强降雨对水源水库夏季蓝藻水华的影响

2020-12-14邱晓鹏黄廷林周石磊史建超

西安理工大学学报 2020年3期

邱晓鹏，黄廷林，周石磊，史建超，曹昕，郑兴

(1. 西安理工大学西北旱区生态水利国家重点实验室，陕西西安 710048；2. 西安理工大学陕西省水资源与环境重点实验室，陕西西安 710048；3. 西安建筑科技大学陕西省环境工程重点实验室，陕西西安 710055；4. 西安建筑科技大学西北水资源与环境生态教育部重点实验室，陕西西安 710055)

随着地表水源所占比例的提高，全球气候变暖背景下水源水库的蓝藻水华受到越来越多的关注。水华蓝藻的过量繁殖会降低水库溶解氧，释放大量有害物质，降低生物多样性，破坏水生态系统，恶化水源水质。蓝藻的爆发还会增加水源水中有机物的含量，造成水处理过程中药剂投加量增加、膜污染加重和消毒副产物的增加[1]。此外，水华蓝藻释放的致嗅物(如二甲基异莰醇、土嗅素)和藻毒素(如微囊藻毒素、拟柱孢藻毒素)也严重威胁着人们的饮用水安全[2]。因此，研究蓝藻水华爆发规律对于水源水库管理和饮用水安全有着重要意义。

水源水库蓝藻水华的爆发通常与适宜的温度、较长的停留时间、充足的营养盐等有关[3]。《中国气候变化蓝皮书(2020)》表明，随着全球气候变暖，我国气候不稳定性增强，各区域降雨变化差异明显，强降雨事件发生日数增多。夏季强降雨会显著影响水库中浮游植物的生长环境，从而改变库区浮游植物的生物量和群落结构。部分研究表明，夏季强降雨会促进湖库蓝藻水华的爆发：Chen等[4]报道了我国东南部某水库在强降雨后发生蓝藻水华，氨氮、溶解性总磷的浓度对藻类生物量影响较大；Simic等[5]发现2014年强降雨后塞尔维亚Sumarice水库营养盐水平提高，导致蓝藻(水华束丝藻)大量爆发。然而，也有研究报道了强降雨可以缓解湖库蓝藻水华：刘心愿等[6]研究表明强降雨会导致香溪河库湾混合层深度增加，从而抑制蓝藻水华；Caldero-Pascual等[7]报道了爱尔兰某湖泊受强降雨的影响，营养盐水平发生改变、浮游动物数量增多、混合层深度增加，最终导致藻类叶绿素含量减少了两倍。湖库蓝藻水华对夏季降雨的响应，是水体热分层、氮与磷营养盐、水力停留时间等综合作用的结果。然而，目前有关降雨对我国淮河流域水源水库蓝藻水华影响的研究还鲜有报道，有必要探明不同类型降雨形式下影响蓝藻水华的关键环境因子。本研究以枣庄周村水库为研究对象，对比研究了水库藻类在降雨形式不同的两个夏季的生长情况，并筛选出强降雨影响蓝藻水华的关键环境因子，以期为水源水库管理和饮用水安全保障提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

周村水库位于山东省枣庄市，该水库最大库容为8 000万 m3，库区面积为6.5 km2，平均水深为13 m，最大水深为21 m。上游流域以农业和农村用地为主，流域面积为121 km2。该地区属温带亚湿润大陆性季风气候，全年最温暖的月份是7月(平均气温约为33 ℃)，最冷的月份是1月(平均气温约-5 ℃)。水库上游有三条河流，即徐洼河、下拾河和西伽河。

1.2 采样与分析

于2012年和2014年的6月至10月对水库和入库径流进行采样分析，采样点如图1所示。

入库径流样品每月采集一次，水库坝前深水区样品每周采样一次。水温、pH和电导率由哈希HQ30d原位测量，透明度采用透明度盘法测定。总氮(TN)、氨氮(NH4-N)、硝态氮(NO3-N)和总磷(TP)的检测依据《水和废水监测分析方法》[8]。用于浮游植物镜检的水样用鲁哥试剂进行固定，并用显微镜Olympus CX31进行镜检，浮游植物种属鉴别依据《中国淡水藻类——系统、分类及生态》[9]，浮游植物功能群落分类参照文献[10-11]。

水库降水、入库流量、出库流量和水位数据来源于枣庄市水利局。水库某月水力停留时间(HRT)为该月份平均库容与入库流量之比。采用Schmidt指数判断周村水库水体分层情况，当数值低于49 J/m2时表明水体热分层遭到破坏[12]。香农多样性指数的计算参照文献[13]。浮游植物生物量的计算依据各藻种细胞平均尺寸，使用相应几何形状公式计算而得[14]。利用软件Canoco分析浮游植物功能群落结构与环境因子的关系。首先对浮游植物功能类群进行去趋势分析(DCA)，结果显示2012年最大梯度长度为2.63，而2014年其值为1.40。由于最大梯度长度均小于3.0，所以选择冗余分析(RDA)研究浮游植物与环境因子的关系。

2 结果

2.1 水文条件

如图2所示，2012年(774.5 mm)和2014年(758.5 mm)的降雨量相近，但二者的降雨形式不同。2012年降雨主要发生在7～9月份，而2014年降雨在5～9月份均匀分布。2012年夏季发生4次强降雨事件(>50 mm)，2014年则没有强降雨事件。2012年周村水库的月最大入库流量为2 412万 m3，远高于2014年的785万 m3。出于库区防洪抗汛的需要，2012年出库流量也大于2014年出库流量，这使得2012年夏季水库的HRT较低，其中7月份的HRT最低，为43天。

2.2 入库径流营养盐负荷

2012年和2014年周村水库三条入库径流的氮、磷营养盐浓度均远高于库区水平，总氮浓度的变化范围为2.38～13.88 mg/L，总磷浓度的变化范围为0.023～4.184 mg/L。夏季入库径流氮、磷负荷如图3所示。下拾河和西伽河的氮源以硝态氮为主，而徐洼河的氮源以氨氮为主。通过营养盐负荷计算可知，硝态氮是周村水库主要的外源氮源。2012年周村水库总氮负荷在7～9月份骤然升高，且明显高于2014年同期。此外，2012年入库径流总磷负荷在7月、8月份也高于2014年同期。

图3 2012年和2014年周村水库入库径流营养盐负荷Fig.3 Inflow nutrient load in the reservoir of 2012 and 2014

2.3 库区理化因子

受夏季集中降雨的影响，周村水库水位在2012年夏季变化较大，由123.46 m升至127.14 m。而2014年夏季库区水位变化平缓，从124.43 m降至123.95 m，如图4(a)所示。2012年6～10月份库区水温与2014年同期库区水温相近，2012年8月份库区最高水温为31.2 ℃，略高于2014年同期的29.1 ℃，如图4(b)所示。采用Schmidt稳定指数表征库区分层情况，2012年和2014年夏季水库Schmidt稳定指数均远高于49 J/m2，表明水库始终处于稳定分层状态，2012年的集中强降雨并未破坏周村水库的水体热分层，如图4(c)所示。

如图4(d)～(f)所示，周村水库库区营养盐水平明显受降雨和外源汇入的影响。2012年库区总氮浓度在7月初强降雨事件发生后显著增长，由1.0 mg/L增至2.6 mg/L，而2014年夏季库区总氮浓度变化不大，变化范围为0.47～0.79 mg/L。硝态氮与总氮的变化趋势相近，在2012年其浓度由0.23 mg/L升高至2.28 mg/L，而2014年硝态氮浓度一直处于较低水平(0.02～0.17 mg/L)。由库区硝态氮和总氮的浓度及变化规律可知，周村水库库区氮源以硝态氮为主，库区总氮浓度的变化受入库径流影响较大。2012年7月、8月份库区总磷浓度为0.060～0.087 mg/L，高于2014年的0.040～0.064 mg/L。

图4 2012年和2014年夏季周村水库物理环境因子变化Fig.4 Temporal changes of physiochemical factors in Zhoucun Reservoir in the summer of 2012 and 2014

2.4 浮游植物生物量和群落结构

由图5(a)可知，2012年周村水库夏季爆发浮游植物，其最大生物量发生在8月29日，高达46.76 mm3/L。2014年库区未爆发水华，浮游植物生物量峰值出现在8月27日(7.57 mm3/L)。2014年库区浮游植物生物量除在6月份与2012年相近，在7～10月份均远低于2012年同期。

2012年夏季与2014年夏季的浮游植物多样性也有明显区别，如图5(b)所示。受水华爆发的影响，2012年7月、8月份库区浮游植物香农指数从2.92急剧降低至0.93，而后随着水华的消退在9月、10月份逐渐回升。而2014年库区浮游植物香农指数的变化范围为2.3～3.2，说明2014年库区浮游植物一直保持较高水平的多样性。

2012年和2014年周村水库夏季浮游植物共检出71种，按功能群类群可归为21类。按照生物量大于总生物量的5%划分，得到14个优势功能类群，其代表藻种如表1所示。

表1 周村水库优势功能类群和代表种属Tab.1 Representative species of the dominant functional groups in Zhoucun Reservoir

周村水库13个优势功能类群的季节演替规律如图6所示。

图6 2012年2014年夏季周村水库浮游植物群落结构的季节演替Fig.6 Seasonal succession of phytoplankton community in Zhoucun Reservoir of 2012 and 2014

2012年6月份，周村水库优势功能群为F、W1和X1。在7月上旬，随着强降雨事件的发生，库区优势功能群落迅速转变为M和L0，二者最高可占总群落的75%和26%。直到10月份，功能群M和L0所占比例降低，功能群C、D和X2逐渐占优。2014年周村水库优势功能群不同于2012年，7月、8月份优势功能群为Tc和S2，二者最高可占浮游植物群落的35%和21%。6月、9月、10月份优势功能群主要为X1和F。采用RDA分析探讨浮游植物群落结构演替与环境因子的关系。蒙特卡洛检验结果表明，总磷、总氮和温度是影响2012年夏季周村水库浮游植物群落结构的关键环境因子，而硝态氮、温度和Schmidt指数是2014年的重要环境因子。如图7所示，2012年RDA分析的前两个典范轴的累积解释率为94.3%(轴1和轴2分别为90.5%和3.8%)。功能群M与总磷、水温和总氮呈正相关。2014年RDA分析的前两个典范轴的累积解释率为91.8%(轴1和轴2分别为83.2%和8.6%)，水温和Schmidt指数对浮游植物群落结构的影响较大而对硝态氮的影响较小。功能群Tc和S2与水温和Schmidt指数呈正相关。

3 讨论

周村水库在2012年7月上旬强降雨事件之后爆发了蓝藻水华，优势功能类群为M和L0，其中功能群M优势明显。本次蓝藻水华的爆发与库区氮、磷营养盐水平的提高有关。功能类群M的代表种属主要为微囊藻，而功能类群L0则主要为色球藻，二者均属于蓝藻门。功能类群M更适宜生长在富营养化和静止的水体中，而功能类群L0则更适应不同的生长环境，从贫营养到富营养、从中型到大型的各类深水和浅水湖库[10-11]。已有大量研究报道了这两种功能群同时在淡水系统中占主导地位[15-16]。本研究中，2012年夏季水库蓝藻水华爆发，功能群M和L0生物量的增加与库区总氮和总磷浓度的升高同时发生，这表明氮、磷营养盐水平的提高促进了库区浮游植物的发生。由图7可知，优势功能群M与总磷、总氮呈正相关，而优势功能群L0与总磷呈正相关，如图7(a)所示。2012年7～10月份水库总氮浓度一直在2.0 mg/L以上，总磷浓度为0.028～0.087 mg/L。已有研究表明，湖库水体中总氮浓度大于0.88 mg/L、总磷浓度大于0.021 mg/L时，就有浮游植物的风险[17]。这说明2012年夏季周村水库氮、磷元素对浮游植物生长而言一直是充足的。而2014年只有总磷浓度超过阈值而总氮浓度偏低，因此，氮元素是影响2014年周村水库浮游植物群落演替的重要因素，如图7(b)所示。

图7 2012年2014年周村水库夏季浮游植物优势功能类群与环境因子的RDA双标图Fig.7 RDA biplot of dominant phytoplankton functional groups and environmental factors in summer of 2012 and 2014

2012年和2014年不同的降雨形式造成这两年周村水库夏季入库径流量和营养盐负荷差异显著。Trenberth等[18]研究表明，强降雨因为减少了渗滤作用，其在流域内形成的径流量更大。如图2所示，2012年频繁的强降雨事件导致周村水库的入库流量明显高于2014年同期。此外，由于防洪需要，2012年周村水库加大了出库流量，从而降低了水力停留时间(HRT)。由径流的水质监测结果可知，2012年和2014年周村水库上游入库径流污染均较严重，其总氮和总磷浓度均远高于库区水平，这表明较短的HRT会增加周村水库库区营养盐浓度。如图4所示，周村水库7月份总氮浓度升高了1.4 mg/L，而总磷浓度升高了0.055 mg/L。2012年较集中的强降雨不仅增加了周村水库的入库径流量，也导致库区HRT降低，二者的综合作用使得水库氮、磷浓度在夏季显著提高。

2012年周村水库的强降雨并未破坏库区水体分层，这为蓝藻水华爆发提供了必要条件。稳定的热分层可以使得库区变温层水体温度升高[19]，促进蓝藻的生长。热分层还可为浮游植物生长提供一个稳定的水力条件，这也更有利于功能类群M的繁殖。已有研究表明，功能类群M的代表种属微囊藻常在分层水体占主导地位，而在水体混合时失去竞争优势[10-11]。此外，分层还导致水库恒温层形成厌氧条件，加速库底沉积物的营养盐(氨氮、正磷酸盐、铁、锰等)的释放[20]，这也为浮游植物的生长提供了必要的养分。

浮游植物的生物多样性反映了藻类群落结构的稳定性，经常被用来评估水生态系统的健康[21]。营养盐或其他环境胁迫通常被认为是影响浮游植物多样性的主要因素[22]。随着2012年夏季蓝藻水华的爆发，周村水库浮游植物多样性迅速下降，这说明2012年较集中的强降雨会导致周村水库生态环境的恶化。与之相反，2014年夏季浮游植物多样性则始终保持较高水平。

综上所述，2012年的强降雨并未破坏周村水库热分层，引起库区水体混合。较集中的降雨增大了入库径流量，提高了水库氮、磷营养盐水平，导致2012年夏季蓝藻水华爆发。2014年降雨分布更均匀，入库径流对库区营养盐浓度影响较小，库区营养盐水平较低，未发生浮游植物。联合国政府间气候变化专门委员会第5次评估报告显示，我国年降雨量和强降雨事件的频率都将增加。若强降雨不能破坏水库热分层，且水库上游营养盐污染严重，在强降雨频发的未来该类水库发生蓝藻水华的几率将会增加。为了控制水源水库的浮游植物，需要加强对水源地上游流域的管理力度，减少入库径流污染，同时需开发可原位降低湖库营养物水平的新技术。