廣東長潭水庫富營養(yǎng)化與浮游植物分布特征*

王 超 ，高越超，王沛芳＊＊，張松賀，侯 俊 ，錢 進

(1:河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室，南京210098)

(2:河海大學環(huán)境學院，南京210098)

水庫在我國工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活中起著十分重要的作用.近年來，由于環(huán)境污染，大量營養(yǎng)元素流入水庫，特別是氮、磷的化合物，改變了浮游植物群落結(jié)構(gòu)，阻礙了群落之間物質(zhì)和能量的交換［1］，加速了水體富營養(yǎng)化并導致水質(zhì)惡化［2-3］.

浮游植物是淡水生態(tài)系統(tǒng)中重要的初級生產(chǎn)者，在淡水生態(tài)系統(tǒng)的能量流動、物質(zhì)循環(huán)和信息傳遞中起著至關(guān)重要的作用［4-5］.由于水庫存在明顯的人為調(diào)節(jié)因素，使其生態(tài)系統(tǒng)有別于自然湖泊.浮游植物種類的組成、分布不但受到光照、水溫和水體中氮、磷及微量元素含量的影響，也與水體的流動性、底泥、微生物等環(huán)境因素相關(guān)，體現(xiàn)出較大的個體差異［6-7］.

長潭水庫位于廣東省梅州市蕉嶺縣長潭鎮(zhèn)，是一座以發(fā)電為主兼有防洪、灌溉、供水、旅游等功能的大型水庫.長潭水庫作為飲用水源一級保護區(qū)，其水質(zhì)的好壞直接關(guān)系著梅州市人民健康、經(jīng)濟發(fā)展和社會穩(wěn)定.根據(jù)當?shù)丨h(huán)境監(jiān)測部門監(jiān)測報告，長潭水庫一年中發(fā)生數(shù)次藍藻水華，因此，長潭水庫富營養(yǎng)化控制與藍藻水華治理具有重要意義.

1 材料與方法

1.1水庫概況

長潭水庫位于廣州省與福建省交界處，氣候溫和，全年平均水溫24℃，集水面積為1990 km2，設計洪水位為151.5 m，總庫容為1.7×108m3，設計正常高水位為148.0 m，汛期防洪限制水位為144.0 m，死水位為136.5 m，多年平均流量 55.80 m3/s，屬季調(diào)節(jié)水庫.

1.2 采樣點位置及采樣頻率

2011年10月至2012年7月對長潭水庫進行了4次現(xiàn)場調(diào)查以及系統(tǒng)樣品采集，具體時間為2011年10月、2011年12月、2012年4月和2012年7月.在長興電站至長潭電站沿線設置了10個采樣點，其中調(diào)查區(qū)上游為1#～3#，中游為4#～6#，庫區(qū)為7#～10#.采樣點用GPS定位，位置如圖1所示.

圖1 采樣點位分布Fig.1 Distribution of sampling sites

1.3 樣品采集、處理與分析

1.3.1 水質(zhì)分析 監(jiān)測指標包括溫度、透明度、pH、DO、總氮(TN)、總磷(TP)、葉綠素a(Chl.a)，現(xiàn)場記錄溫度、透明度、pH值、溶解氧(DO).用YSI多參數(shù)水質(zhì)檢測儀測定水溫、溶解氧，透明度使用塞式盤測定，pH采用便攜式水質(zhì)分析儀測定.樣品中加入H2SO4酸化保存，并用聚乙烯瓶運回實驗室立刻進行分析，其他指標按照《水和廢水監(jiān)測分析方法》測定［8］.

1.3.2 藻類分析 定性分析:浮游植物采樣依照《淡水浮游生物研究方法》［9］及《湖泊富營養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范》［10］中的方法.用25#浮游生物網(wǎng)在水面以下或0.5 m處以20～30 cm/s的速度作∞形來回緩慢拖動約3 min.按照1000∶15的體積比加入魯哥試劑固定，待鏡檢［11-12］.定量分析:取表層以下0.5 m處水樣1000 ml，加入15 ml魯哥試劑固定，在實驗室中把樣品搖勻并靜置48 h后取出30 ml沉淀濃縮液，使用0.1 ml計數(shù)框作定量計數(shù)［9，11-12］.

1.3.3評價方法 營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)法:使用Carlson方法評價［10］，采用0～100的連續(xù)數(shù)字對長潭水庫營養(yǎng)狀態(tài)分級，TLI＜30為貧營養(yǎng)，30～50為中營養(yǎng)，50～100為富營養(yǎng).在同一營養(yǎng)狀態(tài)下，指數(shù)值越高，其營養(yǎng)程度越重.

式中，TLI(∑)為綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，Wj為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，TLI(j)為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，為以Chl.a為基準參數(shù)，第j種參數(shù)與基準參數(shù)Chl.a的相關(guān)系數(shù)，m為評價參數(shù)的個數(shù).富營養(yǎng)化狀態(tài)評ij價指標選用Chl.a、SD、TP三項參數(shù)，計算公式分別為:

式中，Chl.a的單位為μg/L，SD的單位為m，TP的單位為mg/L.

應用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)法進行生物多樣性指數(shù)評價，計算公式為:

式中，S為藻類種類數(shù)，ni為某種藻類的個體數(shù)，N為各種藻類的總個體數(shù).

1.4 數(shù)據(jù)采集和處理

所有數(shù)據(jù)采用3個平行樣，用SPSS 19.0統(tǒng)計學軟件對水質(zhì)理化數(shù)據(jù)和藻類數(shù)據(jù)進行分析，并計算營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI值和多樣性指數(shù)H值.

2 結(jié)果與分析

2.1 富營養(yǎng)化狀態(tài)分析

長潭水庫富營養(yǎng)化指數(shù)TLI(Chl.a)7月高于其他月份且大于50，屬于富營養(yǎng)級，4月庫區(qū)略高于中游和上游，但差異不明顯，10月和12月富營養(yǎng)化狀態(tài)較低，處于中營養(yǎng)級.TLI(SD)呈現(xiàn)自上游至庫區(qū)逐漸下降的趨勢，上游處于富營養(yǎng)級，中游除12月處于中營養(yǎng)級外，其他月份為富營養(yǎng)級，庫區(qū)7月份TLI(SD)高于其他月份，處于富營養(yǎng)級.TLI(TP)上游高于50，屬于富營養(yǎng)級，中游和庫區(qū)除12月處于富營養(yǎng)級，其他月份屬于中營養(yǎng)級.綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI(∑)10月和12月處于中營養(yǎng)級，4月庫區(qū)屬于富營養(yǎng)級，上游和中游屬于中營養(yǎng)級，7月份各采樣點TLI(∑)大于50，屬于富營養(yǎng)級，其中庫區(qū)和中游富營養(yǎng)化程度較高(圖2).

廣東省有大型水庫29個，中型水庫274個，小型水庫6400多個，總庫容398×108m3(1993年統(tǒng)計數(shù)據(jù)①廣東省水中長期供求計劃編制組編，1996.)，總庫容在全國列第4位.江濤等［13］于2005年對廣東省132座水庫進行營養(yǎng)狀態(tài)評價，其中中營養(yǎng)型水庫占多數(shù)，為111座，并發(fā)現(xiàn)水庫的營養(yǎng)程度有一定的季節(jié)變化.長潭水庫總庫容為1.7×108m3，屬大型水庫［14］，富營養(yǎng)化程度相對較低，水庫多數(shù)時間處于中營養(yǎng)狀態(tài).然而廣東省水庫處在熱帶亞熱帶地區(qū)，受夏季風影響的強降雨成為水體動力條件的主要控制因素，導致夏季水庫富營養(yǎng)狀態(tài)加重［15］.

2.2 浮游植物的群落結(jié)構(gòu)

2.2.1 浮游植物群落組成 共檢測到浮游植物4門11科16屬，其中藍藻門4科9屬，綠藻門5科5屬，硅藻門1科1屬，黃藻門1科1屬.較為常見的有藍藻門的微囊藻、色球藻、束絲藻、鞘絲藻，綠藻門的柵藻、小球藻、鼓藻，硅藻門的直鏈藻(表1).長潭水庫檢出的浮游植物大多為富營養(yǎng)化水體常見種類.

圖2 長潭水庫各采樣點營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)Fig.2 Trophic level index of sampling sites in Changtan Reservoir

表1 長潭水庫浮游植物群落組成Tab.1 Composition of phytoplankton in Changtan Reservoir

2.2.2 浮游植物種類演替 調(diào) 查期間，長潭水庫藍藻門種類數(shù)最多，綠藻門次之，硅藻門和黃藻門最少，可認為長潭水庫浮游植物群落為藍藻- 綠藻型.7月藍藻門種類數(shù)高于其他季節(jié)，共檢出藍藻門10屬(圖3).4、7和10月優(yōu)勢屬為藍藻門的微囊藻屬和綠藻門的剛毛藻屬;12月份優(yōu)勢屬有藍藻門的柱孢藻屬、綠藻門的柵藻屬和硅藻門的直鏈藻屬.

不同營養(yǎng)狀態(tài)的水體中存在不同的生物種類，特別是在優(yōu)勢種方面差異明顯.在廣東富營養(yǎng)程度較高的水庫中，徐寧等［16］對浮游植物調(diào)查發(fā)現(xiàn)，水庫浮游植物的種類組成以綠藻為主，其次是硅藻和藍藻，其他藻類很少出現(xiàn)，大部分水庫浮游植物優(yōu)勢種為藍藻.而對處于貧營養(yǎng)水平的廣東南水水庫浮游植物調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，硅藻門種類最多，其次為藍藻門，優(yōu)勢種為硅藻［17］.長潭水庫總體處于中營養(yǎng)狀態(tài)，浮游植物組成以藍藻為主，綠藻次之.

2.3 浮游植物總量及分布特征

2.3.1 浮游植物總量分布 長 潭水庫各點位藻類總豐度變化范圍為29×105～1760×105cells/L，其中，7月最高，為1760×105cells/L，其次分別為4月(240×105cells/L)、10月(46×105cells/L)，12月最低.從空間分布來看，7月入庫河流中游5#采樣點浮游植物豐度最高，達到330×105cells/L，上游較低，均低于100×105cells/L(圖4).由于上游長興電站的調(diào)控導致上游流速較大，在一定程度上抑制了藻類生長;而5#點位于長興電站與長潭電站中間，水流緩慢，營養(yǎng)鹽容易滯留于水體中，當夏季溫度和光照滿足藻類生長時，將會導致藻類大量繁殖［18-19］.

圖4 長潭水庫浮游植物豐度變化Fig.4 Density changes of phytoplankton in Changtan Reservoir

廣東省水庫受亞熱帶季風氣候影響，浮游植物豐度受水溫的季節(jié)變化影響較小，更大程度上與水文的季節(jié)變化性相關(guān)［20］.李瑩等［21］調(diào)查發(fā)現(xiàn)水庫營養(yǎng)鹽、懸浮顆粒物和水力滯留時間與流域水文循環(huán)密切相關(guān).何國全等［22］對廣東飛來峽水庫調(diào)查發(fā)現(xiàn)，降水增加有利于入庫營養(yǎng)鹽水平的提高，促進浮游植物的生長和生物量的增加，但水力滯留時間會隨水庫出庫流量的增加而下降.

2.3.2 浮游植物門類季節(jié)變化特征 長潭水庫藍藻門、綠藻門豐度所占藻類總豐度百分比最多(圖5)，兩者豐度所占比例高于80%，7月份達到96%，硅藻門豐度10月和12月份別占18%和17%，4月降低到10%，7月最低為3%，黃藻門豐度最低，占0.6% ～3.0%.這主要因為藍藻、綠藻適應性廣泛，對高光照和高溫度適應能力最強，當夏季光線充足、水溫較高，藍藻、綠藻大量繁殖，抑制了硅藻和黃藻的生長.而正常情況下，藻類相互競爭與演替，使群落結(jié)構(gòu)保持動態(tài)平衡.

圖3 長潭水庫浮游植物屬數(shù)季節(jié)演替Fig.3 Seasonal succession of phytoplankton in Changtan Reservoir

圖5 長潭水庫浮游植物各門類豐度組成Fig.5 Density composition of phytoplankton in Changtan Reservoir

圖6 長潭水庫浮游植物多樣性指數(shù)HFig.6 Shannon-Wiener index of phytoplankton in Changtan Reservoir

2.4 藻類多樣性指數(shù)

多樣性指數(shù)大小反映水體水質(zhì)狀況，多樣性指數(shù)值愈大表明水質(zhì)愈好;反之多樣性指數(shù)值愈小表明水質(zhì)污染愈重.根據(jù)不同H值對長潭水庫富營養(yǎng)化分級，H＞3為清潔;2＜H≤3為輕度污染;1＜H≤2為中度污染;0＜H≤1為重度污染.調(diào)查結(jié)果表明(圖6)，長潭水庫上游多樣性指數(shù)H值維持在1.6～2.0之間，只有12月2#、3#采樣點和7月2#采樣點H值略高于2.0，但均不超過2.1，可認為上游處于中度污染;中游和庫區(qū)在7月份污染較重，多樣性指數(shù)H值低于1.6，屬于中度污染且污染程度高于上游，這主要是由于7月浮游植物豐度大、優(yōu)勢種顯著，其余月份中游和庫區(qū)處于輕度污染.藻類多樣性指數(shù)與綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI(∑)在7月份呈現(xiàn)出庫區(qū)＞中游＞上游的營養(yǎng)狀態(tài).其余月份H值與TLI(∑)空間變化趨勢相反，但都處于較低的中營養(yǎng)狀態(tài).

2.5 污染成因調(diào)查

長潭水庫水質(zhì)分析表明，長潭水庫水質(zhì)整體較差，特別是上游污染嚴重，這同水流流向和污染來源有關(guān).長潭水庫的氮、磷污染總負荷分別為4324.18和65.53 t/a.其中長興電站上游攜帶的氮、磷污染負荷分別為2563.2和40.05 t/a，分別占水庫污染總負荷的59.3%和61.1%，成為水庫污染物的主要來源.通過對長潭水庫污染源的調(diào)查，水庫水體現(xiàn)狀主要污染源由農(nóng)村生活面源、農(nóng)田面源、禽畜養(yǎng)殖、船舶4部分組成，其中船舶污染主要為石油類污染.長潭水庫全年共接受氮、磷負荷分別為1246.09、244.00 t.從各類污染源的貢獻率看，禽畜養(yǎng)殖的污染貢獻率最大，禽畜養(yǎng)殖氮的貢獻率達到47.58%，磷的貢獻率占主導地位，所占比例達到79.22%(表2).

表2 長潭水庫入庫污染源的統(tǒng)計分析*Tab.2 Statistical analysis of input pollution sources in Changtan Reservoir

根據(jù)江濤等［13］對廣東省水庫營養(yǎng)化原因分析，廣東省水庫水質(zhì)污染和富營養(yǎng)化的主要根源有:城市化帶來的污廢水排放、農(nóng)業(yè)面源污染、水庫泥沙淤積、水庫蓄水量減少.長潭水庫污染源主要為畜禽養(yǎng)殖.畜禽糞便的營養(yǎng)鹽成分相對較穩(wěn)定，營養(yǎng)鹽主要以地表徑流方式輸入水庫，造成營養(yǎng)鹽輸入量因地表徑流的季節(jié)變化而產(chǎn)生季節(jié)差異，從而導致水庫豐水期富營養(yǎng)程度高于枯水期.因此，為改善和保持長潭水庫水體水質(zhì)，必須對各類污染源加強綜合管理，對禽畜養(yǎng)殖制定嚴格的減排和限排措施.

3 結(jié)論

1)長潭水庫富營養(yǎng)化較重，4次調(diào)查中，4、10和12月均處于中營養(yǎng)狀態(tài)，7月營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)明顯增加，調(diào)查區(qū)域內(nèi)處于富營養(yǎng)狀態(tài)，其中庫區(qū)富營養(yǎng)化程度最重.

2)調(diào)查期間共檢出浮游植物4門11科16屬，7月份檢出的浮游植物種類最多，水庫浮游植物群落為藍藻- 綠藻型.浮游植物豐度季節(jié)變化明顯，浮游植物豐度為7月＞4月＞10月＞12月.各季節(jié)藍藻門、綠藻門豐度所占藻類總豐度百分比最高，兩者所占比例超過80%.

3)長潭水庫上游藻類多樣性指數(shù)值較低，水體污染水平為中度污染，中游和庫區(qū)(除7月)為輕度污染;7月藻類多樣性指數(shù)值最低，水庫污染嚴重，為中度污染，這與綜合營養(yǎng)指數(shù)TLI(∑)結(jié)果一致.

4)長潭水庫主要為氮、磷污染，污染源主要為禽畜養(yǎng)殖;為改善和保持長潭水庫水體水質(zhì)，必須對各類污染源加強綜合管理，對禽畜養(yǎng)殖制定嚴格的減排和限排措施.

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