深圳石巖、鐵崗水庫藻類及環(huán)境影響因子分析

付貴萍，寧凱樂，張佳紅，羅文懷，胡章立

1)深圳大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，深圳518060;2)深圳市海洋生物資源與生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳518060

位于中國東南部沿海的廣東省深圳市，由于受地形條件限制和降雨年內(nèi)分配不均的影響，淡水資源匱乏，供水主要依靠東江引水和水庫蓄水.鐵崗水庫和石巖水庫屬于深圳市最早建成的中型水庫，每年供水達(dá)4.85×108m3以上，汛期還可以聯(lián)合調(diào)度兩水庫泄洪，是深圳市重要的供水與防洪調(diào)蓄庫體.近年來，隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大和人口的激增，鐵崗水庫和石巖水庫水源保護(hù)區(qū)內(nèi)的點(diǎn)源、面源和內(nèi)源污染不斷增多，導(dǎo)致水庫水體中氮和磷含量較深圳市其他水庫偏高［1］，對城市飲用水的安全一定程度上構(gòu)成潛在威脅.

水庫作為一類介于河流和湖泊之間的水體，其中的浮游植物群落結(jié)構(gòu)有著自身的特殊性［2］.一些供水水庫水體由于富營養(yǎng)化致使浮游植物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，優(yōu)勢種類逐步被富營養(yǎng)化指示種藍(lán)藻和綠藻所取代［3］，藍(lán)藻在水體中的密度和相對豐度大幅度增加，甚至還發(fā)生了藍(lán)藻水華［4］.中國一些地區(qū)的飲用水源中已檢測出微囊藻毒素［5］.深圳地處亞熱帶地區(qū)，常年高溫和強(qiáng)光照的氣候條件非常有利于藍(lán)藻的生長，然而有關(guān)深圳地區(qū)水庫浮游植物的報(bào)道較少，年際變化的資料不全.為此，本研究選擇該地區(qū)氮磷濃度偏高的鐵崗水庫和石巖水庫，開展浮游植物全年變化和水環(huán)境變化調(diào)查，以期掌握水庫中浮游植物群落結(jié)構(gòu)變化及其與水環(huán)境的關(guān)系，為深圳市飲用水源的水生態(tài)監(jiān)測及水質(zhì)管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

1 材料與方法

1.1 水庫概況

石巖水庫和鐵崗水庫均位于深圳市寶安區(qū)，石巖水庫處于茅洲河上游，集雨面積44 km2，有石巖河等6條支流匯入水庫.鐵崗水庫處于西鄉(xiāng)鎮(zhèn)西鄉(xiāng)河上游，集雨面積64 km2，有大官陂河等6條支流匯入水庫.目前兩水庫主要水源來自東江水源工程，由塘頭抽水泵站相互連通，共同供給深圳中西部居民正常生產(chǎn)生活用水.兩水庫基本概況見表1.

表1 石巖水庫和鐵崗水庫概況Table 1 Main features of Shiyan reservoir and Tiegang reservoir

1.2 水樣采集與水質(zhì)測定

圖1 石巖水庫采樣點(diǎn)示意圖Fig.1 Sampling sites of Shiyan Reservoir

2007年1—12月在石巖水庫和鐵崗水庫的中心S1和S2各設(shè)一個(gè)采樣點(diǎn) (圖1和圖2)，每月月初采樣一次，用Orion 5-star便攜式多參數(shù)水質(zhì)分析儀現(xiàn)場測定水溫、溶解氧 (dissolved oxygen，DO)、pH值，用塞氏羅盤測定透明度.采集表層0.5 m處的水樣分析總磷 (total phosphorus，TP)、總氮 (total nitrogen，TN)、高錳酸鹽指數(shù) (chemical oxygen demand［Mn］，CODMn)，分析參考《水與廢水監(jiān)測分析方法》［6］.

圖2 鐵崗水庫采樣點(diǎn)示意圖Fig.2 Sampling sites of Tiegang Reservoir

1.3 浮游植物的采樣與計(jì)數(shù)

浮游植物的采樣與水質(zhì)采樣同時(shí)進(jìn)行，定性樣品采用25號(hào)浮游生物網(wǎng)在水面下0.5 m處進(jìn)行橫“∞”字形取樣;定量樣品采用1 L采水器采集表層 (距水面0.5 m)、中層 (根據(jù)采樣點(diǎn)深度確定中層水體)和底層 (距水底0.5 m)水樣.混合后取1 L混合水樣，所有樣品均用魯哥氏液固定沉淀24 h，濃縮至30 mL，采用血球計(jì)數(shù)板計(jì)數(shù)，觀察儀器為Olympus BX-41研究型顯微鏡，藻類鑒定參考 《中國淡水藻類》［7］.

藻類Shannon多樣性指數(shù)計(jì)算方法為

其中，Mi為第i屬藻類的細(xì)胞數(shù);M為所有藻類的細(xì)胞數(shù).

Margalef物種豐富度指數(shù)為

其中，S為藻類的屬數(shù).

1.4 數(shù)據(jù)處理

水庫富營養(yǎng)化評價(jià)方法采用水利部頒發(fā)的《地表水資源質(zhì)量評價(jià)技術(shù)規(guī)程》 (SL 395—2007)［8］.綜合營養(yǎng)指數(shù)

其中，En為評價(jià)項(xiàng)目賦分值;N為評價(jià)項(xiàng)目數(shù).

利用SPSS13.0軟件對理化指標(biāo)、浮游藻類豐度進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，r值為相關(guān)性系數(shù)，P＜0.05即為顯著相關(guān).理化指標(biāo)數(shù)值取各采樣點(diǎn)均值.

2 結(jié)果與分析

2.1 水環(huán)境因子

深圳地區(qū)屬于亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，調(diào)查期間，石巖水庫和鐵崗水庫的表層水溫年平均值分別為24.9和25.5℃.其中，石巖水庫的最高水溫為32.3℃，最低水溫為15.6℃;鐵崗水庫的最高水溫為32.7℃，最低水溫為16.5℃.

鐵崗水庫水體的DO波動(dòng)幅度較石巖水庫大，石巖水庫DO最低值在4月份，為5.78 mg/L，最高值在5月份，為10.86 mg/L.鐵崗水庫最低值在3月份，為5.42 mg/L;最高值在5月份，為10.46 mg/L.從全年情況來看，冬季的DO值明顯高于其他季節(jié).

石巖水庫TN變化在0.90～2.26 mg/L之間，TP變化在0.035～0.049 mg/L之間;鐵崗水庫TN變化在0.32～1.31 mg/L之間，TP變化在0.020～0.043 mg/L之間 (圖3和圖4).從營養(yǎng)鹽全年變化趨勢來看，鐵崗水庫TN的變化幅度比石巖水庫小;石巖水庫的TP質(zhì)量濃度一直處于較高水平，僅在11月略降.

圖3 石巖水庫和鐵崗水庫各月總氮的變化Fig.3 Dynamics of TN in Shiyan Reservoir and Tiegang Reservoir

圖4 石巖水庫和鐵崗水庫各月總磷的變化Fig.4 Dynamics of TP in Shiyan Reservoir and Tiegang Reservoir

石巖水庫和鐵崗水庫的各項(xiàng)環(huán)境因子的年平均值和標(biāo)準(zhǔn)差如表2所示.根據(jù)《地表水資源質(zhì)量評價(jià)技術(shù)規(guī)程》［8］進(jìn)行計(jì)算，石巖水庫全年的富營養(yǎng)指數(shù)在53.5～57.9，可見其全年處于輕度富營養(yǎng)狀態(tài).鐵崗水庫全年富營養(yǎng)指數(shù)在49.2～55.85，除1月份和2月份為中營養(yǎng)狀態(tài)外，其余月份均為輕度富營養(yǎng)狀態(tài).

表2 石巖水庫和鐵崗水庫水體各項(xiàng)環(huán)境因子的年均值 ±s)Table 2 Annual mean of the environmental parameters in Shiyan Reservoir and Tiegang Reservoir(± s)

表2 石巖水庫和鐵崗水庫水體各項(xiàng)環(huán)境因子的年均值 ±s)Table 2 Annual mean of the environmental parameters in Shiyan Reservoir and Tiegang Reservoir(± s)

水庫名稱透明度/cm ρ(葉綠素)/(μg·L －1)ρ(CODMn)/(mg·L －1)ρ(TN)/(mg·L －1)ρ(TP)/(mg·L －1)石巖 58±7 53.02±26.88 0.043 ±0.004鐵崗 65±6 45.33±31.22 3.04 ±0.67 1.51 ±0.39 2.75 ±0.75 0.93 ±0.24 0.034 ±0.009

2.2 浮游植物種類組成

石巖水庫水體中浮游植物2007年全年有57種，隸屬33屬 (圖5)，其中藍(lán)藻種類最多.全年中8月種類數(shù)最多，為30種;1月最少，為12種.藍(lán)藻(Cyanophyta)、硅藻(Bacillariophya)和綠藻(Chlorophyta)從2、3月開始漸增，8月之后開始減少.

圖5 石巖水庫浮游植物種類變化Fig.5 Annual variation of the phytoplankton species in Shiyan reservoir

鐵崗水庫水體中浮游植物2007年全年有65種，隸屬于38屬，數(shù)量略高于石巖水庫.其中，藍(lán)藻種數(shù)最多，綠藻和硅藻種類數(shù)相差不大，裸藻(Euglenophyta)和甲藻(Pyrrophyta)比較少，而其他門種類少見 (圖6).全年浮游植物種類數(shù)動(dòng)態(tài)趨勢是:1—8月遞增，此后開始減少.其中，1和12月最少，為15種;8月最多，為34種.全年各門藻種類數(shù)變化各有不同，藍(lán)藻種類數(shù)變化較大，在4—9月相對比較多，其余月份較少.硅藻種類數(shù)由4月始漸增，至10月硅藻占的比例最大.相比之下，甲藻和裸藻門種類數(shù)全年變化較穩(wěn)定.盡管兩水庫的浮游植物群落結(jié)構(gòu)變化趨勢相近，但鐵崗水庫中各個(gè)門的藻種類較石巖水庫均衡.

圖6 鐵崗水庫浮游植物種類變化Fig.6 Annual variation of the phytoplankton species in Tiegang reservoir

2.3 浮游植物優(yōu)勢種

鐵崗水庫浮游植物優(yōu)勢種主要來自藍(lán)藻門，最常見的為偽魚腥藻(Pseudoanabaena sp.)、中華尖頭藻 (Merismopediasinica)和柱孢魚腥藻(Anabaena cylindrica)，如表3所示.除1月份直鏈藻(Melosira)(硅藻門)占優(yōu)勢外，偽魚腥藻在絕大多數(shù)月份占絕對優(yōu)勢.石巖水庫在絕大多數(shù)月份內(nèi)同樣以偽魚腥藻和中華尖頭藻為優(yōu)勢，7月柱孢魚腥藻占絕對優(yōu)勢，1、11和12月以硅藻門的直鏈藻為優(yōu)勢種.

2.4 浮游植物豐度變化

鐵崗水庫全年藻類豐度中，藍(lán)藻占93.30%，綠藻占1.47%，硅藻占4.78%，裸藻和甲藻的比例都小于1.00%.石巖水庫全年藍(lán)藻占93.10%，綠藻占1.36%，硅藻占5.10%.對比兩水庫浮游植物豐度可發(fā)現(xiàn)，藍(lán)藻占絕對優(yōu)勢，其次是硅藻.

從圖7的浮游植物豐度隨時(shí)間的變化來看，鐵崗水庫和石巖水庫的浮游植物豐度都在11月和12月相對較低.鐵崗水庫浮游藻類豐度在12月最低，為1.90×107L－1;石巖水庫在11月最低，為3.60×107L－1.8月，鐵崗水庫和石巖水庫的浮游藻類豐度陡增，達(dá)到全年最高值，分別為2.54×109L－1和1.42×109L－1，其余月份相對比較穩(wěn)定，一般為1.00 ×108L－1.

表3 石巖水庫和鐵崗水庫浮游植物優(yōu)勢種Table 3 Dominant phytoplankton species in Shiyan reservoir and Tiegang reservoir

圖7 鐵崗水庫和石巖水庫浮游植物豐度變化Fig.7 Phytoplankton abundance variation in Tiegang Reservoir and Shiyan Reservoir

2.5 浮游植物多樣性指數(shù)評價(jià)

由圖8可見，兩水庫中鐵崗水庫Shannon指數(shù)變化較平穩(wěn)，最低值在2月，為0.75;最高值在6月，為0.98，年均值為0.84.石巖水庫最低值在11月，為0.40;最大值在6月，為0.89，年均值為0.75.兩水庫夏秋兩季的Shannon指數(shù)明顯高于春冬季節(jié).一般而言，種類越多或各個(gè)種的個(gè)體數(shù)量分布越均勻，群落物種的Shannon指數(shù)越大［9］.夏秋兩季的光照更多，溫度更高，有利于浮游植物的生長，這可能是Shannon指數(shù)較高的原因.

圖8 鐵崗水庫和石巖水庫浮游植物Shannon指數(shù)全年變化Fig.8 Shannon index of phytoplankton in Tiegang Reservoir and Shiyan Reservoir

兩水庫水體Margalef值的變化也顯示，夏秋兩季相對較高 (如圖9).鐵崗水庫Margalef值在1.91～4.51，4—9月Margalef值大于3，而其他幾個(gè)月相對較低，年均值為3.15.石巖水庫年均值為3.01，11月份值最低，6月份最高，為4.24.

圖9 鐵崗水庫和石巖水庫浮游植物Margalef值全年變化Fig.9 Margalef index of phytoplankton in Tiegang Reservoir and Shiyan Reservoir

2.6 浮游植物豐度與環(huán)境因子的關(guān)系

利用SPSS軟件對兩水庫水體的浮游植物豐度與環(huán)境因子Pearson相關(guān)性統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果 (表4)顯示，鐵崗水庫中，浮游植物豐度與水溫呈顯著正相關(guān)(r=0.611，P=0.035);而石巖水庫中CODMn與浮游植物豐度呈顯著正相關(guān)(r=0.607，P=0.037).

表4 鐵崗水庫和石巖水庫水體浮游植物豐度與環(huán)境因子的相關(guān)性分析Table 4 The correlation analysis between phytoplankton abundance and environmental parameters in Tiegang Reservoir and Shiyan Reservoir

3 討論

按《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》［10］，石巖水庫的TN超標(biāo)嚴(yán)重，全年僅7月份低于Ⅲ類地表水標(biāo)準(zhǔn).鐵崗水庫的情況相對較好，全年除1月和10月外均符合Ⅲ類地表水標(biāo)準(zhǔn).鐵崗和石巖兩水庫的TP質(zhì)量濃度在監(jiān)測期間均符合Ⅲ類地表水標(biāo)準(zhǔn)，但石巖水庫的總磷含量要高于鐵崗水庫.美國環(huán)境保護(hù)署 (Environmental Protection Agency，EPA)在 《湖泊與水庫技術(shù)指導(dǎo)手冊-營養(yǎng)鹽標(biāo)準(zhǔn)》中指出，TP與TN質(zhì)量濃度分別超過10和150 μg/L時(shí)，有可能發(fā)生藍(lán)藻水華［11］.石巖和鐵崗兩水庫全年的TN和TP質(zhì)量濃度均遠(yuǎn)超過此標(biāo)準(zhǔn)，因此鐵崗兩水庫均具備發(fā)生藍(lán)藻水華的營養(yǎng)鹽條件.

就藻類的種類數(shù)和優(yōu)勢種而言，胡韌等［12］研究表明，石巖水庫中藻類總數(shù)為48種，其中，綠藻種類最多，為23種;其次是藍(lán)藻和硅藻，分別為9種和8種.與本研究結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，2000—2007年以來浮游植物種類數(shù)有所增多，尤其是藍(lán)藻種類增加顯著.各門優(yōu)勢種也有所變化，藍(lán)藻優(yōu)勢種由平裂藻和偽魚腥藻演變?yōu)閭昔~腥藻和中華尖頭藻;而綠藻優(yōu)勢種由衣藻演變?yōu)闁旁鍖偌肮脑鍖?，硅藻?yōu)勢種由直鏈藻和小環(huán)藻演變?yōu)橹辨溤鍖?其中，偽魚腥藻、柵藻和直鏈藻均為富營養(yǎng)型水體中的優(yōu)勢種類和指示種.

將本研究結(jié)果與林秋奇、王朝暉等［13-14］報(bào)道的2000年石巖水庫豐水期與枯水期浮游植物豐度對比發(fā)現(xiàn)，2007年同期浮游植物豐度較2000年均有明顯增高，8月份由1.128×107L－1(2000年)增至1.420×109L－1(2007年)，11月份由3.540×106L－1(2000年)增至 3.600×107L－1(2007年)，夏季較冬季增幅更顯著，而且浮游植物豐度中藍(lán)藻所占比例明顯提高，由74.6%(2000年)提高至93.10%(2007年).石巖水庫浮游植物密度已超過1.00×106L－1，目前國內(nèi)有關(guān)浮游植物密度的富營養(yǎng)化標(biāo)準(zhǔn)為 1.00×106L－1［15］，可以確定石巖水庫的富營養(yǎng)化狀態(tài)已十分明顯.

文獻(xiàn)［16］指出，石巖水庫浮游植物 Shannon多樣性指數(shù)豐水期為3.39，枯水期為1.85.本研究結(jié)果表明，Shannon指數(shù)年均值為0.75，最低值在當(dāng)年11月，為0.40;最大值在當(dāng)年6月，為0.89.可見石巖水庫藻類多樣性近年來有較大下降.

就影響水庫浮游植物豐度的環(huán)境因子而言，有學(xué)者采用不同的多元統(tǒng)計(jì)分析方法研究浮游植物豐度和水環(huán)境因子的關(guān)系，結(jié)果不盡相同.文獻(xiàn)［17］指出，氮磷營養(yǎng)鹽是影響高州水庫浮游植物群落分布的重要因子.楊亮杰等［18］調(diào)查發(fā)現(xiàn)，水溫、高錳酸鹽指數(shù)、透明度、pH值與浙江橫山水庫的浮游植物群落結(jié)構(gòu)關(guān)系最為密切.Naselli-Florses［19］研究了西西里島的21個(gè)水庫，認(rèn)為水位變化、pH值、富營養(yǎng)程度對浮游植物豐度有較大影響.本研究中影響石巖水庫和鐵崗水庫浮游植物豐度的相關(guān)環(huán)境因子有水溫和CODMn.

浮游植物群落結(jié)構(gòu)受多種因素的影響，除溫度和營養(yǎng)鹽濃度 (TN和TP等)外，浮游動(dòng)物和魚類等食藻動(dòng)物、噬藻細(xì)菌、水庫的水文條件和水力停留時(shí)間也會(huì)對藻類群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響［20］.這些條件的差異導(dǎo)致石巖和鐵崗這兩座氣候條件一致、水源相同的水庫水體中浮游植物豐度的影響因素復(fù)雜多變.如水溫與鐵崗水庫浮游植物豐度關(guān)系最密切，但卻不顯著影響石巖水庫浮游植物豐度.CODMn表征水體有機(jī)污染物程度，有機(jī)污染物在水體微生物的分解作用下，能夠產(chǎn)生NH3、CO2和PO43－等藻類生長所需要的營養(yǎng)物質(zhì)［21］，因而石巖水庫浮游植物豐度表現(xiàn)出與CODMn顯著性相關(guān)，但CODMn卻沒有顯著影響鐵崗水庫藻類豐度.本研究中N和P未表現(xiàn)出與水庫浮游植物豐度的明顯相關(guān)性，究其原因也是受水庫中除藻類外的其他生物與非生物環(huán)境條件的影響.

結(jié) 語

本研究對深圳地區(qū)石巖水庫和鐵崗水庫TN、TP和CODMn等水環(huán)境因子全年調(diào)查結(jié)果顯示，石巖水庫2007年各月份的富營養(yǎng)指數(shù)在53.5～57.9，處于輕度富營養(yǎng)狀態(tài).鐵崗水庫2007年各月份的富營養(yǎng)指數(shù)在49.2～55.85，除1、2月份為中營養(yǎng)狀態(tài)外，其余月份均為輕度富營養(yǎng)狀態(tài).

石巖水庫和鐵崗水庫藻類2007年調(diào)查結(jié)果顯示，石巖水庫浮游植物種類數(shù)為57種，隸屬于33屬;鐵崗水庫浮游植物種類數(shù)為65種，隸屬于38屬.兩水庫浮游植物種類數(shù)均在8月份最多;浮游植物優(yōu)勢種均為藍(lán)藻門的偽魚腥藻和中華尖頭藻;浮游植物豐度全年最高值均在8月份，其余月份相對比較穩(wěn)定，一般為1×108L－1.浮游植物豐度和環(huán)境因子相關(guān)性分析結(jié)果顯示，石巖水庫浮游植物豐度與CODMn呈顯著正相關(guān)，鐵崗水庫水體中浮游植物豐度與水溫顯著正相關(guān).本研究調(diào)查結(jié)果可為深圳地區(qū)水庫水生態(tài)長期監(jiān)測和水質(zhì)管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持.

致 謝:衷心感謝深圳大學(xué)雷安平教授對本研究的悉心指導(dǎo)!

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