粤东地区大型水库叶绿素a浓度的影响因素分析

黄丰明

(广东省水文局汕头水文分局，广东 汕头 515041)

广东省由于天然湖泊分布少，河流污染较为严重，因此，水库成为保障全省及港澳地区人民生产生活和经济发展等方面用水需求的重要水源地。我省现有大型水库39座，中型水库343座，小型水库8 026座，其中大型水库库容为294.02亿m3，占全省水库总库容的65%(2013年统计数据)，因此，大型水库在广东省供水保障中发挥着举足轻重的作用，确保大型水库的水质安全对保障全省供水安全具有重要意义。

水体富营养化是水库最常见的污染问题，由其引发的蓝藻水华更是世界性难题之一。水体富营养化是指在人类活动的影响下，生物所需的氮、磷等营养盐大量进入湖库、海湾等水体，引起浮游植物及其他浮游生物迅速繁殖，进而导致水体溶解氧含量下降，水质恶化，鱼类及其他生物大量死亡的现象[1]。以蓝藻为优势类群形成的蓝藻水华，更是直接威胁水库的供水安全，因为多数形成水华的蓝藻种类均能产生毒素，而传统的饮用水处理技术难以处理水华发生期间产生的大量蓝藻毒素，人畜饮用后将严重危害其生命健康[2]。

作为水体富营养化的主要产物，浮游植物的生长变化除了受营养盐影响，还受光照、温度、水动力学条件等上行效应，以及浮游动物和鱼类摄食等下行效应的影响。广东省多数水库都采取投放鲢、鳙等滤食性鱼类的方式以期改善水质，然而有研究表明，滤食性鱼类仅能一定程度降低大粒径浮游植物的生物量，无法有效控制总的浮游植物生物量[3-4]。由此可见，广东省水库水体中浮游植物的生长及其现存量主要受上行效应影响。

叶绿素a是浮游植物细胞的主要光合色素，其浓度与浮游植物生物量有着显著的相关性[5]，因此叶绿素a浓度也是反映水体中浮游植物现存量的最直接指标。本文将对粤东地区大型水库水体中叶绿素a浓度的影响因素进行分析，以期为粤东地区大型水库的富营养化治理和水质保护提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究对象

粤东地区现有大型水库6座，分别为汤溪水库(TX)、龙颈(上)水库(LJS)、石榴潭水库(SLT)、龙潭水库(LT)、公平水库(GP)、青年水库(QN)。水库概况及其分布见表1和图1。

表1 粤东地区6座大型水库概况说明 104 m3

图1 粤东地区6座大型水库分布示意

1.2 研究方法

1.3 数据处理

利用Excel 2010、SPSS 16.0和Origin 8.0进行数据分析与作图。

2 结果

6座水库全年的水温变化范围分别为18.0℃～31.5℃(TX)、17.0℃～28.0℃(LJS)、21.5℃～31.0℃(SLT)、18.9℃～30.7℃(LT)、18.4℃～31.0℃(GP)、19.2℃～31.1℃(QN)，均呈现汛期高非汛期低的变化趋势(见图2)。

图2 粤东地区6座大型水库的水温月变化示意

石榴潭水库和青年水库的水力滞留时间波动较小，全年的变化范围分别为95～223 d和88～313 d；龙颈(上)水库和龙潭水库的水力滞留时间在汛期(4—9月)较短且波动较小，在非汛期则相对较长，全年的变化范围分别为58～2 398 d和60～1 364 d；汤溪水库和公平水库的情况刚好与前两者相反，非汛期的水力滞留时间较短，汛期个别月份的水力滞留时间相对较长，全年的变化范围分别为64～1 370 d和84～1 374 d(见图3)。

图3 粤东地区6座大型水库的水力滞留时间月变化示意

汤溪水库和龙潭水库的总磷浓度全年的变化范围为0.01～0.03 mg/L，其中汤溪水库全年的波动较大，龙潭水库的波动相对较小，其最高值仅出现在6月份；龙颈(上)水库和石榴潭水库的总磷浓度全年的变化范围为0.01～0.02 mg/L，其中龙颈(上)水库的最高值同样仅出现在6月份；公平水库和青年水库的总磷浓度全年的变化范围为0.005～0.01 mg/L，两座水库的最低值分别仅出现在6月份和7月份(见图4)。

图4 粤东地区6座大型水库的总磷浓度月变化示意

汤溪水库的总氮浓度较高且波动较大，全年的变化范围为0.63～1.44 mg/L。龙潭水库的总氮浓度全年的变化范围为0.25～0.90 mg/L，其季节性变化明显，汛期中期浓度较高，其余月份浓度较低且波动较小。其余4座水库的总氮浓度相对较低，其浓度分别为0.20～0.48 mg/L(LJS)、0.17～0.48 mg/L(SLT)、0.13～0.48 mg/L(GP)、0.14～0.32 mg/L(QN)(见图5)。

图5 粤东地区6座大型水库的总氮浓度月变化示意

汤溪水库的叶绿素a浓度全年的变化范围为9.3～76.7 μg/L，具有明显的季节性，高峰值出现在汛期中后期，汛期前期和非汛期的浓度较低。石榴潭水库的叶绿素a浓度全年的变化范围为9.4～40.1 μg/L，其最高值出现在2月份，其余月份浓度较低且波动较小。其余4座水库的叶绿素a浓度相对较低，其浓度分别为2.0～10.3 μg/L(LJS)、4.1～18.7 μg/L(LT)、5.9～25.4 μg/L(GP)、3.6～10.8 μg/L(QN)(见图6)。

图6 粤东地区6座大型水库的叶绿素a浓度月变化示意

方差分析表明，粤东地区6座大型水库的水温和水力滞留时间不存在显著差异，总磷、总氮和叶绿素a的浓度则存在显著差异(见表1)。多元回归分析结果显示，粤东地区6座大型水库水体中的叶绿素a浓度与水温、水力滞留时间、总氮浓度均无显著相关(P>0.05)，只与总磷浓度有显著相关关系(P<0.05)(见图7)。

表1 粤东地区6座大型水库各指标的方差分析结果

图7 粤东地区6座大型水库叶绿素a浓度与水温、水力滞留时间、总磷浓度、总氮浓度的关系

3 讨论

根据水力滞留时间的长短可将水库分为3种类型，分别为直流型(<15 d)、中等滞留时间(15～365 d)和长滞留时间(>365 d)[7]，水力滞留时间是反映平流损失率的一个重要参数，即水力滞留时间越短，平流损失率越大，反之平流损失率则越小[8]。一般认为，水力滞留时间对浮游植物增长率产生影响的阈值为 14 d[9]，低于14 d时，高的平流损失率会大大抵消浮游植物的增长率，使水体中浮游植物的现存量维持在一个较低水平，高于14 d时，平流损失率对浮游植物现存量的影响较小，甚至可以忽略不计。本文研究的6座大型水库均属于中长滞留时间水库(>15 d)，且这6座水库所处的粤东地区位于热带和亚热带地区，常年高温高光照，季节变化性并不明显，因此水体的稳定性和特殊的气象特征可能是这6座大型水库水体中叶绿素a浓度受水力滞留时间和水温的变化影响不明显的主要原因。

多元回归分析表明，水体中的叶绿素a浓度与总氮浓度无显著相关，只与总磷浓度显著相关，这说明粤东地区6座大型水库水体中浮游植物的生长主要受磷限制。浮游植物的生长需要氮、磷等多种营养元素，当水体中某种可利用营养盐的浓度低于浮游植物的最低生长需求，或者以较快速度被消耗至较低浓度时，浮游植物的生长就会受其抑制，此时该种营养盐就成为限制性因子[10]。Redfield定律认为，浮游植物细胞内组成的原子比为N∶P=16∶1[11]，这一定律对一般水体中浮游植物的生长都是适用的，但由于在不同环境条件下不同种类的浮游植物对营养盐的的吸收率有所差异，因此浮游植物生长所需的最佳氮磷比也不是固定值。有研究表明，当水体中氮磷比大于30 h，浮游植物的生长会受磷抑制，氮磷比小于8 h，则可能出现氮抑制，介于8～30之间为正常的波动范围[12]。粤东地区6座大型水库水体中的氮磷比全年基本上都远大于30，这也说明了这6座水库均为磷限值型水体。实际上，在大多数淡水水体中磷是影响浮游植物生长繁殖及其现存量的主要限制性营养因子[13-15]，因为水体中的磷有多种化学形态，主要分为溶解态和颗粒态，溶解态磷和颗粒态磷又可分为无机和有机两种形态，这在其中只有溶解态无机磷可被浮游植物直接吸收利用，然而在大部分水体中其浓度均很低，无法满足浮游植物的生长需要。

4 结论与建议

磷是影响粤东地区6座大型水库水体中浮游植物生长繁殖及其现存量的主要因素，因此控制水库流域内磷的输入是防治水体富营养化的关键。政府相关部门可从生活污水、工业废水、农业污染等外源磷的主要污染途径入手，对流域内的污染源进行排查整治，如积极推进污水收集管网向偏远村镇延伸，并提高污水处理厂除磷工艺效率，实现农村生活污水集中处理再排放；加强对工业废水排放的监管力度，对排放不达标的工企业责令其落实整改，同时鼓励工企业实施清洁生产；大力发展绿色生态农业，通过改进施肥(或灌溉)方式、使用新型复合肥料、科学种植等方式控制农业化肥施用量等，多措并举，从源头上削减磷的入库量，保证水库生态系统的良好运转。