滇池福保湾水体可溶性无机碳与蓝藻水华的相关性

张彦辉， 匡 武， 杨 劭

(1.安徽省环境科学研究院，安徽合肥 230022；2.华中师范大学生命科学学院，湖北武汉 430079)

Note：* stands for significant correlation(P<0.05); ** stands for extremely significant correlation(P<0.01).



滇池福保湾水体可溶性无机碳与蓝藻水华的相关性

张彦辉1， 匡 武1， 杨 劭2

(1.安徽省环境科学研究院，安徽合肥 230022；2.华中师范大学生命科学学院，湖北武汉 430079)

[目的] 探索蓝藻水华暴发至消亡过程中水体无机碳在水体中的变化规律，为制订对蓝藻水华的有效防治措施提供决策依据。[方法]通过采样分析滇池福保湾生态恢复区水体中无机碳浓度与浮游藻类浓度，研究了富营养化水体中可溶性无机碳的时空动态变化及其相关影响因素。[结果]福保湾水体叶绿素a浓度和CO32-浓度呈极显著正相关(P<0.01)，与水体pH均呈显著正相关(P<0.05)；与CO2浓度均呈极显著负相关(P<0.01)，与总无机碳浓度和HCO3-浓度均呈显著负相关(P<0.05)。[结论]蓝藻水华的生消是导致水体无机碳形态与浓度剧烈变化的重要原因。

滇池；可溶性无机碳；蓝藻水华

滇池是云贵高原第一大湖泊，位于云南省昆明市西南部。福保湾位于滇池东北岸，是由大清河和海河冲击扇包围形成的湖湾，湖岸线长3.16 km，面积约1 km2。目前，福保湾水体富营养化程度日益加剧，由于其原有的湖滩湿地被人为混凝土“防浪堤”替代，冬春季的风浪对湖堤强烈的冲蚀作用，使湖底沿岸带沉积物变得坚硬而贫瘠，水生植被消失，蓝藻水华现象频发，湖泊生态系统受到严重破坏[1]。水体中可溶性无机碳共有3种不同存在形式：自由CO2(溶解于水中的分子形式为CO2和H2CO3)、离子态的HCO3-和CO32-。在滇池富营养化水体中，蓝藻水华的大规模暴发降低了CO2和HCO3-在水体中的浓度，且大气CO2的扩散速率难以满足水华对碳的利用速率，造成水体可利用无机碳水平极低[2-3]。笔者以滇池福保湾生态恢复区水体为研究对象，研究了富营养化水体中可溶性无机碳的时空动态变化及其相关影响因素，探索了蓝藻水华暴发至消亡过程中水体无机碳在自然水体中的变化规律，以期为制订蓝藻水华的有效防治措施提供决策依据。

图1　滇池福保湾采样点分布 Fig.1　The distribution of sampling sites in Fubao Bay,Dianchi Lake

1　材料与方法

1.1样点分布及采样方法福保湾东岸属于一个整体，针对其直立堤岸带水深、水质较差、透明度较低、风浪淘蚀性强，对水生态系统重建尤其是水生植被的恢复短期难以实现的现状，在该区实施了底泥疏挖与吹填示范工程，根据吹填与否把该区域分成2个吹填区(吹填 Ⅰ 区和吹填 Ⅱ 区)；1个非吹填区(非吹填区)和1个未开发区(好望角)。

在福保湾生态恢复区水域共选取11个采样点，分别为吹填I区3个(1～3#)，非吹填区2个(4～5#)，吹填II区3个(6～8#)，区外好望角3个(9～11#)(图1)。统计结果以各区采样点的平均值为标准。2007年3～12月用有机玻璃采样器对滇池福保湾生态恢复区各采样点的表层水进行采集。采样的同时测定水温和pH。采样频率为每月分别2次(由于不可抗力因素，个别月份仅1次)。采样时间为9:00～11:00。

1.2水中无机碳的测定和计算方法按照国标法[4]测定水中碱度，然后按照以下方法计算无机碳浓度[5]：

CT= {[总碱度] +[H+] -[OH-]} /(α1+2α2)

[CO2] =CTα0

[HCO3-]=CTα1

[CO32-]=CTα2

式中，K1、K2分别是H2CO3的一级和二级解离常数，α是碳酸平衡系数，CT是无机碳浓度。

1.3叶绿素a浓度的测定采样后12 h内，采用90%丙酮抽提法测定叶绿素a浓度[6]，用岛津 UV2401 分光光度计测量吸光值。

1.4统计分析采用SPSS 12.0的Spearman相关性分析工具和线性回归分析工具统计数据。

2　结果与分析

2.1福保湾水体叶绿素a的分布及变化从图2可以看出，2007年3～12月吹填 Ⅰ 区和吹填 Ⅱ 区内水体叶绿素a 平均含量较非吹填区和好望角高，平均值分别为249.6和236.4 μg/L；4个采样区域叶绿素a 的变化趋势基本相同，水体叶绿素a从3月份开始升高，在4月中旬到达1个小高峰，然后开始下降至5月中旬最低，这段时间，福保湾水体中主要与水华束丝藻的生消相对应；5月底6月初为水华微囊藻的复苏阶段，7～9月为微囊藻水华的全面暴发阶段，同时水体叶绿素a 在8月中旬达到最大值，随后随时间的推移而下降，10～12月为微囊藻水华的消亡阶段，同时以水华束丝藻为主的浮游藻类再次开始出现[7]。

图2　2007年3～12月福保湾水体叶绿素a的变化情况Fig.2　Changes of chlorophyll a in water of Fubao Bay during Mar.-Del.2007

2.2福保湾水体无机碳、温度和pH的分布及变化从图3可以看出，吹填 Ⅱ 区、非吹填区和好望角水体中福保湾水体中3种形态无机碳含量、总无机碳含量和pH的变化趋势基本相同；之后2007年3～12月3个区水体中总可溶性无机碳、HCO3-和CO2含量在3月保持最大值，然后随着水体中水华束丝藻的生长逐渐降低，到4月中旬伴随水华束丝藻的暴发达到较低值，随后又逐渐上升，之后伴随5月底6月初微囊藻水华的复苏和随后的暴发一直降低，直到11月初开始再次升高；CO32-含量和pH与水体中总可溶性无机碳、HCO3-和CO2含量呈现出相反的变化趋势。

吹填 Ⅰ 区与其他3个区相比有明显不同，可能由于吹填 Ⅰ 区紧邻海河口，水体理化指标受海河水污染的程度严重。2007年3～12月吹填 Ⅰ 区水体中总可溶性无机碳、HCO3-和CO2的平均含量均为最高，分别为1.682、1.557和0.012 mmol/L，CO32-平均含量和pH为最低，CO32-平均含量为0.112 mmol/L，pH平均为9.09。

4个采样区的水温随时间变化趋势基本保持一致，2007年3～12月平均温度大于19.7 ℃。

2.3福保湾水体浮游藻类与无机碳等环境因子的相关性相关性分析结果表明(表1)，非吹填区、吹填 Ⅱ 区和好望角水体叶绿素a浓度和CO32-浓度均呈极显著正相关(P<0.01)，与CO2浓度均呈极显著负相关(P<0.01)，与总无机碳浓度和HCO3-浓度均呈显著负相关(P<0.05)；吹填 Ⅱ 区和好望角水体叶绿素a浓度与水体pH均呈显著相关(P<0.05)，非吹填区叶绿素a浓度与水体pH呈极显著相关(P<0.01)。吹填 Ⅰ 区水体叶绿素a浓度仅与CO32-浓度呈显著正相关(P<0.05)，与其他因子无相关性。4个采样区中只有好望角水体中水体叶绿素a浓度与水温呈显著正相关(P<0.05)。

3　讨论

3.1水体浮游藻类和无机碳等环境因子动态变化成因分析吹填 Ⅰ 区和吹填 Ⅱ 区内水体叶绿素a 平均含量较高的原因可能是围隔的封闭以及与湖湾水体交换缓慢造成。另外，吹填底泥较短时间内稳定性差，易受到风浪的剧烈作用，使底泥中营养盐释放再悬浮，也可能造成浮游藻类的大量生长。海河是福保湾的主要纳污河流之一，也是接纳周边污染物的主要通道之一，水质属于劣Ⅴ类，每年向湖湾排放大量氮、磷等污染物，而吹填 Ⅰ 区的北侧正对海河口，致使该区内水中氮、磷含量较高，为浮游植物的大规模生长提供了营养基础。

每年5～10月是云贵高原地区的雨季，大量降水通过海河汇入福保湾，对福保湾水体尤其是正对海河口的吹填 Ⅰ 区造成影响，造成水体pH降低，进而影响水体中的无机碳浓度。这可能是造成吹填Ⅰ区水体中总可溶性无机碳、HCO3-和CO2平均含量较高，CO32-平均含量和pH最低的主要原因。

湖水pH是湖泊及其流域各种自然地理因素综合作用的结果。在正常天然湖水中，氢离子浓度主要取决于湖水的CO32-、HCO3-、CO2的对比关系。CO2是浮游藻类进行光合作用的原料，其繁殖速度很快，尤其是蓝绿藻消耗CO2的速度迅速，以至于难以与大气中的CO2平衡，使pH升高到9或更高[8]。这与该研究监测数据相符，2007年3～12月福保湾水体pH为8.1～9.3，最高达10.3。

影响水体无机碳浓度的一个重要因素是pH的变动与滇池流域广泛分布的碳酸盐岩石在适宜的水文地质及构造条件下发生的岩溶作用有关，由于碳酸盐岩石在水中的分解造成水体HCO3-和OH-含量较高，导致滇池水体偏碱性[9]。研究表明，高pH (>8)更有利于原核藻类的生长[10]，滇池水体的碱性环境有利于原核生物蓝藻的生长，一旦其生长的其他条件满足即可暴发水华。由此可见，水体无机碳源与pH是影响浮游藻类生长繁殖和生物量积累的重要条件[11-12]。

图3　2007年3～12月滇池福保湾水体无机碳、水温和pH的变化情况Fig.3　Changes in inorganic carbon,water temperature and pH in Fubao Bay,Dianchi Lake during Mar.-Del.2007

指标Indexs叶绿素aChlorophylla吹填Ⅰ区HydraulicreclamationIregion非吹填区Nonreclamationregion吹填Ⅱ区HydraulicreclamationIIregion好望角CapeofGoodHopeDIC-0.029-0.556*-0.632*-0.532*HCO3--0.057-0.525*-0.632*-0.550*CO2-0.307-0.709**-0.694**-0.718**CO32-0.584*0.893**0.817**0.918**pH0.4220.728**0.637*0.614*水温Watertemperature0.4770.4410.4920.556*

注：*表示显著相关(P<0.05)；**表示极显著相关(P<0.01)。

Note：* stands for significant correlation(P<0.05); ** stands for extremely significant correlation(P<0.01).

3.2水体浮游藻类与无机碳等环境因子相关性分析赵梦绪等[13]研究表明，汤溪水库在7月大规模蓝藻水华发生时，蓝藻的丰度与pH呈显著的正相关关系。这与笔者研究得出的结论相一致。湖水pH呈现随藻类生长而显著增高的趋势，主要是由于藻类特别是蓝藻光合作用消耗CO2，大部分蓝藻还可以利用HCO3-作为光合无机碳源，使湖水中溶解无机碳的浓度降低，水中H+浓度减少，最终导致pH升高[14]。水中3种无机碳源相互转化遵守化学平衡方程：

CO2+ H2O = H++ HCO3-；HCO3-= H++ CO32-

根据化学平衡移动原理，藻类光合作用吸收利用水中溶解的CO2，使3种碳源相互转化的化学平衡发生移动，结果是H+浓度降低和CO32-浓度相对升高，最终引起pH升高。蓝藻水华的暴发和水中无机碳源CO2和HCO3-浓度的降低，正好体现了水体叶绿素a浓度与水中无机碳源CO2和HCO3-浓度的负相关性关系。

在富营养型水体中，水体pH主要受生物过程的控制，王志红等[15]关于水库富营养化进程和pH的相关性的研究表明，富营养化进程中，特别是在水华暴发阶段，水体中上层区域pH快速上升，同时每天的pH波动也较大。可见，浮游藻类的生命活动对水体pH上升有一定促进作用。

温度与浮游植物的生长关系密切，水华蓝藻的丰度及其叶绿素a浓度均与水温具有显著的正相关关系，较高的水温有利于蓝藻成为优势种群和蓝藻水华的暴发[16-21]。这与笔者研究得出的结论相一致，表明水温对蓝藻生长具有明显的控制作用。

4　结论

(1)在营养盐相对充足的水体中，受水体温度升高的驱

使，水体中CO2、HCO3-和CO32-浓度的剧烈变化直接与浮游藻类的快速生长有关。由于大气CO2的扩散速率难以满足藻类对碳的利用速率，蓝藻的大规模生长降低了水体中CO2和HCO3-浓度，导致水体可利用无机碳水平极低。

(2)当水体处于无机碳限制的条件下，蓝藻更容易生长，进而形成优势种群，演替为蓝藻水华。受水体无机碳限制与蓝藻水华遮阴的双重作用，可能又直接导致了沉水植物的消亡，加剧了水体的富营养化进程。

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Study on the Correlation between Dissolved Inorganic Carbon(DIC) Content and Cyanobacterial Blooms in Fubao Bay,Dianchi Lake

ZHANG Yan-hui1,KUANG Wu1,YANG Shao2

(1.Anhui Research Academy of Environmental Science,Hefei,Anhui 230022; 2.College of Life Sciences,Central China Normal University,Wuhan,Hubei 430079)

[Objective] The aim was to explore the change of inorganic carbon in water during the process of outbreak to extinction of cyanobacterial bloom,to provide basis for formulating effective control measures of cyanobacterial bloom.[Method] Inorganic carbon and planktonic algae concentration in water body of Fubao Bay ecological restoration area in Dianchi Lake was analyzed,temporal and spatial dynamic change and relevant influencing factors of DIC in eutrophic water body were studied.[Result] The results indicated that the concentration of chlorophyll a was extremely significant positive correlated with CO32-(P<0.01) and pH values(P<0.05); and the concentration of chlorophyll a was extremely significant negative correlated with CO2(P<0.01),DIC and HCO3-(P<0.05).[Conclusion] The outbreak and extinction of cyanobacterial bloom is an important reason for the drastic change of inorganic carbon form and concentration.

Dianchi Lake; Dissolved inorganic carbon(DIC); Cyanobacterial bloom

国家“水体污染控制与治理”科技重大专项(2012ZX07103-003，2012ZX07103-004)。

张彦辉(1981- )，男，河北石家庄人，工程师，从事水污染控制研究。

2016-07-22

S 181;X 52

A

0517-6611(2016)22-060-03