大連重要水庫群浮游植物特征與環(huán)境因子關(guān)系研究

楊瑞豐

(遼寧省大連水文局,遼寧 大連 116023)

引洋入連作為“十四五”時期東水濟遼南線供水工程的重要組成部分,對保障大連用水安全及經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義。引洋入連是將大洋河水引至碧流河水庫的調(diào)水工程,經(jīng)調(diào)節(jié)后輸送至劉大水庫等重要供水水庫,保障供水安全,有效擴大內(nèi)需[1]。大連地區(qū)共有水庫69座,構(gòu)成一個龐大的水庫群,總庫容24.86億m3,控制流域面積5472km2,對其進行水質(zhì)狀況評價及水生態(tài)研究對于保障大連市供水安全尤為重要。

浮游植物作為水體中初級生產(chǎn)者,在維持水庫水體穩(wěn)定性及完整性等方面起著重要作用[2],浮游植物的大量繁殖,不僅會產(chǎn)生臭味和毒素破壞水生態(tài)系統(tǒng),污染配水管網(wǎng),還會堵塞濾池影響聚凝和沉淀,阻礙引洋入連工程的順利進行。近年來,對水中浮游植物的研究較多,研究表明水環(huán)境與浮游植物密度和組成有著密切的聯(lián)系,但不同水體條件對其影響存在較大差異,而對整個水庫群浮游植物與環(huán)境因子的研究鮮有報道[3-4]。

本文著重研究大連地區(qū)5座國家重要飲用水源地水庫所代表的水庫群,每月連續(xù)進行浮游植物監(jiān)測,記錄相關(guān)環(huán)境因子,分析水庫群浮游植物與環(huán)境因子的關(guān)系,全面掌握浮游植物隨環(huán)境的變化特征,以期為即將到來的引洋入連輸供水工程中水庫保護與管理提供數(shù)據(jù)支撐和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況及采樣點布設(shè)

大連市全域現(xiàn)有5座省直水庫:英那河水庫、朱隈水庫、劉大水庫、松樹水庫和碧流河水庫,承擔(dān)城市供水、農(nóng)業(yè)灌溉、防洪抗旱等任務(wù),也是引洋入連工程重要組成部分。以這5座水庫為研究對象,夏季藻類繁殖高發(fā)期為主體研究時段,在2020年5—10月,每月2—5日對每座水庫進行樣品采集,樣品編號為水庫名稱首字母縮寫加月份(如BLH5為碧流河水庫5月的樣品)。

1.2 樣品采集與處理

參照《內(nèi)陸水域浮游植物監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》(SL 733—2016),按要求采集藻類樣品,進行定量和定性分析?，F(xiàn)場采集1L定量樣品,加入魯哥氏液保存,沉降48h后濃縮至30mL,進行400倍鏡檢分析。參照《中國淡水藻類》[5],對浮游植物進行鑒別分析

1.3 理化指標(biāo)測定

浮游植物樣品采集時,現(xiàn)場測定水溫(WT),用塞氏黑白盤測定透明度(SD),其余項目檢測在實驗室完成。葉綠素a(Chl-a)采用丙酮萃取分光光度法測定,總氮(TN)、總磷(TP)和高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)的測定方法參考《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用CANOCO4.5軟件對數(shù)據(jù)進行趨勢對應(yīng)分析(Detrended Correspondence Analysis,DCA)、冗余分析(Redundancy Analysis,RDA)和典型對應(yīng)分析(Canonical Correspondence Analysis,CCA)。所有數(shù)值取對數(shù)處理后先進行DCA處理,得出的物種單峰響應(yīng)值小于3時,進行RDA,否則進行CCA[6]。

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境因子

大連地區(qū)水庫群中5座省直水庫環(huán)境因子變化情況見圖1。各水庫葉綠素變化較大,其中英那河水庫水質(zhì)較好,葉綠素a保持在較低水平,為0.91～3.35mg/L;其次是碧流河,在10mg/L左右;其余3座水庫葉綠素a最大可接近30mg/L。透明度與葉綠素有類似的趨勢,只有英那河透明度全部大于1m?？偭姿袛?shù)據(jù)均小于0.025mg/L,符合Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)?？偟揪S持在2mg/L左右,碧流河水庫相對較高,總氮最高達到3.42mg/L。英那河水庫、朱隈水庫和碧流河水庫高錳酸鹽指數(shù)較低,為3～4mg/L,劉大水庫和松樹水庫多為4～6mg/L。水溫先升后降,普遍在7—9月水溫最高。

圖1 大連地區(qū)水庫群5座水庫每月環(huán)境因子變化

2.2 浮游植物特征

2.2.1 浮游植物組成

各水庫中檢測到常見浮游植物共28屬,隸屬6個門(單次監(jiān)測密度小于0.1%的種屬未予統(tǒng)計),具體見表1。種類最多的是綠藻門,占總數(shù)的42.9%;其次為硅藻門的25.0%;隱藻門、裸藻門和金藻門種類較少,均為3.6%。

表1 大連地區(qū)藻類組成

2.2.2 浮游植物密度

調(diào)查期間,藻類密度變化差異較大,為39.9～1077.9萬cells/L(均值317.9萬cells/L),優(yōu)勢種集中在硅藻門、綠藻門和藍藻門。各水庫不同門類密度見圖2,其中英那河水庫藻類密度較低,均值為94.2萬cells/L,組成以綠藻門為主,7月達到最大;其次是松樹水庫,平均密度達到164.1萬cells/L,呈現(xiàn)先升后降再升高的趨勢,兩次峰值期間優(yōu)勢種分別為綠藻門和硅藻門;朱隈水庫藻類密度同樣出現(xiàn)兩次峰值,分別是8月藍藻門和10月硅藻門的暴發(fā)式生長;以上3座水庫所有月份密度均小于10萬cells/L,初步具備水華條件。而劉大水庫7月和碧流河水庫6月,藻類密度分別達到1035.2萬cells/L和1077.9萬cells/L,存在水華風(fēng)險,且優(yōu)勢種均屬硅藻門。

2.3 浮游植物樣品分布

對浮游植物密度進行趨勢對應(yīng)分析(DCA),單峰響應(yīng)值小于3,故進行冗余分析(RDA)。圖3是各樣品在RDA排序中的分布,各浮游植物門類密度射線之間的夾角代表其相關(guān)性,夾角的余弦值在數(shù)值上等于兩者的相關(guān)系數(shù)。由圖3可知,藻類總數(shù)主要由硅藻門和綠藻門數(shù)量決定,隱藻門和裸藻門數(shù)量較少,對總數(shù)幾乎無影響;而金藻門作為優(yōu)質(zhì)水體的指示生物,與藻類總數(shù)呈明顯負(fù)相關(guān);此外,藍藻門與綠藻門習(xí)性相近,而受硅藻門的生長影響較小。

圖3 浮游植物密度與樣品的RDA排序

樣品垂直投影到藻類密度射線上,以投影點到藻類實心箭頭處的相對距離為標(biāo)準(zhǔn),用來說明樣品在該藻類的多度值大小。由圖3可知,英那河水庫(YNH)大部分都集中在藻類總數(shù)射線的反方向上,說明水質(zhì)較好,低于平均藻類密度。從硅藻門分布來看,主要集中在朱隈水庫、劉大水庫、松樹水庫10月(ZW10、LD10、SS10)和碧流河水庫6月、7月(BLH6、BLH7)。而在綠藻門和藍藻門射線上截距較大的樣品點,多出現(xiàn)在7月和8月,表明7月和8月是藍藻、綠藻生長的旺盛期。同時,樣品之間的連線越短說明差異越小,反之越大。圖3中樣品點ZW10、LD10、BLH10、BLH5、YNH5、ZW5、LD9、SS9分布在RDA排序圖的外圍,與其他樣品點相距較遠,樣品差異性大。這些多為5月、9月和10月的藻類數(shù)據(jù),表明在溫度相對較低的春秋兩季,大連地區(qū)水庫群藻類密度及組成變化較大,而夏季各水庫中藻類特點差異性較小。

2.4 浮游植物密度與環(huán)境因子的關(guān)系

藻類密度與環(huán)境因子射線之間的夾角余弦值代表其相關(guān)性,同方向余弦值為正值代表正相關(guān),反方向余弦值為負(fù)值代表負(fù)相關(guān),絕對值越大相關(guān)性越大。由浮游植物密度與環(huán)境因子的RDA排序(見圖4)可知,在藻類生長高發(fā)期的5—10月,大連地區(qū)藻類總數(shù)與葉綠素a和高錳酸鹽指數(shù)呈正相關(guān),與總磷和透明度呈負(fù)相關(guān),受總氮和水溫影響較小?？偭自诃h(huán)境因子數(shù)據(jù)中全程處于較低水平,本研究中影響較小。葉綠素a主要影響硅藻門的數(shù)量,高錳酸鹽指數(shù)的增加會導(dǎo)致藍藻門和綠藻門密度增大,水溫的變化僅對藍藻門和裸藻門產(chǎn)生明顯的影響,隨著氣溫的升高,藍藻門會大量繁殖,綠藻門也會相應(yīng)地增加,硅藻門受營養(yǎng)物質(zhì)競爭的影響會有一定的減少。

圖4 浮游植物密度與環(huán)境因子的RDA排序

3 討 論

3.1 環(huán)境因子變化

大連地區(qū)水庫群水質(zhì)良好,5座水庫全年均符合Ⅱ類水和Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)(總氮不參評)。水溫作為重要的環(huán)境因子,通過調(diào)控藻類的同化過程、細(xì)胞內(nèi)酶的活性和代謝速率直接或間接地影響浮游植物的群落結(jié)構(gòu)[7]。大連屬于具有海洋特點的暖溫帶季風(fēng)氣候,水溫隨季節(jié)性變化明顯,夏季清涼,最高水溫不超過30℃,極大地降低了水華風(fēng)險。所有水庫總磷都保持在較低水平,而劉大水庫和松樹水庫的高錳酸鹽指數(shù)較高,說明其中有機物增多。

3.2 浮游植物群落特征

大連地區(qū)水庫群浮游植物以硅藻-綠藻-藍藻為主,各個水庫藻類結(jié)構(gòu)各有不同。其中,英那河水庫中綠藻門是唯一優(yōu)勢種,隨季節(jié)性變化明顯,藻類密度隨水溫變化先升后降,7月達到峰值。劉大水庫和碧流河水庫有同樣的單峰型趨勢,優(yōu)勢種為硅藻門,在高溫下藻類暴發(fā)生長,氣溫回冷藻類密度隨之降低。朱隈水庫和松樹水庫藻類變化呈雙峰型,朱隈水庫為藍藻-硅藻型,8月藍藻門密度最大,10月硅藻門成為優(yōu)勢種;松樹水庫兩次峰值分別是綠藻門和硅藻門。大連地區(qū)的5座重要水庫,不論單峰型還是雙峰型,即使藻類總數(shù)變化有所不同,但在任一水庫中同門類藻屬變化規(guī)律有明顯季節(jié)性演替特征。整體來看,春秋季適合硅藻門生長,綠藻門適宜生活在水溫中等的水域中,而藍藻門更喜高溫天氣[8]。

3.3 浮游植物密度對環(huán)境因子的響應(yīng)

浮游植物作為水體的指示生物,其密度很大程度上取決于環(huán)境因子變化[9]。RDA結(jié)果顯示,大連地區(qū)水庫群浮游植物受水溫、葉綠素a、高錳酸鹽指數(shù)和總氮影響明顯。季節(jié)性水溫的變化,受影響最大的是藍藻門,其次是綠藻門,硅藻門和藻類總數(shù)所受影響較小。葉綠素a和高錳酸鹽指數(shù)與藻類總數(shù)呈正相關(guān),這是由于大量的有機質(zhì)給藻類生長提供充足的食物,藻細(xì)胞合成增加,葉綠素a會有明顯的提升[10]。其中高錳酸鹽指數(shù)對綠藻和藍藻門的相關(guān)系數(shù)更高,對其生長的影響更為顯著,有機質(zhì)的含量決定著藍藻、綠藻的生長。氮、磷是浮游植物生長代謝所必需的元素,RDA顯示總氮更利于硅藻門的生長,一般認(rèn)為水體中總氮含量大于0.2mg/L且總磷含量大于0.02mg/L時,水華暴發(fā)的概率較大[11],在監(jiān)測的數(shù)據(jù)中,總磷含量較低成為藻類生長的限制性因素。

3.4 庫區(qū)藻類水華防護

由于大連地區(qū)水庫群浮游植物同門類藻屬季節(jié)性演替,所以在不同時期不同水庫可以進行有針對性的防護。夏季綠藻門和藍藻門繁殖旺盛,易發(fā)生藍藻門水華。應(yīng)嚴(yán)格控制水中有機質(zhì)的含量,減少垃圾和牲畜糞便的排放,重視高錳酸鹽指數(shù)的變化。加強對庫區(qū)的巡視,尤其是針對朱隈水庫,監(jiān)測水生生物的狀況,保證水體清潔,以免水污染事件的發(fā)生。春秋季水溫相對較低,水庫以硅藻門為主,需減少水中總氮等營養(yǎng)鹽的含量,嚴(yán)格控制庫區(qū)上游農(nóng)藥的排放及農(nóng)藥殘留,尤其關(guān)注劉大水庫和碧流河水庫硅藻門的變化,加強監(jiān)督管理,避免硅藻門水華。同時,總磷是大連地區(qū)水庫群的限制性因素,應(yīng)繼續(xù)保持良好的水生態(tài)環(huán)境,控制總磷的含量,有效避免水華的發(fā)生。

4 結(jié) 論

a.在藻類生長高發(fā)期的5—10月,大連地區(qū)水庫群監(jiān)測到浮游植物6門28屬,綠藻門種類最多,其次為硅藻門。藻類密度主要由硅藻門和綠藻門數(shù)量決定,同門類藻屬季節(jié)性演替現(xiàn)象明顯,春秋季以硅藻門為主且存在水華風(fēng)險,7月和8月是藍藻、綠藻生長的旺盛期,而進入9月后浮游植物特征會出現(xiàn)明顯差異。

b.大連地區(qū)浮游植物密度受環(huán)境因子影響明顯,藻類總數(shù)與葉綠素a和高錳酸鹽指數(shù)呈正相關(guān)。其中硅藻門受葉綠素a影響較大,高錳酸鹽指數(shù)的增加會導(dǎo)致藍藻門和綠藻門藻類密度增大,而水溫對藍藻門的生長影響最顯著。

c.依據(jù)不同門類藻屬的生長特征,對大連地區(qū)水庫群進行有針對性的防護,不同時期采取相應(yīng)的管理辦法,重點關(guān)注水庫特征值變化,有效降低水華風(fēng)險,保障調(diào)水工程的順利進行。