结果对上游 1、2号采样点影响不 Open Access 355 熊育久,王志:珠江三角洲滨海小流域人工景观湖富营养化评价 第2卷 · 第6期 Figure 7. Evaluation results of eutrophication for each sample site 图7. 各采样点富营养化评价结果 大,但下游 3、4、5、6号采样点的富养化程度会有 不同程度的增加,尤其是处于流域末端的4、5、6号 采样点。 从图 1可见,上游 1号采样点周边植被覆盖良好, 人为活动痕迹很小;2号采样点周边虽有少数果园、 农田分布,但其上游人为活动痕迹小;3号采样点处 于景观湖(岁月湖)出水口,北面中山大学学生宿舍生 活区、西面是食堂餐厅,受人为影响较大;4、5、6 号采样点均位于岁月湖下游的隐湖,水质不仅受其上 游岁月湖的影响,还受西北面运动场(草地施肥)、东 面教学楼(生活污水、垃圾等)影响。 综上所述,小流域上游水质尚好,未发生富营养 化。随着河流进入中山大学生活区,生活污水排入及 其它不合理的人为活动,导致下游的人工景观湖水质 恶化,已呈现轻度至重度富营养化状态。 4. 结论 1) 营养盐在空间上变化明显,均呈现上游低、下 游高的趋势。各采样点TN 浓度在 0.81~11.51 mg/L 之 间;上游 1、2号采样点 TP 浓度主要在 0.01~0.05 mg/L 之间,下游 3、4、5、6号采样点的在 0.13~0.67 mg/L 之间。 2) 浮游藻类丰度在空间上变化明显,均呈现上游 低、下游高的趋势。上游 1、2号采样点浮游藻类丰 度介于 0.21 × 104~45.75 × 104个/L,下游 3、4、5、6 号的在 1.09 × 106~4.20 × 106个/L 之间。浮游藻类以绿 藻、蓝藻为主,分别站检出种群的50%、27.3%。 3) 叶绿素 a在空间上变化与浮游藻类丰度大致 相似。1、2、3号采样点叶绿素a浓度在 0.82~14.20 μg/L 之间,下游 4、5、6号采样点的在 65~505.23 μg/L之 间。 4) 综合营养状态指数(TLI)在23~96 之间变化, 上游 1、2号采样点仅处于中营养状态(S2 > S1);下 游 3、4、5、6号采样点已进入富营养状态,3号点富养 化程度较轻,其它三处均达到重度富营养(S5 > S4 > S6 > S3)。 5) 在中山大学珠海校区滨海小流域,上游河流水 质尚好,富养化风险小,下游人工景观湖已出现富养 化现象,流域最下游的隐湖水体进入重度富养化状 态。 5. 致谢 感谢中山大学地理科学与规划学院实验中心提 供实验支持;感谢第十一届中国水论坛推荐。 参考文献 (References) [1] OECD. 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