廣東省高州水庫春季藍(lán)藻水華成因初步探討*

姚玲愛，趙學(xué)敏，周廣杰，完顏華，蔡立梅，胡國成，許振成＊＊

(1:蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，蘭州730070)

(2:環(huán)境保護(hù)部華南環(huán)境科學(xué)研究所，廣州510655)

(3:廣東省環(huán)境科學(xué)研究院，廣州510045)

廣東省高州水庫春季藍(lán)藻水華成因初步探討*

姚玲愛1，2，趙學(xué)敏2，周廣杰3，完顏華1，蔡立梅2，胡國成2，許振成2＊＊

(1:蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，蘭州730070)

(2:環(huán)境保護(hù)部華南環(huán)境科學(xué)研究所，廣州510655)

(3:廣東省環(huán)境科學(xué)研究院，廣州510045)

高州水庫為廣東省茂名市重要的飲用水源地，2009年和2010年春季相繼出現(xiàn)藍(lán)藻水華，給居民飲水帶來安全隱患.對高州水庫2009年和2010年春季水華情況進(jìn)行分析，結(jié)果表明:兩年浮游藻類細(xì)胞密度最高分別達(dá)4.08×107cells/L和1.47×108cells/L，其中藍(lán)藻所占比例分別為98.2%和98.7%，優(yōu)勢藻種均為魚腥藻(Anabaena spp.)和銅綠微囊藻(Microcystis aeruginosa).水庫中TN/TP比波動(dòng)在28和64之間，磷為主要的限制性因子.葉綠素a含量波動(dòng)在2.5mg/m3和31.6mg/m3之間，葉綠素 a與 pH(r=0.753，P ＜0.01)、DO(r=0.565，P ＜0.05)呈顯著正相關(guān).推斷較高的水體穩(wěn)定性、水溫回升、氮磷營養(yǎng)水平接近水華發(fā)生的閾值是高州水庫藍(lán)藻水華發(fā)生的主要原因.

高州水庫;藍(lán)藻;水華;富營養(yǎng)化

高州水庫位于廣東省茂名市東北部，庫容量11.5×108m3，分為石骨和良德兩個(gè)庫區(qū).石骨庫區(qū)位于鑒江左側(cè)支流曹江上，控制流域面積525平方公里.自上世紀(jì)80年代末，由于水庫流域經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展及流域土地不合理開發(fā)利用，水土流失嚴(yán)重，水庫水質(zhì)有所下降，水庫局部曾一度發(fā)生水華現(xiàn)象［1］.隨著人們對藍(lán)藻水華成因的深入研究，逐漸認(rèn)為營養(yǎng)鹽濃度的升高可能僅是藍(lán)藻水華形成且人們可以加以控制的因素之一;在探索水華成因時(shí)，還需要提前關(guān)注藍(lán)藻群體的形成、藍(lán)藻在春季的復(fù)蘇及其生態(tài)閾值，以及藍(lán)藻如何在生長過程中形成群體，并逐步成為湖泊水庫水生生態(tài)系統(tǒng)中的優(yōu)勢種乃至形成水華的過程［2］.高州水庫在2009年和2010年連續(xù)兩年春季全面暴發(fā)藍(lán)藻水華，這給茂名市供水安全造成很大威脅.有文獻(xiàn)報(bào)道，高州水庫水華優(yōu)勢種之一為我國魚腥藻的新記錄種［3］，新藻種的出現(xiàn)又將給藍(lán)藻水華的預(yù)防治理帶來更大的挑戰(zhàn).

本文主要對高州水庫石骨庫區(qū)連續(xù)兩年春季水華資料進(jìn)行分析，對水華成因做出分析，并提出相應(yīng)的控制措施，以期為高州水庫藻類水華防治提供參考依據(jù).

1 材料與方法

1.1 采樣點(diǎn)設(shè)定

分別于2009年2月和2010年2月水華發(fā)生期間進(jìn)行樣品采集，采樣點(diǎn)設(shè)置如圖1所示.S1位于高州水庫石骨庫區(qū)中心(22°3'3.6″N，111°2'25.3″E);S2 位于水庫出水口處(22°2'7.7″N，111°1'1.2″E);S3 位于入庫河流朋情河的入庫處(22°2'58.3″N，111°4'27.6″E).出水口 S2 采樣點(diǎn)采樣期內(nèi)水深約 18m，為底部出水，進(jìn)入調(diào)節(jié)水庫給水廠供水.為了解出水口藻類垂直分布情況及其對供水的影響，分別在水面下0.5、2、5、10m和底層(18m)采集水樣.

圖1 高州水庫石骨庫區(qū)采樣點(diǎn)Fig.1 Location of three sampling sites in Shigu Reservoir

1.2 樣品采集及分析

浮游植物定性樣品用25號(hào)浮游生物網(wǎng)在水面下劃“∞”撈取，4%福爾馬林溶液固定.定量樣品用采水器采集表層(水下0.5m)水樣1L，樣品加入魯哥試劑固定.藻類定量樣品經(jīng)沉淀、濃縮、定容后用“目鏡視野法”進(jìn)行藻細(xì)胞計(jì)數(shù)［4］.浮游藻類的鑒定參照《中國淡水藻類》［5］.

現(xiàn)場測定水溫、pH、溶解氧(DO)、透明度(SD);水樣采集后在實(shí)驗(yàn)室測定葉綠素a(Chl.a)、總氮(TN)、總磷(TP)和高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)，室內(nèi)分析均按照《水和廢水監(jiān)測分析方法》［6］進(jìn)行.

1.3 富營養(yǎng)化評價(jià)方法與數(shù)據(jù)分析

選取高州水庫水體 Chl.a、TP、TN、SD 和 CODMn為評價(jià)指標(biāo)，根據(jù)文獻(xiàn)［7］計(jì)算，利用 SPSS 16.0 軟件包完成相關(guān)分析及顯著性檢驗(yàn).

2 結(jié)果與分析

2.1 高州水庫石骨庫區(qū)水華情況

2.1.1 浮游植物種類和數(shù)量 2009年和2010年共發(fā)現(xiàn)浮游植物31種，其中藍(lán)藻5種，隱藻2種，綠藻15種，硅藻5種，甲藻2種，黃藻1種，金藻1種.2009年藍(lán)藻細(xì)胞密度占藻細(xì)胞總密度的97.5%，其余五門藻類細(xì)胞密度相對較少.2010年藍(lán)藻、隱藻和硅藻細(xì)胞密度分別占藻細(xì)胞總密度的78.8%、13.1%和7.2%.與2009年春季水華相比，2010年春季藍(lán)藻細(xì)胞密度占藻細(xì)胞總密度的比值有所下降，但是藍(lán)藻細(xì)胞密度卻大幅度增加，出水口(S2)采樣點(diǎn)藍(lán)藻細(xì)胞密度增長約三倍，從2009年的3.93×107cells/L增長到2010年的1.45×108cells/L(圖2).定義密度所占比例大于5%的種類為浮游植物優(yōu)勢種，2009年優(yōu)勢種為藍(lán)藻門中的魚腥藻(Anabaena spp.)和銅綠微囊藻(Microcystis aeruginosa)，2010年優(yōu)勢種為藍(lán)藻門的魚腥藻和銅綠微囊藻，隱藻門的隱藻(Cryptomonas sp.)和藍(lán)隱藻(Chroomonas sp.)，硅藻門的梅尼小環(huán)藻(Cyclotella meneghiniana).

圖2 各采樣點(diǎn)藻細(xì)胞密度Fig.2 Algal cell densities at three sampling sites

2.1.2 理化數(shù)據(jù) 兩年水華期間，TP含量較低，最高值為0.037 mg/L，TN/TP較高，變化范圍為28-64，根據(jù)Redfield計(jì)算的藻類增長所需氮磷比值［8］，磷為高州水庫主要限制性因子.Chl.a變化范圍為8.6-31.6 mg/m3，綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI(∑)介于41.3-48.6之間，為中營養(yǎng)狀態(tài).調(diào)查期間，TN值均超過0.5 mg/L，2010年出水口(S2)采樣點(diǎn)TN達(dá)到最大值1.684 mg/L;TP值在2010年的出水口(S2)和朋情河入口(S3)采樣點(diǎn)分別達(dá)到0.037 mg/L和0.033 mg/L;CODMn在2010年出水口(S2)達(dá)到4.52 mg/L.與2009年相比，2010年TN、TP含量增加，綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI(∑)升高(表1).

表1 高州水庫理化參數(shù)Tab.1 Physicochemical parameters in Gaozhou Reservoir

2.2 藻類群落結(jié)構(gòu)垂直分布

2.2.1 藻類數(shù)據(jù) 2009年，隨水深的增加，藍(lán)藻細(xì)胞密度呈先降低后增加趨勢，從表層(0.5m)的3.93×107cells/L降低到10m的2.27×106cells/L，而后底層(18m)又升高到7.20×106cells/L，且藍(lán)藻主要分布在水體表層(0.5m)至5m深處;2010年，隨著水體深度的增加藍(lán)藻細(xì)胞密度逐漸降低，從表層(0.5m)細(xì)胞密度1.45×108cells/L降低到底層(18m)的2.65×106cells/L(圖3).

圖3 S2采樣點(diǎn)藻類細(xì)胞密度垂直分布Fig.3 The vertical distribution of algal cell densities at the S2 site

2.2.2 理化數(shù)據(jù) 石骨庫區(qū)出水口S2采樣點(diǎn)水溫、pH、DO隨水深的增加而呈降低趨勢.Chl.a先升高后降低，在水深2m處達(dá)到最大值，而垂直分布藻數(shù)據(jù)顯示最高值出現(xiàn)在表層，這可能與不同種類的藻細(xì)胞大小以及葉綠素a含量不同有關(guān).2009年水華期間，出水口采樣點(diǎn)TN、TP的垂直分布均沒有明顯差異，2010年水華期間，出水口采樣點(diǎn)TN、TP的垂直分布差異均較為明顯，為表層濃度較高(圖4).

圖4 S2采樣點(diǎn)理化參數(shù)垂直分布Fig.4 The vertical distribution of physicochemical parameters at the S2 site

2.3 相關(guān)性分析

整體來看，Chl.a與理化參數(shù)具有較好的相關(guān)性，尤其是Chl.a與pH、DO呈較顯著的正相關(guān)關(guān)系，且與pH的相關(guān)系數(shù)值最高(圖5).Chl.a與水溫、TN、TP、CODMn濃度的相關(guān)性沒有達(dá)到顯著水平(P＞0.05).

圖5 高州水庫葉綠素a濃度與理化參數(shù)回歸分析Fig.5 Regression analysis of chlorophyll-a concentration and physicochemical parameters in Gaozhou Reservoir

3 討論

3.1 國內(nèi)同類型水庫富營養(yǎng)化比較

我國是水庫大國，水庫生態(tài)系統(tǒng)在區(qū)域環(huán)境的改善、支撐經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和供水保障方面具有重大的作用，這是世界上任何一個(gè)國家所不能比擬的［9］.造成我國水庫富營養(yǎng)化的主要原因有面源污染的日益加劇、城市污水排放量的激增、水土流失造成水庫泥沙淤積嚴(yán)重、水庫蓄水量減少等［10］，但不同地域條件的水庫富營養(yǎng)化主導(dǎo)因子又不盡相同.高州水庫水華暴發(fā)在冬末春初，溫度較低.高州水庫水質(zhì)與其他同等類型水庫相比(表2)，為中營養(yǎng)水平，綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI(∑)達(dá)到42.2.高州水庫水華暴發(fā)期間CODMn和TP相對較低，分別為1.5mg/L和0.02mg/L，但TN/TP達(dá)到較高水平，磷為高州水庫主要的限制性營養(yǎng)因子.較低TN/TP亦可暴發(fā)藍(lán)藻水華，不僅是藍(lán)藻水華暴發(fā)誘因，也是水華暴發(fā)成因［11］，如官廳水庫、湯溪水庫和漫灣水庫.高州水庫作為飲用水源水庫，水質(zhì)處于中營養(yǎng)狀態(tài)，卻連續(xù)兩年發(fā)生藍(lán)藻水華，給飲水安全帶來威脅.

3.2 高州水庫水華原因分析

3.2.1 長期利于水華發(fā)生的水體穩(wěn)定性 高州水庫為典型的丘陵型水庫，水力滯留時(shí)間為0.45a，但在冬末春初，由于長期沒雨，水庫水體處于一種穩(wěn)定性較高狀態(tài)，在氣候條件適宜、光照充足時(shí)，水體易暴發(fā)水華.水體穩(wěn)定性與藍(lán)藻的懸浮機(jī)制密切相關(guān)［17］.懸浮機(jī)制是指部分藍(lán)藻(如微囊藻)能通過改變單位細(xì)胞體積中的碳水化合物的比例而改變細(xì)胞密度，從而調(diào)節(jié)在水體中的上浮與沉降［20］.水體分層能夠大大降低水體的垂直混合程度，增加水體穩(wěn)定性.高州水庫兩年的春季水華，藻類細(xì)胞密度垂直分布較為明顯，表層(0.5m)細(xì)胞密度最高，隨水深的增加，細(xì)胞密度呈降低趨勢.

表2 水庫水質(zhì)調(diào)查資料統(tǒng)計(jì)*Tab.2 Reservoir water quality survey statistics

3.2.2 利于水華發(fā)生的水溫 溫度是引起水華發(fā)生及決定水華種類的一個(gè)重要因素［21］.有研究表明，水華微囊藻在溫度低于13℃時(shí)幾乎不能生長，高于16℃時(shí)能緩慢生長，且隨著溫度的升高，生長速率增大［22］.高州水庫藍(lán)藻水華一般出現(xiàn)在冬末春初，氣溫回升之際，此時(shí)的溫度有利于底泥中藍(lán)藻的復(fù)蘇及水柱中藍(lán)藻的生長.

3.2.3 氮磷水平接近水華發(fā)生的閾值 一般認(rèn)為，當(dāng)水體中TN、TP含量分別達(dá)到0.20、0.02 mg/L以上時(shí)，水體出現(xiàn)富營養(yǎng)化，具備發(fā)生藻類水華的營養(yǎng)條件［23］.有文獻(xiàn)表明由于魚腥藻的氮磷代謝活性的調(diào)節(jié)機(jī)制作用，可以在較低的氮磷濃度下生長［24］，在氮磷含量高出限制閾值時(shí)有可能暴發(fā)水華［25］.2009年水華期間TP未達(dá)到閾值，TN高于限制閾值;2010年水華期間除石骨庫區(qū)中心(S1)采樣點(diǎn)TP未達(dá)到閾值以外，其余各點(diǎn)TN、TP均高于限制閾值，N、P濃度條件基本可以滿足藻類生長需要.高州水庫兩次水華均發(fā)生在枯水期，降雨少，加上城鎮(zhèn)和規(guī)?；虡I(yè)化農(nóng)業(yè)農(nóng)村生活污染，水體中的TN、TP和高錳酸鹽指數(shù)升高，藻類旺盛生長，誘導(dǎo)了水華的暴發(fā).

3.3 控制措施探討

藍(lán)藻水華暴發(fā)的原因比較復(fù)雜，其治理也要從多方面進(jìn)行［26］.高州水庫污染源主要來自城鎮(zhèn)和規(guī)?；虡I(yè)化農(nóng)業(yè)農(nóng)村生活污染，因此可以加大集中式污水處理設(shè)施的建設(shè)，加強(qiáng)農(nóng)業(yè)面源污染的治理，減少化肥的使用.此外，通過加強(qiáng)水體的生態(tài)修復(fù)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)，以提高水體的自凈能力，以優(yōu)化和調(diào)控水生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能.再次，建立藍(lán)藻水華的預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)，加強(qiáng)應(yīng)急措施，如常規(guī)跟蹤監(jiān)測、物理打撈等.只有科學(xué)監(jiān)控、綜合防治、合理利用，才能逐步減緩水體富營養(yǎng)化進(jìn)程，最終控制水庫暴發(fā)嚴(yán)重藍(lán)藻水華，從而為居民提供更加安全的飲用水［27］.

致謝:感謝周楊同學(xué)協(xié)助資料搜集整理，劉偉鋒同學(xué)幫助野外采樣工作.

［1］魏 鵬，林秋奇，胡 韌等.高州水庫水質(zhì)與浮游生物動(dòng)態(tài)分析.應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào)，2002，8(2):165-170.

［2］孔繁翔，高 光.大型淺水湖泊富營養(yǎng)化湖泊中藍(lán)藻水華形成機(jī)理的思考.生態(tài)學(xué)報(bào)，2005，25(3)，589-595.

［3］胡 韌，雷臘梅，張成武.我國魚腥藻的新記錄種——粘質(zhì)魚腥藻.生態(tài)科學(xué)，2009，28(1):1-3.

［4］章宗涉，黃祥飛.淡水浮游生物研究方法.北京:科學(xué)出版社，1991:333-339.

［5］胡鴻鈞，魏心印.中國淡水藻類——系統(tǒng)、分類及生態(tài).北京:科學(xué)出版社，2006:1-995.

［6］國家環(huán)境保護(hù)總局.水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版).北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社，2002:88-671

［7］王明翠，劉雪芹，張建輝.湖泊富營養(yǎng)化評價(jià)方法及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn).中國環(huán)境監(jiān)測，2002，18(5):47-49.

［8］Home AJ，Goldman CR.Limnology(Second Edition)，New York:Mcgraw-Hill Inc.，1994:276.

［9］韓博平.中國水庫生態(tài)學(xué)研究的回顧和展望.湖泊科學(xué)，2010，22(2):151-160.

［10］江 濤，劉祖發(fā)，陳曉宏等.廣東省水庫富營養(yǎng)化評價(jià).湖泊科學(xué)，2005，17(4):378-382.

［11］Xie LQ，Xie P，Li Sx et al.The low TN:TP ratio，a cause or aresult of Microcystis blooms?Water Research，2003，37:2073-2080.

［12］李敏慧，杜桂森，姜樹軍等.官廳水庫的微囊藻毒素及其與水環(huán)境的相關(guān)性.生態(tài)學(xué)報(bào)，2010，30(5):1322-1327.

［13］杜桂森，王建廳，張為華等.官廳水庫水體營養(yǎng)狀況分析.湖泊科學(xué)，2004，16(3):277-281.

［14］王立林，杜玉鳳，王鴻雁.于橋水庫富營養(yǎng)化控制對策研究.水科學(xué)與工程技術(shù)，2007，6:23-26.

［15］郭照河，楊化勇，李 飛等.峽山水庫富營養(yǎng)化評價(jià)與對策研究.水文，2004，24(4):50-52.

［16］陳 科.鶴地水庫富營養(yǎng)化狀況分析與防治對策.水利科技與經(jīng)濟(jì)，2009，15(3):214-216.

［17］趙夢緒，韓博平.湯溪水庫藍(lán)藻水華發(fā)生的影響因子分析.生態(tài)學(xué)報(bào)，2005，25(7):1554-1561.

［18］趙帥營，林秋奇，胡 韌等.湯溪水庫的富營養(yǎng)化現(xiàn)狀研究.生態(tài)科學(xué)，2002，21(4):316-319.

［19］王海珍，劉永定，沈銀武等.云南漫灣水庫甲藻水華生態(tài)初步研究.水生生物學(xué)報(bào)，2004，28(2):213-215.

［20］Oliver RL.Floating and sinking in gas-vacuolate cyanobacteria.Journal of Phycology，1994，30:161-173.

［21］Straskraba M.Lake and reservoir management.Verh Internat Berein Limnol，1996，26:193-209.

［22］金相燦，儲(chǔ)昭升，楊 波.溫度對水華微囊藻及孟氏浮游藍(lán)絲藻生長、光合作用及浮力變化的影響.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，28(1):50-55.

［23］金相燦.中國湖泊環(huán)境.北京:海洋出版社，1995.

［24］常鋒毅，潘曉潔，康麗娟.洱海螺旋魚腥藻生長生理特性的初步研究.水生生物學(xué)報(bào)，2009，33(3):385-390.

［25］Leigh C，Burford MA，Roberts DT.Predicting the vulnerability of reservoirs to poor water quality and cyanobacterial bloom.Water Research，2010，44:4487-4496.

［26］中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所.太湖梅梁灣2007年藍(lán)藻水華形成及取水口污水團(tuán)成因分析與應(yīng)急措施建議.湖泊科學(xué)，2007，19(4):357-358.

［27］Onderka M.Correlations between several environmental factors affecting the bloom events of cyanobacteria in Liptovska Mara reservoir(Slovakia)—A simple regression model.Ecological Modelling，2007，209:412-416.

Preliminary regulating factors of spring cyanobacteria bloom in Gaozhou Reservoir，Guangdong Province

YAO Lingai1，2，ZHAO Xuemin2，ZHOU Guangjie3，WANYAN Hua1，CAILimei2，HU Guocheng2＆XU Zhencheng2
(1:College of Environmental and Municipal Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，P.R.China)
(2:South China Institute of Environmental Science，Ministry of Environmental Protection，Guangzhou 510655，P.R.China)
(3:Guangdong Academy of Environmental Science，Guangzhou 510045，P.R.China)

Gaozhou Reservoir is an important drinking water source of Maoming city of Guangdong province.Cyanobacteria blooms，occurring in spring of 2009 and 2010，had brought safe hidden trouble to residents.Based on the data collected from the reservoir in two springs，the highest densities of phytoplankton in the spring of 2009 and 2010 were 4.08 ×107cells/L and 1.47 ×108cells/L，and cyanobacteria densities accounted for 98.2%and 98.7%of total phytoplankton，respectively.The dominant species were Anabaena spp.and Microcystis aeruginosa in the two springs in the reservoir.The TN/TP ratios ranged from 28 to 64，phosphorus was the limiting factor for phytoplankton development.The chlorophyll-a concentration ranged from 2.5 to 31.6 mg/m3，and the correlation between pH(r=0.753，P ＜0.01)and DO(r=0.565，P ＜0.05)was excellent.It can be inferred that the main reasons of spring phytoplankton blooms were the high stability of water，water temperature rising and the nitrogen and phosphorus level close to the threshold value of spring phytoplankton blooms.

Gaozhou Reservoir;cyanobacteria;algal bloom;eutrophication

＊ 中央級(jí)公益性科研院所專項(xiàng)資金項(xiàng)目(ZX-201003-54)、國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目(2009ZX07211-009-05)和全國重點(diǎn)湖泊水庫生態(tài)安全調(diào)查及評估項(xiàng)目(2111101)聯(lián)合資助.2010-09-28收稿;2011-02-20收修改稿.姚玲愛，女，1985年生，碩士研究生;E-mail:yaolingai102@163.com.

＊＊ 通訊作者;E-mail:xzc@scies.com.cn.