梅州市清涼山水庫(kù)浮游植物活動(dòng)與水質(zhì)變化相關(guān)性研究

楊金龍

(廣東省水文水資源監(jiān)測(cè)中心梅州分中心，廣東 梅州 514071)

黨的十八大以來(lái)，習(xí)近平總書記從實(shí)現(xiàn)中華民族永續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略高度，提出“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”治水思路，擘畫國(guó)家“江河戰(zhàn)略”，為新時(shí)代治水提供了強(qiáng)大思想武器和科學(xué)行動(dòng)指南[1]。全國(guó)水利系統(tǒng)統(tǒng)籌推進(jìn)水災(zāi)害防治、水資源節(jié)約、水生態(tài)保護(hù)修復(fù)、水環(huán)境治理，為社會(huì)提供了綠水青山的精神需求。

浮游植物作為水生態(tài)系統(tǒng)中最主要的初級(jí)生產(chǎn)者，是水生態(tài)健康中最重要的一環(huán)，其群落結(jié)構(gòu)等能對(duì)水環(huán)境變化做出最直接的響應(yīng)，因而常被用作評(píng)價(jià)湖泊水生態(tài)的重要指標(biāo)[2]。適當(dāng)數(shù)量的浮游植物可以促進(jìn)水生態(tài)能量與物質(zhì)循環(huán)，凈化水質(zhì)，為浮游動(dòng)物及魚類提供溶解氧及食物來(lái)源[3]。但過(guò)多的浮游植物則會(huì)影響水質(zhì)觀感，引起水質(zhì)變差，提高水華爆發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，其中藍(lán)藻水華產(chǎn)生的藻毒素則對(duì)飲用水安全產(chǎn)生巨大危害[4]。清涼山水源地是梅州市主要的供水水源地類型之一，其水生態(tài)健康關(guān)乎群眾用水安全，浮游植物作為水生態(tài)系統(tǒng)中的重要一環(huán)[5]，研究其生長(zhǎng)規(guī)律及其影響因子，有助于對(duì)其增長(zhǎng)情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，盡早采取應(yīng)對(duì)措施，緩解因藻類過(guò)度生長(zhǎng)造成的供水壓力。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

清涼山水庫(kù)位于梅州市東南—梅江區(qū)西陽(yáng)鎮(zhèn)，梅江一級(jí)支流白宮河的中游。集雨面積為94.4 km2，最大庫(kù)容為4 860萬(wàn)m3，正常蓄水位為237 m，死水位為190 m，是一座以供水、防洪為主，結(jié)合灌溉、發(fā)電的多年調(diào)節(jié)中型水庫(kù)，亦是梅州唯一市級(jí)集中式飲用水水源地。

2020—2021年，廣東省出現(xiàn)罕見旱情，梅江流域地區(qū)年降雨量均處于多年平均降雨量的70%～80%。受降雨影響，清涼山水庫(kù)蓄水量也顯著下降，2020年與2021年年末較年初分別下降了59.4%、47.6%。同時(shí)，韓江流域部分地區(qū)出現(xiàn)藻類水華現(xiàn)象，清涼山水庫(kù)于2021年第2、第3季度也出現(xiàn)了藻類大量增殖現(xiàn)象，于第3季度末、第4季度回歸正常水平。

1.2 監(jiān)測(cè)情況及方案

研究從2020年1月至2021年12月，時(shí)間跨度為2 a。樣品采集及保存參考《水環(huán)境監(jiān)測(cè)規(guī)范》(SL 219—2013)。樣品監(jiān)測(cè)項(xiàng)目涵蓋《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)表1、表2，并加測(cè)透明度、葉綠素、浮游植物等項(xiàng)目。水質(zhì)項(xiàng)目檢測(cè)方法參考相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；浮游植物檢測(cè)方法參考《內(nèi)陸水域藻類監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程》(SL 733—2016)，種類鑒定參考相關(guān)書籍、圖譜[6-8]。

水質(zhì)采樣頻率為每月1次，采樣時(shí)間為每月上旬，共監(jiān)測(cè)24次。浮游植物采樣為每季度1次，采樣時(shí)間為季中，與當(dāng)月水質(zhì)采樣同步進(jìn)行，共監(jiān)測(cè)8次。同時(shí)，輔以水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)為參考，水質(zhì)自動(dòng)站監(jiān)測(cè)頻率從每日0點(diǎn)起，每4 h監(jiān)測(cè)1次，每天共6次，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為水質(zhì)五參數(shù)、總磷、總氮，高錳酸鹽指數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 監(jiān)測(cè)結(jié)果

2.1.1梅州市降雨及水庫(kù)蓄水情況

梅州市2020年、2021年降雨量與多年同期均值相比，除2021年4季度外，均不同程度下降。2020年汛期同比下降30.7%，2020年—2021年非汛期下降74%，2021年汛期下降41%。清涼山水庫(kù)水位及蓄水量也同比下降，水位2021年年末相比2020年年初下降22.4 m，下降幅度為9.9%，水位最低時(shí)接近死水位；蓄水量下降幅度為78.7%。

2.1.2水質(zhì)狀況及變化趨勢(shì)

清涼山水源地水質(zhì)狀況總體良好，2020年和2021年年度水質(zhì)及季度水質(zhì)監(jiān)測(cè)均達(dá)到Ⅱ類水及以上，符合飲用水水源地水質(zhì)要求。但在月度監(jiān)測(cè)出現(xiàn)部分項(xiàng)目超標(biāo)情況，超標(biāo)項(xiàng)目分別是2020年與2021年10月溶解氧項(xiàng)目、2021年1月、3月、8月、9月、11月總磷項(xiàng)目，其中總磷超標(biāo)原因與干旱情況下水位下降，導(dǎo)致水庫(kù)底部沉積腐殖質(zhì)中的磷源釋放影響。

采用濃度檢驗(yàn)法分析其污染物變化趨勢(shì)[9]，發(fā)現(xiàn)呈高度顯著上升及顯著上升的指標(biāo)有砷、氟、鎘、錳、銅、鉛、鐵、五日生化需氧量等項(xiàng)目，呈高度顯著下降及顯著下降的指標(biāo)有硒、硝酸鹽、六價(jià)鉻和陰離子表面活性劑，其余項(xiàng)目均無(wú)明顯升降趨勢(shì)。

2.1.3水體富營(yíng)養(yǎng)化趨勢(shì)

選取總磷、總氮、葉綠素a、高錳酸鹽指數(shù)和透明度指標(biāo)來(lái)計(jì)算水體綜合營(yíng)養(yǎng)指數(shù)，清涼山2020年第1季度至2021年第4季度水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)變化如圖1所示。可以看到：近2 a水庫(kù)呈中營(yíng)養(yǎng)水平，但營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)有上升趨勢(shì)，且2021年?duì)I養(yǎng)化指數(shù)明顯高于2020年，有向輕度富營(yíng)養(yǎng)化轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。

圖1 水體營(yíng)養(yǎng)指數(shù)變化趨勢(shì)示意

2.1.4浮游植物監(jiān)測(cè)結(jié)果

清涼山庫(kù)區(qū)浮游植物豐度季節(jié)性差異較大，藻類大幅度增殖現(xiàn)象基本出現(xiàn)于第3季度，第1、2、4季度藻類豐度均處于較低水平。2020年第3季度藻類豐度為3 552 cells/mL，綠藻門占比75.7%，硅藻門占比21.6%，其中優(yōu)勢(shì)種為綠藻門的腎型藻、鼓藻。2021年第3季度藻類豐度為13240 cells/mL，綠藻門占比86.4%，硅藻門占比7.5%，藍(lán)藻門占比6.0%，其中優(yōu)勢(shì)種為綠藻門的鼓藻。據(jù)統(tǒng)計(jì)，清涼山藻類主要為綠藻門與硅藻門，藍(lán)藻門、甲藻門和裸藻門藻類檢出比例較低。其中綠藻門藻類會(huì)于第2、3季度中出現(xiàn)規(guī)律性的增殖，迅速成為水生態(tài)系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)種，在第1、4季度中出現(xiàn)一定程度的消亡，同時(shí)硅藻門藻類占比得到較大提升。浮游植物豐度及種類變化見圖2所示。

圖2 浮游植物豐度變化示意

2.2 數(shù)據(jù)分析

2.2.1旱情對(duì)水質(zhì)影響

梅州市在2020—2021年之間降雨量顯著減少，清涼山水庫(kù)降雨補(bǔ)充減少，因其為市區(qū)飲用水供水水源地，以及日常蒸發(fā)，蓄水量得不到有效補(bǔ)充而不斷減少。清涼山水庫(kù)為酸性水質(zhì)，當(dāng)其水位降低時(shí)，底層土壤的重金屬離子會(huì)溶解擴(kuò)散至表層水[10]，因此，在肯達(dá)爾趨勢(shì)分析中，清涼山水庫(kù)的砷、鎘、錳、鐵、鉛、銅等諸多重金屬離子均呈高度顯著上升或顯著上升趨勢(shì)。

五日生化需氧量則代表水中可生化有機(jī)物多少，生化需氧量增高與水位降低，蓄水量減少息息相關(guān)，一方面水位降低時(shí)，底層沉積物中可生化物擴(kuò)散至上層更為容易，另一方面降雨量減少而蒸發(fā)量不減，隨著蓄水量減少污染物呈現(xiàn)一定程度上的濃縮效應(yīng)。

硒、硝酸鹽是植物生長(zhǎng)需要的微量元素和主要營(yíng)養(yǎng)鹽，故硒和硝酸鹽的減少與藻類活動(dòng)相關(guān)。同時(shí)酸性環(huán)境下，陰離子表面活性劑易被分解，六價(jià)鉻酸性下具備強(qiáng)氧化性，容易被水中還原劑還原而減少。

2.2.2浮游植物對(duì)水質(zhì)影響

浮游植物生長(zhǎng)有關(guān)的元素主要包含氮、硫、磷等，清涼山2020—2021年的氮磷比均值為44∶1，可以判斷限值水源地中浮游植物生長(zhǎng)的主要因子為磷。近5 a水質(zhì)變化趨勢(shì)中，與浮游植物生長(zhǎng)有關(guān)的總氮、總磷、硫酸鹽含量總體無(wú)升降趨勢(shì)，與水庫(kù)較為穩(wěn)定的水質(zhì)環(huán)境有關(guān)。在水庫(kù)環(huán)境中，磷源多以磷酸鹽的形式存在，磷酸鹽在水中溶解能力較低，多存在于底層沉積物中。在水位較低時(shí)，磷酸鹽向水庫(kù)上層擴(kuò)散更為容易，使表層水磷含量相對(duì)增加，浮游植物獲得磷源更為容易，突破磷限制而大量生長(zhǎng)，如2021年第3季度浮游植物增長(zhǎng)則與8月、9月份的總磷增長(zhǎng)相關(guān)。氮源則分為氨氮、硝氮與其他有機(jī)氮類，大多數(shù)藻類能吸收氨氮，且通常選擇吸收氨氮，因?yàn)榘钡诎被嵘锖铣芍锌梢灾苯颖焕谩Ｏ跛猁}氮變成氨氮?jiǎng)t需要硝酸還原酶，鐵是硝酸還原酶重要的輔助因子[11]。在水質(zhì)趨勢(shì)分析中，發(fā)現(xiàn)鐵含量呈高度顯著上升，硝酸鹽含量呈高度顯著下降，總氮、氨氮無(wú)明顯變化趨勢(shì)。可以判斷在浮游植物數(shù)量增長(zhǎng)過(guò)程中，主要利用的無(wú)機(jī)氮源為硝氮，在藻類活動(dòng)中利用硝酸還原酶將硝氮轉(zhuǎn)變?yōu)樯L(zhǎng)所需的有機(jī)氮。

2.2.3浮游植物活動(dòng)與日間水質(zhì)變化

選取2021年8月藻類豐度較高期間水質(zhì)自動(dòng)站日內(nèi)數(shù)據(jù)，分析其日內(nèi)理化指標(biāo)變化，取同時(shí)刻均值計(jì)算,與年同時(shí)刻均值對(duì)比。其典型變化如圖3所示，日間呈周期性規(guī)律變化的水質(zhì)參數(shù)有水溫、溶解氧、氨氮、總氮，其余自動(dòng)站監(jiān)測(cè)參數(shù)無(wú)明顯規(guī)律性變化。日間水溫基本以12：00、16：00最高，穩(wěn)定在30℃左右，符合水溫變化規(guī)律。溶解氧則與日間藻類活動(dòng)呈明顯相關(guān)性關(guān)系，溶解氧飽和度于8：00最低，16：00最高，水中溶解氧基本呈超飽和狀態(tài)，且高于年均值。氨氮日內(nèi)峰值高點(diǎn)出現(xiàn)于16：00，總氮日內(nèi)峰值低點(diǎn)出現(xiàn)于16：00，藻類活動(dòng)主要氮源以硝態(tài)氮為主，在光合作用較為強(qiáng)烈時(shí)利用太陽(yáng)能將吸收的硝態(tài)氮轉(zhuǎn)變?yōu)樵孱惪梢岳玫牡鞍踪|(zhì)或其它有機(jī)氮類。由于堿性過(guò)硫酸鉀法測(cè)定總氮時(shí)無(wú)法將部分有機(jī)氮轉(zhuǎn)變?yōu)橄鯌B(tài)氮[12]，故日內(nèi)總氮會(huì)于藻類活動(dòng)強(qiáng)烈時(shí)降低；而氨氮一般認(rèn)為是水體生物代謝產(chǎn)生的廢棄物，16：00水溫處于日內(nèi)最高區(qū)間，因此，水中生物呼吸作用處于較高狀態(tài)且具備一定時(shí)間，產(chǎn)生的氨氮不斷積累上升達(dá)到峰值，隨后水溫降低，呼吸作用減弱，氨氮產(chǎn)出值減少，在水中硝化細(xì)菌的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)橄鯌B(tài)氮，氨氮與總氮含量水平回歸。

圖3 2021年8月日內(nèi)同時(shí)刻均值與年日內(nèi)同時(shí)刻均值對(duì)比示意

3 結(jié)語(yǔ)

清涼山水庫(kù)水質(zhì)良好，各理化指標(biāo)相對(duì)穩(wěn)定，部分指標(biāo)受降雨量及水庫(kù)蓄水量影響較大。當(dāng)降雨量減少且水庫(kù)蓄水量減少時(shí)，鐵、錳、銅、鉛、鎘等重金屬離子更容易從水庫(kù)底層土壤析出至表層水，同時(shí)析出的還有磷、腐殖質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)元素，使表層水營(yíng)養(yǎng)指數(shù)增加，水質(zhì)變差，引發(fā)浮游植物大量生長(zhǎng)增殖的概率增加。

清涼山水庫(kù)浮游植物活動(dòng)強(qiáng)烈時(shí)水中磷含量較高，氮磷比較年均值明顯降低。水庫(kù)表層水的磷含量與水位及蓄水量變化存在一定相關(guān)性。當(dāng)水位降低接近至死水位、蓄水量減少時(shí)，表層水磷含量受底泥磷源擴(kuò)散影響增加，浮游植物可利用的營(yíng)養(yǎng)因子含量增高，在水溫合適時(shí)會(huì)迅速增殖，引發(fā)藻類水華可能性增加。

清涼山水庫(kù)部分理化指標(biāo)在日內(nèi)呈規(guī)律性變化，浮游植物活動(dòng)在一定程度上可以加劇部分理化指標(biāo)的波動(dòng)。藻類豐度較高時(shí)，溶解氧日內(nèi)飽和程度高于年同時(shí)刻均值，日內(nèi)溶解氧波動(dòng)明顯高于年均值，其原因或與水中浮游植物光合作用相關(guān)；氨氮的日內(nèi)波動(dòng)程度也明顯高于年均值，其原因或與水中浮游生物的呼吸作用相關(guān)。