藺河口水庫(kù)硅藻水華特征及影響因素研究

胡 恩， 王文科， 張振文， 孫長(zhǎng)順， 蘇雅玲

(1. 長(zhǎng)安大學(xué) 環(huán)境與工程學(xué)院， 西安 710061； 2. 陜西省環(huán)境科學(xué)研究院， 西安 710061；3. 中國(guó)科學(xué)院 南京地理與湖泊研究所， 南京 210008)

漢江流域是我國(guó)南水北調(diào)中線工程重要水源涵養(yǎng)區(qū)與供給區(qū)。為滿足電力需求和地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展，漢江流域上游(陜西段)干、支流規(guī)劃了數(shù)座水電站。攔河筑壩修建水電從時(shí)空尺度改變著河道的完整性和連續(xù)性，使得天然河流水文特征發(fā)生變化，如流速變緩、水體滯留時(shí)間變長(zhǎng)，呈現(xiàn)類似湖泊的靜水特性等[1-2]，除此之外，還會(huì)引起河流原有生物群落結(jié)構(gòu)的更替和重組[3-6]。隨著時(shí)間推移，誘發(fā)河道型水庫(kù)水質(zhì)下降、水體富營(yíng)養(yǎng)化，甚至暴發(fā)水華等一系列水生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，威脅漢江水質(zhì)安全和湖庫(kù)功能[7-8]。

近年來(lái)，漢江流域不斷受到富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題的困擾，藻類水華風(fēng)險(xiǎn)劇增[9]。藺河口水庫(kù)是漢江重要支流嵐河的重要水利樞紐。2017年春夏之交，該水庫(kù)短時(shí)間內(nèi)突發(fā)水色異常現(xiàn)象，整個(gè)庫(kù)區(qū)與河道水體呈深褐色，引發(fā)當(dāng)?shù)孛癖娍只?。研究表明，除了明顯的污染物輸入外，藻類水華被認(rèn)為是水體變色的誘因之一[10]。水華一旦形成，阻擋光照穿透深度，降低水體透明度，在適宜的水文、氣象環(huán)境條件下，湖庫(kù)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重厭氧狀況，真光層以下積累的生物腐爛分解，誘發(fā)水體顏色異常、水質(zhì)異味等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[11]。與淺水湖泊經(jīng)常出現(xiàn)的藍(lán)藻水華問(wèn)題不同，硅藻水華是河流和水庫(kù)更為常見(jiàn)的災(zāi)害性物種。為此，在2017年4月下旬，作者對(duì)水質(zhì)和藻類組成開(kāi)展調(diào)查研究，初步探討硅藻水華是否是引發(fā)藺河口水庫(kù)水色泛褐的原因，調(diào)查結(jié)果有助于為管理部門保障湖庫(kù)水質(zhì)安全提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究水庫(kù)概況

本研究所調(diào)查的藺河口水庫(kù)(32°18′30.33″N；108°56′27.55″E)位于陜西省安康市嵐皋縣，是漢江一級(jí)支流嵐河控制性水利樞紐工程。嵐河流域內(nèi)山高谷深，整個(gè)流域呈東南高、西北低的形態(tài)。嵐河由滔河、東鄉(xiāng)河等支流匯聚而成，河流全長(zhǎng)153 km，流域面積約2130 km2，經(jīng)嵐皋縣至安康注入瀛湖。

1.2 采樣點(diǎn)布設(shè)

采樣調(diào)查選擇4月下旬，正值藺河口水庫(kù)水色泛深褐色顯著期。由南向北共設(shè)7個(gè)采樣點(diǎn)，上游兩條主要支流布設(shè)4個(gè)點(diǎn)位(LG4、LG5、LG6和LG7)，支流交匯處1個(gè)點(diǎn)位(LG3)，下游庫(kù)區(qū)2個(gè)點(diǎn)(LG1和LG2)，7個(gè)采樣點(diǎn)位均進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)，藻類調(diào)查工作則主要在LG1、LG2、LG3、LG4和LG5 5個(gè)點(diǎn)位。

1.3 樣品采集及分析方法

樣品的采集與測(cè)定方法參考文獻(xiàn)[12]。現(xiàn)場(chǎng)用賽氏盤測(cè)定透明度(SD)。水質(zhì)與浮游植物樣品采集時(shí)均取表層0.5 m與5 m深混合水樣。取2 L水樣帶回實(shí)驗(yàn)室，測(cè)定總氮(TN)、總磷(TP)、葉綠素a(Chl-a)濃度、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)等水質(zhì)指標(biāo)。采集1 L水樣用1%魯哥試劑固定，靜置48 h，利用虹吸法吸除上清液，定容至30 mL，用于浮游植物群落結(jié)構(gòu)的鑒定。TN的測(cè)定為堿性過(guò)硫酸鉀消解、紫外(波長(zhǎng)600 nm)分光光度法；TP的測(cè)定為堿性過(guò)硫酸鉀消解、鉬銻抗顯色分光光度法(波長(zhǎng)700 nm)；Chl-a采用熱乙醇提取、分光光度法(波長(zhǎng)665 nm、770 nm)測(cè)定；CODMn采用高錳酸鉀水浴氧化后草酸鈉、高錳酸鉀氧化滴定法。浮游植物群落結(jié)構(gòu)的鑒定采用Olympus CH生物光學(xué)顯微鏡鏡檢，鑒定到屬。在各屬細(xì)胞密度(cells/L)的基礎(chǔ)上，根據(jù)體積重量經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算浮游植物生物量(BM, mg/L)，樣品處理和生物量估算方法參照文獻(xiàn)[13]。湖庫(kù)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)采用相關(guān)加權(quán)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法計(jì)算(TLI(Σ))，利用Chl-a、TN、TP、CODMn和SD 5個(gè)參數(shù)評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為：TLI(Σ)<30為貧營(yíng)養(yǎng)，30～50為中營(yíng)養(yǎng)，>50為富營(yíng)養(yǎng)[14]。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

數(shù)據(jù)分析、圖表繪制及主要統(tǒng)計(jì)參數(shù)計(jì)算由Excel 2013與Origin Pro 2017軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 水質(zhì)及營(yíng)養(yǎng)水平狀況

藺河口水庫(kù)水質(zhì)指標(biāo)狀況見(jiàn)表1。

表1 藺河口水庫(kù)主要水質(zhì)指標(biāo)

受深褐色的影響，水庫(kù)平均透明度SD為0.64 m。Chl-a、TN、TP和CODMn等常規(guī)指標(biāo)其平均濃度分別為18.5 μg/L、1.10 mg/L、0.23 mg/L及3.89 mg/L。水庫(kù)TN平均濃度超過(guò)Ⅲ類水限定值(1.0 mg/L)，TP平均濃度超過(guò)Ⅴ類水限定值(0.2 mg/L)。根據(jù)《湖泊(水庫(kù))富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)方法和分級(jí)技術(shù)規(guī)定》，對(duì)Chl-a、TN、TP、CODMn和SD 5項(xiàng)湖泊(水庫(kù))富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)分，7個(gè)采樣點(diǎn)加權(quán)平均計(jì)算營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI(Σ)介于53.46～58.34，平均值為56.50，表明藺河口水庫(kù)處于富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)[TLI(Σ)>50]。

2.2 浮游植物組成、生物量及密度

根據(jù)鑒定結(jié)果，藺河口水庫(kù)5個(gè)采樣點(diǎn)位鑒定出浮游植物主要有13種(屬)，隸屬5個(gè)門類。其中硅藻門(Bacillariophyta)5種(屬)；藍(lán)藻門(Cyanophyta)3種(屬)；隱藻門(Cryptophyta)3種(屬)；綠藻門(Chlorophyta)1種(屬)；甲藻門(Pyrrophyta)1種(屬)。

藺河口水庫(kù)5個(gè)采樣點(diǎn)位浮游植物總生物量介于8.62～15.84 mg/L，其中硅藻為7.45～14.6 mg/L，隱藻為0.36～1.0 mg/L，甲藻為0.11～0.43 mg/L，藍(lán)藻生物量為0.07～0.11 mg/L，綠藻生物量0.02～0.04 mg/L。各點(diǎn)位藻類生物量組成特征基本相似，均表現(xiàn)為硅藻>隱藻>甲藻>藍(lán)藻>綠藻(圖1)。

圖1 水庫(kù)各采樣點(diǎn)位藻類生物量

藺河口水庫(kù)浮游植物平均總生物量為12 mg/L。硅藻平均值為11.02 mg/L，占浮游植物總生物量的92%；隱藻平均值為0.58 mg/L，占比4.8%；甲藻和藍(lán)藻生物量相對(duì)較小，平均值分別為0.28 mg/L和0.09 mg/L，分別占比2.3%和0.7%；綠藻平均生物量為0.03 mg/L，占比0.2%。從細(xì)胞密度來(lái)看，藺河口水庫(kù)藻類總細(xì)胞密度為0.86×108～1.59×108cells/L，平均值為1.21×108cells/L，符合水華的標(biāo)準(zhǔn)[15-16]。與生物量相似，細(xì)胞密度以硅藻為主，硅藻細(xì)胞密度平均值為1.10×108cells/L，占總細(xì)胞密度的90.4%；其次為藍(lán)藻，均值為8.64×106cells/L，占比7.1%；隱藻和甲藻細(xì)胞密度分別為2.33×106cells/L和5.54×105cells/L，分別占比1.9%和0.5%；綠藻平均細(xì)胞密度為7.13×103cells/L(圖2)。

3 討論

3.1 藺河口水庫(kù)硅藻水華特征

與其它區(qū)域相比，藺河口水庫(kù)硅藻水華在發(fā)生時(shí)間和群落結(jié)構(gòu)組成上有所區(qū)別。據(jù)報(bào)道， 1992年至今，在漢江流域下游發(fā)生過(guò)數(shù)次硅藻水華，時(shí)間多集中在2—3月[17]；太湖流域水庫(kù)硅藻水華則大多出現(xiàn)5—6月[18]；嘉陵江硅藻水華發(fā)生在2月中旬[19]。藺河口水庫(kù)硅藻水華于4月中旬出現(xiàn)，4月下旬達(dá)到峰值，5月上旬顏色開(kāi)始消退，至中旬基本消失殆盡。以上過(guò)程符合硅藻水華生長(zhǎng)峰值時(shí)間短、消亡速度快的特點(diǎn)。

圖3 藺河口水庫(kù)硅藻群落組成(根據(jù)平均生物量，mg/L)

硅藻種類多，生境較廣，不同生態(tài)系統(tǒng)中硅藻水華的成因和群落結(jié)構(gòu)組成可能存在很大差異。根據(jù)已有文獻(xiàn)，漢江流域下游硅藻水華主要以小環(huán)藻屬(Cyclotellaspp.)和冠盤藻(Stephanodiscus)為主[10, 20]；嘉陵江硅藻水華則以小環(huán)藻屬(Cyclotellaspp.)占優(yōu)[19]；長(zhǎng)江中下游水庫(kù)硅藻水華則以針桿藻(Synedraspp.)為主[11, 18]。藺河口水庫(kù)硅藻水華主要由曲殼藻(Achnanthesexigua)和針桿藻(Synedraspp.)組成。硅藻生物量平均值為11.02 mg/L，其中曲殼藻處于絕對(duì)優(yōu)勢(shì)地位，平均生物量為10.82 mg/L，占硅藻總生物量的98.2%；針桿藻平均生物量為0.18 mg/L，占比不到1.6%；其余硅藻生物量占比0.2%(圖3)。

3.2 藺河口水庫(kù)硅藻水華影響因素分析

營(yíng)養(yǎng)鹽是浮游植物生長(zhǎng)的必要條件，過(guò)量的營(yíng)養(yǎng)元素在水體中積累，導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化，繼而引起藻類的異常增殖[21-22]。藺河口水庫(kù)氮、磷濃度偏高，水體處于富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，滿足藻類異常增殖的營(yíng)養(yǎng)需求。調(diào)查分析認(rèn)為藺河口水庫(kù)營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷可能受外源輸入控制：一方面，嵐河流域茶園、果園等農(nóng)業(yè)活動(dòng)頻繁，氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素隨地表徑流進(jìn)入庫(kù)區(qū)；其次，流域內(nèi)村鎮(zhèn)產(chǎn)生的生活污水未完全處理進(jìn)入河道；除此之外，庫(kù)區(qū)網(wǎng)箱養(yǎng)殖投放的餌料以及魚類排泄物也是營(yíng)養(yǎng)鹽的潛在來(lái)源。

硅藻水華具有強(qiáng)烈的季節(jié)性，對(duì)氣溫響應(yīng)十分敏感。大多數(shù)硅藻群落屬于相對(duì)喜涼的生物，生長(zhǎng)適宜溫度一般為16 ℃～26 ℃之間，超過(guò)30 ℃則開(kāi)始消退[23]。根據(jù)氣象資料：嵐河流域地處秦嶺以南，4月氣溫較低，適宜硅藻生長(zhǎng)；5月上旬，隨著溫度快速攀升，硅藻則開(kāi)始消亡。后期跟蹤觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，5月中下旬藺河口水庫(kù)水體深褐色基本消失，透明度亦大幅升高(超過(guò)2.5 m)，表明藺河口水庫(kù)一個(gè)月內(nèi)完成硅藻水華的發(fā)生-峰值-消亡的生長(zhǎng)周期，符合硅藻水華維持時(shí)間短的一般規(guī)律[11]。

湖庫(kù)流量、流速以及換水周期等水文條件對(duì)硅藻生長(zhǎng)影響同樣顯著。水庫(kù)長(zhǎng)期處于低流速、維持低的換水周期有利于硅藻的生長(zhǎng)[24-25]。相比較天然湖泊，水庫(kù)水文條件更易于受人工調(diào)節(jié)的影響。河道攔河筑壩導(dǎo)致水流速度變緩，河流呈現(xiàn)湖泊化特征，營(yíng)養(yǎng)元素在庫(kù)區(qū)積累，促進(jìn)藻類生長(zhǎng)。水庫(kù)換水具有沖刷作用，可以將浮游植物以及營(yíng)養(yǎng)鹽排出庫(kù)區(qū)，低換水率有利于營(yíng)養(yǎng)鹽和浮游植物在庫(kù)區(qū)的積累。資料顯示，嵐河流域4—5月降雨少，為蓄水、節(jié)水季，水庫(kù)經(jīng)常在510 m的高水位運(yùn)行，換水率較低，換水周期長(zhǎng)，適宜的水文條件為硅藻水華生長(zhǎng)提供了便利[26]。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)水質(zhì)和浮游植物群落結(jié)構(gòu)調(diào)查分析，初步認(rèn)為：2017年春夏之交，漢江流域藺河口水庫(kù)暴發(fā)硅藻水華，引發(fā)水色異常。此次硅藻水華是水體過(guò)高的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度、適宜的氣溫以及水文條件等多因素綜合作用的結(jié)果。在防控對(duì)策上，建議加強(qiáng)流域水體綜合治理，控制農(nóng)業(yè)面源染污和生活源污染，降低營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷。在水華暴發(fā)的高風(fēng)險(xiǎn)期間，考慮水力調(diào)控方法，加快庫(kù)區(qū)水體交換速率，縮短換水周期，防止藻類生物量過(guò)度積累。