山仔水庫浮游植物群落特征及水體富營養(yǎng)化研究

陸建芳

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山仔水庫浮游植物群落特征及水體富營養(yǎng)化研究

陸建芳

福州市環(huán)境監(jiān)測中心站

對山仔水庫2016年7～9月藍藻水華發(fā)生期間浮游藻類及部分理化指標進行了監(jiān)測，采用克里金空間插值得到葉綠素a空間分布，采用浮游植物細胞密度指示法和TLI(∑)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評價法對庫區(qū)2016年7～9月營養(yǎng)狀況進行評價，探討了浮游植物群落、葉綠素a含量與水體富營養(yǎng)化之間的關系。結果表明，2016年7～9月山仔水庫浮游植物種類以綠藻門為主，藍藻門的微囊藻和銅綠微囊藻在種群數(shù)量上占絕對優(yōu)勢，葉綠素a空間分布結果和TLI(∑)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)結果都顯示，2016年7月七里和皇帝洞、2016年9月皇帝洞水質為輕度富營養(yǎng)化，其它監(jiān)測時間水體為中營養(yǎng)，監(jiān)測點位營養(yǎng)化程度為：皇帝洞>七里>日溪>庫心>壩前。

山仔水庫 浮游植物群落 富營養(yǎng)化 葉綠素a 空間插值

1 概述

湖泊水庫富營養(yǎng)化問題是當前世界范圍內普遍關注的水環(huán)境問題之一，特別是作為飲用水源的湖泊水庫的富營養(yǎng)化，直接威脅到人們的飲水安全[1]。富營養(yǎng)化過程實際是水體中營養(yǎng)物質增加，水生生物特別是浮游藻類大量增殖, 并在水中建立優(yōu)勢的過程[2]。所以浮游藻類的種類組成和數(shù)量變化是水體富營養(yǎng)化的重要指標之一[3]，水體中葉綠素 a是浮游植物現(xiàn)存量的重要指標，其含量的高低能夠反映水體的營養(yǎng)狀況。因此，葉綠素a常作為湖泊富營養(yǎng)化調查的一個主要參數(shù)，在水體富營養(yǎng)狀況評價中起關鍵性作用[4]。目前，被廣泛采用的水體富營養(yǎng)狀況評價方法，主要是從水質、水生生物以及沉積物 3 個方面來進行，所采用的評價方法可概括為六大類型，即特征描述法、參數(shù)法、生物指示評價法、磷收支模型法、營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法和數(shù)學分析法[5-7]，其中生物指示評價法簡單、方便、可以直觀評價水體的富營養(yǎng)化狀況[8]，而基于葉綠素a等多因子的TLI(∑)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法是目前最常用的湖泊水庫富營養(yǎng)化評價方法[9]。

本文研究對象山仔水庫位于敖江中游，水庫呈長條不規(guī)則狀分布，水庫總庫容1.723億m3，調節(jié)庫容1.064億m3，為福州市第二飲用水源。近年來，由于人為活動對庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的破壞，使得該水庫水體富營養(yǎng)化污染特征明顯，夏秋季時有藍藻水華發(fā)生，給城市供水質量造成安全隱患[2]。本研究選擇在藍藻水華易發(fā)的夏季（7～9月）對庫區(qū)浮游藻類及部分理化指標進行監(jiān)測，其中，7月增加監(jiān)測點位，補充監(jiān)測葉綠素a含量，應用地學統(tǒng)計中的空間插值方法，直觀呈現(xiàn)葉綠素a的空間分布。探討浮游植物群落、葉綠素a含量及水體富營養(yǎng)化之間的關系，旨在為山仔庫區(qū)藻類及水體富營養(yǎng)化研究提供基礎資料，以期為水華預警和防治提供參考。

2 研究方法

2.1 采樣點位和頻次

在山仔水庫布設5個固定采樣點位，分別為壩前（出口）、庫心、七里（進口）、日溪（支流進口）、皇帝洞。于2016年7月5日、8月1日和9月2日采樣，其中7月5日除固定5個點位外增加10個補充監(jiān)測點。

2.2 樣品采集和處理

樣品采集方法依據(jù)《湖泊生態(tài)調查觀測與分析》[10]進行。

水質監(jiān)測項目主要有pH、水溫（WT）、溶解氧（DO）、葉綠素a（Chl a）、透明度（SD）、總氮（TN）、氨氮（NH4-N）、硝酸鹽氮（NO3-N）、總磷（TP）、可溶性正磷酸鹽（PO43--P）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn），分析方法依據(jù)《水和廢水監(jiān)測分析方法（第四版）》[11]。

浮游植物定量采集0.5m水深的表層水，取1L水樣置于塑料瓶中，現(xiàn)場用魯哥氏液固定，樣品帶回實驗室后靜置沉降48 h，沉淀濃縮后用浮游植物計數(shù)框計數(shù)。

3 數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計

3.1 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)

采用國家環(huán)境保護部推薦方法，以chl的狀態(tài)指數(shù)TLI（chl a）為基準，選取TN、TP、SD、CODMn等4個參數(shù)的狀態(tài)指數(shù)，同TLI（chla）一起進行相關加權綜合。

綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計算式：

TLI(chl a)＝10(2.5+ 1.086 lnchl a)；

TLI(TP)＝10(9.436+1.624 lnTP)；

TLI(TN)＝10(5.453+1.694 lnTN)；

TLI(SD)＝10(5.118-1.94 lnSD)；

TLI(CODMn)＝10(0.109+2.661 lnCODMn)。

結果參照湖泊營養(yǎng)狀態(tài)分級指標：TLI(∑)<30表示貧營養(yǎng)，30≤TLI(∑)≤50表示中營養(yǎng)，TLI(∑)>50表示富營養(yǎng)，5070重度富營養(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。

3.2葉綠素a含量空間插值

本文選取克里金插值法進行山仔水庫葉綠素a的空間分布研究?？死锝穑↘ringing）插值法是空間插值最優(yōu)方法[12]，它是基于空間結構分析后的理論變差函數(shù)模型，認為推測值和已知值具有空間上的相關性，這種相關性隨空間屬性（距離和方向）的變化而變化。當確定一個已知值的有效影響距離后，確定有效影響范圍，基于變差函數(shù)模型，根據(jù)有效范圍內的已知值（實測葉綠素 a 濃度值）來推測待插值點的葉綠素 a 的濃度。這種方法尋求最小方差，是空間插值方法中最優(yōu)的選擇[13]。

本實驗所有數(shù)據(jù)均采用Excel 2003錄入、圖表處理和結果統(tǒng)計分析。葉綠素a空間插值應用ArcGIS地理統(tǒng)計分析 Geostatistical Analyst 模塊完成。

4 結果與分析

4.1 浮游植物種群特征

2016年7月～9月，庫區(qū)各采樣點共鑒定出浮游植物7個門41屬57種, 門類涵蓋藍藻門、硅藻門、裸藻門、隱藻門、綠藻門、甲藻門和金藻門。裸藻門和金藻門分別只在8月、9月出現(xiàn)。從種類上看（圖1），綠藻門的種類遠高于其他門類，共鑒定出22種；其次為硅藻門和藍藻門，分別鑒定出9種和7種；甲藻門、裸藻門和金藻門種數(shù)較少。各月份種類組成略有不同，優(yōu)勢種以藍藻門的銅綠微囊藻、魚腥藻出現(xiàn)時間最長。

圖1 山仔水庫浮游植物種類組成

從浮游植物種群數(shù)量組成上看，監(jiān)測各月，藍藻門均占絕對優(yōu)勢，其次是綠藻門和硅藻門。由圖2可知，7月，藍藻門數(shù)量占到了99.9%，其中以微囊藻和銅綠微囊藻的數(shù)量最多。8月和9月綠藻門比重增大，分別為4.36%和4.78%，優(yōu)勢種為鼓藻和美麗網球藻，但此時浮游植物總數(shù)僅為5.18×105個/L和5.01×105個/L。總體來看，夏季各月山仔水庫雖然綠藻門出現(xiàn)的種類數(shù)最多，但其在數(shù)量上并不占優(yōu)勢，所以山仔水庫夏季浮游植物組成是以藍藻為主的類型。

圖2 各門類浮游植物種群數(shù)量百分比

4.2 富營養(yǎng)化等級評價

本文分別采用浮游植物細胞密度評價法和TLI(∑)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評價法，評價了監(jiān)測期間5個固定點位的水體富營養(yǎng)化狀況，結果見表1、表2。可以看出，兩種評價方法的結果存在差異，各點位應用TLI(∑)評價法的評價等級均高于浮游植物細胞密度指示評價法，TLI(∑)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評價法是基于葉綠素a的多因子評價指數(shù)，較單因子的浮游植物細胞密度評價法而言，能更為客觀、全面地反映水體水質。兩種評價方法中，庫區(qū)各點位間綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)等級比較，總體趨勢均為：皇帝洞>七里>日溪>庫心>壩前。

表1 浮游植物細胞密度指示評價法

表2 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評價法

一般認為，水庫富營養(yǎng)化同庫區(qū)外源性污染物輸入和內源性污染物釋放關系密切。山仔水庫每年夏季藍藻水華高發(fā)，主要由于季節(jié)變換時期，水溫回升，水中微生物分解速率加快，向水體釋放更多的營養(yǎng)元素，促使藻類進入生長旺季。不同空間點位富營養(yǎng)化程度存在差異，則可能與汛期降雨徑流影響，導致上游村莊的外源污染物入庫有關。七里、皇帝洞位于水域上游淺水區(qū)，氮磷等外源營養(yǎng)物沖刷入庫后使水中藻類迅速繁殖，所以較壩前等出口位置更具富營養(yǎng)化風險。為防控山仔水庫富營養(yǎng)化污染，保證水源地安全，福州市開展整治畜禽養(yǎng)殖污染、控制工業(yè)企業(yè)污染、加強庫區(qū)周邊農村環(huán)?；A設施等行動，并于2009年起采取生態(tài)養(yǎng)魚防控藻類，每年投放鰱魚、鳙魚，在山仔水庫內形成藻類消納氮、磷等物質，魚吃藻的良性生態(tài)循環(huán)，優(yōu)化水庫水生系統(tǒng)。客觀上看，山仔水庫近幾年藻類水華暴發(fā)頻次降低，富營養(yǎng)化程度有所改善，但是根據(jù)歷年監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，庫區(qū)藻類數(shù)量通常從5月開始增加，7月達到頂峰，個別點位依然伴有藍藻水華發(fā)生，9月后隨著水溫降低，藻類繁殖力降低。2016年夏季監(jiān)測結果也符合這一規(guī)律。用兩種富營養(yǎng)化評價法評價，結果均表明，7月水體富營養(yǎng)化程度高于8、9月。TLI(∑)指數(shù)顯示，七里和皇帝洞點位在7月已達到輕度富營養(yǎng)化水平，所以入夏時節(jié)對水庫藻類水華暴發(fā)仍需重點關注。

4.3 葉綠素a濃度的反演與分析

應用克里金空間插值法對7月山仔水庫葉綠素a含量進行插值模擬，得到當日山仔水庫葉綠素a的空間分布，如圖3所示?？梢钥闯觯~綠素a含量在空間分布上具有一定的分異性?？傮w上看，進口的皇帝洞和七里葉綠素a含量高，庫心次之，出口壩前葉綠素a含量最低。對照4.2中，7月七里和皇帝洞的浮游植物細胞濃度均為107個/L數(shù)量級，而綜合營養(yǎng)狀態(tài)均為輕度富營養(yǎng)級別，葉綠素a含量最低的壩前浮游植物細胞濃度及綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)也均最低，表明空間插值法得到的葉綠素a含量空間分布較好地吻合了庫區(qū)各點位富營養(yǎng)化的狀態(tài)。

圖3 山仔水庫7月葉綠素a含量空間分布

5 結論

（1）監(jiān)測期間（2016年7～9月），共鑒定出7個門41屬57種浮游植物。其中，綠藻門種數(shù)最多，硅藻門和藍藻門次之；藍藻門種群數(shù)量占絕對優(yōu)勢，優(yōu)勢種為微囊藻和銅綠微囊藻。

（2）浮游植物細胞密度指示法和TLI(∑)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評價法對庫區(qū)的營養(yǎng)狀況評價存在差異，但庫區(qū)各監(jiān)測點位的富營養(yǎng)化程度總體趨勢均為：皇帝洞>七里>日溪>庫心>壩前。TLI(∑)指數(shù)顯示夏季庫區(qū)已出現(xiàn)輕度富營養(yǎng)化情況，需加大藻類水華關注力度。

（3）各監(jiān)測點位葉綠素a含量總體趨勢為：七里>皇帝洞>庫心>日溪>壩前，較好地吻合了庫區(qū)各點位富營養(yǎng)化狀態(tài)的分布。空間插值得到的葉綠素a含量空間分布比單純采樣數(shù)據(jù)更直觀、有效，便于分析和研究，但如何更精確地確定插值的系列參數(shù)，使得插值得出的預測表面與真實值更為接近，如何更好地應用地學統(tǒng)計方法，更精確地描述葉綠素a等水質參數(shù)的空間分布狀況，為水華預警和防治提供科學參考，需要進一步的探究。

（4）采用克里金空間插值得到葉綠素a空間分布結果與TLI(∑)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)結果都顯示，2016年7月七里和皇帝洞、2016年9月皇帝洞水質為輕度富營養(yǎng)化，其它監(jiān)測時間水體為中營養(yǎng)。

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