南水北調(diào)中線總干渠葉綠素a與藻密度相關(guān)性研究

摘要：葉綠素a濃度和藻細胞密度是表征藻類生物量的兩種不同方法。為了分析南水北調(diào)中線總干渠葉綠素a與藻密度的相關(guān)關(guān)系，在干渠內(nèi)（動態(tài)條件）和干渠旁（靜態(tài)條件）設置斷面進行了采樣，依據(jù)實測數(shù)據(jù)分析了葉綠素a和藻密度的變化情況及相關(guān)性。結(jié)果表明：動態(tài)條件下，葉綠素a濃度與藻密度的變化趨勢基本一致，兩者之間具有顯著的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.88 ～0.90;單一優(yōu)勢藻種水體中葉綠素a濃度與藻密度存在顯著正相關(guān)性，r>0.95;優(yōu)勢藻種的更替變化會導致葉綠素a濃度與藻密度的相關(guān)性下降;動態(tài)條件轉(zhuǎn)為靜態(tài)條件時，空間和水文要素發(fā)生變化，將導致藻種、藻密度及葉綠素a濃度發(fā)生變化，并影響藻密度和葉綠素a濃度之間的相關(guān)性。研究成果有利于有關(guān)部門掌握南水北調(diào)中線工程引水水質(zhì)的變化，可為沿線用水戶提供更好的服務。

關(guān)鍵詞：葉綠素a; 藻密度; 野外監(jiān)測; 相關(guān)性分析; 南水北調(diào)中線

中圖法分類號：X52文獻標志碼： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.02.012

水是基礎性自然資源，是國民經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展的重要保證[1]。南水北調(diào)工程作為一項國家戰(zhàn)略性基礎工程，為解決我國南北方地區(qū)水資源分布不均，尤其是華北地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展與水資源短缺這一矛盾具有重大戰(zhàn)略意義。其中，中線工程承擔著為京、津、冀、豫4省市調(diào)水的任務，總干渠全長1 432 km，跨越長江、淮河、黃河、海河四大流域。

中線總干渠是一條人工開挖的渠道，通水時間較短，尚未建立起適應干渠環(huán)境的成熟穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)。自2014年12月中線工程通水以來，總干渠出現(xiàn)了藻類異常增殖現(xiàn)象，2015年1～12月份的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)表明：總干渠藻密度為57萬至2 960萬cells/L，以針桿藻、小環(huán)藻等微型藻為主要優(yōu)勢種，在5月8日發(fā)生密度最高值的邯鄲永年縣侯莊斷面，為2 960萬cells/L;葉綠素最高值為7月6日的劉灣斷面，監(jiān)測值為34 μg/L，隨著通水時間延長，2016年藻密度有明顯下降。大規(guī)模藻類增殖，影響水色感官，對總干渠沿線水廠的處理工藝造成沖擊，增加供水成本。該問題受到中線工程管理單位、沿線水廠和廣大公眾的普遍關(guān)注。因此，開展總干渠藻類指標監(jiān)測，實時監(jiān)控藻類異常增殖現(xiàn)象的演變態(tài)勢，尤其是避免因發(fā)生“水華”而導致的供水中斷事故，顯得尤為重要。

通常而言，表征浮游植物生物量的指標有葉綠素a濃度和藻密度兩種。藻密度是指單位水體中藻細胞的個數(shù)，該方法比較直觀，但檢測過程費時費力。葉綠素a是藻細胞的重要組成部分，其濃度是指單位水體中葉綠素a的質(zhì)量，該方法是一種間接指示方法，隨著分光光度計法的發(fā)展，分析過程相對簡單，也逐步成為水質(zhì)評價的一項指標。葉綠素a含量的高低與水體中藻類的種類、數(shù)量等密切相關(guān)[3]。建立葉綠素a與藻密度之間的相關(guān)關(guān)系，是目前研究的熱點。于海燕等分析了微囊藻為優(yōu)勢種的藻密度與葉綠素a之間的關(guān)聯(lián)性，并得出直線回歸方程[4]。杜勝藍等采用室內(nèi)試驗、現(xiàn)場圍隔實驗和天然水體監(jiān)測等方法分析了潘家口水庫葉綠素a和藻密度之間的相關(guān)關(guān)系[5]。季振剛等建立了葉綠素a與藻密度的換算關(guān)系式，并被用于水體富營養(yǎng)化預測模型中[6]。

本文借助于2015年全年南水北調(diào)中線總干渠內(nèi)流動水體和靜止水體中藻密度和葉綠素a濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用線性相關(guān)分析等手段，探討總干渠輸水過程中葉綠素a濃度和藻密度之間的相關(guān)性，為相關(guān)數(shù)據(jù)的驗證和防控總干渠水華風險提供技術(shù)支持。

1實驗方法

1.1實驗方案

試驗方案分為動態(tài)方案和靜態(tài)方案：

（1） 在總干渠輸水的動態(tài)條件下，在總干渠內(nèi)選取4個具有代表性的水質(zhì)監(jiān)測斷面，定期對葉綠素a濃度和藻密度等指標進行檢測分析，研究動態(tài)條件下葉綠素a濃度和藻密度等生物監(jiān)測指標間的關(guān)聯(lián)性，并篩選出一個斷面，詳細分析不同優(yōu)勢藻種的葉綠素a和藻密度之間的相關(guān)關(guān)系。

（2） 在試驗室靜置水體的靜態(tài)條件下，在總干渠附近設置一個梯型斷面蓄水池，將總干渠的水引入池內(nèi)使其充滿，實驗期間不進行水體交換，研究靜態(tài)條件下葉綠素a濃度和藻密度等生物監(jiān)測指標間的關(guān)聯(lián)性。

1.2采樣方法

用于葉綠素a濃度分析的水樣，根據(jù)《水質(zhì) 葉綠素的測定 分光光度法》（SL88-2012）標準要求[7]，在各監(jiān)測斷面分別采集1 000 mL水樣保存于棕色玻璃瓶中，并加入1 mL 1%碳酸鎂懸濁液，以防止酸化引起葉綠素a溶解。樣品采集后立即送實驗室用直徑為47 mm的0.7 μm玻璃纖維濾膜過濾，并將濾膜在-20 ℃以下的冰箱內(nèi)保存。

用于藻密度分析的水樣，根據(jù)《內(nèi)陸水域浮游植物監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》（SL733-2016）要求[8]，用采水器在水面下0.5 m處采集水樣1 000 mL，并加人10～15 mL魯哥氏液充分搖勻固定后，送實驗室進行觀測分析。

1.3監(jiān)測頻次

動態(tài)方案條件下，3個斷面（斷面1、斷面2、斷面3）自2015年1月1日至12月29日，每周采樣監(jiān)測一次;另外一個斷面（斷面4）自5月24日至11月24日開展夏秋兩季監(jiān)測，每周采樣監(jiān)測一次。靜態(tài)方案條件下，自2015年8月20日至11月26日每周采樣監(jiān)測一次。

1.4樣品分析方法

（1） 葉綠素a分析方法。根據(jù)《水質(zhì) 葉綠素的測定 分光光度法》（SL88-2012）要求，取定量體積的混勻水樣進行孔濾膜抽濾，抽濾時負壓不超過20 kPa，逐漸減壓，在水樣剛剛完全通過濾膜時結(jié)束抽濾。用濾紙吸干孔濾膜剩余水分;然后將過濾后的濾膜放入玻璃離心管中，并放入-40 ℃低溫冰箱中冷凍20 min，室溫中放置5 min;向離心管中加入10 mL 90%丙酮酸液，劇烈搖震;將離心管放入離心機中，以3 500 r/min的速度離心15 min。將離心后的上清液倒入1 cm比色皿中，以90%丙酮酸液做參比，分別在750，664，647，630 nm波長處測定吸光度值。

（2） 藻密度分析方法。將樣品充分搖勻，用移液器汲取0.1 mL樣品，移入計數(shù)框內(nèi)。移入之前將蓋玻片斜蓋在計數(shù)框上，在計數(shù)框中一邊進樣，另一邊出氣，避免氣泡產(chǎn)生，注滿后把蓋玻片移正。計數(shù)標本片制成之后，稍等幾分鐘，讓浮游植物沉至框底，然后在40～600倍光學生物顯微鏡下計數(shù)。

2實驗結(jié)果與分析

2.1動態(tài)條件下葉綠素a濃度與藻密度長期變化分析

以3個斷面2015年全年監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎，繪制葉綠素a和藻密度隨時間的變化曲線，見圖1～3。

由圖1～3可以看出，在動態(tài)條件下，各監(jiān)測斷面藻類密度及葉綠素a濃度變化趨勢基本一致。隨著溫度升高，葉綠素a濃度和藻密度均呈逐漸上升趨勢，在春夏季節(jié)交替時，出現(xiàn)一次快速上升期;進入夏季后，葉綠素a濃度和藻密度雖略有上升，但基本保持穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)較大波動;在夏秋季節(jié)交替時，葉綠素a濃度和藻密度均快速升高，出現(xiàn)一次極值，達到全年最高值。此后，隨著溫度逐漸降低，葉綠素a濃度與藻密度也呈現(xiàn)不斷下降趨勢。

總體來看，動態(tài)條件下，各監(jiān)測斷面水中葉綠素a濃度與藻密度的變化趨勢是一致的?？梢娙~綠素a濃度和藻密度兩個參數(shù)都可以用作“水華”預警的表征參數(shù)[9]。

2.2動態(tài)條件下葉綠素a濃度與藻密度相關(guān)性

通過對不同斷面葉綠素a濃度和藻密度全年監(jiān)測數(shù)據(jù)可得其相關(guān)關(guān)系見圖4～6。

由回歸關(guān)系曲線可知，從全年監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，總干渠內(nèi)不同監(jiān)測斷面的葉綠素a濃度與藻密度之間具有顯著的相關(guān)性。這是因為南水北調(diào)總干渠通水時間較短，尚未形成完善的生態(tài)環(huán)境，水質(zhì)良好，營養(yǎng)化程度低，生物多樣性較少，水體中優(yōu)勢藻種更替不太明顯，藻密度增加時葉綠素a濃度也同比例增加，因而藻密度與葉綠素a濃度間呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系。這與于海燕等[4]研究結(jié)果和杜勝藍等[5]對天然水體研究結(jié)果類似。

2.3動態(tài)條件下不同優(yōu)勢藻種時葉綠素a濃度與藻密度相關(guān)性

優(yōu)勢藻種是藻類群落中最具代表性的種類，也是最能反映出水質(zhì)狀況的指標之一[2]。根據(jù)斷面4的監(jiān)測結(jié)果，6月2日至7月28日優(yōu)勢藻種為脆桿藻，8月1日至11月24日優(yōu)勢藻種為舟形藻。分別對以上時段和全時段內(nèi)葉綠素a濃度和藻密度的相關(guān)性進行回歸分析，見圖7～9。

由圖7和圖8可以看出，當優(yōu)勢藻種穩(wěn)定單一，葉綠素a濃度與藻密度存在顯著正相關(guān)性。這與有關(guān)人員在天然水體中得到的研究結(jié)論相同[10]。但從整個監(jiān)測時間段分析，由于不同季節(jié)優(yōu)勢藻種的更替變化，導致葉綠素a濃度與藻密度的相關(guān)性下降，見圖9。因此，優(yōu)勢藻種的變化在一定程度上會影響葉綠素a濃度與藻密度的相關(guān)性。

2.4靜態(tài)條件下葉綠素a濃度與藻密度變化分析

對試驗池內(nèi)（靜態(tài)條件下）葉綠素a濃度和藻密度監(jiān)測數(shù)據(jù)作圖，見圖10～11。

由圖10～11可知，當流動水體變?yōu)殪o止水體時，適應于干渠內(nèi)流動水體環(huán)境的藻類，在進入試驗池內(nèi)，由于空間和水文要素發(fā)生變化，大多數(shù)藻種無法適應而死亡使得藻密度急劇下降。隨后各藻類進入一個生長調(diào)整期，在此階段，不同藻類競相適應新的環(huán)境。適應環(huán)境的藻類數(shù)量不斷增加，但葉綠素a濃度的增加趨勢相對不太明顯，兩者之間相關(guān)性也相對較低。這可能是由于水體中藻種較多，沒有明顯優(yōu)勢種造成的。隨著溫度降低，藻密度和葉綠素a均明顯下降，并逐漸趨于穩(wěn)定。

3結(jié)論與建議

（1） 動態(tài)條件下，總干渠內(nèi)各監(jiān)測斷面水體中葉綠素a濃度與藻密度的變化趨勢基本一致。葉綠素a濃度和藻密度兩個參數(shù)都可以用作“水華”預警的表征參數(shù)。

（2） 總干渠內(nèi)不同監(jiān)測斷面的葉綠素a濃度與藻密度之間具有顯著的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)大于0.8。

（3） 當優(yōu)勢藻種穩(wěn)定單一，葉綠素a濃度與藻密度存在顯著正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)大于0.90。當優(yōu)勢藻種發(fā)生更替變化時，會導致葉綠素a濃度與藻密度的相關(guān)性下降。

（4） 由動態(tài)條件轉(zhuǎn)為靜態(tài)條件，空間和水文要素發(fā)生變化會影響藻種、藻密度及葉綠素a濃度的變化，同時也會影響藻密度和葉綠素a濃度之間的相關(guān)性。

（5） 由于夏、秋季節(jié)藻密度和葉綠素a濃度較冬、春季節(jié)高，建議夏、秋季節(jié)加強藻類和葉綠素a等生物指標監(jiān)測，冬、春季節(jié)可適當降低監(jiān)測頻次。

參考文獻：

[1]劉波，崔莉鳳，劉載文.北京市城區(qū)地表水體葉綠素a與藻密度相關(guān)性研究[J].環(huán)境科學與技術(shù)，2008，31（8）：29-33.

[2]馮佳.汾河上游浮游植物及水質(zhì)評價[M].北京：海洋出版社，2016.

[3]金相燦.中國湖泊環(huán)境（第一冊）[M].北京：海洋出版社，1995.

[4]于海燕，周斌，胡尊英，等.生物監(jiān)測中葉綠素a濃度與藻類密度的關(guān)聯(lián)性研究[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2009，25（6）：40-43.

[5]杜勝藍，黃歲樑，藏常娟，等.浮游植物現(xiàn)存量表征指標間相關(guān)性研究Ⅱ：葉綠素a與藻密度[J].水資源與水工程學報，2011，22（2）：44-49.

[6]季振剛著，李建平，譯. 水動力學和水質(zhì)——河流湖泊及河口數(shù)值模擬[M].北京：海洋出版社，2012.

[7]SL88-2012水質(zhì)葉綠素的測定 分光光度法[S].北京：中國水利水電出版社，2012.

[8]SL733-2016內(nèi)陸水域浮游植物監(jiān)測技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國水利水電出版社，2016.

[9]An Y J，Kampbell D H.Monitoring Chlorophyll a as a measure of algae in Lake Texoma Marinas[J].Bul1.Environ.Contam.Toxicol，2003（70）：606- 611.

[10]于海燕，張水浸，許昆燦，等.廈門西港區(qū)一次赤潮的觀測[J].海洋學報，1988，10（5）：602-608.

引用本文：田勇.南水北調(diào)中線總干渠葉綠素a與藻密度相關(guān)性研究[J].人民長江，2019，50（2）：65-69.

Study on correlation of Chlorophyll-a and Algal density in main canal of Middle Route of South-to-North Water Diversion Project

TIAN Yong

（The Construction and Administration Bureau of South-to-North Water Diversion Middle Route Project， Beijing 100038， China）

Abstract： The Chlorophyll-a concentration and Algal density can represent biomass of algal. In order to study the correlation between Chlorophyll-a concentration and Algal density in the main canal of Middle Route Project of South-to-North Water Diversion， the monitoring cross-sections were set in the main canal （dynamic condition） and stilling pool （static condition） beside the canal. The variation condition and correlation of Chlorophyll-a and Algal density were studied according to the monitored data. The results showed that in dynamic condition， the variation tendencies of Chlorophyll-a concentration and Algal density showed significant ?correlation， correlation coefficients were 0.88～0.90; Chlorophyll-a and Algal in water containing with single dominant specie had significant positive correlation，r>0.95; the change of dominant algal resulted in the decrease of correlation between Chlorophyll-a concentration and algal density; when dynamic conditions changed to static conditions， the changing spatial and hydrological factors influenced the correlation between Chlorophyll-a concentration and Algal density. The study results will help the relative departments to understand the water quality variation of diverted water by Middle Route Project of South-to-North Water Diversion and supply better service for water users along the route.

Key words：Chlorophyll-a; algal density; field monitoring; correlation analysis; Middle Route of South-to North Water Diversion Project