平原水库藻类生长特征及影响因素分析
2024-05-21刘大伟刘加召房亚南郭亚峰刘素徐征和赵艳侠许伟颖
刘大伟 刘加召 房亚南 郭亚峰 刘素 徐征和 赵艳侠 许伟颖
文章编号：1671-3559（2024）03-0300-06DOI：10.13349/j.cnki.jdxbn.20240401.001
摘要： 为了研究平原水库的水质变化及其对藻类生长繁殖、 种群结构变化的影响，以山东某平原水库为例，通过对水库不同采样点的水质指标、 叶绿素a含量、 藻类种群变化及水库营养状态的分析，综合评价水库水质状况，总结影响水库藻类生长的关键因素。结果表明，水库河流汇入区域及水流缓慢区易出现营养盐等污染物滞留、 沉降和富集现象，存在总氮超标风险；各采样点均呈现富营养甚至重度富营养状态；河流入口及部分狭小库区水体的综合营养状态指数较大，叶绿素a含量也较高；水体中的浮游藻类主要为绿藻和硅藻，其生长繁殖受总磷影响显著，总磷是防止藻华发生的关键控制因素。
关键词： 水库； 藻类生长； 叶绿素a； 總氮； 总磷
中图分类号： X524
文献标志码： A
开放科学识别码（OSID码）：
Analysis on Characteristics and Key Factors of
Algae Growth in Plain Reservoir
LIU Dawei1， LIU Jiazhao1， FANG Yanan2， GUO Yafeng3， LIU Su2，
XU Zhenghe2， ZHAO Yanxia2， XU Weiying2
（1. Shandong Eighth Institute of Geology and Mineral Resources Exploration ，Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral
Resources， Rizhao 276826， Shandong， China; 2. School of Water Conservancy and Environment， University of Jinan， Jinan 250022，
Shandong， China; 3. State Grid Liaocheng Power Supply Company， Liaocheng 252000， Shandong， China）
Abstract： To study the water quality change and its impact on algae growth， reproduction and population structure in a plain reservoir， a plain reservoir in Shandong Province was taken as an example to comprehensively evaluate the water quality of the reservoir and summarize the key factors affecting algae growth in the reservoir through the analysis of water quality indexes， chlorophyll a content， algal population changes and nutrient status of the reservoir at different sampling points. The results show that the retention， sedimentation and enrichment of nutrients and other pollutants are easy to occur in the area where the river flows into the reservoir and the area where the water flow is slow， and there is a risk of exceeding the total nitrogen. All sampling sites show eutrophication or even severe eutrophication. The comprehensive nutrient state index and chlorophyll a content of water in river inlet and some narrow reservoir areas are higher. Algae in the water are mainly green algae and diatoms， and their growth and reproduction are significantly affected by total phosphorus， which is a key control factor to prevent algal blooms.
Keywords： reservoir; algae growth; chlorophyll a; total nitrogen; total phosphorus
收稿日期： 2023-02-08 网络首发时间：2024-04-01T12：13：42
基金项目： 国家自然科学基金项目（52270005）；日照市重点研发计划项目（2021ZDYF010234）；济南大学科技计划项目（XKY2205）
第一作者简介： 刘大伟（1989—），男，山东青岛人。工程师，硕士，研究方向为水文地质与地质实验测试。E-mail： liudawei4161@126.com。
通信作者简介： 许伟颖（1984—），女，山东潍坊人。副教授，博士，硕士生导师，研究方向为水处理技术。E-mail： stu_xuwy@ujn.edu.cn。
网络首发地址： https：//link.cnki.net/urlid/37.1378.N.20240401.0952.002
现代工农业的迅猛发展，导致大量氮、 磷等无机、 有机营养物质排入河流、 湖泊甚至水库等地表水源水体，造成藻类大量生长繁殖，藻华现象频发，已成为淡水生态系统最具有挑战性的水环境污染问题［1］。水库作为重要的饮用水源，涉及到供水安全问题，其水质污染问题受到社会广泛关注；然而，由于人为活动的不断增加，部分深水型水库具有流域面积广、 水深大、 水力停留时间长、 水流速度缓慢、 更新周期长等特点，因此水污染问题日趨严峻［2-3］。各种污染物随水源水汇入水库后，可能在库区内较长时间地滞留、 反应、 沉降、 累积，引起水库水体富营养化进程加快，增大水库藻类爆发风险［4-6］。同时，过量繁殖的藻类会降低水体中的光照强度，藻类细胞衰亡后被微生物降解的过程会大量消耗水库水体的溶解氧，影响水生生物的生长、繁殖等生命活动，最终导致水体水质恶化［7-10］。
水库中藻类的生长繁殖主要受两方面因素的影响：一方面是生物因素，包括生物捕食、 微生物寄生、 生态资源竞争等；另一方面是环境因子，包括水温、 pH、 光照、 营养盐以及溶解氧浓度等。不同因素的改变或联合作用均可能对藻类的细胞形态和组成群落产生不同程度的影响。例如，水体中氮、 磷元素的含量对藻类生长繁殖具有显著影响。已有研究［11］表明，限制浮游植物生长的营养物质会随着季节变化，综合考虑温度和气象条件的影响，磷限制通常发生在春季和冬季，氮限制通常出现在夏季和秋季。根据Xu等［12］的营养富集生物研究结果，生物有效氮更有可能是控制蓝藻水华增殖的主要控制因素，特别对有毒微囊藻的影响更明显。而关于藻类对营养物质反应的研究证明，浮游藻类生长受磷元素限制，底栖藻类同时受氮、 磷元素的影响。由此可见，氮、 磷限制主要取决于底栖生物与浮游生物、 周围环境条件（营养物质浓度、 光照条件）及藻类的种类、 群落组成（固氮、 非固氮蓝藻）等。
综上所述， 深入探明平原水库的水质变化情况及其与藻类生长繁殖及种群变化的关系， 可为平原水库藻华爆发的预防和治理奠定理论和技术基础。 本文中以山东省典型的平原水库为研究对象， 对水库的水质进行布点检测， 通过光学显微镜观察和18S核糖体核糖核酸（rRNA）基因高通量测序技术对藻类种群结构进行分析， 明确水库藻类生长繁殖的主要影响因素， 进而为平原水库的藻华预防、 控制及水体水质、 水生态优化改善提供参考。
1 材料与方法
1.1 采样布点方案
所选山东某平原水库的总库容为1.115×107 m3，库区集雨面积约为30 km2，水面面积约为42 km2。采样时间为8月份，汛期，雨水冲刷易带入营养盐，水流入库后流速变缓，引起藻华风险增加。为了全面反映水库水质情况，本文中在库心区、 主要进水口、 出水口附近及主要排污口、 入库河流汇合处等布点采样。
1.2 水质检测
根据《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）中对于集中式生活饮用水水源地的水质要求及本文中的研究目标，对水库水质的部分指标，包括色度、 嗅和味、 酸碱度、 挥发酚、 石油类、 硫化物、 总氮（TN）、 总磷（TP）等进行检测，具体检测项目及其对应分析方法见表1。
1.3 叶绿素a的测定
采集500～1 000 mL水样于棕色玻璃瓶中， 加入1 mL碳酸镁的质量分数为1%的悬浊液， 防止酸化。 采样后24 h内用玻璃纤维膜进行抽滤， 用尖头镊子将过滤后的滤膜转移至50 mL离心管中， 拧紧盖帽， 放入-20 ℃冰箱中低温冷冻20 min， 后取出置于室温下5 min， 反复3次。 完成后向离心管中加入30 mL丙酮的体积分数为90%的溶液，拧紧盖帽手动摇振，使玻璃纤维膜充分浸泡于丙酮溶液，然后，以转速3 500 r/min离心分离15 min。将离心分离后的上清液倒入光径1 cm比色皿中，以丙酮的体积分数为90%的溶液为参比，依次测定波长750、 664、 647、 630 nm处的吸光度，计算叶绿素a（Chla）的含量。计算公式为
ρ（Chla）=［11.85（A664-A750）-1.54（A647-A750）-0.08（A630-A750）］V1V2L ，（1）
式中： ρ（Chla）为水样中叶绿素a的质量浓度； A750、 A664、 A647、 A630分别为提取液在波长750、 664、 647、 630 nm处的吸光度； V1为提取液体积； V2为水样体积； L为比色皿光程。
1.4 高通量分析
对微生物进行多样性分析主要包括以下步骤： 1）对原始测序中序列进行质量控制， 通过低质量过滤和长度过滤获取高质量序列； 2）进行聚类或去噪处理， 划分分类操作单元（OTUs）-扩增子序列变体（ASVs）特征， 并根据OTUs-ASVs的序列结构对物种进行分类； 3）基于OTUs-ASVs分析结果， 对样品在门、 纲、 目、 科、 属、 种水平上进行分类学分析， 得到群落结构图、 物种聚类热图、 分类学树状图及属分类学水平系统进化发生树； 4）采用Alpha多样性分析的手段， 研究单个样品内部的物种多样性， 在此基础上对各样品的基于丰度的覆盖估计值（ACE指数）、 Chao1指数、 Shannon指数及Simpson指数进行统计， 绘制样品稀释曲线及等级丰度曲线。
1.5 显微镜定性分析
采用25号浮游生物网采集定性样品。关闭浮游生物网底端出水活塞开关，在水面表层至0.5 m水深处以20～30 cm/s的速度按“8”字形反复缓慢拖动约1～3 min，待网中明显有浮游植物进入，将浮游生物网提出水面，网内水通过网孔自然滤出，待底部剩少许水样（体积为5～10 mL）时，将底端出口移入定性采样瓶中，打开底端活塞开关并收集定性样品。样品采集后放入冷藏箱冷藏，避光运输。在光学显微镜检测前，用移液器快速量取适量样品体积，将样品加入装有滤膜的真空抽滤装置漏斗中，静置2～3 min，真空抽滤，至漏斗中有高度约0.5 cm液层时关闭真空泵，使剩余液体完全通过漏斗，但不能抽干滤膜。完成后，用无齿组织镊子取下滤膜，保持截留浮游植物的一面向上，放在滴有2滴显微镜浸没油的载玻片上，将载玻片放入载玻片晾片板，置于烘箱中，加热至温度（70±2 ）℃保持2 h后，去除载玻片晾片板，待滤膜透明后，在滤膜上滴加2滴显微镜浸没油，盖上盖玻片，装片完成。在光学显微镜下观察定性样品，鉴定浮游植物的种类。
1.6 营养状态分析
采用中国环境监测总站推荐的综合营养状态指数来评价不同微型水体的营养状态，技术导则中采用了叶绿素a含量、 TP含量、 TN含量、 透明度（SD）和化学需氧量（CODMn）作为评价指标，综合营养状态指数It， l的计算公式为
It， l=∑mj=1WjI（j） ，（2）
式中： Wj为第j种参数的营养状态指数的相关权重； I（j）为第j种参数的营养状态指数； m为主要参数个数。第j种参数的归一化相关权重的计算公式为
Wj=r2j∑mj=1r2j ，（3）
式中rj为第j种与基准参数叶绿素a含量的相关系数。
本文中采用的相关系数参考我国湖库的叶绿素a与其他水质参数的相关系数，如表2所示。
不同水质参数的营养状态指数的计算公式为
I（Chla）=10（2.5+1.086 ln ρ（Chla）） ，（4）
I（TP）=10（9.436+1.624 ln ρ（TP）） ，（5）
I（TN）=10（5.453+1.694 ln ρ（TN）） ，（6）
I（SD）=10（5.118-1.94 ln γSD） ，（7）
I（CODMn）=10（0.109+2.661 ln ρ（CODMn）） ，（8）
式中： ρ（TP）、 ρ（TN）、 ρ（CODMn）分别为TP、 TN、 CODMn的质量浓度； γSD为透明度。
根据综合营养状态指数It， l计算结果对水体的营养状态进行分级： It， l<30时为贫营养； 30≤It， l≤50时为中营养； 50
2 结果与讨论
2.1 水库水质分析结果
重点关注水库的酸碱度、 氨氮、 TN、 TP等水质指标，水库不同采样点的水质数据如图1所示。
从图中可以看出：水库各采样点水体呈弱碱性，pH在7.5～8.3波动，相对稳定。大部分采样点位的TN的质量浓度大于1.5 mg/L，符合Ⅴ类水质标准；水库东南河流汇入区域部分采样点的TN的质量浓度大于2.0 mg/L，不符合Ⅴ类水质要求。由于汛期雨水较多，上游河流流经农田和村庄时，引入了一定的营养盐，当水流缓慢时，营养盐在部分区域滞留， 因此导致局部TN含量过高。TP含量较低， 基本符合Ⅱ类水质标准， 其中， 9号采样点位的TP含
量最高，原因是该采样点位于河流入口处，且附近库区为较封闭区域，水流缓慢导致污染物滞留。
2.2 水库叶绿素a含量变化特征
水库部分采样点水体的叶绿素a含量如图2所示。由图可以看出，水库不同位置水体的叶绿素a含量呈现差异性，其中，2、 9号采样点的叶绿素a含量高，这2个采样点分别为河流入口处且处于相对狭窄、 开放性差的水库区域，各种营养物质在入库水体的携带下进入水库后在库区相对封闭的区域中滞留、 沉降及富集，从而导致水体富营养化进程加快，促使藻类生长繁殖。
2.3 水库藻类定性分析
采用光学显微镜下观察2、 9号采样点的藻类样本。在实验周期内，通过光学显微镜观察检出浮游藻类共5门， 如图3所示。检出频率较高的藻种类为颗粒直链藻、 美丽双壁藻、埃伦桥弯藻等硅藻门，梅尼小环藻等绿藻门及铜绿聚球藻等蓝藻门，另外还存在少量黄藻、 裸藻。 其中， 梅尼小环藻、 铜绿聚球藻的检出频率最高， 而硅藻检出种类最多。 从整体上看， 硅藻门、 绿藻门属于优势， 蓝藻门次之。
水库2、 9号采样点的门和属水平浮游藻类群落结构物种分布的变化如图4所示。由图中可以看出，在2个采样点的采样研究期间（5、 8月份），绿藻门处于优势地位，而隐藻门和硅藻门分别处于第二、 三优势。由在属水平上的丰度变化结果得出，2个采样点的绿藻门的衣藻、硅藻门的梅尼小环藻、 隐藻门的隐鞭藻以及轮藻等丰度水平较高。
2.4 水库营养状态分析及其对浮游藻类的影响
本文中选取TN、 TP含量作为核心指标与叶绿素a含量一起进行相关加权综合，计算综合营养状态指数，结果如图5所示。从图中可以看出： 水库各采样点的综合营养状态指数均大于50，呈现富营养状态，且部分采样点的综合营养状态指数大于70，属于重度富营养状态，特别是2、 8、 9、 14号采样点， 综合营养状态指数较大， 具有藻华风险， 与图3中显示的这些采样点的叶绿素a含量结果基本一致， 綜合营养状态指数较大的水体藻类生长繁殖旺盛， 叶绿素a的含量相对较高。
为了详细分析不同水质指标对藻类水华的影响，本文中根据水质检测数据进行影响藻华发生风险的参数相关性分析，主要考虑TN和TP的影响，结果如图6所示。由图可知， 水体中叶绿素a含量与TN和TP均呈较明显的正相关关系，证明藻类细胞的生长繁殖与水体营养盐的增加密切相关，其中叶绿素a与TP的相关性比其与TN的相关系数更大，说明水体中的TP是水库藻华的关键因素。
3 结论
本文中对山东某平原水库的水质指标、 藻类含量及种群水平等的检测分析，结果表明，该水库TP含量符合Ⅱ类水质标准。由于采样时间为8月份，受汛期雨水冲刷、 高温及水流速度缓慢等影响，因此个别区域TN含量超过Ⅲ类水质标准。通过对水库不同采样点的营养状态分析发现，河流入口及部分狭小库区水体的综合营养状态指数较大，叶绿素a含量也较高。研究发现，该水库水体中的浮游藻类主要为绿藻和硅藻，其生长繁殖的主要影响因子为TP，因此TP是防止藻华发生的关键控制因素。
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（責任编辑：于海琴）
