天津于橋水庫(kù)嗅味物質(zhì)來(lái)源及變化原因分析

李 榮，賈霞珍，胡建坤，張旭東，蘇 曉，何興東

（1.天津水務(wù)集團(tuán)有限公司，天津 300200；2.天津市自來(lái)水集團(tuán)有限公司，天津 300040；3.南開大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，天津 300071）

于橋水庫(kù)是為解決天津城市用水短缺問題而建的跨流域引灤入津供水工程下游的一座調(diào)蓄水庫(kù)，是天津市居民生活飲用水和工農(nóng)業(yè)用水重要的水源地.近年來(lái)，于橋水庫(kù)水域受周圍農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)及養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的影響，氮磷等物質(zhì)大量流入水體，造成水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化，庫(kù)內(nèi)藻類急劇繁殖[1]，尤其每年的7—9月份藍(lán)藻爆發(fā)時(shí)，各類產(chǎn)嗅藻數(shù)量激增，分泌大量的土臭素（geosmin，GSM）和2-甲基異莰醇（2-methylisocamphe-nol，2-MIB）等次生代謝產(chǎn)物，其質(zhì)量濃度在10 ng/L以上時(shí)就能引發(fā)嗅味[2].2017年6—7月份于橋水庫(kù)出現(xiàn)了以土臭素為主的致嗅物質(zhì)，含量高達(dá)每升數(shù)千納克，2018年夏季以來(lái)，水庫(kù)水中的土臭素和2-MIB始終保持在較高濃度，12月份2-MIB的質(zhì)量濃度仍高達(dá)250 ng/L，而天津市大多數(shù)水廠目前的傳統(tǒng)凈水工藝（混凝-沉淀-過(guò)濾-消毒）不能有效去除水中的土臭素和2-MIB，致使于橋水庫(kù)的水在嗅味物質(zhì)含量高時(shí)不能作為城市供水合格水源加以利用.

大量研究表明，放線菌和藻類次生代謝過(guò)程中產(chǎn)生土臭素和2-MIB是引起飲用水嗅味的重要原因[3-4].在地表水中，藻類是水中土臭素和2-MIB的主要產(chǎn)生來(lái)源[5].不同水域、不同年份的不同季節(jié)，水中可代謝產(chǎn)生土臭素和2-MIB的藻類種屬差別較大，這與水中浮游植物群落組成及變化密切相關(guān)，而浮游植物群落組成及結(jié)構(gòu)變化又受水體中營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)的時(shí)空分布、水流狀態(tài)及溫度等因素的影響[6].

本研究通過(guò)對(duì)近年來(lái)于橋水庫(kù)嗅味物質(zhì)、藻類、水質(zhì)等數(shù)據(jù)的分析，揭示了于橋水庫(kù)嗅味物質(zhì)來(lái)源及其變化原因，旨在為預(yù)防于橋水庫(kù)產(chǎn)嗅藻大規(guī)模爆發(fā)，緩解和防治嗅味物質(zhì)危害提供參考.

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)概況

于橋水庫(kù)位于天津北部薊縣城東4 km處，與河北省、北京市相鄰，總庫(kù)容為15.59億m3，有效庫(kù)容為15.23億m3，平均水深4.6 m，最大水深12 m，控制流域面積2 060 km2[7].于橋水庫(kù)主要由沙河、淋河、黎河三大支流匯合而成，流域內(nèi)大部分河流水流湍急，水量變化范圍大，匯流面積小，季節(jié)變化明顯.

1.2 水樣采集、數(shù)據(jù)分析及處理

水樣取自于橋水庫(kù)放水洞，采用直立式采水器，采集水面以下20~30 cm的水樣，帶回實(shí)驗(yàn)室當(dāng)天進(jìn)行各種理化、生物指標(biāo)的測(cè)定.分析方法參照《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法》（GBT 5750—2006）[8]、《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》（第4版）[9]和《中國(guó)淡水藻類：系統(tǒng)、分類及生態(tài)》[10]，分別對(duì)水樣pH值、總堿度、高錳酸鹽指數(shù)、總磷、總氮、土臭素、2-MIB、葉綠素含量進(jìn)行測(cè)定，對(duì)藻類進(jìn)行計(jì)數(shù)和鑒定.測(cè)試數(shù)據(jù)取自天津水務(wù)集團(tuán)有限公司水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心，取樣分析頻率為每周1次.

利用SPSS 22.0對(duì)水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述統(tǒng)計(jì)、差異性和相關(guān)性分析以及圖形繪制.利用Canoco5.0對(duì)浮游植物和水質(zhì)因子數(shù)據(jù)進(jìn)行冗余分析（RDA），以實(shí)現(xiàn)對(duì)浮游植物與水質(zhì)因子之間關(guān)系的對(duì)應(yīng)排序，闡明影響浮游植物群落結(jié)構(gòu)變化的主要驅(qū)動(dòng)因子.

2 結(jié)果與分析

2.1 于橋水庫(kù)近年來(lái)嗅味物質(zhì)的變化

2017年5月份至2019年8月份于橋水庫(kù)嗅味物質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化如圖1所示.

圖1 于橋水庫(kù)2017—2019年土臭素和2-MIB含量的變化Fig.1 Changes of geosmin and 2-MIB from 2017 to 2019 in Yuqiao Reservoir

由圖1可以看出，2017年5—8月份水中的土臭素含量較高，同年8—9月份2-MIB含量較高.2018年6—10月份土臭素含量較高，5—12月2-MIB含量持續(xù)較高.2019年5月份開始出現(xiàn)以2-MIB為主的嗅味物質(zhì)，其含量持續(xù)升高.總的來(lái)看，于橋水庫(kù)水中的嗅味物質(zhì)呈現(xiàn)持續(xù)時(shí)間逐年延長(zhǎng)，質(zhì)量濃度由每升數(shù)十納克上升至數(shù)百納克，且嗅味物質(zhì)種類由以土臭素為主逐漸演化成以2-MIB為主.

2.2 于橋水庫(kù)近年來(lái)浮游植物群落結(jié)構(gòu)及其變化

2017—2019年，于橋水庫(kù)共檢出浮游植物7門57屬114種，隸屬于綠藻門（Chlorophyta）、藍(lán)藻門（Cyanophyta）、硅藻門（Bacillariophyta）、隱藻門（Crytophyta）、金藻門（Chrysophyta）、裸藻門（Euglenophyta）和甲藻門（Pyrrophyta）.其中，綠藻門種類最多，占浮游植物總種數(shù)的42.1%；其次是藍(lán)藻門和硅藻門，分別占浮游植物總種數(shù)的21.05%和19.30%.藍(lán)藻門中的魚腥藻（Anabaena）、顫藻（Oscillatoria）、偽魚腥藻（Pseudanabaena）、浮絲藻（Planktothrix）和束絲藻（Aphanizomenon）等是產(chǎn)嗅藻，主要產(chǎn)生土臭素和2-MIB等致嗅物質(zhì).

于橋水庫(kù)浮游植物群落結(jié)構(gòu)具有明顯的季節(jié)變化規(guī)律，藻類呈現(xiàn)出藍(lán)藻（春季）-藍(lán)、綠藻（汛期初期）-綠藻（汛期末期）-藍(lán)藻（秋季）的循環(huán)變化趨勢(shì)[11].近幾年來(lái)，于橋水庫(kù)的富營(yíng)養(yǎng)化程度逐年加重，導(dǎo)致浮游植物群落結(jié)構(gòu)的變化沒有規(guī)律可循，藻類優(yōu)勢(shì)種變化復(fù)雜多樣.2017—2019年于橋水庫(kù)優(yōu)勢(shì)藻種的變化如圖2所示.

圖2 2017—2019年于橋水庫(kù)各優(yōu)勢(shì)藻種的生物量占比Fig.2 Biomass proportion of each dominant species from 2017 to 2019 in Yuqiao Reservoir

由圖2可以看出，藍(lán)藻成為優(yōu)勢(shì)種的時(shí)間逐年增加，從2017年11月中旬延長(zhǎng)至2018年12月直至2019年2月.藍(lán)藻中的優(yōu)勢(shì)藻種也變化多樣：2017年呈現(xiàn)微囊藻（Microcystis）、魚腥藻共生-魚腥藻-微囊藻優(yōu)勢(shì)種交替變化；2018年呈現(xiàn)微囊藻、束絲藻、偽魚腥藻共生-偽魚腥藻、束絲藻共生的優(yōu)勢(shì)種變化；2019年呈現(xiàn)束絲藻、偽魚腥藻共生-偽魚腥藻的優(yōu)勢(shì)種變化.2017—2019年藍(lán)藻的優(yōu)勢(shì)種變化主要是微囊藻與束絲藻和偽魚腥藻等產(chǎn)嗅藻之間的優(yōu)勢(shì)競(jìng)爭(zhēng)變化.由此可見，近幾年來(lái)于橋水庫(kù)浮游植物群落結(jié)構(gòu)的變化主要是魚腥藻、束絲藻、偽魚腥藻等產(chǎn)嗅藻和微囊藻等藍(lán)藻與其他藻類之間競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)的結(jié)果.

2.3 于橋水庫(kù)嗅味物質(zhì)與藻類變化的關(guān)系

利用冗余分析統(tǒng)計(jì)方法探討于橋水庫(kù)水體主要嗅味物質(zhì)與優(yōu)勢(shì)藻種的關(guān)系，冗余分析結(jié)果用軸1（橫軸）、軸2（豎軸）構(gòu)成的平面圖（如圖3）表示，主要嗅味物質(zhì)用空心箭頭表示，優(yōu)勢(shì)藻種用實(shí)心箭頭表示.主要嗅味物質(zhì)與優(yōu)勢(shì)藻種之間夾角的余弦值代表其相關(guān)性，即兩者夾角越小相關(guān)性越強(qiáng)，夾角小于90°為正相關(guān)，夾角大于90°為負(fù)相關(guān).

由圖3可以看出，土臭素與魚腥藻呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與小環(huán)藻（XHZ）、衣藻（YZ）和隱藻（YINZ）呈負(fù)相關(guān)關(guān)系.2-MIB與束絲藻和偽魚腥藻呈顯著正相關(guān)（P＜0.01），與微囊藻呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），說(shuō)明于橋水庫(kù)中土臭素主要產(chǎn)自魚腥藻，2-MIB主要產(chǎn)自束絲藻和偽魚腥藻，而微囊藻與束絲藻和偽魚腥藻的優(yōu)勢(shì)競(jìng)爭(zhēng)會(huì)抑制2-MIB的產(chǎn)生.也就是說(shuō)，于橋水庫(kù)產(chǎn)嗅藻的出現(xiàn)乃至成為優(yōu)勢(shì)藻的這種浮游植物群落結(jié)構(gòu)的變化是導(dǎo)致水中嗅味物質(zhì)出現(xiàn)及增加的主要原因.

圖3 于橋水庫(kù)水體主要嗅味物質(zhì)與優(yōu)勢(shì)藻種的RDA分布圖Fig.3 RDA distribution of main odor substance and dominant algae in Yuqiao Reservoir

2.4 于橋水庫(kù)浮游植物群落結(jié)構(gòu)變化與水體氮、磷含量的關(guān)系

于橋水庫(kù)嗅味物質(zhì)的出現(xiàn)及波動(dòng)受產(chǎn)嗅藻種類及其優(yōu)勢(shì)占比時(shí)間的影響，而產(chǎn)嗅藻與其他藻類之間的優(yōu)勢(shì)競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)引起的群落結(jié)構(gòu)變化又主要受水體流速、光照、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（總氮和總磷）等因素的制約，其中氮、磷是主要影響因素，其濃度及氮磷比變化對(duì)于藻類生物量以及種群結(jié)構(gòu)有不同程度的影響.近年來(lái)于橋水庫(kù)水體氮、磷含量及優(yōu)勢(shì)藻的變化如圖4所示.

圖4 2017—2019年于橋水庫(kù)氮、磷及主要優(yōu)勢(shì)藻的變化Fig.4 Changes of nitrogen，phosphorous and dominant algae from 2017 to 2019 in Yuqiao Reservoir

由圖4可以看出，于橋水庫(kù)2017—2019年總氮和總磷的變化趨勢(shì)不完全一致，總氮的變化波動(dòng)較大，總磷變化相對(duì)較小，每年的7—8月份總磷含量突增.從幾種典型優(yōu)勢(shì)藻種的變化來(lái)看，微囊藻出現(xiàn)了與總磷相同的變化趨勢(shì)，即隨著總磷含量的增減而增減.束絲藻和偽魚腥藻從2017年開始出現(xiàn)到后來(lái)成為優(yōu)勢(shì)藻種的時(shí)間逐年提前并且占比時(shí)間逐年增加，其變化趨勢(shì)與總氮的變化趨勢(shì)相同，但比總氮的變化稍微滯后一些.從2019年的數(shù)據(jù)來(lái)看，束絲藻和偽魚腥藻優(yōu)勢(shì)占比變化與總磷的變化趨勢(shì)相反，即隨著總磷含量的增加而減小.

氮磷比與優(yōu)勢(shì)藻種分布的關(guān)系如圖5所示.從圖5可以看出：水體中的氮磷比在10~50范圍內(nèi)時(shí)，微囊藻為優(yōu)勢(shì)藻種；氮磷比在50~70范圍內(nèi)時(shí)，隱藻和小環(huán)藻為優(yōu)勢(shì)藻種；氮磷比在70~130范圍內(nèi)時(shí)，束絲藻和偽魚腥藻為優(yōu)勢(shì)藻種.

圖5 氮磷比與優(yōu)勢(shì)藻種的關(guān)系Fig.5 Relationship between N/P ratio and dominant species

上述分析說(shuō)明，于橋水庫(kù)水體的氮、磷含量及氮磷比的變化對(duì)水中優(yōu)勢(shì)藻類的生長(zhǎng)有重要影響，是于橋水庫(kù)浮游植物群落結(jié)構(gòu)組成和變化的影響因素之一.

進(jìn)一步分析于橋水庫(kù)水中總氮（TN）、總磷（TP）及氮磷（NPR）比與不同藻類的關(guān)系，結(jié)果如圖6所示.

圖6 于橋水庫(kù)2017—2019年浮游植物和氮磷的RDA分布圖Fig.6 RDA distribution of species and nitrogen as well as phosphorous in Yuqiao Reservoir from 2017 to 2019

由圖6可以看出，束絲藻、偽魚腥藻這2種產(chǎn)嗅藻與總氮呈正相關(guān)關(guān)系，與總磷呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與氮磷比呈正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），說(shuō)明氮磷比越高越有利于這2種藻類生長(zhǎng).小環(huán)藻、隱藻、衣藻均與總氮和總磷呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與氮磷比呈正相關(guān)關(guān)系，表明這些藻類適合在氮、磷濃度較低的范圍內(nèi)生長(zhǎng)，氮磷比越大越有利于其生長(zhǎng).微囊藻與總磷呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），與氮磷比呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），該藻適合在較高磷鹽濃度的水體中生長(zhǎng).說(shuō)明于橋水庫(kù)水體氮、磷含量及氮磷比的變化引起了水中產(chǎn)嗅藻出現(xiàn)乃至成為優(yōu)勢(shì)種，優(yōu)勢(shì)時(shí)間提前且占比時(shí)間增長(zhǎng)，進(jìn)而引起水中嗅味物質(zhì)出現(xiàn)且水體嗅味逐年加重.

3 討論

近年來(lái)于橋水庫(kù)總體水質(zhì)良好，但如果考慮總氮和總磷兩項(xiàng)指標(biāo)，水庫(kù)總體水質(zhì)為Ⅳ類.總氮和總磷主要是因?yàn)橹苓叴彐?zhèn)的農(nóng)業(yè)活動(dòng)形成的面源污染而造成水庫(kù)污染，總氮是主要面源污染因子[12]，總磷的變化多受季節(jié)和水庫(kù)蓄水量的影響[13]，其來(lái)源為上游流域及庫(kù)內(nèi)沉積物的內(nèi)源釋放[14].于橋水庫(kù)因總氮和總磷引起水體富營(yíng)養(yǎng)化從而導(dǎo)致藻類水華已經(jīng)成為常態(tài)并呈發(fā)展趨勢(shì)[15]，由此帶來(lái)水體嗅味問題.

引灤輸水明渠自2015年發(fā)生以土臭素為主的致嗅物質(zhì)水源問題以來(lái)，于橋水庫(kù)嗅味污染問題呈現(xiàn)逐年加重趨勢(shì)，且持續(xù)時(shí)間逐年延長(zhǎng)，致嗅物質(zhì)種類由以土臭素為主逐漸演化成以2-MIB為主，每升水中嗅味物質(zhì)的質(zhì)量由數(shù)十納克上升至數(shù)百納克，這種變化與于橋水庫(kù)浮游植物群落結(jié)構(gòu)的變化相對(duì)應(yīng)，即2016—2019年夏秋季節(jié)水庫(kù)優(yōu)勢(shì)藻種逐漸由銅綠微囊藻向魚腥藻到束絲藻-偽魚腥藻過(guò)渡，藍(lán)藻成為優(yōu)勢(shì)種的年占比時(shí)間逐年增加，其中產(chǎn)嗅藻成為優(yōu)勢(shì)藻種的占比時(shí)間也逐年增加.通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，于橋水庫(kù)土臭素含量的變化主要與魚腥藻有關(guān)，2-MIB含量的變化主要與束絲藻和偽魚腥藻有關(guān)，這與很多研究水體嗅味的結(jié)論都相符.Zhang等[16]研究湖北省熊河水庫(kù)發(fā)現(xiàn)，土臭素的主要生物來(lái)源為卷曲魚腥藻，2-MIB的主要生物來(lái)源為偽魚腥藻.Izaguirre等[17]研究表明，有超過(guò)40多種藍(lán)藻可產(chǎn)生2-MIB，主要包括束絲藻、顫藻、偽魚腥藻等，可代謝產(chǎn)生土臭素的藻類主要有魚腥藻、蓋思藻、席藻、裂須藻、常絲藻、微鞘藻、浮絲藻等[18].

于橋水庫(kù)產(chǎn)嗅藻與其他藻類競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)乃至成為優(yōu)勢(shì)藻種所引起的浮游植物群落變化，實(shí)際上是浮游植物響應(yīng)水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)變化的結(jié)果[19].不同營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的水體對(duì)應(yīng)著不同種群結(jié)構(gòu)的浮游植物[20]，其中氮、磷是浮游植物繁殖和生長(zhǎng)的必需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[21]和重要的限制因子[22]，氮磷比直接影響藻類的營(yíng)養(yǎng)攝取能力、細(xì)胞組成及生長(zhǎng)[23-24]，由此造成水體的氮磷比對(duì)浮游植物群落結(jié)構(gòu)的重要決定作用[25-27]，常被用來(lái)預(yù)測(cè)藻細(xì)胞密度的變化和藻類的季節(jié)演替[28-29].多項(xiàng)研究表明[30-32]，高氮磷比下硅藻的生存競(jìng)爭(zhēng)力下降，浮游植物硅藻群落加速向甲藻群落演替.Cuvin-Aralar等[33]在研究菲律賓淺水湖水中不同氮磷比條件下藻類種群變化時(shí)發(fā)現(xiàn)，在氮磷比最低為2∶1時(shí)，水樣中硅藻成為優(yōu)勢(shì)種，在最高氮磷比（12∶1）的水中綠藻成為優(yōu)勢(shì)種.孫凌等[34]研究城市湖水浮游藻類群落對(duì)不同氮磷比的響應(yīng)結(jié)果表明，高氮磷比（50）條件下，綠藻種類減少，藍(lán)藻種類變化不大，說(shuō)明氮磷比的變化會(huì)影響浮游植物群落結(jié)構(gòu)的組成[35].本研究表明：氮磷比在10~50范圍內(nèi)，微囊藻為優(yōu)勢(shì)藻種；氮磷比在70~130范圍內(nèi)，束絲藻和偽魚腥藻為優(yōu)勢(shì)藻種.這說(shuō)明不同水體中不同藻種對(duì)氮磷的需求和耐受范圍不同，環(huán)境會(huì)優(yōu)先選擇與之相適應(yīng)的特征藻種形成適者生存的群落[36]，由此造成不同氮磷比水體富營(yíng)養(yǎng)化時(shí)藻類的優(yōu)勢(shì)種屬不同[37-38].于橋水庫(kù)這種浮游植物群落結(jié)構(gòu)的變化，即束絲藻和偽魚腥藻出現(xiàn)乃至成為優(yōu)勢(shì)藻種，是對(duì)水體氮、磷變化的響應(yīng)結(jié)果，進(jìn)而導(dǎo)致水體嗅味問題的出現(xiàn)及變化.

本項(xiàng)研究揭示了于橋水庫(kù)的水質(zhì)嗅味來(lái)源和變化，將有助于天津市水體環(huán)境質(zhì)量[39-41]的改善.控制于橋水庫(kù)的藻類可以控制其水體的嗅味，主要建議為：

（1）外源控制：對(duì)總氮進(jìn)行面源控制，在流域農(nóng)業(yè)種植區(qū)域進(jìn)行種植模式的合理配置、測(cè)土配方施肥技術(shù)和膜下微噴灌溉等技術(shù)的應(yīng)用；針對(duì)總磷的控制，主要是在河道流域增加綠地面積，減少水中沉積物及其中生物可利用磷的含量，通過(guò)各種途徑減少氮、磷等污染物進(jìn)入于橋水庫(kù)；

（2）內(nèi)源治理：適當(dāng)進(jìn)行底泥治理與疏浚，控制底層營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的泥釋；

（3）生態(tài)治理：投加食藻的魚類，種植水生植物，在淺水區(qū)域栽植荷花、蘆葦、香蒲等植物，在放水洞、溢洪道閘前區(qū)域安裝水生植物圍格等，構(gòu)建水庫(kù)植物-動(dòng)物-微生物自然平衡的生態(tài)系統(tǒng)；

（4）其他：通過(guò)水庫(kù)水位調(diào)控或增強(qiáng)庫(kù)內(nèi)水流擾動(dòng)，破壞藻類生長(zhǎng)環(huán)境，或者在藻類爆發(fā)季節(jié)輔配人工撈藻，有效去除藻類.