嘉陵江出口段硅藻水華發(fā)生規(guī)律

王 敏，張 智，郭蔚華，曾曉嵐，袁紹春

重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室，重慶 400045

嘉陵江出口段硅藻水華發(fā)生規(guī)律

王 敏，張 智*，郭蔚華，曾曉嵐，袁紹春

重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室，重慶 400045

嘉陵江是三峽庫區(qū)最大支流，是重慶主城區(qū)重要的飲用水源，其主城段硅藻水華的發(fā)生預(yù)示著水質(zhì)下降.2005年8月—2008年3月連續(xù)對嘉陵江出口段水體水華硅藻密度進行監(jiān)測并對數(shù)據(jù)進行分析.結(jié)果表明:水華優(yōu)勢藻種為星肋小環(huán)藻(原變種)(Cyclotella asterocoststs)，于每年的冬、春之交(1—3月)發(fā)生，生長速度快，發(fā)生數(shù)量有明顯峰值并在總藻比例中絕對占優(yōu)(0.02＜優(yōu)勢度＜0.28)，4月以后水華現(xiàn)象消失直至次年同期再次發(fā)生，具有明顯的年規(guī)律性.水華發(fā)生時，污染物含量較高的磁器口右岸與朝天門右岸2個采樣點的水華現(xiàn)象嚴重，尤其在2008年3月，磁器口右岸小環(huán)藻密度達到269×104L-1，占同期總藻密度的92%.較短的生活世代(5～7 d)使小環(huán)藻在適宜的生境中迅速增殖并在短期內(nèi)迅速成為嘉陵江出口段富營養(yǎng)化敏感水體水華的優(yōu)勢藻種.

小環(huán)藻;水華;富營養(yǎng)化;發(fā)生規(guī)律

Abstract:Jialing River is the largest tributary of the Three Gorges Reservoir Area and an important water resource of Chongqing urban area.Diatom density in the confluence section of the Jialing River to the Yangtze River was continuously investigated from August 2005 to March 2008 in order to study the occurrence regularity of Diatom bloom，which can be regarded as a sign of water quality deterioration.The results indicated thatCyclotella asterocoststswas the dominant algae species(0.02＜Y＜0.28)，which annually proliferated quickly and led to water blooms accompanied by conspicuous peaks of algae density at the turn of winter into spring(from late January to early March)，while disappearing after every April.The water bloom was particularly serious in Ciqikou and Chaotianmen，which had higher contents of pollutants.The quantity ofCyclotella asterocoststsreached 269×104L-1and accounted for 92%of all algae in the right bank of Ciqikou，especially in March 2008.Due to the short generation time(5-7 d)，Cyclotella asterocoststsis able to proliferate rapidly and become the dominant species in the confluence section of Jialing River if given suitable biotope.

Keywords:Cyclotella asterocoststs;water bloom;eutrophication;occurrence regularity

自1992年春季漢江發(fā)生硅藻水華以來，三峽 庫區(qū)也多次發(fā)現(xiàn)次級河流富營養(yǎng)化現(xiàn)象［1-3］. 2005年冬春之交，首次在嘉陵江出口段富營養(yǎng)化敏感水體［4］中發(fā)現(xiàn)以硅藻為優(yōu)勢藻種的水華現(xiàn)象［5］.短短一個多月時間朝天門右岸水華優(yōu)勢藻密度從0.175×104L-1迅速增至 95.6×104L-1，總藻密度達到147.0×104L-1，超過湖泊富營養(yǎng)化標準中浮游藻類密度≥100×104L-1的指標［6］.庫區(qū)每年枯水期進行蓄水，嘉陵江出口段地處兩江交匯回水變動區(qū)，蓄水時長江水位高于嘉陵江，呈現(xiàn)明顯托頂現(xiàn)象，形成半封閉型緩流水體.嘉陵江水流變緩，流速降低，泥沙下沉，水體透明度增加，河流型水庫向湖泊型水庫的轉(zhuǎn)變加劇，水體自凈能力較差，充足的營養(yǎng)鹽更有利于藻類繁殖.國內(nèi)外對湖泊、水庫常見藍藻的水華［7-9］及其毒性研究［10］較多，對江河硅藻水華研究則明顯滯后［11-14］.嘉陵江是重慶主城區(qū)重要飲用水源，藻類水華現(xiàn)象的發(fā)生勢必增加飲用取水的風(fēng)險［15］.為認識嘉陵江硅藻水華規(guī)律，保護水環(huán)境，降低飲用取水風(fēng)險，從2005年8月起對嘉陵江出口段硅藻水華規(guī)律進行了3年的現(xiàn)場調(diào)查，探尋其發(fā)生規(guī)律，并為進一步研究其水華暴發(fā)機理提供數(shù)據(jù)支持.

1 材料與方法

1.1 樣品的采集與處理

采樣點布置原則:①監(jiān)測斷面在總體和宏觀上能反映水系或區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量狀況;②各斷面的具體位置能反映所在區(qū)域環(huán)境的污染特性;③盡可能以最少的斷面獲取足夠代表性的環(huán)境信息;④考慮實際采樣時的準確性和可行性.

采樣點布置:在嘉陵江出口段富營養(yǎng)化敏感水體流速在 0～0.20 m/s［16］范圍內(nèi)選址布點，共設(shè)5個采樣點，如圖1所示，采樣點的區(qū)域特征見表1.

圖1 嘉陵江出口段采樣布點Fig.1 Distribution map of sampling points in outlet section of Jialing River

試驗儀器:SWJ-73型(中儀器材)深水采樣器，MOTIC BA200(麥克奧迪)光學(xué)顯微鏡，Hitachi S-3400N(日立)掃描電子顯微鏡.

水樣采集與處理:距離岸邊1～2 m處進行樣品采集.每采樣點設(shè)2個取水斷面，用500 m L采水器分別采取水面下20和40 cm處的水樣，然后將2個取水斷面的4種水樣混勻帶回，取出混合水樣500 m L用10%魯格試劑7.5 m L固定，靜置24 h.

表1 采樣點區(qū)域特征Table 1 Characteristics of sampling stations

1.2 研究方法

1.2.1 藻種鏡檢與計數(shù)

利用MOTIC BA200光學(xué)顯微鏡鏡檢［17］，鏡檢時先將固定后的水樣充分搖勻，再于顯微鏡下進行藻類鑒定、計數(shù)，每個混合樣重復(fù)3次，結(jié)果進行平均處理，每次鏡檢結(jié)果與平均值的誤差不得大于10%.

1.2.2 水華優(yōu)勢藻種確定

硅藻種類的鑒定主要是以硅藻殼的形態(tài)及殼表面上的花紋為依據(jù).在鑒定種類之前，硅藻水樣必須經(jīng)過酸化處理，將其內(nèi)含物(主要是有機質(zhì))除去后制成硅藻殼標本進行鏡檢［18-19］，并委托第三軍醫(yī)大學(xué)利用Hitachi S-3400N掃描電子顯微鏡拍攝優(yōu)勢藻種電鏡照片.根據(jù)上述的觀察結(jié)果查閱資料并咨詢相關(guān)專家，最終確定水華優(yōu)勢硅藻的種類.

1.2.3 優(yōu)勢度計算

優(yōu)勢度表示一個物種在群落中的地位與作用，為描述水華暴發(fā)過程中優(yōu)勢藻種在總藻中所占的優(yōu)勢程度對其進行優(yōu)勢度分析.陳亞瞿等［20］在長江口河口鋒區(qū)浮游動物生態(tài)研究中根據(jù)各優(yōu)勢藻種出現(xiàn)的頻率及個體數(shù)量進行優(yōu)勢度計算，該方法各指標取值相對準確，能定量地反映出水華優(yōu)勢藻種群在總藻中比例的變化，計算見式(1):

式中，Y為優(yōu)勢度;Ni為樣品中i藻的密度，L-1;N為樣品中總藻密度，L-1;fi為樣品中 i藻出現(xiàn)頻率.當物種優(yōu)勢度 ＞0.02時，該種即為群落中的優(yōu)勢種群［21］.

1.2.4 世代時間計算

藻類生長代數(shù)的計算對研究小環(huán)藻生長規(guī)律具有重要意義［22］，計算如下［23］:

式中，N′為生長代數(shù);G為世代時間，d;T-T0為微生物生長時段，d;X0為T0時刻微生物密度，L-1;X為T時刻微生物密度，L-1.

2 結(jié)果與分析

2.1 水華優(yōu)勢藻種照片

圖2為水華硅藻光學(xué)顯微鏡照片，圖3為嘉陵江出口段水華硅藻掃描電鏡照片.在顯微鏡下觀察，該藻為單細胞體，殼體呈圓盤形，呈同心波曲;細胞直徑約在20～35μm，邊緣區(qū)與中央?yún)^(qū)具排列整齊的輻射狀肋紋.

2.2 優(yōu)勢藻種水華規(guī)律

由于3年期間硅藻水華程度不一，峰值密度甚至有數(shù)量級差異，為更明確地反映每年各月水華藻類的生長規(guī)律，將統(tǒng)計的硅藻優(yōu)勢種密度以年為周期整理為圖4～6.由于各采樣點水溫測量值相差小于0.5℃，故各圖中標示的水溫均為平均水溫.

圖2 水華硅藻光學(xué)顯微鏡照片(40×)Fig.2 M icrophotograph of diatom flos-aquae

圖3 水華硅藻掃描電鏡照片(2 500×)Fig.3 Electron micrograph of diatom flos-aquae

圖4 2005—2006年嘉陵江出口段水華硅藻密度變化Fig.4 Density change of diatom flos-aquae in debouchure section of Jialing River from 2005 to 2006

圖5 2006—2007年嘉陵江出口段水華硅藻密度變化Fig.5 Density change of diatom flos-aquae in debouchure section of Jialing River from 2006 to 2007

圖6 2007—2008年嘉陵江出口段水華硅藻密度變化Fig.6 Density change of diatom flos-aquae in debouchure section of Jialing River from 2007 to 2008

2.3 水華優(yōu)勢種的確定

根據(jù)觀察結(jié)果并查閱《中國淡水藻志》第四卷可知，該水域水華硅藻屬于硅藻門(Bacillariophyta)，中心綱(Centricae)，圓篩藻目(Coscinodiscales)，圓篩藻科(Coscinodiscaceae).但與其形態(tài)極其相似的藻種有冠盤藻屬中的極小冠盤藻(Stephanodiscus m inutulus)和小環(huán)藻屬(Cyclotella)中的星肋小環(huán)藻(原變種)(Cyclotella asterocoststs).

極小冠盤藻(Stephanodiscus minutulus):單細胞，殼體圓盤形，殼面圓形.細胞直徑為 5～12 μm［18］，具成束輻射狀排列的網(wǎng)孔，在10μm內(nèi)有8～14束，22個網(wǎng)孔，向中部成為單列，在中央排成不規(guī)則的紋區(qū)，網(wǎng)孔束間具有無紋區(qū)，每條輻射無紋區(qū)的末端具一個刺，該藻的掃描電鏡照片見圖7，資料圖片見圖8.

圖7 極小冠盤藻電鏡照片(5 000×)Fig.7 Front view of electron micrograph of Stephanodisucsminutulus

星肋小環(huán)藻(Cydotella asterocoststs):單細胞，殼體圓盤形，殼面圓形.細胞直徑為 20.0～33.5 μm，呈同心波曲;邊緣區(qū)線紋輻射狀排列，在10 μm內(nèi)有12～16條;邊緣區(qū)與中央?yún)^(qū)具排列整齊的輻射狀肋紋，在10μm內(nèi)有6～9條，近殼邊緣處具瘤突，其中心部分平滑或具散生的點紋［19］，資料圖片見圖9.

圖8 極小冠盤藻Fig.8 The picture of Stephanodiscusminutulus

圖9 星肋小環(huán)藻(原變種)Fig.9 The picture of Cyclotella asterocoststs Xie，Lin et Cai var.asterocoststs

對比圖 2，3可知，水華硅藻細胞直徑約在20～35μm，較冠盤藻屬直徑略大;邊緣區(qū)與中央?yún)^(qū)具整齊的輻射狀肋紋，比較符合小環(huán)藻屬的典型特征，并且無冠盤藻屬具有的成束輻射狀排列的網(wǎng)孔.因此，從細胞個體大小以及殼面花紋判斷，該水域水華硅藻更符合小環(huán)藻屬特征.

經(jīng)詳細的資料比對以及向有關(guān)專家咨詢，初步認為嘉陵江出口段水體中優(yōu)勢藻種屬于硅藻門(Bacillariophyta)，中心綱(Centricae)，圓篩藻目(Coscinodiscales)，圓篩藻科(Coscinodiscaceae)，小環(huán)藻屬(Cyclotella)中的星肋小環(huán)藻(原變種) (Cyclotella asterocoststs).

同時，在鏡檢中還發(fā)現(xiàn)梅尼小環(huán)藻(Cyclotella meneghiniana)和具星小環(huán)藻(Cyclotella stelligera)等小環(huán)藻屬(在總藻中所占比例約為0.1%)，因此，須以小環(huán)藻屬密度(以下簡稱小環(huán)藻密度)分析水華發(fā)生規(guī)律.

2.4 小環(huán)藻水華發(fā)生規(guī)律

2005—2008年小環(huán)藻生長的規(guī)律曲線如圖4～6所示，從圖中曲線變化可知，研究區(qū)域內(nèi)硅藻水華呈現(xiàn)明顯的年規(guī)律性.

時間上，每年早春(1月底，2月初)小環(huán)藻發(fā)生水華，生長速度快，1個月內(nèi)迅速成為嘉陵江出口段水域中的優(yōu)勢藻種，發(fā)生數(shù)量有明顯峰值.水華于3月底結(jié)束，其余時段優(yōu)勢藻密度均穩(wěn)定在104L-1以下，直至次年2月數(shù)量再次回升.

空間上，如圖4～6所示，有污染源的磁器口右岸和人員、船只活動頻繁的朝天門右岸在監(jiān)測期間交替出現(xiàn)硅藻水華的峰值，尤其在2008年3月，磁器口右岸和朝天門右岸小環(huán)藻密度分別達到了269.0×104和242.0×104L-1，遠高于其他3個采樣點.磁器口左岸與朝天門左岸人員、船只活動較少，水質(zhì)較好，小環(huán)藻同期發(fā)生量次之;化龍橋采樣點江面較窄，受人類活動影響最少，各種污染物接納量也最少，小環(huán)藻同期發(fā)生量最低.

1—3月間 5個采樣點流速變化不大，為0.02～0.20 m/s，均處于富營養(yǎng)化敏感水體的范圍之內(nèi)，為水華發(fā)生提供了良好的條件.同時，有污染源的采樣點(磁器口右岸和朝天門右岸)水華發(fā)生峰值遠大于其余參照點.化龍橋右岸無污染源，流速相對較大，水華暴發(fā)最輕.

數(shù)量上，2005—2008年嘉陵江出口段5個采樣點均發(fā)生了不同程度的小環(huán)藻水華現(xiàn)象，峰值分別為96.7×104，49.9×104和269.0×104L-1.尤其在2008年3月，藻類指標已經(jīng)達到湖泊水體標準的中級營養(yǎng)化水平.

2.5 水華優(yōu)勢度分析

通過式(1)計算嘉陵江5個采樣點水華硅藻優(yōu)勢度，結(jié)果如圖10，11所示.

2007年和2008年水華硅藻的優(yōu)勢度變化趨勢與其年變化規(guī)律基本一致，2007年1—3月優(yōu)勢度范圍為0.02～0.28，進入2月后，朝天門右岸已超過了0.20，其余各采樣點的優(yōu)勢度也接近0.10，說明小環(huán)藻屬在總藻中比例迅速成倍增加，呈現(xiàn)明顯優(yōu)勢.4月后至2008年1月，小環(huán)藻屬優(yōu)勢度大多在0.02以下，呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，與水華在春季發(fā)生的規(guī)律完全一致.優(yōu)勢度的計算結(jié)果同樣反映出，水華發(fā)生時小環(huán)藻屬在總藻中的比例迅速占優(yōu).

圖10 2007年水華硅藻優(yōu)勢度變化趨勢Fig.10 Variation in dominance of diatom flos-aquae in 2007

圖11 2008年水華硅藻優(yōu)勢度變化趨勢Fig.11 Variation in dominance of diatom flos-aquae in 2008

2.6 世代時間

通過2007年和2008年1—3月小環(huán)藻屬增長天數(shù)的監(jiān)測估算其生長代數(shù).小環(huán)藻屬的世代即生活周期隨年份和采樣點而異(見表2)，因此用平均值(5.93 d)進行分析.

2007年1—3月，在該硅藻的水華期中取21 d作為監(jiān)測時段，5個采樣點的水華藻種在監(jiān)測期平均生長了4代，世代時間約為5～7 d，由于在監(jiān)測期內(nèi)藻種初始藻密度不同，因而在檢測期末的最大藻密度不同.2008年 1—3月硅藻水華期較長，取45 d作為監(jiān)測時段，5個采樣點的水華藻種在監(jiān)測期平均生長約 7代，世代時間約為5～7 d，與2007年小環(huán)藻生長狀況基本一致.

綜上，嘉陵江出口段水華硅藻約5～7 d即可完成一個世代周期，較短的世代周期使其總數(shù)在適宜的環(huán)境中迅速增加，短期內(nèi)成為嘉陵江出口段的優(yōu)勢藻種.

表2 嘉陵江出口段冬、春季水華硅藻增長變化Table 2 Change of grow th range of diatom flos-aquae between winter and spring in debouchure section of Jialing River

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

a.通過采樣鏡檢分析以及資料比對，初步認為嘉陵江出口段早春水華的優(yōu)勢藻種屬于硅藻門(Bacillariophyta)，中心綱(Centricae)，圓篩藻目(Coscinodiscales)，圓篩藻科(Coscinodiscaceae)，小環(huán)藻屬(Cyclotella)中的星肋小環(huán)藻(Cyclotella asterocoststs).

b.硅藻水華暴發(fā)呈明顯的年規(guī)律性.每年早春(1月底，2月初)小環(huán)藻發(fā)生水華，較短的世代周期(5～7 d)使其在適宜的環(huán)境中迅速增值，呈現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，在一個月內(nèi)迅速成為嘉陵江出口段水域中的優(yōu)勢藻種，發(fā)生數(shù)量有明顯峰值.3月之后水華現(xiàn)象迅速消失直至次年春季再次發(fā)生.

c.硅藻水華在發(fā)生空間上呈現(xiàn)一定的規(guī)律性.早春期間5個采樣點均發(fā)生了不同程度的水華現(xiàn)象.每年1—3月，較緩的流速(0.02～0.20)下有污染源的采樣點(朝天門右岸和磁器口右岸)小環(huán)藻密度高于無污染源的采樣點(磁器口左岸和朝天門左岸)，無污染源且流速較快的采樣點(化龍橋右岸)最低，5個采樣點小環(huán)藻水華發(fā)生的總體趨勢變化保持一致.

3.2 建議

由于浮游生物種類的準確鑒定有一定難度，筆者對水華硅藻的鑒定主要是通過咨詢相關(guān)專家以及對已有資料的比對分析得出的，建議利用更加精密的方法對其進行進一步的鑒定.

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Occurrence Regu larity o f Diatom Bloom in the Con fluence Section o f Jia ling River

WANG Min，ZHANG Zhi，GUO Wei-hua，ZENG Xiao-lan，YUAN Shao-chun
Key Laboratory of Three Gorges Reservoir Region's Eco-Environment，Ministry of Education，F(xiàn)aculty of Urban Construction and Environmental Engineering of Chongqing University，Chongqing 400045，China

X52

A

1001-6929(2011)02-0191-08

2010-07-29

2010-10-12

國家“十一五”科技支撐計劃項目(2007BAB21B01);國家水體污染控制與治理科技重大專項(2009ZX07315-002);重慶市自然科學(xué)基金項目(2006BB7136)

王敏(1982-)，女，山西運城人，lanyi2008@163.com.

*責(zé)任作者，張智(1960-)，男，四川隆昌人，教授，博士，博導(dǎo)，主要從事水資源保護、水體修復(fù)和污水處理研究，zhangzhicq@126.com