山仔水库水质自动监测数据在蓝藻水华生态因子分析上的应用

福州市环境监测站 林 晶

近年来，我国水库、湖泊等封闭型水体富营养化问题严重[1]。营养丰富的水体中，蓝藻常于春夏季大量繁殖形成水华，引起水质恶化，甚至产生毒素，对鱼类、人畜产生毒害[2-3]。研究表明，水库发生富营养化与水体中的氮磷等营养物质水平、水文条件、气候条件等因素关系密切，在营养源持续较高的前提下，水文、气象气候条件是藻类水华爆发的重要诱导因素。目前，对山仔水库已有的研究更侧重于探讨水库富营养化与氮、磷等营养物质水平及水文条件的影响[4-6]，而光合有效辐射等气象条件对水华爆发的影响鲜见报道。

本文依据福州市环境监测站2010年1月～10月山仔水库水质自动监测站的监测数据及水库浮游植物优势种及数量监测数据，分析了山仔水库藻类生物量与蓝藻水华发生的相关因子，如光合有效辐射、温度、总氮、总磷、pH、溶解氧等之间的关系，旨在研究影响蓝藻水华的主要生态因子，以期今后将自动监测数据更好地应用于藻类预警监测工作中。

1 研究地区和方法

1.1 研究区概况

敖江是福建省第六大河，流域面积2655km2，河长137km。山仔水库位于敖江下游，水库呈长条不规则状分布，调节库容1.06×108m3，于1994年11月开始蓄水，为福州第二水源。跟踪调查表明，水库于2000年开始呈现富营养化趋势，并观测到蓝藻水华现象，在枯水年份更为明显，对福州供水安全造成一定影响。市环境监测部门从2003年起设立水质自动监测站，对水质理化指标、藻类、气象等指标进行连续的观测，以及时掌握水库水质变化和蓝藻水华发生情况。

1.2 监测方法及内容

1.2.1 监测地点与监测项目

山仔水质自动监测站位于福州连江小沧乡鹿岛山庄。水质自动监测系统包括采水单元、配水单元、分析单元、控制单元、数据采集与传输单元以及辅助单元，目前水站采用 2小时采样分析一次的频次。

本次试验监测项目对象为：水温、pH、浊度、溶解氧（DO）、总磷（TP）、总氮(TN)、藻青蛋白、气象（其中的光合有效辐射参数）等8个参数。其中pH、水温、浊度、溶解氧分析仪采用德国WTW公司的仪器，总磷、总氮分析仪由湖南力合公司提供，藻青蛋白分析仪为美国 ysi公司产品，气象参数分析仪为意大利lsi公司产品。

1.2.2 监测方法

主要在线监测分析方法见表1。

表1 在线监测分析方法

2 结果与分析

2.1 2010年山仔水库藻类监测结果及评价

2.1.1 藻类分布情况

藻类监测结果表明，2010年山仔水库仅10余种藻类，1月份开始就以蓝藻（凯氏鱼腥藻）占优势，3月份鱼腥藻藻细胞密度出现高峰（达108cells/L），水体观测到藻类水华现象，随后藻细胞密度降低，但在水体中仍占优势；3月份监测到有微囊藻出现，但不形成优势，一直到7月份微囊藻成为优势种类，且占据绝对优势，这样的状况一直持续到9月份，除了蓝藻，其他藻类的种类数和细胞数量均很少。将这一结果与前人所做的浮游植物多年监测情况进行对比，结果显示，山仔水库主要优势种类由隐藻、绿藻、蓝藻、硅藻向单一的蓝藻（如鱼腥藻、微囊藻）过渡；优势种所占比例逐年增加，浮游植物种类数呈下降趋势，种类多样性降低。

2.1.2 藻类生物量分析

2.1.2.1 实验室监测

蓝藻水华爆发是表观现象，其前提是藻类达到一定的生物量。叶绿素a是反映藻类生物量多少的综合指标，在实际工作中常被作为评价水体富营养化状况的主导因子。2010年1月～10月间，选取山仔水库库心监测位点，每月一次采集中泓线上层水样，监测水质变化情况。实验室分析结果表明，山仔水库中的叶绿素a含量具有明显的时间分布规律，随季节变化比较明显，3月叶绿素a出现第一个小高峰，5月～9月含量持续较高，于夏季7月达到最高峰。据实际观测，水库于春夏季出现蓝藻水华现象。

图1 2010年山仔水库叶绿素a含量变化情况

2.1.2.2 自动监测

藻青蛋白是蓝藻所特有的一种色素，其特征性光谱吸收峰和荧光发射峰可以被用来作为对蓝藻进行检测的指标，本次实验选取自动监测数据中的藻青蛋白含量作为蓝藻生物量的另一个衡量指标。由图2可知，2010年1月～10月间，山仔水库藻青蛋白含量于3月和6月、7月出现两个峰值，说明藻类爆发存在一定规律，即春夏季为蓝藻水华爆发危险期。因为春夏季水温升高、光照增强，浮游植物光合作用强烈，细胞分裂增殖速度加快。在合适的气象与水文条件下，大量蓝藻群体在水中生长繁殖，并上浮到水体表面积聚，形成可见的水华。这与实验室监测和实际观测结果都较为一致，据实际观测，2010年3月开始，山仔水库出现蓝藻水华，并在夏季6月、7月出现高峰，水华情况从3月一直持续到9月。

图2 2010年山仔水库藻青蛋白含量变化情况

2.2 藻类生长与生态因子的相关性分析

藻青蛋白含量在一定程度上反映了水体中藻类的生长情况，而藻类生长又受到氮、磷元素、水温、光照、pH、浊度、溶解氧等多种生态因子制约。为了研究蓝藻生物量的影响因素，本文对2010年自动监测数据进行了相关性分析，得到了藻青蛋白和环境影响因子的相关系数，如表2所示。可以看出，藻青蛋白与TN/TP呈负相关；与TP、pH、光合有效辐射、浊度呈显著正相关，与TN、水温、DO呈正相关，相关系数较低。

表2 藻青蛋白与生态因子的相关性分析

2.3 影响藻类生长的主要生态因子分析

2.3.1 氮、磷营养元素

氮、磷是藻类生长的必须营养元素，在一定范围内，其含量与藻类的生长成正相关关系。据山仔水库2010年自动监测数据，水体中氮、磷质量浓度月际变化和藻青蛋白变化成一定的相关关系。2010年3月～7月，水体中氮、磷水平较高，而与之相应的，藻青蛋白在春季的3月和夏季6、7月时也出现峰值，而在夏季，受温度、光照等因素的影响，蓝藻大量繁殖，藻青蛋白出现了全年最高峰值（图3、图4）。

N/P也是影响藻类生长的重要因素，氮磷比在一定范围时适宜藻类的生长，但不同学者所研究的结果也不尽相同。山仔水库2010年春夏两季N/P范围在10～15间（图5），藻青蛋白出现较大值；当秋冬季氮磷比升高，超过15，尤其在1月达到31.74时，蓝藻数量减少，藻青蛋白处于全年最低水平。

图3 2010年山仔水库总磷与藻青蛋白月均变化趋势图

图4 2010年山仔水库总氮与藻青蛋白月均变化趋势图

图5 2010年山仔水库氮磷比与藻青蛋白月均变化趋势图

2.3.2 光照、温度

除了藻类生长必需的营养元素，影响藻类生长的生态因子还包括光照、温度、pH值、溶解氧、水的活度、氧化还原电位、其它生物等。在富营养化的湖库中，营养充足，藻种群由于对温度、光照等生态因子的适应，群落组成存在季节演替现象。藻种群的生长态势与生态因子之间密切相关。

2.3.2.1 光照

光是藻类进行光合作用的必需条件，光照周期及强度都会影响其生长、代谢和繁殖的速率。山仔水库2010年藻青蛋白和光合有效辐射的月际变化趋势如图6所示，在氮、磷营养条件充足的条件下，随着光照强度的增加，藻青蛋白含量增加，当光合有效辐射在夏季6月、7月达到最强时，藻青蛋白含量也达到峰值，之后随着辐射强度的减弱，藻青蛋白含量迅速减少。

图6 2010年山仔水库光合有效辐射与藻青蛋白月均变化趋势图

2.3.2.2 温度

温度也是引起藻类爆发的一个重要因素，它是影响蓝绿藻代谢率的重要因子，一般温度每升高 1℃，细胞代谢率加快10%左右，超过一定范围，代谢率又下降，而不同蓝绿藻其生长的适宜温度则随种类而异。由图7可知，春季，随着水温的升高，藻青蛋白数量逐渐增加，当到7月水温最高时，藻类进入对数增长期，数量最多，藻青蛋白含量增至最大。

根据苏玉萍等的研究显示，山仔水库水华微囊藻SZ200307的增殖速率随水温的上升而增大，在 20℃～30℃ 范围内有较高的比增殖速率，其中30℃比增殖速率最大，但过低和过高的温度都抑制了水华微囊藻 SZ200307的生长，30℃最适合其生长[7]。山仔水库位于南亚热带季风气候区，夏季平均水温在 20℃～30℃之间，很适合水华微囊藻 SZ200307的生长。

图7 2010年山仔水库水温与藻青蛋白月均变化趋势图

2.3.3 其他生态因子

2.3.3.1 pH

水体pH是一个重要的生态因子，与藻类生长关系密切。碱性系统易于捕获大气中的CO2，有利于藻类光合作用，从而产生较高的生产力，促进藻类生长。不同藻类也有不同的pH适应范围，一般认为蓝藻偏好较高的 pH[8]。调查显示，在山仔水库中，优势藻种主要为蓝藻。由图8看出，藻青蛋白含量与pH值变化趋势基本一致。春季pH在8.0～9.0之间，夏季pH达到9.0以上，随着pH升高，藻青蛋白含量同步增大，促进蓝藻生长。6月，pH达到极大值，藻青蛋白含量同期增至最大。

图8 2010年山仔水库水体pH与藻青蛋白月均变化趋势图

2.3.3.2 溶解氧

溶解氧是影响藻类水华的主要环境因子，当藻类数量激增，光合作用明显增强，水中溶解氧明显增加。由图9可知，6月份DO含量急剧上升，藻青蛋白含量接近最大，表明藻类快速繁殖，生物量达到最大。7月份以后，DO含量急剧下降，藻青蛋白含量呈下降趋势，表明此时藻类大量死亡，水质最差。

图9 2010年山仔水库溶解氧与藻青蛋白月均变化趋势图

2.3.3.3 浊度

图10显示，水的浊度与藻青蛋白成正相关，浊度随着藻类数量的增加而上升。藻类在富营养化水体中一般都在水体表层密集地悬浮着，6月、7月当藻类大量生长时，藻类连同藻类分泌物及其它有机和无机物使水质混浊不清，导致浊度上升。随后藻类大量死亡，浊度逐渐下降，水质恢复澄清。

3 结论

自动监测作为一种重要手段，已有不少地区将其应用于藻类的监测预警方面[9-10]。本次研究通过自动监测站获得的数据分析，探索并验证了影响蓝藻水华的主要生态因子，有助于掌握蓝藻水华发生和发展过程，为今后的预警和防治工作提供依据。

图10 2010年山仔水库水浊度与藻青蛋白月均变化趋势图

监测期内，山仔水库藻类生物量与藻青蛋白含量变化一致。与主要原因变量TN、TP、水温、光合有效辐射，及其他相关因子pH、浊度、DO均呈正相关关系，与光合有效辐射、pH等因素的相关性尤为显著；与TN/TP呈负相关关系，低浓度比有利于蓝藻水华发展。

监测期内，水库藻类生物量两次出现小高峰：3月～5月随着光合有效辐射增强、水温升高，藻类数量增加；6月～7月水温、光合有效辐射稳步上升，藻类生物量在7月达到峰值；随后温度、光合有效辐射下降，藻类生物量随之减少。

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