新立城水庫藻類水華環境因子分析及其預警監測

呂艷春,徐鏡波,王春紅

(1.東北師范大學,吉林長春 130024;2.長春市環境監測中心站,吉林長春 130022)

新立城水庫藻類水華環境因子分析及其預警監測

呂艷春1,2,徐鏡波1,王春紅2

(1.東北師范大學,吉林長春 130024;2.長春市環境監測中心站,吉林長春 130022)

調查研究表明長春市新立城水庫發生小范圍藻類水華期間浮游植物藻類群落結構變化不明顯,種群豐度增加。對監測數據進行了分析并與該地區非水華期間的監測數據相比較;同時對水質進行了環境因子相關性及對藻類水華的影響分析。結果顯示溶解氧和溫度是影響水庫葉綠素 a值變化的主要環境因子,且可以作為北方湖泊藻類水華預警的主要監測指標。

水華;環境因子;預警;新立城水庫;長春

在一自然水體中,水生浮游植物的種類組成和數量變化受生物因子和環境因子的影響。浮游植物的生物量受光、水溫、pH、溶解氧、營養鹽水平等因素的影響[1～2]。在富營養的水體中一旦條件成熟,藻類就能在短期內大量繁殖,生物量劇增,引發水華。大面積的水華具有很強的危害性。研究水華的形成機制,水華水體的環境因子的動態變化及其與葉綠素 a的關系,具有重要意義。

新立城水庫位于長春市南關區新立城鄉,距長春市區 20km。水庫集水面積 1970m2,平均庫容量2.4億 m3。向長春市日供水量 1.7萬 m3,是長春市第二大飲用水水源地。常年的水庫監測數據表明該水庫水質狀況良好。檢出的浮游植物包括 4門類43屬,其中多為輕中度污染指示種,年均生物密度為 232～483萬個 /L。2008年 8月 3日新立城水庫取水口區域發生小面積水華現象。主要表現為固氮類藍藻的豐度激增,葉綠素 a水平升高,水體透明度下降。長春市環境監測中心站對此進行了 20d連續采樣監測,主要目的是研究影響水華的主要環境因子變化及找到水華形成的原因,并將這些應用于藻類預警監測工作中。

1 實驗方法

1.1 采樣方案

在常年對新立城水庫進行理化指標的監測基礎上,自 2008年 8月 3日水華現象出現后,立刻加強監測,增加了采樣頻率,由原來的每月 1次,增加為 1次 /d。從 8月 4日～19日連續監測 15d。采樣斷面設在水華發生區域的取水口處,于水深0.5m取樣監測。

1.2 測試指標

水溫、透明度、pH等現場測試,溶解氧 (DO)、高錳酸鹽指數 (CODMn)、總氮 (T N)、總磷 (TP)、葉綠素 a等指標將樣品帶回實驗室后于 6h內完成測定。測定方法參照水和廢水監測分析方法第四版的標準方法[3]。浮游植物以 25號浮游生物網采樣,加入魯哥試液固定,在顯微鏡下鑒別分類計數。

1.3 數據分析

為了便于分析水華發生的原因,同時整理了連續監測數據,并與 3a來的新立城水庫歷史監測數據作了比較。匯總后應用 M IN ITAB 15統計學軟件(Minitab Inc.)進行多元相關性分析。

2 監測結果

2.1 浮游植物群落組成及其特征

此次水華主要集中在水庫取水口處。主要表現為水體中絮狀藻體大量出現。通過監測發現藻類群落結構變化不大,但種群豐度明顯增加,以藍藻門銅綠微囊藻最高,約占總量的 40%～60%,成為優勢種。如表 1所示,水華發生后的葉綠素 a水平很高,一直維持在 20 mg/m3以上,并在 8月 9日一度達到 52.28 mg/m3,遠高出 2008年 5月時的常規監測值 8.25 mg/m3,同時浮游植物生物量也明顯高出 5月監測時的水平。13日由于水庫大量放水,葉綠素 a監測值為 7.67 mg/m3,較前幾日明顯下降。19日后隨溫度下降,水華逐漸消退。

浮游植物在 750～4035萬個變化,共監測 4門38種,種類主要有小環藻、纖維藻、綠球藻、脆桿藻、裸藻及舟形藻。多為中度污染種,優勢種為銅綠微囊藻,占總量的 40%～60%。而這一數據遠高于 2007年年均密度 313.201萬個 /L的水平。

2.2 理化指標分析結果

表 1 2008年 8月水華發生期間新立城水庫水質監測結果 (mg/L)

表2 新立城水庫常規調查水質監測結果 (mg/L)

表 3 2007年 11月～2008年 4月新立城水庫理化指標監測數據 (mg/L)

表 1中數據同表 2相比,除了 T N在 8月 9日～12日較 5月常規水質調查結果 (0.952 mg/L)略有偏高外,其余各項理化指標在正常范圍內。

2.3 統計分析結果

2.3.1 相關性分析

將葉綠素 a與其它理化指標進行了相關性分析。結果表明葉綠素 a的變化與 DO最密切相關。其次按順序為:溫度 ＞CODMn＞TN＞TP。

2.3.2 影響因子分析

對影響理化指標的內在因素進行了分析,結果顯示,葉綠素 a的變化與DO、溫度、COD受同一因素影響,并且具有很高的正相關性。TN雖然也受這一內在因素影響,表現為相對較弱的相關性。相對來說,它的變化受另外第二因素影響更明顯。

3 討論

3.1 水華的形成

水華的形成與水生藻類的異常繁殖生長有關。目前人們對水華形成的確切機制還不是很了解,對水華的具體形成過程也不是很清楚。通常認為,水華的形成包括藻類的休眠期和復蘇期,異常繁殖的生物量增加期,以及形成水華的最終的藻類上浮積聚期。對于北方水庫來說,冬季為藻類的休眠期。隨著春季溫度的升高,加上充足的陽光照射,藻類生長開始復蘇。進入 6月后,隨著氣溫的持續升高,在降雨量偏少、光照充足等適宜氣候條件下,水生藻類會加速生長。水華在北方通常集中發生在7月和 8月,表現為水藻在高溫、少降雨、低風速、水流動差等適宜條件下突然大量上浮,積聚形成水華。水華一般持續 2～3個星期。

此次新立城水庫水華暴發的主要藻類為藍藻門銅綠微囊藻,占總量的 40%～60%。藍藻是單細胞水生物,通常數百個的微藍藻細胞聚集在一起。由于細胞中含有氣泡核,研究表明,微藍藻是靠調節細胞內的氣核大小來達到上浮和下沉的。它的分裂繁殖速度通常為 1倍 /d,高峰時可到 4倍 /d。只有在單位水體中的含量急速增加形成堆積,才會形成“水華”,開始暴發。因此,暴發所需要的數量是由暴發前一段時間的氣象條件決定的,因此對藍藻暴發前 10d的氣象條件進行分析對于研究水華的形成非常重要。

2008年,全國范圍內出現罕見歷史高溫,長春也沒有例外。

6月以后很快進入高溫天氣,并伴隨降雨量減少,遠遠超過歷史同期平均水平,這為藻類生長提供了適宜條件。進入 7月以后,溫度持續上升。特別是 7月 24日～8月 2日,水華形成前的 10d,持續高溫加上降雨量偏少,引起藻類大量繁殖,完成了此次水華的準備階段。由于水庫處于封閉狀態,水域更新量小、自凈能力弱,且干旱一直沒有放水,對藍藻生長發育較為有利。水華發生前風速一直相對較低,最終使得藻類在 8月 3日大量上浮并聚集在新立城水庫出水口形成水華。

通過對水華暴發后的葉綠素 a和理化指標的監測分析,發現溶解氧和溫度與葉綠素 a密切相關,是影響水華的主要環境因子。溶解氧的變化與葉綠素 a的變化密切相關,這主要是由于藻類激增后,光合作用明顯增強,水中溶解氧增加明顯。這與Cui Yi及游亮等對葉綠素 a與溶解氧變化趨勢一致的研究結論一致[4～5]。水溫是另一個影響藻類水華的主要環境因子。水溫主要通過對藻類光合作用與呼吸作用代謝速率的控制而影響葉綠素 a的含量。當時正值盛夏,環境溫度為全年最高時期。連續監測表明水庫溫度都超過 25℃,為藻類生長的最適溫度[6]。此次藻類群落生長迅速,銅綠微囊藻占總量的 40%～60%,并成為絕對優勢種,表明水華是藻類群落在適宜溫度下的激增過程。分析結果表明氮、磷等環境因子與葉綠素 a變化具有一定的相關性。將水庫大壩和中游的氮、磷監測數據與藻類水華點位的氮、磷數據相比較,結果表明取水口的 TN、TP略高于水庫大壩和中游。這主要是由于水庫上游為大面積的農田,土壤中的 N、P等無機肥料隨地表徑流進入庫區。由于水庫特殊的水文條件,導致取水口周圍的營養鹽水平明顯高于其它區域,可能引發藻類在此區域內的快速生長繁殖。水華期間 TN水平不斷升高。分析結果表明 TN受另外內在因素影響,這個因素很可能與大量藍藻生物固氮作用有關,并伴隨藍藻的繁盛與強烈的固氮作用逐漸改變了水中 TN的相對豐度。

3.2 水華預警監測

水華的危害是很嚴重的。大規模暴發的水華,一方面藻類大量消耗水中的溶解氧,另一方面厚厚的水上的藻類表面層,阻隔了空氣與水中氣體的交換,使水體的溶解氧濃度迅速降低,引起水生動物窒息死亡,導致水體遭受嚴重污染,破壞水體景觀。如果作為飲用水源,則會直接危害居民的健康。

新立城水庫為飲用水源水庫,周圍生活污水排入量低,無工業污染源。常年監測也表明水質狀況很好。新立城水庫在 2007和 2008年都發生了小范圍的“水華”,特別是 2008年持續的時間比較長,使得藻類預警監測的問題被提出。相較于南方而言,北方四季溫差比較大,氣溫常年在 (-30℃,30)區間變化,年均氣溫 15℃,水體溫度在(0℃,27℃)區間變化。此外,長春每年有長達 5個月的冰封期,其間水溫很低,浮游植物等水生微生物數量銳減。這些都決定了在選取預警監測的主要指標方面,具有其特殊性。

表 3是 2007年 11月到 2008年 4月新立城水庫理化指標監測數據,TP的濃度相對較低,12月達到最低。但是全年的數據差異并不非常明顯,始終維持中營養湖泊的水平。其中微生物的差異卻很大,首先處于冰封期水庫的水溫較低,生物群落的種類和豐度都非常低。特別是細菌,＜ 20個/L。有機物生物分解的過程幾乎停滯。而后隨溫度升高,特別是溫度超過 15℃時,水生浮游動植物的種類和豐度逐漸增加。

通過此次的監測數據分析,選取溫度作為藻類預警監測的主要理化因子。因為溫度易于監測,水庫的工作人員可就地采樣,現場巡查。超過 20℃即啟動預警,此時定期監測水體中溶解氧和 TN、TP含量,掌握水庫的動態變化。水溫超過 25℃,派專人現場連續實時傳遞水庫的動態變化。

[1]王志紅,崔福義,安全,等.水溫與營養值對水庫藻華態勢的影響 [J].生態環境,2005,14(1).

[2]萬能,宋立榮,王若南,等.滇池藻類生物量時空分布及其影響因子 [J].水生生物學報,2008,32(2).

[3]本書編委會.水和廢水監測分析方法 (第四版)[M].北京:環境科學出版社,2002.

[4]Cuiyi. Correlation of Phytoplankton Chlorophyll and its environmental factors in Rushan bay[J].Chinese Journal of Applied E-cology,2000,11(6).

[5]游亮,崔莉鳳,劉載文,等 .藻類生長過程中 DO、pH與葉綠素相關性分析 [J].環境科學與技術,2007,30(9).

[6]譚嘯也,孔繁翔,于洋,等.升溫過程對藻類復蘇和群落演替的影響 [J].中國環境科學,2009,29(6).

Environmental Factor Analysis during Algal Bloom in Xinlicheng Reservoir and Pre-alarming Monitoring

LV Yan-chun1,2,XU Jing-bo1,WANG Chun-hong2
(1.Dongbei Normal University,Changchun Jilin 130024 China)

Small area of algal bloom occurred in Xinlicheng reservoir. It was found that there is no significant change in the species involved after investigating the phytoplankton community,however,the total biomass increase greatly.The monitoring data of the water quality are analyzed and compared to the data in the other period of the year as well as the correlation analysis of impacts of the environmental factors on cyanobacteria bloom.The results reveal that the main environmental factors that control the changes of chlorophyll a are dissolved oxygen and temperature which can be regarded as the main monitoring indexes for the pre-alarming monitoring of water bloom.

water bloom;environmental factor;pre-alarming;Xinlicheng reservoir;Changchun

X52

A

1673-9655(2010)03-0039-03

2010-01-10