邱曉鵬，黃廷林，周石磊，史建超，曹 昕，鄭 興

(1. 西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710048；2. 西安理工大學(xué) 陜西省水資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710048；3. 西安建筑科技大學(xué) 陜西省環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710055；4. 西安建筑科技大學(xué) 西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710055)

隨著地表水源所占比例的提高，全球氣候變暖背景下水源水庫的藍(lán)藻水華受到越來越多的關(guān)注。水華藍(lán)藻的過量繁殖會(huì)降低水庫溶解氧，釋放大量有害物質(zhì)，降低生物多樣性，破壞水生態(tài)系統(tǒng)，惡化水源水質(zhì)。藍(lán)藻的爆發(fā)還會(huì)增加水源水中有機(jī)物的含量，造成水處理過程中藥劑投加量增加、膜污染加重和消毒副產(chǎn)物的增加[1]。此外，水華藍(lán)藻釋放的致嗅物(如二甲基異莰醇、土嗅素)和藻毒素(如微囊藻毒素、擬柱孢藻毒素)也嚴(yán)重威脅著人們的飲用水安全[2]。因此，研究藍(lán)藻水華爆發(fā)規(guī)律對(duì)于水源水庫管理和飲用水安全有著重要意義。

水源水庫藍(lán)藻水華的爆發(fā)通常與適宜的溫度、較長(zhǎng)的停留時(shí)間、充足的營(yíng)養(yǎng)鹽等有關(guān)[3]?！吨袊鴼夂蜃兓{(lán)皮書(2020)》表明，隨著全球氣候變暖，我國氣候不穩(wěn)定性增強(qiáng)，各區(qū)域降雨變化差異明顯，強(qiáng)降雨事件發(fā)生日數(shù)增多。夏季強(qiáng)降雨會(huì)顯著影響水庫中浮游植物的生長(zhǎng)環(huán)境，從而改變庫區(qū)浮游植物的生物量和群落結(jié)構(gòu)。部分研究表明，夏季強(qiáng)降雨會(huì)促進(jìn)湖庫藍(lán)藻水華的爆發(fā)：Chen等[4]報(bào)道了我國東南部某水庫在強(qiáng)降雨后發(fā)生藍(lán)藻水華，氨氮、溶解性總磷的濃度對(duì)藻類生物量影響較大；Simic等[5]發(fā)現(xiàn)2014年強(qiáng)降雨后塞爾維亞Sumarice水庫營(yíng)養(yǎng)鹽水平提高，導(dǎo)致藍(lán)藻(水華束絲藻)大量爆發(fā)。然而，也有研究報(bào)道了強(qiáng)降雨可以緩解湖庫藍(lán)藻水華：劉心愿等[6]研究表明強(qiáng)降雨會(huì)導(dǎo)致香溪河庫灣混合層深度增加，從而抑制藍(lán)藻水華；Caldero-Pascual等[7]報(bào)道了愛爾蘭某湖泊受強(qiáng)降雨的影響，營(yíng)養(yǎng)鹽水平發(fā)生改變、浮游動(dòng)物數(shù)量增多、混合層深度增加，最終導(dǎo)致藻類葉綠素含量減少了兩倍。湖庫藍(lán)藻水華對(duì)夏季降雨的響應(yīng)，是水體熱分層、氮與磷營(yíng)養(yǎng)鹽、水力停留時(shí)間等綜合作用的結(jié)果。然而，目前有關(guān)降雨對(duì)我國淮河流域水源水庫藍(lán)藻水華影響的研究還鮮有報(bào)道，有必要探明不同類型降雨形式下影響藍(lán)藻水華的關(guān)鍵環(huán)境因子。本研究以棗莊周村水庫為研究對(duì)象，對(duì)比研究了水庫藻類在降雨形式不同的兩個(gè)夏季的生長(zhǎng)情況，并篩選出強(qiáng)降雨影響藍(lán)藻水華的關(guān)鍵環(huán)境因子，以期為水源水庫管理和飲用水安全保障提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

周村水庫位于山東省棗莊市，該水庫最大庫容為8 000萬 m3，庫區(qū)面積為6.5 km2，平均水深為13 m，最大水深為21 m。上游流域以農(nóng)業(yè)和農(nóng)村用地為主，流域面積為121 km2。該地區(qū)屬溫帶亞濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，全年最溫暖的月份是7月(平均氣溫約為33 ℃)，最冷的月份是1月(平均氣溫約-5 ℃)。水庫上游有三條河流，即徐洼河、下拾河和西伽河。

1.2 采樣與分析

于2012年和2014年的6月至10月對(duì)水庫和入庫徑流進(jìn)行采樣分析，采樣點(diǎn)如圖1所示。

入庫徑流樣品每月采集一次，水庫壩前深水區(qū)樣品每周采樣一次。水溫、pH和電導(dǎo)率由哈希HQ30d原位測(cè)量，透明度采用透明度盤法測(cè)定。總氮(TN)、氨氮(NH4-N)、硝態(tài)氮(NO3-N)和總磷(TP)的檢測(cè)依據(jù)《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》[8]。用于浮游植物鏡檢的水樣用魯哥試劑進(jìn)行固定，并用顯微鏡Olympus CX31進(jìn)行鏡檢，浮游植物種屬鑒別依據(jù)《中國淡水藻類——系統(tǒng)、分類及生態(tài)》[9]，浮游植物功能群落分類參照文獻(xiàn)[10-11]。

水庫降水、入庫流量、出庫流量和水位數(shù)據(jù)來源于棗莊市水利局。水庫某月水力停留時(shí)間(HRT)為該月份平均庫容與入庫流量之比。采用Schmidt指數(shù)判斷周村水庫水體分層情況，當(dāng)數(shù)值低于49 J/m2時(shí)表明水體熱分層遭到破壞[12]。香農(nóng)多樣性指數(shù)的計(jì)算參照文獻(xiàn)[13]。浮游植物生物量的計(jì)算依據(jù)各藻種細(xì)胞平均尺寸，使用相應(yīng)幾何形狀公式計(jì)算而得[14]。利用軟件Canoco分析浮游植物功能群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子的關(guān)系。首先對(duì)浮游植物功能類群進(jìn)行去趨勢(shì)分析(DCA)，結(jié)果顯示2012年最大梯度長(zhǎng)度為2.63，而2014年其值為1.40。由于最大梯度長(zhǎng)度均小于3.0，所以選擇冗余分析(RDA)研究浮游植物與環(huán)境因子的關(guān)系。

2 結(jié) 果

2.1 水文條件

如圖2所示，2012年(774.5 mm)和2014年(758.5 mm)的降雨量相近，但二者的降雨形式不同。2012年降雨主要發(fā)生在7～9月份，而2014年降雨在5～9月份均勻分布。2012年夏季發(fā)生4次強(qiáng)降雨事件(>50 mm)，2014年則沒有強(qiáng)降雨事件。2012年周村水庫的月最大入庫流量為2 412萬 m3，遠(yuǎn)高于2014年的785萬 m3。出于庫區(qū)防洪抗汛的需要，2012年出庫流量也大于2014年出庫流量，這使得2012年夏季水庫的HRT較低，其中7月份的HRT最低，為43天。

2.2 入庫徑流營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷

2012年和2014年周村水庫三條入庫徑流的氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽濃度均遠(yuǎn)高于庫區(qū)水平，總氮濃度的變化范圍為2.38～13.88 mg/L，總磷濃度的變化范圍為0.023～4.184 mg/L。夏季入庫徑流氮、磷負(fù)荷如圖3所示。下拾河和西伽河的氮源以硝態(tài)氮為主，而徐洼河的氮源以氨氮為主。通過營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷計(jì)算可知，硝態(tài)氮是周村水庫主要的外源氮源。2012年周村水庫總氮負(fù)荷在7～9月份驟然升高，且明顯高于2014年同期。此外，2012年入庫徑流總磷負(fù)荷在7月、8月份也高于2014年同期。

圖3 2012年和2014年周村水庫入庫徑流營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷Fig.3 Inflow nutrient load in the reservoir of 2012 and 2014

2.3 庫區(qū)理化因子

受夏季集中降雨的影響，周村水庫水位在2012年夏季變化較大，由123.46 m升至127.14 m。而2014年夏季庫區(qū)水位變化平緩，從124.43 m降至123.95 m，如圖4(a)所示。2012年6～10月份庫區(qū)水溫與2014年同期庫區(qū)水溫相近，2012年8月份庫區(qū)最高水溫為31.2 ℃，略高于2014年同期的29.1 ℃，如圖4(b)所示。采用Schmidt穩(wěn)定指數(shù)表征庫區(qū)分層情況，2012年和2014年夏季水庫Schmidt穩(wěn)定指數(shù)均遠(yuǎn)高于49 J/m2，表明水庫始終處于穩(wěn)定分層狀態(tài)，2012年的集中強(qiáng)降雨并未破壞周村水庫的水體熱分層，如圖4(c)所示。

如圖4(d)～(f)所示，周村水庫庫區(qū)營(yíng)養(yǎng)鹽水平明顯受降雨和外源匯入的影響。2012年庫區(qū)總氮濃度在7月初強(qiáng)降雨事件發(fā)生后顯著增長(zhǎng)，由1.0 mg/L增至2.6 mg/L，而2014年夏季庫區(qū)總氮濃度變化不大，變化范圍為0.47～0.79 mg/L。硝態(tài)氮與總氮的變化趨勢(shì)相近，在2012年其濃度由0.23 mg/L升高至2.28 mg/L，而2014年硝態(tài)氮濃度一直處于較低水平(0.02～0.17 mg/L)。由庫區(qū)硝態(tài)氮和總氮的濃度及變化規(guī)律可知，周村水庫庫區(qū)氮源以硝態(tài)氮為主，庫區(qū)總氮濃度的變化受入庫徑流影響較大。2012年7月、8月份庫區(qū)總磷濃度為0.060～0.087 mg/L，高于2014年的0.040～0.064 mg/L。

圖4 2012年和2014年夏季周村水庫物理環(huán)境因子變化Fig.4 Temporal changes of physiochemical factors in Zhoucun Reservoir in the summer of 2012 and 2014

2.4 浮游植物生物量和群落結(jié)構(gòu)

由圖5(a)可知，2012年周村水庫夏季爆發(fā)浮游植物，其最大生物量發(fā)生在8月29日，高達(dá)46.76 mm3/L。2014年庫區(qū)未爆發(fā)水華，浮游植物生物量峰值出現(xiàn)在8月27日(7.57 mm3/L)。2014年庫區(qū)浮游植物生物量除在6月份與2012年相近，在7～10月份均遠(yuǎn)低于2012年同期。

2012年夏季與2014年夏季的浮游植物多樣性也有明顯區(qū)別，如圖5(b)所示。受水華爆發(fā)的影響，2012年7月、8月份庫區(qū)浮游植物香農(nóng)指數(shù)從2.92急劇降低至0.93，而后隨著水華的消退在9月、10月份逐漸回升。而2014年庫區(qū)浮游植物香農(nóng)指數(shù)的變化范圍為2.3～3.2，說明2014年庫區(qū)浮游植物一直保持較高水平的多樣性。

2012年和2014年周村水庫夏季浮游植物共檢出71種，按功能群類群可歸為21類。按照生物量大于總生物量的5%劃分，得到14個(gè)優(yōu)勢(shì)功能類群，其代表藻種如表1所示。

表1 周村水庫優(yōu)勢(shì)功能類群和代表種屬Tab.1 Representative species of the dominant functional groups in Zhoucun Reservoir

周村水庫13個(gè)優(yōu)勢(shì)功能類群的季節(jié)演替規(guī)律如圖6所示。

圖6 2012年2014年夏季周村水庫浮游植物群落結(jié)構(gòu)的季節(jié)演替Fig.6 Seasonal succession of phytoplankton community in Zhoucun Reservoir of 2012 and 2014

2012年6月份，周村水庫優(yōu)勢(shì)功能群為F、W1和X1。在7月上旬，隨著強(qiáng)降雨事件的發(fā)生，庫區(qū)優(yōu)勢(shì)功能群落迅速轉(zhuǎn)變?yōu)镸和L0，二者最高可占總?cè)郝涞?5%和26%。直到10月份，功能群M和L0所占比例降低，功能群C、D和X2逐漸占優(yōu)。2014年周村水庫優(yōu)勢(shì)功能群不同于2012年，7月、8月份優(yōu)勢(shì)功能群為Tc和S2，二者最高可占浮游植物群落的35%和21%。6月、9月、10月份優(yōu)勢(shì)功能群主要為X1和F。采用RDA分析探討浮游植物群落結(jié)構(gòu)演替與環(huán)境因子的關(guān)系。蒙特卡洛檢驗(yàn)結(jié)果表明，總磷、總氮和溫度是影響2012年夏季周村水庫浮游植物群落結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵環(huán)境因子，而硝態(tài)氮、溫度和Schmidt指數(shù)是2014年的重要環(huán)境因子。如圖7所示，2012年RDA分析的前兩個(gè)典范軸的累積解釋率為94.3%(軸1和軸2分別為90.5%和3.8%)。功能群M與總磷、水溫和總氮呈正相關(guān)。2014年RDA分析的前兩個(gè)典范軸的累積解釋率為91.8%(軸1和軸2分別為83.2%和8.6%)，水溫和Schmidt指數(shù)對(duì)浮游植物群落結(jié)構(gòu)的影響較大而對(duì)硝態(tài)氮的影響較小。功能群Tc和S2與水溫和Schmidt指數(shù)呈正相關(guān)。

3 討 論

周村水庫在2012年7月上旬強(qiáng)降雨事件之后爆發(fā)了藍(lán)藻水華，優(yōu)勢(shì)功能類群為M和L0，其中功能群M優(yōu)勢(shì)明顯。本次藍(lán)藻水華的爆發(fā)與庫區(qū)氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽水平的提高有關(guān)。功能類群M的代表種屬主要為微囊藻，而功能類群L0則主要為色球藻，二者均屬于藍(lán)藻門。功能類群M更適宜生長(zhǎng)在富營(yíng)養(yǎng)化和靜止的水體中，而功能類群L0則更適應(yīng)不同的生長(zhǎng)環(huán)境，從貧營(yíng)養(yǎng)到富營(yíng)養(yǎng)、從中型到大型的各類深水和淺水湖庫[10-11]。已有大量研究報(bào)道了這兩種功能群同時(shí)在淡水系統(tǒng)中占主導(dǎo)地位[15-16]。本研究中，2012年夏季水庫藍(lán)藻水華爆發(fā)，功能群M和L0生物量的增加與庫區(qū)總氮和總磷濃度的升高同時(shí)發(fā)生，這表明氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽水平的提高促進(jìn)了庫區(qū)浮游植物的發(fā)生。由圖7可知，優(yōu)勢(shì)功能群M與總磷、總氮呈正相關(guān)，而優(yōu)勢(shì)功能群L0與總磷呈正相關(guān)，如圖7(a)所示。2012年7～10月份水庫總氮濃度一直在2.0 mg/L以上，總磷濃度為0.028～0.087 mg/L。已有研究表明，湖庫水體中總氮濃度大于0.88 mg/L、總磷濃度大于0.021 mg/L時(shí)，就有浮游植物的風(fēng)險(xiǎn)[17]。這說明2012年夏季周村水庫氮、磷元素對(duì)浮游植物生長(zhǎng)而言一直是充足的。而2014年只有總磷濃度超過閾值而總氮濃度偏低，因此，氮元素是影響2014年周村水庫浮游植物群落演替的重要因素，如圖7(b)所示。

圖7 2012年2014年周村水庫夏季浮游植物優(yōu)勢(shì)功能類群與環(huán)境因子的RDA雙標(biāo)圖Fig.7 RDA biplot of dominant phytoplankton functional groups and environmental factors in summer of 2012 and 2014

2012年和2014年不同的降雨形式造成這兩年周村水庫夏季入庫徑流量和營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷差異顯著。Trenberth等[18]研究表明，強(qiáng)降雨因?yàn)闇p少了滲濾作用，其在流域內(nèi)形成的徑流量更大。如圖2所示，2012年頻繁的強(qiáng)降雨事件導(dǎo)致周村水庫的入庫流量明顯高于2014年同期。此外，由于防洪需要，2012年周村水庫加大了出庫流量，從而降低了水力停留時(shí)間(HRT)。由徑流的水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，2012年和2014年周村水庫上游入庫徑流污染均較嚴(yán)重，其總氮和總磷濃度均遠(yuǎn)高于庫區(qū)水平，這表明較短的HRT會(huì)增加周村水庫庫區(qū)營(yíng)養(yǎng)鹽濃度。如圖4所示，周村水庫7月份總氮濃度升高了1.4 mg/L，而總磷濃度升高了0.055 mg/L。2012年較集中的強(qiáng)降雨不僅增加了周村水庫的入庫徑流量，也導(dǎo)致庫區(qū)HRT降低，二者的綜合作用使得水庫氮、磷濃度在夏季顯著提高。

2012年周村水庫的強(qiáng)降雨并未破壞庫區(qū)水體分層，這為藍(lán)藻水華爆發(fā)提供了必要條件。穩(wěn)定的熱分層可以使得庫區(qū)變溫層水體溫度升高[19]，促進(jìn)藍(lán)藻的生長(zhǎng)。熱分層還可為浮游植物生長(zhǎng)提供一個(gè)穩(wěn)定的水力條件，這也更有利于功能類群M的繁殖。已有研究表明，功能類群M的代表種屬微囊藻常在分層水體占主導(dǎo)地位，而在水體混合時(shí)失去競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)[10-11]。此外，分層還導(dǎo)致水庫恒溫層形成厭氧條件，加速庫底沉積物的營(yíng)養(yǎng)鹽(氨氮、正磷酸鹽、鐵、錳等)的釋放[20]，這也為浮游植物的生長(zhǎng)提供了必要的養(yǎng)分。

浮游植物的生物多樣性反映了藻類群落結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，經(jīng)常被用來評(píng)估水生態(tài)系統(tǒng)的健康[21]。營(yíng)養(yǎng)鹽或其他環(huán)境脅迫通常被認(rèn)為是影響浮游植物多樣性的主要因素[22]。隨著2012年夏季藍(lán)藻水華的爆發(fā)，周村水庫浮游植物多樣性迅速下降，這說明2012年較集中的強(qiáng)降雨會(huì)導(dǎo)致周村水庫生態(tài)環(huán)境的惡化。與之相反，2014年夏季浮游植物多樣性則始終保持較高水平。

綜上所述，2012年的強(qiáng)降雨并未破壞周村水庫熱分層，引起庫區(qū)水體混合。較集中的降雨增大了入庫徑流量，提高了水庫氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽水平，導(dǎo)致2012年夏季藍(lán)藻水華爆發(fā)。2014年降雨分布更均勻，入庫徑流對(duì)庫區(qū)營(yíng)養(yǎng)鹽濃度影響較小，庫區(qū)營(yíng)養(yǎng)鹽水平較低，未發(fā)生浮游植物。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)第5次評(píng)估報(bào)告顯示，我國年降雨量和強(qiáng)降雨事件的頻率都將增加。若強(qiáng)降雨不能破壞水庫熱分層，且水庫上游營(yíng)養(yǎng)鹽污染嚴(yán)重，在強(qiáng)降雨頻發(fā)的未來該類水庫發(fā)生藍(lán)藻水華的幾率將會(huì)增加。為了控制水源水庫的浮游植物，需要加強(qiáng)對(duì)水源地上游流域的管理力度，減少入庫徑流污染，同時(shí)需開發(fā)可原位降低湖庫營(yíng)養(yǎng)物水平的新技術(shù)。

4 結(jié) 論

本文對(duì)比了兩種不同的降雨形式對(duì)周村水庫夏季物理化學(xué)因子和浮游植物的影響，主要結(jié)論如下：

1) 周村水庫2012年較2014年降雨更集中。2012年夏季的強(qiáng)降雨事件使得水庫入庫氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷明顯高于2014年同期。

2) 2012年夏季周村水庫庫區(qū)總氮和總磷濃度分別為2.01～2.60 mg/L和0.06～0.87 mg/L，遠(yuǎn)高于2014年同期；2012年的強(qiáng)降雨事件并沒有破壞水庫熱分層。

3) 2012年夏季周村水庫爆發(fā)藍(lán)藻水華，其優(yōu)勢(shì)功能群M與總氮、總磷和溫度呈正相關(guān)；而2014年夏季周村水庫未爆發(fā)浮游植物，其群落結(jié)構(gòu)主要受溫度、硝態(tài)氮和Schmidt指數(shù)的影響。