梅州市清涼山水庫浮游植物活動與水質(zhì)變化相關(guān)性研究

楊金龍

(廣東省水文水資源監(jiān)測中心梅州分中心，廣東 梅州 514071)

黨的十八大以來，習近平總書記從實現(xiàn)中華民族永續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略高度，提出“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”治水思路，擘畫國家“江河戰(zhàn)略”，為新時代治水提供了強大思想武器和科學(xué)行動指南[1]。全國水利系統(tǒng)統(tǒng)籌推進水災(zāi)害防治、水資源節(jié)約、水生態(tài)保護修復(fù)、水環(huán)境治理，為社會提供了綠水青山的精神需求。

浮游植物作為水生態(tài)系統(tǒng)中最主要的初級生產(chǎn)者，是水生態(tài)健康中最重要的一環(huán)，其群落結(jié)構(gòu)等能對水環(huán)境變化做出最直接的響應(yīng)，因而常被用作評價湖泊水生態(tài)的重要指標[2]。適當數(shù)量的浮游植物可以促進水生態(tài)能量與物質(zhì)循環(huán)，凈化水質(zhì)，為浮游動物及魚類提供溶解氧及食物來源[3]。但過多的浮游植物則會影響水質(zhì)觀感，引起水質(zhì)變差，提高水華爆發(fā)風險，其中藍藻水華產(chǎn)生的藻毒素則對飲用水安全產(chǎn)生巨大危害[4]。清涼山水源地是梅州市主要的供水水源地類型之一，其水生態(tài)健康關(guān)乎群眾用水安全，浮游植物作為水生態(tài)系統(tǒng)中的重要一環(huán)[5]，研究其生長規(guī)律及其影響因子，有助于對其增長情況進行預(yù)測，盡早采取應(yīng)對措施，緩解因藻類過度生長造成的供水壓力。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

清涼山水庫位于梅州市東南—梅江區(qū)西陽鎮(zhèn)，梅江一級支流白宮河的中游。集雨面積為94.4 km2，最大庫容為4 860萬m3，正常蓄水位為237 m，死水位為190 m，是一座以供水、防洪為主，結(jié)合灌溉、發(fā)電的多年調(diào)節(jié)中型水庫，亦是梅州唯一市級集中式飲用水水源地。

2020—2021年，廣東省出現(xiàn)罕見旱情，梅江流域地區(qū)年降雨量均處于多年平均降雨量的70%～80%。受降雨影響，清涼山水庫蓄水量也顯著下降，2020年與2021年年末較年初分別下降了59.4%、47.6%。同時，韓江流域部分地區(qū)出現(xiàn)藻類水華現(xiàn)象，清涼山水庫于2021年第2、第3季度也出現(xiàn)了藻類大量增殖現(xiàn)象，于第3季度末、第4季度回歸正常水平。

1.2 監(jiān)測情況及方案

研究從2020年1月至2021年12月，時間跨度為2 a。樣品采集及保存參考《水環(huán)境監(jiān)測規(guī)范》(SL 219—2013)。樣品監(jiān)測項目涵蓋《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838—2002)表1、表2，并加測透明度、葉綠素、浮游植物等項目。水質(zhì)項目檢測方法參考相應(yīng)的國家標準；浮游植物檢測方法參考《內(nèi)陸水域藻類監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》(SL 733—2016)，種類鑒定參考相關(guān)書籍、圖譜[6-8]。

水質(zhì)采樣頻率為每月1次，采樣時間為每月上旬，共監(jiān)測24次。浮游植物采樣為每季度1次，采樣時間為季中，與當月水質(zhì)采樣同步進行，共監(jiān)測8次。同時，輔以水質(zhì)自動監(jiān)測站數(shù)據(jù)為參考，水質(zhì)自動站監(jiān)測頻率從每日0點起，每4 h監(jiān)測1次，每天共6次，監(jiān)測項目為水質(zhì)五參數(shù)、總磷、總氮，高錳酸鹽指數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 監(jiān)測結(jié)果

2.1.1梅州市降雨及水庫蓄水情況

梅州市2020年、2021年降雨量與多年同期均值相比，除2021年4季度外，均不同程度下降。2020年汛期同比下降30.7%，2020年—2021年非汛期下降74%，2021年汛期下降41%。清涼山水庫水位及蓄水量也同比下降，水位2021年年末相比2020年年初下降22.4 m，下降幅度為9.9%，水位最低時接近死水位；蓄水量下降幅度為78.7%。

2.1.2水質(zhì)狀況及變化趨勢

清涼山水源地水質(zhì)狀況總體良好，2020年和2021年年度水質(zhì)及季度水質(zhì)監(jiān)測均達到Ⅱ類水及以上，符合飲用水水源地水質(zhì)要求。但在月度監(jiān)測出現(xiàn)部分項目超標情況，超標項目分別是2020年與2021年10月溶解氧項目、2021年1月、3月、8月、9月、11月總磷項目，其中總磷超標原因與干旱情況下水位下降，導(dǎo)致水庫底部沉積腐殖質(zhì)中的磷源釋放影響。

采用濃度檢驗法分析其污染物變化趨勢[9]，發(fā)現(xiàn)呈高度顯著上升及顯著上升的指標有砷、氟、鎘、錳、銅、鉛、鐵、五日生化需氧量等項目，呈高度顯著下降及顯著下降的指標有硒、硝酸鹽、六價鉻和陰離子表面活性劑，其余項目均無明顯升降趨勢。

2.1.3水體富營養(yǎng)化趨勢

選取總磷、總氮、葉綠素a、高錳酸鹽指數(shù)和透明度指標來計算水體綜合營養(yǎng)指數(shù)，清涼山2020年第1季度至2021年第4季度水體營養(yǎng)狀態(tài)變化如圖1所示?？梢钥吹剑航? a水庫呈中營養(yǎng)水平，但營養(yǎng)狀態(tài)有上升趨勢，且2021年營養(yǎng)化指數(shù)明顯高于2020年，有向輕度富營養(yǎng)化轉(zhuǎn)變的趨勢。

圖1 水體營養(yǎng)指數(shù)變化趨勢示意

2.1.4浮游植物監(jiān)測結(jié)果

清涼山庫區(qū)浮游植物豐度季節(jié)性差異較大，藻類大幅度增殖現(xiàn)象基本出現(xiàn)于第3季度，第1、2、4季度藻類豐度均處于較低水平。2020年第3季度藻類豐度為3 552 cells/mL，綠藻門占比75.7%，硅藻門占比21.6%，其中優(yōu)勢種為綠藻門的腎型藻、鼓藻。2021年第3季度藻類豐度為13240 cells/mL，綠藻門占比86.4%，硅藻門占比7.5%，藍藻門占比6.0%，其中優(yōu)勢種為綠藻門的鼓藻。據(jù)統(tǒng)計，清涼山藻類主要為綠藻門與硅藻門，藍藻門、甲藻門和裸藻門藻類檢出比例較低。其中綠藻門藻類會于第2、3季度中出現(xiàn)規(guī)律性的增殖，迅速成為水生態(tài)系統(tǒng)中的優(yōu)勢種，在第1、4季度中出現(xiàn)一定程度的消亡，同時硅藻門藻類占比得到較大提升。浮游植物豐度及種類變化見圖2所示。

圖2 浮游植物豐度變化示意

2.2 數(shù)據(jù)分析

2.2.1旱情對水質(zhì)影響

梅州市在2020—2021年之間降雨量顯著減少，清涼山水庫降雨補充減少，因其為市區(qū)飲用水供水水源地，以及日常蒸發(fā)，蓄水量得不到有效補充而不斷減少。清涼山水庫為酸性水質(zhì)，當其水位降低時，底層土壤的重金屬離子會溶解擴散至表層水[10]，因此，在肯達爾趨勢分析中，清涼山水庫的砷、鎘、錳、鐵、鉛、銅等諸多重金屬離子均呈高度顯著上升或顯著上升趨勢。

五日生化需氧量則代表水中可生化有機物多少，生化需氧量增高與水位降低，蓄水量減少息息相關(guān)，一方面水位降低時，底層沉積物中可生化物擴散至上層更為容易，另一方面降雨量減少而蒸發(fā)量不減，隨著蓄水量減少污染物呈現(xiàn)一定程度上的濃縮效應(yīng)。

硒、硝酸鹽是植物生長需要的微量元素和主要營養(yǎng)鹽，故硒和硝酸鹽的減少與藻類活動相關(guān)。同時酸性環(huán)境下，陰離子表面活性劑易被分解，六價鉻酸性下具備強氧化性，容易被水中還原劑還原而減少。

2.2.2浮游植物對水質(zhì)影響

浮游植物生長有關(guān)的元素主要包含氮、硫、磷等，清涼山2020—2021年的氮磷比均值為44∶1，可以判斷限值水源地中浮游植物生長的主要因子為磷。近5 a水質(zhì)變化趨勢中，與浮游植物生長有關(guān)的總氮、總磷、硫酸鹽含量總體無升降趨勢，與水庫較為穩(wěn)定的水質(zhì)環(huán)境有關(guān)。在水庫環(huán)境中，磷源多以磷酸鹽的形式存在，磷酸鹽在水中溶解能力較低，多存在于底層沉積物中。在水位較低時，磷酸鹽向水庫上層擴散更為容易，使表層水磷含量相對增加，浮游植物獲得磷源更為容易，突破磷限制而大量生長，如2021年第3季度浮游植物增長則與8月、9月份的總磷增長相關(guān)。氮源則分為氨氮、硝氮與其他有機氮類，大多數(shù)藻類能吸收氨氮，且通常選擇吸收氨氮，因為氨氮在氨基酸生物合成中可以直接被利用。硝酸鹽氮變成氨氮則需要硝酸還原酶，鐵是硝酸還原酶重要的輔助因子[11]。在水質(zhì)趨勢分析中，發(fā)現(xiàn)鐵含量呈高度顯著上升，硝酸鹽含量呈高度顯著下降，總氮、氨氮無明顯變化趨勢?？梢耘袛嘣诟∮沃参飻?shù)量增長過程中，主要利用的無機氮源為硝氮，在藻類活動中利用硝酸還原酶將硝氮轉(zhuǎn)變?yōu)樯L所需的有機氮。

2.2.3浮游植物活動與日間水質(zhì)變化

選取2021年8月藻類豐度較高期間水質(zhì)自動站日內(nèi)數(shù)據(jù)，分析其日內(nèi)理化指標變化，取同時刻均值計算,與年同時刻均值對比。其典型變化如圖3所示，日間呈周期性規(guī)律變化的水質(zhì)參數(shù)有水溫、溶解氧、氨氮、總氮，其余自動站監(jiān)測參數(shù)無明顯規(guī)律性變化。日間水溫基本以12：00、16：00最高，穩(wěn)定在30℃左右，符合水溫變化規(guī)律。溶解氧則與日間藻類活動呈明顯相關(guān)性關(guān)系，溶解氧飽和度于8：00最低，16：00最高，水中溶解氧基本呈超飽和狀態(tài)，且高于年均值。氨氮日內(nèi)峰值高點出現(xiàn)于16：00，總氮日內(nèi)峰值低點出現(xiàn)于16：00，藻類活動主要氮源以硝態(tài)氮為主，在光合作用較為強烈時利用太陽能將吸收的硝態(tài)氮轉(zhuǎn)變?yōu)樵孱惪梢岳玫牡鞍踪|(zhì)或其它有機氮類。由于堿性過硫酸鉀法測定總氮時無法將部分有機氮轉(zhuǎn)變?yōu)橄鯌B(tài)氮[12]，故日內(nèi)總氮會于藻類活動強烈時降低；而氨氮一般認為是水體生物代謝產(chǎn)生的廢棄物，16：00水溫處于日內(nèi)最高區(qū)間，因此，水中生物呼吸作用處于較高狀態(tài)且具備一定時間，產(chǎn)生的氨氮不斷積累上升達到峰值，隨后水溫降低，呼吸作用減弱，氨氮產(chǎn)出值減少，在水中硝化細菌的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)橄鯌B(tài)氮，氨氮與總氮含量水平回歸。

圖3 2021年8月日內(nèi)同時刻均值與年日內(nèi)同時刻均值對比示意

3 結(jié)語

清涼山水庫水質(zhì)良好，各理化指標相對穩(wěn)定，部分指標受降雨量及水庫蓄水量影響較大。當降雨量減少且水庫蓄水量減少時，鐵、錳、銅、鉛、鎘等重金屬離子更容易從水庫底層土壤析出至表層水，同時析出的還有磷、腐殖質(zhì)等營養(yǎng)元素，使表層水營養(yǎng)指數(shù)增加，水質(zhì)變差，引發(fā)浮游植物大量生長增殖的概率增加。

清涼山水庫浮游植物活動強烈時水中磷含量較高，氮磷比較年均值明顯降低。水庫表層水的磷含量與水位及蓄水量變化存在一定相關(guān)性。當水位降低接近至死水位、蓄水量減少時，表層水磷含量受底泥磷源擴散影響增加，浮游植物可利用的營養(yǎng)因子含量增高，在水溫合適時會迅速增殖，引發(fā)藻類水華可能性增加。

清涼山水庫部分理化指標在日內(nèi)呈規(guī)律性變化，浮游植物活動在一定程度上可以加劇部分理化指標的波動。藻類豐度較高時，溶解氧日內(nèi)飽和程度高于年同時刻均值，日內(nèi)溶解氧波動明顯高于年均值，其原因或與水中浮游植物光合作用相關(guān)；氨氮的日內(nèi)波動程度也明顯高于年均值，其原因或與水中浮游生物的呼吸作用相關(guān)。