杏林灣水庫上游水域水華期和非水華期水質(zhì)變化

吳龍洋，閻希柱，楊 軍

(1.集美大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院，福建 廈門，361021;2.中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所，福建 廈門，361021)

0引言

杏林灣水庫 ( 24°35′N,118°04′E) 位于福建省廈門市集美區(qū)，前身是廈門市西海域的一個(gè)小海灣，1956年建成的集杏海堤將海灣南端與海水隔斷，從而使海灣變?yōu)榻品忾]的水域，形成了杏林灣水庫。1979年其下游東側(cè)入海處又建一涵閘，使水庫變?yōu)槟媳眱蓚€(gè)庫區(qū)[1]。杏林灣水庫北部是淡水水域，主要受上游坂頭水庫和降水的匯流補(bǔ)給，而南部水域呈現(xiàn)表層淡水、底層咸水，主要由廈門西海域海水滲透所致[2]。該水庫位于亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候地區(qū)，降雨集中在2—6月份[3]，其流域面積142km2，集水面積67.3km2，庫容面積約為2.2km2，平均水深2.2m，最大水深5.5m。其最重要的作用是調(diào)蓄洪水，承擔(dān)著杏林灣周邊城區(qū)的防洪任務(wù)，保護(hù)下游多項(xiàng)重要的基礎(chǔ)設(shè)施和市民的生命財(cái)產(chǎn)安全[4]。此外，杏林灣水庫也是廈門市主要的旅游景點(diǎn)之一。

有研究表明水體暴發(fā)藍(lán)藻水華時(shí)，藍(lán)藻水華與水體的理化因子有著密切的聯(lián)系，如較高的溫度[5]以及相對穩(wěn)定的水體[6]等因素均有利于藍(lán)藻水華的暴發(fā)。目前關(guān)于理化因子對藍(lán)藻水華影響的研究以氮磷較為廣泛。研究發(fā)現(xiàn)磷是影響藍(lán)藻豐度的主要理化因子[7]，較高濃度的磷有助于形成水華的藍(lán)藻種類成為優(yōu)勢種[8]；此外，水體中的TN、TP也會(huì)影響藍(lán)藻水華的形成[9]。

本文以廈門市集美區(qū)杏林灣水庫上游水域?yàn)檠芯繉ο螅ㄟ^比較水華期和非水華期理化因子之間的差異，分析其理化特征，試圖查明廈門市杏林灣水庫上游水域水華和非水華期間水質(zhì)變化情況，從而為控制和治理入海口水體富營養(yǎng)化以及水華提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

采樣點(diǎn)位于廈門市集美區(qū)杏林灣水庫上游(118°03′59″，24°36′09″)。采樣時(shí)間為2016年8月—2016年12月，期間發(fā)現(xiàn)有水華現(xiàn)象，每周采集2次，用有機(jī)玻璃采水器于水下0.5m處進(jìn)行采樣，隨后運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。

1.2 理化指標(biāo)的測定

在2016年8—12月的樣品中選取30個(gè)樣品，其中水華期和非水華期各15個(gè)樣品。采用透明度盤現(xiàn)場測定透明度，采用多參數(shù)水質(zhì)測量儀(Hydrolab DS5, Hach Company，USA)現(xiàn)場測定溫度、pH、濁度、溶解氧和鹽度。樣品帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行葉綠素a(Chlorophyll-a)和營養(yǎng)鹽分析，采用PHYTO-PAM分析儀測定水體的葉綠素a。總碳以及總有機(jī)碳用TOC/TN-VCPH 分析儀測得(Shimadzu，Tokyo，Japan)。總氮(Total nitrogen，TN)、銨態(tài)氮(Ammonium nitrogen，NH4-N)、硝態(tài)氮(Nitrate nitrogen，NO3-N)、亞硝態(tài)氮(Nitrite nitrogen，NO2-N)、總磷(Total phosphorus，TP)以及正磷酸鹽(Phosphate phosphorus，PO4-P)用Lachat QC8500 Flow Injection Autoanalyzer紫外可見分光光度計(jì)(Lachat Instruments, Hach Company，Loveland，CO，USA)測得。理化指標(biāo)按照《水和廢水監(jiān)測分析方法》[10]的方法進(jìn)行測定。

1.3 綜合營養(yǎng)指數(shù)

水體的營養(yǎng)狀態(tài)評價(jià)是采用經(jīng)典的Carlson 營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法[11]進(jìn)行計(jì)算。使用兩個(gè)采樣點(diǎn)的葉綠素(葉綠素a，μg/L)，透明度盤透明度(Trans，m)，總磷(TP，μg/L)根據(jù)以下公式計(jì)算:

TSI(Chl)=9.81 ln(Chl)+30

(1)

TSI (Trans)=60-14.41ln (Trans)

(2)

TSI(TP)=14.42 ln(TP)+ 4.15

(3)

綜合營養(yǎng)指數(shù)TSIc的計(jì)算是由公式(4)[12]得出：TSIc=0.540TSI(Chl)+0.297TSI(Trans)+0.163TSI(TP)

(4)

綜合營養(yǎng)指數(shù)TSI的數(shù)值由0到100，不同的數(shù)值代表著不同營養(yǎng)狀態(tài)，分為6個(gè)不同的營養(yǎng)階段：貧營養(yǎng)：0

1.4 TN/TP

水體的氮磷比則根據(jù)公式：氮磷比=TN/TP進(jìn)行計(jì)算，其中TN，TP為樣品測得的總氮和總磷。

1.5 數(shù)據(jù)分析

利用Excel對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理：將水華期和非水華期的理化指標(biāo)進(jìn)行比對，使用SPSS19.0軟件分析其顯著性差異，理化數(shù)據(jù)用平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差(mean±SE)來表示，p<0.05顯著性差異，p>0.05顯著性差異，p<0.01極顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 理化因子與葉綠素a

由表1可知，水華期的溶解氧、葉綠素、濁度、透明度、總碳、亞硝態(tài)氮極顯著高于非水華期(p<0.01)； pH、電導(dǎo)率、總氮均顯著高于非水華期(p<0.05)；水溫、氧化還原電位、鹽度、總有機(jī)碳、總磷、氨氮、硝酸鹽、磷酸鹽等理化指標(biāo)差異均不顯著(p>0.05)。

表1 30個(gè)樣品的水質(zhì)參數(shù)(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)

當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，水體增溫會(huì)促進(jìn)藻的生長，環(huán)境溫度較高時(shí)則起抑制作用[13]。相對于其他種類的藻，藍(lán)藻對高溫有較強(qiáng)的耐受能力[14]。鄭維發(fā)和曾昭琪的研究表明，藍(lán)藻生長最適宜的溫度范圍為 25～35℃，高于綠藻和硅藻的最適生長溫度[5]。較高的水體溫度有利于藍(lán)藻成為優(yōu)勢種群，且有利于藍(lán)藻水華的發(fā)生，而 15℃以下時(shí)很少有藍(lán)藻水華的發(fā)生[15]。本研究發(fā)現(xiàn)該水域水華與非水華期間溫度處于27℃左右，符合藍(lán)藻生長最適生長溫度范圍。

一些研究表明，水華暴發(fā)期間的葉綠素濃度明顯高于非水華期[16-18]。Chen等人研究表明，在衡量水華暴發(fā)程度時(shí)，葉綠素濃度可以作為界定標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)指標(biāo)[19]。在本研究中，水華期的葉綠素濃度也顯著高于非水華期，葉綠素濃度的變化可以作為判定某一特定水域是否發(fā)生水華的一項(xiàng)重要指標(biāo)，但前提是這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)要結(jié)合該水域的長期水質(zhì)狀況，摸清水華暴發(fā)期間與非水華期間葉綠素的變化才能提出該水域水華發(fā)生與否的指標(biāo)。

本研究結(jié)果表明，水華期水體氮磷比在5.93～17.49內(nèi)波動(dòng)，平均值為11.88±3.75；非水華期氮磷比在6.21～12.68內(nèi)波動(dòng)，其平均值為9.00±2.07；兩個(gè)時(shí)期的氮磷比差異不顯著(p>0.05)。當(dāng)TN/TP值<29時(shí)，藍(lán)藻具有優(yōu)先生長的營養(yǎng)鹽條件[20, 21]。當(dāng)TN/TP>7∶1時(shí)，磷成為藻類生長的限制性因子[22]。本研究中，水華期與非水華期的TN/TP比值基本上處于7～29，表明該水域藍(lán)藻有成為優(yōu)勢物種的潛力，且磷是其限制性因子。然而該水域水華期與非水華期的磷含量并無顯著性差異，但氮含量有顯著性差異。唐匯娟對國內(nèi)35個(gè)湖泊(其中有23個(gè)湖泊發(fā)生藍(lán)藻水華)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比后發(fā)現(xiàn)，發(fā)生藍(lán)藻水華的23個(gè)湖泊中的N/P 比在 13～35內(nèi)波動(dòng)，而剩余的未發(fā)生藍(lán)藻水華的湖泊中 N/P 比則<13[23]。國際上一般將TN=0.2mg/L、TP=0.02mg/L作為水體富營養(yǎng)化的臨界閾值[24, 25]，本次研究發(fā)現(xiàn)水華期與非水華期中的TN和TP的含量分別達(dá)到了3.76 ±1.22和2.75± 0.63、0.33 ±0.02和0.32±0.02，均高于此標(biāo)準(zhǔn)，并且高于國內(nèi)水體富營養(yǎng)化發(fā)生的氮磷濃度標(biāo)準(zhǔn)，其原因可能是因?yàn)樾恿譃乘畮熘苓呌写罅康木用裥^(qū)、工廠等人類活動(dòng)區(qū)域，大量生活污水的排入使水體中的藻類不再受到氮磷限制的影響。

水華期間和非水華期間水體電導(dǎo)率分別為261.13±74.72、138.53±15.20，pH分別為8.17 ±0.21、7.52± 0.11。該水域水體偏弱堿性，比較適合藻類的大量生長，對水體水質(zhì)起到副作用[26]。而其他因子或多或少受到了水華暴發(fā)以及水體富營養(yǎng)化的影響，呈現(xiàn)異常變化。

2.2 綜合營養(yǎng)指數(shù)TSIc

利用公式(4)計(jì)算出兩個(gè)時(shí)期水質(zhì)的綜合營養(yǎng)指數(shù)，水華期的指數(shù)在73.95～84.57波動(dòng)，其平均值為78.32±2.63；非水華期在68.88～78.08波動(dòng)，其平均值為72.24±2.57，二者差異不顯著(p>0.05)。按營養(yǎng)等級劃分，杏林灣水庫上游水域在水華和非水華期間均處于重度富營養(yǎng)化狀態(tài)，有隨時(shí)暴發(fā)水華的趨勢。與盧亞芳[27]等人在2002年間對杏林灣水庫水質(zhì)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)的該水庫水質(zhì)處于富營養(yǎng)化狀態(tài)的結(jié)果相佐證，上游的水質(zhì)有可能會(huì)對水庫水質(zhì)產(chǎn)生負(fù)面影響。

2.3 與地表V類水部分指標(biāo)的比較

水華期和非水華期的水溫符合地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[28]的地表V類水中對水溫的要求；兩個(gè)時(shí)期的pH值在Ⅰ～Ⅴ類水的范圍內(nèi)；水華期的溶解氧高于Ⅰ類地表水的指標(biāo)，非水華期的溶解氧則處于Ⅱ類和Ⅲ類之間；兩個(gè)時(shí)期的氨氮指標(biāo)表現(xiàn)出高于或接近于Ⅴ類水的標(biāo)準(zhǔn)；兩個(gè)時(shí)期的總磷和總氮含量均高于Ⅴ類地表水指標(biāo)。這些結(jié)果說明該水域水質(zhì)的部分指標(biāo)正處于惡化中。溶解氧指標(biāo)的異常變化與水體中大量增殖的藻類有關(guān)，而藻類的大量增長則與水體中豐富的營養(yǎng)物質(zhì)有關(guān)。

3 結(jié)論

對杏林灣水庫上游水域研究發(fā)現(xiàn)，水華與非水華時(shí)期水體均為弱堿性，這有利于藻類的大量繁殖。采用綜合營養(yǎng)指數(shù)分析，結(jié)果表明該水域處于重度富營養(yǎng)化狀態(tài)，與地表V類水指標(biāo)比對后發(fā)現(xiàn)，該水域部分水質(zhì)指標(biāo)處于惡化進(jìn)程中，需要進(jìn)一步加強(qiáng)對杏林灣水域水體水質(zhì)的監(jiān)管，以確保該水體生態(tài)環(huán)境能正常運(yùn)行。