华北典型地表水藻类群落演替特征

范振强,崔福义,马 华,何文杰,阴沛军

(1.哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室,哈尔滨 150090;2.天津自来水集团有限公司,天津 300040）

如何安全高效又经济地去除富营养化原水的藻类是当前饮用水处理的热点之一。在除藻实践和研究中,水中不同的藻类通常被不加区分地视为一个整体去除对象。然而原水中不同藻类之间存在的生理或生态特征差异,可导致同一工艺对不同藻类去除效率的不同,如混凝工艺对铜绿微囊藻的去除效果就不如绿藻。另外,原水中某些蓝藻能产生藻毒素,除藻工艺选择不当可造成藻毒素的大量释放[4-5]和消毒副产物产生[6],从而威胁饮用水水质安全。因此,有必要对原水中的藻类群落结构特征变化以及相关影响因素进行全面了解。该研究对引滦原水藻类群落结构变化进行了调查,分析了藻类含量、藻类群落结构、生物多样性变化趋势及影响因素,为提高除藻效率和除藻工艺选择的针对性提供了有价值的参考。

1 材料与方法

1.1 样品的取得

在天津某水厂进水口取引滦原水样品,采样时间为2006年2月至2006年10月。

1.2 水质参数的测定

水温、浊度、pH 值、高锰酸盐指数、总磷、叶绿素a等参数的检测均按照国家标准方法进行[7]。

依据《湖泊(水库)富营养化评价方法及分级技术规定》对引滦原水的富营养化水平指数(T LI)进行计算。评价标准:TLI＜30,贫营养,30≤TLI≤50,中营养;50＜TLI≤60,轻度富营养;60＜T LI≤70,中度富营养;TLI＞70,为重度富营养。

1.3 藻类的鉴定与计数

取水样量为1 L,加鲁哥氏碘液固定。从该水样中取500 mL,用醋酸纤维膜(孔径 0.65μm)过滤 。然后将带有浮游植物的滤膜放入50 mL烧杯中,加高纯水定容至30 mL。将该盛有滤膜的烧杯放入超声波清洗器中(CBL,C5860A型)振荡10 min,取出。以微量移液器吸取0.1 mL样品注入0.1 mL藻类计数框(中科院武汉水生所定制),在显微镜(OLYMPUS,BX41型)10×40倍镜下分类计数,其中,对群体水华微囊藻也是按细胞计数。镜检50个视野,根据藻类标准图谱[8]进行鉴定并分别计数各种藻类的数量,再折算出1 L水样中的藻类数量。

1.4 多样性指数的计算

采用Shannon指数表征引滦原水藻类生物多样性,计算方法如下:

式中:H为Shannon多样性指数,S为藻类种数,N为藻类总量,Ni为第i种藻的藻类含量。

以多样性指数判断污染程度的标准:当H为0～1时,说明水体受到严重污染,当H为1～2时为中等污染,当H为2～3时为轻度污染,当H大于3时说明水体比较清洁。

2 结果与分析

2.1 引滦原水水质

引滦原水水温呈现春季上升,夏季最高,秋季下降的趋势,如表1所示。其中8月份平均水温最高,达27.3℃,最高水温(28.2℃)出现在8月中下旬。引滦原水的pH值在2月-4月间是上升的,但从4月下旬开始,pH值呈现与水温相反的变化趋势。随着水温上升,浊度也在上升,并在春季4月份出现一个小高峰,峰值出现在9月。高锰酸盐指数变化幅度并不大,总磷的高峰期出在夏季,二者的变化趋势与浊度相似。

基于总磷和高锰酸盐指数计算得到的富营养化水平指数(TLI)表明,引滦原水处于中营养～轻度富营养状态,见表1。关于水质变化,将在下文中结合藻类进行深入讨论。

表1 引滦原水水质逐月变化

2.2 引滦原水中的藻类

取样期间,在引滦原水中检出藻类共7门43属68种,其中蓝藻门7属11种,绿藻门21属36种,硅藻门7属10种,隐藻门1属1种,裸藻门5属8种,甲藻门1属1种,黄藻门1属1种。藻类组成的逐月变化见表2。需要注意的是,在Palmer[9]所列的能耐污的20个属中,引滦原水中就检出13属。

表2 引滦原水藻类组成逐月变化

引滦原水中以绿藻最为常见。在9个月的研究过程中,每个月都出现的藻种类中属于绿藻的有小球藻、细小四角藻、直透明单针藻和四尾栅藻,属于蓝藻的有水华微囊藻。出现过7～8个月的藻种类属于裸藻的有不定囊裸藻,属于硅藻的有短线脆杆藻、梅尼小环藻、短小舟形藻,属于绿藻的有纤细角星鼓藻、三角四角藻、扭曲蹄形藻、布朗单针藻、集球藻、单角盘星藻、二角盘星藻纤细变种、丰富栅藻、双对栅藻和球衣藻。

结合表1和表2分析可知,引滦原水中检出的藻类种数与水温有一定的相关性,水温高的月份检出的藻类种数多,水温低的月份检出的藻种数相对较少。

2.3 藻类含量及群落结构变化过程

由于引滦原水中叶绿素a与藻类总量变化趋势相似,因此下文将重点分析藻类含量(C)及群落结构变化。

取样期间,引滦原水藻类群落结构呈现季节性的演替过程。如图1所示(横坐标中(m-d)表示月-日),引滦原水中春季及秋季以绿藻为优势类群,藻类含量较低;夏季时蓝藻为优势类群,藻类含量高。

图1 2006年引滦原水藻类含量变化

根据上述特点,按照春季(7月3日之前)、夏季(7月 3日-9月26日)和秋季(9月26日之后)分段描述引滦原水藻类群落结构变化过程。

2.3.1 春季(7月3日之前)

如图1及表3所示,虽然水温持续上升,然而引滦原水春季藻类含量较低,平均含量为189.4×104cells/L。自2月末至4月上旬,引滦原水中藻类含量保持在较低水平,见图2。由于绿藻的恢复性增长,藻类总量在4月份出现一个高峰,达591.6×104cells/L,此后藻类总量又降到较低水平。6月中下旬,当水温上升至25℃附近时,由于蓝藻(特别是水华微囊藻)的增殖,藻类含量有所上升。

表3 2006年春季引滦原水藻类结构

春季引滦原水中检出藻类7门40属61种,其中绿藻是优势类群,硅藻和蓝藻含量次之。裸藻、隐藻、黄藻和甲藻的含量较低。

春季引滦原水中绿藻平均含量为152.7×104cells/L,占藻类总量的比例平均为81.1%,最高值出现在4月份,达569.6×104cells/L,占到藻类总量的96.3%,见图2及图3,共检出绿藻20属34种,优势种有小球藻、细小四角藻、四尾栅藻、球衣藻、双对栅藻等。其中小球藻、四尾栅藻及细小四角藻较为常见。小球藻的平均含量为66.9×104cells/L、四尾栅藻的平均含量为17.4×104cells/L。

图2 2006年春季引滦原水藻类组成变化

如图3所示,春季引滦原水中的硅藻含量及所占比例都比较平稳,其含量平均为16×104cells/L(最高58.7×104cells/L),占藻类总量的比例平均为10.2%(最高29.4%)。共检出硅藻有7属 10种,其中常见的硅藻种类有短线脆杆藻和短小舟形藻,又以短小舟形藻的平均含量最高,为5.1×104cells/L。

图3 2006年引滦原水藻类比例变化图

蓝藻是春季引滦原水中含量占第3位的藻类,占藻类总量的比例平均为5.9%(最高42.6%),共检出蓝藻有4属6种。春季蓝藻的最高含量出现在6月份。

春季引滦原水中裸藻、隐藻、黄藻和甲藻的含量较低,占藻类总量比例的平均值分别为1.5%、1.2%、0.7%以及不到0.1%。春季引滦原水中,共检出裸藻5属8种,隐藻1属1种,黄藻1属1种,甲藻1属1种。

2.3.2 夏季(7月3日-9月26日)

夏季的引滦原水中共检出藻类7门37属55种,比春季少了6种。从藻类总量看,夏季明显高于春季,藻类总量的平均值为2724.8×104cells/L(最高5933×104cells/L),是春季藻类总量平均值189.4×104cells/L的14.4倍。所以,也可称夏季为高藻期。

蓝藻在夏季引滦原水中占绝对优势地位,其占藻类总量的比例在53.3%～98.1%之间,平均为90.0%,见图3、图4及表4。蓝藻含量在夏季的平均值为2587.6×104cells/L(最高5810.8×104cells/L)。

图4 2006年夏季引滦原水藻类组成变化

夏季引滦原水中共检到蓝藻7属11种,其中以水华微囊藻和圆胞束球藻比较常见,它们的平均含量分别为2320.8×104cells/L和168.3×104cells/L。

表4 2006年夏季引滦原水藻类结构

蓝藻在夏季引滦原水中成为优势类群是高温条件下水华微囊藻大幅增殖并发挥竞争优势的结果。多项研究[10-11]表明,水温高于25℃是微囊藻水华暴发的重要条件。有研究表明,微囊藻通过分泌藻毒素可以抑制绿藻的生长,甚至微囊藻还可以抑制鱼腥藻的生长[12]。在培养小球藻和铜绿微囊藻时,虽然小球藻最初对磷的利用效率和生长速度都高于铜绿微囊藻,但最后还是铜绿微囊藻占优势地位[13]。而铜绿微囊藻与栅藻共培养时,铜绿微囊藻在高温条件下获得了优势地位[14]。在6月下旬水温上升到25℃左右时,引滦原水中的水华微囊藻开始增殖。随着水温的上升,水华微囊藻的含量开始快速增加,到7月3日,水华微囊藻含量占引滦原水藻类含量的50.3%,成为优势藻,而蓝藻也取代了绿藻在原水中的优势地位。整个夏季看,水华微囊藻占引滦原水藻类总量比例的平均值为80.9%,占蓝藻含量比例的平均值为89.7%。

由于水华微囊藻的竞争抑制作用,夏季引滦原水中的绿藻含量明显低于春季,平均含量为125.6×104cells/L(最高229.8×104cells/L),占藻类总量的比例也降为7.9%。夏季引滦原水中共检到绿藻19属29种,其中以四尾栅藻、双对栅藻、细小四角藻、小球藻、单角盘星藻比较常见。

硅藻在夏季引滦原水中藻类含量占第3位,夏季引滦原水中共检到硅藻6属9种。其中以短线脆杆藻、梅尼小环藻和窄异极藻较为常见。裸藻、隐藻、黄藻和甲藻在夏季引滦原水中占藻类总量的比例都低于0.5%。在夏季引滦原水中共观察到裸藻2属 3种,隐藻 1属种,黄藻1属 1种,甲藻 1属1种。

2.3.3 秋季(9月26日之后)

秋季采样虽然只有两次(10月9日与10月12日),但也能大致反映秋季引滦原水藻类群落结构特征。水温下降不再适合微囊藻生长[15],导致水中微囊藻含量急剧下降,因而引滦原水藻类总量下降为145.5×104cells/L。而绿藻含量受水温影响不大,仍保持在100～200×104cells/L左右。绿藻在秋季引滦原水中重新成为为优势类群,藻类群落结构特征与春季相似,如表5所示。秋季引滦原水中共检出藻类15属18种。

表5 2006年秋季引滦原水藻类结构

2.4 藻类生物多样性

生物多样性是测量生态系统中有机体间相对多样性的尺度。原水的藻类生物多样性指数在一定程度上能够反映水体污染程度。该研究采用广泛应用的Shannon指数表征藻类生物多样性,该指数包含了物种丰富性和物种均匀性2方面的信息。对引滦原水藻类的Shannon指数进行计算的结果如图5所示。

图5 2006年引滦原水藻类多样性指数变化

引滦原水藻类的Shannon指数在春季、夏季和秋季的平均值分别为2.03、0.855和2.193。根据多样性指数的评价标准,引滦原水在春秋季属于轻度污染,而夏季属于严重污染。从表2可知,夏季的引滦原水中藻类种数明显高于春季,然而多样性指数却降到最低。这是因为春季绿藻优势类群由多种藻类组成,藻种之间保持了相对均匀,而夏季水华微囊藻的大量增殖影响了这种均匀,从而导致群落结构不平衡。引滦原水多样性指数和水华微囊藻含量之间呈显著的负相关关系(r=-0.793,p＜0.001),水华微囊藻的大量增殖导致了多样性指数的降低。

2.5 水质与藻类的相互影响

由前述可知,水温对引滦原水藻类群落结构的变化有重要影响。水温相对较低的春季和秋季,引滦原水中绿藻为优势类群、藻类含量相对较低;而水温较高的夏季,蓝藻为优势类群、藻类含量相对较高。这种趋势性的判断也得到了Pearson相关性分析的数据支持。如表6所示,水温同藻类总量,蓝藻含量及叶绿素a含量有显著的正相关关系,同绿藻呈弱的负相关关系。由于蓝藻对高水温的适应和竞争优势的发挥,水温升高促进了蓝藻、藻类总量和叶绿素a含量的升高,而导致绿藻含量有所下降。

表6 引滦原水藻类含量与水质参数相关系数

在2月-4月间,引滦原水pH值随着藻类的复苏性增长而升高。但此后pH值与藻类含量并未呈正相关关系。一般情况下,由于藻类光合作用消耗CO2,藻类含量增加导致pH值升高,即藻类含量与pH值之间呈现正相关关系。然而,由表6可知,引滦原水藻类总量、蓝藻及叶绿素a含量同pH值呈负相关关系。为进一步了解水温、藻类总量对pH值的影响,进行了偏相关分析。首先控制藻类总量的影响,对水温和pH值进行偏相关分析,二者呈负相关关系(r=-0.555,p＜0.01);控制了水温的影响后,对藻类总量和pH值进行偏相关分析,二者无相关关系(r=-0.047,p=0.648)。偏相关分析表明,藻类总量对引滦原水pH值并无影响,而水温与pH值有一定的相关性,这仍与其他水体中的常见趋势不同。推测原因,可能是由于在长距离引水的某个环节中其他因素影响了引滦水的pH值,从而破坏了自然水体中藻类总量与pH值之间固有的相关关系。

浊度与总磷这2项参数与藻类总量、蓝藻、硅藻及叶绿素a含量呈正相关关系。然而控制了水温的影响,分别对浊度与藻类总量以及总磷与藻类总量进行偏相关回归分析之后发现,浊度与藻类总量仍然呈正相关关系(r=0.465,p＜0.01),总磷与藻类总量之间几乎没有了相关关系(r=0.120,p=0.29)。这是由于水温升高导致了浊度和藻类含量的同步增加,而浊度升高并不影响蓝藻的增殖。偏相关分析表明,总磷并不是引滦水中藻类含量增加的限制性因素,与前述富营养化水平指数(TLI)分析结果一致。

氮和磷是对藻类的生长有着决定性的影响营养元素,很多情况下,藻类的生长处于氮限制或磷限制的状态。如表1所示,引滦原水处于中营养-轻度富营养状态,藻类生长过程中营养充足甚至相对过剩。因此,文中引滦原水的高锰酸盐指数、氨氮和总溶解性磷等参数与藻类含量之间没有表现出明显的相关性,是可以理解的。

需要指出的是,这里的相关分析是指线性相关,上述的相关性较弱或无相关性都是从线性相关而言,并不表示它们之间不存在更为复杂的非线性相关关系。

3 讨论

引滦原水藻类群落结构变化有很强的季节特点,春季以绿藻为优势类群,虽然在4月份出现过一个复苏性的藻类小高峰,但整个春季中引滦原水藻类含量平均小于200×104cells/L,这个含量不影响给水处理工艺的正常运行。到了夏季,由于水华微囊藻的大量增殖,蓝藻成为优势类群,引滦原水藻类含量平均达到2748.8×104cells/L,最高时曾接近6000×104cells/L,如此高的藻类含量当然会影响给水处理工艺的正常运行。由于水温降低,秋季中蓝藻优势不再,绿藻重新成为优势类群,藻类含量也降低到不再明显影响给水处理工艺正常运行的水平。因此,对于引滦原水,应该针对夏季以微囊藻为优势藻的高藻期进行除藻研究或除藻方案制定,并且在选择有可能破坏蓝藻细胞的除藻工艺(如预氧化)时应该特别慎重。

4 结论

根据对引滦原水藻类群落结构的调查及分析,可以得出如下结论:

1)引滦原水中温度对藻类群落结构变化有重要影响。引滦原水中的藻类在春、秋季以绿藻为主,藻类含量较低;夏季由于水华微囊藻的大幅增殖,蓝藻成为优势类群,藻类含量较高。

2)夏季水华微囊藻的大幅增殖导致引滦原水藻类生物多样性指数下降。

3)总磷不是引滦水中藻类含量增加的限制性因素,pH值与藻类群落结构变化之间也未体现出自然水体中常见的相关关系。

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