2017, Vol. 38
, MA Qian-li , WANG Zhen-xing , WANG Li , YAO Ling-ai , XU Zhen-cheng , ZHAO Xue-min
, LIANG Rong-chang , LAN Yu
水坝是人类影响河流水体最重要的工程建筑, 筑坝拦截形成的水库发挥着供水、灌溉、防汛、发电等重要功能[1, 2], 尤其在水资源短缺的国家, 水库是其流域内重要的水利枢纽, 同时也是战略水源地和备用水源地, 对确保国民供水安全、生态保障和区域经济发展发挥着重要作用.但近年来水库水体的富营养化问题日益突出, 我国水功能区水质达标率小于60%, 湖库富营养化程度为轻度富营养化水平和中度富营养化水平已经达到54.3%, 部分水库为中营养化水平[3].富营养化破坏水库生态系统结构, 引起水体生态系统功能改退化, 破坏生物多样性和完整性[4], 引发的蓝藻水华也是最复杂和棘手的环境问题[5].当水体大规模暴发蓝藻水华后, 蓝藻产生的次级代谢产物微囊藻毒素(MCs), 具有肝毒性、肾毒性、遗传毒性以及免疫和神经系统毒性[6, 7], 对水体环境和人类健康带来严重的危害[8~10].探究水库富营养化成因主要有水库周边的农业面源污染[10], 规模化养殖污染, 入库支流污染, 携带的氮和磷以径流、淋溶等方式进入水体[11], 此外, 水库底泥释放氮磷引起的内源污染[12]等, 均可导致水体中氮、磷等营养物质含量过多, 造成严重的生态环境风险或直接的环境污染.
龟石水库位于贺州市北部, 地处富川瑶族自治县境内, 是一座以防汛抗旱、农田灌溉、水源保护、饮用水安全为主, 结合发电、供水等综合利用的国家大型水库, 集雨面积1 254 km2, 库容5.95亿m3, 库区内常住人口16.65万人; 库区内有耕地26.08万亩, 其中水田18.22万亩, 旱地7.86万亩.龟石水库作为贺州市主要的水源, 确保其水质达标, 对贺州社会稳定和经济发展具有十分重要的意义.研究表明2013年龟石水库藻细胞密度高达107 cells·L-1数量级, 发生蓝藻水华的潜在风险较高[13].本研究着重对2014年龟石水库水华期间的水质和浮游藻类群落特征进行分析, 并检测微囊藻水华暴发后水体中的微囊藻毒素含量, 以期为贺江龟石水库的水华风险防范及同类型的水库环境管理提供依据.
1 材料与方法 1.1 采样点设置根据龟石水库水域特点及水华的分布特征, 在龟石水库设置8个采样点(图 1).G1:取水口, G2:碧溪山冲口(坝前3 km); G3:峡口(坝前5.6 km); G4:峡口上游200 m; G5:洪水源冲口; G6:蒙家庙附近1 km; G7:毛家大桥(下游500 m); G8:蒙家冲和内新冲间.
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图 1 龟石水库采样点位示意 Fig. 1 Location of sampling sites in the Guishi Reservoir |
2014年6月15日水华暴发初期, 每个采样点采集表层(0.5 m)水样和浮游藻类样品, 后续对水库G1样点(取水口)和水华严重的G3样点(峡口)进行分层加密采样, 采样时间为6月16日、6月17日、6月19日和6月26日(6月18日因持续降雨未采样), 分别采集表层、2 m、5 m、8 m和底层水样及浮游藻类样品.现场测定pH、水温(T)、溶解氧(DO)、电导(Cond)和透明度(SD), 采集表层水样1 L带回实验室测定叶绿素a(Chl-a)、总氮(TN)、氨氮(NH4+-N)、硝氮(NO3--N)、总磷(TP)以及高锰酸盐指数, 测定方法均参考文献[14].浮游藻类定性样品用25#浮游生物网在水体表层呈“∞”形来回捞取, 4%福尔马林溶液固定, 显微镜下进行种类鉴定; 浮游藻类定量样品用采水器采集表层水样1 L, 加入10 mL鲁哥试剂固定, 样品经沉淀、浓缩、定容后, 采用目镜视野计数法进行藻类细胞计数与鉴定[15].
微囊藻毒素(MCs)的测定:采集G1~G5样点的水样, 低温遮光保存带回实验室进行测定.样品经膜过滤(Whatman GF/C, 0.45 μm孔径), 滤液即为胞外藻毒素(EMC)样品.将含有藻细胞的滤膜剪切成碎片后用70%甲醇水溶液进行提取, 超声波水浴处理(1 h), 然后再进行离心、过滤, 重复两次, 合并上清液, 旋转蒸发仪蒸干(40℃), 最后超纯水定容, 即为胞内藻毒素(IMC)样品.MCs采用酶联免疫(ELISA)试剂盒进行分析(Beacon Analytical Systems Inc., 检测限为0.01 ng·mL-1), 以MC-LR为标准品.
1.3 数据处理水华蓝藻的优势种根据每种藻类的优势度值(Y)来确定:
Y=fi(ni/N)
式中, fi为第i种浮游藻类在各样点出现的频度, 当Y≥0.02时的物种为优势种.
选取水体叶绿素a(Chl-a)、总磷(TP)、总氮(TN)、透明度(SD)和高锰酸盐指数为评价指标, 计算综合营养状态指数TLI(Σ).当TLI(Σ)＜30, 为贫营养状态; 30≤TLI(Σ)≤50为中营养状态; 50＜TLI(Σ)≤60为轻度富营养化状态; 60＜TLI(Σ)≤70为中度富营养化状态; 当TLI(Σ)＞70时, 为重度富营养化状态.
2 结果与分析 2.1 浮游藻类及藻毒素污染特征 2.1.1 浮游藻类群落组成龟石水库水华期间共检出浮游藻类7门35科65属106种(表 1), 主要由蓝藻门、硅藻门和绿藻门组成, 所占比例达到93.40%, 其他种类较少, 红藻门仅占0.94%.
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表 1 水华期间浮游藻类种类数及比例 Table 1 Species number and proportion of phytoplankton during the bloom |
2.1.2 浮游藻类细胞密度分布
根据水华暴发初期监测结果(图 2), 库区各样点(G1~G8) 浮游藻类总细胞密度变化范围为8.60×106~5.36×108 cells·L-1, 平均值为1.55×108 cells·L-1, 其中G3样点藻细胞密度最高, 其次为G2样点, G8样点藻细胞密度最低.G1样点藻密度由蓝藻门和硅藻门组成, 两者所占比例相当, 但蓝藻门细胞密度仅是水华藻类微囊藻的贡献; G2~G8样点的藻细胞密度组成均以蓝藻门为主, 其中G2~G4样点蓝藻门细胞密度达到95%以上, 且以惠氏微囊藻为主.
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图 2 水华暴发初期各样点浮游藻类细胞密度及所占比例 Fig. 2 Phytoplankton cell densities and proportion of each sampling site in the initial phases of the bloom |
G1、G3样点浮游藻类总细胞密度时空分布结果见图 3.从空间分布来看, 浮游藻类细胞密度空间垂直分布主要集中在表层及水下2 m处.G1样点的结果显示, 浮游藻类细胞密度随水深增加先升高后降低, 最高值并不是表层, 而是水下2 m处.各层浮游藻类细胞总密度波动范围为1.10×107~2.85×107 cells·L-1, 蓝藻占浮游藻类总细胞密度的比例最低为78.91%, 最高达到90.37%. G3样点各层浮游藻类细胞总密度波动范围为2.66×107~1.22×108 cells·L-1, 浮游藻类细胞密度组成以蓝藻为主, 表层细胞总密度最高, 为1.18×108 cells·L-1, 该样点水下2 m、5 m、8 m和底层水体中惠氏微囊藻密度分别为7.59×107、4.41×107、2.25×107和2.33×107 cells·L-1.从时间分布来看, G1和G3样点浮游藻类细胞密度均随时间的推移呈现降低趋势.G1样点浮游藻类细胞密度变化范围为7.56×106~3.27×107 cells·L-1, G3样点浮游藻类细胞密度变化范围为9.60×106~3.90×108 cells·L-1.
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图 3 G1和G3样点浮游藻类细胞总密度时空分布 Fig. 3 Spatio-temporal distribution of total cell densities at G1 and G3 |
水华期间浮游藻类优势种的种类和数量随时间变化呈现一定的变化规律(表 2).优势种种类数随时间先减少后增加, 6月17日出现种类数最少, 仅有第一优势种惠氏微囊藻和四尾栅藻; 水华后期, 浮游藻类优势种种类数增加, 蓝藻、绿藻和硅藻均有出现.监测期间第一优势种惠氏微囊藻出现的频度均达到100%, 优势度变化范围为0.47~0.92, 随时间先升高后降低, 最高出现在6月17日.
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表 2 水华期间浮游藻类优势种变化 Table 2 Changes in dominant species and the dominance of phytoplankton during the bloom |
2.1.4 微囊藻毒素含量
水华期间浮游藻类细胞外藻毒素EMC和细胞内藻毒素IMC的浓度变化范围分别为0.072~0.096 μg·L-1和0.044~0.057 μg·L-1(图 4).EMC浓度高于IMC的浓度, 且G1~G5样点EMC逐渐升高, 而IMC逐渐降低, 说明有微囊藻细胞死亡藻体破裂释放藻毒素到水体中, 且G5样点藻类死亡量较多.根据中华人民共和国环境保护部、卫生部规定地表饮用水源中MC-LR浓度的标准限值(1.0 μg·L-1)[16]以及世界卫生组织推荐的MC-LR浓度的安全限值(1.0 μg·L-1), 龟石水库EMC和IMC浓度均远远小于1.0 μg·L-1, 表明龟石水库藻毒素风险较低, 未影响供水安全.
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图 4 水库水华期间微囊藻毒素浓度变化 Fig. 4 Concentration variations of microcystins in Guishi Reservoir |
水质监测结果显示(表 3), 龟石水库TN和TP浓度变幅分别为2.03~4.72 mg·L-1和0.01~0.08 mg·L-1, 各样点TN、TP浓度差异显著(P＜0.05), 从坝首向库尾方向先升高后降低, G3样点浓度显著高于其它样点.各样点TN浓度远超过龟石水库水功能区水质标准:《地表水环境质量标准(GB 3838-2002)》中Ⅱ类水标准; TP浓度除G2~G4样点超过《地表水环境质量标准(GB 3838-2002)》中Ⅱ类水标准外, 其它均符合饮用水要求.根据综合营养状态指数(TLI), 龟石水库TLI在41.2~67.1之间波动, 平均值为50.1, 表明龟石水库已处于中营养水平, 部分样点处于轻度或中度富营养化状态.
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表 3 水华暴发初期各样点理化指标变化 Table 3 Physico-chemical parameters of water in the initial phases of the bloom |
G1和G3样点TN、TP浓度时空分布结果见图 5.从空间分布来看, G1样点TN浓度波动范围为1.68~2.10mg·L-1, 随水深先降低后升高, 底层水体TN浓度与表层相当; TP浓度在水深纵向分布上变化差异不大.G3样点TN、TP浓度变化范围分别为1.93~2.35mg·L-1、0.016~0.032mg·L-1, 均随水深下降.从时间分布来看, G1和G3样点的TN、TP浓度均随时间推移呈现降低趋势.
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图 5 G1和G3样点总氮、总磷时空分布 Fig. 5 Spatio-temporal distribution of TN and TP at G1 and G3 |
龟石水库集水区污染源调查分析见表 4, 影响水质的污染源主要为农村生活污染、规模化养殖污染及农业面源污染.运用排污系数法计算2014年污染负荷的排放量, 入河系数的确定参照《全国水环境容量核定技术指南》, 并根据实地调查和资料分析, 对龟石水库产生直接影响的周边乡镇取较大值, 集水区内距离水库较远的乡镇根据其对河流远近情况取较低的入河系数.估算龟石水库2014年接受的污染物负荷为总氮和总磷分别208.51 t和31.65 t.
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表 4 龟石水库库区污染源负荷分布 Table 4 Distribution of pollution sources in Guishi Reservoir |
从各类污染源的贡献率看, 规模化养殖污染负荷较大, 对总氮、总磷的贡献率分别为69.35%、80.16%, 其次为农村生活污染和农业面源污染, 二者对总氮、总磷的贡献率相当, 分别为13.06%、11.24%, 9.57%、8.37%, 其他污染负荷较小.集水区内农村生活污染随着污水厂的投入运营而逐年减小, 而规模化养殖和农业面源污染仍然是主要的污染源.
2.4 浮游藻类分布的环境影响因子在对藻类与环境因子做相关性分析之前, 对各采样点进行聚类分析(图 6).选择参数包括常规水体理化指标(pH、DO、T、SD、NH4+-N、NO3--N、TN、TP、高锰酸盐指数).图 6显示, 龟石水库各点位水生境可划分2类, G3为一类, 其余点位为第二类.
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图 6 龟石水库采样点聚类分析树状图 Fig. 6 Dendrogram of sampling points in Guishi Reservoir |
Pearson相关性分析结果如表 5所示, 龟石水库藻细胞密度、蓝藻细胞密度与TN、TP、NO3--N和高锰酸盐指数呈现显著正相关(P＜0.01), 蓝藻细胞密度与藻细胞密度也呈现显著正相关(P＜0.01), 藻细胞密度与透明度呈显著负相关(P＜0.05).由此说明, 龟石水库水华期间总藻细胞密度由蓝藻细胞密度为主贡献, 氮磷营养盐和高锰酸盐指数是影响龟石水库浮游藻类分布的关键环境因素, 如果集水区内营养污染进一步加剧, 将会增加水库发生蓝藻水华的风险.
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表 5 龟石水库浮游藻类与环境因子的Pearson相关系数1) Table 5 Pearson correlation of phytoplankton data and environmental factors in Guishi Reservoir |
3 讨论 3.1 龟石水库水质现状与富营养化趋势
龟石水库作为贺州市最重要的饮用水源, 水质保护目标为Ⅱ类标准.目前水体中TN含量已远超过Ⅱ类标准, 部分样点的TP含量也超过Ⅱ类标准.对比历年水库营养盐浓度的变化(表 6), 水华期间的TN浓度远高于未发生水华期的浓度, 而TP浓度与未水华时期相当. 2006~2014年TN浓度呈现逐年上升的趋势, 2009年以前TN保持在Ⅱ类水标准, 2009年TN含量开始急剧上升, 甚至超过Ⅳ类标准; TP含量呈现波动变化, 基本维持在0.02 mg·L-1, 保持在Ⅱ类水标准.可见龟石水库的氮污染比磷污染严重, 是影响龟石水库水质的主要污染因子, 并且有逐年恶化的趋势.水库TN污染问题严重, 但硝酸盐浓度较高而氨氮和化学需氧量含量除个别样点外, 并无明显异常, 说明主要污染来自无机氮而非有机氮类, 根据水库周边污染情况调查, 分析认为污染源主要与富江、莲山河、巩塘河等3条主要入库河流的输入以及河道沿线点源、面源污染物排放有关.研究认为N/P＜7的水体为氮限制, N/P>7的水体为磷限制[17, 18], 龟石水库从2010年开始氮磷比已超过50, 为典型的磷限制性水体[19].龟石水库氮负荷明显过高, 同时水库为磷限制性, 若集水区内磷污染进一步加剧, 水库发生蓝藻水华的风险将会增加.这与韩龙等[20]对于桥水库的研究结论一致.综合营养状态指数显示龟石水库大部分处于中营养水平, 个别样点已处于轻度或中度富营养化状态, 造成水库富营养化的来源主要是规模化养殖和农业面源污染, 另外, 龟石水库及其支流周边分布有大量农村和耕地, 农村生活污水和垃圾也造成水体氮较高的原因之一.研究认为, 水体污染的主要驱动因素为人口、产业结构和土地利用格局等[21~23], 而农业用地面积与水质指标NH4+-N、NO3--N、TN呈显著正相关[24, 25].龟石水库NO3--N为氮素的主要赋存形式, 水体中的氮素主要来源于不合理施用而流失的化肥和农药.龟石水库集水区内的富川县主要以种植业为主, 且是我国著名的脐橙之乡, 据统计脐橙种植面积在2015年已达187 km2, 每年产量达30万t, 脐橙生长时期施用的化肥、农药遇到雨水的冲刷进入水库, 造成水库耗氧有机物和营养盐积累, 加快了水库富营养化进程.这与欧阳威等[26]对巢湖流域、蔡金洲等[27]对三峡库区以及陈能汪等[28]对福建山仔水库流域地区的研究结果相似, 说明土地利用类型的变化和化肥的大量施用已成为很多流域水环境污染的主要影响因素.
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表 6 龟石水库(坝首)近年总氮、总磷变化/mg·L-1 Table 6 Concentration variations in TN and TP/mg·L-1 |
3.2 龟石水库浮游藻类群落特征与水华防治措施
龟石水库浮游藻类主要由绿藻门、硅藻门和蓝藻门组成, 是水体常见的浮游藻类群落结构组成形式, 与国内其它众多水库的藻类群落结构相似[29~32].水华时期龟石水库浮游藻类总细胞密度从坝首至库尾呈现先升高后降低的变化趋势, 且以蓝藻细胞密度占主导.坝首(G1) 蓝藻细胞密度相对较低, 与硅藻细胞密度相当, 峡口(G3) 藻细胞密度最高, 这与峡口狭窄特殊的地理位置相关.库尾由于支流富川江的汇入, 浮游藻类群落结构发生变化, 蓝藻细胞密度相对降低, 绿藻占的比例升高.整个水体总体表现为蓝藻-绿藻型, 且蓝藻门惠氏微囊藻为优势种.已有研究表明[33, 34], 蓝藻与水体富营养化密切相关, 蓝藻细胞密度越高, 水质状况越差.龟石水库水华期间惠氏微囊藻细胞密度最高达到5.36×108 cells·L-1, 根据郑丙辉等[35]建立的三峡水库营养状态评价标准:浮游藻类细胞密度(121~1612) ×104 cells·L-1之间时, 三峡水库小江、香溪河等湖泊类型区的水体营养状态为中营养至轻度富营养级别.据此, 结合本次浮游藻类分析结果, 龟石水库水华暴发期间水体评价总体为中度富营养型, 水华期间尽管中层和底层水体浮游藻类密度低于表层水体, 但在浮游藻类群落特征方面已处于中营养化或富营养化水平[36].至水华末期区域水体状况明显好转(浮游藻类密度为7.56×106 cells·L-1).
蓝藻水华发生的驱动因素很多, 既与蓝藻能够适应低光[37], 有些种类具有固氮能力, 易形成群体[38]等特性有关, 也与水体氮磷营养盐浓度升高, 气候变暖[39~42]等因素相关.因此, 蓝藻水华防治具有较高的复杂性, 然而, 水体氮磷浓度的削减仍是最有效的措施.与其它发生微囊藻水华的水库相比, 三峡水库[43]、高州水库[44]、洋河水库[45]和汤溪水库[46]主要优势种为铜绿微囊藻, 福建山仔水库[47]优势种为水华微囊藻, 本研究龟石水库水华优势种为惠氏微囊藻.从氮磷营养盐来看, 各水库的总氮和总磷浓度都较高, 龟石水库水华期间的总氮浓度处于较高水平, 平均值(2.66 mg·L-1)仅低于洋河水库; 总磷浓度处于相对较低水平, 平均值(0.03 mg·L-1)与高州水库总磷浓度相当, 均低于其他水库.因此, 基于龟石水库作为水源的重要性和水华暴发原因的复杂性, 应从产业结构调整、控制化肥使用量、集中处理生活污水、控制并逐步取消水库网箱养鱼等多方面削减进入水库的氮磷污染, 并通过在库区建设浮床、人工湿地等措施吸收水体营养盐, 修复水生态环境以提高水体自净能力[44], 逐步减缓水体富营养化进程, 才能从根本上控制蓝藻水华暴发, 保障饮用水安全.
4 结论(1) 龟石水库氮、磷浓度较高, TN浓度波动范围为2.03~4.72 mg·L-1, TP为0.01~0.08 mg·L-1, 从坝首向库尾方向先升高后降低, 峡口(G3) 样点浓度显著高于其它样点.水库TN浓度远超过龟石水库水功能区水质标准Ⅱ类水标准; TP浓度除G2~G4样点超过Ⅱ类水标准外, 其它均符合饮用水要求.龟石水库各点位的综合营养状态指数TLI在41.2~67.1之间波动, 已处于中营养水平, 部分样点处于轻度或中度富营养化状态.氮磷的主要污染来源是规模化养殖和农业面源污染.
(2) 调查期间库区内检出浮游藻类7门35科65属106种, 总细胞密度变化范围为8.60×106~5.36×108 cells·L-1, 靠近大坝样点明显高于河流入库口.浮游藻类细胞密度空间垂直分布主要集中在表层及水下2 m处, 各层均以蓝藻中的惠氏微囊藻为主.龟石水库水体中微囊藻毒素和细胞内藻毒素浓度均远远小于1.0 μg·L-1, 龟石水库水质未受影响.
(3) 龟石水库藻细胞密度、蓝藻细胞密度与TN、TP、NO3--N和高锰酸盐指数呈显著正相关(P＜0.01), 与透明度呈显著负相关(P＜0.05).氮磷营养盐和高锰酸盐指数是影响龟石水库浮游藻类分布的关键环境因素, 如果集水区内营养污染进一步加剧, 将会增加水库发生蓝藻水华的风险.
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