蔺河口水库硅藻水华特征及影响因素研究

胡 恩， 王文科， 张振文， 孙长顺， 苏雅玲

(1. 长安大学 环境与工程学院， 西安 710061； 2. 陕西省环境科学研究院， 西安 710061；3. 中国科学院 南京地理与湖泊研究所， 南京 210008)

汉江流域是我国南水北调中线工程重要水源涵养区与供给区。为满足电力需求和地方经济发展，汉江流域上游(陕西段)干、支流规划了数座水电站。拦河筑坝修建水电从时空尺度改变着河道的完整性和连续性，使得天然河流水文特征发生变化，如流速变缓、水体滞留时间变长，呈现类似湖泊的静水特性等[1-2]，除此之外，还会引起河流原有生物群落结构的更替和重组[3-6]。随着时间推移，诱发河道型水库水质下降、水体富营养化，甚至暴发水华等一系列水生态环境问题，威胁汉江水质安全和湖库功能[7-8]。

近年来，汉江流域不断受到富营养化问题的困扰，藻类水华风险剧增[9]。蔺河口水库是汉江重要支流岚河的重要水利枢纽。2017年春夏之交，该水库短时间内突发水色异常现象，整个库区与河道水体呈深褐色，引发当地民众恐慌。研究表明，除了明显的污染物输入外，藻类水华被认为是水体变色的诱因之一[10]。水华一旦形成，阻挡光照穿透深度，降低水体透明度，在适宜的水文、气象环境条件下，湖库会出现严重厌氧状况，真光层以下积累的生物腐烂分解，诱发水体颜色异常、水质异味等生态环境问题[11]。与浅水湖泊经常出现的蓝藻水华问题不同，硅藻水华是河流和水库更为常见的灾害性物种。为此，在2017年4月下旬，作者对水质和藻类组成开展调查研究，初步探讨硅藻水华是否是引发蔺河口水库水色泛褐的原因，调查结果有助于为管理部门保障湖库水质安全提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究水库概况

本研究所调查的蔺河口水库(32°18′30.33″N；108°56′27.55″E)位于陕西省安康市岚皋县，是汉江一级支流岚河控制性水利枢纽工程。岚河流域内山高谷深，整个流域呈东南高、西北低的形态。岚河由滔河、东乡河等支流汇聚而成，河流全长153 km，流域面积约2130 km2，经岚皋县至安康注入瀛湖。

1.2 采样点布设

采样调查选择4月下旬，正值蔺河口水库水色泛深褐色显著期。由南向北共设7个采样点，上游两条主要支流布设4个点位(LG4、LG5、LG6和LG7)，支流交汇处1个点位(LG3)，下游库区2个点(LG1和LG2)，7个采样点位均进行水质监测，藻类调查工作则主要在LG1、LG2、LG3、LG4和LG5 5个点位。

1.3 样品采集及分析方法

样品的采集与测定方法参考文献[12]。现场用赛氏盘测定透明度(SD)。水质与浮游植物样品采集时均取表层0.5 m与5 m深混合水样。取2 L水样带回实验室，测定总氮(TN)、总磷(TP)、叶绿素a(Chl-a)浓度、高锰酸盐指数(CODMn)等水质指标。采集1 L水样用1%鲁哥试剂固定，静置48 h，利用虹吸法吸除上清液，定容至30 mL，用于浮游植物群落结构的鉴定。TN的测定为碱性过硫酸钾消解、紫外(波长600 nm)分光光度法；TP的测定为碱性过硫酸钾消解、钼锑抗显色分光光度法(波长700 nm)；Chl-a采用热乙醇提取、分光光度法(波长665 nm、770 nm)测定；CODMn采用高锰酸钾水浴氧化后草酸钠、高锰酸钾氧化滴定法。浮游植物群落结构的鉴定采用Olympus CH生物光学显微镜镜检，鉴定到属。在各属细胞密度(cells/L)的基础上，根据体积重量经验公式计算浮游植物生物量(BM, mg/L)，样品处理和生物量估算方法参照文献[13]。湖库营养状态采用相关加权营养状态指数法计算(TLI(Σ))，利用Chl-a、TN、TP、CODMn和SD 5个参数评价，评价分级标准为：TLI(Σ)<30为贫营养，30～50为中营养，>50为富营养[14]。

1.4 数据分析方法

数据分析、图表绘制及主要统计参数计算由Excel 2013与Origin Pro 2017软件完成。

2 结果与分析

2.1 水质及营养水平状况

蔺河口水库水质指标状况见表1。

表1 蔺河口水库主要水质指标

受深褐色的影响，水库平均透明度SD为0.64 m。Chl-a、TN、TP和CODMn等常规指标其平均浓度分别为18.5 μg/L、1.10 mg/L、0.23 mg/L及3.89 mg/L。水库TN平均浓度超过Ⅲ类水限定值(1.0 mg/L)，TP平均浓度超过Ⅴ类水限定值(0.2 mg/L)。根据《湖泊(水库)富营养化评价方法和分级技术规定》，对Chl-a、TN、TP、CODMn和SD 5项湖泊(水库)富营养化评价指标评分，7个采样点加权平均计算营养状态指数TLI(Σ)介于53.46～58.34，平均值为56.50，表明蔺河口水库处于富营养状态[TLI(Σ)>50]。

2.2 浮游植物组成、生物量及密度

根据鉴定结果，蔺河口水库5个采样点位鉴定出浮游植物主要有13种(属)，隶属5个门类。其中硅藻门(Bacillariophyta)5种(属)；蓝藻门(Cyanophyta)3种(属)；隐藻门(Cryptophyta)3种(属)；绿藻门(Chlorophyta)1种(属)；甲藻门(Pyrrophyta)1种(属)。

蔺河口水库5个采样点位浮游植物总生物量介于8.62～15.84 mg/L，其中硅藻为7.45～14.6 mg/L，隐藻为0.36～1.0 mg/L，甲藻为0.11～0.43 mg/L，蓝藻生物量为0.07～0.11 mg/L，绿藻生物量0.02～0.04 mg/L。各点位藻类生物量组成特征基本相似，均表现为硅藻>隐藻>甲藻>蓝藻>绿藻(图1)。

图1 水库各采样点位藻类生物量

蔺河口水库浮游植物平均总生物量为12 mg/L。硅藻平均值为11.02 mg/L，占浮游植物总生物量的92%；隐藻平均值为0.58 mg/L，占比4.8%；甲藻和蓝藻生物量相对较小，平均值分别为0.28 mg/L和0.09 mg/L，分别占比2.3%和0.7%；绿藻平均生物量为0.03 mg/L，占比0.2%。从细胞密度来看，蔺河口水库藻类总细胞密度为0.86×108～1.59×108cells/L，平均值为1.21×108cells/L，符合水华的标准[15-16]。与生物量相似，细胞密度以硅藻为主，硅藻细胞密度平均值为1.10×108cells/L，占总细胞密度的90.4%；其次为蓝藻，均值为8.64×106cells/L，占比7.1%；隐藻和甲藻细胞密度分别为2.33×106cells/L和5.54×105cells/L，分别占比1.9%和0.5%；绿藻平均细胞密度为7.13×103cells/L(图2)。

3 讨论

3.1 蔺河口水库硅藻水华特征

与其它区域相比，蔺河口水库硅藻水华在发生时间和群落结构组成上有所区别。据报道， 1992年至今，在汉江流域下游发生过数次硅藻水华，时间多集中在2—3月[17]；太湖流域水库硅藻水华则大多出现5—6月[18]；嘉陵江硅藻水华发生在2月中旬[19]。蔺河口水库硅藻水华于4月中旬出现，4月下旬达到峰值，5月上旬颜色开始消退，至中旬基本消失殆尽。以上过程符合硅藻水华生长峰值时间短、消亡速度快的特点。

图3 蔺河口水库硅藻群落组成(根据平均生物量，mg/L)

硅藻种类多，生境较广，不同生态系统中硅藻水华的成因和群落结构组成可能存在很大差异。根据已有文献，汉江流域下游硅藻水华主要以小环藻属(Cyclotellaspp.)和冠盘藻(Stephanodiscus)为主[10, 20]；嘉陵江硅藻水华则以小环藻属(Cyclotellaspp.)占优[19]；长江中下游水库硅藻水华则以针杆藻(Synedraspp.)为主[11, 18]。蔺河口水库硅藻水华主要由曲壳藻(Achnanthesexigua)和针杆藻(Synedraspp.)组成。硅藻生物量平均值为11.02 mg/L，其中曲壳藻处于绝对优势地位，平均生物量为10.82 mg/L，占硅藻总生物量的98.2%；针杆藻平均生物量为0.18 mg/L，占比不到1.6%；其余硅藻生物量占比0.2%(图3)。

3.2 蔺河口水库硅藻水华影响因素分析

营养盐是浮游植物生长的必要条件，过量的营养元素在水体中积累，导致水体富营养化，继而引起藻类的异常增殖[21-22]。蔺河口水库氮、磷浓度偏高，水体处于富营养化状态，满足藻类异常增殖的营养需求。调查分析认为蔺河口水库营养盐负荷可能受外源输入控制：一方面，岚河流域茶园、果园等农业活动频繁，氮、磷等营养元素随地表径流进入库区；其次，流域内村镇产生的生活污水未完全处理进入河道；除此之外，库区网箱养殖投放的饵料以及鱼类排泄物也是营养盐的潜在来源。

硅藻水华具有强烈的季节性，对气温响应十分敏感。大多数硅藻群落属于相对喜凉的生物，生长适宜温度一般为16 ℃～26 ℃之间，超过30 ℃则开始消退[23]。根据气象资料：岚河流域地处秦岭以南，4月气温较低，适宜硅藻生长；5月上旬，随着温度快速攀升，硅藻则开始消亡。后期跟踪观测发现，5月中下旬蔺河口水库水体深褐色基本消失，透明度亦大幅升高(超过2.5 m)，表明蔺河口水库一个月内完成硅藻水华的发生-峰值-消亡的生长周期，符合硅藻水华维持时间短的一般规律[11]。

湖库流量、流速以及换水周期等水文条件对硅藻生长影响同样显著。水库长期处于低流速、维持低的换水周期有利于硅藻的生长[24-25]。相比较天然湖泊，水库水文条件更易于受人工调节的影响。河道拦河筑坝导致水流速度变缓，河流呈现湖泊化特征，营养元素在库区积累，促进藻类生长。水库换水具有冲刷作用，可以将浮游植物以及营养盐排出库区，低换水率有利于营养盐和浮游植物在库区的积累。资料显示，岚河流域4—5月降雨少，为蓄水、节水季，水库经常在510 m的高水位运行，换水率较低，换水周期长，适宜的水文条件为硅藻水华生长提供了便利[26]。

4 结论

通过对水质和浮游植物群落结构调查分析，初步认为：2017年春夏之交，汉江流域蔺河口水库暴发硅藻水华，引发水色异常。此次硅藻水华是水体过高的营养盐浓度、适宜的气温以及水文条件等多因素综合作用的结果。在防控对策上，建议加强流域水体综合治理，控制农业面源染污和生活源污染，降低营养盐负荷。在水华暴发的高风险期间，考虑水力调控方法，加快库区水体交换速率，缩短换水周期，防止藻类生物量过度积累。