山仔水庫浮游植物群落特征及水體富營養化研究

陸建芳

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山仔水庫浮游植物群落特征及水體富營養化研究

陸建芳

福州市環境監測中心站

對山仔水庫2016年7～9月藍藻水華發生期間浮游藻類及部分理化指標進行了監測，采用克里金空間插值得到葉綠素a空間分布，采用浮游植物細胞密度指示法和TLI(∑)綜合營養狀態指數評價法對庫區2016年7～9月營養狀況進行評價，探討了浮游植物群落、葉綠素a含量與水體富營養化之間的關系。結果表明，2016年7～9月山仔水庫浮游植物種類以綠藻門為主，藍藻門的微囊藻和銅綠微囊藻在種群數量上占絕對優勢，葉綠素a空間分布結果和TLI(∑)綜合營養狀態指數結果都顯示，2016年7月七里和皇帝洞、2016年9月皇帝洞水質為輕度富營養化，其它監測時間水體為中營養，監測點位營養化程度為：皇帝洞>七里>日溪>庫心>壩前。

山仔水庫 浮游植物群落 富營養化 葉綠素a 空間插值

1 概述

湖泊水庫富營養化問題是當前世界范圍內普遍關注的水環境問題之一，特別是作為飲用水源的湖泊水庫的富營養化，直接威脅到人們的飲水安全[1]。富營養化過程實際是水體中營養物質增加，水生生物特別是浮游藻類大量增殖, 并在水中建立優勢的過程[2]。所以浮游藻類的種類組成和數量變化是水體富營養化的重要指標之一[3]，水體中葉綠素 a是浮游植物現存量的重要指標，其含量的高低能夠反映水體的營養狀況。因此，葉綠素a常作為湖泊富營養化調查的一個主要參數，在水體富營養狀況評價中起關鍵性作用[4]。目前，被廣泛采用的水體富營養狀況評價方法，主要是從水質、水生生物以及沉積物 3 個方面來進行，所采用的評價方法可概括為六大類型，即特征描述法、參數法、生物指示評價法、磷收支模型法、營養狀態指數法和數學分析法[5-7]，其中生物指示評價法簡單、方便、可以直觀評價水體的富營養化狀況[8]，而基于葉綠素a等多因子的TLI(∑)綜合營養狀態指數法是目前最常用的湖泊水庫富營養化評價方法[9]。

本文研究對象山仔水庫位于敖江中游，水庫呈長條不規則狀分布，水庫總庫容1.723億m3，調節庫容1.064億m3，為福州市第二飲用水源。近年來，由于人為活動對庫區生態系統的破壞，使得該水庫水體富營養化污染特征明顯，夏秋季時有藍藻水華發生，給城市供水質量造成安全隱患[2]。本研究選擇在藍藻水華易發的夏季（7～9月）對庫區浮游藻類及部分理化指標進行監測，其中，7月增加監測點位，補充監測葉綠素a含量，應用地學統計中的空間插值方法，直觀呈現葉綠素a的空間分布。探討浮游植物群落、葉綠素a含量及水體富營養化之間的關系，旨在為山仔庫區藻類及水體富營養化研究提供基礎資料，以期為水華預警和防治提供參考。

2 研究方法

2.1 采樣點位和頻次

在山仔水庫布設5個固定采樣點位，分別為壩前（出口）、庫心、七里（進口）、日溪（支流進口）、皇帝洞。于2016年7月5日、8月1日和9月2日采樣，其中7月5日除固定5個點位外增加10個補充監測點。

2.2 樣品采集和處理

樣品采集方法依據《湖泊生態調查觀測與分析》[10]進行。

水質監測項目主要有pH、水溫（WT）、溶解氧（DO）、葉綠素a（Chl a）、透明度（SD）、總氮（TN）、氨氮（NH4-N）、硝酸鹽氮（NO3-N）、總磷（TP）、可溶性正磷酸鹽（PO43--P）、高錳酸鹽指數（CODMn），分析方法依據《水和廢水監測分析方法（第四版）》[11]。

浮游植物定量采集0.5m水深的表層水，取1L水樣置于塑料瓶中，現場用魯哥氏液固定，樣品帶回實驗室后靜置沉降48 h，沉淀濃縮后用浮游植物計數框計數。

3 數據分析和統計

3.1 綜合營養狀態指數

采用國家環境保護部推薦方法，以chl的狀態指數TLI（chl a）為基準，選取TN、TP、SD、CODMn等4個參數的狀態指數，同TLI（chla）一起進行相關加權綜合。

綜合營養狀態指數計算式：

TLI(chl a)＝10(2.5+ 1.086 lnchl a)；

TLI(TP)＝10(9.436+1.624 lnTP)；

TLI(TN)＝10(5.453+1.694 lnTN)；

TLI(SD)＝10(5.118-1.94 lnSD)；

TLI(CODMn)＝10(0.109+2.661 lnCODMn)。

結果參照湖泊營養狀態分級指標：TLI(∑)<30表示貧營養，30≤TLI(∑)≤50表示中營養，TLI(∑)>50表示富營養，5070重度富營養，在同一營養狀態下，指數值越高，其營養程度越重。

3.2葉綠素a含量空間插值

本文選取克里金插值法進行山仔水庫葉綠素a的空間分布研究。克里金（Kringing）插值法是空間插值最優方法[12]，它是基于空間結構分析后的理論變差函數模型，認為推測值和已知值具有空間上的相關性，這種相關性隨空間屬性（距離和方向）的變化而變化。當確定一個已知值的有效影響距離后，確定有效影響范圍，基于變差函數模型，根據有效范圍內的已知值（實測葉綠素 a 濃度值）來推測待插值點的葉綠素 a 的濃度。這種方法尋求最小方差，是空間插值方法中最優的選擇[13]。

本實驗所有數據均采用Excel 2003錄入、圖表處理和結果統計分析。葉綠素a空間插值應用ArcGIS地理統計分析 Geostatistical Analyst 模塊完成。

4 結果與分析

4.1 浮游植物種群特征

2016年7月～9月，庫區各采樣點共鑒定出浮游植物7個門41屬57種, 門類涵蓋藍藻門、硅藻門、裸藻門、隱藻門、綠藻門、甲藻門和金藻門。裸藻門和金藻門分別只在8月、9月出現。從種類上看（圖1），綠藻門的種類遠高于其他門類，共鑒定出22種；其次為硅藻門和藍藻門，分別鑒定出9種和7種；甲藻門、裸藻門和金藻門種數較少。各月份種類組成略有不同，優勢種以藍藻門的銅綠微囊藻、魚腥藻出現時間最長。

圖1 山仔水庫浮游植物種類組成

從浮游植物種群數量組成上看，監測各月，藍藻門均占絕對優勢，其次是綠藻門和硅藻門。由圖2可知，7月，藍藻門數量占到了99.9%，其中以微囊藻和銅綠微囊藻的數量最多。8月和9月綠藻門比重增大，分別為4.36%和4.78%，優勢種為鼓藻和美麗網球藻，但此時浮游植物總數僅為5.18×105個/L和5.01×105個/L。總體來看，夏季各月山仔水庫雖然綠藻門出現的種類數最多，但其在數量上并不占優勢，所以山仔水庫夏季浮游植物組成是以藍藻為主的類型。

圖2 各門類浮游植物種群數量百分比

4.2 富營養化等級評價

本文分別采用浮游植物細胞密度評價法和TLI(∑)綜合營養狀態指數評價法，評價了監測期間5個固定點位的水體富營養化狀況，結果見表1、表2。可以看出，兩種評價方法的結果存在差異，各點位應用TLI(∑)評價法的評價等級均高于浮游植物細胞密度指示評價法，TLI(∑)綜合營養狀態指數評價法是基于葉綠素a的多因子評價指數，較單因子的浮游植物細胞密度評價法而言，能更為客觀、全面地反映水體水質。兩種評價方法中，庫區各點位間綜合營養狀態指數等級比較，總體趨勢均為：皇帝洞>七里>日溪>庫心>壩前。

表1 浮游植物細胞密度指示評價法

表2 綜合營養狀態指數評價法

一般認為，水庫富營養化同庫區外源性污染物輸入和內源性污染物釋放關系密切。山仔水庫每年夏季藍藻水華高發，主要由于季節變換時期，水溫回升，水中微生物分解速率加快，向水體釋放更多的營養元素，促使藻類進入生長旺季。不同空間點位富營養化程度存在差異，則可能與汛期降雨徑流影響，導致上游村莊的外源污染物入庫有關。七里、皇帝洞位于水域上游淺水區，氮磷等外源營養物沖刷入庫后使水中藻類迅速繁殖，所以較壩前等出口位置更具富營養化風險。為防控山仔水庫富營養化污染，保證水源地安全，福州市開展整治畜禽養殖污染、控制工業企業污染、加強庫區周邊農村環保基礎設施等行動，并于2009年起采取生態養魚防控藻類，每年投放鰱魚、鳙魚，在山仔水庫內形成藻類消納氮、磷等物質，魚吃藻的良性生態循環，優化水庫水生系統。客觀上看，山仔水庫近幾年藻類水華暴發頻次降低，富營養化程度有所改善，但是根據歷年監測數據顯示，庫區藻類數量通常從5月開始增加，7月達到頂峰，個別點位依然伴有藍藻水華發生，9月后隨著水溫降低，藻類繁殖力降低。2016年夏季監測結果也符合這一規律。用兩種富營養化評價法評價，結果均表明，7月水體富營養化程度高于8、9月。TLI(∑)指數顯示，七里和皇帝洞點位在7月已達到輕度富營養化水平，所以入夏時節對水庫藻類水華暴發仍需重點關注。

4.3 葉綠素a濃度的反演與分析

應用克里金空間插值法對7月山仔水庫葉綠素a含量進行插值模擬，得到當日山仔水庫葉綠素a的空間分布，如圖3所示。可以看出，葉綠素a含量在空間分布上具有一定的分異性。總體上看，進口的皇帝洞和七里葉綠素a含量高，庫心次之，出口壩前葉綠素a含量最低。對照4.2中，7月七里和皇帝洞的浮游植物細胞濃度均為107個/L數量級，而綜合營養狀態均為輕度富營養級別，葉綠素a含量最低的壩前浮游植物細胞濃度及綜合營養狀態指數也均最低，表明空間插值法得到的葉綠素a含量空間分布較好地吻合了庫區各點位富營養化的狀態。

圖3 山仔水庫7月葉綠素a含量空間分布

5 結論

（1）監測期間（2016年7～9月），共鑒定出7個門41屬57種浮游植物。其中，綠藻門種數最多，硅藻門和藍藻門次之；藍藻門種群數量占絕對優勢，優勢種為微囊藻和銅綠微囊藻。

（2）浮游植物細胞密度指示法和TLI(∑)綜合營養狀態指數評價法對庫區的營養狀況評價存在差異，但庫區各監測點位的富營養化程度總體趨勢均為：皇帝洞>七里>日溪>庫心>壩前。TLI(∑)指數顯示夏季庫區已出現輕度富營養化情況，需加大藻類水華關注力度。

（3）各監測點位葉綠素a含量總體趨勢為：七里>皇帝洞>庫心>日溪>壩前，較好地吻合了庫區各點位富營養化狀態的分布。空間插值得到的葉綠素a含量空間分布比單純采樣數據更直觀、有效，便于分析和研究，但如何更精確地確定插值的系列參數，使得插值得出的預測表面與真實值更為接近，如何更好地應用地學統計方法，更精確地描述葉綠素a等水質參數的空間分布狀況，為水華預警和防治提供科學參考，需要進一步的探究。

（4）采用克里金空間插值得到葉綠素a空間分布結果與TLI(∑)綜合營養狀態指數結果都顯示，2016年7月七里和皇帝洞、2016年9月皇帝洞水質為輕度富營養化，其它監測時間水體為中營養。

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