飲用水水源地水庫浮游植物分布特征與環(huán)境影響因子研究

陳穎欣，林志蓉，蘇玉萍,2*，Balaji PRASATH·BARATHAN,2，黃錦平，王 雪，馮晟霖

[1.福建師范大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，福建 福州 350007；2.福建省河湖健康研究中心(福建師范大學(xué))，福建 福州 350007]

為進(jìn)一步了解東張水庫水環(huán)境現(xiàn)狀，本研究通過采集東張水庫2020年豐水期及2021年豐水期和枯水期的水樣，分析其浮游植物特征，采用Pearson相關(guān)性分析及冗余分析(Redundancy analysis， RDA)浮游植物群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子的關(guān)系，重點(diǎn)分析了不同形態(tài)磷對(duì)浮游植物群落結(jié)構(gòu)的影響，本文還同時(shí)比較了2020和2021年豐水期浮游植物密度的變化情況，以期為東張水庫水質(zhì)保護(hù)工作及水生態(tài)修復(fù)等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

東張水庫(25.704 017 74°N、119.261 710 33°E)位于福清市龍江中游石竹山麓，始建于1958年，是一座以防洪、農(nóng)業(yè)灌溉及源水供應(yīng)為主，同時(shí)結(jié)合發(fā)電、旅游等綜合開發(fā)利用的大型水庫[15-16]。水庫總庫容2.06×108m3，水庫正常蓄水水位54.5 m，汛期水位54.9 m，最低正常運(yùn)行水位44.5 m，死水位40.5 m[11]。水庫蓄水量1.85×108m3，庫水流經(jīng)15個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、233個(gè)村和3個(gè)農(nóng)場(chǎng)，受益面積達(dá)1.7×104hm2[17]。東張水庫有太城溪和一都溪兩個(gè)引水工程，且作為平潭、閩江口“一閘三線”工程的重要調(diào)節(jié)庫，已于2022年1月開始通水，發(fā)揮著重要的水源地作用。

1.2 采樣點(diǎn)的設(shè)置

根據(jù)水庫面積和水庫周邊情況,本研究選擇3個(gè)站位進(jìn)行采樣(圖1)，分別為：a進(jìn)口(25.699°N、119.249°E)；b庫心(25.703°N、119.263°E)；c出口(25.704°N、119.279°E)。

1.3 樣品的采集

采用有機(jī)玻璃采水器分別采集東張水庫2021年枯水期和豐水期出口站位(圖1)以及2020年豐水期進(jìn)口、庫心、出口3個(gè)站位(圖1)表層0.5 m處水樣，用于浮游植物群落結(jié)構(gòu)和水體理化指標(biāo)分析。

1.4 水樣的分析

1.4.1 浮游植物群落結(jié)構(gòu)分析

用于浮游植物群落結(jié)構(gòu)分析的水樣，現(xiàn)場(chǎng)立即加入15 mL魯哥氏液固定并搖勻保存，水樣帶回實(shí)驗(yàn)室靜置48 h后，用虹吸法濃縮至30 mL后，于徠卡顯微鏡(Leica BM-E，北京)下用0.1 mL(2 mm×2 mm)浮游生物計(jì)數(shù)框計(jì)數(shù)，每份樣品計(jì)數(shù)2片[18]。藻類的鑒定參考《中國(guó)內(nèi)陸水域常見藻類圖譜》，根據(jù)公式(1)計(jì)算細(xì)胞密度：

(1)

式(1)中：N為細(xì)胞豐度(cells/L)；S為計(jì)數(shù)框面積(mm2)；S0為計(jì)數(shù)視野面積(mm2)；V0為濃縮后體積(mL)；V為計(jì)數(shù)體積(mL)；n為單位視野計(jì)數(shù)所得藻類個(gè)數(shù)(cells)。

1.4.2 水樣理化指標(biāo)的確定

上覆水中總磷(Total phosphorus，TP)含量的測(cè)定[19]：取25 mL水樣加入4 mL 5%過硫酸鉀溶液，于120℃條件下消解30 min后，采用鉬酸銨分光光度法測(cè)得TP含量。上覆水中總?cè)芙庑粤?Total dissolved phosphorus，TDP)含量的測(cè)定：取25 mL經(jīng)0.45 μm醋酸纖維濾膜過濾后的上覆水，同樣加入4 mL 5%過硫酸鉀溶液于120℃條件下消解30 min后，用鉬酸銨分光光度法測(cè)得TDP含量。上覆水中溶解性活性磷(Soluble reactive phosphorus，SRP)含量的測(cè)定：取25 mL經(jīng)0.45 μm醋酸纖維濾膜過濾后的上覆水，采用鉬銻抗分光光度法直接測(cè)得SRP的含量。另外，上覆水TP和TDP的差值為總懸浮態(tài)磷(Total suspended phosphorus，TSP)，TDP與SRP的差值為溶解性有機(jī)磷(Dissolved organic phosphorus，DOP)。各磷組分之間的關(guān)系如下所示：TSP=TP-TDP，DOP=TDP-SRP。

1.4.3 其他指標(biāo)的數(shù)據(jù)來源

東張水庫水位(Water level，WL)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)從福建省水利信息網(wǎng)獲取；氣溫(T)、氣壓(P)、降雨量(RRR)和平均風(fēng)速(Ff)四個(gè)氣象因子從中國(guó)氣象網(wǎng)站獲取。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法

數(shù)據(jù)處理及圖形繪制使用Excel 2016及Origin 8.5.1軟件完成，采用SPSS 20.0進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析(以P值表示兩個(gè)變量間的顯著性，P<0.05表示顯著相關(guān))以及采用Canoco for Windows 5.0 進(jìn)行RDA分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 東張水庫 2020—2021年浮游植物群落結(jié)構(gòu)

分析2020年與2021年豐水期水樣顯微鏡鏡檢結(jié)果，發(fā)現(xiàn)這兩年豐水期水樣都檢出了藍(lán)藻門、綠藻門、硅藻門、隱藻門、甲藻門，且浮游植物群落結(jié)構(gòu)均以藍(lán)藻門占據(jù)優(yōu)勢(shì)，密度占比超過60%；2020年6—9月出口站位浮游植物總密度分別為3.18×107、2.70×107、1.64×107和1.13×107cells/L，2021年6—9月出口站位浮游植物總密度分別為2.72×107、3.35×107、5.21×107和5.24×107cells/L，對(duì)比可知，2021年豐水期東張水庫浮游植物密度有所增加。

2021年豐水期浮游植物總密度遠(yuǎn)大于枯水期，在枯水期(1月份)時(shí)，其浮游植物群落結(jié)構(gòu)以硅藻門(85.5%)為優(yōu)勢(shì)(圖2)；進(jìn)入豐水期后，藍(lán)藻門比例逐漸升高，在2021年豐水期期間浮游植物群落結(jié)構(gòu)均以藍(lán)藻門占據(jù)優(yōu)勢(shì)(圖3)；而當(dāng)水庫再次進(jìn)入枯水期時(shí)(10月)，藍(lán)藻門比例也逐漸降低，硅藻門的占比增加。

2.2 東張水庫水體中磷營(yíng)養(yǎng)鹽

在2021年豐水期和枯水期，對(duì)東張水庫大壩出口站位的水樣進(jìn)行每周一次的各形態(tài)磷含量的分析，結(jié)果如圖4和圖5所示。在1月與4月枯水期時(shí)，DOP含量的變化較為穩(wěn)定，2個(gè)月份的DOP含量平均值分別為0.057、0.046 mg/L；TSP的含量在1月時(shí)也較低，僅0.004 mg/L，而4月的TSP則高達(dá)0.047 mg/L。TDP和TP總體均處于較高水平，其中，4月TP含量高達(dá)0.103 mg/L。進(jìn)入豐水期后(圖4)，東張水庫水體中SRP的含量仍處于較低水平，月均值在0.003～0.011 mg/L之間；其余4種磷形態(tài)均處于不斷波動(dòng)的狀態(tài)，TSP月均值為0.019～0.047 mg/L；DOP月均值為0.034～0.050 mg/L；TDP月均值為0.037～0.056 mg/L；TP月均值則在0.057～0.103 mg/L之間。

當(dāng)水庫再一次進(jìn)入枯水期時(shí)(10—12月)，SRP含量相比于1月和4月有所增加，含量為0.011～0.016 mg/L，平均值為0.014 mg/L。此時(shí)，TSP和DOP的含量相較于1月和4月有所降低，TSP含量在0.020～0.044 mg/L之間，平均值為0.025 mg/L；而DOP含量為0.028～0.036 mg/L，平均值為0.032 mg/L。TDP含量在0.041～0.050 mg/L之間，平均值為0.046 mg/L；TP含量在0.063～0.075 mg/L之間，平均值為0.070 mg/L。

從各形態(tài)磷之間的占比(表1、表2)可知，無論是枯水期還是豐水期，SRP只占TP的少部分(<20%)，DOP為TP的主要組成組分，占比均達(dá)40%以上。對(duì)于TP來說，TDP為TP的主要組分，大部分占比達(dá)50%以上。

2.3 浮游植物與不同形態(tài)磷相關(guān)性分析

為判斷環(huán)境因子對(duì)浮游植物密度及其群落結(jié)構(gòu)演替的影響，對(duì)2021年浮游植物和上覆水中磷營(yíng)養(yǎng)鹽進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析(N=21)，結(jié)果如表3所示。由表3可知，藍(lán)藻門、綠藻門、甲藻門和總藻密度與SRP呈極顯著負(fù)相關(guān)，說明SRP的消耗速率隨著東張水庫浮游植物生物量的增加而升高，綠藻門和硅藻門與DOP呈極顯著正相關(guān)，綠藻門和硅藻門與TDP也呈極顯著正相關(guān)，綠藻門與TP呈相關(guān)關(guān)系。

2.4 浮游植物與環(huán)境因子的 RDA相關(guān)性分析

與此同時(shí)，本研究從福建省水利信息網(wǎng)收集了東張水庫水位數(shù)據(jù)，從中國(guó)長(zhǎng)城氣象網(wǎng)站收集了2021年福清的氣溫(T)、氣壓(P)、降雨量(RRR)和平均風(fēng)速(Ff)4個(gè)氣象因子，結(jié)合2021年東張水庫各形態(tài)磷和浮游植物密度繪制了RDA冗余關(guān)系圖(N=21)，其結(jié)果如圖6所示。其中，排序軸第一軸和第二軸特征值分別為54.8%和74.3%。從雙軸空間上看，藍(lán)藻門、綠藻門和甲藻門與氣溫呈極顯著正相關(guān)，與氣壓呈負(fù)相關(guān)；硅藻門與水位呈顯著正相關(guān)；另外，藍(lán)藻門、綠藻門和甲藻門與SRP具有較好的負(fù)相關(guān)關(guān)系，綠藻門與TSP、DOP和TP均具有一定的正相關(guān)關(guān)系。

3 討論

3.1 水文條件對(duì)浮游植物生長(zhǎng)的影響

2021年8月藍(lán)藻門密度的增加可能與熱帶風(fēng)暴“盧碧”有較大的關(guān)系。據(jù)福清市水系聯(lián)排聯(lián)調(diào)中心提供的東張水庫水位和蓄水量數(shù)據(jù)可知，2021年8月6日至10日，熱帶風(fēng)暴“盧碧”過境后，東張水庫蓄水量驟增1×108m3。此次臺(tái)風(fēng)是福清市2019年年初至當(dāng)時(shí)兩年半以來最大的一次降雨過程，也給匯水區(qū)帶來“刷地板”效應(yīng)，即因干旱滯留在匯水區(qū)周邊陸地的大量營(yíng)養(yǎng)鹽，隨徑流進(jìn)入東張水庫。同時(shí)，臺(tái)風(fēng)是一種帶有強(qiáng)大風(fēng)場(chǎng)的天氣現(xiàn)象，對(duì)水庫有較強(qiáng)烈的機(jī)械能輸入，其可通過誘發(fā)上升流和垂向混合及夾卷過程，將次表層含有磷酸鹽等營(yíng)養(yǎng)鹽的較冷水體自下而上帶入水體表層，此時(shí)兩種因素相互疊加導(dǎo)致水體上層得到大量營(yíng)養(yǎng)鹽等物質(zhì)，從而對(duì)浮游植物的繁殖生長(zhǎng)帶來積極的作用[20-21]。

3.2 磷營(yíng)養(yǎng)鹽組分變化原因及其影響分析

分析東張水庫枯水期和豐水期兩個(gè)水文期各形態(tài)磷含量可知，SRP含量在豐水期普遍較低的規(guī)律，可能的原因是該時(shí)間段氣溫高，一些藍(lán)藻大量增殖，對(duì)可利用磷的消耗較大，從而使得水體中的SRP含量降低。除SRP之外的其余4種磷形態(tài)的含量均呈現(xiàn)6月>7月>8月>9月的變化規(guī)律，結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，可能的原因包括：庫區(qū)周邊牛羊散養(yǎng)與農(nóng)作物種植季節(jié)土地施肥等人為活動(dòng)的干擾導(dǎo)致外源磷含量增加，在雨水沖刷下，通過徑流的方式向庫區(qū)輸入外源磷[22-23]。適宜的溫度和光照條件，使得藻類大量增殖。但是，降雨在增加外源營(yíng)養(yǎng)鹽輸入的同時(shí)，也使得水庫水位和水量增加，污染物被稀釋后TP濃度會(huì)逐漸降低，藍(lán)藻優(yōu)勢(shì)度隨之降低。有研究指出，中國(guó)東南部4個(gè)亞熱帶水庫的水位降低導(dǎo)致TP和藍(lán)藻的優(yōu)勢(shì)度增加；當(dāng)水位升高時(shí)，總氮濃度增加、TP濃度則降低，藍(lán)藻優(yōu)勢(shì)度隨之降低[24]。另外，在地中海湖泊中也有類似的發(fā)現(xiàn)，TP升高與長(zhǎng)期干旱和水位下降有關(guān)[25-26]，與本文研究結(jié)果相符。DOP在兩個(gè)水文期含量的占比較高，在微生物的作用下，可將其轉(zhuǎn)化為能被藻類直接吸收利用的磷形態(tài)，具體的轉(zhuǎn)化機(jī)制有待進(jìn)一步研究；值得特別注意的是，TP含量持續(xù)處于較高水平，需引起重視。

浮游植物作為水生生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[27]，其種類組成結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是生態(tài)系統(tǒng)的自然生物指示劑，能迅速反映環(huán)境條件的改變，其豐度和多樣性能夠靈敏地反映水環(huán)境生態(tài)特征的變化[3]，本文僅結(jié)合部分環(huán)境因子對(duì)浮游植物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行相對(duì)獨(dú)立的影響分析，而其綜合影響還需進(jìn)一步探究。

4 結(jié)論

1)東張水庫2020與2021年的豐水期水樣均檢出了藍(lán)藻門、綠藻門、硅藻門、隱藻門、甲藻門5門類，且浮游植物群落結(jié)構(gòu)均以藍(lán)藻門占據(jù)優(yōu)勢(shì)；2021年豐水期大壩出口站位的浮游植物總密度(2.3×107～5.2×107cells/L)平均值是枯水期浮游植物總密度(5.6×106～ 2.3×107cells/L)平均值的3倍多，枯水期以硅藻門、藍(lán)藻門和綠藻門為主，平均占比分別為47.5%、31.6%和14.0%，而豐水期藍(lán)藻門占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，平均占比為77.7%。

2)東張水庫2021年枯水期和豐水期大壩出口站位水樣的磷營(yíng)養(yǎng)鹽分析結(jié)果顯示，無論是枯水期還是豐水期，其SRP含量均較低，豐水期SRP含量均值為0.007 mg/L，枯水期為0.011 mg/L；豐水期DOP、TDP、TSP和TP四種磷形態(tài)含量均高于枯水期相應(yīng)含量。

3)東張水庫浮游植物群落結(jié)構(gòu)與不同形態(tài)磷Pearson相關(guān)性表明，藍(lán)藻門、綠藻門、甲藻門和總藻密度與SRP呈極顯著負(fù)相關(guān)，說明SRP的消耗速率隨著浮游植物生物量的增加而升高；綠藻門和硅藻門與DOP、TDP呈極顯著正相關(guān)。RDA相關(guān)性分析可知，藍(lán)藻門、綠藻門和甲藻門與氣溫呈極顯著正相關(guān)，硅藻門與水位呈顯著正相關(guān)。