碧山水库藻类群落特征与蓝藻水华风险分析

2024-03-19戴国飞刘聚涛方媛瑗温春云

水利规划与设计 2024年3期

杨平，戴国飞，刘聚涛，方媛瑗，温春云，吴桨

(1.江西省水利科学院，江西南昌 330029；2.江西省鄱阳湖流域生态水利技术创新中心，江西南昌 330029)

藻类是水生态系统中的主要初级生产者，也是水生食物链系统重要的组成部分，常常作为指示水生态系统健康和污染负荷的重要生态因子[1]。由于对环境因子较为敏感，藻类被广泛应用于河流、湖泊和水库等水体的水质评价，同时也是早期水质污染的重要监测指标[2]。蓝藻是藻类中常见的类群之一，在富营养水体中常成为优势类群。蓝藻水华是蓝藻在营养丰富的水体表层大量增殖并聚集于水面，引起水体透明度下降、水质恶化的现象[3]。蓝藻水华的暴发不仅严重影响水生态系统健康[4]，而且部分引起蓝藻水华的种类产生的致癌蓝藻毒素[5]对供水安全产生严重威胁。掌握水体藻类群落特征和蓝藻水华风险对于保障水生态系统安全尤其是供水安全至关重要。

水库是人工筑坝形成的水体，是一种介于河流和湖泊间的半人工半自然水体，早期功能主要是防洪、发电、灌溉和航运等[6]。在饮用水源地建设体系中，越来越多的水库成为了供水水库。近年来我国水库水体的富营养化程度加剧[7-8]，水质明显下降，部分供水水库暴发了蓝藻水华[9-13]。碧山水库是江西省高安市的一座中型供水水库，近年来蓝藻水华现象频发。为了解并掌握碧山水库饮用水源健康状况，本文对碧山水库的藻类群落开展了调查，分析了蓝藻水华风险情况，为今后碧山水库水环境以及供水安全保障提供基础支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

碧山水库处于高安市区北部，所在流域为赣江流域锦河支流港溪河。碧山水库在锦河港溪支流的上游，是一座以灌溉为主，兼顾城市用水、防洪、渔业等综合利用的中型水库。水库流域面积31.7km2，水面面积约3km2，总库容量2005万m3，正常库容1214万m3，平均水深约5m。碧山水库设计灌溉面积2.29万亩，实际灌溉面积1.76万亩。流域范围内全年平均雨量为1560mm，主要分布在4—7月，占全年雨量60%以上，极易导致春夏之交洪涝发生；8—10月雨量偏少，又易造成伏、秋干旱。全年平均气温17.7℃，最热月为7—8月，最热月份日最高气温达40℃以上；最冷月为1月，极端最低气温零下10.7℃。全年平均无霜期276天。

1.2 样品采集与处理

于2015年丰水期(6月)和枯水期(12月)对碧山水库进行了现场调查，根据碧山水库形态、水体进出位置以及饮用水源取水口位置等情况，沿水库上游入库口至下游大坝设置5个采样点(如图1所示)。使用25#筛绢的浮游生物网于各采样点水体表面进行“∞”形来回拖动[14]，捞取适量藻样于50ml采样瓶，加入1～2ml甲醛溶液固定后用于藻类定性分析。取1L表层水样现场用10ml鲁哥氏液固定，带回实验室于分液漏斗静置沉淀48h，用虹吸管抽掉上清液，剩余35～50ml沉淀物溶液转入50ml采样瓶，用于藻类定量分析。

图1 碧山水库采样点位示意图

1.3 藻类鉴定与计数

藻类鉴定的过程如下：将固定后的藻类定性样品摇匀，吸取一滴于载玻片，利用奥林巴斯BX53光学显微镜进行分类鉴定，藻类鉴定参考相关文献[15]进行，以掌握各位点样品中藻类种类及其形态特点。藻类定量计数步骤如下：充分摇匀藻类定量样品后，取0.1ml滴入藻类计数框内，在奥林巴斯BX53光学显微镜400倍下计数100个视野中的藻类。藻类生物量的计算过程如下：确定不同种类藻类个体的相似几何形状后，测量细胞的长度、宽度、高度、直径，代入计算公式求得体积后，按照藻类比重等于1将体积(cm3)换算成重量(mg)，总生物量(mg/L)等于每种藻类的重量乘以各自细胞数量求和得到[16]。

1.4 数据分析

选用Margalef丰富度指数(d)、Shannon-Wiener多样性指数(H)、Pielou均匀度指数(J)来进行藻类多样性评价[17]，计算公式分别为：

d=(S-1)/ln(N)

(1)

H=-∑(ni/N)×ln(ni/N)

(2)

J=H/lnS

(3)

式中，S—物种数，N—藻类总细胞数，ni—第i种藻类的细胞数。优势种通过Mcnaughton优势度指数Y计算确定，

Y=fi×(ni/N)

(4)

式中，fi—第i种藻类在各样点出现的频率。把优势度指数Y>0.02的藻类确定为优势种[18]。使用Excel 2016计算多样性指数、SPSS 19.0进行显著性分析、Origin 2017作图。

2 结果与分析

2.1 藻类种类组成

碧山水库共鉴定出藻类63种，隶属于7门44属(见表1)。其中绿藻门最为丰富，为18属30种，占藻类种数的47.6%；其次为蓝藻12属17种，占藻类种数的27%；硅藻门6属7种，占藻类种数的11.1%；甲藻门3属3种，占藻类种数的4.8%；裸藻门2属2种，占藻类种数的3.2%；金藻门2属2种，占藻类种数的3.2%；隐藻门1属2种，占藻类种数的3.2%。碧山水库丰水期的藻类种类数小于枯水期，枯水期主要藻类是绿藻。

表1 碧山水库藻类种类组成

碧山水库藻类优势种情况见表2，丰水期藻类优势种为长孢藻(Dolichospermumsp.)、挪氏微囊藻(Microcystisnovacekii)、假鱼腥藻(Pseudanabaenasp.)、胶质细鞘丝藻(Leptolyngbyagelatinosa)、浮游泽丝藻(Limnothrixplanctonica)；枯水期藻类优势种为挪氏微囊藻、颗粒直链藻极狭变种(Melosiragranulatavar.angustissima)、长孢藻、假鱼腥藻、坑形细鞘丝藻(Leptolyngbyafoveolara)、浮游泽丝藻、狭形纤维藻(Ankistrodesmusangustus)、啮蚀隐藻(Cryptomonaserosa)。丰水期藻类优势种全部为蓝藻，枯水期优势种以蓝藻和硅藻为主，容易引起水华的种类为长孢藻和挪氏微囊藻。

表2 碧山水库藻类优势种

2.2 藻类丰度

碧山水库丰水期和枯水期藻类丰度情况如图2所示。从时间分布特征来看，碧山水库丰水期藻类丰度平均值为3.52×108cells/L，变化范围在1.36×108～6.75×108cells/L之间。枯水期藻类丰度平均值为3.41×107cells/L，变化范围在7.22×106～1.15×108cells/L之间。丰水期藻类丰度平均值大于枯水期，丰水期藻类丰度显著高于枯水期(p<0.05)。从空间分布来看，丰水期碧山水库上游点位的藻类丰度略低于水库中游和大坝区点位，表现出从水库上游到下游大坝区逐渐升高的特征。丰水期水体蓝藻丰度均超过1×108cells/L，全库处于严重的蓝藻水华状态。枯水期碧山水库上游和中游点位的藻类丰度值较低，大坝区点位藻类丰度最高，已经达到蓝藻水华暴发级别。

图2 碧山水库丰水期和枯水期藻类丰度情况

碧山水库的各个门类的藻类相对丰度情况如图3所示。丰水期均表现为蓝藻占绝对优势，蓝藻比例在93%～99%之间，平均占比为97%；枯水期蓝藻占比除S3点位为33%以外，其他点位均超过60%，S4和S5点位蓝藻占比为88%和94%，同样表现为蓝藻占主要优势。丰水期蓝藻丰度的占比均值远大于枯水期，且具有显著性差异(P<0.05)。

图3 碧山水库丰水期和枯水期藻类相对丰度情况

2.3 藻类生物量

碧山水库藻类生物量情况如图4所示。丰水期藻类生物量平均值为25.55mg/L，变化范围在12.81～54.67mg/L之间，远超过正常水体范围。枯水期藻类生物量平均值为5.42mg/L，变化范围在0.87～15.44mg/L之间，除下游大坝区S5点位的藻类丰度很高以外，其它点位的藻类丰度很低，均在5mg/L以下。碧山水库丰水期藻类生物量显著高于枯水期(P<0.01)。

图4 碧山水库丰水期和枯水期藻类生物量情况

从各个门类的藻类相对生物量来看(如图5所示)，丰水期蓝藻占优势，蓝藻生物量比例在52%～93%之间，平均占比为78%；枯水期蓝藻平均占比为31.3%，除S4、S5点位外，其他点均低于20%，其中S3点位蓝藻生物量占比仅为7%。丰枯蓝藻生物量占比均小于丰度占比，尤其是枯水期蓝藻生物量占比下降明显(P<0.05)。

图5 碧山水库丰水期和枯水期藻类相对生物量

2.4 藻类多样性指数

碧山水库藻类多样性指数情况见表3。碧山水库丰水期Margalef丰富度指数、Shannon-Wiener多样性指数、Pielou均匀度指数平均值均低于枯水期。丰水期中游库区点位的Shannon-Wiener多样性指数高于上游和下游库区，枯水期沿上游至下游逐渐降低，尤其在下游大坝区点位藻类多样性下降明显。

表3 碧山水库藻类多样性指数

2.5 主要水华蓝藻丰度和生物量

碧山水库主要水华蓝藻丰度情况如图6所示。碧山丰水期长孢藻丰度平均值为1.76×108cells/L，挪氏微囊藻丰度最高达3.49×108cells/L，假鱼腥藻、厚壁细鞘丝藻和浮游泽丝藻的丰度大部分在1×107cells/L左右。枯水期长孢藻和挪氏微囊藻的丰度均出现显著下降。丰水期主要水华蓝藻的丰度大于枯水期，与藻类总丰度的特征相一致。

图6 碧山水库主要水华蓝藻丰度情况

碧山水库主要水华蓝藻生物量情况见图7。碧山水库丰水期长孢藻生物量平均值为12.27mg/L，变化范围在3.49～18.06mg/L之间，挪氏微囊藻S4号点位生物量达30.4mg/L，处于严重的水华暴发时期。碧山水库枯水期长孢藻生物量很低，平均值为0.18mg/L，变化范围为0.02～0.32mg/L，现场也未观察到水华现象。丰水期主要水华蓝藻的生物量平均值显著高于枯水期(P<0.05)，从全库范围来看，丰水期对水华贡献较大的主要是长孢藻，其次是挪氏微囊藻，但挪氏微囊藻在个别点位如S4号点位的水华贡献巨大。

图7 碧山水库主要水华蓝藻生物量情况

3 讨论

3.1 蓝藻丰度及生物量分析

碧山水库的来水中总磷浓度为0.32mg/L，总氮为1.28mg/L，严重超过了地表水Ⅲ类水质，达到了重度富营养化级别。湖区中下游营养盐浓度有所下降，总磷总体平均为0.16mg/L，总氮1.15mg/L，依然严重超标，主要原因可能是上游规模化养殖场排放粪污水进入水库，此外水库边缘农田及部分村落居民生活区排水也对水库水质造成一定影响。

受水库富营养化影响，碧山水库丰水期全库范围内藻类丰度均很高，处于严重的蓝藻水华暴发阶段。枯水期藻类丰度相比丰水期更低，上游区域蓝藻丰度占比有所下降，但下游大坝区域S5号点位的藻类生物量接近丰水期。通常，大部分水库从上游至下游蓝藻细胞密度逐渐上升，且此变化趋势在丰水期更加明显[19]。碧山水库丰水期蓝藻丰度和生物量的特征表现为上下游高，而中游区域较低，枯水期蓝藻丰度和生物量则表现出上游至下游逐渐上升的趋势，可能的原因是碧山水库丰水期上游接纳大量农业面源污染物，促使蓝藻大量生长。

生境内单一物种种群数量过大时可能会排挤其他物种种群，使区域内的物种多样性降低[11]，碧山水库丰水期的藻类Shannon-Wiener多样性指数、Margalef丰富度指数和Pielou均匀度指数平均值皆小于枯水期，表明丰水期占绝对优势的长孢藻和挪氏微囊藻降低了藻类的群落多样性。枯水期Shannon-Wiener多样性指数和Pielou均匀度指数呈现出从上游至下游逐渐降低的趋势，表明枯水期大坝取水口区域相较上游而言更容易暴发蓝藻水华。

3.2 蓝藻水华风险分析

水体富营养化水平较高时，具有浮力或运动能力的藻类通常会过度生长，成为水体中的优势藻种类。碧山水库丰水期藻类优势种全部为蓝藻，长孢藻(Dolichespermumsp.)占据绝对优势；其次是挪氏微囊藻(Microcystisnovacekii)，是引起碧山水库丰水期蓝藻水华的主要种类。长孢藻和微囊藻均含有伪空胞，可以调节细胞在水体中的位置，高光时向下层水体转移，低光照时转移至水面，以获得最佳的营养盐和光照[20]，这种有利的生理机制促使两者成为富营养化水体的优势种类。

长孢藻是具有产生多种蓝藻毒素及异味物质的潜在能力的丝状异形胞蓝藻。2009年Wacklin等[21]根据16S rRNA基因序列分析结果将大部分浮游性的鱼腥藻种类分离出来成立长孢藻属(Dolichospermum)。长孢藻属是除微囊藻属外最易产生水华的类群之一，该属中的许多种类能够分泌微囊藻毒素、鱼腥藻毒素、神经毒素以及拟柱孢藻毒素[22]，同时也能合成异味物质如土腥素(geosmin)和2-甲基异冰片(2-methylisoborneol，2-MIB)。微囊藻毒素具有强烈的肝脏致癌作用，异味物质土腥素可以导致饮用水产生明显的土腥味[23]。因此，丰水期要警惕长孢藻的毒素和异味物质对碧山水库饮用水源的威胁。

微囊藻有较高的磷最大摄取速率，更强的磷储存能力，对氮、磷等营养盐的结合力比其它藻类更高，也使得微囊藻在同等营养盐条件，尤其是氮、磷限制条件下更具竞争力[24]。挪氏微囊藻主要生长于中营养型和富营养型水体，在国内大部分水体广泛分布，有时形成水华[3]，国内已有水体暴发挪氏微囊藻水华的报道[25]。微囊藻属是我国危害最大、最常见的水华蓝藻，此属绝大多数种类是淡水蓝藻水华的主要优势种群，其中许多种类如铜绿微囊藻(Microcystisaeruginosa)、惠氏微囊藻(Microcystiswesenbergii)等可以产生毒素[3]。国内尚未见到挪氏微囊藻产生毒素的报道，但国外已有学者分离到能产生微囊藻毒素的挪氏微囊藻纯藻株[26]，要防范蓝藻水华暴发后对碧山水库饮水安全的不利影响。

现场调查时发现，水库水面4—10月蓝藻水华现象频发，对水库水源影响比较显著，可明显察觉到水质中蓝藻死亡释放的异味物质。目前在水库水环境治理与保护方面已经采取了一定的措施，关闭迁移了上游大量养殖户，清理了大量污染源，取得了一定的阶段性成果。但由于污染累积的历史性及大量潜在的污染源尚未发现和治理，水库的水安全依然存在风险。因此在水库管理中尤其要注意防范丰水期全库和枯水期大坝区的蓝藻水华风险，建立蓝藻毒素和异味物质的监测与预警措施，保障饮用水安全。