浅水富营养水库中藻类生物量与营养盐的关系

张 亚，黄津辉，戚 蓝，王立明，林 超

(1. 天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072；2. 水利部海河水利委员会水资源保护科学研究所，天津 300170；3. 水利部海河水利委员会水资源保护局，天津 300170)

浅水富营养水库中藻类生物量与营养盐的关系

张 亚1，黄津辉1，戚 蓝1，王立明2，林 超3

(1. 天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072；2. 水利部海河水利委员会水资源保护科学研究所，天津 300170；3. 水利部海河水利委员会水资源保护局，天津 300170)

在解释为什么蓝藻在淡水藻类群体中会异军突起成为优势种的主要假设中，1983年由Smith提出的“氮磷比理论”可能是最流行的，然而一些质疑的观点也逐渐出现．因此，以天津市于桥水库为例，分析了降雨水文过程与营养盐负荷之间的关系，确定了点源和面源污染对水库富营养化的影响及水库的污染源类型．探讨了氮磷比以及无机氮源与藻类生长之间的关系．主要得出如下结论：于桥水库污染源属于面源污染型，夏季第1场降雨来临的时间决定了夏秋季水库中藻类暴发的时间和程度；水库中充足的营养盐是藻类暴发的诱导因子，低氮磷比不是藻类增殖的条件，而是藻类增殖的结果；叶绿素a(Chl-a)质量浓度与ρ(NH3-N)∶ρ(-N+-N)值呈显著正相关关系，藻类生长大量消耗的无机氮源为N．

蓝藻水华；氮磷比；无机氮源；降雨；于桥水库

蓝藻水华会导致产生毒素、水体缺氧、发出恶臭气味、水表产生绿色浮渣等水质问题，对淡水生态系统尤其是饮用水水源地产生严重的影响．因此，许多学者试图找寻各种可能使得藻类成为优势种的具体影响因素，如温度、光照、氮、磷、碳以及微生物的相互作用等[1-6]．

在解释为什么蓝藻在淡水藻类群体中会异军突起成为优势种的主要假设中，“氮磷比理论”可能是最流行和最具有代表性的．1983年Smith通过分析17个湖泊的数据后提出“TN/TP比”法则，认为在总氮与总磷质量比大于29的湖泊中，蓝藻很少，在总氮与总磷质量比由29以上下降至29以下的过程中，有相当一部分蓝藻随水体氮磷比值的下降而成比例地增长，无论是固氮还是非固氮的蓝藻，低氮磷比都有利于其生长[6]．Aleya等[3]研究了法国Villerest水库后认为，人类的活动加速了水库的富营养化进程，水库中氮磷比变化是蓝藻水华的确定性因素. Takamura等[7]研究了日本Kasumigaura湖泊20世纪70年代到80年代水库中微囊藻的水华，认为氮磷比的变化是水库中不同藻类水华的主要因素．Fujimoto等[8]也认为低氮磷比和高温条件是铜绿微囊藻水华的环境影响因子．

但是一些学者则提出了不同的观点，认为蓝藻水华是由于P浓度的增加而不是氮磷比的减少引起的[9-10]．陈国永等[11]、Xie等[12]也认为在高磷浓度和低磷浓度培养条件下，不同氮磷比值培养液中铜绿微囊藻细胞的增长率变化趋势似乎只与磷浓度有关，而与氮磷比值关系不大．另外Xie等[12]还认为低氮磷比不是蓝藻水华的原因，而是藻类增殖的结果．

基于这些对藻类和营养盐之间关系的研究，本文以天津市于桥水库为研究对象，研究分析了降雨与营养盐负荷之间的关系，并以此确定点源和面源污染对水库富营养化的影响，确定了水库污染源类型．通过分析氮磷比、磷与藻类生长之间的关系以及它们在时空上的变化，探讨氮磷比究竟是藻类水华的原因还是藻类增殖的结果．另外，通过分析无机氮源与叶绿素a(Chl-a)浓度之间的关系，探讨了藻类生长所依赖的无机氮源类型，为蓝藻水华预警提供了重点监测的对象.

1 材料与方法

1.1 研究区域

于桥水库是天津市人民生活饮用水和工农业用水水源地，地理位置为东经117°31′、北纬40°02′，是国家重点大型水库之一，如图1所示．水库正常蓄水位为21.16,m，总库容为1.56×109,m3，平均深度为4.6,m，最大深度为12,m，水库控制面积为2,060,km2，水库多年平均降水量为750,mm．

1.2 采样及分析

水体采样时间为2004—2009年，采样站点为库中心、库心东、库心西和库心北(见图1)．采样频次为每月2次，分别为月初和月中，另外2008年和2009年夏季和秋季有加密监测，监测频次为每月4次．样本采用1,L聚丙烯样本瓶在4,℃黑暗条件下保存并于24,h内进行分析．水质的测定在实验室采用国家环境保护总局(SEPA)标准方法进行[13]，具体测定参数为总氮(TN)、氨氮(NH3-N)、硝酸盐氮(3NO--N)、亚硝酸盐氮(2NO--N)、总磷(TP)、磷酸盐(4PO3--P)．Chl-a用90%丙酮溶液提取后通过冻融法测定[14]．各数据变化范围如表1所示．降雨及温度等气象数据来源于中国气象科学数据共享服务网．

图1 于桥水库库区采样点示意Fig.1 Distribution of sampling sites in Yuqiao reservoir

表1 2004—2009年于桥水库中Chl-a及相关营养盐变量浓度范围Tab.1 Inter-annual variation of Chl-a and related nutrientvariables in Yuqiao reservoir during 2004—2009

2 结果与讨论

2.1 Chl-a年内变化

图2显示了2004—2009年水库中Chl-a浓度变化情况．可以看出，2004年、2006年和2009年水库中Chl-a的浓度都超过了0.01,mg/L，发生了不同程度的蓝藻水华，其中以2004年和2006年尤为严重．

图2 2004—2009年于桥水库Chl-a浓度变化情况Fig.2 Time series data of Chl-a in Yuqiao reservoir during 2004—2009

2.2 氮磷比与藻类生长之间的关系

用Chl-a质量浓度作为藻类生物量的表征．图3显示了2004—2009年月平均Chl-a质量浓度和ρ(TN)∶ρ(TP)关系．可以看出，藻类生物量与氮磷比值呈现出极显著的负相关关系(y=0.014-1.115× 10-4,x，R2=0.771)，即藻类生物量越大，氮磷比越低．那么究竟是低氮磷比环境促进藻类的大量生长，还是藻类大量生长消耗营养盐，从而造成水库中的低氮磷比环境呢？

为进一步探究该问题，图4给出了2004—2009年实测Chl-a质量浓度和ρ(TN)∶ρ(TP)的关系，其中2009年采用的是夏季和秋季加密监测数据．可以看出，在藻类暴发比较严重的年份，如2004年及2006年，Chl-a质量浓度都是首先达到最大值，然后ρ(TN)∶ρ(TP)值会从29以上下降到29以下，继而达到峰谷值．这说明充足的营养盐是藻类暴发的诱导因子，藻类大量增殖过程中，水体中ρ(TN)∶ρ(TP)比值下降．表2给出了2004—2009年Chl-a浓度最大值和氮磷比最小值出现的时间．可以看出，在藻类大量增殖过程中伴随着氮磷比的逐渐降低，在藻类浓度达到最大值之后，接着氮磷比出现最小值，因此藻类增殖导致了氮磷比的降低，低氮磷比不是藻类增殖的原因而是藻类增殖的结果．

图3 2004—2009年月平均Chl-a质量浓度与ρ(TN)∶ρ(TP)关系Fig.3Relationship between monthly average Chl-a mass concentration and ρ(TN)∶ρ(TP) during 2004—2009

表2 Chl-a质量浓度最大值和氮磷比最小值出现时间Tab.2Ocurrence time of the maximum Chl-a concentration and the minimum the ratio of TN and TP

2.3 磷对藻类的影响

第2.2节中分析了低氮磷比并非藻类增殖的原因而是其结果，下面重点分析磷对藻类增殖的影响.表3显示了Chl-a和TP质量浓度最大值出现时间，分析TP浓度峰值出现时间，2004年和2006年都是在夏季初出现峰值，以2004年尤为明显．结合图2中叶绿素浓度变化过程，可以看出，在夏季初出现高磷点时，将更容易使得蓝藻在秋季暴发，且规模与总磷浓度值呈正相关关系，夏季初磷浓度上升越快，藻类暴发时间越提前．

表3 Chl-a和TP质量浓度最大值出现时间Tab.3Occurrence time of the maximum Chl-a and TP concentrations

图4 2004—2009年Chl-a质量浓度与ρ(TN)∶ρ(TP)关系Fig.4 Relationship between Chl-a mass concentration and the ratio of TN and TP from 2004 to 2009

2.4 降雨与营养盐负荷之间的关系

图5 于桥水库水位-库容曲线Fig.5 Water level-storage capacity curve of Yuqiao reservoir

为了探究于桥水库中营养物负荷来源的形式，以及它们对藻类生长的影响，假设汛期水库中磷的增加主要是由降雨造成的径流所带来的，则水库中叶绿素的变化趋势应该与降雨时间和降雨强度密切相关.因此，利用该水库2005—2009年实际运行水位和水库水位-库容曲线(见图5)，计算出水库月平均库容，库容乘以月平均TN和TP浓度，可近似计算出水库中营养盐负荷，可以得出月总降雨量与月平均TN和TP浓度关系(见图6和图7)．从图中可以看出，总磷质量浓度随着降雨量的增大而增大，而总氮质量浓度随着降雨量的增大而减少，说明水库中磷的增加主要是由降雨径流带来的，总氮的主要来源是点源污染，因此于桥水库中藻类的生长受面源污染的影响大于受点源污染的影响，水库属于面源污染型．

图6 月总降雨量与营养负荷对数关系Fig.6 Logarithmic diagram between monthly total rainfall and nutrient load

图7 于桥水库月总降雨量与月平均TN和TP质量浓度关系Fig.7 Relationship between monthly total rainfall and TN and TP mass concentrations in Yuqiao reservoir

2004—2009年夏季(6—8月)20-20时降雨数据累积频率如图8所示．可以看出，大于25,mm降雨的累积频率为95%，说明夏季发生大到暴雨的概率均为5%．从降雨对磷负荷输入的关系来看，每一次大的降雨都可以看作是一次比较明显的磷负荷输入，它对藻类暴发时间和暴发程度的影响都是显著的，第1场大雨来临的时间与藻类暴发的时间和程度直接关联．从2004—2009年逐日降雨数据可知，2004年夏季一共3场大雨，分别是6月16日(27.8,mm)、7月11日(53,mm)和8月12日(41.8,mm). 2006年6—8月一共4场大雨，分别是7月14日(53.6,mm)、8月4日(37.7,mm)、8月6日(71.5,mm)和8月25日(23.2,mm)．2004年藻类在6月开始快速生长，在8月达到高峰值，而2006年则在7月末8月初藻类进入快速生长期，在9月达到高峰值．可以看出，降雨径流带来的磷聚集时间对藻类暴发具有明显的诱发作用，夏季的第1场降雨来临时间的不同决定了夏秋季水库中藻类暴发的时间和程度．

图8 2004—2009年夏季20-20时降雨累积频率Fig.8 Cumulative frequency of rainfall during 2004—2009

2.5 无机氮源与藻类生长之间的关系

藻类生长吸收的主要氮源为溶解性无机氮(DIN=NH3-N+N+-N)，但是藻类生长对于哪一类型的无机氮更为青睐，没有一个比较好的评价方法．因此，本文通过对氨氮质量浓度ρ(NH3-N)及硝氮质量浓度ρ(-N+-N)监测数据的分析，试图利用Chl-a质量浓度与ρ(NH3-N)∶ρ(-N+-N)的关系来说明于桥水库中藻类生长对不同无机氮的依赖性问题．这可以为不同类型无机氮对于蓝藻水华暴发的阈值研究提供基础，进而可以预测湖泊中潜在的限制性氮源类型．图9显示了2004—2009年水库中Chl-a质量浓度和ρ(NH3-N)：ρ(-N+-N)的关系．可以看出，Chl-a质量浓度和ρ(NH3-N)∶ρ(-N+2-N)值呈极显著的正相关关系(y=0.016,x+0.003，R2= 0.813)．说明当Chl-a浓度增加时，可能导致NH3-N浓度的增加或硝氮质量浓度的减少，或硝氮质量浓度的下降梯度要大于NH3-N质量浓度的下降梯度．结合表1中2004—2009年水体中NH3-N、-N和-N质量浓度的变化范围可以看出，水体中-N含量很高，NH3-N和-N含量都比较低，而Chl-a质量浓度与ρ(NH3-N)∶ρ(-N+呈显著正相关关系，说明水体中藻类大量增殖的同时，ρ(NH3-N)∶ρ(-N+NO-2-N)值将明显增加，即质量浓度在明显地降低．藻类的生长对的消耗要大于对N的消耗，于桥水库藻类生长更依赖于的供给，对藻类生长和蓝藻水华暴发有决定性作用，对这项指标进行阈值研究对蓝藻预警有很好的参考意义．

图92004 —2009年Chl-a质量浓度和ρ(NH3-N)∶ρ(N)的关系Fig.9Relationship between Chl-a mass concentration and ρ(NH3-N)∶ρ()during 2004—2009

3 结 论

(1) 于桥水库中总磷负荷随着降雨量的增大而增加，而总氮浓度随着降雨量的增大而减少，说明水库中磷的增加主要是由降雨径流带来的，水库属于面源污染型．降雨径流带来的磷聚集时间对藻类暴发具有明显的诱发作用，夏季的第1场降雨来临时间的不同决定了夏秋季水库中藻类暴发的时间和程度．

(2) 藻类生物量与氮磷比值呈现出极显著的负相关关系，即藻类生物量越大，氮磷比越低，水库中充足的营养盐是藻类暴发的诱导因子．另外，在藻类大量增殖的过程中伴随着氮磷比的逐渐降低，在藻类浓度达到最大值后，氮磷比出现最小值，因此藻类增殖导致了氮磷比的降低，低氮磷比不是藻类增殖的原因而是藻类增殖的结果．

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(责任编辑：樊素英)

Links Between Algae Biomass and Nutrients in a Eutrophic Shallow Lake

Zhang Ya1，Huang Jinhui1，Qi Lan1，Wang Liming2，Lin Chao3
(1. State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Research Institute of Water Resources Protection，Haihe River Water Conservancy Commission，Ministry of Water Resources，Tianjin 300170，China；3. Water Resources Protection Bureau，Haihe River Water Conservancy Commission，Ministry of Water Resources，Tianjin 300170，China)

Of the major hypotheses that explain the dominance of blue-algae in fresh water system，the most prevalent hypothesis might be the rule of the ratio of TN and TP raised by Smith in 1983. However，this hypothesis is also questioned by other researchers. This paper discussed the relationship between precipitation and nutrient loading by using Yuqiao reservoir as an example，and identified the impact of the point and non-point pollution sources on the eutrophication of reservoir and the pollution type of reservoir. It also analyzed the relationship between inorganic nitrogen and algae growth. This paper drew the following conclusions：The major source of pollution comes from nonpoint source pollution in the case of Yuqiao reservoir and the timing of first storm in summer is the main forcing factor in determining the time and the extent of an algae bloom；The algae bloom is induced by sufficient nutrient supply in the reservoir，and low the ratio of TN and TP is not the cause for algae bloom but the result of algae growth；The concentration of chlorophyll has a very strong relationship with ρ(NH3-N)∶ρ(-N+-N)；-N is the major source of inorganic nitrogen for algae growth.

blue-algae blooms；the ratio of TN and TP；inorganic nitrogen；precipitation；Yuqiao reservoir

X524

A

0493-2137(2014)01-0036-06

10.11784/tdxbz201205034

2012-05-12；

2012-10-24.

教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目(NCET-09-0586)；水利部公益性行业科研专项经费资助项目(201101018).

张 亚（1986— ），男，博士研究生，zhangya@tju.edu.cn.

黄津辉，huangj@ tju.edu.cn.