黃 成 吳 劍 丁煒煒 周麗珍 嚴偉君 吳淇鈺 黃 亮 張 奇

(廣東省韶關(guān)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心站,廣東 韶關(guān) 512026)

藻類水華,通常是指在富含氮、磷等營養(yǎng)的淡水水體中,在適宜的環(huán)境下藻類大量繁殖,形成肉眼可見的藻類群體的自然生態(tài)現(xiàn)象,是水體富營養(yǎng)化的一種特征。相對于湖泊、水庫等相對穩(wěn)定的水體出現(xiàn)藍藻、綠藻水華而言,河流水華并不常見。因此,國內(nèi)外研究靜止類的湖泊水華問題較多,而相對流動類的河流水華研究較少。隨著三峽大壩庫區(qū)形成,支流暴發(fā)水華增多,國內(nèi)學(xué)者對河流水華的成因及其機理研究越來越多。通過充分的文獻調(diào)研發(fā)現(xiàn),雖然每條河流其誘發(fā)因子或者是導(dǎo)致藻類水華關(guān)鍵因子各不相同,但其主要因子可歸納為充足的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì),適宜的水溫等氣候條件和流速較慢、流量較小等水動力條件[1-7]。

北江為珠江水系干流之一,梯級電站多。近年來,北江秋季期間都會暴發(fā)不同程度水華,河流水華具有影響范圍廣、暴發(fā)成因復(fù)雜、控制難度大等特點,引起廣泛關(guān)注[8-10]。本研究通過采集北江水華和非水華期間的營養(yǎng)物質(zhì)、氣候條件和水動力學(xué)條件等影響因子基礎(chǔ)數(shù)據(jù),采用相關(guān)性和冗余(RDA)分析識別出北江藻類水華發(fā)生的關(guān)鍵因子,為北江精準防控水華的暴發(fā)提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)域和監(jiān)測方法

1.1 研究區(qū)域

北江發(fā)源于江西省贛州市,主流流經(jīng)廣東省韶關(guān)市、清遠市至佛山市,與西江相通后匯入珠江三角洲。本研究區(qū)域為北江韶關(guān)段上、中、下3個斷面,分別是長壩、孟洲壩和高橋斷面(如圖1所示),其中長壩和孟洲壩斷面為河流梯級電站的庫壩區(qū),高橋斷面則在其下游約30 km有個梯級電站。

圖1 采樣點位置Fig.1 The location of sampling sites

1.2 監(jiān)測方法

本研究收集了2021年9月藻類水華期間連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù),以及2022年1月至6月非水華時期監(jiān)測數(shù)據(jù)?？偭?TP)、總氮(TN)、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)等指標按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)中指引方法進行測定;葉綠素a和藻密度是現(xiàn)場使用FluoroProbe野外藻類分析儀(德國BBE)測定;pH、水溫、溶解氧(DO)等使用Multi 3630水質(zhì)常規(guī)五參數(shù)監(jiān)測儀(德國WTW)現(xiàn)場測定。其中高橋斷面有水質(zhì)自動監(jiān)測站,并安裝了HST-600多普勒剖面測量儀測量河流流量和流速。同時,在水華期間和非水華期間采集了1 000 mL的表層水樣,加入15 mL魯哥試劑(40 g碘溶于含碘化鉀60 g的1 000 mL水溶液中)固定并使藻類染色,靜置沉降2 d后濃縮成30 mL,在顯微鏡(10×40倍)下對藻類進行鑒定,鑒定依據(jù)為《中國淡水藻類》[11]。

2 研究方法

2.1 評價方法

使用pH、DO、TP、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)等5個指標按照GB 3838—2002進行水質(zhì)類別評價;按照《水華程度分級與監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》(DB44/T 2261—2020)進行水華等級評價。

2.2 數(shù)據(jù)處理

采用IBM SPSS Statistics 25對pH、DO、葉綠素a和藻密度等指標進行相關(guān)系數(shù)分析;對非水華期間和水華期間的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行T檢驗,判斷其差異顯著性;影響因子對藻密度和葉綠素a的影響采用Canoco 5.0軟件進行RDA分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 水質(zhì)參數(shù)分析

2021年北江水華期間和2022年北江非水華期間,各指標監(jiān)測數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 北江水華和非水華期間各指標監(jiān)測數(shù)據(jù)Table 1 Monitoring data of various indicators in Beijiang River during algal blooms and non algal blooms

北江3個點位水華和非水華期間的水溫分別為32～33、21～22 ℃,pH分別為8.32～8.71、7.23～7.63,DO分別為8.71～9.24、7.14～8.22 mg/L,氨氮分別為0.03～0.04、0.11～0.13 mg/L,高錳酸鹽指數(shù)分別為3.4～4.7、1.7～2.4 mg/L,TN分別為0.66～1.13、1.25～1.41 mg/L,TP分別為0.08～0.10、0.08 mg/L,氮磷比分別為(7～14)∶1、(15～18)∶1。T檢驗結(jié)果顯示,水溫、pH、DO、高錳酸鹽指數(shù)等指標均差異顯著(P<0.01),相對非水華期間,水華發(fā)生期間呈明顯上升趨勢,TP也呈上升趨勢,但變化不明顯(P≥0.05),而氨氮、TN和氮磷比則呈明顯下降趨勢(P<0.01)。

按照GB 3838—2002進行水質(zhì)評價,孟洲壩和高橋斷面水華和非水華期間的水質(zhì)類型均為Ⅱ類,長壩水華期間水質(zhì)類型為Ⅲ類,非水華期間的水質(zhì)類型為Ⅱ類。

3.2 浮游植物群落特征和藻類水華分級

北江3個點位葉綠素a質(zhì)量濃度、藻密度和水華等級見表 2。如表2所示,水華和非水華期間葉綠素a分別為38.8～68.8、2.41～2.76 mg/m3,藻密度分別為2.76×107～4.74×107、1.61×106～1.76×106個/L。3個點位水華期間的葉綠素a和藻密度差異顯著,長壩斷面最大,孟洲壩斷面次之,高橋斷面最小;非水華期間差異不顯著。通過顯微鏡鏡檢發(fā)現(xiàn),水華期間的浮游植物群落結(jié)構(gòu)中藍藻門的水華微囊藻占絕對優(yōu)勢;非水華期間,浮游植物的群落結(jié)構(gòu)主要是綠藻和硅藻,優(yōu)勢種主要為梅尼小環(huán)藻、顆粒直鏈藻、變異直鏈藻、放射舟形藻、嚙蝕隱藻、尖針桿藻、四尾柵藻等。水華期間長壩和孟洲壩斷面的水華等級均達到Ⅳ級中度水華的標準,高橋斷面水華等級達到Ⅲ級輕度水華的標準。非水華期間,3個點位均保持Ⅰ級無水華的標準。

表2 北江水華和非水華期間水華等級Table 2 Level of algal blooms in Beijiang River during algal blooms and non algal blooms

3.3 相關(guān)性和RDA分析

水環(huán)境對浮游植物的影響主要體現(xiàn)在藻密度和葉綠素a的變化上。由表3可見,藻密度和葉綠素a呈顯著正相關(guān)性(P<0.01),且與其他因子的相關(guān)性分析結(jié)果一致,因此可以采用葉綠素a代表藻類與其他影響因子進行分析。葉綠素a與水溫、pH和DO呈顯著正相關(guān)性(P<0.01);葉綠素a與水中營養(yǎng)鹽氨氮和TN呈顯著負相關(guān)(P<0.01),與TP和高錳酸鹽指數(shù)呈顯著正相關(guān)(P<0.01),其中與高錳酸鹽指數(shù)相關(guān)系數(shù)最大;葉綠素a與水動力學(xué)指標流量和流速呈顯著負相關(guān)(P<0.05)。

表3 藻密度、葉綠素a與影響因子的Pearson相關(guān)系數(shù)1)Table 3 Pearson correlation coefficient between algae density,chlorophyll a and impact factors

為進一步厘清各影響因子對藻密度和葉綠素a的影響和貢獻,對各影響因子數(shù)據(jù)進行RDA分析,結(jié)果見圖2。軸1和軸2對藻密度和葉綠素a變化的解釋率為95.6%,水溫、pH、DO、高錳酸鹽指數(shù)、TP呈正相關(guān)性影響,而氨氮、TN、流量和流速呈負相關(guān)性影響,與其相關(guān)性分析結(jié)果一致。

注：影響因子箭頭越長,則對藻密度、葉綠素a的影響和貢獻越大,影響因子與藻密度、葉綠素a夾角越小,表示影響越一致,兩者同向為正相關(guān)性影響,反向為負相關(guān)性影響。

充足的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)是藻類水華發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ)。國際上一般認為當(dāng)水體中TP為0.02 mg/L、TN為0.2 mg/L,TN與TP質(zhì)量比為7.2∶1.0,是水華暴發(fā)營養(yǎng)條件的理論閾值[12]。北江河TN濃度約為國際公認水體富營養(yǎng)閾值的3～7倍,TP濃度高于國際公認的水體富營養(yǎng)閾值3倍以上,因此在水華和非水華季節(jié)的水體營養(yǎng)鹽是滿足藻類水華物質(zhì)條件的。國內(nèi)外很多研究認為,較低的氮磷比有利于微囊藻生長,但是在較高的氮磷比情況下,也會形成藍藻水華,較低的氮磷比并不是藍藻水華形成的條件,而是藍藻水華產(chǎn)生的結(jié)果[13-14]。隨著北江微囊藻水華發(fā)生,其自身并無固氮能力,只能大量吸收水體中無機氮,導(dǎo)致水中氮磷比明顯下降。在水華比較嚴重的長壩斷面的氮磷比為7∶1,小于7.2∶1.0理論閾值,而其他兩個斷面隨著水華暴發(fā)比值也是變小,分別為10∶1和14∶1。而非水華期間,氮磷比為(15～18)∶1。相關(guān)性和RDA分析結(jié)果表明,藻密度和葉綠素a與TN和氨氮呈顯著負相關(guān)性,TP在水華和非水華期間的T檢驗結(jié)果顯示沒有顯著變化。因此北江水華期間低氮磷比是微囊藻水華發(fā)生的結(jié)果。

相對于其他藻類,藍藻的光合作用等生理功能形成的高溫適應(yīng)機制使其對溫度具有較強的適應(yīng)能力,隨著溫度的升高,水體中生長最快的浮游藻類由硅藻變?yōu)榫G藻并最終變?yōu)樗{藻[15-16]。北江發(fā)生水華時,光照最充足,水溫達到31～32 ℃,在高溫下水體中由非水華期間硅藻和綠藻為優(yōu)勢種轉(zhuǎn)為藍藻成為優(yōu)勢種。此次藻類水華的絕對優(yōu)勢種為藍藻門的微囊藻,很多研究表明微囊藻在水溫25～35 ℃時最適宜生長[17-18]。相關(guān)性和RDA分析結(jié)果顯示藻密度、葉綠素a與水溫呈正相關(guān)性,貢獻率大。

部分藍藻具有懸浮能力,在水體中的上浮與下沉使得藍藻處于有利的理化環(huán)境,是其在水體中成為優(yōu)勢種的重要原因之一[19-21]。而此次發(fā)生水華的優(yōu)勢種為微囊藻,具備懸浮能力。在北江發(fā)生水華期間,降水偏少,處于枯水期, 水溫高,加上北江梯級電站多,電站蓄水發(fā)電,導(dǎo)致下游河段流速嚴重緩慢,尤其在梯級電站壩前斷面,河流流速更慢,形成穩(wěn)定的水體分層,在這種情況下微囊藻能靠偽空胞提供的浮力而調(diào)控自身垂直遷移,從而充分利用上層水體的光照與下層水體的營養(yǎng)鹽,降低沉降損失而增加水體表面的積累,從而獲得相對于綠藻和硅藻等沒有懸浮能力的藻類的競爭優(yōu)勢,在秋季溫度較高時成為優(yōu)勢種。因此此次水華發(fā)生最嚴重的是長壩和孟洲壩兩個斷面,高橋斷面離下游的梯級電站較遠,其水華發(fā)生程度較低。在具備較強水體穩(wěn)定性情況下,微囊藻懸浮機制可能是藍藻水華發(fā)生的重要生物學(xué)內(nèi)因。相關(guān)性和RDA分析結(jié)果顯示,藻密度和葉綠素a與水動力學(xué)因子流量和流速呈負相關(guān)性。

北江發(fā)生水華時,藻類大量生長,白天光合作用消耗二氧化碳,導(dǎo)致水華期間的pH和DO升高,水體呈堿性,適宜的pH反過來促進藍藻生長,而其他藻類缺少二氧化碳也難于成為優(yōu)勢種[22-23]。藻類是水體中重要的有機物制造者,藍藻細胞壁外側(cè)具有膠質(zhì)鞘,它是由糖類多聚體等有機物組成,是藻類代謝的副產(chǎn)物,正常藻類的代謝會向水體中釋放有機物,也會促使高錳酸鹽指數(shù)增加[24]。因此,北江水華期間pH、DO和高錳酸鹽指數(shù)顯著上升是藻類水華產(chǎn)生的結(jié)果,相關(guān)性和RDA分析結(jié)果顯示,藻密度和葉綠素a與pH、DO、高錳酸鹽指數(shù)呈正相關(guān)性,其中與高錳酸鹽指數(shù)相關(guān)系數(shù)最大。

4 結(jié) 論

(1) 北江水質(zhì)類別基本為Ⅱ類水,但是氮、磷營養(yǎng)鹽濃度高于國際上一般認為水華暴發(fā)營養(yǎng)條件的理論閾值,北江水體營養(yǎng)鹽是暴發(fā)藻類水華的物質(zhì)條件。

(2) 北江發(fā)生水華時,微囊藻無固氮能力而只能大量吸收水中無機氮生長,導(dǎo)致水體中呈現(xiàn)低氮磷比現(xiàn)象,而微囊藻的新陳代謝導(dǎo)致pH、DO和高錳酸鹽指數(shù)顯著上升,以上現(xiàn)象均為微囊藻水華發(fā)生的結(jié)果。

(3) 北江在營養(yǎng)鹽物質(zhì)滿足條件的前提下,秋季光照充足,降雨少,在梯級電站作用下,水體流速慢,水體形成穩(wěn)定的分層,微囊藻具備懸浮能力,使其處于有利的理化環(huán)境,在水體中成為優(yōu)勢種,逐步暴發(fā)藻類水華。

(4) 在溫度等氣候條件不能改變的情況下,對北江梯級電站進行科學(xué)調(diào)度,改善水動力條件,加快水體流動,是防控北江水華最直接的方法。而進一步加強河流污染管理,減少氮、磷營養(yǎng)鹽入河,降低水體營養(yǎng)水平,是防控北江水華的長期方法。