新立城水库藻类水华环境因子分析及其预警监测

吕艳春,徐镜波,王春红

(1.东北师范大学,吉林长春 130024;2.长春市环境监测中心站,吉林长春 130022)

新立城水库藻类水华环境因子分析及其预警监测

吕艳春1,2,徐镜波1,王春红2

(1.东北师范大学,吉林长春 130024;2.长春市环境监测中心站,吉林长春 130022)

调查研究表明长春市新立城水库发生小范围藻类水华期间浮游植物藻类群落结构变化不明显,种群丰度增加。对监测数据进行了分析并与该地区非水华期间的监测数据相比较;同时对水质进行了环境因子相关性及对藻类水华的影响分析。结果显示溶解氧和温度是影响水库叶绿素 a值变化的主要环境因子,且可以作为北方湖泊藻类水华预警的主要监测指标。

水华;环境因子;预警;新立城水库;长春

在一自然水体中,水生浮游植物的种类组成和数量变化受生物因子和环境因子的影响。浮游植物的生物量受光、水温、pH、溶解氧、营养盐水平等因素的影响[1～2]。在富营养的水体中一旦条件成熟,藻类就能在短期内大量繁殖,生物量剧增,引发水华。大面积的水华具有很强的危害性。研究水华的形成机制,水华水体的环境因子的动态变化及其与叶绿素 a的关系,具有重要意义。

新立城水库位于长春市南关区新立城乡,距长春市区 20km。水库集水面积 1970m2,平均库容量2.4亿 m3。向长春市日供水量 1.7万 m3,是长春市第二大饮用水水源地。常年的水库监测数据表明该水库水质状况良好。检出的浮游植物包括 4门类43属,其中多为轻中度污染指示种,年均生物密度为 232～483万个 /L。2008年 8月 3日新立城水库取水口区域发生小面积水华现象。主要表现为固氮类蓝藻的丰度激增,叶绿素 a水平升高,水体透明度下降。长春市环境监测中心站对此进行了 20d连续采样监测,主要目的是研究影响水华的主要环境因子变化及找到水华形成的原因,并将这些应用于藻类预警监测工作中。

1 实验方法

1.1 采样方案

在常年对新立城水库进行理化指标的监测基础上,自 2008年 8月 3日水华现象出现后,立刻加强监测,增加了采样频率,由原来的每月 1次,增加为 1次 /d。从 8月 4日～19日连续监测 15d。采样断面设在水华发生区域的取水口处,于水深0.5m取样监测。

1.2 测试指标

水温、透明度、pH等现场测试,溶解氧 (DO)、高锰酸盐指数 (CODMn)、总氮 (T N)、总磷 (TP)、叶绿素 a等指标将样品带回实验室后于 6h内完成测定。测定方法参照水和废水监测分析方法第四版的标准方法[3]。浮游植物以 25号浮游生物网采样,加入鲁哥试液固定,在显微镜下鉴别分类计数。

1.3 数据分析

为了便于分析水华发生的原因,同时整理了连续监测数据,并与 3a来的新立城水库历史监测数据作了比较。汇总后应用 M IN ITAB 15统计学软件(Minitab Inc.)进行多元相关性分析。

2 监测结果

2.1 浮游植物群落组成及其特征

此次水华主要集中在水库取水口处。主要表现为水体中絮状藻体大量出现。通过监测发现藻类群落结构变化不大,但种群丰度明显增加,以蓝藻门铜绿微囊藻最高,约占总量的 40%～60%,成为优势种。如表 1所示,水华发生后的叶绿素 a水平很高,一直维持在 20 mg/m3以上,并在 8月 9日一度达到 52.28 mg/m3,远高出 2008年 5月时的常规监测值 8.25 mg/m3,同时浮游植物生物量也明显高出 5月监测时的水平。13日由于水库大量放水,叶绿素 a监测值为 7.67 mg/m3,较前几日明显下降。19日后随温度下降,水华逐渐消退。

浮游植物在 750～4035万个变化,共监测 4门38种,种类主要有小环藻、纤维藻、绿球藻、脆杆藻、裸藻及舟形藻。多为中度污染种,优势种为铜绿微囊藻,占总量的 40%～60%。而这一数据远高于 2007年年均密度 313.201万个 /L的水平。

2.2 理化指标分析结果

表 1 2008年 8月水华发生期间新立城水库水质监测结果 (mg/L)

表2 新立城水库常规调查水质监测结果 (mg/L)

表 3 2007年 11月～2008年 4月新立城水库理化指标监测数据 (mg/L)

表 1中数据同表 2相比,除了 T N在 8月 9日～12日较 5月常规水质调查结果 (0.952 mg/L)略有偏高外,其余各项理化指标在正常范围内。

2.3 统计分析结果

2.3.1 相关性分析

将叶绿素 a与其它理化指标进行了相关性分析。结果表明叶绿素 a的变化与 DO最密切相关。其次按顺序为:温度 ＞CODMn＞TN＞TP。

2.3.2 影响因子分析

对影响理化指标的内在因素进行了分析,结果显示,叶绿素 a的变化与DO、温度、COD受同一因素影响,并且具有很高的正相关性。TN虽然也受这一内在因素影响,表现为相对较弱的相关性。相对来说,它的变化受另外第二因素影响更明显。

3 讨论

3.1 水华的形成

水华的形成与水生藻类的异常繁殖生长有关。目前人们对水华形成的确切机制还不是很了解,对水华的具体形成过程也不是很清楚。通常认为,水华的形成包括藻类的休眠期和复苏期,异常繁殖的生物量增加期,以及形成水华的最终的藻类上浮积聚期。对于北方水库来说,冬季为藻类的休眠期。随着春季温度的升高,加上充足的阳光照射,藻类生长开始复苏。进入 6月后,随着气温的持续升高,在降雨量偏少、光照充足等适宜气候条件下,水生藻类会加速生长。水华在北方通常集中发生在7月和 8月,表现为水藻在高温、少降雨、低风速、水流动差等适宜条件下突然大量上浮,积聚形成水华。水华一般持续 2～3个星期。

此次新立城水库水华暴发的主要藻类为蓝藻门铜绿微囊藻,占总量的 40%～60%。蓝藻是单细胞水生物,通常数百个的微蓝藻细胞聚集在一起。由于细胞中含有气泡核,研究表明,微蓝藻是靠调节细胞内的气核大小来达到上浮和下沉的。它的分裂繁殖速度通常为 1倍 /d,高峰时可到 4倍 /d。只有在单位水体中的含量急速增加形成堆积,才会形成“水华”,开始暴发。因此,暴发所需要的数量是由暴发前一段时间的气象条件决定的,因此对蓝藻暴发前 10d的气象条件进行分析对于研究水华的形成非常重要。

2008年,全国范围内出现罕见历史高温,长春也没有例外。

6月以后很快进入高温天气,并伴随降雨量减少,远远超过历史同期平均水平,这为藻类生长提供了适宜条件。进入 7月以后,温度持续上升。特别是 7月 24日～8月 2日,水华形成前的 10d,持续高温加上降雨量偏少,引起藻类大量繁殖,完成了此次水华的准备阶段。由于水库处于封闭状态,水域更新量小、自净能力弱,且干旱一直没有放水,对蓝藻生长发育较为有利。水华发生前风速一直相对较低,最终使得藻类在 8月 3日大量上浮并聚集在新立城水库出水口形成水华。

通过对水华暴发后的叶绿素 a和理化指标的监测分析,发现溶解氧和温度与叶绿素 a密切相关,是影响水华的主要环境因子。溶解氧的变化与叶绿素 a的变化密切相关,这主要是由于藻类激增后,光合作用明显增强,水中溶解氧增加明显。这与Cui Yi及游亮等对叶绿素 a与溶解氧变化趋势一致的研究结论一致[4～5]。水温是另一个影响藻类水华的主要环境因子。水温主要通过对藻类光合作用与呼吸作用代谢速率的控制而影响叶绿素 a的含量。当时正值盛夏,环境温度为全年最高时期。连续监测表明水库温度都超过 25℃,为藻类生长的最适温度[6]。此次藻类群落生长迅速,铜绿微囊藻占总量的 40%～60%,并成为绝对优势种,表明水华是藻类群落在适宜温度下的激增过程。分析结果表明氮、磷等环境因子与叶绿素 a变化具有一定的相关性。将水库大坝和中游的氮、磷监测数据与藻类水华点位的氮、磷数据相比较,结果表明取水口的 TN、TP略高于水库大坝和中游。这主要是由于水库上游为大面积的农田,土壤中的 N、P等无机肥料随地表径流进入库区。由于水库特殊的水文条件,导致取水口周围的营养盐水平明显高于其它区域,可能引发藻类在此区域内的快速生长繁殖。水华期间 TN水平不断升高。分析结果表明 TN受另外内在因素影响,这个因素很可能与大量蓝藻生物固氮作用有关,并伴随蓝藻的繁盛与强烈的固氮作用逐渐改变了水中 TN的相对丰度。

3.2 水华预警监测

水华的危害是很严重的。大规模暴发的水华,一方面藻类大量消耗水中的溶解氧,另一方面厚厚的水上的藻类表面层,阻隔了空气与水中气体的交换,使水体的溶解氧浓度迅速降低,引起水生动物窒息死亡,导致水体遭受严重污染,破坏水体景观。如果作为饮用水源,则会直接危害居民的健康。

新立城水库为饮用水源水库,周围生活污水排入量低,无工业污染源。常年监测也表明水质状况很好。新立城水库在 2007和 2008年都发生了小范围的“水华”,特别是 2008年持续的时间比较长,使得藻类预警监测的问题被提出。相较于南方而言,北方四季温差比较大,气温常年在 (-30℃,30)区间变化,年均气温 15℃,水体温度在(0℃,27℃)区间变化。此外,长春每年有长达 5个月的冰封期,其间水温很低,浮游植物等水生微生物数量锐减。这些都决定了在选取预警监测的主要指标方面,具有其特殊性。

表 3是 2007年 11月到 2008年 4月新立城水库理化指标监测数据,TP的浓度相对较低,12月达到最低。但是全年的数据差异并不非常明显,始终维持中营养湖泊的水平。其中微生物的差异却很大,首先处于冰封期水库的水温较低,生物群落的种类和丰度都非常低。特别是细菌,＜ 20个/L。有机物生物分解的过程几乎停滞。而后随温度升高,特别是温度超过 15℃时,水生浮游动植物的种类和丰度逐渐增加。

通过此次的监测数据分析,选取温度作为藻类预警监测的主要理化因子。因为温度易于监测,水库的工作人员可就地采样,现场巡查。超过 20℃即启动预警,此时定期监测水体中溶解氧和 TN、TP含量,掌握水库的动态变化。水温超过 25℃,派专人现场连续实时传递水库的动态变化。

[1]王志红,崔福义,安全,等.水温与营养值对水库藻华态势的影响 [J].生态环境,2005,14(1).

[2]万能,宋立荣,王若南,等.滇池藻类生物量时空分布及其影响因子 [J].水生生物学报,2008,32(2).

[3]本书编委会.水和废水监测分析方法 (第四版)[M].北京:环境科学出版社,2002.

[4]Cuiyi. Correlation of Phytoplankton Chlorophyll and its environmental factors in Rushan bay[J].Chinese Journal of Applied E-cology,2000,11(6).

[5]游亮,崔莉凤,刘载文,等 .藻类生长过程中 DO、pH与叶绿素相关性分析 [J].环境科学与技术,2007,30(9).

[6]谭啸也,孔繁翔,于洋,等.升温过程对藻类复苏和群落演替的影响 [J].中国环境科学,2009,29(6).

Environmental Factor Analysis during Algal Bloom in Xinlicheng Reservoir and Pre-alarming Monitoring

LV Yan-chun1,2,XU Jing-bo1,WANG Chun-hong2
(1.Dongbei Normal University,Changchun Jilin 130024 China)

Small area of algal bloom occurred in Xinlicheng reservoir. It was found that there is no significant change in the species involved after investigating the phytoplankton community,however,the total biomass increase greatly.The monitoring data of the water quality are analyzed and compared to the data in the other period of the year as well as the correlation analysis of impacts of the environmental factors on cyanobacteria bloom.The results reveal that the main environmental factors that control the changes of chlorophyll a are dissolved oxygen and temperature which can be regarded as the main monitoring indexes for the pre-alarming monitoring of water bloom.

water bloom;environmental factor;pre-alarming;Xinlicheng reservoir;Changchun

X52

A

1673-9655(2010)03-0039-03

2010-01-10