2019, Vol. 40
季节性热分层普遍发生于多数湖泊水库中, 是引起水体溶解氧(DO)分布、底泥营养盐释放等各种理化过程变化的主要因素, 对生物新陈代谢和物质分解过程起着重要作用[1~3].受气候的影响, 水深超过7 m的自然水体, 除表面变温层和底部均温层外, 水体中部会存在温度梯度较大的水层, 即温跃层[4].夏季气温升高引起表层水温上升会直接影响水体分层强度和温跃层深度, 进而影响水体的其他生化过程[5].
水体溶解氧浓度是表征湖库水质状态的重要指标, 其与水温变化密切相关.缺氧及厌氧环境会对水质和生态系统产生许多直接和间接的不利影响[6].目前, 湖库水体季节性低氧成因受到越来越多的关注, 水体稳定的热分层结构、有机物氧化降解、藻类暴发等因素都可能大量消耗水体溶解氧导致低氧区的形成. Jay等[7]认为夏季水体热分层形成的密度跃层是底部水体缺氧的原因.欧阳潇然等[8]的研究表明, 溶解氧垂向分布不稳定主要受浮游植物、水体热分层的季节性变化影响.杨丽娜等[9]发现溶解氧含量与营养盐和有机污染物呈显著负相关.俞焰等[10]分析了水体层化作用与浮游生物活动直接或间接影响千岛湖湖泊区低氧区的范围与程度.邱晓鹏等[11]探讨了水库富营养化和热分层对溶解氧分布存在一定的耦合机制.对于分层性湖库, 溶解氧和浮游植物季节性分布的研究对湖库水质保护具有重要意义.
很多分层性湖库在夏季出现上部水体低氧或厌氧问题, 然而, 当前研究较多关注底部溶解氧的分布规律, 对上部水体溶解氧变化规律的研究鲜见报道.当温跃层存在时, 水体产生的密度差会使有机物和无机物在对应密度水深处堆积[12].本文通过对水质和藻类指标的持续性监测, 结合Stokes公式对藻类群体在静止水体中的垂向分布的计算, 分析了水华期间水体理化指标与藻类垂向分布特征, 初步探讨了李家河水库夏季分层期微囊藻水华及上部水体厌氧成因, 通过探明李家河水库水质动态变化规律, 以期为后续水质原位改善研究提供有效的数据基础, 也为水库管理部门应对水华暴发提供科学的理论依据.
1 材料与方法 1.1 研究区域概况李家河水库(33°51′N~34°08′N; 109°17′E~109°36′E)位于西安市蓝田县境内, 2015年建成蓄水, 是解决西安市东部用水紧张的骨干供水工程.属于峡谷型大水深水库, 干流总长28.5 km, 平均水深60 m.水库现状水质整体符合地表水Ⅲ类水质量标准, 氮磷含量阶段性超标、藻类高发等水质问题突出.
1.2 采样时间及采样点设置本研究于2017年全年在李家河水库坝前深水区进行取样监测(图 1), 频率每周1次.自表层0.5 m至底泥以上0.5 m之间的水域分层取样, 垂向间隔取5~10 m; 现场采集的水样用聚乙烯瓶分装后立即运回实验室, 一部分冷藏保存(4℃)用于总氮(TN)、总磷(TP)、高锰酸盐指数的测定.一部分现场加鲁哥试剂固定, 用于藻类的计数与鉴定.
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图 1 李家河水库主库区及采样点示意 Fig. 1 Location of the Lijiahe Reservoir and sampling site |
水温、水深、pH值、叶绿素a(Chl-a)、溶解氧(DO)等参数选用HACH Hydrolab-DS5X型多参数水质测定仪现场测定, 垂向间隔为1 m; TN、TP、高锰酸盐指数采用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法、过硫酸钾消解-钼锑抗分光光度法、酸性滴定法测定[13], 指标检测均于48 h内完成.在显微镜(40×10倍)下对藻细胞进行计数, 并根据文献[14]进行鉴定.
1.3.2 热分层稳定指数计算RWCS/H指数[15]可以有效评价热分层稳定水平, 根据公式(1)计算：
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(1) |
式中, Db和Ds分别为表层和底层水体密度, kg·m-3; D4和D5分别为4℃和5℃时纯水密度, kg·m-3; H为水深, m.
忽略水中泥沙的影响, 水温(T, ℃)对应水体密度按公式(2)计算[16]：
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(2) |
式中, ρT为水体密度, kg·m-3; T为水体温度, ℃.
1.3.3 静止水体中群体上浮/下沉运动藻类群体在静止水体中上浮/下沉速度(V, m·s-1), 采用Stokes方程(3)计算[17]：
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(3) |
式中, g为重力加速度, 取9.8 m·s-2; ρw为水体密度, kg·m-3; ρcol为藻类群体密度, kg·m-3; d为群体直径, m; μ为水体黏滞系数, kg·(m·s)-1.
微囊藻群体密度(ρcol, kg·m-3)采用公式(4)计算[18]：
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(4) |
式中, ncell为微囊藻群体中细胞所占比例, 取20%; ngas为单细胞中伪空胞所占比例, 取7%; ρmuc为微囊藻体内黏液密度, 取998.7 kg·m-3[19].
2 结果与分析 2.1 水体稳定指数水库于4~12月存在明显的温度分层. 3月中旬气温回升, 库区表层水温随之升高, 而下层水温增长缓慢, 10 m处水体出现弱分层. 4~6月热分层强度逐步加大. 7~9月, 水体上下层温差达到21.8℃, 温度梯度增至1.5℃·m-1, 定义温度梯度大于1℃的水层为温跃层, 水深5~28 m范围内, 形成明显的温跃层, 分层结构成熟.温跃层的存在影响垂向水层热量传递, 底层水温扰动小, 稳定在6℃左右. 10月下旬气温下降, 表层水体密度增大而下潜, 水体垂向温差缩小, 热分层开始削弱(图 2).
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图 2 李家河水库水温垂向剖面变化 Fig. 2 Vertical profile of water temperature in the Lijiahe Reservior |
深水水库分层现象主要受水库当地气候、出/入流条件等变化的影响[20].采用水体稳定指数(RWCS/H)大小对分层各时期进行划分[15], RWCS/H指数为2~10 m-1表示稳定分层期(图 3). RWCS/H指数与当地气温季节性变化趋势一致, 气温差异是造成水库热分层的主要原因.夏季水体稳定的分层结构对水中溶解氧分布影响较大, 且水库稳定的水环境使喜好在稳定水体中生长的藻类的繁殖更具优势.
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图 3 李家河水库热分层稳定指数和气温季节变化 Fig. 3 Seasonal variation of thermal stratification index and air temperature of the Lijiahe Reservior |
水体分层后, 由于上下层水体缺乏交换, 会造成诸多水质问题, 最突出的是水中溶解氧的传递受到限制[21].水体溶解氧呈现显著的季节性差异.冬春季垂向整体溶解氧含量较高, 夏秋季含量低且存在垂直分层现象.如图 4所示, 春季, 水体热分层开始形成但强度仍较弱, 大气复氧充分, 故水体溶解氧水平整体较高(8~12 mg·L-1).进入夏季热分层期, 表层水体受光合作用影响大, 溶解氧浓度接近饱和值, 最高达12.5 mg·L-1. 6月中旬, 2 m以下水体溶解氧突变剧减, 7~8月温跃层内部6.5~22.4 m水深范围溶解氧已降为0 mg·L-1, 形成严格厌氧区, 并持续2个月.温跃层以下溶解氧平均浓度为3~5 mg·L-1; 36 m水深处溶解氧再次随水深降低, 至底部, 水体呈缺氧或厌氧状态. 10月后, 气温降低, 分层结构逐步失稳破坏, 水体中上部溶解氧浓度恢复至较高水平(7~10 mg·L-1).
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图 4 李家河水库溶解氧垂向剖面变化 Fig. 4 Verticalprofile of dissolved oxygen in the Lijiahe Reservior |
与其他季节相比, 夏季水体层化形成的密度跃层导致水体氧传质受阻, 使水体溶解氧浓度垂向分层.而夏季浮游植物大量繁殖释放的氧气并未使上部水体溶解氧含量增加, 反而温跃层内部出现较大面积的厌氧区, 可能与藻类死亡分解过程消耗大量溶解氧有关.受水体和沉积物耗氧作用影响, 分层期间底层水体一直处于缺氧或厌氧状态.至冬季水体混合, 上层高浓度溶解氧水团下潜掺混, 复氧途径疏通, 整个水体再次进入好氧状态.
2.3 分层期叶绿素a与藻类的垂向分布藻密度和叶绿素a含量是表征浮游植物种群特征的重要指标[22].藻密度能较直观地表明水体中藻类数量及水华暴发强度[23]. 7月水体进入分层稳定期, 表层水体藻类大量增殖, 8月中旬水体藻密度已高达2.95×108cell·L-1.当水体叶绿素浓度大于10~102mg·m-3或藻密度大于50×106cell·L-1时, 认定水体为水华状态[24], 李家河水库于8月初微囊藻水华正式形成.
藻密度垂向分布存在差异, 表层藻密度在(11.45~295.64)×106cell·L-1之间, 中层在(3.08~15)×106 cell·L-1之间, 中部和底层较少, 藻类主要聚集在0~5 m水深范围内(图 5).分层期间, 表层水体叶绿素a含量较高, 在10.7~44.42 mg·m-3内, 峰值出现在2~5 m水深处, 与藻密度极值分布一致, 10 m以下含量降低.随着藻类自然演替沉降, 8月份水深10~30 m内出现叶绿素a含量增加现象(图 6).李家河水库藻类群落呈现“冬春季硅藻为主, 夏秋季蓝藻占优”的季节演替特性, 7~9月, 蓝藻迅速繁殖成为优势藻种, 其中微囊藻占蓝藻总数80%以上(图 7).
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图 5 李家河水库藻密度时空分布特性 Fig. 5 Temporal and spatial distribution characteristics of algae in the Lijiahe Reservoir |
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图 6 李家河水库热分层期叶绿素垂向分布 Fig. 6 Vertical distribution of chlorophyll-a during stratification in the Lijiahe Reservoir |
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图 7 李家河水库藻类相对丰度变化 Fig. 7 Variations of relative abundance of algae in the Lijiahe Reservoir |
水库全年TN浓度在2.0 mg·L-1以上, 超过《地表水环境质量标准(GB 3838-2002)》Ⅲ类水质标准限制. TP大部分时段能满足地表水Ⅲ类水质标准.热分层期, 底泥厌氧释磷, TP平均浓度升高到0.05 mg·L-1以上(图 8). 6月, 水深5 m处高锰酸盐指数较大, 8月水深20 m处出现积累(图 9).
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图 8 李家河水库TP、TN浓度季节性变化 Fig. 8 Seasonal variation of total nitrogen and total phosphorus in the Lijiahe Reservoir |
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图 9 李家河水库高锰酸盐指数垂向变化 Fig. 9 Vertical variation of permanganate index in the Lijiahe Reservoir |
水体pH和电导率沿水深方向也存在分层现象(图 10).水华期间, 表层藻类光合作用大量吸收CO2造成水体pH值增大, pH值在8~10之间, 表层水体呈弱碱性; 温跃层内pH急剧下降, 于20 m处降为最低; 7月温跃层以下水体呈弱酸性, 8月回升至弱碱性.藻类死亡分解释放大量无机盐离子, 水深2 m处电导率急剧升高, 水深10 m处达到最大260 μS·cm-1; 温跃层内先缓慢降低再回升至稳定状态, 库底污染物厌氧释放导致电导率再次升高(图 11).
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图 10 李家河水库pH垂向分布 Fig. 10 Vertical distribution of pH in the Lijiahe Reservoir |
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图 11 李家河水库电导率垂向分布 Fig. 11 Vertical distribution of conductivity in the Lijiahe Reservoir |
营养盐达到藻类生长的最佳状态是水华发生的根本原因[25].热分层期库区TN平均浓度2.4 mg·L-1, TP浓度0.04 mg·L-1, 按照OECD的营养状态分类[26], TV=TN/2.7×TP/0.1≈0.44≥0.13, 水库为富营养水体. EPA(美国环保署)指出, 湖库的TP与TN浓度分别超过0.01 mg·L-1与0.15 mg·L-1时极可能发生蓝藻水华[27].夏季李家河水库表层水温在24.50~29.63℃之间, 符合蓝藻生长的最适温度(25~35℃[28]), 因而推测藻类水华暴发是高温诱发的结果.
热分层期微囊藻的快速增长对藻类的大规模聚集起了重要作用.其内含伪空胞而具备自悬浮机制, 较之其他藻类在分层水库中更具竞争优势[29]; 深水湖泊水体紊动小, 微囊藻群体其通过自身上浮/下沉运动, 最终共同集中于群体密度与水体密度相同水深2~4 m处.藻类群体在高水温诱发下上浮、繁殖并聚集在表层水体, 是夏季水华的物质前提, 水华是适宜的水温、光照、稳定的水力条件和充足的营养盐等共同作用的结果.
3.2 温跃层厌氧与浮游生物关系水体溶解氧浓度是由藻类光合作用的释氧与其衰亡分解的耗氧来决定的[30], 在高密度藻类堆积条件下, 易发生溶解氧下降情况.堆积藻类死亡耗氧的同时, 高密度藻类覆盖水体表面限制了水体复氧能力.
水华暴发期, 上层水体藻密度高达2.95×108 cell·L-1, 水体产生的密度差使有机物和无机物在温跃层内堆积.实测微囊藻直径主要为100 μm左右, 经计算颗粒密度为1 010 kg·m-3左右.藻类群体从表层水体进入水深28 m过程中, 水温从28℃降至6℃, 水体密度增加3.7 kg·m-3, 据Stokes定律, 藻类颗粒物沉降速度从0.4 m·d-1降至0.3 m·d-1[31].沉降速度的下降使高密度藻类堆积在温跃层内部, 水深10~30 m区域内叶绿素含量升高.藻类在适宜环境中快速增长, 在其大规模堆积后, 将在短时间内大量裂解消亡[32].高密度藻类经历短暂的好氧降解后, 水体溶解氧迅速下降, 12 h内进入厌氧状态[33].藻类分解导致水体有机物浓度增加, 水深20 m处高锰酸盐指数增大.厌氧分解初期, 藻细胞有机质含量高, 释放大量有机酸, 水体pH下降; 有机氮降解速率比有机碳化合物慢, 随着有机氮降解NH4+释放, 水体pH有所回升[34], 温跃层水体pH从7月到8月期间由弱酸性回升至弱碱性.高密度藻类死亡降解消耗大量溶解氧后水体进入厌氧状态, 水体酸碱度、电导率改变, 有机物含量升高, 将威胁水库水质.
表层至水深10 m范围内的藻类群体形成厚密聚集物, 阻碍光线进入下层水体, 大气复氧不足且光合效率降低.分层期形成的密度跃层, 使上下层水体氧传质受限, 水体溶解氧被大量消耗却得不到新的补给, 加之浮游生物呼吸耗氧作用, 温跃层内溶解氧不断亏损至厌氧状态.高密度藻类堆积耗氧分解是温跃层厌氧的主要原因, 水体层化的物理性质与上述化学、生物过程直接或间接决定了厌氧区的范围、程度和持续时间.
4 结论(1) 李家河水库夏季水体存在明显的热分层现象.溶解氧及氮磷营养盐等存在明显的季节性变化特征, 总氮存在全年超过地表水环境质量标准所规定的Ⅲ类水质标准限制的问题, 总磷存在热分层时期超标的问题.夏季稳定的分层结构、适宜的水温、充足的营养盐等是藻类水华暴发的主要原因.
(2) 水体热分层和高密度藻类死亡分解耗氧是造成水体厌氧的主要原因.藻类群体大量繁殖并集聚在水体表层至水深10 m范围内, 水深2 m处藻密度高达2.95×108cell·L-1.水华发生后, 短时间内高密度藻类死亡沉降, 水体分层产生密度差使藻类悬停堆积在温跃层内部.藻类残体等耗氧有机物的氧化分解大量消耗水中溶解氧, 随后进入厌氧降解阶段. 10 m以下水深大气复氧不足, 水体分层性质使上下层水体氧传质受阻, 导致夏季热分层稳定期温跃层内部出现大面积厌氧区.
(3) 李家河水库总氮超标, 夏季藻类暴发, 寻求合适的生物脱氮技术以及原位控藻技术是当前水库管理部门亟需解决的问题.
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