三峡水库神农溪2008年夏季铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)水华暴发特性*

朱孔贤，毕永红，胡建林，3，艾 鹰，胡征宇＊＊

(1:中国科学院水生生物研究所淡水生态与生物技术国家重点实验室，武汉430072)

(2:中国科学院研究生院，北京100049)

(3:宁波环境监测中心，宁波315012)

三峡水库神农溪2008年夏季铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)水华暴发特性*

朱孔贤1，2，毕永红1，胡建林1，3，艾 鹰1，2，胡征宇1＊＊

(1:中国科学院水生生物研究所淡水生态与生物技术国家重点实验室，武汉430072)

(2:中国科学院研究生院，北京100049)

(3:宁波环境监测中心，宁波315012)

对三峡水库一级支流神农溪2008年夏季蓝藻水华进行调查，结果表明神农溪蓝藻水华优势种是铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)，暴发水域面积约0.2 km2，持续时间约50 d.本次水华暴发与水体总磷浓度呈正相关，温度、降雨、光照和营养盐等对水华暴发具有重要影响.研究发现尽管神龙溪水域总体处于中－富营养状态，但局部水域由于水流缓慢、水体滞留时间长、营养稀释扩散速率小，在夏季出现富营养化状态，这是蓝藻水华暴发的根本原因.建议开展包括流域综合治理在内的环境整治，确保神农溪水体生态环境的稳定.

神农溪;铜绿微囊藻;蓝藻水华;富营养化;三峡水库

三峡工程自2003年蓄水以来，已有12条一级支流不同程度地出现富营养化及“水华”现象［1］，特别是2007年冬季大宁河［2-3］、2008年夏季香溪河［4］和神农溪出现微囊藻(Microcystis)水华之后，三峡水库的蓝藻水华问题更是引起人们的广泛关注.

国内外已有许多关于蓝藻水华发生机理的理论或假说［5］.Schindler用实验证明淡水水体中TN/TP为15时易出现束丝藻水华［6］.Smith认为TN/TP不能超过29，适宜蓝藻生长的TN/TP较低，为10～16，而适宜真核藻类生长的比率为16～23［7］.Reynolds等根据气囊浮力理论绘制了铜绿微囊藻年生活周期图，认为蓝藻细胞通过气囊或气囊群调节沉浮在其年生活周期中起着重要的作用［8］.Robarts等则认为蓝藻水华的发生主要是由水温升高引起的［9］.国内对太湖蓝藻水华研究发现，气温偏高、光照充足以及降水量偏少等是造成太湖蓝藻水华暴发的主要因素［10-11］.孔繁翔等针对大型浅水富营养化湖泊提出了蓝藻水华成因的四阶段理论假说，即在四季分明、扰动剧烈的长江中下游大型浅水湖泊中，蓝藻的生长与水华的形成可以分为休眠、复苏、生物量增加(生长)、上浮及聚集4个阶段，每个阶段中蓝藻的生理特性及主导环境影响因子有所不同［12］.

神农溪是三峡水库巴东段最大一级支流，发源于神农架，自北向南流程90多千米，于巴东县西壤口注入长江.神农溪是长江三峡旅游线上5大景点之一，现已开发为国家5A级景区，2007年接待中外游客逾30万人次.同时它也是“引江补汉”工程的源头.目前关于神农溪水环境的研究较少，本研究旨在通过调查监测神农溪2008年夏季微囊藻水华暴发及消亡期间浮游藻类的种群演替、数量变化以及同期的水体理化指标等，了解水体的营养状况和微囊藻水华生消过程的基本特征，探讨水华发生的潜在原因，鉴此对神农溪水环境的综合治理提供意见和建议.

1 材料与方法

1.1 采样点设置

采样点共有7个，主要设置在神农溪中下游回水区域，包括S1河口、S2龙船河、S3疑无路、S4燕子阡、S5绵竹峡、S6罗坪和S7瑶家滩(图1).由于S7瑶家滩处于回水末端，属上游自然河道来水，水温比其它采样点低5.8～12.0℃，且水深不足3 m(三峡大坝水位为145.8 m时)，水流较快，泥沙含量较高，浊度显著偏大(P＜0.05)，所以在营养盐分析及除趋势典型对应分析(DCCA)时只选取回水区S1～S6采样点的数据.

图1 神农溪采样点设置Fig.1 Sampling sites in Shennong River

1.2 样品的采集、处理及分析

分别于2008年6月25日(三峡大坝水位145.8 m)，7月28日(三峡大坝水位145.9 m)，8月21日(三峡大坝水位145.8 m)进行采样.采样后，现场测定透明度(SD)、气温、水温(WT)、溶解氧(OD)、电导率(Cond)、pH和浊度(Turb).定性样品用25#绢网捞取，定量样品用5 L采水器取水面以下0.5 m水样1.2 L，用鲁哥氏液现场固定并沉淀浓缩至30 ml，在Olympus BX 41显微镜下用浮游植物计数框(0.1 ml)计数［13］.藻类种类鉴定参照文献［14］.

1.3 数据分析

1.3.1 多样性指数 用Shannon-Wiener指数(H')计算浮游植物多样性［16］，公式为:H'=－∑Pilog2Pi，式中，Pi=Ni/N，N为同一样品中的物种总数，Ni为第i种的个体数.

1.3.2 营养状态指数 采用Chl.a、SD及TP指标分析神农溪6－8月富营养化时空分布状况，选用Carlson提出［17］经 Aizaki修订［18］的营养状态指数(Trophic State Index，TSIM)法.各指标计算公式分别为:

式中，TSIM为综合营养状态指数，W(X)为上述三参数的权重，即 W(Chl.a)=54.0%，W(SD)=29.7%，W(TP)=16.3%.评价标准为 TSIM＜30为贫营养，30≤TSIM＜50为中营养，TSIM≥50为富营养［19-20］.

1.3.3 除趋势典型对应分析 数据统计分析时使用软件SPSS 13.0，P＜0.05时具有显著性.并利用Canoco for Windows 4.5软件对数据进行除趋势典型对应分析(DCCA)，研究神农溪浮游植物群落与环境因子的关系.分析过程中选择2nd Polynomials进行除趋势，保留8个环境因子和11属(门)浮游藻类，对物种数据不进行转换.

2 结果与分析

2.1 浮游植物组成与变化

对神农溪6－8月各采样点浮游植物进行分析，结果表明(图2)，6月神农溪暴发微囊藻水华，水华优势种为铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa).S1河口受长江干流影响，而S7瑶家滩属上游来水，两者均含较多泥沙、生物量低，浮游藻类以硅藻为主;中游S2～S6样点微囊藻细胞密度均超过107cells/L，在总细胞密度中所占比重也均超过76%.水华最严重的S6罗坪点则达到1.8×108cells/L，所占比重达95%.7月神农溪优势种仍然是微囊藻，但其细胞密度有所下降，仅S2龙船河微囊藻细胞密度超过107cells/L;同时微囊藻所占比重最大也没有超过57%，其它藻类如实球藻(Pandorina)、小环藻(Cyclotella)、隐藻(Cryptomonas)等比重有所增加.8月神农溪微囊藻显著减少，其细胞密度不超过106cells/L，所占比重不足6%，藻类优势种变为针杆藻(Synedra).在6－8月微囊藻水华从暴发到消退的过程中，蓝藻(主要是微囊藻)显著减少，而硅藻逐渐增加，同时绿藻、隐藻和甲藻均有所增加(图3)，神农溪的物种多样性也随水华消退逐渐增加，6－8月Shannon-Wiener指数分别为 0.82、2.11、2.80.

图2 神农溪6－8月各采样点藻类细胞密度变化Fig.2 The variations of the density of algae from June to August of each sampling site in Shennong River

图3 神农溪6－8月各门藻类所占比重Fig.3 Phytoplankton compositions from June to August in Shennong River

2.2 营养盐及叶绿素a变化

神农溪6－8月TN浓度月平均值分别为2.549±0.489、1.934 ±0.162 和2.937 ±0.233 mg/L，TP 浓度月平均值分别为0.116 ±0.040、0.106 ±0.019 和0.048 ±0.056 mg/L，TN和TP含量均超过国际公认的富营养化阈值(TN=0.2 mg/L，TP=0.02 mg/L)［21］.

从叶绿素a浓度评价标准看，小于3 μg/L的水体为贫营养，3～7 μg/L为中营养，7 ～40 μg/L 为富营养，大于 40 μg/L 为重富营养［22］，而本次采样神农溪6－8月Chl.a浓度月平均值分别为 17.54 ±13.27、11.91±5.73和 23.60 ±4.12 μg/L，除 6 月份 S1 河口样点较低外(图4)，其它均处于富营养水平.进一步统计表明:8月份TN和Chl.a浓度较7月均显著升高(P ＜0.05，P ＜0.01)，而 TP浓度6、7月份无显著差异(P ＞0.05)，到 8月份则显著下降(P ＜0.05)，同时8月份浓度较6月份也显著下降(P＜0.05).

分析Chl.a与TP等理化因子相关性发现(表1):Chl.a与pH、DO呈极显著正相关(P＜0.01)，相关系数分别为0.642和0.709.Chl.a表示浮游植物的生物量，Chl.a浓度越高藻类生物量越高，光和作用过程中消耗更多的CO2导致水体pH值升高［23］，同时释放出更多的O2使水体中DO升高.另一方面，Chl.a与TN呈显著正相关(P＜0.05)，生物量的增加使氮富集进而使TN增加.而WT在6－8月无显著变化，Chl.a与WT的相关性无实际意义.

图4 神农溪6－8月TP、PO3－4-P、TN、NO－3-N和Chl.a含量变化Fig.4 The variation of concentrations of TP，PO3－4-P，TN，NO－3-N and Chl.a from June to August in Shennong River

表1 水体各理化因子Pearson相关系数Tab.1 Pearson correlations among chemical and physical factors

2.3 营养状态指数时空变化

根据TSIM法计算神农溪6－8月各采样点营养状态指数并进行营养状态分级，结果表明神农溪总体处于中－富营养状态(表2).上游S7瑶家滩样点叶绿素水平较低，但水体泥沙较多、透明度偏低，处于中营养状态.下游S1河口样点靠近长江，6月份叶绿素较低，处于中营养状态，7、8月份叶绿素含量升高，呈富营养状态.中游S2～S6浮游藻类大量生长，Chl.a浓度较高，一直处于富营养状态.

表2 TSIM的计算结果Tab.2 Results of TSIM

图5 种群多度与环境因素DCCA双轴排序图Fig.5 DCCA ordination biplots of species density and environmental variable

2.4 DCCA 分析结果

DCCA排序中总特征值为0.804，其中前两个排序轴的特征值分别为0.548和0.042，分别解释了68.2%和5.2%的藻类群落变化，四个排序轴累计解释77.2%的藻类群落变化，排序结果较好地解释了藻类群落与环境因子的关系.选取的8个环境因子中TP、、TN/TP和Cond与物种第一轴呈显著相关(P＜0.01)，相关系数分别为 －0.704、0.600、0.784 和 －0.790.DO 与 WT 则与物种第二轴呈显著负相关(P ＜0.01)，相关系数分别为 －0.549 和 －0.595.

3 讨论与结论

3.1 神农溪微囊藻水华基本特性

本次神农溪微囊藻水华暴发水域面积约0.2 km2，主要集中在S6至S5绵竹峡河段，其中S6点最为严重，是水华的发源地，向下游微囊藻生物量及比重逐渐减少.水华优势种是铜绿微囊藻，其它包括水华微囊藻(Microcystis flos-aquae)、史密斯微囊藻(Microcystis smithii)和惠氏微囊藻(Microcystis wesenbergii)等［25］.这与三峡水库其它支流微囊藻水华种类基本相同，2007年底大宁河微囊藻水华优势种为水华微囊藻和铜绿微囊藻［3］，2008年6月香溪河暴发的微囊藻水华优势种也是铜绿微囊藻［4，26］.2008年夏季神农溪微囊藻水华6月下旬暴发，至8月初完全消退，持续时间约50 d.

3.2 水华暴发的原因

从水体理化指标监测与TSIM分析来看，神农溪水体总体处于中－富营养化状态，上游非回水区及河口水体较好，中游回水区河段处于富营养化状态，营养盐、Chl.a浓度等均严重超标.研究表明，从铜绿微囊藻生长速率来看，其增加速度较快的TP浓度区间为0.005～0.2 mg/L，TN浓度区间为0.01～2 mg/L;从生长量来看，其增加速度较快的TP浓度区间为0.005～1 mg/L，TN浓度区间则为0.01～10 mg/L［27］.另外，从藻类的种群结构和细胞密度来看，神农溪浮游藻类优势种从蓝藻门的微囊藻变为硅藻门的针杆藻.依据藻类生物学评价的观点，作为指示生物微囊藻指示的是富营养型水体，而针杆藻指示中－富营养型水体［28］.神农溪富营养化的水体为微囊藻水华的暴发提供了基本营养条件［29］.同时，神农溪处于三峡水库支流回水区，属湖泊型水体［30］，汛期除上游S7瑶家滩外，回水区河段流速缓慢，水体滞留时间较长，营养稀释扩散速率减缓，加速了营养盐的富集和水体的富营养化.对室内铜绿微囊藻的研究表明，较缓慢的流速和不剧烈的扰动也为微囊藻的暴发与生长提供了合适的生境［31-32］.S6罗坪点属回水淹没农田区，地势开阔，日照时间较峡谷河段更长，也促使其成为水华最早暴发的区域.

巴东所在的恩施州1999－2007年6月份平均气温为24.8℃，平均累计降雨量为178.6 mm，平均雨日为15.6 d.而2008年6月平均气温为25.4℃，累计降雨量为110.6 mm，仅为往年同期的61.9%，雨日仅有10 d.汤溪水库2003年7月降水量异常偏少，较强的水体稳定性导致蓝藻水华相对往年提前暴发［33］，表明降雨对蓝藻水华的暴发具有重要影响.同时6月采样期间神农溪回水区S2～S6样点平均水温高达29.1℃，远高于形成微囊藻水华的适宜温度26℃［34］，也接近室内实验证明的太湖微囊藻的最适生长温度30～35℃［35］.气温偏高、降水量偏少和日照充足都为神农溪微囊藻水华的暴发提供了适宜的条件，这与其他学者关于太湖蓝藻水华暴发的气象学研究结果相一致［10-11］.

有关三峡水库暴发的微囊藻水华已有许多研究.曹承进等研究认为三峡水库大宁河2007年12月至2008年1月微囊藻水华是由于水华区域流速几乎为零、水域开阔、光照充足，加上磷营养盐含量突然升高、pH值8.0～9.5等条件均适宜水华优势种蓝藻微囊藻的生长［2］.杨敏关于三峡水库香溪河2008年夏季微囊藻水华的研究表明，在具备充分的营养盐基础以及较高水温的前提下，香溪库湾前期较低的TN/TP可能是微囊藻复苏的诱导因子，水体较强的稳定性以及较高强度的光照可能是蓝藻水华暴发的关键因子［4］.胡建林关于香溪河上游古洞口二级水库微囊藻水华的调查也表明，水体的富营养化是暴发微囊藻水华的基础［26］.

3.3 神农溪富营养化及微囊藻水华的防治措施

三峡水库蓄水之后，大部分库湾已呈现富营养化态势，多次暴发以甲藻和硅藻为主的藻类水华［36］，而神农溪在2008和2009年均暴发了不同程度的微囊藻水华，必须采取措施加强对神农溪水体富营养化及微囊藻水华的控制与治理.1)采取必要的应急处理.对突发的微囊藻水华，可以采取人工打捞、机械收集、絮凝剂沉降、植物提取物杀藻等应急措施迅速减少微囊藻生物量，但这些都是治标不治本的方法［37］;2)加强流域综合治理.以神农溪小流域为单元，在全面规划的基础上，合理安排旅游、农、林、牧等用地，因地制宜地布设综合治理措施，治理与开发相结合，对流域水土等自然资源进行保护、改良与合理利用［38］.对神农溪而言，沿岸无工业污染，但沿岸乡镇及农村规划较落后，应合理布局城镇结构，增加绿化面积，妥善处理生活污水，避免直排库区.通过改革沿岸耕作方式以及调整化肥营养元素比例等来减少地表径流污染，对回水淹没的消落区进行固磷固氮等处理，从根本上阻断水体富营养化的源头.同时，通过建设浮床、人工湿地、投放鲢鳙等生物措施，减少水体中藻类富集，吸收分解水体营养盐，还应合理开发利用神农溪旅游产业，防止过度开发破坏自然资源，做到可持续发展.

致谢:感谢巴东县神农溪风景管理处在采样过程中提供的便利与协助.

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Characteristics of Microcystis aeruginosa bloom in summer 2008 in Shennong River of Three Gorges Reservoir

ZHU Kongxian1，2，BI Yonghong1，HU Jianlin1，3，AI Ying1，2＆ HU Zhengyu1
(1:State Key Laboratory of Freshwater Ecology and Biotechnology，Institute of Hydrobiology，Chinese Academy of Sciences，Wuhan 430072，P.R.China)
(2:Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，P.R.China)
(3:Environmental Monitoring Center of Ningbo，Ningbo 315012，P.R.China)

An investigation was made to study the variations of the environmental factors and the composition of plankton when Microcystis bloomed in Shennong River which is the primary tributary of Three Gorges Reservoir during June and August in 2008.The results show that Microcystis aeruginosa is the absolutely dominant species forming the algal bloom.The Microcystis bloom lasted about 50 d and covered about 0.2 km2.The biomass of Microcystis are in direct correlation with the total phosphorus.With Three Gorges Dam stored water，the flow velocity of Shennong River has been slowed down greatly and the self-purification ability of the river declined.As a result，nutrient accumulated constantly and causing the water eutrophication.High content of nutrients in the water of Shennong River is the main reason responsible for the algal bloom formation while suitable natural conditions also contribute to the process.Based on the research，we proposed several strategies to mitigate the eutrophication and control algal blooms in Shennong River including pollution control and river ecosystom management.

Shennong River;Microcystis aeruginosa;algal bloom;eutrophication;Three Gorges Reservoir

＊ 国家重点基础研究发展计划“973”项目(2008CB418002)和国家水体污染控制与治理科技重大专项项目(2009ZX07104-005)联合资助.2011－10－15收稿;2011－12－19收修改稿.朱孔贤，男，1985年生，博士研究生;E-mail:zhukx@foxmail.com.

＊＊ 通信作者;E-mail:huzy@ihb.ac.cn.