滇池福保灣水體可溶性無機(jī)碳與藍(lán)藻水華的相關(guān)性

張彥輝， 匡 武， 楊 劭

(1.安徽省環(huán)境科學(xué)研究院，安徽合肥 230022；2.華中師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，湖北武漢 430079)

Note：* stands for significant correlation(P<0.05); ** stands for extremely significant correlation(P<0.01).

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滇池福保灣水體可溶性無機(jī)碳與藍(lán)藻水華的相關(guān)性

張彥輝1， 匡 武1， 楊 劭2

(1.安徽省環(huán)境科學(xué)研究院，安徽合肥 230022；2.華中師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，湖北武漢 430079)

[目的] 探索藍(lán)藻水華暴發(fā)至消亡過程中水體無機(jī)碳在水體中的變化規(guī)律，為制訂對(duì)藍(lán)藻水華的有效防治措施提供決策依據(jù)。[方法]通過采樣分析滇池福保灣生態(tài)恢復(fù)區(qū)水體中無機(jī)碳濃度與浮游藻類濃度，研究了富營養(yǎng)化水體中可溶性無機(jī)碳的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化及其相關(guān)影響因素。[結(jié)果]福保灣水體葉綠素a濃度和CO32-濃度呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與水體pH均呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；與CO2濃度均呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，與總無機(jī)碳濃度和HCO3-濃度均呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。[結(jié)論]藍(lán)藻水華的生消是導(dǎo)致水體無機(jī)碳形態(tài)與濃度劇烈變化的重要原因。

滇池；可溶性無機(jī)碳；藍(lán)藻水華

滇池是云貴高原第一大湖泊，位于云南省昆明市西南部。福保灣位于滇池東北岸，是由大清河和海河沖擊扇包圍形成的湖灣，湖岸線長3.16 km，面積約1 km2。目前，福保灣水體富營養(yǎng)化程度日益加劇，由于其原有的湖灘濕地被人為混凝土“防浪堤”替代，冬春季的風(fēng)浪對(duì)湖堤強(qiáng)烈的沖蝕作用，使湖底沿岸帶沉積物變得堅(jiān)硬而貧瘠，水生植被消失，藍(lán)藻水華現(xiàn)象頻發(fā)，湖泊生態(tài)系統(tǒng)受到嚴(yán)重破壞[1]。水體中可溶性無機(jī)碳共有3種不同存在形式：自由CO2(溶解于水中的分子形式為CO2和H2CO3)、離子態(tài)的HCO3-和CO32-。在滇池富營養(yǎng)化水體中，藍(lán)藻水華的大規(guī)模暴發(fā)降低了CO2和HCO3-在水體中的濃度，且大氣CO2的擴(kuò)散速率難以滿足水華對(duì)碳的利用速率，造成水體可利用無機(jī)碳水平極低[2-3]。筆者以滇池福保灣生態(tài)恢復(fù)區(qū)水體為研究對(duì)象，研究了富營養(yǎng)化水體中可溶性無機(jī)碳的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化及其相關(guān)影響因素，探索了藍(lán)藻水華暴發(fā)至消亡過程中水體無機(jī)碳在自然水體中的變化規(guī)律，以期為制訂藍(lán)藻水華的有效防治措施提供決策依據(jù)。

圖1　滇池福保灣采樣點(diǎn)分布 Fig.1　The distribution of sampling sites in Fubao Bay,Dianchi Lake

1　材料與方法

1.1樣點(diǎn)分布及采樣方法福保灣東岸屬于一個(gè)整體，針對(duì)其直立堤岸帶水深、水質(zhì)較差、透明度較低、風(fēng)浪淘蝕性強(qiáng)，對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)重建尤其是水生植被的恢復(fù)短期難以實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)狀，在該區(qū)實(shí)施了底泥疏挖與吹填示范工程，根據(jù)吹填與否把該區(qū)域分成2個(gè)吹填區(qū)(吹填 Ⅰ 區(qū)和吹填 Ⅱ 區(qū))；1個(gè)非吹填區(qū)(非吹填區(qū))和1個(gè)未開發(fā)區(qū)(好望角)。

在福保灣生態(tài)恢復(fù)區(qū)水域共選取11個(gè)采樣點(diǎn)，分別為吹填I(lǐng)區(qū)3個(gè)(1～3#)，非吹填區(qū)2個(gè)(4～5#)，吹填I(lǐng)I區(qū)3個(gè)(6～8#)，區(qū)外好望角3個(gè)(9～11#)(圖1)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果以各區(qū)采樣點(diǎn)的平均值為標(biāo)準(zhǔn)。2007年3～12月用有機(jī)玻璃采樣器對(duì)滇池福保灣生態(tài)恢復(fù)區(qū)各采樣點(diǎn)的表層水進(jìn)行采集。采樣的同時(shí)測定水溫和pH。采樣頻率為每月分別2次(由于不可抗力因素，個(gè)別月份僅1次)。采樣時(shí)間為9:00～11:00。

1.2水中無機(jī)碳的測定和計(jì)算方法按照國標(biāo)法[4]測定水中堿度，然后按照以下方法計(jì)算無機(jī)碳濃度[5]：

CT= {[總堿度] +[H+] -[OH-]} /(α1+2α2)

[CO2] =CTα0

[HCO3-]=CTα1

[CO32-]=CTα2

式中，K1、K2分別是H2CO3的一級(jí)和二級(jí)解離常數(shù)，α是碳酸平衡系數(shù)，CT是無機(jī)碳濃度。

1.3葉綠素a濃度的測定采樣后12 h內(nèi)，采用90%丙酮抽提法測定葉綠素a濃度[6]，用島津 UV2401 分光光度計(jì)測量吸光值。

1.4統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 12.0的Spearman相關(guān)性分析工具和線性回歸分析工具統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

2　結(jié)果與分析

2.1福保灣水體葉綠素a的分布及變化從圖2可以看出，2007年3～12月吹填 Ⅰ 區(qū)和吹填 Ⅱ 區(qū)內(nèi)水體葉綠素a 平均含量較非吹填區(qū)和好望角高，平均值分別為249.6和236.4 μg/L；4個(gè)采樣區(qū)域葉綠素a 的變化趨勢基本相同，水體葉綠素a從3月份開始升高，在4月中旬到達(dá)1個(gè)小高峰，然后開始下降至5月中旬最低，這段時(shí)間，福保灣水體中主要與水華束絲藻的生消相對(duì)應(yīng)；5月底6月初為水華微囊藻的復(fù)蘇階段，7～9月為微囊藻水華的全面暴發(fā)階段，同時(shí)水體葉綠素a 在8月中旬達(dá)到最大值，隨后隨時(shí)間的推移而下降，10～12月為微囊藻水華的消亡階段，同時(shí)以水華束絲藻為主的浮游藻類再次開始出現(xiàn)[7]。

圖2　2007年3～12月福保灣水體葉綠素a的變化情況Fig.2　Changes of chlorophyll a in water of Fubao Bay during Mar.-Del.2007

2.2福保灣水體無機(jī)碳、溫度和pH的分布及變化從圖3可以看出，吹填 Ⅱ 區(qū)、非吹填區(qū)和好望角水體中福保灣水體中3種形態(tài)無機(jī)碳含量、總無機(jī)碳含量和pH的變化趨勢基本相同；之后2007年3～12月3個(gè)區(qū)水體中總可溶性無機(jī)碳、HCO3-和CO2含量在3月保持最大值，然后隨著水體中水華束絲藻的生長逐漸降低，到4月中旬伴隨水華束絲藻的暴發(fā)達(dá)到較低值，隨后又逐漸上升，之后伴隨5月底6月初微囊藻水華的復(fù)蘇和隨后的暴發(fā)一直降低，直到11月初開始再次升高；CO32-含量和pH與水體中總可溶性無機(jī)碳、HCO3-和CO2含量呈現(xiàn)出相反的變化趨勢。

吹填 Ⅰ 區(qū)與其他3個(gè)區(qū)相比有明顯不同，可能由于吹填 Ⅰ 區(qū)緊鄰海河口，水體理化指標(biāo)受海河水污染的程度嚴(yán)重。2007年3～12月吹填 Ⅰ 區(qū)水體中總可溶性無機(jī)碳、HCO3-和CO2的平均含量均為最高，分別為1.682、1.557和0.012 mmol/L，CO32-平均含量和pH為最低，CO32-平均含量為0.112 mmol/L，pH平均為9.09。

4個(gè)采樣區(qū)的水溫隨時(shí)間變化趨勢基本保持一致，2007年3～12月平均溫度大于19.7 ℃。

2.3福保灣水體浮游藻類與無機(jī)碳等環(huán)境因子的相關(guān)性相關(guān)性分析結(jié)果表明(表1)，非吹填區(qū)、吹填 Ⅱ 區(qū)和好望角水體葉綠素a濃度和CO32-濃度均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與CO2濃度均呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，與總無機(jī)碳濃度和HCO3-濃度均呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)；吹填 Ⅱ 區(qū)和好望角水體葉綠素a濃度與水體pH均呈顯著相關(guān)(P<0.05)，非吹填區(qū)葉綠素a濃度與水體pH呈極顯著相關(guān)(P<0.01)。吹填 Ⅰ 區(qū)水體葉綠素a濃度僅與CO32-濃度呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與其他因子無相關(guān)性。4個(gè)采樣區(qū)中只有好望角水體中水體葉綠素a濃度與水溫呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。

3　討論

3.1水體浮游藻類和無機(jī)碳等環(huán)境因子動(dòng)態(tài)變化成因分析吹填 Ⅰ 區(qū)和吹填 Ⅱ 區(qū)內(nèi)水體葉綠素a 平均含量較高的原因可能是圍隔的封閉以及與湖灣水體交換緩慢造成。另外，吹填底泥較短時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定性差，易受到風(fēng)浪的劇烈作用，使底泥中營養(yǎng)鹽釋放再懸浮，也可能造成浮游藻類的大量生長。海河是福保灣的主要納污河流之一，也是接納周邊污染物的主要通道之一，水質(zhì)屬于劣Ⅴ類，每年向湖灣排放大量氮、磷等污染物，而吹填 Ⅰ 區(qū)的北側(cè)正對(duì)海河口，致使該區(qū)內(nèi)水中氮、磷含量較高，為浮游植物的大規(guī)模生長提供了營養(yǎng)基礎(chǔ)。

每年5～10月是云貴高原地區(qū)的雨季，大量降水通過海河匯入福保灣，對(duì)福保灣水體尤其是正對(duì)海河口的吹填 Ⅰ 區(qū)造成影響，造成水體pH降低，進(jìn)而影響水體中的無機(jī)碳濃度。這可能是造成吹填Ⅰ區(qū)水體中總可溶性無機(jī)碳、HCO3-和CO2平均含量較高，CO32-平均含量和pH最低的主要原因。

湖水pH是湖泊及其流域各種自然地理因素綜合作用的結(jié)果。在正常天然湖水中，氫離子濃度主要取決于湖水的CO32-、HCO3-、CO2的對(duì)比關(guān)系。CO2是浮游藻類進(jìn)行光合作用的原料，其繁殖速度很快，尤其是藍(lán)綠藻消耗CO2的速度迅速，以至于難以與大氣中的CO2平衡，使pH升高到9或更高[8]。這與該研究監(jiān)測數(shù)據(jù)相符，2007年3～12月福保灣水體pH為8.1～9.3，最高達(dá)10.3。

影響水體無機(jī)碳濃度的一個(gè)重要因素是pH的變動(dòng)與滇池流域廣泛分布的碳酸鹽巖石在適宜的水文地質(zhì)及構(gòu)造條件下發(fā)生的巖溶作用有關(guān)，由于碳酸鹽巖石在水中的分解造成水體HCO3-和OH-含量較高，導(dǎo)致滇池水體偏堿性[9]。研究表明，高pH (>8)更有利于原核藻類的生長[10]，滇池水體的堿性環(huán)境有利于原核生物藍(lán)藻的生長，一旦其生長的其他條件滿足即可暴發(fā)水華。由此可見，水體無機(jī)碳源與pH是影響浮游藻類生長繁殖和生物量積累的重要條件[11-12]。

圖3　2007年3～12月滇池福保灣水體無機(jī)碳、水溫和pH的變化情況Fig.3　Changes in inorganic carbon,water temperature and pH in Fubao Bay,Dianchi Lake during Mar.-Del.2007

指標(biāo)Indexs葉綠素aChlorophylla吹填Ⅰ區(qū)HydraulicreclamationIregion非吹填區(qū)Nonreclamationregion吹填Ⅱ區(qū)HydraulicreclamationIIregion好望角CapeofGoodHopeDIC-0.029-0.556*-0.632*-0.532*HCO3--0.057-0.525*-0.632*-0.550*CO2-0.307-0.709**-0.694**-0.718**CO32-0.584*0.893**0.817**0.918**pH0.4220.728**0.637*0.614*水溫Watertemperature0.4770.4410.4920.556*

注：*表示顯著相關(guān)(P<0.05)；**表示極顯著相關(guān)(P<0.01)。

Note：* stands for significant correlation(P<0.05); ** stands for extremely significant correlation(P<0.01).

3.2水體浮游藻類與無機(jī)碳等環(huán)境因子相關(guān)性分析趙夢緒等[13]研究表明，湯溪水庫在7月大規(guī)模藍(lán)藻水華發(fā)生時(shí)，藍(lán)藻的豐度與pH呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。這與筆者研究得出的結(jié)論相一致。湖水pH呈現(xiàn)隨藻類生長而顯著增高的趨勢，主要是由于藻類特別是藍(lán)藻光合作用消耗CO2，大部分藍(lán)藻還可以利用HCO3-作為光合無機(jī)碳源，使湖水中溶解無機(jī)碳的濃度降低，水中H+濃度減少，最終導(dǎo)致pH升高[14]。水中3種無機(jī)碳源相互轉(zhuǎn)化遵守化學(xué)平衡方程：

CO2+ H2O = H++ HCO3-；HCO3-= H++ CO32-

根據(jù)化學(xué)平衡移動(dòng)原理，藻類光合作用吸收利用水中溶解的CO2，使3種碳源相互轉(zhuǎn)化的化學(xué)平衡發(fā)生移動(dòng)，結(jié)果是H+濃度降低和CO32-濃度相對(duì)升高，最終引起pH升高。藍(lán)藻水華的暴發(fā)和水中無機(jī)碳源CO2和HCO3-濃度的降低，正好體現(xiàn)了水體葉綠素a濃度與水中無機(jī)碳源CO2和HCO3-濃度的負(fù)相關(guān)性關(guān)系。

在富營養(yǎng)型水體中，水體pH主要受生物過程的控制，王志紅等[15]關(guān)于水庫富營養(yǎng)化進(jìn)程和pH的相關(guān)性的研究表明，富營養(yǎng)化進(jìn)程中，特別是在水華暴發(fā)階段，水體中上層區(qū)域pH快速上升，同時(shí)每天的pH波動(dòng)也較大。可見，浮游藻類的生命活動(dòng)對(duì)水體pH上升有一定促進(jìn)作用。

溫度與浮游植物的生長關(guān)系密切，水華藍(lán)藻的豐度及其葉綠素a濃度均與水溫具有顯著的正相關(guān)關(guān)系，較高的水溫有利于藍(lán)藻成為優(yōu)勢種群和藍(lán)藻水華的暴發(fā)[16-21]。這與筆者研究得出的結(jié)論相一致，表明水溫對(duì)藍(lán)藻生長具有明顯的控制作用。

4　結(jié)論

(1)在營養(yǎng)鹽相對(duì)充足的水體中，受水體溫度升高的驅(qū)

使，水體中CO2、HCO3-和CO32-濃度的劇烈變化直接與浮游藻類的快速生長有關(guān)。由于大氣CO2的擴(kuò)散速率難以滿足藻類對(duì)碳的利用速率，藍(lán)藻的大規(guī)模生長降低了水體中CO2和HCO3-濃度，導(dǎo)致水體可利用無機(jī)碳水平極低。

(2)當(dāng)水體處于無機(jī)碳限制的條件下，藍(lán)藻更容易生長，進(jìn)而形成優(yōu)勢種群，演替為藍(lán)藻水華。受水體無機(jī)碳限制與藍(lán)藻水華遮陰的雙重作用，可能又直接導(dǎo)致了沉水植物的消亡，加劇了水體的富營養(yǎng)化進(jìn)程。

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Study on the Correlation between Dissolved Inorganic Carbon(DIC) Content and Cyanobacterial Blooms in Fubao Bay,Dianchi Lake

ZHANG Yan-hui1,KUANG Wu1,YANG Shao2

(1.Anhui Research Academy of Environmental Science,Hefei,Anhui 230022; 2.College of Life Sciences,Central China Normal University,Wuhan,Hubei 430079)

[Objective] The aim was to explore the change of inorganic carbon in water during the process of outbreak to extinction of cyanobacterial bloom,to provide basis for formulating effective control measures of cyanobacterial bloom.[Method] Inorganic carbon and planktonic algae concentration in water body of Fubao Bay ecological restoration area in Dianchi Lake was analyzed,temporal and spatial dynamic change and relevant influencing factors of DIC in eutrophic water body were studied.[Result] The results indicated that the concentration of chlorophyll a was extremely significant positive correlated with CO32-(P<0.01) and pH values(P<0.05); and the concentration of chlorophyll a was extremely significant negative correlated with CO2(P<0.01),DIC and HCO3-(P<0.05).[Conclusion] The outbreak and extinction of cyanobacterial bloom is an important reason for the drastic change of inorganic carbon form and concentration.

Dianchi Lake; Dissolved inorganic carbon(DIC); Cyanobacterial bloom

國家“水體污染控制與治理”科技重大專項(xiàng)(2012ZX07103-003，2012ZX07103-004)。

張彥輝(1981- )，男，河北石家莊人，工程師，從事水污染控制研究。

2016-07-22

S 181;X 52

A

0517-6611(2016)22-060-03