碧山水庫(kù)藻類群落特征與藍(lán)藻水華風(fēng)險(xiǎn)分析

楊 平，戴國(guó)飛，劉聚濤，方媛瑗，溫春云，吳 槳

(1.江西省水利科學(xué)院，江西 南昌 330029；2.江西省鄱陽(yáng)湖流域生態(tài)水利技術(shù)創(chuàng)新中心，江西 南昌 330029)

藻類是水生態(tài)系統(tǒng)中的主要初級(jí)生產(chǎn)者，也是水生食物鏈系統(tǒng)重要的組成部分，常常作為指示水生態(tài)系統(tǒng)健康和污染負(fù)荷的重要生態(tài)因子[1]。由于對(duì)環(huán)境因子較為敏感，藻類被廣泛應(yīng)用于河流、湖泊和水庫(kù)等水體的水質(zhì)評(píng)價(jià)，同時(shí)也是早期水質(zhì)污染的重要監(jiān)測(cè)指標(biāo)[2]。藍(lán)藻是藻類中常見的類群之一，在富營(yíng)養(yǎng)水體中常成為優(yōu)勢(shì)類群。藍(lán)藻水華是藍(lán)藻在營(yíng)養(yǎng)豐富的水體表層大量增殖并聚集于水面，引起水體透明度下降、水質(zhì)惡化的現(xiàn)象[3]。藍(lán)藻水華的暴發(fā)不僅嚴(yán)重影響水生態(tài)系統(tǒng)健康[4]，而且部分引起藍(lán)藻水華的種類產(chǎn)生的致癌藍(lán)藻毒素[5]對(duì)供水安全產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。掌握水體藻類群落特征和藍(lán)藻水華風(fēng)險(xiǎn)對(duì)于保障水生態(tài)系統(tǒng)安全尤其是供水安全至關(guān)重要。

水庫(kù)是人工筑壩形成的水體，是一種介于河流和湖泊間的半人工半自然水體，早期功能主要是防洪、發(fā)電、灌溉和航運(yùn)等[6]。在飲用水源地建設(shè)體系中，越來(lái)越多的水庫(kù)成為了供水水庫(kù)。近年來(lái)我國(guó)水庫(kù)水體的富營(yíng)養(yǎng)化程度加劇[7-8]，水質(zhì)明顯下降，部分供水水庫(kù)暴發(fā)了藍(lán)藻水華[9-13]。碧山水庫(kù)是江西省高安市的一座中型供水水庫(kù)，近年來(lái)藍(lán)藻水華現(xiàn)象頻發(fā)。為了解并掌握碧山水庫(kù)飲用水源健康狀況，本文對(duì)碧山水庫(kù)的藻類群落開展了調(diào)查，分析了藍(lán)藻水華風(fēng)險(xiǎn)情況，為今后碧山水庫(kù)水環(huán)境以及供水安全保障提供基礎(chǔ)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

碧山水庫(kù)處于高安市區(qū)北部，所在流域?yàn)橼M江流域錦河支流港溪河。碧山水庫(kù)在錦河港溪支流的上游，是一座以灌溉為主，兼顧城市用水、防洪、漁業(yè)等綜合利用的中型水庫(kù)。水庫(kù)流域面積31.7km2，水面面積約3km2，總庫(kù)容量2005萬(wàn)m3，正常庫(kù)容1214萬(wàn)m3，平均水深約5m。碧山水庫(kù)設(shè)計(jì)灌溉面積2.29萬(wàn)畝，實(shí)際灌溉面積1.76萬(wàn)畝。流域范圍內(nèi)全年平均雨量為1560mm，主要分布在4—7月，占全年雨量60%以上，極易導(dǎo)致春夏之交洪澇發(fā)生；8—10月雨量偏少，又易造成伏、秋干旱。全年平均氣溫17.7℃，最熱月為7—8月，最熱月份日最高氣溫達(dá)40℃以上；最冷月為1月，極端最低氣溫零下10.7℃。全年平均無(wú)霜期276天。

1.2 樣品采集與處理

于2015年豐水期(6月)和枯水期(12月)對(duì)碧山水庫(kù)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，根據(jù)碧山水庫(kù)形態(tài)、水體進(jìn)出位置以及飲用水源取水口位置等情況，沿水庫(kù)上游入庫(kù)口至下游大壩設(shè)置5個(gè)采樣點(diǎn)(如圖1所示)。使用25#篩絹的浮游生物網(wǎng)于各采樣點(diǎn)水體表面進(jìn)行“∞”形來(lái)回拖動(dòng)[14]，撈取適量藻樣于50ml采樣瓶，加入1～2ml甲醛溶液固定后用于藻類定性分析。取1L表層水樣現(xiàn)場(chǎng)用10ml魯哥氏液固定，帶回實(shí)驗(yàn)室于分液漏斗靜置沉淀48h，用虹吸管抽掉上清液，剩余35～50ml沉淀物溶液轉(zhuǎn)入50ml采樣瓶，用于藻類定量分析。

圖1 碧山水庫(kù)采樣點(diǎn)位示意圖

1.3 藻類鑒定與計(jì)數(shù)

藻類鑒定的過(guò)程如下：將固定后的藻類定性樣品搖勻，吸取一滴于載玻片，利用奧林巴斯BX53光學(xué)顯微鏡進(jìn)行分類鑒定，藻類鑒定參考相關(guān)文獻(xiàn)[15]進(jìn)行，以掌握各位點(diǎn)樣品中藻類種類及其形態(tài)特點(diǎn)。藻類定量計(jì)數(shù)步驟如下：充分搖勻藻類定量樣品后，取0.1ml滴入藻類計(jì)數(shù)框內(nèi)，在奧林巴斯BX53光學(xué)顯微鏡400倍下計(jì)數(shù)100個(gè)視野中的藻類。藻類生物量的計(jì)算過(guò)程如下：確定不同種類藻類個(gè)體的相似幾何形狀后，測(cè)量細(xì)胞的長(zhǎng)度、寬度、高度、直徑，代入計(jì)算公式求得體積后，按照藻類比重等于1將體積(cm3)換算成重量(mg)，總生物量(mg/L)等于每種藻類的重量乘以各自細(xì)胞數(shù)量求和得到[16]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

選用Margalef豐富度指數(shù)(d)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)、Pielou均勻度指數(shù)(J)來(lái)進(jìn)行藻類多樣性評(píng)價(jià)[17]，計(jì)算公式分別為：

d=(S-1)/ln(N)

(1)

H=-∑(ni/N)×ln(ni/N)

(2)

J=H/lnS

(3)

式中，S—物種數(shù)，N—藻類總細(xì)胞數(shù)，ni—第i種藻類的細(xì)胞數(shù)。優(yōu)勢(shì)種通過(guò)Mcnaughton優(yōu)勢(shì)度指數(shù)Y計(jì)算確定，

Y=fi×(ni/N)

(4)

式中，fi—第i種藻類在各樣點(diǎn)出現(xiàn)的頻率。把優(yōu)勢(shì)度指數(shù)Y>0.02的藻類確定為優(yōu)勢(shì)種[18]。使用Excel 2016計(jì)算多樣性指數(shù)、SPSS 19.0進(jìn)行顯著性分析、Origin 2017作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 藻類種類組成

碧山水庫(kù)共鑒定出藻類63種，隸屬于7門44屬(見表1)。其中綠藻門最為豐富，為18屬30種，占藻類種數(shù)的47.6%；其次為藍(lán)藻12屬17種，占藻類種數(shù)的27%；硅藻門6屬7種，占藻類種數(shù)的11.1%；甲藻門3屬3種，占藻類種數(shù)的4.8%；裸藻門2屬2種，占藻類種數(shù)的3.2%；金藻門2屬2種，占藻類種數(shù)的3.2%；隱藻門1屬2種，占藻類種數(shù)的3.2%。碧山水庫(kù)豐水期的藻類種類數(shù)小于枯水期，枯水期主要藻類是綠藻。

表1 碧山水庫(kù)藻類種類組成

碧山水庫(kù)藻類優(yōu)勢(shì)種情況見表2，豐水期藻類優(yōu)勢(shì)種為長(zhǎng)孢藻(Dolichospermumsp.)、挪氏微囊藻(Microcystisnovacekii)、假魚腥藻(Pseudanabaenasp.)、膠質(zhì)細(xì)鞘絲藻(Leptolyngbyagelatinosa)、浮游澤絲藻(Limnothrixplanctonica)；枯水期藻類優(yōu)勢(shì)種為挪氏微囊藻、顆粒直鏈藻極狹變種(Melosiragranulatavar.angustissima)、長(zhǎng)孢藻、假魚腥藻、坑形細(xì)鞘絲藻(Leptolyngbyafoveolara)、浮游澤絲藻、狹形纖維藻(Ankistrodesmusangustus)、嚙蝕隱藻(Cryptomonaserosa)。豐水期藻類優(yōu)勢(shì)種全部為藍(lán)藻，枯水期優(yōu)勢(shì)種以藍(lán)藻和硅藻為主，容易引起水華的種類為長(zhǎng)孢藻和挪氏微囊藻。

表2 碧山水庫(kù)藻類優(yōu)勢(shì)種

2.2 藻類豐度

碧山水庫(kù)豐水期和枯水期藻類豐度情況如圖2所示。從時(shí)間分布特征來(lái)看，碧山水庫(kù)豐水期藻類豐度平均值為3.52×108cells/L，變化范圍在1.36×108～6.75×108cells/L之間?？菟谠孱愗S度平均值為3.41×107cells/L，變化范圍在7.22×106～1.15×108cells/L之間。豐水期藻類豐度平均值大于枯水期，豐水期藻類豐度顯著高于枯水期(p<0.05)。從空間分布來(lái)看，豐水期碧山水庫(kù)上游點(diǎn)位的藻類豐度略低于水庫(kù)中游和大壩區(qū)點(diǎn)位，表現(xiàn)出從水庫(kù)上游到下游大壩區(qū)逐漸升高的特征。豐水期水體藍(lán)藻豐度均超過(guò)1×108cells/L，全庫(kù)處于嚴(yán)重的藍(lán)藻水華狀態(tài)。枯水期碧山水庫(kù)上游和中游點(diǎn)位的藻類豐度值較低，大壩區(qū)點(diǎn)位藻類豐度最高，已經(jīng)達(dá)到藍(lán)藻水華暴發(fā)級(jí)別。

圖2 碧山水庫(kù)豐水期和枯水期藻類豐度情況

碧山水庫(kù)的各個(gè)門類的藻類相對(duì)豐度情況如圖3所示。豐水期均表現(xiàn)為藍(lán)藻占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，藍(lán)藻比例在93%～99%之間，平均占比為97%；枯水期藍(lán)藻占比除S3點(diǎn)位為33%以外，其他點(diǎn)位均超過(guò)60%，S4和S5點(diǎn)位藍(lán)藻占比為88%和94%，同樣表現(xiàn)為藍(lán)藻占主要優(yōu)勢(shì)。豐水期藍(lán)藻豐度的占比均值遠(yuǎn)大于枯水期，且具有顯著性差異(P<0.05)。

圖3 碧山水庫(kù)豐水期和枯水期藻類相對(duì)豐度情況

2.3 藻類生物量

碧山水庫(kù)藻類生物量情況如圖4所示。豐水期藻類生物量平均值為25.55mg/L，變化范圍在12.81～54.67mg/L之間，遠(yuǎn)超過(guò)正常水體范圍?？菟谠孱惿锪科骄禐?.42mg/L，變化范圍在0.87～15.44mg/L之間，除下游大壩區(qū)S5點(diǎn)位的藻類豐度很高以外，其它點(diǎn)位的藻類豐度很低，均在5mg/L以下。碧山水庫(kù)豐水期藻類生物量顯著高于枯水期(P<0.01)。

圖4 碧山水庫(kù)豐水期和枯水期藻類生物量情況

從各個(gè)門類的藻類相對(duì)生物量來(lái)看(如圖5所示)，豐水期藍(lán)藻占優(yōu)勢(shì)，藍(lán)藻生物量比例在52%～93%之間，平均占比為78%；枯水期藍(lán)藻平均占比為31.3%，除S4、S5點(diǎn)位外，其他點(diǎn)均低于20%，其中S3點(diǎn)位藍(lán)藻生物量占比僅為7%。豐枯藍(lán)藻生物量占比均小于豐度占比，尤其是枯水期藍(lán)藻生物量占比下降明顯(P<0.05)。

圖5 碧山水庫(kù)豐水期和枯水期藻類相對(duì)生物量

2.4 藻類多樣性指數(shù)

碧山水庫(kù)藻類多樣性指數(shù)情況見表3。碧山水庫(kù)豐水期Margalef豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)平均值均低于枯水期。豐水期中游庫(kù)區(qū)點(diǎn)位的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)高于上游和下游庫(kù)區(qū)，枯水期沿上游至下游逐漸降低，尤其在下游大壩區(qū)點(diǎn)位藻類多樣性下降明顯。

表3 碧山水庫(kù)藻類多樣性指數(shù)

2.5 主要水華藍(lán)藻豐度和生物量

碧山水庫(kù)主要水華藍(lán)藻豐度情況如圖6所示。碧山豐水期長(zhǎng)孢藻豐度平均值為1.76×108cells/L，挪氏微囊藻豐度最高達(dá)3.49×108cells/L，假魚腥藻、厚壁細(xì)鞘絲藻和浮游澤絲藻的豐度大部分在1×107cells/L左右?？菟陂L(zhǎng)孢藻和挪氏微囊藻的豐度均出現(xiàn)顯著下降。豐水期主要水華藍(lán)藻的豐度大于枯水期，與藻類總豐度的特征相一致。

圖6 碧山水庫(kù)主要水華藍(lán)藻豐度情況

碧山水庫(kù)主要水華藍(lán)藻生物量情況見圖7。碧山水庫(kù)豐水期長(zhǎng)孢藻生物量平均值為12.27mg/L，變化范圍在3.49～18.06mg/L之間，挪氏微囊藻S4號(hào)點(diǎn)位生物量達(dá)30.4mg/L，處于嚴(yán)重的水華暴發(fā)時(shí)期。碧山水庫(kù)枯水期長(zhǎng)孢藻生物量很低，平均值為0.18mg/L，變化范圍為0.02～0.32mg/L，現(xiàn)場(chǎng)也未觀察到水華現(xiàn)象。豐水期主要水華藍(lán)藻的生物量平均值顯著高于枯水期(P<0.05)，從全庫(kù)范圍來(lái)看，豐水期對(duì)水華貢獻(xiàn)較大的主要是長(zhǎng)孢藻，其次是挪氏微囊藻，但挪氏微囊藻在個(gè)別點(diǎn)位如S4號(hào)點(diǎn)位的水華貢獻(xiàn)巨大。

圖7 碧山水庫(kù)主要水華藍(lán)藻生物量情況

3 討論

3.1 藍(lán)藻豐度及生物量分析

碧山水庫(kù)的來(lái)水中總磷濃度為0.32mg/L，總氮為1.28mg/L，嚴(yán)重超過(guò)了地表水Ⅲ類水質(zhì)，達(dá)到了重度富營(yíng)養(yǎng)化級(jí)別。湖區(qū)中下游營(yíng)養(yǎng)鹽濃度有所下降，總磷總體平均為0.16mg/L，總氮1.15mg/L，依然嚴(yán)重超標(biāo)，主要原因可能是上游規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)排放糞污水進(jìn)入水庫(kù)，此外水庫(kù)邊緣農(nóng)田及部分村落居民生活區(qū)排水也對(duì)水庫(kù)水質(zhì)造成一定影響。

受水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化影響，碧山水庫(kù)豐水期全庫(kù)范圍內(nèi)藻類豐度均很高，處于嚴(yán)重的藍(lán)藻水華暴發(fā)階段。枯水期藻類豐度相比豐水期更低，上游區(qū)域藍(lán)藻豐度占比有所下降，但下游大壩區(qū)域S5號(hào)點(diǎn)位的藻類生物量接近豐水期。通常，大部分水庫(kù)從上游至下游藍(lán)藻細(xì)胞密度逐漸上升，且此變化趨勢(shì)在豐水期更加明顯[19]。碧山水庫(kù)豐水期藍(lán)藻豐度和生物量的特征表現(xiàn)為上下游高，而中游區(qū)域較低，枯水期藍(lán)藻豐度和生物量則表現(xiàn)出上游至下游逐漸上升的趨勢(shì)，可能的原因是碧山水庫(kù)豐水期上游接納大量農(nóng)業(yè)面源污染物，促使藍(lán)藻大量生長(zhǎng)。

生境內(nèi)單一物種種群數(shù)量過(guò)大時(shí)可能會(huì)排擠其他物種種群，使區(qū)域內(nèi)的物種多樣性降低[11]，碧山水庫(kù)豐水期的藻類Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Margalef豐富度指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)平均值皆小于枯水期，表明豐水期占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的長(zhǎng)孢藻和挪氏微囊藻降低了藻類的群落多樣性。枯水期Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)呈現(xiàn)出從上游至下游逐漸降低的趨勢(shì)，表明枯水期大壩取水口區(qū)域相較上游而言更容易暴發(fā)藍(lán)藻水華。

3.2 藍(lán)藻水華風(fēng)險(xiǎn)分析

水體富營(yíng)養(yǎng)化水平較高時(shí)，具有浮力或運(yùn)動(dòng)能力的藻類通常會(huì)過(guò)度生長(zhǎng)，成為水體中的優(yōu)勢(shì)藻種類。碧山水庫(kù)豐水期藻類優(yōu)勢(shì)種全部為藍(lán)藻，長(zhǎng)孢藻(Dolichespermumsp.)占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)；其次是挪氏微囊藻(Microcystisnovacekii)，是引起碧山水庫(kù)豐水期藍(lán)藻水華的主要種類。長(zhǎng)孢藻和微囊藻均含有偽空胞，可以調(diào)節(jié)細(xì)胞在水體中的位置，高光時(shí)向下層水體轉(zhuǎn)移，低光照時(shí)轉(zhuǎn)移至水面，以獲得最佳的營(yíng)養(yǎng)鹽和光照[20]，這種有利的生理機(jī)制促使兩者成為富營(yíng)養(yǎng)化水體的優(yōu)勢(shì)種類。

長(zhǎng)孢藻是具有產(chǎn)生多種藍(lán)藻毒素及異味物質(zhì)的潛在能力的絲狀異形胞藍(lán)藻。2009年Wacklin等[21]根據(jù)16S rRNA基因序列分析結(jié)果將大部分浮游性的魚腥藻種類分離出來(lái)成立長(zhǎng)孢藻屬(Dolichospermum)。長(zhǎng)孢藻屬是除微囊藻屬外最易產(chǎn)生水華的類群之一，該屬中的許多種類能夠分泌微囊藻毒素、魚腥藻毒素、神經(jīng)毒素以及擬柱孢藻毒素[22]，同時(shí)也能合成異味物質(zhì)如土腥素(geosmin)和2-甲基異冰片(2-methylisoborneol，2-MIB)。微囊藻毒素具有強(qiáng)烈的肝臟致癌作用，異味物質(zhì)土腥素可以導(dǎo)致飲用水產(chǎn)生明顯的土腥味[23]。因此，豐水期要警惕長(zhǎng)孢藻的毒素和異味物質(zhì)對(duì)碧山水庫(kù)飲用水源的威脅。

微囊藻有較高的磷最大攝取速率，更強(qiáng)的磷儲(chǔ)存能力，對(duì)氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽的結(jié)合力比其它藻類更高，也使得微囊藻在同等營(yíng)養(yǎng)鹽條件，尤其是氮、磷限制條件下更具競(jìng)爭(zhēng)力[24]。挪氏微囊藻主要生長(zhǎng)于中營(yíng)養(yǎng)型和富營(yíng)養(yǎng)型水體，在國(guó)內(nèi)大部分水體廣泛分布，有時(shí)形成水華[3]，國(guó)內(nèi)已有水體暴發(fā)挪氏微囊藻水華的報(bào)道[25]。微囊藻屬是我國(guó)危害最大、最常見的水華藍(lán)藻，此屬絕大多數(shù)種類是淡水藍(lán)藻水華的主要優(yōu)勢(shì)種群，其中許多種類如銅綠微囊藻(Microcystisaeruginosa)、惠氏微囊藻(Microcystiswesenbergii)等可以產(chǎn)生毒素[3]。國(guó)內(nèi)尚未見到挪氏微囊藻產(chǎn)生毒素的報(bào)道，但國(guó)外已有學(xué)者分離到能產(chǎn)生微囊藻毒素的挪氏微囊藻純?cè)逯闧26]，要防范藍(lán)藻水華暴發(fā)后對(duì)碧山水庫(kù)飲水安全的不利影響。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)，水庫(kù)水面4—10月藍(lán)藻水華現(xiàn)象頻發(fā)，對(duì)水庫(kù)水源影響比較顯著，可明顯察覺到水質(zhì)中藍(lán)藻死亡釋放的異味物質(zhì)。目前在水庫(kù)水環(huán)境治理與保護(hù)方面已經(jīng)采取了一定的措施，關(guān)閉遷移了上游大量養(yǎng)殖戶，清理了大量污染源，取得了一定的階段性成果。但由于污染累積的歷史性及大量潛在的污染源尚未發(fā)現(xiàn)和治理，水庫(kù)的水安全依然存在風(fēng)險(xiǎn)。因此在水庫(kù)管理中尤其要注意防范豐水期全庫(kù)和枯水期大壩區(qū)的藍(lán)藻水華風(fēng)險(xiǎn)，建立藍(lán)藻毒素和異味物質(zhì)的監(jiān)測(cè)與預(yù)警措施，保障飲用水安全。

4 結(jié)論

(1)碧山水庫(kù)共鑒定出藻類7門44屬63種，藻類種類以綠藻為主，藍(lán)藻次之，豐水期的藻類種類數(shù)小于枯水期。豐水期藻類優(yōu)勢(shì)種主要是長(zhǎng)孢藻和挪氏微囊藻，枯水期藻類優(yōu)勢(shì)種主要是挪氏微囊藻、顆粒直鏈藻極狹變種和長(zhǎng)孢藻。

(2)碧山水庫(kù)豐水期處于嚴(yán)重的藍(lán)藻水華暴發(fā)階段，豐水期豐度顯著大于枯水期，藻類多樣性指數(shù)均小于枯水期。豐水期主要水華藍(lán)藻種類是長(zhǎng)孢藻和挪氏微囊藻，水華暴發(fā)時(shí)數(shù)量占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的長(zhǎng)孢藻和挪氏微囊藻降低了藻類的群落多樣性。

(3)在水庫(kù)管理中尤其要注意防范豐水期全庫(kù)和枯水期大壩區(qū)的藍(lán)藻水華風(fēng)險(xiǎn)，建立藍(lán)藻毒素和異味物質(zhì)的監(jiān)測(cè)與預(yù)警措施，保障飲用水安全。