长潭水库生态问题诊断与对策研究

肖喆，李文攀，张靖天，何卓识，马春子，席北斗，霍守亮∗

1.上海大学环境科学与化工学院

2.中国环境科学研究院

3.中国环境监测总站

水库水环境质量对流域生态安全和经济社会发展至关重要,但随着经济发展和人类活动广度、深度的增加,营养盐大量输入水体导致水质下降,从而引起浮游植物过量繁殖、群落结构异常演替,并在部分湖库、库湾出现蓝藻水华问题,对饮用水和生态环境安全造成极大威胁。水华暴发是浮游植物群落受到环境变化影响的结果,工农业生产、建设等人类活动影响下的土地利用格局与水体氮、磷输入程度息息相关[1]。土地利用不仅影响非点源污染规模、模式,还会影响流域物质循环和能量流动过程[2]。Fanelli等[3]研究表明,切萨皮克入湾河流50%以上的水体总磷(TP)负荷与农业面源污染有关；Chanat等[4]认为,该区域河流80%的总氮(TN)输入由城市和市郊非点源污染提供。同时由于水库效应的影响,天然河流的氮、磷浓度以及形态[5]和比例[6]等都会发生显著改变。Maavara等[7]总结分析全球水库氮、磷迁移过程,表明在水库水动力影响下,流域氮、磷分别滞留19%和44%,形成低氮磷比(N∕P)的水体环境。氮、磷营养盐与浮游植物生长关系密切,氮、磷分布及迁移特征和其他环境因素的变化影响着浮游植物的结构组成[8]、优势种和丰度等群落特征[9],如水体N∕P的降低会提高微囊藻属(Microcystis)和浮丝藻属(Planktothrix)等非固氮蓝藻种群的比例和优势[10],从而增加水华暴发风险。

长潭水库位于浙江省台州市黄岩区,是台州市重要的饮用水水源地,近年来部分库湾区呈现浮游植物增多的趋势。笔者通过对2016—2017年库区和入库河口水质及浮游植物调查分析,结合历年土地利用和水质数据,探讨土地利用类型对水质变化的影响,揭示浮游植物群落与环境因子的关系,以期为水库流域生态环境问题的诊断及对策实施提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

长潭水库(121°00′E~121°04′E,28°30′N~28°40′N)是以城市供水为主,集防洪、灌溉、发电等综合利用于一体的水库。水库建于1964年,水面面积为35.5 km2,正常蓄水水位为33 m,库容为3.3亿m3。流域属于典型的亚热带季风气候,年平均气温为17℃,年平均降水量为1 874.8 mm。自建库以来,水库水质一直受到人口增长、农业发展和城镇化进程加快的影响,近年来出现藻类增多,水环境质量下降的情况。

长潭水库主要入库河流包括瑞岩溪、柔极溪、永宁溪、日溪、上垟溪、象岙溪、桐外岙溪(表1)。2016年6月—2017年6月,在长滩水库共设置10个库区采样点(0＃~9＃)和7个河流入库口采样点(10＃~16＃),逐月共进行12次水质监测,并于2016年7月(夏季)、10月(秋季)、12月(冬季)和2017年3月(春季)对库区的10个采样点进行4期浮游植物群落鉴定。采样点分布如图1所示。

图1 长潭水库采样点分布Fig.1 Distribution of sampling points in Changtan Reservoir

表1 长潭水库主要入库河流特征Table 1 Characteristics of main inflow rivers of Changtan Reservoir

1.2 样品采集和测定

现场指标测定包括水温(WT)、pH、溶解氧(DO)浓度、透明度(SD),使用5 L不锈钢采样器分别采集表、中、下3层水样并混合,取1 L水样,24 h内带回实验室,测定指标包括氨氮(-N)、硝氮(-N)、TN、TP浓度及高锰酸盐指数(CODMn)、N∕P等。另取1 L混合水样,注入鲁哥试剂15 mL混匀,静置24~48 h,虹吸弃去上清液,浓缩振荡后,使用光学显微镜对藻类进行计数,每个样本藻类至少鉴定600个以上。

1.3 数据分析方法

1.3.1 TN、TP滞留率

通过计算TN、TP入库和出库通量差值,分析长潭水库对TN、TP营养盐的滞留效应。营养盐输入通量和实际滞留率计算公式如下[11]:

式中:Fin为河流营养盐年输入量,t∕a；Fout为水库营养盐年输出量,t∕a；R为水库对营养盐的滞留率,%；Qin为河口日径流量,m3∕d；Cin为河口营养盐年均浓度,mg∕L；Qout为坝口年用水量,m3∕d；Cout为坝口营养盐年均浓度,mg∕L。

依据长潭水库7条主要入库河流的年流量和河口采样点年均TN、TP浓度,计算每条河流TN、TP的年输入量；以0＃采样点(接近大坝泄水、取水口处)年均TN、TP浓度以及水库用水量计算得到营养盐年输出量,计算水库集水区对TN、TP实际滞留率。

1.3.2 冗余(RDA)分析

2 结果与讨论

2.1 TN、TP分布和滞留特征

长潭水库库区营养盐浓度季度变化如表2所示。由表2可知,2017年2月库区、河口TN浓度均值最大,分别为0.848、1.658 mg∕L,该季地表植被稀疏、腐叶堆积,受到春季降雨径流的影响,入库TN负荷较高[14]。库区、河口TP浓度最大值分别出现在2016年7月、8月,分别为0.052和0.094 mg∕L,夏季农业生产化肥使用量增加可能是水体TP浓度增加的直接原因。入库河流中,永宁溪流域面积大,人口密度高,受人类活动影响河流TN负荷较大,该河流入库河口具有较高的年均TN浓度,为1.181 mg∕L；瑞岩溪流域地势低,径流量小,在水库高水位月份易形成死水环境,该河流入库河口TP浓度年均值最高,为0.103 mg∕L(图2)。

图2 入库河口TN、TP营养盐浓度和输入量Fig.2 Nutrient concentrations and inputs of TN and TP in estuaries

表2 2016—2017年长潭水库营养盐浓度月度变化Table 2 Monthly change of nutrient concentration in Changtan Reservoir from 2016 to 2017 mg∕L

长潭水库由河流输入的TN、TP量分别为741.60和14.18 t∕a,其中,永宁溪TN、TP输入量最大,分别为350.21和8.89 t∕a；柔极溪TN、TP输入量分别为164.78和4.13 t∕a,2条河流合计对长潭水库河流TN、TP输入贡献分别为69.44%和44.84%。采样期间,水库年出库流量为67 011万m3(包括供水、发电、泄洪等),TN、TP输出量分别为432.20和29.04 t∕a,TN、TP滞留率分别为41.71%和51.17%。水库磷滞留主导机制是颗粒态磷沉降[16],氮滞留主导机制是表层沉积物的脱氮反应形成N2逸出[17]。可见,磷滞留导致内源污染风险较高[18],加上藻类生长对磷营养盐浓度变化较敏感,因此,控制湖库TP输入显得更为重要。根据对库区10个采样点12个月水质指标测定结果,N∕P>16的采样点数量占比为76.7%,库区月均N∕P为14.6~83.9,年均值为34.5,根据Redfield比值(N∕P＝16),判断长潭水库营养状况总体属于磷限制型[15]。其中,2016年6—9月和2017年5—6月库区平均N∕P为14.6~26.5。根据Smith[19]提出的当湖库水体N∕P小于29时,倾向于蓝藻优势,且当N∕P为10~25时,藻类生长一定程度上既不受氮限制又不受磷限制,表明该时期长潭水库有较高的蓝藻水华暴发风险。

2.2 土地利用类型与水质关系

利用2001年、2008年和2015年长潭水库流域Landsat TM遥感数据图,应用AcrGIS 9.3软件提取土地利用中的耕地、林地、草地、湿地、建设用地5种类型,并采用Excel软件进行二次插值法[20]计算得到流域年际土地利用变化。结果表明,2001—2012年长潭水库耕地面积占比降低7.87%,耕地面积虽然减少,但是化肥的使用量却逐年提升[21]。林地面积占比基本恒定,但受政策影响,流域推广黄岩蜜橘、杨梅等经济林种植,2012年流域柑橘种植面积已达到7.8 km2,表明林地区域生态功能已产生一定程度的转变。除此之外,建设用地和湿地面积占比变化较大,分别增加78.74%和24.00%。2000—2012年,流域第三产业产值占比从31.42%增至42.90%,人均GDP由11 314元升至47 801元,第三产业产值占比增加和第一产业结构调整是流域内建设用地面积增加、耕地面积减少和经济林(林地的重要形式)面积占比增加的主要原因。

2001—2012年,长潭水库营养盐浓度年均值如表3所示。由表3可知,TN浓度年均值为0.445~0.716 mg∕L,TP浓度为0.005~0.084 mg∕L。TN、TP浓度年际变化总体稳定的同时略有下降,一方面由于流域生态环境保护力度加大,水体营养盐汇入减少；另一方面由于城镇用水压力逐年增大,水库调节蓄水造成水力停留时间延长,从而提高了库区氮、磷滞留率。

表3 2001—2012年长潭水库营养盐浓度年均值Table 3 Annual mean nutrient concentration of Changtan Reservoir from 2001 to 2012 mg∕L

2001—2012年水质指标和土地利用Spearman相关性分析结果如表4所示。由表4可知,库区TP浓度与耕地和林地面积均呈显著正相关(R2为0.594和0.685,P<0.05),CODMn与耕地和林地面积呈极显著正相关(R2为0.853和0.888,P<0.01),表明耕地和林地是水库水体TP和有机质负荷的主要来源。湿地面积与TP浓度呈显著负相关(R2为－0.585,P<0.05),与CODMn呈极显著负相关(R2为－0.851,P<0.01),表明湿地是流域内具有水质净化功能的重要土地类型。建设用地面积与TN和-N浓度呈正相关,表明建设用地是贡献氮营养盐的土地利用类型。本研究中,林地相比耕地在水体TP输入方面的贡献更大。这是因为与耕地相比,经济林种植虽然可降低90%水土流失速率[22],但其多位于坡度大的地形结构处,降雨时易造成氮磷流失[23],尤其是土壤中有效态磷的流失[22],造成TP流失速率显著高于耕地[24]。研究[25]表明,山地水库柑橘林实行苜蓿间种和土壤秸秆覆盖是控制TP流失的有效措施,能分别降低果园39%和31%的TP流失。

表4 水质指标与不同土地利用类型面积年际变化的相关性分析Table 4 Correlation analysis of water quality indexes and interannual change of land use type area

2.3 浮游植物群落结构与环境因子关系

研究期间共鉴定浮游植物8门79属,其中,绿藻门(Chlorophyta)33属,硅藻门(Bacillariophyta)15属,蓝藻(Cyanophyta)19属。各季节浮游植物丰度为3.35×106~8.26×106个∕L(图3),夏季浮游植物丰度最高,春季最低。夏季和秋季以蓝藻门为主要优势藻,丰度占比分别为82.47%和74.89%；冬季蓝藻门和硅藻门丰度占比分别为43.41%和39.31%；春季蓝藻门丰度占比为33.72%。比较浮游植物优势度指数(Y)[26],全年Y大于0.02的优势种包括6种蓝藻(Y为0.040~0.079)、1种绿藻(Y为0.035)、2种硅藻(Y为0.021~0.049)。结果表明,库区形成以蓝藻、绿藻、硅藻为主要优势种的季节性演替,其中蓝藻优势度最高。长潭水库从建库以来,浮游植物群落优势种逐渐由甲藻、硅藻演化为蓝藻、绿藻,频繁的人类活动导致水动力条件的改变和农业面源输入氮磷有机物负荷增大是驱动这一演替的主要原因[21]。

图3 长潭水库各门浮游植物丰度季节分布Fig.3 Seasonal distribution of phytoplankton abundance of each phylum in Changtan Reservoir

为探讨浮游植物组成变化与环境因子之间的关系,以上述优势种在各季节丰度代表浮游植物群落结构和与之对应的环境因子展开RDA分析。浮游植物和环境变量在轴1(RDA1)和轴2(RDA2)上的RDA排序如图4所示。由图4可知,4个季节浮游植物群落基本分别分布于1~4象限,轴1和轴2可代表水库浮游植物群落季节演替的变化。轴2负方向代表了冬季—春季和夏季—秋季浮游植物群落结构变化,表明与轴2显著相关的TP、TN和N∕P等水体营养盐因素是群落结构变化的主要驱动力。两轴对藻类群落结构的变化解释量为52.98%(轴1为42.48%,轴2为10.50%),解释了86.71%(轴1为69.53%,轴2为17.16%)的变异累计方差。环境因子共解释了61.10%浮游植物优势种的变化,表明浮游植物群落季节性演替主要受到WT、pH、DO、透明度、-N、TN、TP等环境因子的单独或协同作用驱动,而非浮游植物种群内部的竞争关系。RDA分析结果中代表物种与环境变量直线夹角的余弦值表示二者之间的相关性大小,蓝藻门物种与WT、SD、-N和TP呈正相关关系,说明水温、TP、SD和-N是控制水库蓝藻生长的重要因素。

图4 浮游植物物种和环境因子的RDA分析Fig.4 RDA analysis of phytoplankton species and environmental factors

拉氏拟柱孢藻(Cylindrospermopsis raciborskii)是长潭水库优势度(Y＝0.078)最大的藻种。该产毒藻种是广东、台湾和福建等热带地区夏秋季节常见水华藻种[27],近年来在亚热带和温带发现频率有所上升,对新发地区供水安全产生风险[28],其对磷有较强的吸收和储存能力,在磷限制型水体易形成优势[29],且能高效利用水体-N作为氮源[30]。RDA分析结果显示:年度优势种拉氏拟柱孢藻的丰度与-N浓度的相关性大于0.999(P<0.02),表明水体-N浓度是影响拉氏拟柱孢藻生长的主要因素。将2016年7月、10月和12月拉氏拟柱孢藻丰度与-N浓度进行拟合,得出如下关系:

式中:Z为-N浓度,mg∕L；X为藻丰度,106个∕L。说明在拉氏拟柱孢藻生长占优势的季节,通过削减库区-N浓度能够有效降低拉式拟柱孢藻的丰度。

2.4 流域水生态改善对策建议

随着近年来长潭水库流域经济和社会发展的加快,水库氮、磷营养盐输入是导致水体藻类生长、水质下降的主要原因。控制营养盐尤其是磷元素的输入是目前预防水库蓝藻水华发生的主要策略。

农业和经济林面源污染是长潭水库TP输入的主要因素,TN、TP浓度是影响浮游植物丰度,造成水库蓝藻水华发生的主要原因。源头治理需要合理布局农业产业结构,加强水库流域消落带的生态修复,改进施肥方式,建立农田生态田埂和隔污栏,推广经济林作物间生和秸秆覆盖等,以避免磷元素过量输入水体。末端治理需要加强河口区域湿地建设工程,采取多种类水生植物配置,增大挺水植物比例,以提高水体自净能力。有研究表明,修建农田缓冲带生态沟渠能降低耕地34.7%的TN、34.8%的TP的流失率[31],建立经济林与多年生苜蓿间植能降低10%的TN与39%的TP的流失负荷[27]。

长潭水库水体流动缓慢,水动力条件弱,导致TN、TP沉淀效率和蓝藻物种优势度提高。从降低水库沉积速率、增加下游营养物质传输和干扰蓝藻生长条件方面考虑,调整水库调度方式以改善库区和支流的水动力特征,降低TN、TP滞留率,缩短水力停留时间,以降低藻华发生风险。通过计算得出水库生态调度流量变化和各参数关系如表5所示。由表5可以看出,当出库流量增加15%时,水力停留时间缩短24 d,TN、TP滞留率分别下降了8.74个百分点和7.33个百分点。

表5 水量调节与参数变化Table 5 Water volume regulation and parameter changes

3 结论

(1)2016—2017年,长潭水库TN、TP浓度均值分别为0.583、0.023 mg∕L,水库对入库TN和TP的滞留率分别为41.71%和51.17%,库区N∕P年均值为34.5,属于磷限制型水体,不同月份N∕P差异较大,蓝藻水华爆发风险较高。

(2)流域耕地和林地面积与库区TP浓度呈显著正相关,R2分别为0.594和0.683。湿地面积与TP浓度呈显著负相关,R2为－0.585。说明耕地和林地是库区TP的主要来源。

(3)长潭水库库区浮游植物丰度为3.35×106~8.26×106个∕L,蓝藻门是水库主要优势藻,夏季丰度占比达82.47%。TP、-N营养盐是影响水库蓝藻生长的重要环境因子。