梯级电站作用下北江河流秋季藻类水华特征及关键因子分析*

黄 成 吴 剑 丁炜炜 周丽珍 严伟君 吴淇钰 黄 亮 张 奇

(广东省韶关生态环境监测中心站,广东 韶关 512026)

藻类水华,通常是指在富含氮、磷等营养的淡水水体中,在适宜的环境下藻类大量繁殖,形成肉眼可见的藻类群体的自然生态现象,是水体富营养化的一种特征。相对于湖泊、水库等相对稳定的水体出现蓝藻、绿藻水华而言,河流水华并不常见。因此,国内外研究静止类的湖泊水华问题较多,而相对流动类的河流水华研究较少。随着三峡大坝库区形成,支流暴发水华增多,国内学者对河流水华的成因及其机理研究越来越多。通过充分的文献调研发现,虽然每条河流其诱发因子或者是导致藻类水华关键因子各不相同,但其主要因子可归纳为充足的氮、磷等营养物质,适宜的水温等气候条件和流速较慢、流量较小等水动力条件[1-7]。

北江为珠江水系干流之一,梯级电站多。近年来,北江秋季期间都会暴发不同程度水华,河流水华具有影响范围广、暴发成因复杂、控制难度大等特点,引起广泛关注[8-10]。本研究通过采集北江水华和非水华期间的营养物质、气候条件和水动力学条件等影响因子基础数据,采用相关性和冗余(RDA)分析识别出北江藻类水华发生的关键因子,为北江精准防控水华的暴发提供技术支撑。

1 研究区域和监测方法

1.1 研究区域

北江发源于江西省赣州市,主流流经广东省韶关市、清远市至佛山市,与西江相通后汇入珠江三角洲。本研究区域为北江韶关段上、中、下3个断面,分别是长坝、孟洲坝和高桥断面(如图1所示),其中长坝和孟洲坝断面为河流梯级电站的库坝区,高桥断面则在其下游约30 km有个梯级电站。

图1 采样点位置Fig.1 The location of sampling sites

1.2 监测方法

本研究收集了2021年9月藻类水华期间连续监测数据,以及2022年1月至6月非水华时期监测数据。总磷(TP)、总氮(TN)、氨氮、高锰酸盐指数等指标按照《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中指引方法进行测定;叶绿素a和藻密度是现场使用FluoroProbe野外藻类分析仪(德国BBE)测定;pH、水温、溶解氧(DO)等使用Multi 3630水质常规五参数监测仪(德国WTW)现场测定。其中高桥断面有水质自动监测站,并安装了HST-600多普勒剖面测量仪测量河流流量和流速。同时,在水华期间和非水华期间采集了1 000 mL的表层水样,加入15 mL鲁哥试剂(40 g碘溶于含碘化钾60 g的1 000 mL水溶液中)固定并使藻类染色,静置沉降2 d后浓缩成30 mL,在显微镜(10×40倍)下对藻类进行鉴定,鉴定依据为《中国淡水藻类》[11]。

2 研究方法

2.1 评价方法

使用pH、DO、TP、氨氮、高锰酸盐指数等5个指标按照GB 3838—2002进行水质类别评价;按照《水华程度分级与监测技术规程》(DB44/T 2261—2020)进行水华等级评价。

2.2 数据处理

采用IBM SPSS Statistics 25对pH、DO、叶绿素a和藻密度等指标进行相关系数分析;对非水华期间和水华期间的监测数据进行T检验,判断其差异显著性;影响因子对藻密度和叶绿素a的影响采用Canoco 5.0软件进行RDA分析。

3 结果与讨论

3.1 水质参数分析

2021年北江水华期间和2022年北江非水华期间,各指标监测数据如表1所示。

表1 北江水华和非水华期间各指标监测数据Table 1 Monitoring data of various indicators in Beijiang River during algal blooms and non algal blooms

北江3个点位水华和非水华期间的水温分别为32～33、21～22 ℃,pH分别为8.32～8.71、7.23～7.63,DO分别为8.71～9.24、7.14～8.22 mg/L,氨氮分别为0.03～0.04、0.11～0.13 mg/L,高锰酸盐指数分别为3.4～4.7、1.7～2.4 mg/L,TN分别为0.66～1.13、1.25～1.41 mg/L,TP分别为0.08～0.10、0.08 mg/L,氮磷比分别为(7～14)∶1、(15～18)∶1。T检验结果显示,水温、pH、DO、高锰酸盐指数等指标均差异显著(P<0.01),相对非水华期间,水华发生期间呈明显上升趋势,TP也呈上升趋势,但变化不明显(P≥0.05),而氨氮、TN和氮磷比则呈明显下降趋势(P<0.01)。

按照GB 3838—2002进行水质评价,孟洲坝和高桥断面水华和非水华期间的水质类型均为Ⅱ类,长坝水华期间水质类型为Ⅲ类,非水华期间的水质类型为Ⅱ类。

3.2 浮游植物群落特征和藻类水华分级

北江3个点位叶绿素a质量浓度、藻密度和水华等级见表 2。如表2所示,水华和非水华期间叶绿素a分别为38.8～68.8、2.41～2.76 mg/m3,藻密度分别为2.76×107～4.74×107、1.61×106～1.76×106个/L。3个点位水华期间的叶绿素a和藻密度差异显著,长坝断面最大,孟洲坝断面次之,高桥断面最小;非水华期间差异不显著。通过显微镜镜检发现,水华期间的浮游植物群落结构中蓝藻门的水华微囊藻占绝对优势;非水华期间,浮游植物的群落结构主要是绿藻和硅藻,优势种主要为梅尼小环藻、颗粒直链藻、变异直链藻、放射舟形藻、啮蚀隐藻、尖针杆藻、四尾栅藻等。水华期间长坝和孟洲坝断面的水华等级均达到Ⅳ级中度水华的标准,高桥断面水华等级达到Ⅲ级轻度水华的标准。非水华期间,3个点位均保持Ⅰ级无水华的标准。

表2 北江水华和非水华期间水华等级Table 2 Level of algal blooms in Beijiang River during algal blooms and non algal blooms

3.3 相关性和RDA分析

水环境对浮游植物的影响主要体现在藻密度和叶绿素a的变化上。由表3可见,藻密度和叶绿素a呈显著正相关性(P<0.01),且与其他因子的相关性分析结果一致,因此可以采用叶绿素a代表藻类与其他影响因子进行分析。叶绿素a与水温、pH和DO呈显著正相关性(P<0.01);叶绿素a与水中营养盐氨氮和TN呈显著负相关(P<0.01),与TP和高锰酸盐指数呈显著正相关(P<0.01),其中与高锰酸盐指数相关系数最大;叶绿素a与水动力学指标流量和流速呈显著负相关(P<0.05)。

表3 藻密度、叶绿素a与影响因子的Pearson相关系数1)Table 3 Pearson correlation coefficient between algae density,chlorophyll a and impact factors

为进一步厘清各影响因子对藻密度和叶绿素a的影响和贡献,对各影响因子数据进行RDA分析,结果见图2。轴1和轴2对藻密度和叶绿素a变化的解释率为95.6%,水温、pH、DO、高锰酸盐指数、TP呈正相关性影响,而氨氮、TN、流量和流速呈负相关性影响,与其相关性分析结果一致。

注：影响因子箭头越长,则对藻密度、叶绿素a的影响和贡献越大,影响因子与藻密度、叶绿素a夹角越小,表示影响越一致,两者同向为正相关性影响,反向为负相关性影响。

充足的氮、磷等营养物质是藻类水华发生的物质基础。国际上一般认为当水体中TP为0.02 mg/L、TN为0.2 mg/L,TN与TP质量比为7.2∶1.0,是水华暴发营养条件的理论阈值[12]。北江河TN浓度约为国际公认水体富营养阈值的3～7倍,TP浓度高于国际公认的水体富营养阈值3倍以上,因此在水华和非水华季节的水体营养盐是满足藻类水华物质条件的。国内外很多研究认为,较低的氮磷比有利于微囊藻生长,但是在较高的氮磷比情况下,也会形成蓝藻水华,较低的氮磷比并不是蓝藻水华形成的条件,而是蓝藻水华产生的结果[13-14]。随着北江微囊藻水华发生,其自身并无固氮能力,只能大量吸收水体中无机氮,导致水中氮磷比明显下降。在水华比较严重的长坝断面的氮磷比为7∶1,小于7.2∶1.0理论阈值,而其他两个断面随着水华暴发比值也是变小,分别为10∶1和14∶1。而非水华期间,氮磷比为(15～18)∶1。相关性和RDA分析结果表明,藻密度和叶绿素a与TN和氨氮呈显著负相关性,TP在水华和非水华期间的T检验结果显示没有显著变化。因此北江水华期间低氮磷比是微囊藻水华发生的结果。

相对于其他藻类,蓝藻的光合作用等生理功能形成的高温适应机制使其对温度具有较强的适应能力,随着温度的升高,水体中生长最快的浮游藻类由硅藻变为绿藻并最终变为蓝藻[15-16]。北江发生水华时,光照最充足,水温达到31～32 ℃,在高温下水体中由非水华期间硅藻和绿藻为优势种转为蓝藻成为优势种。此次藻类水华的绝对优势种为蓝藻门的微囊藻,很多研究表明微囊藻在水温25～35 ℃时最适宜生长[17-18]。相关性和RDA分析结果显示藻密度、叶绿素a与水温呈正相关性,贡献率大。

部分蓝藻具有悬浮能力,在水体中的上浮与下沉使得蓝藻处于有利的理化环境,是其在水体中成为优势种的重要原因之一[19-21]。而此次发生水华的优势种为微囊藻,具备悬浮能力。在北江发生水华期间,降水偏少,处于枯水期, 水温高,加上北江梯级电站多,电站蓄水发电,导致下游河段流速严重缓慢,尤其在梯级电站坝前断面,河流流速更慢,形成稳定的水体分层,在这种情况下微囊藻能靠伪空胞提供的浮力而调控自身垂直迁移,从而充分利用上层水体的光照与下层水体的营养盐,降低沉降损失而增加水体表面的积累,从而获得相对于绿藻和硅藻等没有悬浮能力的藻类的竞争优势,在秋季温度较高时成为优势种。因此此次水华发生最严重的是长坝和孟洲坝两个断面,高桥断面离下游的梯级电站较远,其水华发生程度较低。在具备较强水体稳定性情况下,微囊藻悬浮机制可能是蓝藻水华发生的重要生物学内因。相关性和RDA分析结果显示,藻密度和叶绿素a与水动力学因子流量和流速呈负相关性。

北江发生水华时,藻类大量生长,白天光合作用消耗二氧化碳,导致水华期间的pH和DO升高,水体呈碱性,适宜的pH反过来促进蓝藻生长,而其他藻类缺少二氧化碳也难于成为优势种[22-23]。藻类是水体中重要的有机物制造者,蓝藻细胞壁外侧具有胶质鞘,它是由糖类多聚体等有机物组成,是藻类代谢的副产物,正常藻类的代谢会向水体中释放有机物,也会促使高锰酸盐指数增加[24]。因此,北江水华期间pH、DO和高锰酸盐指数显著上升是藻类水华产生的结果,相关性和RDA分析结果显示,藻密度和叶绿素a与pH、DO、高锰酸盐指数呈正相关性,其中与高锰酸盐指数相关系数最大。

4 结 论

(1) 北江水质类别基本为Ⅱ类水,但是氮、磷营养盐浓度高于国际上一般认为水华暴发营养条件的理论阈值,北江水体营养盐是暴发藻类水华的物质条件。

(2) 北江发生水华时,微囊藻无固氮能力而只能大量吸收水中无机氮生长,导致水体中呈现低氮磷比现象,而微囊藻的新陈代谢导致pH、DO和高锰酸盐指数显著上升,以上现象均为微囊藻水华发生的结果。

(3) 北江在营养盐物质满足条件的前提下,秋季光照充足,降雨少,在梯级电站作用下,水体流速慢,水体形成稳定的分层,微囊藻具备悬浮能力,使其处于有利的理化环境,在水体中成为优势种,逐步暴发藻类水华。

(4) 在温度等气候条件不能改变的情况下,对北江梯级电站进行科学调度,改善水动力条件,加快水体流动,是防控北江水华最直接的方法。而进一步加强河流污染管理,减少氮、磷营养盐入河,降低水体营养水平,是防控北江水华的长期方法。