杏林湾水库上游水域水华期和非水华期水质变化

吴龙洋，阎希柱，杨 军

(1.集美大学水产学院，福建 厦门，361021;2.中国科学院城市环境研究所，福建 厦门，361021)

0引言

杏林湾水库 ( 24°35′N,118°04′E) 位于福建省厦门市集美区，前身是厦门市西海域的一个小海湾，1956年建成的集杏海堤将海湾南端与海水隔断，从而使海湾变为近似封闭的水域，形成了杏林湾水库。1979年其下游东侧入海处又建一涵闸，使水库变为南北两个库区[1]。杏林湾水库北部是淡水水域，主要受上游坂头水库和降水的汇流补给，而南部水域呈现表层淡水、底层咸水，主要由厦门西海域海水渗透所致[2]。该水库位于亚热带海洋性季风气候地区，降雨集中在2—6月份[3]，其流域面积142km2，集水面积67.3km2，库容面积约为2.2km2，平均水深2.2m，最大水深5.5m。其最重要的作用是调蓄洪水，承担着杏林湾周边城区的防洪任务，保护下游多项重要的基础设施和市民的生命财产安全[4]。此外，杏林湾水库也是厦门市主要的旅游景点之一。

有研究表明水体暴发蓝藻水华时，蓝藻水华与水体的理化因子有着密切的联系，如较高的温度[5]以及相对稳定的水体[6]等因素均有利于蓝藻水华的暴发。目前关于理化因子对蓝藻水华影响的研究以氮磷较为广泛。研究发现磷是影响蓝藻丰度的主要理化因子[7]，较高浓度的磷有助于形成水华的蓝藻种类成为优势种[8]；此外，水体中的TN、TP也会影响蓝藻水华的形成[9]。

本文以厦门市集美区杏林湾水库上游水域为研究对象，通过比较水华期和非水华期理化因子之间的差异，分析其理化特征，试图查明厦门市杏林湾水库上游水域水华和非水华期间水质变化情况，从而为控制和治理入海口水体富营养化以及水华提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集

采样点位于厦门市集美区杏林湾水库上游(118°03′59″，24°36′09″)。采样时间为2016年8月—2016年12月，期间发现有水华现象，每周采集2次，用有机玻璃采水器于水下0.5m处进行采样，随后运回实验室进行分析。

1.2 理化指标的测定

在2016年8—12月的样品中选取30个样品，其中水华期和非水华期各15个样品。采用透明度盘现场测定透明度，采用多参数水质测量仪(Hydrolab DS5, Hach Company，USA)现场测定温度、pH、浊度、溶解氧和盐度。样品带回实验室进行叶绿素a(Chlorophyll-a)和营养盐分析，采用PHYTO-PAM分析仪测定水体的叶绿素a。总碳以及总有机碳用TOC/TN-VCPH 分析仪测得(Shimadzu，Tokyo，Japan)。总氮(Total nitrogen，TN)、铵态氮(Ammonium nitrogen，NH4-N)、硝态氮(Nitrate nitrogen，NO3-N)、亚硝态氮(Nitrite nitrogen，NO2-N)、总磷(Total phosphorus，TP)以及正磷酸盐(Phosphate phosphorus，PO4-P)用Lachat QC8500 Flow Injection Autoanalyzer紫外可见分光光度计(Lachat Instruments, Hach Company，Loveland，CO，USA)测得。理化指标按照《水和废水监测分析方法》[10]的方法进行测定。

1.3 综合营养指数

水体的营养状态评价是采用经典的Carlson 营养状态指数法[11]进行计算。使用两个采样点的叶绿素(叶绿素a，μg/L)，透明度盘透明度(Trans，m)，总磷(TP，μg/L)根据以下公式计算:

TSI(Chl)=9.81 ln(Chl)+30

(1)

TSI (Trans)=60-14.41ln (Trans)

(2)

TSI(TP)=14.42 ln(TP)+ 4.15

(3)

综合营养指数TSIc的计算是由公式(4)[12]得出：TSIc=0.540TSI(Chl)+0.297TSI(Trans)+0.163TSI(TP)

(4)

综合营养指数TSI的数值由0到100，不同的数值代表着不同营养状态，分为6个不同的营养阶段：贫营养：0

1.4 TN/TP

水体的氮磷比则根据公式：氮磷比=TN/TP进行计算，其中TN，TP为样品测得的总氮和总磷。

1.5 数据分析

利用Excel对数据进行处理：将水华期和非水华期的理化指标进行比对，使用SPSS19.0软件分析其显著性差异，理化数据用平均值±标准误差(mean±SE)来表示，p<0.05显著性差异，p>0.05显著性差异，p<0.01极显著性差异。

2 结果与分析

2.1 理化因子与叶绿素a

由表1可知，水华期的溶解氧、叶绿素、浊度、透明度、总碳、亚硝态氮极显著高于非水华期(p<0.01)； pH、电导率、总氮均显著高于非水华期(p<0.05)；水温、氧化还原电位、盐度、总有机碳、总磷、氨氮、硝酸盐、磷酸盐等理化指标差异均不显著(p>0.05)。

表1 30个样品的水质参数(平均值±标准误)

当环境温度较低时，水体增温会促进藻的生长，环境温度较高时则起抑制作用[13]。相对于其他种类的藻，蓝藻对高温有较强的耐受能力[14]。郑维发和曾昭琪的研究表明，蓝藻生长最适宜的温度范围为 25～35℃，高于绿藻和硅藻的最适生长温度[5]。较高的水体温度有利于蓝藻成为优势种群，且有利于蓝藻水华的发生，而 15℃以下时很少有蓝藻水华的发生[15]。本研究发现该水域水华与非水华期间温度处于27℃左右，符合蓝藻生长最适生长温度范围。

一些研究表明，水华暴发期间的叶绿素浓度明显高于非水华期[16-18]。Chen等人研究表明，在衡量水华暴发程度时，叶绿素浓度可以作为界定标准的一个指标[19]。在本研究中，水华期的叶绿素浓度也显著高于非水华期，叶绿素浓度的变化可以作为判定某一特定水域是否发生水华的一项重要指标，但前提是这个标准要结合该水域的长期水质状况，摸清水华暴发期间与非水华期间叶绿素的变化才能提出该水域水华发生与否的指标。

本研究结果表明，水华期水体氮磷比在5.93～17.49内波动，平均值为11.88±3.75；非水华期氮磷比在6.21～12.68内波动，其平均值为9.00±2.07；两个时期的氮磷比差异不显著(p>0.05)。当TN/TP值<29时，蓝藻具有优先生长的营养盐条件[20, 21]。当TN/TP>7∶1时，磷成为藻类生长的限制性因子[22]。本研究中，水华期与非水华期的TN/TP比值基本上处于7～29，表明该水域蓝藻有成为优势物种的潜力，且磷是其限制性因子。然而该水域水华期与非水华期的磷含量并无显著性差异，但氮含量有显著性差异。唐汇娟对国内35个湖泊(其中有23个湖泊发生蓝藻水华)的相关数据进行对比后发现，发生蓝藻水华的23个湖泊中的N/P 比在 13～35内波动，而剩余的未发生蓝藻水华的湖泊中 N/P 比则<13[23]。国际上一般将TN=0.2mg/L、TP=0.02mg/L作为水体富营养化的临界阈值[24, 25]，本次研究发现水华期与非水华期中的TN和TP的含量分别达到了3.76 ±1.22和2.75± 0.63、0.33 ±0.02和0.32±0.02，均高于此标准，并且高于国内水体富营养化发生的氮磷浓度标准，其原因可能是因为杏林湾水库周边有大量的居民小区、工厂等人类活动区域，大量生活污水的排入使水体中的藻类不再受到氮磷限制的影响。

水华期间和非水华期间水体电导率分别为261.13±74.72、138.53±15.20，pH分别为8.17 ±0.21、7.52± 0.11。该水域水体偏弱碱性，比较适合藻类的大量生长，对水体水质起到副作用[26]。而其他因子或多或少受到了水华暴发以及水体富营养化的影响，呈现异常变化。

2.2 综合营养指数TSIc

利用公式(4)计算出两个时期水质的综合营养指数，水华期的指数在73.95～84.57波动，其平均值为78.32±2.63；非水华期在68.88～78.08波动，其平均值为72.24±2.57，二者差异不显著(p>0.05)。按营养等级划分，杏林湾水库上游水域在水华和非水华期间均处于重度富营养化状态，有随时暴发水华的趋势。与卢亚芳[27]等人在2002年间对杏林湾水库水质进行研究发现的该水库水质处于富营养化状态的结果相佐证，上游的水质有可能会对水库水质产生负面影响。

2.3 与地表V类水部分指标的比较

水华期和非水华期的水温符合地表水环境质量标准[28]的地表V类水中对水温的要求；两个时期的pH值在Ⅰ～Ⅴ类水的范围内；水华期的溶解氧高于Ⅰ类地表水的指标，非水华期的溶解氧则处于Ⅱ类和Ⅲ类之间；两个时期的氨氮指标表现出高于或接近于Ⅴ类水的标准；两个时期的总磷和总氮含量均高于Ⅴ类地表水指标。这些结果说明该水域水质的部分指标正处于恶化中。溶解氧指标的异常变化与水体中大量增殖的藻类有关，而藻类的大量增长则与水体中丰富的营养物质有关。

3 结论

对杏林湾水库上游水域研究发现，水华与非水华时期水体均为弱碱性，这有利于藻类的大量繁殖。采用综合营养指数分析，结果表明该水域处于重度富营养化状态，与地表V类水指标比对后发现，该水域部分水质指标处于恶化进程中，需要进一步加强对杏林湾水域水体水质的监管，以确保该水体生态环境能正常运行。