陽(yáng)澄湖藻類(lèi)數(shù)量與水質(zhì)參數(shù)關(guān)系初探

景二丹，阮春蓉，呂弈成，顧青清，方月英，關(guān)永年，Wido Schmidt，劉洪波

(1.蘇州工業(yè)園區(qū)清源華衍水務(wù)有限公司，江蘇蘇州 215021；2.上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 2000933；3.德國(guó)水技術(shù)中心，德國(guó)德累斯頓 2,D-01326)

隨著旅游業(yè)與城市的飛速發(fā)展以及人類(lèi)物質(zhì)和精神水平的提高，水體污染已經(jīng)成為全球普遍關(guān)注的問(wèn)題。飲用水水源地作為城市制水最重要的場(chǎng)所，越來(lái)越成為社會(huì)關(guān)注的重點(diǎn)[1]。陽(yáng)澄湖位于江蘇蘇州的東北，橫跨工業(yè)園區(qū)、常熟，以及昆山，其面積約為120 km2，分西湖、中湖、東湖，湖四周河道密集，進(jìn)出河流有59條，其中西線(xiàn)17條、北線(xiàn)12條、東線(xiàn)15條，主要接納太湖及西部來(lái)水，東出注入長(zhǎng)江[2]。陽(yáng)澄湖是江蘇省最重要的淡水湖泊之一，是重要的水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)，以盛產(chǎn)大閘蟹而聞名于世，同時(shí)也是昆山和蘇州的重要水源地，陽(yáng)澄湖是蘇州地區(qū)重要的綜合水源，也是昆山市區(qū)唯一飲用水源地的補(bǔ)給水源，對(duì)生活飲用、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)灌溉和漁業(yè)資源等起著關(guān)鍵作用[3]，因此陽(yáng)澄湖水源地的水質(zhì)狀況需要引起高度的重視。

陽(yáng)澄湖是地勢(shì)低洼的淺水湖泊，湖水周邊為生活區(qū)，生活污水、農(nóng)田回水和湖泊養(yǎng)殖活動(dòng)投放的餌料使得陽(yáng)澄湖的主要污染物為T(mén)N和TP[4]，沿岸許多污染物隨各種環(huán)流遷移、擴(kuò)散，為水體富營(yíng)養(yǎng)化提供了可能，水體長(zhǎng)期呈富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，因此控制藻類(lèi)暴發(fā)是陽(yáng)澄湖水治理的重要課題。

一般認(rèn)為，水體富營(yíng)養(yǎng)化是藻類(lèi)大量繁殖并引起其水華的主要原因，其環(huán)境現(xiàn)象為生物所需的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)大量進(jìn)入湖泊、河流、海灣等緩流水體，藻類(lèi)大量繁殖，水中氧氣濃度消耗大，水質(zhì)惡化，魚(yú)類(lèi)及其他生物大量死亡引起生物大量死亡，水質(zhì)發(fā)生惡化。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)藻類(lèi)暴發(fā)與環(huán)境因素之間的關(guān)系做了大量的調(diào)查研究。Taka-mura等[5]對(duì)霞浦湖水體的藻類(lèi)變化與光照強(qiáng)度之間的相關(guān)性進(jìn)行了研究；Reynolds等[6]發(fā)現(xiàn)風(fēng)力、風(fēng)向也是藍(lán)藻暴發(fā)的一個(gè)重要的因素。彭芳等[7]在研究黑河市水庫(kù)藻類(lèi)生長(zhǎng)特征時(shí)發(fā)現(xiàn)藻類(lèi)生長(zhǎng)受溫度的影響，在春季，藻類(lèi)生長(zhǎng)與溫度有較好的相關(guān)性。

對(duì)陽(yáng)澄湖各類(lèi)水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)早在2000年陽(yáng)澄湖就出現(xiàn)了藍(lán)藻，近幾年局部水域又多次出現(xiàn)季節(jié)性藍(lán)藻暴發(fā)現(xiàn)象[8]。本研究對(duì)2017年1月～10月陽(yáng)澄湖的藻類(lèi)數(shù)量狀況，陽(yáng)澄湖原水的水溫、濁度、耗氧量，以及氮、磷等相關(guān)環(huán)境因素進(jìn)行監(jiān)測(cè)并分析，為陽(yáng)澄湖藻類(lèi)預(yù)警提供參考數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)樣品采集與檢測(cè)

1.1 試驗(yàn)水樣

本試驗(yàn)水樣來(lái)自陽(yáng)澄湖的原水，采樣點(diǎn)位于陽(yáng)澄湖東湖水域。定量樣品用采水器采1 000 mL，現(xiàn)場(chǎng)加魯哥氏液固定，待實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)。

1.2 試驗(yàn)儀器及其檢測(cè)方法

水質(zhì)理化參數(shù)指標(biāo)測(cè)定：采用溫度計(jì)法測(cè)量溫度(T)；采用HACH-2 100 N濁度儀檢測(cè)濁度(NTU)；采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法檢測(cè)檢測(cè)總氮(TN)，采用鉬酸銨分光光度法檢測(cè)總磷(TP)；溶解氧(DO)采用電化學(xué)探頭法檢測(cè)；藻密度參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》(第四版)水和廢水的生物監(jiān)測(cè)方法部分，采用盧戈氏碘液固定-尼康Nikon Ci-S顯微鏡計(jì)數(shù)法進(jìn)行檢測(cè)；臭味物質(zhì)參照GB/T 32470—2016采用安捷倫7890B-7000C三重串聯(lián)四級(jí)桿氣相色譜質(zhì)譜儀檢測(cè)；水中耗氧量采用高錳酸鉀指數(shù)(CODMn)作為指標(biāo)，高錳酸鉀指數(shù)的測(cè)定采用GB 11892—1989的方法。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1.1 藻類(lèi)的數(shù)量與水溫的關(guān)系

水溫是影響藻類(lèi)生長(zhǎng)的一個(gè)重要環(huán)境驅(qū)動(dòng)因子，它可以通過(guò)對(duì)浮游藻類(lèi)光合作用與呼吸代謝速率的控制，及對(duì)浮游藻類(lèi)獲取營(yíng)養(yǎng)鹽的生理活動(dòng)的影響來(lái)決定藻類(lèi)的生長(zhǎng)速率[9]。本試驗(yàn)對(duì)陽(yáng)澄湖藻類(lèi)與水溫之間的相關(guān)性進(jìn)行了探究，結(jié)果如圖1所示。

圖1 藻類(lèi)數(shù)量與水溫的關(guān)系Fig.1 Relationship between Algae Quantity and Water Temperature

由圖1可知，隨著溫度的上升，藻類(lèi)密度顯著升高，藻密度和水溫呈明顯的正相關(guān)性。其相關(guān)系數(shù)r=0.741 5，遠(yuǎn)大于顯著性水平0.01時(shí)的臨界相關(guān)系數(shù)(0.496，n=26)。水溫在16～25 ℃時(shí)，藻類(lèi)數(shù)量平均在500×104個(gè)/L，以硅藻為主；水溫在25～32 ℃時(shí)，藻類(lèi)數(shù)量平均為4 200×104個(gè)/L，以藍(lán)藻為主。

2.1.2 藻類(lèi)的數(shù)量與TN、TP的關(guān)系

前期研究表明， 湖泊中營(yíng)養(yǎng)鹽含量尤其是氮、磷含量與藍(lán)藻水華的發(fā)生密切相關(guān)。通常利用TN/TP來(lái)反映湖體的營(yíng)養(yǎng)化程度，當(dāng)TN/TP<29時(shí)，藍(lán)藻生長(zhǎng)不受限制[10]。作者對(duì)試驗(yàn)期間陽(yáng)澄湖水體的TN、TP進(jìn)行監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)如表1所示，并計(jì)算氮磷比，結(jié)果如圖2所示。

表1 TN、TP和藻類(lèi)總數(shù) Tab.1 Total Nitrogen,Total Phosphorus and Algae Quantity

圖2 試驗(yàn)期間陽(yáng)澄湖水體氮磷比的變化趨勢(shì)Fig.2 Trend of Nitrogen and Phosphorus Ratio in Yangchenghu Lake during the Experiment

圖3 藻類(lèi)總數(shù)與濁度、高錳酸鹽指數(shù)的關(guān)系Fig.3 Relationship between Algae Quantity,Turbidity and CODMn

圖4 藻類(lèi)數(shù)量與溶解氧關(guān)系Fig.4 Relationship between Algae Quantity and Dissolved Oxygen

通過(guò)對(duì)藻類(lèi)分布進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在春季，陽(yáng)澄湖藻類(lèi)以硅藻中針桿藻、直鏈藻為主；夏季以藍(lán)藻中的顫藻、魚(yú)腥藻為主。Sas等[11]在對(duì)歐洲18個(gè)水體進(jìn)行分析時(shí)設(shè)定，浮游植物生長(zhǎng)在可溶性活性磷濃度超過(guò)0.01 mg/L的水體中將不受磷限制。由表1可知，試驗(yàn)期間，陽(yáng)澄湖水體TP濃度維持在較高水平，處于0.03～0.25 mg/L，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了最低磷限制水平，具備了藍(lán)藻水華的條件，尤其是夏季，原水中TP的含量是其他季節(jié)的2倍左右，藻類(lèi)總數(shù)也明顯增高。由圖2可知，TN/TP<29 的天數(shù)所占比例超過(guò)90%，湖體本身已經(jīng)具備了藍(lán)藻大面積暴發(fā)的營(yíng)養(yǎng)鹽條件。

2.1.3 藻類(lèi)的數(shù)量與渾濁度、耗氧量的關(guān)系

對(duì)陽(yáng)澄湖原水中的藻類(lèi)密度、濁度和耗氧量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析結(jié)果如圖3所示。

圖3可以觀(guān)察到：在2月底和7月底，陽(yáng)澄湖原水的濁度和藻類(lèi)總數(shù)同時(shí)出現(xiàn)一年內(nèi)的高峰值，并可以看出在季節(jié)交替時(shí)，濁度和藻類(lèi)均會(huì)陡然變化，水底的污泥、腐殖質(zhì)及其他懸浮物在季節(jié)交替時(shí)會(huì)上浮，造成水樣濁度升高；在春季，水體中其他含量指標(biāo)波動(dòng)比較平穩(wěn)，在濁度的影響下，藻類(lèi)總數(shù)含量隨著濁度的升高而升高；在夏季，受水體溫度、TN、TP等水質(zhì)因素共同作用，藻類(lèi)總數(shù)較其他季節(jié)有明顯的升高趨勢(shì)。在2月底和7月底，高錳酸鉀指數(shù)也有升高趨勢(shì)，濁度中的腐殖質(zhì)大部分是含碳有機(jī)物，增大了水體耗氧量，這也是導(dǎo)致高錳酸鉀指數(shù)升高的主要原因；水中的腐殖質(zhì)等顆粒又是藻類(lèi)的載體，造成原水藻類(lèi)數(shù)量隨之升高。

2.1.4 藻類(lèi)的數(shù)量與溶解氧的關(guān)系

溶解氧作為體現(xiàn)湖泊水體營(yíng)養(yǎng)水平的重要指示參數(shù)，不僅是藻類(lèi)生長(zhǎng)重要的能源物質(zhì)，也是藻類(lèi)代

謝過(guò)程所必需的。藻類(lèi)的變化與溶解氧的濃度關(guān)系如圖4所示。

由圖4可知，隨著溶解氧降低，藻類(lèi)數(shù)量增加。在春季、冬季，溫度較低，光線(xiàn)柔和，光合作用弱于呼吸作用，隨著藻類(lèi)數(shù)量的增長(zhǎng)，溶解氧降低；在夏季，pH的升高，有利于藻類(lèi)固定水體中的CO2進(jìn)行光合作用，有機(jī)物的突然增高，也有利于藻類(lèi)大量生長(zhǎng)，藻類(lèi)光合作用強(qiáng)于呼吸作用，即產(chǎn)生的O2占主導(dǎo)，溶解氧濃度略有升高。

2.1.5 藻類(lèi)的數(shù)量與臭味物質(zhì)的關(guān)系

研究表明[12]，顫藻、魚(yú)腥藻是產(chǎn)生臭味物質(zhì)的主要藻類(lèi)。作者對(duì)陽(yáng)澄湖水域的臭味物質(zhì)進(jìn)行了檢測(cè)，并分析其與藻類(lèi)總數(shù)的關(guān)系，結(jié)果如圖5所示。

圖5 藻類(lèi)的數(shù)量與土臭素的關(guān)系Fig.5 Relationship between Algae Quantity and Geosmin

由圖5可知，藻類(lèi)總數(shù)和土臭素含量呈明顯的正相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)r=0.933 2。隨著藻類(lèi)數(shù)量的升高，土臭素均有大幅度升高。前期研究發(fā)現(xiàn)[13]，在4月～5月、7月～8月，陽(yáng)澄湖藍(lán)藻數(shù)量上升，占藻類(lèi)總數(shù)的60%以上，其中以?xún)?yōu)勢(shì)藻屬顫藻、魚(yú)腥藻為主，本文研究結(jié)果與文獻(xiàn)報(bào)道相符。

2.2 多變量試驗(yàn)與藻類(lèi)的關(guān)系

在單變量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以藻類(lèi)總數(shù)(Y)為響應(yīng)值，對(duì)水溫(X1)、濁度(X2)、高錳酸鉀指數(shù)(X3)、溶解氧(X4)、TP(X5)、TN(X6)、2-甲基異莰醇(X7)、土臭素(X8)等8個(gè)影響因素為變量，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，得到的回歸方程如式(1)。

Y=-2 008.85+13.76·X1+4.09·X2+271.35·X3+16.60·X4+8 027.62·X5-244.93·X6-194.09·X7+17 699.98·X8

(1)

對(duì)此方程的方差進(jìn)行分析，各個(gè)參數(shù)對(duì)藻類(lèi)總數(shù)有顯著的影響。該回歸方程的相關(guān)系數(shù)R2=0.917 3。由式(1)可知，水溫、渾濁度、CODMn、TP、土臭素與藻類(lèi)總數(shù)有很顯著的正相關(guān)性，TN與藻類(lèi)總數(shù)的負(fù)相關(guān)性也很顯著。與前面的單因素研究結(jié)果相一致，TN/TP是負(fù)相關(guān)性，TP越大，藻類(lèi)總數(shù)越高。

3 結(jié)論

通過(guò)本文的研究發(fā)現(xiàn)，陽(yáng)澄湖藻密度與水溫、溶解氧含量、營(yíng)養(yǎng)鹽等水環(huán)境因子密切相關(guān)，其中適宜的氮磷水平是藍(lán)藻暴發(fā)的前提條件，水溫是影響藍(lán)藻生長(zhǎng)的重要限制因子，溶解氧可作為判定藍(lán)藻發(fā)生程度的重要依據(jù)，藻類(lèi)也是臭味物質(zhì)產(chǎn)生的來(lái)源之一。本文通過(guò)對(duì)藻類(lèi)的群落結(jié)合水質(zhì)指標(biāo)參數(shù)對(duì)陽(yáng)澄湖水域富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)行初步研究，通過(guò)對(duì)這些水質(zhì)參數(shù)與藻類(lèi)的相關(guān)性分析，為陽(yáng)澄湖水體營(yíng)養(yǎng)狀況的判定提供了重要的數(shù)據(jù)，為陽(yáng)澄湖富營(yíng)養(yǎng)化的防治及陽(yáng)澄湖水源水安全保障工作提供了重要數(shù)據(jù)及理論參考。