長江口水源地青草沙水庫水質與浮游植物群落特征*

劉書敏 趙風斌

(1.華東師范大學生態與環境科學學院,上海 200241；2.上海波賽統環境科技有限公司,上海 200092；3.同濟大學環境科學與工程學院,上海 200092)

富營養化是水體中浮游植物所需的營養物質含量過多而引起的水質污染現象。大量氮磷流入水體,導致浮游植物快速生長,溶解氧(DO)含量降低,致使水質不斷惡化[1]。同時,浮游植物生長還受到溫度、pH、有機物、透明度(SD)等水質因素的影響[2]。因此,營養鹽、SD、DO、pH、化學需氧量(COD)等水質指標及浮游植物可作為富營養化評價和控制的關鍵因素[3]。

青草沙水庫作為長江口重要水源地之一,是目前世界上最大的潮汐河口水庫,承擔了上海市約50%的原水供應,其水質安全對上海市來說至關重要。然而,由于長江沿岸城市經濟發達,陸源的氮磷等污染物隨徑流輸入一直帶到長江口水域[4-5],導致長江口水環境質量堪憂,富營養化問題嚴重[6-7],給青草沙水庫水質安全帶來風險。

青草沙水庫建成以來,已有研究者對庫區水質特征[8]、水動力特征[9]、細菌群落結構[10]、浮游動植物群落結構[11]及食物網結構[12-13]等諸多內容進行了研究。在相關研究的基礎上,為應對水體富營養化問題,水庫運行管理部門近年采取了水力調控、濾網攔截除藻、沉水植物系統構建、生物操縱[14-15]等技術措施,使得水庫的富營養化問題在一定程度上得到控制。但由于受長江口水環境變化影響,水庫仍存在較大水華風險[16-17]。

青草沙水庫采用避咸蓄淡的運行方式。1—3月咸潮期水庫引排水流量、水動力條件、水位、鹽度等變化較大,暫不考慮。4—12月非咸潮期水庫采取“能引則引,能排則排”的水利調度手段[18],利用庫首潮汐能多引水、庫尾閘門多排藻的富營養化防控策略,通過大量排出浮游植物防止藻類過度繁殖,但缺乏對庫區水質與浮游植物群落特征的精準掌控。本研究通過對青草沙水庫非咸潮期水質、浮游植物進行監測的基礎上,利用Pearson相關性分析及冗余分析(RDA)對庫區水質的時空分布特征、藻類群落結構特征及優勢種變化情況進行分析,討論浮游植物群落演替規律與水質之間的響應關系,以期為水庫后續富營養化防治策略的精準調控提供數據支撐。

1 材料與方法

1.1 采樣點布設

青草沙水庫呈“上寬下窄,上灘下槽”的特征,庫首沙體外沿受沖后形成陡坎,導致該區流速較快；庫尾水深增加,逐漸形成深潭,導致該區流速較慢。綜合水庫水體流動及引排水閘門設置情況,設置庫首站點(ST1、ST2、ST3),庫中站點(ST4、ST5、ST6),庫尾站點(ST7、ST8)(見圖1)。

1.2 樣品采集與測定

樣品采集時間為2019年4—12月,采樣頻率為每月中旬采樣1次。采用多參數水質分析儀(美國YSI,EXO)測定DO、電導率(Cond)和pH。分別參照《水質 總磷的測定 鉬酸銨分光光度法》(GB 11893—89)、《水質 總氮的測定 堿性過硫酸鉀消解 紫外分光光度法》(HJ 636—2012)、《水質 氨氮的測定 納氏試劑分光光度法》(HJ 535—2009)和《水質 硝酸鹽氮的測定 紫外分光光度法(試行)》(HJ/T 346—2007)測定總磷(TP)、總氮(TN)、氨氮和硝酸鹽氮,儀器使用連續流動分析儀(荷蘭Skalar,SAN++)。分別參照《水質 化學需氧量的測定 快速消解分光光度法》(HJ/T 399—2007)、《水質 葉綠素a 的測定 分光光度法》(HJ 897—2017)測定COD和葉綠素a(Chl-a),儀器使用雙光束紫外可見分光光度計(日本SHIMADZU,UV1900)。SD用賽氏盤測定。浮游植物通過鏡檢定性并確定生物密度和生物量,計數方法采用倒置顯微鏡計數法。

1.3 數據處理

使用SPSS25.0進行單因子方差分析和Pearson相關性分析,并采用SNK-q檢驗進行多重比較；使用CANOCO5.0軟件對庫首ST1、庫中ST5、庫尾ST8的優勢度前10的浮游植物與水體理化因子進行RDA,對浮游植物種群信息進行去趨勢對應分析(DCA),排序軸長度小于3,故選擇基于線性的RDA。

2 結果與分析

2.1 水質特征

對水質指標進行統計并進行單因子方差分析,結果見表1。可以發現,(1)庫區COD、pH、DO、Cond均值由庫首至庫尾無顯著差異；(2)庫區TP、TN、氨氮、硝酸鹽氮均值由庫首至庫尾存在顯著差異,總體呈逐漸降低趨勢；(3)Chl-a、SD均值由庫首至庫尾存在顯著差異,呈逐漸上升趨勢。由此可見,庫首至庫尾泥沙逐漸沉降、SD提高,浮游植物增殖導致Chl-a含量增加,消耗氮磷營養元素。因此,掌握氮磷元素時空變化規律及其與Chl-a的相關關系,對于水庫富營養化防治具有重要科學價值,下面將對氮磷元素時空變化特征和Chl-a的響應特征進行研究。

2.1.1 TP時空變化特征

由圖2可見,青草沙水庫TP質量濃度為0.08～0.43 mg/L,均值為0.18 mg/L,呈現出明顯的時空差異性。總體看來，4、12月TP濃度較高,5—11月TP濃度較低,原因是5—11月長江流域降水量較大,TP濃度得以稀釋,而ST1和ST2在7月濃度異常高是因為采樣時受到了降雨和風浪的影響,導致懸浮泥沙中顆粒態磷大量增加。

表1 水質指標統計特征和單因素方差分析結果1)Table 1 Statistical characteristics and single-factor variance analysis for water quality indexes

2.1.2 庫區氮元素時空變化特征

由圖3可見,青草沙水庫TN質量濃度為0.64～2.46 mg/L,均值為1.54 mg/L；硝酸鹽氮質量濃度為0.51～1.63 mg/L,均值為1.10 mg/L；氨氮質量濃度為0.002～0.064 mg/L,均值為0.016 mg/L。TN主要由硝酸鹽氮組成,氮元素濃度從庫首到庫尾有下降趨勢。水庫江心島南側淺灘點位ST2的氮元素濃度低于北側淺灘點位ST3,原因是ST2區域實施了沉水植物生態修復工程。

2.1.3 Chl-a對其他水質指標的響應特征

Chl-a可作為浮游植物生物量的重要評價指標,其濃度高低與水體富營養化程度密切相關。因此,為了說明青草沙水庫浮游植物與水質特征間的相關關系,對Chl-a與其他水質指標進行了Pearson相關性分析,結果見表2。Chl-a與TP、TN、氨氮、硝酸鹽氮、COD、Cond呈顯著負相關,與SD呈顯著正相關,表明盡管當前青草沙庫區的氮磷營養鹽水平較高,但尚未成為庫區浮游植物生長的限制性影響因素,SD才是促進浮游植物生長的關鍵影響因素。

2.2 浮游植物群落特征

2.2.1 浮游植物群落結構特征

青草沙水庫共鑒定出浮游植物117種,隸屬于8門,其中綠藻門(Chlorophyta)55種、硅藻門(Bacillariophyta)31種、藍藻門(Cyanophyta)17種、裸藻門(Euglenophyta)6種、隱藻門(Cryptophyta)3種、甲藻門(Pyrrophyta)2種、金藻門(Chrysophyta)2種、黃藻門(Xanthophyta)1種。綠藻門鑒定出的種數最多,占47.01%,其次是硅藻門,占26.50%,黃藻門最少,僅占0.85%。

青草沙水庫各采樣點4—12月的浮游植物生物密度為1.5×104～3.2×106個/L,均值為7.3×105個/L,10月浮游植物生物密度最大,而11、12月較低。

2.2.2 浮游植物優勢種特征

青草沙水庫4—12月浮游植物優勢種如表3所示,優勢種主要屬于藍藻門、硅藻門和綠藻門,均為富營養化水體常見種,其中顆粒直鏈藻、小環藻基本上是長年的優勢種。

2.2.3 浮游植物與水質指標的相關關系

ST1小環藻、梅尼小環藻與TP呈現正相關關系,細小平裂藻(Merismopediatenuissima)、微小隱球藻(Aphanocapsa.delicatissima)、鏈狀偽魚腥藻(Pseudanabaenacatenata)、湖生偽魚腥藻與TN呈現正相關關系；ST5小環藻、針尖桿藻與TP呈現正相關關系,顆粒直鏈藻、顆粒直鏈藻極狹變種與TN呈現正相關關系；ST8微囊藻、顆粒直鏈藻、顆粒直鏈藻極狹變種、雙粒聚球藻均與TN、TP呈現正相關關系(見圖4)。RDA表明,在流速緩慢且SD高的庫尾,浮游植物生長在一定程度上受到營養鹽的限制。

表2 Chl-a與其他水質指標的相關性分析1)Table 2 Correlation analysis of Chl-a and other water quality indexes

表3 青草沙水庫浮游植物優勢種1)Table 3 Dominant phytoplankton species in Qingcaosha Reservoir

3 討 論

通過分析水質特征發現,青草沙水庫內氮磷元素從庫首到庫尾有降低趨勢,但相比于氮元素,磷元素的下降趨勢不明顯,分析原因為磷元素含量受到浮游植物生物量、懸浮顆粒物[19-21]等多種因素的影響；SD逐漸升高主要原因是長江來水泥沙不斷沉積；Chl-a逐漸升高與水庫水體SD上升及流速降低有關[22-23]。一般認為,TN超過0.2 mg/L,TP超過0.02 mg/L,水體便處于富營養化狀態,Chl-a的閾值通常為2.0～3.9 μg/L[24-25],盡管研究期間青草沙水庫TN、TP、Chl-a濃度均超過了閾值,但在水庫現有的水利調度下,并未有大規模水華發生。

青草沙水庫的優勢種均為富營養化水體常見種,表明水庫一定程度上存在水華暴發風險。與湖泊型水源地不同,對于河口型水庫水源地而言,水位調節幅度大、頻次高,硅藻的危害更為常見[26]。當前青草沙水庫構建了“浮游植物→魚類→人工捕撈”的生物控制措施,通過魚類的下行效應,庫區富營養化可得到一定緩解[27-28],庫區優勢浮游植物存在藍藻向硅藻演替的趨勢,對庫區魚類群落食性進行相應比例調整應納入考量。此外,藍藻易于在淺水高溫環境下發展成優勢種,而硅藻易于在深水位、大水量及低水溫的環境下發展成優勢種[29-30]。

水質相關性分析結果表明,水庫Chl-a與氮磷營養鹽呈顯著負相關,與SD呈顯著正相關,表明青草沙水庫非咸潮期氮磷元素并不是庫區浮游植物生長的主要限制性因素。優勢藻與水質的RDA表明,在庫區流速緩慢且SD高的庫尾水域,浮游植物優勢種生長受到營養鹽的影響加強。建議在庫區后續管控措施中增加對庫尾區域TN、TP濃度的監測與控制,這將有利于降低庫尾富營養化風險。

4 結 論

(1) 青草沙水庫2019年4—12月氮磷營養鹽由庫首至庫尾呈逐漸降低趨勢,而Chl-a、SD呈逐漸上升趨勢。盡管當前青草沙水庫的氮磷營養鹽水平較高,但尚未成為庫區浮游植物生長的主要影響因素,SD才是促進浮游植物生長的關鍵影響因素。不過,庫尾由于流速緩慢且SD高,浮游植物生長在一定程度上受到營養鹽的限制。

(2) 共鑒定出浮游植物8門117種,綠藻門、硅藻門和藍藻門優勢種較多,且優勢種均為富營養化水體常見種,水庫一定程度上存在水華暴發風險。