第三章 水庫中各生物相及其關聯性之調查與分析
3.3 水庫水質理化資料之調查與水質優養化評估 .1 水庫水質理化資料之調查
3.3 水庫水質理化資料之調查與水質優養化評估 3.3.1 水庫水質理化資料之調查
環境是指生物所在的空間中，與其有直接或是間接關係一切事物，包括了無 生命的物質環境以及生物間的互動關係。無生命的環境包括了氣候、土壤、地形 等。生物之間的關係則包括了捕食、競爭及各種共生關係。生態系統中各種生物 之間的食物關係往往很複雜。
例如一個水生生態系統，其中有許多種類的水生動物、植物和微生物，浮游 動物以浮游植物為食，魚類以浮游植物和浮游動物為食，魚類和其它水生生物死 亡後，在微生物參與下被分解成二氧化碳、氮、磷等基本物質，而這些物質又是 水中浮游植物的基本營養物，微生物在分解過程中要消耗水中的氧，被消耗的氧 由浮游植物通過光合作用所產生的氧來補充。水中各種生物與環境，生物與生物
之間相互聯繫、相互制約，構成了一個處於相對穩定狀態的水生生態系統。
生物與其生存環境以及生物與生物之間相互作用，彼此通過物質循環、能量 流動和信息交換，形成的一個不可分割的自然整體。因此當生態系統任一階層受 到影響時將會使整個系統受到改變。在此先著重介紹環境中理化因子如何影響初 級生產者(藻類)。
z 溫度
溫度是影響生物體內代謝速率的重要因子，尤其是催化生化反應的酶受溫度 的影響最大。當溫度降低時，會減緩化學反應以及酶的催化能力，使生物代謝速 率減緩甚至導致生理系統失調而致死。而溫度過高的情況下，可能會破壞酶的活 性，結果仍可能導致生物死亡。生物所能夠適應的溫度範圍有限，因此生物的分 布會受到環境的溫度所限制。大部分發生在細胞內的生化反應速率都和溫度有 關，且隨著溫度成指數增加至最大值，適合的溫度範圍通常在 25~40℃之間 (Harper, 1992)。多數藻類最適生長的溫度範圍在 20~25℃之間，但隨藻類而不 同，藍綠藻的最適生長範圍可能高於 30℃ (Kratz and Myers, 1995)。
z 光線
水體下光線的質與量都會隨水質與深度發生改變。光在某些波段容易先被水 吸收，致使水下光線的波長組成會隨著深度而改變，此外水的化學性質也會影響 水下光線的波長組成(Oliver and Ganf, 1988)。
不同的藻種對光線的適應能力並不相同。例如適應於較強光線的種類具有 抵抗強光傷害(photodamage)的機制，代表性的藻類如椎囊藻(Dinobryon)或角甲 藻(Ceratium)；適應於較弱光線的種類相較於前者，較喜歡光線，但是即使是短 時間的暴露亦對強光敏感，代表性的藻類如藍綠藻。而綠藻與矽藻對光線的適應 性介於這兩個極端之間(Mur and Schreurs, 1995)。
z 水體混合對藻類之影響
造成水庫水體混合現象有兩主要途徑，表面風力作用及水體上下層溫差造成 的混和作用。水體運動會影響水中藻類生長，不同的藻類對於水擾動的忍受力不 同(Fogg, 1991; Willen, 1991)。水體的穩定性對於浮游藻類生存的影響甚鉅，水 體混合會改變營養鹽的分布、能將藻類帶到不同的深度，因此改變其週遭的光線
第三章 水庫中各生物相及其關聯性 之調查與分析
常用混和深度Zm與水生光化層深度(euphotic zone)Zeu的比值來表達水體 的穩定性。混合深度Zm是根據熱分層(thermocline)來估計的，即epilimnion的深 度；而Zeu是根據水表光線穿透水體達到 1%時的深度。
藻類細胞在Zm的範圍內循環混合，而在Zeu的範圍內才具有足夠的光線生 存。Zm小於Zeu時，混和機制不影響藻類利用光線，但不利於沉降速率較大的藻 類，例如矽藻；Zm大於Zeu時，藻類會有一段時間離開有光的區域，可能會使得 原本在光線條件佳時優勢的藻種，被能夠適應弱光的藻種取代(Harper, 1992)。
有些研究利用該比值的倒數Zeu/Zm作為平均水下光線(average underwater light climate)的指標，並由此探討藻類分布與水下光線的關係。Mur and Schreurs(1995) 研 究 兩 深 度 不 同 的 淺 水 湖 泊 的 結 果 發 現 顫 藻 (Oscillatoria) 在 Zeu/Zm比值大於 0.4 時會從淺水區(epilimnion)消失；而比值大於 1.2 時會從中水 區(metalimnion)消失。
藻類的沉降速率隨著藻種而不同，本身的沉降速率和水體的穩定性兩者共同 影響藻類的沉降行為。格平板藻(Tabellaria fenestrata 矽藻的一種)的沉降速率較 高，但生長速率較高，而隱球藻(Anabaena planktonica 藍綠藻的一種)的沉降速率 較低，但生長速率較低，在夏天水體分層較佳、不利混合時，Tabellaria 的數量 便減少，而被 Anabaena 取代(Knoechel and Kalff, 1975)。
z 營養鹽濃度
雖然大氣中的二氧化碳含量不多，但二氧化碳易溶於水，故碳源很少成為藻 類的限制因子。Rhee(1978)發現 Scenedesmus sp.的生長速率由氮限制變成磷限制 的細胞氮磷莫耳比為 30：1 (換算成質量比約為 14：1)。他由此歸納，對同一種 藻類的生長，氮、磷不會同時都為限制因子，細胞內氮磷莫耳比決定限制因子轉 換的分界，而這個分界可能隨著種類不同而異。亦有以環境中營養鹽作為生長限 制因子的研究，例如 Schindler(1978)引述自 1974 年 Chiandani 與 Vighi 的研 究指出，若磷為限制因子，環境中的氮磷質量比需在 10：1 以上，而若在 5：1 以下，則氮為限制因子。
若以數學形式來描述藻類生長受到營養鹽濃度的限制，並用來預測生長速 率，大多數的研究都採用 Michaelis‐Menten 模式，因其能適用大部分的情況
(Tilman, 1981)。Michaelis‐ Menten 模式如下： (μg/mL)、細胞體積(μm3/mL)、生物碳量(μg/mL)或者葉綠素a(μg/L)；μ為比生 長速率(day‐1)；μmax為最大比生長速率(day‐1)；S為藻類生長所需的營養鹽濃度 (μg/mL)；KS為半飽和常數，單位與營養鹽濃度一致。
Droop(1973)認為在達到穩態的系統中，藻類對營養鹽的攝取速率和外界濃 度有關，而生長速率和細胞內營養鹽含量有關。在穩態實驗條件下藻類的生長速 率可以用 Monod 模式來描述，並以最大生長速率、半飽和常數及生長係數(yield) 等生理參數來預測種間競爭的結果(Sommer, 1985)。
z 水質是否優養化的測量法
(資料來源 http://www.kmnp.gov.tw/Research_P/Research/manage_cline/k6.asp，林幸 助，野外監測湖泊優養化操作項目。)
第三章 水庫中各生物相及其關聯性 之調查與分析
藉由野外用水中溶氧電極，測量湖泊底層水的溶氧量，參酌同一環境湖泊氧 之飽合濃度，計算底層水氧飽合度。若飽合度> 50%，此湖泊處於貧養狀態，若 飽合度< 10%或趨於 0%，此湖泊已處於優養狀態。
(5) 表層水與底層水之比例
測量溫度隨湖泊深度變化之曲線，判斷表層水與底層水之體積，計算表層水 與底層水之比例。若此比例< 1，表示底層水較多，底層水之溶氧量應足夠供應 分解在表層水產生的有機質所需之耗氧。若此比例>1，表示底層水較少，其溶氧 量可能不足以供應分解有機質所需之耗氧，而導致下層水缺氧，此為湖泊優養化 最主要症狀之一。
(6) 溶氧隨水深變化之曲線
藉由野外用水中溶氧電極，測量湖泊水中溶氧隨深度變化之曲線。若此湖泊 處於貧養狀態，此溶氧變化之曲線會呈緩降趨勢。若此湖泊已處於優養狀態，溶 氧變化的曲線會呈急降趨勢，甚至在甚淺處即趨近於無氧狀態。
(7) 湖泊底土顏色
若此湖泊處於貧養狀態，底層水之溶氧高，處於氧化環境，底土呈現黃色。若此 湖泊已處於優養狀態，底層水之溶氧低至缺氧狀態，底土會因處於還原狀態 而呈現黑色。
3.3.2 水質優養化評估
依據水質採樣分析資料，可使用適當的指標來評估水質的優劣或優養化的程 度，而湖泊水庫中之生物與藻類相變化是湖泊水域優養化之重要標誌之一，典型 之貧養與優養湖泊水庫其生物特性上之差異如表 3‐2 所示。
因此，除了水中的污染物濃度可以作為水質之指標外，水體中生物之種類及 其數量等均可作為評估湖泊水域優養狀態之參考。目前國內已採用的方法包括 (1)卡爾森(Carlson)優養指數(物理化學指標)；(2)歧異度(diversity)指數評估法；
(3)腐水度指標法評估法及；(4)優勢種評估法；(5)藻類優養指數評估法等五種評 估方法，其方法簡介如后。
表 3‐2 典型貧養與優養湖泊生物特徵之差異（中國大陸全國主要湖泊、
CTSI<40 為貧養；40<CTSI<50 為中養；CTSI>50 為優養水質。
由於卡爾森優養指數評估法所用之參數易受季節的影響，而有明顯的變動。
第三章 水庫中各生物相及其關聯性
(B)McIntosh 氏歧異度指數
2
Shannon 歧異度指數(H) 及 McIntosh 歧異度指數(MCI)，可求其平均綜合 值，以作為水質指數(QI)，如下式。
(3)腐水度指標法
應用藻類群落中之指標藻種作為水質指標﹐依腐水指標系統(Saprobien System)，由各指標種之權重、指標值及其出現之頻度， 計算腐水度指數 (Saprobic Index, S)，其計算如前 3.2.1 節所述。
腐水指標系統所反映的是水中進行的腐化分解反應的程度，指標值愈高，表 示有機污染程度愈高，腐化分解反應愈劇烈。雖然腐化分解的程度並非就是水質 優養化的程度，不過由於一般湖泊水庫多數承受有機污染，因此可以從腐水指標 反映出水質優養化狀況。
(4)優勢種評估法
因不同營養狀態之水域，其優勢藻種亦有所差異，一般而言，貧養湖泊中的 浮游生物以金褐藻(Chrysophyta)為主，中養型湖泊是以矽藻(Bacillariophyta) 為主，優養型湖泊則以綠藻(Chlorophyta)與藍綠菌(Cyanobacteria，即藍綠藻) 為主。不同營養狀態之水域與浮游植物優勢種之關係如表 3‐3 所示。利用藻類鑑 定與計數的結果，判定各月優勢種之種類，並依據日本水產資源保護協會(1980) 之判定標準，評估水質優養化程度。
此指標法可快速評估水質狀況，但是僅係參考性，因藻種的出現有地區性，
要應用此指標法前，最好能先對該地區水域之藻類相有初步的了解，才不會造成 誤判。
表 3‐3 湖泊優養狀態與浮游植物中優勢種之關係
（日本水產資源保護協會，1980）