山仔水庫水質自動監測數據在藍藻水華生態因子分析上的應用

福州市環境監測站 林 晶

近年來，我國水庫、湖泊等封閉型水體富營養化問題嚴重[1]。營養豐富的水體中，藍藻常于春夏季大量繁殖形成水華，引起水質惡化，甚至產生毒素，對魚類、人畜產生毒害[2-3]。研究表明，水庫發生富營養化與水體中的氮磷等營養物質水平、水文條件、氣候條件等因素關系密切，在營養源持續較高的前提下，水文、氣象氣候條件是藻類水華爆發的重要誘導因素。目前，對山仔水庫已有的研究更側重于探討水庫富營養化與氮、磷等營養物質水平及水文條件的影響[4-6]，而光合有效輻射等氣象條件對水華爆發的影響鮮見報道。

本文依據福州市環境監測站2010年1月～10月山仔水庫水質自動監測站的監測數據及水庫浮游植物優勢種及數量監測數據，分析了山仔水庫藻類生物量與藍藻水華發生的相關因子，如光合有效輻射、溫度、總氮、總磷、pH、溶解氧等之間的關系，旨在研究影響藍藻水華的主要生態因子，以期今后將自動監測數據更好地應用于藻類預警監測工作中。

1 研究地區和方法

1.1 研究區概況

敖江是福建省第六大河，流域面積2655km2，河長137km。山仔水庫位于敖江下游，水庫呈長條不規則狀分布，調節庫容1.06×108m3，于1994年11月開始蓄水，為福州第二水源。跟蹤調查表明，水庫于2000年開始呈現富營養化趨勢，并觀測到藍藻水華現象，在枯水年份更為明顯，對福州供水安全造成一定影響。市環境監測部門從2003年起設立水質自動監測站，對水質理化指標、藻類、氣象等指標進行連續的觀測，以及時掌握水庫水質變化和藍藻水華發生情況。

1.2 監測方法及內容

1.2.1 監測地點與監測項目

山仔水質自動監測站位于福州連江小滄鄉鹿島山莊。水質自動監測系統包括采水單元、配水單元、分析單元、控制單元、數據采集與傳輸單元以及輔助單元，目前水站采用 2小時采樣分析一次的頻次。

本次試驗監測項目對象為：水溫、pH、濁度、溶解氧（DO）、總磷（TP）、總氮(TN)、藻青蛋白、氣象（其中的光合有效輻射參數）等8個參數。其中pH、水溫、濁度、溶解氧分析儀采用德國WTW公司的儀器，總磷、總氮分析儀由湖南力合公司提供，藻青蛋白分析儀為美國 ysi公司產品，氣象參數分析儀為意大利lsi公司產品。

1.2.2 監測方法

主要在線監測分析方法見表1。

表1 在線監測分析方法

2 結果與分析

2.1 2010年山仔水庫藻類監測結果及評價

2.1.1 藻類分布情況

藻類監測結果表明，2010年山仔水庫僅10余種藻類，1月份開始就以藍藻（凱氏魚腥藻）占優勢，3月份魚腥藻藻細胞密度出現高峰（達108cells/L），水體觀測到藻類水華現象，隨后藻細胞密度降低，但在水體中仍占優勢；3月份監測到有微囊藻出現，但不形成優勢，一直到7月份微囊藻成為優勢種類，且占據絕對優勢，這樣的狀況一直持續到9月份，除了藍藻，其他藻類的種類數和細胞數量均很少。將這一結果與前人所做的浮游植物多年監測情況進行對比，結果顯示，山仔水庫主要優勢種類由隱藻、綠藻、藍藻、硅藻向單一的藍藻（如魚腥藻、微囊藻）過渡；優勢種所占比例逐年增加，浮游植物種類數呈下降趨勢，種類多樣性降低。

2.1.2 藻類生物量分析

2.1.2.1 實驗室監測

藍藻水華爆發是表觀現象，其前提是藻類達到一定的生物量。葉綠素a是反映藻類生物量多少的綜合指標，在實際工作中常被作為評價水體富營養化狀況的主導因子。2010年1月～10月間，選取山仔水庫庫心監測位點，每月一次采集中泓線上層水樣，監測水質變化情況。實驗室分析結果表明，山仔水庫中的葉綠素a含量具有明顯的時間分布規律，隨季節變化比較明顯，3月葉綠素a出現第一個小高峰，5月～9月含量持續較高，于夏季7月達到最高峰。據實際觀測，水庫于春夏季出現藍藻水華現象。

圖1 2010年山仔水庫葉綠素a含量變化情況

2.1.2.2 自動監測

藻青蛋白是藍藻所特有的一種色素，其特征性光譜吸收峰和熒光發射峰可以被用來作為對藍藻進行檢測的指標，本次實驗選取自動監測數據中的藻青蛋白含量作為藍藻生物量的另一個衡量指標。由圖2可知，2010年1月～10月間，山仔水庫藻青蛋白含量于3月和6月、7月出現兩個峰值，說明藻類爆發存在一定規律，即春夏季為藍藻水華爆發危險期。因為春夏季水溫升高、光照增強，浮游植物光合作用強烈，細胞分裂增殖速度加快。在合適的氣象與水文條件下，大量藍藻群體在水中生長繁殖，并上浮到水體表面積聚，形成可見的水華。這與實驗室監測和實際觀測結果都較為一致，據實際觀測，2010年3月開始，山仔水庫出現藍藻水華，并在夏季6月、7月出現高峰，水華情況從3月一直持續到9月。

圖2 2010年山仔水庫藻青蛋白含量變化情況

2.2 藻類生長與生態因子的相關性分析

藻青蛋白含量在一定程度上反映了水體中藻類的生長情況，而藻類生長又受到氮、磷元素、水溫、光照、pH、濁度、溶解氧等多種生態因子制約。為了研究藍藻生物量的影響因素，本文對2010年自動監測數據進行了相關性分析，得到了藻青蛋白和環境影響因子的相關系數，如表2所示。可以看出，藻青蛋白與TN/TP呈負相關；與TP、pH、光合有效輻射、濁度呈顯著正相關，與TN、水溫、DO呈正相關，相關系數較低。

表2 藻青蛋白與生態因子的相關性分析

2.3 影響藻類生長的主要生態因子分析

2.3.1 氮、磷營養元素

氮、磷是藻類生長的必須營養元素，在一定范圍內，其含量與藻類的生長成正相關關系。據山仔水庫2010年自動監測數據，水體中氮、磷質量濃度月際變化和藻青蛋白變化成一定的相關關系。2010年3月～7月，水體中氮、磷水平較高，而與之相應的，藻青蛋白在春季的3月和夏季6、7月時也出現峰值，而在夏季，受溫度、光照等因素的影響，藍藻大量繁殖，藻青蛋白出現了全年最高峰值（圖3、圖4）。

N/P也是影響藻類生長的重要因素，氮磷比在一定范圍時適宜藻類的生長，但不同學者所研究的結果也不盡相同。山仔水庫2010年春夏兩季N/P范圍在10～15間（圖5），藻青蛋白出現較大值；當秋冬季氮磷比升高，超過15，尤其在1月達到31.74時，藍藻數量減少，藻青蛋白處于全年最低水平。

圖3 2010年山仔水庫總磷與藻青蛋白月均變化趨勢圖

圖4 2010年山仔水庫總氮與藻青蛋白月均變化趨勢圖

圖5 2010年山仔水庫氮磷比與藻青蛋白月均變化趨勢圖

2.3.2 光照、溫度

除了藻類生長必需的營養元素，影響藻類生長的生態因子還包括光照、溫度、pH值、溶解氧、水的活度、氧化還原電位、其它生物等。在富營養化的湖庫中，營養充足，藻種群由于對溫度、光照等生態因子的適應，群落組成存在季節演替現象。藻種群的生長態勢與生態因子之間密切相關。

2.3.2.1 光照

光是藻類進行光合作用的必需條件，光照周期及強度都會影響其生長、代謝和繁殖的速率。山仔水庫2010年藻青蛋白和光合有效輻射的月際變化趨勢如圖6所示，在氮、磷營養條件充足的條件下，隨著光照強度的增加，藻青蛋白含量增加，當光合有效輻射在夏季6月、7月達到最強時，藻青蛋白含量也達到峰值，之后隨著輻射強度的減弱，藻青蛋白含量迅速減少。

圖6 2010年山仔水庫光合有效輻射與藻青蛋白月均變化趨勢圖

2.3.2.2 溫度

溫度也是引起藻類爆發的一個重要因素，它是影響藍綠藻代謝率的重要因子，一般溫度每升高 1℃，細胞代謝率加快10%左右，超過一定范圍，代謝率又下降，而不同藍綠藻其生長的適宜溫度則隨種類而異。由圖7可知，春季，隨著水溫的升高，藻青蛋白數量逐漸增加，當到7月水溫最高時，藻類進入對數增長期，數量最多，藻青蛋白含量增至最大。

根據蘇玉萍等的研究顯示，山仔水庫水華微囊藻SZ200307的增殖速率隨水溫的上升而增大，在 20℃～30℃ 范圍內有較高的比增殖速率，其中30℃比增殖速率最大，但過低和過高的溫度都抑制了水華微囊藻 SZ200307的生長，30℃最適合其生長[7]。山仔水庫位于南亞熱帶季風氣候區，夏季平均水溫在 20℃～30℃之間，很適合水華微囊藻 SZ200307的生長。

圖7 2010年山仔水庫水溫與藻青蛋白月均變化趨勢圖

2.3.3 其他生態因子

2.3.3.1 pH

水體pH是一個重要的生態因子，與藻類生長關系密切。堿性系統易于捕獲大氣中的CO2，有利于藻類光合作用，從而產生較高的生產力，促進藻類生長。不同藻類也有不同的pH適應范圍，一般認為藍藻偏好較高的 pH[8]。調查顯示，在山仔水庫中，優勢藻種主要為藍藻。由圖8看出，藻青蛋白含量與pH值變化趨勢基本一致。春季pH在8.0～9.0之間，夏季pH達到9.0以上，隨著pH升高，藻青蛋白含量同步增大，促進藍藻生長。6月，pH達到極大值，藻青蛋白含量同期增至最大。

圖8 2010年山仔水庫水體pH與藻青蛋白月均變化趨勢圖

2.3.3.2 溶解氧

溶解氧是影響藻類水華的主要環境因子，當藻類數量激增，光合作用明顯增強，水中溶解氧明顯增加。由圖9可知，6月份DO含量急劇上升，藻青蛋白含量接近最大，表明藻類快速繁殖，生物量達到最大。7月份以后，DO含量急劇下降，藻青蛋白含量呈下降趨勢，表明此時藻類大量死亡，水質最差。

圖9 2010年山仔水庫溶解氧與藻青蛋白月均變化趨勢圖

2.3.3.3 濁度

圖10顯示，水的濁度與藻青蛋白成正相關，濁度隨著藻類數量的增加而上升。藻類在富營養化水體中一般都在水體表層密集地懸浮著，6月、7月當藻類大量生長時，藻類連同藻類分泌物及其它有機和無機物使水質混濁不清，導致濁度上升。隨后藻類大量死亡，濁度逐漸下降，水質恢復澄清。

3 結論

自動監測作為一種重要手段，已有不少地區將其應用于藻類的監測預警方面[9-10]。本次研究通過自動監測站獲得的數據分析，探索并驗證了影響藍藻水華的主要生態因子，有助于掌握藍藻水華發生和發展過程，為今后的預警和防治工作提供依據。

圖10 2010年山仔水庫水濁度與藻青蛋白月均變化趨勢圖

監測期內，山仔水庫藻類生物量與藻青蛋白含量變化一致。與主要原因變量TN、TP、水溫、光合有效輻射，及其他相關因子pH、濁度、DO均呈正相關關系，與光合有效輻射、pH等因素的相關性尤為顯著；與TN/TP呈負相關關系，低濃度比有利于藍藻水華發展。

監測期內，水庫藻類生物量兩次出現小高峰：3月～5月隨著光合有效輻射增強、水溫升高，藻類數量增加；6月～7月水溫、光合有效輻射穩步上升，藻類生物量在7月達到峰值；隨后溫度、光合有效輻射下降，藻類生物量隨之減少。

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