劉書敏 趙風(fēng)斌

(1.華東師范大學(xué)生態(tài)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,上海 200241；2.上海波賽統(tǒng)環(huán)境科技有限公司,上海 200092；3.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200092)

富營養(yǎng)化是水體中浮游植物所需的營養(yǎng)物質(zhì)含量過多而引起的水質(zhì)污染現(xiàn)象。大量氮磷流入水體,導(dǎo)致浮游植物快速生長,溶解氧(DO)含量降低,致使水質(zhì)不斷惡化[1]。同時(shí),浮游植物生長還受到溫度、pH、有機(jī)物、透明度(SD)等水質(zhì)因素的影響[2]。因此,營養(yǎng)鹽、SD、DO、pH、化學(xué)需氧量(COD)等水質(zhì)指標(biāo)及浮游植物可作為富營養(yǎng)化評價(jià)和控制的關(guān)鍵因素[3]。

青草沙水庫作為長江口重要水源地之一,是目前世界上最大的潮汐河口水庫,承擔(dān)了上海市約50%的原水供應(yīng),其水質(zhì)安全對上海市來說至關(guān)重要。然而,由于長江沿岸城市經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá),陸源的氮磷等污染物隨徑流輸入一直帶到長江口水域[4-5],導(dǎo)致長江口水環(huán)境質(zhì)量堪憂,富營養(yǎng)化問題嚴(yán)重[6-7],給青草沙水庫水質(zhì)安全帶來風(fēng)險(xiǎn)。

青草沙水庫建成以來,已有研究者對庫區(qū)水質(zhì)特征[8]、水動力特征[9]、細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)[10]、浮游動植物群落結(jié)構(gòu)[11]及食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)[12-13]等諸多內(nèi)容進(jìn)行了研究。在相關(guān)研究的基礎(chǔ)上,為應(yīng)對水體富營養(yǎng)化問題,水庫運(yùn)行管理部門近年采取了水力調(diào)控、濾網(wǎng)攔截除藻、沉水植物系統(tǒng)構(gòu)建、生物操縱[14-15]等技術(shù)措施,使得水庫的富營養(yǎng)化問題在一定程度上得到控制。但由于受長江口水環(huán)境變化影響,水庫仍存在較大水華風(fēng)險(xiǎn)[16-17]。

青草沙水庫采用避咸蓄淡的運(yùn)行方式。1—3月咸潮期水庫引排水流量、水動力條件、水位、鹽度等變化較大,暫不考慮。4—12月非咸潮期水庫采取“能引則引,能排則排”的水利調(diào)度手段[18],利用庫首潮汐能多引水、庫尾閘門多排藻的富營養(yǎng)化防控策略,通過大量排出浮游植物防止藻類過度繁殖,但缺乏對庫區(qū)水質(zhì)與浮游植物群落特征的精準(zhǔn)掌控。本研究通過對青草沙水庫非咸潮期水質(zhì)、浮游植物進(jìn)行監(jiān)測的基礎(chǔ)上,利用Pearson相關(guān)性分析及冗余分析(RDA)對庫區(qū)水質(zhì)的時(shí)空分布特征、藻類群落結(jié)構(gòu)特征及優(yōu)勢種變化情況進(jìn)行分析,討論浮游植物群落演替規(guī)律與水質(zhì)之間的響應(yīng)關(guān)系,以期為水庫后續(xù)富營養(yǎng)化防治策略的精準(zhǔn)調(diào)控提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 采樣點(diǎn)布設(shè)

青草沙水庫呈“上寬下窄,上灘下槽”的特征,庫首沙體外沿受沖后形成陡坎,導(dǎo)致該區(qū)流速較快；庫尾水深增加,逐漸形成深潭,導(dǎo)致該區(qū)流速較慢。綜合水庫水體流動及引排水閘門設(shè)置情況,設(shè)置庫首站點(diǎn)(ST1、ST2、ST3),庫中站點(diǎn)(ST4、ST5、ST6),庫尾站點(diǎn)(ST7、ST8)(見圖1)。

1.2 樣品采集與測定

樣品采集時(shí)間為2019年4—12月,采樣頻率為每月中旬采樣1次。采用多參數(shù)水質(zhì)分析儀(美國YSI,EXO)測定DO、電導(dǎo)率(Cond)和pH。分別參照《水質(zhì) 總磷的測定 鉬酸銨分光光度法》(GB 11893—89)、《水質(zhì) 總氮的測定 堿性過硫酸鉀消解 紫外分光光度法》(HJ 636—2012)、《水質(zhì) 氨氮的測定 納氏試劑分光光度法》(HJ 535—2009)和《水質(zhì) 硝酸鹽氮的測定 紫外分光光度法(試行)》(HJ/T 346—2007)測定總磷(TP)、總氮(TN)、氨氮和硝酸鹽氮,儀器使用連續(xù)流動分析儀(荷蘭Skalar,SAN++)。分別參照《水質(zhì) 化學(xué)需氧量的測定 快速消解分光光度法》(HJ/T 399—2007)、《水質(zhì) 葉綠素a 的測定 分光光度法》(HJ 897—2017)測定COD和葉綠素a(Chl-a),儀器使用雙光束紫外可見分光光度計(jì)(日本SHIMADZU,UV1900)。SD用賽氏盤測定。浮游植物通過鏡檢定性并確定生物密度和生物量,計(jì)數(shù)方法采用倒置顯微鏡計(jì)數(shù)法。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用SPSS25.0進(jìn)行單因子方差分析和Pearson相關(guān)性分析,并采用SNK-q檢驗(yàn)進(jìn)行多重比較；使用CANOCO5.0軟件對庫首ST1、庫中ST5、庫尾ST8的優(yōu)勢度前10的浮游植物與水體理化因子進(jìn)行RDA,對浮游植物種群信息進(jìn)行去趨勢對應(yīng)分析(DCA),排序軸長度小于3,故選擇基于線性的RDA。

2 結(jié)果與分析

2.1 水質(zhì)特征

對水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并進(jìn)行單因子方差分析,結(jié)果見表1?？梢园l(fā)現(xiàn),(1)庫區(qū)COD、pH、DO、Cond均值由庫首至庫尾無顯著差異；(2)庫區(qū)TP、TN、氨氮、硝酸鹽氮均值由庫首至庫尾存在顯著差異,總體呈逐漸降低趨勢；(3)Chl-a、SD均值由庫首至庫尾存在顯著差異,呈逐漸上升趨勢。由此可見,庫首至庫尾泥沙逐漸沉降、SD提高,浮游植物增殖導(dǎo)致Chl-a含量增加,消耗氮磷營養(yǎng)元素。因此,掌握氮磷元素時(shí)空變化規(guī)律及其與Chl-a的相關(guān)關(guān)系,對于水庫富營養(yǎng)化防治具有重要科學(xué)價(jià)值,下面將對氮磷元素時(shí)空變化特征和Chl-a的響應(yīng)特征進(jìn)行研究。

2.1.1 TP時(shí)空變化特征

由圖2可見,青草沙水庫TP質(zhì)量濃度為0.08～0.43 mg/L,均值為0.18 mg/L,呈現(xiàn)出明顯的時(shí)空差異性?？傮w看來，4、12月TP濃度較高,5—11月TP濃度較低,原因是5—11月長江流域降水量較大,TP濃度得以稀釋,而ST1和ST2在7月濃度異常高是因?yàn)椴蓸訒r(shí)受到了降雨和風(fēng)浪的影響,導(dǎo)致懸浮泥沙中顆粒態(tài)磷大量增加。

表1 水質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)特征和單因素方差分析結(jié)果1)Table 1 Statistical characteristics and single-factor variance analysis for water quality indexes

2.1.2 庫區(qū)氮元素時(shí)空變化特征

由圖3可見,青草沙水庫TN質(zhì)量濃度為0.64～2.46 mg/L,均值為1.54 mg/L；硝酸鹽氮質(zhì)量濃度為0.51～1.63 mg/L,均值為1.10 mg/L；氨氮質(zhì)量濃度為0.002～0.064 mg/L,均值為0.016 mg/L。TN主要由硝酸鹽氮組成,氮元素濃度從庫首到庫尾有下降趨勢。水庫江心島南側(cè)淺灘點(diǎn)位ST2的氮元素濃度低于北側(cè)淺灘點(diǎn)位ST3,原因是ST2區(qū)域?qū)嵤┝顺了参锷鷳B(tài)修復(fù)工程。

2.1.3 Chl-a對其他水質(zhì)指標(biāo)的響應(yīng)特征

Chl-a可作為浮游植物生物量的重要評價(jià)指標(biāo),其濃度高低與水體富營養(yǎng)化程度密切相關(guān)。因此,為了說明青草沙水庫浮游植物與水質(zhì)特征間的相關(guān)關(guān)系,對Chl-a與其他水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行了Pearson相關(guān)性分析,結(jié)果見表2。Chl-a與TP、TN、氨氮、硝酸鹽氮、COD、Cond呈顯著負(fù)相關(guān),與SD呈顯著正相關(guān),表明盡管當(dāng)前青草沙庫區(qū)的氮磷營養(yǎng)鹽水平較高,但尚未成為庫區(qū)浮游植物生長的限制性影響因素,SD才是促進(jìn)浮游植物生長的關(guān)鍵影響因素。

2.2 浮游植物群落特征

2.2.1 浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征

青草沙水庫共鑒定出浮游植物117種,隸屬于8門,其中綠藻門(Chlorophyta)55種、硅藻門(Bacillariophyta)31種、藍(lán)藻門(Cyanophyta)17種、裸藻門(Euglenophyta)6種、隱藻門(Cryptophyta)3種、甲藻門(Pyrrophyta)2種、金藻門(Chrysophyta)2種、黃藻門(Xanthophyta)1種。綠藻門鑒定出的種數(shù)最多,占47.01%,其次是硅藻門,占26.50%,黃藻門最少,僅占0.85%。

青草沙水庫各采樣點(diǎn)4—12月的浮游植物生物密度為1.5×104～3.2×106個/L,均值為7.3×105個/L,10月浮游植物生物密度最大,而11、12月較低。

2.2.2 浮游植物優(yōu)勢種特征

青草沙水庫4—12月浮游植物優(yōu)勢種如表3所示,優(yōu)勢種主要屬于藍(lán)藻門、硅藻門和綠藻門,均為富營養(yǎng)化水體常見種,其中顆粒直鏈藻、小環(huán)藻基本上是長年的優(yōu)勢種。

2.2.3 浮游植物與水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系

ST1小環(huán)藻、梅尼小環(huán)藻與TP呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,細(xì)小平裂藻(Merismopediatenuissima)、微小隱球藻(Aphanocapsa.delicatissima)、鏈狀偽魚腥藻(Pseudanabaenacatenata)、湖生偽魚腥藻與TN呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系；ST5小環(huán)藻、針尖桿藻與TP呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,顆粒直鏈藻、顆粒直鏈藻極狹變種與TN呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系；ST8微囊藻、顆粒直鏈藻、顆粒直鏈藻極狹變種、雙粒聚球藻均與TN、TP呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系(見圖4)。RDA表明,在流速緩慢且SD高的庫尾,浮游植物生長在一定程度上受到營養(yǎng)鹽的限制。

表2 Chl-a與其他水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性分析1)Table 2 Correlation analysis of Chl-a and other water quality indexes

表3 青草沙水庫浮游植物優(yōu)勢種1)Table 3 Dominant phytoplankton species in Qingcaosha Reservoir

3 討 論

通過分析水質(zhì)特征發(fā)現(xiàn),青草沙水庫內(nèi)氮磷元素從庫首到庫尾有降低趨勢,但相比于氮元素,磷元素的下降趨勢不明顯,分析原因?yàn)榱自睾渴艿礁∮沃参锷锪?、懸浮顆粒物[19-21]等多種因素的影響；SD逐漸升高主要原因是長江來水泥沙不斷沉積；Chl-a逐漸升高與水庫水體SD上升及流速降低有關(guān)[22-23]。一般認(rèn)為,TN超過0.2 mg/L,TP超過0.02 mg/L,水體便處于富營養(yǎng)化狀態(tài),Chl-a的閾值通常為2.0～3.9 μg/L[24-25],盡管研究期間青草沙水庫TN、TP、Chl-a濃度均超過了閾值,但在水庫現(xiàn)有的水利調(diào)度下,并未有大規(guī)模水華發(fā)生。

青草沙水庫的優(yōu)勢種均為富營養(yǎng)化水體常見種,表明水庫一定程度上存在水華暴發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。與湖泊型水源地不同,對于河口型水庫水源地而言,水位調(diào)節(jié)幅度大、頻次高,硅藻的危害更為常見[26]。當(dāng)前青草沙水庫構(gòu)建了“浮游植物→魚類→人工捕撈”的生物控制措施,通過魚類的下行效應(yīng),庫區(qū)富營養(yǎng)化可得到一定緩解[27-28],庫區(qū)優(yōu)勢浮游植物存在藍(lán)藻向硅藻演替的趨勢,對庫區(qū)魚類群落食性進(jìn)行相應(yīng)比例調(diào)整應(yīng)納入考量。此外,藍(lán)藻易于在淺水高溫環(huán)境下發(fā)展成優(yōu)勢種,而硅藻易于在深水位、大水量及低水溫的環(huán)境下發(fā)展成優(yōu)勢種[29-30]。

水質(zhì)相關(guān)性分析結(jié)果表明,水庫Chl-a與氮磷營養(yǎng)鹽呈顯著負(fù)相關(guān),與SD呈顯著正相關(guān),表明青草沙水庫非咸潮期氮磷元素并不是庫區(qū)浮游植物生長的主要限制性因素。優(yōu)勢藻與水質(zhì)的RDA表明,在庫區(qū)流速緩慢且SD高的庫尾水域,浮游植物優(yōu)勢種生長受到營養(yǎng)鹽的影響加強(qiáng)。建議在庫區(qū)后續(xù)管控措施中增加對庫尾區(qū)域TN、TP濃度的監(jiān)測與控制,這將有利于降低庫尾富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié) 論

(1) 青草沙水庫2019年4—12月氮磷營養(yǎng)鹽由庫首至庫尾呈逐漸降低趨勢,而Chl-a、SD呈逐漸上升趨勢。盡管當(dāng)前青草沙水庫的氮磷營養(yǎng)鹽水平較高,但尚未成為庫區(qū)浮游植物生長的主要影響因素,SD才是促進(jìn)浮游植物生長的關(guān)鍵影響因素。不過,庫尾由于流速緩慢且SD高,浮游植物生長在一定程度上受到營養(yǎng)鹽的限制。

(2) 共鑒定出浮游植物8門117種,綠藻門、硅藻門和藍(lán)藻門優(yōu)勢種較多,且優(yōu)勢種均為富營養(yǎng)化水體常見種,水庫一定程度上存在水華暴發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。