-
水库具有养殖、航运、灌溉、防洪和供水等多种生态功能,是我国重要的地表水源[1]。相比于江河,水库流速缓慢、水面宽阔、水体较深,库内水体更替缓慢,各种有机物、营养盐等物质易于在库区富集,进而引起水华季节性爆发等问题[2]。根据平均水深可将水库湖泊分为三类:浅水型 (<10 m) 、亚深水型 (10~50 m) 和深水型水库 (>50 m) 。水库环境和生态系统受水深影响显著,其中深水型水库在夏秋季节更容易出现垂直热分层现象,从而抑制热量、氮磷营养盐及溶解氧的纵向输移,影响水质及藻类群落的分布[3-4]。另外,由于水库本底营养盐水平较高,库底沉积物中的氮磷营养物质易于在夏季释放至水体中,从而造成深水型水库水华现象频发。罗婧等[5]对红枫湖沉积物磷释放通量的估算后发现,磷在夏季的释放通量达到6.3~8.0 t,约占水体磷物质总量的22%~28%。曾明正等[6]对我国北方地区周村水库进行研究后发现,水体分层期处于4—11月,此时优势藻属由绿藻门 (45.9%) 变化为硅藻门 (58.4%) ;混合期为12月至来年3月。因此,深水型水库分层现象导致的水质因子变化是影响藻类群落演替与爆发的主要因素,明晰水库垂向分布水质因子和藻类群落变化规律有助于防范和治理水库“藻华”现象的发生。
近年来,国内相关深水型水库藻类爆发问题频发,对水库生态环境造成严重影响[7-8]。东圳水库位于莆田市,核准水位为88.1 m,总库容为4.35
$ \times {10}^{8} $ m3,是典型的深水型水库。该水库对莆田市社会经济发展起着至关重要的作用[9]。但由于该地区过去发展未严格控制污染物质排放,东圳水库氮营养盐浓度在2011—2016年曾一度保持上升趋势,库体生态系统常年受“水华”影响[10]。原瑞芬等[11]对东圳水库面源风险的评估表明,东圳水库仍受到较为严重的农业面源污染,且在每年5—10月为高风险期。尽管已有针对东圳水库相关治理方案的实施,但由于水库中营养盐本底浓度较高,当环境因子异常时仍有可能出现“水华”现象。先前对于东圳水库的研究主要与污染物来源及库体藻类群落特征有关[12-13],但针对库体水热分层现象的相关研究还较欠缺,尤其缺少水质因子与藻类群落垂向演替相关研究。本研究以2019年12月至2020年6月间东圳水库水质和藻类群落监测数据为基础,探究水库不同时期环境因子和藻类群落的垂向分布特征,通过RDA分析(redundancy analysis, RDA)明确二者之间的相互作用。根据不同季节环境因子与藻类群落垂向变化的分布热图,进一步探讨环境因子变化造成水库藻类爆发的关联机制,并提出防范水库“水华”的相关措施,以期为该水库“水华”现象的精准防控提供参考。
深水型水库水质因子与藻类群落垂向演替及水华爆发机制分析
Insights of water quality factors and algal community vertical succession and outbreak mechanism in deep-water reservoir
-
摘要: 将莆田市东圳水库垂向划分为表层、中层、和深层,研究其藻类群落的分布特征及其受环境因子影响的演变规律,进而明晰“水华”爆发机制。结果表明,水库中共检出浮游藻类7门39属,群落结构主要以蓝藻、绿藻、硅藻和隐藻为主,在不同季节沿水库垂向分布呈现显著差异性。表层和中层水体中优势藻类为绿藻门和蓝藻门,受水温、光照、DO和TN影响;深层水体优势藻类为硅藻和隐藻,主要受水温和TN影响。对水库中营养盐分析结果表明,东圳水库N/P平均值达到32.4,呈典型磷限制性特征,水库氮污染主要来自农业面源输入和内源释放。底泥中氮类物质易于在夏季分层期发生释放,并与DO结合发生形态转化后输入至上层水体,由此导致“水华”现象的发生。针对东圳水库水华防范与治理,需严格防控点源和农业面源污染,并建设水力扰动设施以及增设原位修复装置等措施,全方位防控水华现象的发生。本研究通过分析东圳水库藻类功能组时空演替,有助于确定东圳水库藻类爆发机制,可为水库藻类治理、水环境生态保护提供参考。Abstract: The spatial succession of algae is closely related to environmental factors. In order to investigate the spatial and temporal succession of algal functional groups and habitat changes in Putian Dongzhen Reservoir, this study delineated the vertical distribution characteristics of the algal community in the reservoir and explored the evolution of its influence by environmental factors, so as to clarify the mechanism of water bloom outbreak in Dongzhen Reservoir. The results showed that 7 phyla and 39 genera of planktonic algae were detected, and the community structure was mainly composed of cyanobacteria, green algae, diatoms and cryptoalgae. The vertical distribution showed significant difference in different seasons. Chlorophyta and cyanobacteria were the dominant algae in the surface (0.5 m) and middle (10 m) water bodies, which were mainly affected by water temperature, sun light, DO and TN. The dominant algae in the deep water (20 m) were diatoms and cryptoalgae, which were mainly affected by water temperature and TN. The average value of N/P in Dongzhen reservoir was 32.4, which showed a typical phosphorus limiting characteristic. The nitrogen pollution in reservoirs mainly came from agricultural surface inputs and endogenous releases. The nitrogen in the substrate was easily released during the summer stratification period of the reservoir. After combination with DO, the morphological transformation happened and the nitrogen was imported to the upper water body, which led to the occurence of "water bloom". In order to prevent and control water bloom in the Dongshen Reservoir, it was necessary to strictly prevent and control point source and agricultural surface source pollution, and construct hydraulic disturbance facilities and add in-situ restoration devices to prevent and control the occurrence of water bloom. By analyzing the temporal and spatial succession of algal functional groups in Dongzhen Reservoir, this study is helpful to determine the algal outbreak mechanism in Dongzhen Reservoir, and can provide reference for reservoir algal control and water environment ecological protection.
-
表 1 东圳水库2020 年12月至2021年6 月期间水质参数变化特征
Table 1. Variation characteristics of water quality parameters of Dongzhen Reservoir from Dec. 2020 to Jun. 2021
垂直分布 月份 水温/ pH DO/ TN/ TDN/ NO3-N/ NH3-N/ TP/ CODMn/ Chl-a/( ℃ (mg·L−1) (mg·L−1) (mg·L−1) (mg·L−1) (mg·L−1) (mg·L−1) (mg·L−1) Cells·L−1) 表层
0.5 m12 16.50 7.01 7.26 0.41 0.39 0.26 0.37 0.01 2.68 3.61 1 13.60 5.32 7.88 0.30 0.26 0.27 0.03 0.01 2.63 6.97 3 17.10 6.85 8.94 0.27 0.26 0.25 0.06 0.01 4.38 3.22 4 20.90 7.99 9.45 0.34 0.23 0.31 0.04 0.01 3.12 7.59 5 27.00 9.15 9.24 0.14 0.13 0.07 0.05 0.03 4.57 12.08 6 31.30 8.23 8.4 0.52 0.38 0.44 0.03 0.01 4.62 5.82 中层10 m 12 16.40 6.96 7.1 0.47 0.36 0.23 0.31 0.02 2.87 3.00 1 13.80 5.08 7.94 0.30 0.28 0.24 0.02 0.01 2.73 6.97 3 17.10 6.95 8.92 0.27 0.22 0.23 0.07 0.01 4.3 1.95 4 18.50 7.25 7.09 0.40 0.14 0.35 0.08 0.01 2.85 2.65 5 19.50 6.80 2.57 0.20 0.18 0.17 0.09 0.02 4.06 6.62 6 26.10 6.00 4.3 0.54 0.41 0.43 0.05 0.01 4.59 11.10 深层20 m 12 16.10 7.03 7.61 0.39 0.38 0.31 0.03 0.01 2.78 4.80 1 13.90 5.12 7.76 0.29 0.20 0.22 0.02 0.01 2.25 7.12 3 16.70 6.90 6.73 0.30 0.33 0.27 0.02 0.01 4.96 1.92 4 15.90 6.82 2.81 0.47 0.25 0.45 0.14 0.02 2.85 3.42 5 16.60 6.70 1.97 0.29 0.23 0.18 0.15 0.01 4.11 1.76 6 22.40 5.73 4.17 0.59 0.36 0.25 0.30 0.01 4.65 6.00 -
[1] ZHANG H, JIA J, CHEN S, et al. Dynamics of bacterial and fungal communities during the outbreak and decline of an algal bloom in a drinking water reservoir[J]. International Journal of Environmental Research and Public Health, 2018, 15(2): 361. doi: 10.3390/ijerph15020361 [2] 卢金锁, 张颖, 胡亚潘. 深水型水库中藻类功能群组演替及其与环境因子的关系[J]. 环境工程学报, 2014, 8(11): 4605-4611. [3] MIN, LIU, LEMIAN et al. Community dynamics of free-living and particle-attached bacteria following a reservoir Microcystis bloom. [J]. Science of the Total Environment, 2019. [4] 周川, 蔚建军, 付莉, 等. 三峡库区支流澎溪河水华高发期环境因子和浮游藻类的时空特征及其关系[J]. 环境科学, 2016, 37(3): 873-883. [5] 罗婧, 陈敬安, 王敬富, 等. 利用薄膜扩散梯度技术估算红枫湖沉积物磷释放通量[J]. 矿物岩石地球化学通报, 2015, 34(5): 1014-1020. doi: 10.3969/j.issn.1007-2802.2015.05.017 [6] 曾明正, 黄廷林, 邱晓鹏, 等. 我国北方温带水库——周村水库季节性热分层现象及其水质响应特性[J]. 环境科学, 2016, 37(4): 1337-1344. [7] 罗桂林, 田林锋. 基于WQI法的宁夏湖泊藻类爆发过程水环境质量变化及溯源探究[J]. 环境化学, 2021, 40(7): 2073-2082. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2020100301 [8] 李璇, 周燕平, 夏琼琼, 等. 磷胁迫对藻类生长代谢的影响及藻类对胁迫响应机制的研究进展[J]. 环境化学, 2020, 39(8): 2074-2083. [9] 何少钦. 莆田市东圳水库水生态环境现状分析及修复探究[J]. 亚热带水土保持, 2022, 34(1): 27-33. [10] 刘开国, 陈武强. 东圳水库流域氮源污染调查[J]. 化学工程与装备, 2018(12): 309-311. doi: 10.19566/j.cnki.cn35-1285/tq.2018.12.120 [11] 原瑞芬, 朱锦乐, 陈勇红. 东圳水库保护区农业面源污染现状及风险评估[J]. 农业与技术, 2020, 40(16): 101-103. doi: 10.19754/j.nyyjs.20200830036 [12] 巫丽俊, 黄晓庆, 孙华. 东圳水库水质模拟预测及污染物总量控制研究[J]. 水生态学杂志, 2017, 38(5): 14-20. doi: 10.15928/j.1674-3075.2017.05.003 [13] 郑洪萍. 东圳水库浮游植物群落特征与营养状况分析[J]. 化学工程与装备, 2012(5): 193-195. [14] 沈青. 地表水中藻类代谢对pH和含氧量影响分析[J]. 环境科学与技术, 2011, 34(S2): 261-262. [15] 高锐, 黄岁樑, 孙逸璇. 潘家口水库热分层期溶解氧垂向分布及影响因素[J]. 水资源与水工程学报, 2022, 33(3): 39-49. doi: 10.11705/j.issn.1672-643X.2022.03.06 [16] 夏品华, 林陶, 李存雄, 等. 贵州高原红枫湖水库季节性分层的水环境质量响应[J]. 中国环境科学, 2011, 31(9): 1477-1485. [17] 卢金锁, 李志龙. 热分层对水库水质的季节性影响——以西安黑河水库为例[J]. 湖泊科学, 2014, 26(5): 698-706. [18] 李付宽,郑剑锋,贾泽宇, 等.海河干流天津段氮磷对藻类生长的影响及动力学分析[J].环境工程学报,2017,11(2):959-964. [19] NEGRO A I, HOYOS C D, VEGA J C. Phytoplankton structure and dynamics in Lake Sanabria and Valparaíso reservoir (NW Spain)[J]. 2000, 424(1/2/3): 25-37. [20] ALBAY M, AK Aalan R. Factors influencing the phytoplankton steady state assemblages in a drinking-water reservoir (Ö merli reservoir, Istanbul)[J]. 2003, 502(1/2/3): 85-95. [21] 刘霞, 陆晓华, 陈宇炜. 太湖北部隐藻生物量时空动态[J]. 湖泊科学, 2012, 24(1): 142-148. [22] 杨威, 张婷婷, 孙雨琛, 等. 淮北采煤塌陷区两个小型湖泊轮虫的群落结构特征[J]. 水资源保护, 2020, 36(1): 82-88. [23] 邱二生. 黑河水库水质及藻类监测和水体分层研究[D]. 西安: 西安建筑科技大学, 2010. [24] 魏洪祥, 蒋湘辉, 张涛, 等. 水丰水库浮游植物群落特征及水质评价[J]. 生态学杂志, 2021, 40(2): 402-411. [25] KUANG Q J, MING M P, YU H Z, et al. Study on the evaluation and treatment of lake eutrophication by means of algae biology[J]. Journal of Safety and Environment, 2005. [26] 杨毓, 卢金锁, 张颖. 深水型水库藻形态功能组(MBFG)的季节演替特征[J]. 环境科学, 2017, 38(1): 121-128. [27] 甄卓. 福建省饮用水水源地水库—东圳水库蓝藻群落结构及多样性研究[D]. 厦门: 集美大学, 2013. [28] 闫苗苗, 陈胜男, 黄廷林, 等. 分层型水库藻类垂向演替的水质与细菌种群调控[J]. 环境科学, 2020, 41(7): 3285-3296. [29] 李衍庆, 黄廷林, 张海涵, 等. 水源水库藻类功能群落演替特征及水质评价[J]. 环境科学, 2020, 41(5): 2158-2165. [30] 方丽娟, 刘德富, 杨正健, 等. 水温对浮游植物群落结构的影响实验研究[J]. 环境科学与技术, 2014, 37(S2): 45-50. [31] 陈琼. 氮、磷对水华发生的影响[J]. 生物学通报, 2006(5): 12-14. [32] BARRY, A, L, et al. Effect of nitrogen limitation on foliar antioxidants in relationship to other metabolic characteristics[J]. Planta, 1999, 209(2): 213-220. doi: 10.1007/s004250050625 [33] 陈文煊, 王志红. 不同形态氮对富营养化水源藻华暴发的潜在影响[J]. 给水排水, 2008(9): 22-27. [34] 秦瑞阳, 李永富, 刘建国. 盐度、光强和温度对盐生杜氏藻生长的影响及其交互作用[J]. 海洋科学, 2021, 45(11): 73-81. [35] 温成成, 黄廷林, 孔昌昊, 等. 北方富营养分层型水库藻类季节性暴发机制及其阈值分析[J/OL]. 环境科学: 1-16 2-09-13].
[36] 林建国, 杨玉波. 东圳水库流域氮磷面源污染现状调查与分析[J]. 海峡科学, 2019(2): 6-9. [37] 李莉, 蔡金傍, 陈梅, 等. 东圳水库水质影响预测及对策[J]. 安徽农业科学, 2017, 45(5): 47-50. doi: 10.3969/j.issn.0517-6611.2017.05.018 [38] 张耀文, 李洪, 李嘉, 等. 西南山区典型河道型水库藻类功能群时空演替特征及其影响因素: 以紫坪铺水库为例[J]. 环境科学, 2018, 39(6): 2680-2687. [39] 吕辉, 简鸿福, 游文荪, 等. 水库型水源地保护与防治策略研究[J]. 水利规划与设计, 2022(6): 72-74. [40] 边博, 吴海锁, 徐志荣, 等. 复合型前置库系统去除面源主要污染物的研究[J]. 湖泊科学, 2013, 25(3): 352-358. doi: 10.3969/j.issn.1003-5427.2013.03.007 [41] 马越, 黄廷林, 丛海兵, 等. 扬水曝气技术在河道型深水水库水质原位修复中的应用[J]. 给水排水, 2012, 48(4): 7-13. doi: 10.3969/j.issn.1002-8471.2012.04.002 [42] 马卫星. 黑河水库水质变化规律及扬水曝气应用效果研究[D]. 西安: 西安建筑科技大学, 2012. [43] 黄廷林, 朱倩, 邱晓鹏, 等. 扬水曝气技术对周村水库藻类的控制[J]. 环境工程学报, 2017, 11(4): 2255-2260. [44] 姚金忠, 范向军, 杨霞, 等. 三峡库区重点支流水华现状、成因及防控对策[J]. 环境工程学报, 2022, 16(6): 2041-2048. [45] 曹琳,刘煌,许国静,等. 壳聚糖-镧改性膨润土的制备及除藻除磷性能[J]. 环境工程学报, 2021, 15(8): 2555-2562.