嘉陵江重慶出口段小環(huán)藻水華影響因素分析

王 敏，袁紹春，徐 煒，張騰璨

(1. 重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院 水利水運工程教育部重點實驗室，重慶 400074；2.成都市市政工程設(shè)計院，四川 成都 610015)

嘉陵江重慶出口段小環(huán)藻水華影響因素分析

王 敏1，袁紹春1，徐 煒1，張騰璨2

(1. 重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院 水利水運工程教育部重點實驗室，重慶 400074；2.成都市市政工程設(shè)計院，四川 成都 610015)

環(huán)境工程；小環(huán)藻；富營養(yǎng)化；環(huán)境因子；相關(guān)分析

0 引 言

富營養(yǎng)化是江河出口和海灣常見的環(huán)境問題之一[1-4]。富營養(yǎng)水體在適宜的溫度、光照、鹽度、溶解氧等理化條件下，容易導(dǎo)致一些藻類密度急劇上升從而暴發(fā)“水華”。藻類大量繁殖后，水體中營養(yǎng)鹽隨之消耗殆盡，藻類繼而大量死亡，向水體釋放生物毒素引起水質(zhì)敗壞；同時藻類在腐敗、被分解的過程中消耗大量的溶解氧造成水體發(fā)臭，魚類貝類等水生生物缺氧死亡，給生態(tài)資源帶來嚴(yán)重危害，直接威脅人類的健康和生存。三峽庫區(qū)蓄水后，庫區(qū)各支流持續(xù)發(fā)生小環(huán)藻水華現(xiàn)象[5-7]。2004年2月和2005年3月香溪河、大寧河的部分支流發(fā)生了小環(huán)藻水華現(xiàn)象，葉綠素含量從2 μg/L增至20～30 μg/L，2004年長江和嘉陵江交匯段硅藻中小環(huán)藻的出現(xiàn)頻率為78%，且在春季活動最為頻繁[8-11]。調(diào)查顯示，2008年3月，嘉陵江磁器口段小環(huán)藻密度達到了269×104個/L，占同期總藻數(shù)量的92%，遠(yuǎn)超過浮游植物<100×104個/L的湖泊富營養(yǎng)化標(biāo)準(zhǔn)值。嘉陵江出口段是重慶主城區(qū)的重要飲用水源，藻類“水華”現(xiàn)象的發(fā)生勢必增加飲用取水的風(fēng)險。國內(nèi)外對湖泊、水庫常見藍藻(Arthrospira platensis、Aphanizomenon gracile、Pyrodinium bahamense)的水華及其毒性研究較多，對江河小環(huán)藻“水華”原因的研究相對滯后[12-14]。筆者利用SPSS18.0軟件分析2010—2013年嘉陵江出口段小環(huán)藻水華與各環(huán)境因子的相關(guān)性，并結(jié)合偏相關(guān)分析摒除各因素之間交互影響[15-17]，旨在找出影響小環(huán)藻水華的關(guān)鍵因子，為進一步研究該水域“水華”暴發(fā)機理提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 樣品的采集與處理

樣點布置：共設(shè)5個采樣點，樣點位置如圖1，樣點屬性如表1。

圖1 嘉陵江出口段布點Fig.1 Distribution of sampling points in the outlet section of Jialing River

表1 采樣點位屬性

實驗儀器：SWJ-73型深水采樣器，MOTIC BA200光學(xué)顯微鏡，Hitachi S-3400N掃描電子顯微鏡。

水樣采集處理：距離岸邊1～2 m處進行樣品采集。每采樣點設(shè)2個取水?dāng)嗝?，?00 mL采水器分別采取水面下20，40 cm處水樣，然后將2個取水?dāng)嗝娴?種水樣混勻帶回，取出混合水樣500 mL用10%魯格試劑7.5 mL固定，靜置24 h。

采樣時間及采樣頻率：以周期性監(jiān)測水體為研究宗旨的采集工作，采樣頻率一般都是采用多年周期性采樣。如每月采樣4次，在藻類水華月份增加到每隔2或3 d一次，采樣時間為早晨09：00—10:00。

1.2 研究方法

1.2.1 藻種鏡檢與計數(shù)

利用MOTIC BA200光學(xué)顯微鏡進行藻類鑒定[18]、計數(shù)[19]，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%。電鏡照片委托中國科學(xué)院水生生物研究所拍攝。

1.2.2 各水質(zhì)指標(biāo)檢測方法

表2 水質(zhì)指標(biāo)檢測方法[19]

1.2.3 相關(guān)性分析方法

筆者在進行嘉陵江出口段各理化因子與小環(huán)藻藻密度相關(guān)性研究時，運用SPSS18.0軟件進行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 調(diào)查結(jié)果

2.1.1 各采樣點環(huán)境因素指標(biāo)結(jié)果

三峽庫區(qū)從1月底2月初開始排水清庫，1—4月水庫水位持續(xù)下降階段，為水庫消落期[20]；5月汛期之前水位降至防洪蓄水位145 m。為了突出消落期與其他時段的水文及藻類生長現(xiàn)象的區(qū)別，將全年劃分為兩個時段分別敘述，見表3。

表3 2010—2013年嘉陵江出口段各理化因子變化范圍

(續(xù)表3)

時段采樣點TN/(mg·L-1)TP/(mg·L-1)v/(m·s-1)T/℃NTUTN/TP消落期(1—4月)朝天門左岸2．14±0．780．13±0．050．20±0．1013．61±3．8247．15±17．9417．63±11．36朝天門右岸1．91±0．290．12±0．040．06±0．0213．71±3．6752．63±20．5118．27±10．73汛期及蓄水期(5—12月)磁器口左岸1．79±0．500．25±0．290．22±0．1822．72±5．24177．49±189．5616．55±14．77磁器口右岸1．85±0．340．25±0．270．22±0．1122．55±5．26144．85±135．1015．05±10．43華龍橋右岸2．04±0．520．25±0．200．14±0．1122．62±4．98148．02±153．6312．62±8．18朝天門左岸1．76±0．510．26±0．270．15±0．0922．40±5．09136．70±133．7613．52±10．95朝天門右岸1．88±0．380．25±0．280．11±0．0522．40±5．06138．36±140．6814．23±8．81

注：表中數(shù)據(jù)為2010—2013年各點理化指標(biāo)均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

由表3可見，1—4月嘉陵江出口段流量小，受長江高水位的頂托作用流速較緩(均值為0.02～0.20 m/s)，泥沙下沉，濁度降低(均值為45.97～52.63)，水體透明度增加，水體對污染物的稀釋能力降低，TN均值為1.77～2.17 mg/L，TP均值為0.11～0.15 mg/L。TN/TP均值范圍為14.59～20.68。TN、TP含量均已超過湖泊富營養(yǎng)化標(biāo)準(zhǔn)。5—12月水體流速加大(均值為0.11～0.22 m/s)，濁度增高(均值為136.70～177.49)，水體稀釋能力增強，TN均值降低(1.76～2.04 mg/L)；水體中泥沙含量增加使TP均值含量升高(0.25～0.26 mg/L)。氮磷比平均值降低為12.62～12.55。各樣點間理化指標(biāo)的差異性見表4。

表4 各樣點差異性的F檢驗

注：**為在0.01水平(雙側(cè))上顯著差異；*為在0.05水平(雙側(cè))上顯著差異。(下同)

各樣點間在不同時段流速v均差異較大，p<0.05說明各樣點流速的平均值不全相等。布點位置決定各樣點存在差異性，化龍橋右岸為流速最大點，磁器口左岸和朝天門左岸兩個參照點流速最小。各樣點其余理化指標(biāo)全年差異性不大，說明2010—2013年中除流速外其余理化指標(biāo)各樣點變化趨勢一致。

2.1.2 “水華”優(yōu)勢藻種

嘉陵江出口段全年共鑒定出浮游植物6門32屬59種(含變種)，包括硅藻門14屬37種，占68.8%；綠藻門12屬15種，占20.4%；甲藻門2屬2種，占3.1%；隱藻門2屬2種，占1.2%；裸藻門1屬1種，占2.9%；金藻門1屬2種，占3.6%。2011年2—4月期間，硅藻門優(yōu)勢種比例迅速增至總藻數(shù)量的85%～94%，占絕對優(yōu)勢，其余各類藻種總和均降至6%～15%。

圖2為嘉陵江出口段“水華”優(yōu)勢藻種為硅藻門(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)[21]。掃描電鏡觀察顯示，該藻為單細(xì)胞體，殼體呈圓盤形，呈同心波曲；細(xì)胞直徑大約在20～35 μm，邊緣區(qū)與中央?yún)^(qū)具排列整齊的輻射狀肋紋，見圖3。

圖2 水華小環(huán)藻光學(xué)顯微鏡照片(40倍)

圖3 水華硅藻掃描電鏡照片(2 500倍)

2.1.3 優(yōu)勢藻種“水華”規(guī)律

小環(huán)藻水華呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性。每年早春(1月下旬—3月上旬)發(fā)生水華，水華期間占總藻密度的60%～80%。一個月內(nèi)迅速成為嘉陵江出口段水域中的優(yōu)勢藻種并有明顯峰值，2011年3月，磁器口右岸和朝天門右岸兩個采樣點總藻數(shù)量分別達到379.71×104和312.18×104個/L，小環(huán)藻數(shù)量均超過100×104個/L。3月份之后水華現(xiàn)象迅速消失；同期4月—12月間，小環(huán)藻小環(huán)藻屬數(shù)量均穩(wěn)定在104個/L以下，次年春季再次水華。

2.2 各理化因子與小環(huán)藻密度的相關(guān)性分析

本節(jié)通過相關(guān)分析研究小環(huán)藻數(shù)量與各理化因子之間的密切程度。小環(huán)藻與各理化因子之間線性相關(guān)程度由相關(guān)系數(shù)r描述；并通過偏相關(guān)分析摒除由于各因素之間交互影響而呈現(xiàn)的“假性相關(guān)”現(xiàn)象。相關(guān)性分析結(jié)果見表5。

表5 小環(huán)藻與各理化因子相關(guān)性分析表

2.2.1 流速與小環(huán)藻數(shù)量的相關(guān)性分析

顯著性水平p=0.071>0.05,表示流速與小環(huán)藻數(shù)量相關(guān)性不顯著。但r=-0.153<0,表示小環(huán)藻數(shù)量與流速呈反比，與實際情況一致。磁器口和朝天門對岸兩個參照點流速較緩，小環(huán)藻數(shù)量較高；化龍橋流速較快，小環(huán)藻數(shù)量未大量聚集就可能已被水流沖至下游，因而藻類數(shù)量較低。三峽水庫175 m高水位時嘉陵江出口段流速約為0.02 m/s，屬于富營養(yǎng)化敏感水體(v<0.04 m/s)[22]，緩慢的流速是形成水華的必要條件，這與T.DJAKOVAC等[23]的研究結(jié)果類似。

2.2.2 濁度與小環(huán)藻數(shù)量的相關(guān)性分析

J.ENGSTR?M-?ST等[24]認(rèn)為，水體中藻類大量繁殖將導(dǎo)致濁度升高，反過來對藻類光合作用產(chǎn)生消極影響，但嘉陵江出口段水體中濁度變化主要是由汛期水體中的泥沙受水體流速擾動引起。濁度與小環(huán)藻密度相關(guān)性不顯著，p=0.054>0.05。當(dāng)水體中泥沙下沉?xí)r，小環(huán)藻會獲得更多光照，增加光合作用。因此，濁度降低對小環(huán)藻“水華”具有一定的促進作用。

2.2.3TN，TP與小環(huán)藻數(shù)量的相關(guān)性分析

營養(yǎng)鹽限制理論認(rèn)為水體中無機氮和磷的比為16∶1(Redfield-ratio)時最適合藻類等浮游生物生長，TN或TP均有可能成為限制因子[25-27]。1—4月嘉陵江水體TN/TP>16，磷處于相對缺乏狀態(tài)，但表4中TN,TP,TN/TP均未表現(xiàn)出與小環(huán)藻數(shù)量顯著相關(guān)(p>0.05)?？赡苁怯捎谙拗圃孱惿L的關(guān)鍵營養(yǎng)鹽并不是TN和TP，而是能被藻類直接吸收利用的溶解態(tài)的磷酸根和無機氮。汛期后，TN/TP<16，此時磷相對充足，氮的缺乏可以由浮游生物的固氮作用彌補[28]，但小環(huán)藻最適宜生境為β-中污帶水體，水流緩慢的河流及溪流中。因此，汛期嘉陵江水域的過高流速已不適合小環(huán)藻的聚集繁殖。結(jié)合小環(huán)藻生態(tài)特性可知，充足的營養(yǎng)鹽結(jié)合小環(huán)藻生長的適宜生境才能造成水華暴發(fā)，使小環(huán)藻在適宜的生境(1—4月)迅速繁殖。

2.2.4 光照時間與小環(huán)藻數(shù)量的相關(guān)性分析

光照是影響藻類生長繁殖的重要的生態(tài)因子之一，也是其生長的主要能量來源[29]，500～5 000 lx均為藻類生長的適合光照強度[30]。2010—2013年消落期(1—3月)5個采樣點的平均光照時間均約為11.25 h，平均有效光合強度為1 400 lx；秋季(9—11月)，同樣光照時間，平均有效光合強度為3 307 lx。在光照時間一致，光照強度適宜的條件下小環(huán)藻卻并未水華。因此，偏相關(guān)性的分析結(jié)果更可靠，即在排除了其他理化因子的相互作用之后小環(huán)藻數(shù)量與光照時間并無相關(guān)性(p=0.711>0.05)。適宜的光照是小環(huán)藻生長的前提條件但并不是其春季“水華”的限制因子。

2.2.5 水溫與小環(huán)藻數(shù)量的相關(guān)性分析

3 結(jié) 論

1) 嘉陵江出口段早春水華的優(yōu)勢藻種為硅藻門(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)。

2) 2010—2013年消落期(1—4月)，小環(huán)藻數(shù)量迅速增至總藻數(shù)量的85%～94%。4月之后水華現(xiàn)象消失直至次年消落期再次發(fā)生。

3) 相關(guān)性分析表明，水溫與小環(huán)藻水華顯著相關(guān)。春季為小環(huán)藻的適宜生長環(huán)境，較低的觀測水溫(8.5～11.5 ℃)，緩慢的流速(0.01～0.29 m/s) ，足夠的光照時長(11.25 h)，合理的營養(yǎng)鹽分配才有可能發(fā)生小環(huán)藻水華。

在藻類 “水華”相關(guān)研究中建議加強溶解態(tài)的磷酸鹽和無機氮含量的監(jiān)測并分析其與春季嘉陵江重慶出口段星肋小環(huán)藻水華的相關(guān)性。

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Influence Factor Analysis on Cyclotella Bloom of Jialing River Estuary in Chongqing

WANG Min1, YUAN Shaochun1, XU Wei1, ZHANG Tengcan2

(1. Key Laboratory of Hydraulic and Waterway Engineering of the Ministry of Education, School of River & Ocean, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, P. R. China; 2. Chengdu Municipal Engineering Design Institute, Chengdu 610015, Sichuan, P.R.China)

environment engineering; cyclotella; eutrophication; environmental factors; correlation analysis

2015-11-08；

2016-02-18

重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項目(KJ1500510,KJ1400326); 重慶交通大學(xué)國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心暨水利水運工程教育部重點實驗室開放基金項目(SLK2013B05,SLK2015B08)

王 敏(1982—)，女，山西運城人，講師，博士，主要從事水文水資源方面的研究。E-mail：398825952@qq.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.06.18

X835

A

1674-0696(2016)06-086-05