长江口水源地青草沙水库水质与浮游植物群落特征*

刘书敏 赵风斌

(1.华东师范大学生态与环境科学学院,上海 200241；2.上海波赛统环境科技有限公司,上海 200092；3.同济大学环境科学与工程学院,上海 200092)

富营养化是水体中浮游植物所需的营养物质含量过多而引起的水质污染现象。大量氮磷流入水体,导致浮游植物快速生长,溶解氧(DO)含量降低,致使水质不断恶化[1]。同时,浮游植物生长还受到温度、pH、有机物、透明度(SD)等水质因素的影响[2]。因此,营养盐、SD、DO、pH、化学需氧量(COD)等水质指标及浮游植物可作为富营养化评价和控制的关键因素[3]。

青草沙水库作为长江口重要水源地之一,是目前世界上最大的潮汐河口水库,承担了上海市约50%的原水供应,其水质安全对上海市来说至关重要。然而,由于长江沿岸城市经济发达,陆源的氮磷等污染物随径流输入一直带到长江口水域[4-5],导致长江口水环境质量堪忧,富营养化问题严重[6-7],给青草沙水库水质安全带来风险。

青草沙水库建成以来,已有研究者对库区水质特征[8]、水动力特征[9]、细菌群落结构[10]、浮游动植物群落结构[11]及食物网结构[12-13]等诸多内容进行了研究。在相关研究的基础上,为应对水体富营养化问题,水库运行管理部门近年采取了水力调控、滤网拦截除藻、沉水植物系统构建、生物操纵[14-15]等技术措施,使得水库的富营养化问题在一定程度上得到控制。但由于受长江口水环境变化影响,水库仍存在较大水华风险[16-17]。

青草沙水库采用避咸蓄淡的运行方式。1—3月咸潮期水库引排水流量、水动力条件、水位、盐度等变化较大,暂不考虑。4—12月非咸潮期水库采取“能引则引,能排则排”的水利调度手段[18],利用库首潮汐能多引水、库尾闸门多排藻的富营养化防控策略,通过大量排出浮游植物防止藻类过度繁殖,但缺乏对库区水质与浮游植物群落特征的精准掌控。本研究通过对青草沙水库非咸潮期水质、浮游植物进行监测的基础上,利用Pearson相关性分析及冗余分析(RDA)对库区水质的时空分布特征、藻类群落结构特征及优势种变化情况进行分析,讨论浮游植物群落演替规律与水质之间的响应关系,以期为水库后续富营养化防治策略的精准调控提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 采样点布设

青草沙水库呈“上宽下窄,上滩下槽”的特征,库首沙体外沿受冲后形成陡坎,导致该区流速较快；库尾水深增加,逐渐形成深潭,导致该区流速较慢。综合水库水体流动及引排水闸门设置情况,设置库首站点(ST1、ST2、ST3),库中站点(ST4、ST5、ST6),库尾站点(ST7、ST8)(见图1)。

1.2 样品采集与测定

样品采集时间为2019年4—12月,采样频率为每月中旬采样1次。采用多参数水质分析仪(美国YSI,EXO)测定DO、电导率(Cond)和pH。分别参照《水质 总磷的测定 钼酸铵分光光度法》(GB 11893—89)、《水质 总氮的测定 碱性过硫酸钾消解 紫外分光光度法》(HJ 636—2012)、《水质 氨氮的测定 纳氏试剂分光光度法》(HJ 535—2009)和《水质 硝酸盐氮的测定 紫外分光光度法(试行)》(HJ/T 346—2007)测定总磷(TP)、总氮(TN)、氨氮和硝酸盐氮,仪器使用连续流动分析仪(荷兰Skalar,SAN++)。分别参照《水质 化学需氧量的测定 快速消解分光光度法》(HJ/T 399—2007)、《水质 叶绿素a 的测定 分光光度法》(HJ 897—2017)测定COD和叶绿素a(Chl-a),仪器使用双光束紫外可见分光光度计(日本SHIMADZU,UV1900)。SD用赛氏盘测定。浮游植物通过镜检定性并确定生物密度和生物量,计数方法采用倒置显微镜计数法。

1.3 数据处理

使用SPSS25.0进行单因子方差分析和Pearson相关性分析,并采用SNK-q检验进行多重比较；使用CANOCO5.0软件对库首ST1、库中ST5、库尾ST8的优势度前10的浮游植物与水体理化因子进行RDA,对浮游植物种群信息进行去趋势对应分析(DCA),排序轴长度小于3,故选择基于线性的RDA。

2 结果与分析

2.1 水质特征

对水质指标进行统计并进行单因子方差分析,结果见表1。可以发现,(1)库区COD、pH、DO、Cond均值由库首至库尾无显著差异；(2)库区TP、TN、氨氮、硝酸盐氮均值由库首至库尾存在显著差异,总体呈逐渐降低趋势；(3)Chl-a、SD均值由库首至库尾存在显著差异,呈逐渐上升趋势。由此可见,库首至库尾泥沙逐渐沉降、SD提高,浮游植物增殖导致Chl-a含量增加,消耗氮磷营养元素。因此,掌握氮磷元素时空变化规律及其与Chl-a的相关关系,对于水库富营养化防治具有重要科学价值,下面将对氮磷元素时空变化特征和Chl-a的响应特征进行研究。

2.1.1 TP时空变化特征

由图2可见,青草沙水库TP质量浓度为0.08～0.43 mg/L,均值为0.18 mg/L,呈现出明显的时空差异性。总体看来，4、12月TP浓度较高,5—11月TP浓度较低,原因是5—11月长江流域降水量较大,TP浓度得以稀释,而ST1和ST2在7月浓度异常高是因为采样时受到了降雨和风浪的影响,导致悬浮泥沙中颗粒态磷大量增加。

表1 水质指标统计特征和单因素方差分析结果1)Table 1 Statistical characteristics and single-factor variance analysis for water quality indexes

2.1.2 库区氮元素时空变化特征

由图3可见,青草沙水库TN质量浓度为0.64～2.46 mg/L,均值为1.54 mg/L；硝酸盐氮质量浓度为0.51～1.63 mg/L,均值为1.10 mg/L；氨氮质量浓度为0.002～0.064 mg/L,均值为0.016 mg/L。TN主要由硝酸盐氮组成,氮元素浓度从库首到库尾有下降趋势。水库江心岛南侧浅滩点位ST2的氮元素浓度低于北侧浅滩点位ST3,原因是ST2区域实施了沉水植物生态修复工程。

2.1.3 Chl-a对其他水质指标的响应特征

Chl-a可作为浮游植物生物量的重要评价指标,其浓度高低与水体富营养化程度密切相关。因此,为了说明青草沙水库浮游植物与水质特征间的相关关系,对Chl-a与其他水质指标进行了Pearson相关性分析,结果见表2。Chl-a与TP、TN、氨氮、硝酸盐氮、COD、Cond呈显著负相关,与SD呈显著正相关,表明尽管当前青草沙库区的氮磷营养盐水平较高,但尚未成为库区浮游植物生长的限制性影响因素,SD才是促进浮游植物生长的关键影响因素。

2.2 浮游植物群落特征

2.2.1 浮游植物群落结构特征

青草沙水库共鉴定出浮游植物117种,隶属于8门,其中绿藻门(Chlorophyta)55种、硅藻门(Bacillariophyta)31种、蓝藻门(Cyanophyta)17种、裸藻门(Euglenophyta)6种、隐藻门(Cryptophyta)3种、甲藻门(Pyrrophyta)2种、金藻门(Chrysophyta)2种、黄藻门(Xanthophyta)1种。绿藻门鉴定出的种数最多,占47.01%,其次是硅藻门,占26.50%,黄藻门最少,仅占0.85%。

青草沙水库各采样点4—12月的浮游植物生物密度为1.5×104～3.2×106个/L,均值为7.3×105个/L,10月浮游植物生物密度最大,而11、12月较低。

2.2.2 浮游植物优势种特征

青草沙水库4—12月浮游植物优势种如表3所示,优势种主要属于蓝藻门、硅藻门和绿藻门,均为富营养化水体常见种,其中颗粒直链藻、小环藻基本上是长年的优势种。

2.2.3 浮游植物与水质指标的相关关系

ST1小环藻、梅尼小环藻与TP呈现正相关关系,细小平裂藻(Merismopediatenuissima)、微小隐球藻(Aphanocapsa.delicatissima)、链状伪鱼腥藻(Pseudanabaenacatenata)、湖生伪鱼腥藻与TN呈现正相关关系；ST5小环藻、针尖杆藻与TP呈现正相关关系,颗粒直链藻、颗粒直链藻极狭变种与TN呈现正相关关系；ST8微囊藻、颗粒直链藻、颗粒直链藻极狭变种、双粒聚球藻均与TN、TP呈现正相关关系(见图4)。RDA表明,在流速缓慢且SD高的库尾,浮游植物生长在一定程度上受到营养盐的限制。

表2 Chl-a与其他水质指标的相关性分析1)Table 2 Correlation analysis of Chl-a and other water quality indexes

表3 青草沙水库浮游植物优势种1)Table 3 Dominant phytoplankton species in Qingcaosha Reservoir

3 讨 论

通过分析水质特征发现,青草沙水库内氮磷元素从库首到库尾有降低趋势,但相比于氮元素,磷元素的下降趋势不明显,分析原因为磷元素含量受到浮游植物生物量、悬浮颗粒物[19-21]等多种因素的影响；SD逐渐升高主要原因是长江来水泥沙不断沉积；Chl-a逐渐升高与水库水体SD上升及流速降低有关[22-23]。一般认为,TN超过0.2 mg/L,TP超过0.02 mg/L,水体便处于富营养化状态,Chl-a的阈值通常为2.0～3.9 μg/L[24-25],尽管研究期间青草沙水库TN、TP、Chl-a浓度均超过了阈值,但在水库现有的水利调度下,并未有大规模水华发生。

青草沙水库的优势种均为富营养化水体常见种,表明水库一定程度上存在水华暴发风险。与湖泊型水源地不同,对于河口型水库水源地而言,水位调节幅度大、频次高,硅藻的危害更为常见[26]。当前青草沙水库构建了“浮游植物→鱼类→人工捕捞”的生物控制措施,通过鱼类的下行效应,库区富营养化可得到一定缓解[27-28],库区优势浮游植物存在蓝藻向硅藻演替的趋势,对库区鱼类群落食性进行相应比例调整应纳入考量。此外,蓝藻易于在浅水高温环境下发展成优势种,而硅藻易于在深水位、大水量及低水温的环境下发展成优势种[29-30]。

水质相关性分析结果表明,水库Chl-a与氮磷营养盐呈显著负相关,与SD呈显著正相关,表明青草沙水库非咸潮期氮磷元素并不是库区浮游植物生长的主要限制性因素。优势藻与水质的RDA表明,在库区流速缓慢且SD高的库尾水域,浮游植物优势种生长受到营养盐的影响加强。建议在库区后续管控措施中增加对库尾区域TN、TP浓度的监测与控制,这将有利于降低库尾富营养化风险。

4 结 论

(1) 青草沙水库2019年4—12月氮磷营养盐由库首至库尾呈逐渐降低趋势,而Chl-a、SD呈逐渐上升趋势。尽管当前青草沙水库的氮磷营养盐水平较高,但尚未成为库区浮游植物生长的主要影响因素,SD才是促进浮游植物生长的关键影响因素。不过,库尾由于流速缓慢且SD高,浮游植物生长在一定程度上受到营养盐的限制。

(2) 共鉴定出浮游植物8门117种,绿藻门、硅藻门和蓝藻门优势种较多,且优势种均为富营养化水体常见种,水库一定程度上存在水华暴发风险。