大连重要水库群浮游植物特征与环境因子关系研究

杨瑞丰

(辽宁省大连水文局,辽宁 大连 116023)

引洋入连作为“十四五”时期东水济辽南线供水工程的重要组成部分,对保障大连用水安全及经济发展具有重要意义。引洋入连是将大洋河水引至碧流河水库的调水工程,经调节后输送至刘大水库等重要供水水库,保障供水安全,有效扩大内需[1]。大连地区共有水库69座,构成一个庞大的水库群,总库容24.86亿m3,控制流域面积5472km2,对其进行水质状况评价及水生态研究对于保障大连市供水安全尤为重要。

浮游植物作为水体中初级生产者,在维持水库水体稳定性及完整性等方面起着重要作用[2],浮游植物的大量繁殖,不仅会产生臭味和毒素破坏水生态系统,污染配水管网,还会堵塞滤池影响聚凝和沉淀,阻碍引洋入连工程的顺利进行。近年来,对水中浮游植物的研究较多,研究表明水环境与浮游植物密度和组成有着密切的联系,但不同水体条件对其影响存在较大差异,而对整个水库群浮游植物与环境因子的研究鲜有报道[3-4]。

本文着重研究大连地区5座国家重要饮用水源地水库所代表的水库群,每月连续进行浮游植物监测,记录相关环境因子,分析水库群浮游植物与环境因子的关系,全面掌握浮游植物随环境的变化特征,以期为即将到来的引洋入连输供水工程中水库保护与管理提供数据支撑和科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况及采样点布设

大连市全域现有5座省直水库:英那河水库、朱隈水库、刘大水库、松树水库和碧流河水库,承担城市供水、农业灌溉、防洪抗旱等任务,也是引洋入连工程重要组成部分。以这5座水库为研究对象,夏季藻类繁殖高发期为主体研究时段,在2020年5—10月,每月2—5日对每座水库进行样品采集,样品编号为水库名称首字母缩写加月份(如BLH5为碧流河水库5月的样品)。

1.2 样品采集与处理

参照《内陆水域浮游植物监测技术规程》(SL 733—2016),按要求采集藻类样品,进行定量和定性分析。现场采集1L定量样品,加入鲁哥氏液保存,沉降48h后浓缩至30mL,进行400倍镜检分析。参照《中国淡水藻类》[5],对浮游植物进行鉴别分析

1.3 理化指标测定

浮游植物样品采集时,现场测定水温(WT),用塞氏黑白盘测定透明度(SD),其余项目检测在实验室完成。叶绿素a(Chl-a)采用丙酮萃取分光光度法测定,总氮(TN)、总磷(TP)和高锰酸盐指数(CODMn)的测定方法参考《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)。

1.4 数据处理

利用CANOCO4.5软件对数据进行趋势对应分析(Detrended Correspondence Analysis,DCA)、冗余分析(Redundancy Analysis,RDA)和典型对应分析(Canonical Correspondence Analysis,CCA)。所有数值取对数处理后先进行DCA处理,得出的物种单峰响应值小于3时,进行RDA,否则进行CCA[6]。

2 结果与分析

2.1 环境因子

大连地区水库群中5座省直水库环境因子变化情况见图1。各水库叶绿素变化较大,其中英那河水库水质较好,叶绿素a保持在较低水平,为0.91～3.35mg/L;其次是碧流河,在10mg/L左右;其余3座水库叶绿素a最大可接近30mg/L。透明度与叶绿素有类似的趋势,只有英那河透明度全部大于1m。总磷所有数据均小于0.025mg/L,符合Ⅱ类水标准。总氮基本维持在2mg/L左右,碧流河水库相对较高,总氮最高达到3.42mg/L。英那河水库、朱隈水库和碧流河水库高锰酸盐指数较低,为3～4mg/L,刘大水库和松树水库多为4～6mg/L。水温先升后降,普遍在7—9月水温最高。

图1 大连地区水库群5座水库每月环境因子变化

2.2 浮游植物特征

2.2.1 浮游植物组成

各水库中检测到常见浮游植物共28属,隶属6个门(单次监测密度小于0.1%的种属未予统计),具体见表1。种类最多的是绿藻门,占总数的42.9%;其次为硅藻门的25.0%;隐藻门、裸藻门和金藻门种类较少,均为3.6%。

表1 大连地区藻类组成

2.2.2 浮游植物密度

调查期间,藻类密度变化差异较大,为39.9～1077.9万cells/L(均值317.9万cells/L),优势种集中在硅藻门、绿藻门和蓝藻门。各水库不同门类密度见图2,其中英那河水库藻类密度较低,均值为94.2万cells/L,组成以绿藻门为主,7月达到最大;其次是松树水库,平均密度达到164.1万cells/L,呈现先升后降再升高的趋势,两次峰值期间优势种分别为绿藻门和硅藻门;朱隈水库藻类密度同样出现两次峰值,分别是8月蓝藻门和10月硅藻门的暴发式生长;以上3座水库所有月份密度均小于10万cells/L,初步具备水华条件。而刘大水库7月和碧流河水库6月,藻类密度分别达到1035.2万cells/L和1077.9万cells/L,存在水华风险,且优势种均属硅藻门。

2.3 浮游植物样品分布

对浮游植物密度进行趋势对应分析(DCA),单峰响应值小于3,故进行冗余分析(RDA)。图3是各样品在RDA排序中的分布,各浮游植物门类密度射线之间的夹角代表其相关性,夹角的余弦值在数值上等于两者的相关系数。由图3可知,藻类总数主要由硅藻门和绿藻门数量决定,隐藻门和裸藻门数量较少,对总数几乎无影响;而金藻门作为优质水体的指示生物,与藻类总数呈明显负相关;此外,蓝藻门与绿藻门习性相近,而受硅藻门的生长影响较小。

图3 浮游植物密度与样品的RDA排序

样品垂直投影到藻类密度射线上,以投影点到藻类实心箭头处的相对距离为标准,用来说明样品在该藻类的多度值大小。由图3可知,英那河水库(YNH)大部分都集中在藻类总数射线的反方向上,说明水质较好,低于平均藻类密度。从硅藻门分布来看,主要集中在朱隈水库、刘大水库、松树水库10月(ZW10、LD10、SS10)和碧流河水库6月、7月(BLH6、BLH7)。而在绿藻门和蓝藻门射线上截距较大的样品点,多出现在7月和8月,表明7月和8月是蓝藻、绿藻生长的旺盛期。同时,样品之间的连线越短说明差异越小,反之越大。图3中样品点ZW10、LD10、BLH10、BLH5、YNH5、ZW5、LD9、SS9分布在RDA排序图的外围,与其他样品点相距较远,样品差异性大。这些多为5月、9月和10月的藻类数据,表明在温度相对较低的春秋两季,大连地区水库群藻类密度及组成变化较大,而夏季各水库中藻类特点差异性较小。

2.4 浮游植物密度与环境因子的关系

藻类密度与环境因子射线之间的夹角余弦值代表其相关性,同方向余弦值为正值代表正相关,反方向余弦值为负值代表负相关,绝对值越大相关性越大。由浮游植物密度与环境因子的RDA排序(见图4)可知,在藻类生长高发期的5—10月,大连地区藻类总数与叶绿素a和高锰酸盐指数呈正相关,与总磷和透明度呈负相关,受总氮和水温影响较小。总磷在环境因子数据中全程处于较低水平,本研究中影响较小。叶绿素a主要影响硅藻门的数量,高锰酸盐指数的增加会导致蓝藻门和绿藻门密度增大,水温的变化仅对蓝藻门和裸藻门产生明显的影响,随着气温的升高,蓝藻门会大量繁殖,绿藻门也会相应地增加,硅藻门受营养物质竞争的影响会有一定的减少。

图4 浮游植物密度与环境因子的RDA排序

3 讨 论

3.1 环境因子变化

大连地区水库群水质良好,5座水库全年均符合Ⅱ类水和Ⅲ类水标准(总氮不参评)。水温作为重要的环境因子,通过调控藻类的同化过程、细胞内酶的活性和代谢速率直接或间接地影响浮游植物的群落结构[7]。大连属于具有海洋特点的暖温带季风气候,水温随季节性变化明显,夏季清凉,最高水温不超过30℃,极大地降低了水华风险。所有水库总磷都保持在较低水平,而刘大水库和松树水库的高锰酸盐指数较高,说明其中有机物增多。

3.2 浮游植物群落特征

大连地区水库群浮游植物以硅藻-绿藻-蓝藻为主,各个水库藻类结构各有不同。其中,英那河水库中绿藻门是唯一优势种,随季节性变化明显,藻类密度随水温变化先升后降,7月达到峰值。刘大水库和碧流河水库有同样的单峰型趋势,优势种为硅藻门,在高温下藻类暴发生长,气温回冷藻类密度随之降低。朱隈水库和松树水库藻类变化呈双峰型,朱隈水库为蓝藻-硅藻型,8月蓝藻门密度最大,10月硅藻门成为优势种;松树水库两次峰值分别是绿藻门和硅藻门。大连地区的5座重要水库,不论单峰型还是双峰型,即使藻类总数变化有所不同,但在任一水库中同门类藻属变化规律有明显季节性演替特征。整体来看,春秋季适合硅藻门生长,绿藻门适宜生活在水温中等的水域中,而蓝藻门更喜高温天气[8]。

3.3 浮游植物密度对环境因子的响应

浮游植物作为水体的指示生物,其密度很大程度上取决于环境因子变化[9]。RDA结果显示,大连地区水库群浮游植物受水温、叶绿素a、高锰酸盐指数和总氮影响明显。季节性水温的变化,受影响最大的是蓝藻门,其次是绿藻门,硅藻门和藻类总数所受影响较小。叶绿素a和高锰酸盐指数与藻类总数呈正相关,这是由于大量的有机质给藻类生长提供充足的食物,藻细胞合成增加,叶绿素a会有明显的提升[10]。其中高锰酸盐指数对绿藻和蓝藻门的相关系数更高,对其生长的影响更为显著,有机质的含量决定着蓝藻、绿藻的生长。氮、磷是浮游植物生长代谢所必需的元素,RDA显示总氮更利于硅藻门的生长,一般认为水体中总氮含量大于0.2mg/L且总磷含量大于0.02mg/L时,水华暴发的概率较大[11],在监测的数据中,总磷含量较低成为藻类生长的限制性因素。

3.4 库区藻类水华防护

由于大连地区水库群浮游植物同门类藻属季节性演替,所以在不同时期不同水库可以进行有针对性的防护。夏季绿藻门和蓝藻门繁殖旺盛,易发生蓝藻门水华。应严格控制水中有机质的含量,减少垃圾和牲畜粪便的排放,重视高锰酸盐指数的变化。加强对库区的巡视,尤其是针对朱隈水库,监测水生生物的状况,保证水体清洁,以免水污染事件的发生。春秋季水温相对较低,水库以硅藻门为主,需减少水中总氮等营养盐的含量,严格控制库区上游农药的排放及农药残留,尤其关注刘大水库和碧流河水库硅藻门的变化,加强监督管理,避免硅藻门水华。同时,总磷是大连地区水库群的限制性因素,应继续保持良好的水生态环境,控制总磷的含量,有效避免水华的发生。

4 结 论

a.在藻类生长高发期的5—10月,大连地区水库群监测到浮游植物6门28属,绿藻门种类最多,其次为硅藻门。藻类密度主要由硅藻门和绿藻门数量决定,同门类藻属季节性演替现象明显,春秋季以硅藻门为主且存在水华风险,7月和8月是蓝藻、绿藻生长的旺盛期,而进入9月后浮游植物特征会出现明显差异。

b.大连地区浮游植物密度受环境因子影响明显,藻类总数与叶绿素a和高锰酸盐指数呈正相关。其中硅藻门受叶绿素a影响较大,高锰酸盐指数的增加会导致蓝藻门和绿藻门藻类密度增大,而水温对蓝藻门的生长影响最显著。

c.依据不同门类藻属的生长特征,对大连地区水库群进行有针对性的防护,不同时期采取相应的管理办法,重点关注水库特征值变化,有效降低水华风险,保障调水工程的顺利进行。