粵東地區大型水庫葉綠素a濃度的影響因素分析

黃豐明

(廣東省水文局汕頭水文分局，廣東 汕頭 515041)

廣東省由于天然湖泊分布少，河流污染較為嚴重，因此，水庫成為保障全省及港澳地區人民生產生活和經濟發展等方面用水需求的重要水源地。我省現有大型水庫39座，中型水庫343座，小型水庫8 026座，其中大型水庫庫容為294.02億m3，占全省水庫總庫容的65%(2013年統計數據)，因此，大型水庫在廣東省供水保障中發揮著舉足輕重的作用，確保大型水庫的水質安全對保障全省供水安全具有重要意義。

水體富營養化是水庫最常見的污染問題，由其引發的藍藻水華更是世界性難題之一。水體富營養化是指在人類活動的影響下，生物所需的氮、磷等營養鹽大量進入湖庫、海灣等水體，引起浮游植物及其他浮游生物迅速繁殖，進而導致水體溶解氧含量下降，水質惡化，魚類及其他生物大量死亡的現象[1]。以藍藻為優勢類群形成的藍藻水華，更是直接威脅水庫的供水安全，因為多數形成水華的藍藻種類均能產生毒素，而傳統的飲用水處理技術難以處理水華發生期間產生的大量藍藻毒素，人畜飲用后將嚴重危害其生命健康[2]。

作為水體富營養化的主要產物，浮游植物的生長變化除了受營養鹽影響，還受光照、溫度、水動力學條件等上行效應，以及浮游動物和魚類攝食等下行效應的影響。廣東省多數水庫都采取投放鰱、鳙等濾食性魚類的方式以期改善水質，然而有研究表明，濾食性魚類僅能一定程度降低大粒徑浮游植物的生物量，無法有效控制總的浮游植物生物量[3-4]。由此可見，廣東省水庫水體中浮游植物的生長及其現存量主要受上行效應影響。

葉綠素a是浮游植物細胞的主要光合色素，其濃度與浮游植物生物量有著顯著的相關性[5]，因此葉綠素a濃度也是反映水體中浮游植物現存量的最直接指標。本文將對粵東地區大型水庫水體中葉綠素a濃度的影響因素進行分析，以期為粵東地區大型水庫的富營養化治理和水質保護提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究對象

粵東地區現有大型水庫6座，分別為湯溪水庫(TX)、龍頸(上)水庫(LJS)、石榴潭水庫(SLT)、龍潭水庫(LT)、公平水庫(GP)、青年水庫(QN)。水庫概況及其分布見表1和圖1。

表1 粵東地區6座大型水庫概況說明 104 m3

圖1 粵東地區6座大型水庫分布示意

1.2 研究方法

1.3 數據處理

利用Excel 2010、SPSS 16.0和Origin 8.0進行數據分析與作圖。

2 結果

6座水庫全年的水溫變化范圍分別為18.0℃～31.5℃(TX)、17.0℃～28.0℃(LJS)、21.5℃～31.0℃(SLT)、18.9℃～30.7℃(LT)、18.4℃～31.0℃(GP)、19.2℃～31.1℃(QN)，均呈現汛期高非汛期低的變化趨勢(見圖2)。

圖2 粵東地區6座大型水庫的水溫月變化示意

石榴潭水庫和青年水庫的水力滯留時間波動較小，全年的變化范圍分別為95～223 d和88～313 d；龍頸(上)水庫和龍潭水庫的水力滯留時間在汛期(4—9月)較短且波動較小，在非汛期則相對較長，全年的變化范圍分別為58～2 398 d和60～1 364 d；湯溪水庫和公平水庫的情況剛好與前兩者相反，非汛期的水力滯留時間較短，汛期個別月份的水力滯留時間相對較長，全年的變化范圍分別為64～1 370 d和84～1 374 d(見圖3)。

圖3 粵東地區6座大型水庫的水力滯留時間月變化示意

湯溪水庫和龍潭水庫的總磷濃度全年的變化范圍為0.01～0.03 mg/L，其中湯溪水庫全年的波動較大，龍潭水庫的波動相對較小，其最高值僅出現在6月份；龍頸(上)水庫和石榴潭水庫的總磷濃度全年的變化范圍為0.01～0.02 mg/L，其中龍頸(上)水庫的最高值同樣僅出現在6月份；公平水庫和青年水庫的總磷濃度全年的變化范圍為0.005～0.01 mg/L，兩座水庫的最低值分別僅出現在6月份和7月份(見圖4)。

圖4 粵東地區6座大型水庫的總磷濃度月變化示意

湯溪水庫的總氮濃度較高且波動較大，全年的變化范圍為0.63～1.44 mg/L。龍潭水庫的總氮濃度全年的變化范圍為0.25～0.90 mg/L，其季節性變化明顯，汛期中期濃度較高，其余月份濃度較低且波動較小。其余4座水庫的總氮濃度相對較低，其濃度分別為0.20～0.48 mg/L(LJS)、0.17～0.48 mg/L(SLT)、0.13～0.48 mg/L(GP)、0.14～0.32 mg/L(QN)(見圖5)。

圖5 粵東地區6座大型水庫的總氮濃度月變化示意

湯溪水庫的葉綠素a濃度全年的變化范圍為9.3～76.7 μg/L，具有明顯的季節性，高峰值出現在汛期中后期，汛期前期和非汛期的濃度較低。石榴潭水庫的葉綠素a濃度全年的變化范圍為9.4～40.1 μg/L，其最高值出現在2月份，其余月份濃度較低且波動較小。其余4座水庫的葉綠素a濃度相對較低，其濃度分別為2.0～10.3 μg/L(LJS)、4.1～18.7 μg/L(LT)、5.9～25.4 μg/L(GP)、3.6～10.8 μg/L(QN)(見圖6)。

圖6 粵東地區6座大型水庫的葉綠素a濃度月變化示意

方差分析表明，粵東地區6座大型水庫的水溫和水力滯留時間不存在顯著差異，總磷、總氮和葉綠素a的濃度則存在顯著差異(見表1)。多元回歸分析結果顯示，粵東地區6座大型水庫水體中的葉綠素a濃度與水溫、水力滯留時間、總氮濃度均無顯著相關(P>0.05)，只與總磷濃度有顯著相關關系(P<0.05)(見圖7)。

表1 粵東地區6座大型水庫各指標的方差分析結果

圖7 粵東地區6座大型水庫葉綠素a濃度與水溫、水力滯留時間、總磷濃度、總氮濃度的關系

3 討論

根據水力滯留時間的長短可將水庫分為3種類型，分別為直流型(<15 d)、中等滯留時間(15～365 d)和長滯留時間(>365 d)[7]，水力滯留時間是反映平流損失率的一個重要參數，即水力滯留時間越短，平流損失率越大，反之平流損失率則越小[8]。一般認為，水力滯留時間對浮游植物增長率產生影響的閾值為 14 d[9]，低于14 d時，高的平流損失率會大大抵消浮游植物的增長率，使水體中浮游植物的現存量維持在一個較低水平，高于14 d時，平流損失率對浮游植物現存量的影響較小，甚至可以忽略不計。本文研究的6座大型水庫均屬于中長滯留時間水庫(>15 d)，且這6座水庫所處的粵東地區位于熱帶和亞熱帶地區，常年高溫高光照，季節變化性并不明顯，因此水體的穩定性和特殊的氣象特征可能是這6座大型水庫水體中葉綠素a濃度受水力滯留時間和水溫的變化影響不明顯的主要原因。

多元回歸分析表明，水體中的葉綠素a濃度與總氮濃度無顯著相關，只與總磷濃度顯著相關，這說明粵東地區6座大型水庫水體中浮游植物的生長主要受磷限制。浮游植物的生長需要氮、磷等多種營養元素，當水體中某種可利用營養鹽的濃度低于浮游植物的最低生長需求，或者以較快速度被消耗至較低濃度時，浮游植物的生長就會受其抑制，此時該種營養鹽就成為限制性因子[10]。Redfield定律認為，浮游植物細胞內組成的原子比為N∶P=16∶1[11]，這一定律對一般水體中浮游植物的生長都是適用的，但由于在不同環境條件下不同種類的浮游植物對營養鹽的的吸收率有所差異，因此浮游植物生長所需的最佳氮磷比也不是固定值。有研究表明，當水體中氮磷比大于30 h，浮游植物的生長會受磷抑制，氮磷比小于8 h，則可能出現氮抑制，介于8～30之間為正常的波動范圍[12]。粵東地區6座大型水庫水體中的氮磷比全年基本上都遠大于30，這也說明了這6座水庫均為磷限值型水體。實際上，在大多數淡水水體中磷是影響浮游植物生長繁殖及其現存量的主要限制性營養因子[13-15]，因為水體中的磷有多種化學形態，主要分為溶解態和顆粒態，溶解態磷和顆粒態磷又可分為無機和有機兩種形態，這在其中只有溶解態無機磷可被浮游植物直接吸收利用，然而在大部分水體中其濃度均很低，無法滿足浮游植物的生長需要。

4 結論與建議

磷是影響粵東地區6座大型水庫水體中浮游植物生長繁殖及其現存量的主要因素，因此控制水庫流域內磷的輸入是防治水體富營養化的關鍵。政府相關部門可從生活污水、工業廢水、農業污染等外源磷的主要污染途徑入手，對流域內的污染源進行排查整治，如積極推進污水收集管網向偏遠村鎮延伸，并提高污水處理廠除磷工藝效率，實現農村生活污水集中處理再排放；加強對工業廢水排放的監管力度，對排放不達標的工企業責令其落實整改，同時鼓勵工企業實施清潔生產；大力發展綠色生態農業，通過改進施肥(或灌溉)方式、使用新型復合肥料、科學種植等方式控制農業化肥施用量等，多措并舉，從源頭上削減磷的入庫量，保證水庫生態系統的良好運轉。