嘉陵江重庆出口段小环藻水华影响因素分析

2016-05-25袁绍春张腾璨

重庆交通大学学报(自然科学版) 2016年6期

关键词：朝天门水华嘉陵江

王敏，袁绍春，徐炜，张腾璨

(1. 重庆交通大学河海学院水利水运工程教育部重点实验室，重庆 400074；2.成都市市政工程设计院，四川成都 610015)

嘉陵江重庆出口段小环藻水华影响因素分析

王敏1，袁绍春1，徐炜1，张腾璨2

(1. 重庆交通大学河海学院水利水运工程教育部重点实验室，重庆 400074；2.成都市市政工程设计院，四川成都 610015)

环境工程；小环藻；富营养化；环境因子；相关分析

0 引言

富营养化是江河出口和海湾常见的环境问题之一[1-4]。富营养水体在适宜的温度、光照、盐度、溶解氧等理化条件下，容易导致一些藻类密度急剧上升从而暴发“水华”。藻类大量繁殖后，水体中营养盐随之消耗殆尽，藻类继而大量死亡，向水体释放生物毒素引起水质败坏；同时藻类在腐败、被分解的过程中消耗大量的溶解氧造成水体发臭，鱼类贝类等水生生物缺氧死亡，给生态资源带来严重危害，直接威胁人类的健康和生存。三峡库区蓄水后，库区各支流持续发生小环藻水华现象[5-7]。2004年2月和2005年3月香溪河、大宁河的部分支流发生了小环藻水华现象，叶绿素含量从2 μg/L增至20～30 μg/L，2004年长江和嘉陵江交汇段硅藻中小环藻的出现频率为78%，且在春季活动最为频繁[8-11]。调查显示，2008年3月，嘉陵江磁器口段小环藻密度达到了269×104个/L，占同期总藻数量的92%，远超过浮游植物<100×104个/L的湖泊富营养化标准值。嘉陵江出口段是重庆主城区的重要饮用水源，藻类“水华”现象的发生势必增加饮用取水的风险。国内外对湖泊、水库常见蓝藻(Arthrospira platensis、Aphanizomenon gracile、Pyrodinium bahamense)的水华及其毒性研究较多，对江河小环藻“水华”原因的研究相对滞后[12-14]。笔者利用SPSS18.0软件分析2010—2013年嘉陵江出口段小环藻水华与各环境因子的相关性，并结合偏相关分析摒除各因素之间交互影响[15-17]，旨在找出影响小环藻水华的关键因子，为进一步研究该水域“水华”暴发机理提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 样品的采集与处理

样点布置：共设5个采样点，样点位置如图1，样点属性如表1。

图1 嘉陵江出口段布点Fig.1 Distribution of sampling points in the outlet section of Jialing River

表1 采样点位属性

实验仪器：SWJ-73型深水采样器，MOTIC BA200光学显微镜，Hitachi S-3400N扫描电子显微镜。

水样采集处理：距离岸边1～2 m处进行样品采集。每采样点设2个取水断面，用500 mL采水器分别采取水面下20，40 cm处水样，然后将2个取水断面的4种水样混匀带回，取出混合水样500 mL用10%鲁格试剂7.5 mL固定，静置24 h。

采样时间及采样频率：以周期性监测水体为研究宗旨的采集工作，采样频率一般都是采用多年周期性采样。如每月采样4次，在藻类水华月份增加到每隔2或3 d一次，采样时间为早晨09：00—10:00。

1.2 研究方法

1.2.1 藻种镜检与计数

利用MOTIC BA200光学显微镜进行藻类鉴定[18]、计数[19]，每个混合样重复3次，结果进行平均处理，每次镜检结果与平均值的误差不得大于10%。电镜照片委托中国科学院水生生物研究所拍摄。

1.2.2 各水质指标检测方法

表2 水质指标检测方法[19]

1.2.3 相关性分析方法

笔者在进行嘉陵江出口段各理化因子与小环藻藻密度相关性研究时，运用SPSS18.0软件进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 调查结果

2.1.1 各采样点环境因素指标结果

三峡库区从1月底2月初开始排水清库，1—4月水库水位持续下降阶段，为水库消落期[20]；5月汛期之前水位降至防洪蓄水位145 m。为了突出消落期与其他时段的水文及藻类生长现象的区别，将全年划分为两个时段分别叙述，见表3。

表3 2010—2013年嘉陵江出口段各理化因子变化范围

(续表3)

时段采样点TN/(mg·L-1)TP/(mg·L-1)v/(m·s-1)T/℃NTUTN/TP消落期(1—4月)朝天门左岸2．14±0．780．13±0．050．20±0．1013．61±3．8247．15±17．9417．63±11．36朝天门右岸1．91±0．290．12±0．040．06±0．0213．71±3．6752．63±20．5118．27±10．73汛期及蓄水期(5—12月)磁器口左岸1．79±0．500．25±0．290．22±0．1822．72±5．24177．49±189．5616．55±14．77磁器口右岸1．85±0．340．25±0．270．22±0．1122．55±5．26144．85±135．1015．05±10．43华龙桥右岸2．04±0．520．25±0．200．14±0．1122．62±4．98148．02±153．6312．62±8．18朝天门左岸1．76±0．510．26±0．270．15±0．0922．40±5．09136．70±133．7613．52±10．95朝天门右岸1．88±0．380．25±0．280．11±0．0522．40±5．06138．36±140．6814．23±8．81

注：表中数据为2010—2013年各点理化指标均值±标准差。

由表3可见，1—4月嘉陵江出口段流量小，受长江高水位的顶托作用流速较缓(均值为0.02～0.20 m/s)，泥沙下沉，浊度降低(均值为45.97～52.63)，水体透明度增加，水体对污染物的稀释能力降低，TN均值为1.77～2.17 mg/L，TP均值为0.11～0.15 mg/L。TN/TP均值范围为14.59～20.68。TN、TP含量均已超过湖泊富营养化标准。5—12月水体流速加大(均值为0.11～0.22 m/s)，浊度增高(均值为136.70～177.49)，水体稀释能力增强，TN均值降低(1.76～2.04 mg/L)；水体中泥沙含量增加使TP均值含量升高(0.25～0.26 mg/L)。氮磷比平均值降低为12.62～12.55。各样点间理化指标的差异性见表4。

表4 各样点差异性的F检验

注：**为在0.01水平(双侧)上显著差异；*为在0.05水平(双侧)上显著差异。(下同)

各样点间在不同时段流速v均差异较大，p<0.05说明各样点流速的平均值不全相等。布点位置决定各样点存在差异性，化龙桥右岸为流速最大点，磁器口左岸和朝天门左岸两个参照点流速最小。各样点其余理化指标全年差异性不大，说明2010—2013年中除流速外其余理化指标各样点变化趋势一致。

2.1.2 “水华”优势藻种

嘉陵江出口段全年共鉴定出浮游植物6门32属59种(含变种)，包括硅藻门14属37种，占68.8%；绿藻门12属15种，占20.4%；甲藻门2属2种，占3.1%；隐藻门2属2种，占1.2%；裸藻门1属1种，占2.9%；金藻门1属2种，占3.6%。2011年2—4月期间，硅藻门优势种比例迅速增至总藻数量的85%～94%，占绝对优势，其余各类藻种总和均降至6%～15%。

图2为嘉陵江出口段“水华”优势藻种为硅藻门(Bacillariophyta)，中心纲(Centricae)，圆筛藻目(Coscinodiscales)、圆筛藻科(Coscinodiscaceae)、小环藻属(Cyclotella)，中的星肋小环藻(Cyclotella asterocoststs)[21]。扫描电镜观察显示，该藻为单细胞体，壳体呈圆盘形，呈同心波曲；细胞直径大约在20～35 μm，边缘区与中央区具排列整齐的辐射状肋纹，见图3。

图2 水华小环藻光学显微镜照片(40倍)

图3 水华硅藻扫描电镜照片(2 500倍)

2.1.3 优势藻种“水华”规律

小环藻水华呈现明显的规律性。每年早春(1月下旬—3月上旬)发生水华，水华期间占总藻密度的60%～80%。一个月内迅速成为嘉陵江出口段水域中的优势藻种并有明显峰值，2011年3月，磁器口右岸和朝天门右岸两个采样点总藻数量分别达到379.71×104和312.18×104个/L，小环藻数量均超过100×104个/L。3月份之后水华现象迅速消失；同期4月—12月间，小环藻小环藻属数量均稳定在104个/L以下，次年春季再次水华。

2.2 各理化因子与小环藻密度的相关性分析

本节通过相关分析研究小环藻数量与各理化因子之间的密切程度。小环藻与各理化因子之间线性相关程度由相关系数r描述；并通过偏相关分析摒除由于各因素之间交互影响而呈现的“假性相关”现象。相关性分析结果见表5。

表5 小环藻与各理化因子相关性分析表

2.2.1 流速与小环藻数量的相关性分析

显著性水平p=0.071>0.05,表示流速与小环藻数量相关性不显著。但r=-0.153<0,表示小环藻数量与流速呈反比，与实际情况一致。磁器口和朝天门对岸两个参照点流速较缓，小环藻数量较高；化龙桥流速较快，小环藻数量未大量聚集就可能已被水流冲至下游，因而藻类数量较低。三峡水库175 m高水位时嘉陵江出口段流速约为0.02 m/s，属于富营养化敏感水体(v<0.04 m/s)[22]，缓慢的流速是形成水华的必要条件，这与T.DJAKOVAC等[23]的研究结果类似。

2.2.2 浊度与小环藻数量的相关性分析

J.ENGSTRÖM-ÖST等[24]认为，水体中藻类大量繁殖将导致浊度升高，反过来对藻类光合作用产生消极影响，但嘉陵江出口段水体中浊度变化主要是由汛期水体中的泥沙受水体流速扰动引起。浊度与小环藻密度相关性不显著，p=0.054>0.05。当水体中泥沙下沉时，小环藻会获得更多光照，增加光合作用。因此，浊度降低对小环藻“水华”具有一定的促进作用。

2.2.3TN，TP与小环藻数量的相关性分析

营养盐限制理论认为水体中无机氮和磷的比为16∶1(Redfield-ratio)时最适合藻类等浮游生物生长，TN或TP均有可能成为限制因子[25-27]。1—4月嘉陵江水体TN/TP>16，磷处于相对缺乏状态，但表4中TN,TP,TN/TP均未表现出与小环藻数量显著相关(p>0.05)。可能是由于限制藻类生长的关键营养盐并不是TN和TP，而是能被藻类直接吸收利用的溶解态的磷酸根和无机氮。汛期后，TN/TP<16，此时磷相对充足，氮的缺乏可以由浮游生物的固氮作用弥补[28]，但小环藻最适宜生境为β-中污带水体，水流缓慢的河流及溪流中。因此，汛期嘉陵江水域的过高流速已不适合小环藻的聚集繁殖。结合小环藻生态特性可知，充足的营养盐结合小环藻生长的适宜生境才能造成水华暴发，使小环藻在适宜的生境(1—4月)迅速繁殖。

2.2.4 光照时间与小环藻数量的相关性分析

光照是影响藻类生长繁殖的重要的生态因子之一，也是其生长的主要能量来源[29]，500～5 000 lx均为藻类生长的适合光照强度[30]。2010—2013年消落期(1—3月)5个采样点的平均光照时间均约为11.25 h，平均有效光合强度为1 400 lx；秋季(9—11月)，同样光照时间，平均有效光合强度为3 307 lx。在光照时间一致，光照强度适宜的条件下小环藻却并未水华。因此，偏相关性的分析结果更可靠，即在排除了其他理化因子的相互作用之后小环藻数量与光照时间并无相关性(p=0.711>0.05)。适宜的光照是小环藻生长的前提条件但并不是其春季“水华”的限制因子。

2.2.5 水温与小环藻数量的相关性分析

3 结论

1) 嘉陵江出口段早春水华的优势藻种为硅藻门(Bacillariophyta)，中心纲(Centricae)，圆筛藻目(Coscinodiscales)、圆筛藻科(Coscinodiscaceae)、小环藻属(Cyclotella)中的星肋小环藻(Cyclotella asterocoststs)。

2) 2010—2013年消落期(1—4月)，小环藻数量迅速增至总藻数量的85%～94%。4月之后水华现象消失直至次年消落期再次发生。

3) 相关性分析表明，水温与小环藻水华显著相关。春季为小环藻的适宜生长环境，较低的观测水温(8.5～11.5 ℃)，缓慢的流速(0.01～0.29 m/s) ，足够的光照时长(11.25 h)，合理的营养盐分配才有可能发生小环藻水华。

在藻类 “水华”相关研究中建议加强溶解态的磷酸盐和无机氮含量的监测并分析其与春季嘉陵江重庆出口段星肋小环藻水华的相关性。

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Influence Factor Analysis on Cyclotella Bloom of Jialing River Estuary in Chongqing

WANG Min1, YUAN Shaochun1, XU Wei1, ZHANG Tengcan2

(1. Key Laboratory of Hydraulic and Waterway Engineering of the Ministry of Education, School of River & Ocean, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, P. R. China; 2. Chengdu Municipal Engineering Design Institute, Chengdu 610015, Sichuan, P.R.China)