朱孔賢，畢永紅，胡建林，3，艾 鷹，胡征宇＊＊

(1:中國科學院水生生物研究所淡水生態(tài)與生物技術(shù)國家重點實驗室，武漢430072)

(2:中國科學院研究生院，北京100049)

(3:寧波環(huán)境監(jiān)測中心，寧波315012)

三峽水庫神農(nóng)溪2008年夏季銅綠微囊藻(Microcystis aeruginosa)水華暴發(fā)特性*

朱孔賢1，2，畢永紅1，胡建林1，3，艾 鷹1，2，胡征宇1＊＊

(1:中國科學院水生生物研究所淡水生態(tài)與生物技術(shù)國家重點實驗室，武漢430072)

(2:中國科學院研究生院，北京100049)

(3:寧波環(huán)境監(jiān)測中心，寧波315012)

對三峽水庫一級支流神農(nóng)溪2008年夏季藍藻水華進行調(diào)查，結(jié)果表明神農(nóng)溪藍藻水華優(yōu)勢種是銅綠微囊藻(Microcystis aeruginosa)，暴發(fā)水域面積約0.2 km2，持續(xù)時間約50 d.本次水華暴發(fā)與水體總磷濃度呈正相關(guān)，溫度、降雨、光照和營養(yǎng)鹽等對水華暴發(fā)具有重要影響.研究發(fā)現(xiàn)盡管神龍溪水域總體處于中－富營養(yǎng)狀態(tài)，但局部水域由于水流緩慢、水體滯留時間長、營養(yǎng)稀釋擴散速率小，在夏季出現(xiàn)富營養(yǎng)化狀態(tài)，這是藍藻水華暴發(fā)的根本原因.建議開展包括流域綜合治理在內(nèi)的環(huán)境整治，確保神農(nóng)溪水體生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定.

神農(nóng)溪;銅綠微囊藻;藍藻水華;富營養(yǎng)化;三峽水庫

三峽工程自2003年蓄水以來，已有12條一級支流不同程度地出現(xiàn)富營養(yǎng)化及“水華”現(xiàn)象［1］，特別是2007年冬季大寧河［2-3］、2008年夏季香溪河［4］和神農(nóng)溪出現(xiàn)微囊藻(Microcystis)水華之后，三峽水庫的藍藻水華問題更是引起人們的廣泛關(guān)注.

國內(nèi)外已有許多關(guān)于藍藻水華發(fā)生機理的理論或假說［5］.Schindler用實驗證明淡水水體中TN/TP為15時易出現(xiàn)束絲藻水華［6］.Smith認為TN/TP不能超過29，適宜藍藻生長的TN/TP較低，為10～16，而適宜真核藻類生長的比率為16～23［7］.Reynolds等根據(jù)氣囊浮力理論繪制了銅綠微囊藻年生活周期圖，認為藍藻細胞通過氣囊或氣囊群調(diào)節(jié)沉浮在其年生活周期中起著重要的作用［8］.Robarts等則認為藍藻水華的發(fā)生主要是由水溫升高引起的［9］.國內(nèi)對太湖藍藻水華研究發(fā)現(xiàn)，氣溫偏高、光照充足以及降水量偏少等是造成太湖藍藻水華暴發(fā)的主要因素［10-11］.孔繁翔等針對大型淺水富營養(yǎng)化湖泊提出了藍藻水華成因的四階段理論假說，即在四季分明、擾動劇烈的長江中下游大型淺水湖泊中，藍藻的生長與水華的形成可以分為休眠、復蘇、生物量增加(生長)、上浮及聚集4個階段，每個階段中藍藻的生理特性及主導環(huán)境影響因子有所不同［12］.

神農(nóng)溪是三峽水庫巴東段最大一級支流，發(fā)源于神農(nóng)架，自北向南流程90多千米，于巴東縣西壤口注入長江.神農(nóng)溪是長江三峽旅游線上5大景點之一，現(xiàn)已開發(fā)為國家5A級景區(qū)，2007年接待中外游客逾30萬人次.同時它也是“引江補漢”工程的源頭.目前關(guān)于神農(nóng)溪水環(huán)境的研究較少，本研究旨在通過調(diào)查監(jiān)測神農(nóng)溪2008年夏季微囊藻水華暴發(fā)及消亡期間浮游藻類的種群演替、數(shù)量變化以及同期的水體理化指標等，了解水體的營養(yǎng)狀況和微囊藻水華生消過程的基本特征，探討水華發(fā)生的潛在原因，鑒此對神農(nóng)溪水環(huán)境的綜合治理提供意見和建議.

1 材料與方法

1.1 采樣點設置

采樣點共有7個，主要設置在神農(nóng)溪中下游回水區(qū)域，包括S1河口、S2龍船河、S3疑無路、S4燕子阡、S5綿竹峽、S6羅坪和S7瑤家灘(圖1).由于S7瑤家灘處于回水末端，屬上游自然河道來水，水溫比其它采樣點低5.8～12.0℃，且水深不足3 m(三峽大壩水位為145.8 m時)，水流較快，泥沙含量較高，濁度顯著偏大(P＜0.05)，所以在營養(yǎng)鹽分析及除趨勢典型對應分析(DCCA)時只選取回水區(qū)S1～S6采樣點的數(shù)據(jù).

圖1 神農(nóng)溪采樣點設置Fig.1 Sampling sites in Shennong River

1.2 樣品的采集、處理及分析

分別于2008年6月25日(三峽大壩水位145.8 m)，7月28日(三峽大壩水位145.9 m)，8月21日(三峽大壩水位145.8 m)進行采樣.采樣后，現(xiàn)場測定透明度(SD)、氣溫、水溫(WT)、溶解氧(OD)、電導率(Cond)、pH和濁度(Turb).定性樣品用25#絹網(wǎng)撈取，定量樣品用5 L采水器取水面以下0.5 m水樣1.2 L，用魯哥氏液現(xiàn)場固定并沉淀濃縮至30 ml，在Olympus BX 41顯微鏡下用浮游植物計數(shù)框(0.1 ml)計數(shù)［13］.藻類種類鑒定參照文獻［14］.

1.3 數(shù)據(jù)分析

1.3.1 多樣性指數(shù) 用Shannon-Wiener指數(shù)(H')計算浮游植物多樣性［16］，公式為:H'=－∑Pilog2Pi，式中，Pi=Ni/N，N為同一樣品中的物種總數(shù)，Ni為第i種的個體數(shù).

1.3.2 營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù) 采用Chl.a、SD及TP指標分析神農(nóng)溪6－8月富營養(yǎng)化時空分布狀況，選用Carlson提出［17］經(jīng) Aizaki修訂［18］的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(Trophic State Index，TSIM)法.各指標計算公式分別為:

式中，TSIM為綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，W(X)為上述三參數(shù)的權(quán)重，即 W(Chl.a)=54.0%，W(SD)=29.7%，W(TP)=16.3%.評價標準為 TSIM＜30為貧營養(yǎng)，30≤TSIM＜50為中營養(yǎng)，TSIM≥50為富營養(yǎng)［19-20］.

1.3.3 除趨勢典型對應分析 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析時使用軟件SPSS 13.0，P＜0.05時具有顯著性.并利用Canoco for Windows 4.5軟件對數(shù)據(jù)進行除趨勢典型對應分析(DCCA)，研究神農(nóng)溪浮游植物群落與環(huán)境因子的關(guān)系.分析過程中選擇2nd Polynomials進行除趨勢，保留8個環(huán)境因子和11屬(門)浮游藻類，對物種數(shù)據(jù)不進行轉(zhuǎn)換.

2 結(jié)果與分析

2.1 浮游植物組成與變化

對神農(nóng)溪6－8月各采樣點浮游植物進行分析，結(jié)果表明(圖2)，6月神農(nóng)溪暴發(fā)微囊藻水華，水華優(yōu)勢種為銅綠微囊藻(Microcystis aeruginosa).S1河口受長江干流影響，而S7瑤家灘屬上游來水，兩者均含較多泥沙、生物量低，浮游藻類以硅藻為主;中游S2～S6樣點微囊藻細胞密度均超過107cells/L，在總細胞密度中所占比重也均超過76%.水華最嚴重的S6羅坪點則達到1.8×108cells/L，所占比重達95%.7月神農(nóng)溪優(yōu)勢種仍然是微囊藻，但其細胞密度有所下降，僅S2龍船河微囊藻細胞密度超過107cells/L;同時微囊藻所占比重最大也沒有超過57%，其它藻類如實球藻(Pandorina)、小環(huán)藻(Cyclotella)、隱藻(Cryptomonas)等比重有所增加.8月神農(nóng)溪微囊藻顯著減少，其細胞密度不超過106cells/L，所占比重不足6%，藻類優(yōu)勢種變?yōu)獒槜U藻(Synedra).在6－8月微囊藻水華從暴發(fā)到消退的過程中，藍藻(主要是微囊藻)顯著減少，而硅藻逐漸增加，同時綠藻、隱藻和甲藻均有所增加(圖3)，神農(nóng)溪的物種多樣性也隨水華消退逐漸增加，6－8月Shannon-Wiener指數(shù)分別為 0.82、2.11、2.80.

圖2 神農(nóng)溪6－8月各采樣點藻類細胞密度變化Fig.2 The variations of the density of algae from June to August of each sampling site in Shennong River

圖3 神農(nóng)溪6－8月各門藻類所占比重Fig.3 Phytoplankton compositions from June to August in Shennong River

2.2 營養(yǎng)鹽及葉綠素a變化

神農(nóng)溪6－8月TN濃度月平均值分別為2.549±0.489、1.934 ±0.162 和2.937 ±0.233 mg/L，TP 濃度月平均值分別為0.116 ±0.040、0.106 ±0.019 和0.048 ±0.056 mg/L，TN和TP含量均超過國際公認的富營養(yǎng)化閾值(TN=0.2 mg/L，TP=0.02 mg/L)［21］.

從葉綠素a濃度評價標準看，小于3 μg/L的水體為貧營養(yǎng)，3～7 μg/L為中營養(yǎng)，7 ～40 μg/L 為富營養(yǎng)，大于 40 μg/L 為重富營養(yǎng)［22］，而本次采樣神農(nóng)溪6－8月Chl.a濃度月平均值分別為 17.54 ±13.27、11.91±5.73和 23.60 ±4.12 μg/L，除 6 月份 S1 河口樣點較低外(圖4)，其它均處于富營養(yǎng)水平.進一步統(tǒng)計表明:8月份TN和Chl.a濃度較7月均顯著升高(P ＜0.05，P ＜0.01)，而 TP濃度6、7月份無顯著差異(P ＞0.05)，到 8月份則顯著下降(P ＜0.05)，同時8月份濃度較6月份也顯著下降(P＜0.05).

分析Chl.a與TP等理化因子相關(guān)性發(fā)現(xiàn)(表1):Chl.a與pH、DO呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01)，相關(guān)系數(shù)分別為0.642和0.709.Chl.a表示浮游植物的生物量，Chl.a濃度越高藻類生物量越高，光和作用過程中消耗更多的CO2導致水體pH值升高［23］，同時釋放出更多的O2使水體中DO升高.另一方面，Chl.a與TN呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)，生物量的增加使氮富集進而使TN增加.而WT在6－8月無顯著變化，Chl.a與WT的相關(guān)性無實際意義.

圖4 神農(nóng)溪6－8月TP、PO3－4-P、TN、NO－3-N和Chl.a含量變化Fig.4 The variation of concentrations of TP，PO3－4-P，TN，NO－3-N and Chl.a from June to August in Shennong River

表1 水體各理化因子Pearson相關(guān)系數(shù)Tab.1 Pearson correlations among chemical and physical factors

2.3 營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)時空變化

根據(jù)TSIM法計算神農(nóng)溪6－8月各采樣點營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)并進行營養(yǎng)狀態(tài)分級，結(jié)果表明神農(nóng)溪總體處于中－富營養(yǎng)狀態(tài)(表2).上游S7瑤家灘樣點葉綠素水平較低，但水體泥沙較多、透明度偏低，處于中營養(yǎng)狀態(tài).下游S1河口樣點靠近長江，6月份葉綠素較低，處于中營養(yǎng)狀態(tài)，7、8月份葉綠素含量升高，呈富營養(yǎng)狀態(tài).中游S2～S6浮游藻類大量生長，Chl.a濃度較高，一直處于富營養(yǎng)狀態(tài).

表2 TSIM的計算結(jié)果Tab.2 Results of TSIM

圖5 種群多度與環(huán)境因素DCCA雙軸排序圖Fig.5 DCCA ordination biplots of species density and environmental variable

2.4 DCCA 分析結(jié)果

DCCA排序中總特征值為0.804，其中前兩個排序軸的特征值分別為0.548和0.042，分別解釋了68.2%和5.2%的藻類群落變化，四個排序軸累計解釋77.2%的藻類群落變化，排序結(jié)果較好地解釋了藻類群落與環(huán)境因子的關(guān)系.選取的8個環(huán)境因子中TP、、TN/TP和Cond與物種第一軸呈顯著相關(guān)(P＜0.01)，相關(guān)系數(shù)分別為 －0.704、0.600、0.784 和 －0.790.DO 與 WT 則與物種第二軸呈顯著負相關(guān)(P ＜0.01)，相關(guān)系數(shù)分別為 －0.549 和 －0.595.

3 討論與結(jié)論

3.1 神農(nóng)溪微囊藻水華基本特性

本次神農(nóng)溪微囊藻水華暴發(fā)水域面積約0.2 km2，主要集中在S6至S5綿竹峽河段，其中S6點最為嚴重，是水華的發(fā)源地，向下游微囊藻生物量及比重逐漸減少.水華優(yōu)勢種是銅綠微囊藻，其它包括水華微囊藻(Microcystis flos-aquae)、史密斯微囊藻(Microcystis smithii)和惠氏微囊藻(Microcystis wesenbergii)等［25］.這與三峽水庫其它支流微囊藻水華種類基本相同，2007年底大寧河微囊藻水華優(yōu)勢種為水華微囊藻和銅綠微囊藻［3］，2008年6月香溪河暴發(fā)的微囊藻水華優(yōu)勢種也是銅綠微囊藻［4，26］.2008年夏季神農(nóng)溪微囊藻水華6月下旬暴發(fā)，至8月初完全消退，持續(xù)時間約50 d.

3.2 水華暴發(fā)的原因

從水體理化指標監(jiān)測與TSIM分析來看，神農(nóng)溪水體總體處于中－富營養(yǎng)化狀態(tài)，上游非回水區(qū)及河口水體較好，中游回水區(qū)河段處于富營養(yǎng)化狀態(tài)，營養(yǎng)鹽、Chl.a濃度等均嚴重超標.研究表明，從銅綠微囊藻生長速率來看，其增加速度較快的TP濃度區(qū)間為0.005～0.2 mg/L，TN濃度區(qū)間為0.01～2 mg/L;從生長量來看，其增加速度較快的TP濃度區(qū)間為0.005～1 mg/L，TN濃度區(qū)間則為0.01～10 mg/L［27］.另外，從藻類的種群結(jié)構(gòu)和細胞密度來看，神農(nóng)溪浮游藻類優(yōu)勢種從藍藻門的微囊藻變?yōu)楣柙彘T的針桿藻.依據(jù)藻類生物學評價的觀點，作為指示生物微囊藻指示的是富營養(yǎng)型水體，而針桿藻指示中－富營養(yǎng)型水體［28］.神農(nóng)溪富營養(yǎng)化的水體為微囊藻水華的暴發(fā)提供了基本營養(yǎng)條件［29］.同時，神農(nóng)溪處于三峽水庫支流回水區(qū)，屬湖泊型水體［30］，汛期除上游S7瑤家灘外，回水區(qū)河段流速緩慢，水體滯留時間較長，營養(yǎng)稀釋擴散速率減緩，加速了營養(yǎng)鹽的富集和水體的富營養(yǎng)化.對室內(nèi)銅綠微囊藻的研究表明，較緩慢的流速和不劇烈的擾動也為微囊藻的暴發(fā)與生長提供了合適的生境［31-32］.S6羅坪點屬回水淹沒農(nóng)田區(qū)，地勢開闊，日照時間較峽谷河段更長，也促使其成為水華最早暴發(fā)的區(qū)域.

巴東所在的恩施州1999－2007年6月份平均氣溫為24.8℃，平均累計降雨量為178.6 mm，平均雨日為15.6 d.而2008年6月平均氣溫為25.4℃，累計降雨量為110.6 mm，僅為往年同期的61.9%，雨日僅有10 d.湯溪水庫2003年7月降水量異常偏少，較強的水體穩(wěn)定性導致藍藻水華相對往年提前暴發(fā)［33］，表明降雨對藍藻水華的暴發(fā)具有重要影響.同時6月采樣期間神農(nóng)溪回水區(qū)S2～S6樣點平均水溫高達29.1℃，遠高于形成微囊藻水華的適宜溫度26℃［34］，也接近室內(nèi)實驗證明的太湖微囊藻的最適生長溫度30～35℃［35］.氣溫偏高、降水量偏少和日照充足都為神農(nóng)溪微囊藻水華的暴發(fā)提供了適宜的條件，這與其他學者關(guān)于太湖藍藻水華暴發(fā)的氣象學研究結(jié)果相一致［10-11］.

有關(guān)三峽水庫暴發(fā)的微囊藻水華已有許多研究.曹承進等研究認為三峽水庫大寧河2007年12月至2008年1月微囊藻水華是由于水華區(qū)域流速幾乎為零、水域開闊、光照充足，加上磷營養(yǎng)鹽含量突然升高、pH值8.0～9.5等條件均適宜水華優(yōu)勢種藍藻微囊藻的生長［2］.楊敏關(guān)于三峽水庫香溪河2008年夏季微囊藻水華的研究表明，在具備充分的營養(yǎng)鹽基礎以及較高水溫的前提下，香溪庫灣前期較低的TN/TP可能是微囊藻復蘇的誘導因子，水體較強的穩(wěn)定性以及較高強度的光照可能是藍藻水華暴發(fā)的關(guān)鍵因子［4］.胡建林關(guān)于香溪河上游古洞口二級水庫微囊藻水華的調(diào)查也表明，水體的富營養(yǎng)化是暴發(fā)微囊藻水華的基礎［26］.

3.3 神農(nóng)溪富營養(yǎng)化及微囊藻水華的防治措施

三峽水庫蓄水之后，大部分庫灣已呈現(xiàn)富營養(yǎng)化態(tài)勢，多次暴發(fā)以甲藻和硅藻為主的藻類水華［36］，而神農(nóng)溪在2008和2009年均暴發(fā)了不同程度的微囊藻水華，必須采取措施加強對神農(nóng)溪水體富營養(yǎng)化及微囊藻水華的控制與治理.1)采取必要的應急處理.對突發(fā)的微囊藻水華，可以采取人工打撈、機械收集、絮凝劑沉降、植物提取物殺藻等應急措施迅速減少微囊藻生物量，但這些都是治標不治本的方法［37］;2)加強流域綜合治理.以神農(nóng)溪小流域為單元，在全面規(guī)劃的基礎上，合理安排旅游、農(nóng)、林、牧等用地，因地制宜地布設綜合治理措施，治理與開發(fā)相結(jié)合，對流域水土等自然資源進行保護、改良與合理利用［38］.對神農(nóng)溪而言，沿岸無工業(yè)污染，但沿岸鄉(xiāng)鎮(zhèn)及農(nóng)村規(guī)劃較落后，應合理布局城鎮(zhèn)結(jié)構(gòu)，增加綠化面積，妥善處理生活污水，避免直排庫區(qū).通過改革沿岸耕作方式以及調(diào)整化肥營養(yǎng)元素比例等來減少地表徑流污染，對回水淹沒的消落區(qū)進行固磷固氮等處理，從根本上阻斷水體富營養(yǎng)化的源頭.同時，通過建設浮床、人工濕地、投放鰱鳙等生物措施，減少水體中藻類富集，吸收分解水體營養(yǎng)鹽，還應合理開發(fā)利用神農(nóng)溪旅游產(chǎn)業(yè)，防止過度開發(fā)破壞自然資源，做到可持續(xù)發(fā)展.

致謝:感謝巴東縣神農(nóng)溪風景管理處在采樣過程中提供的便利與協(xié)助.

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Characteristics of Microcystis aeruginosa bloom in summer 2008 in Shennong River of Three Gorges Reservoir

ZHU Kongxian1，2，BI Yonghong1，HU Jianlin1，3，AI Ying1，2＆ HU Zhengyu1
(1:State Key Laboratory of Freshwater Ecology and Biotechnology，Institute of Hydrobiology，Chinese Academy of Sciences，Wuhan 430072，P.R.China)
(2:Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，P.R.China)
(3:Environmental Monitoring Center of Ningbo，Ningbo 315012，P.R.China)

An investigation was made to study the variations of the environmental factors and the composition of plankton when Microcystis bloomed in Shennong River which is the primary tributary of Three Gorges Reservoir during June and August in 2008.The results show that Microcystis aeruginosa is the absolutely dominant species forming the algal bloom.The Microcystis bloom lasted about 50 d and covered about 0.2 km2.The biomass of Microcystis are in direct correlation with the total phosphorus.With Three Gorges Dam stored water，the flow velocity of Shennong River has been slowed down greatly and the self-purification ability of the river declined.As a result，nutrient accumulated constantly and causing the water eutrophication.High content of nutrients in the water of Shennong River is the main reason responsible for the algal bloom formation while suitable natural conditions also contribute to the process.Based on the research，we proposed several strategies to mitigate the eutrophication and control algal blooms in Shennong River including pollution control and river ecosystom management.

Shennong River;Microcystis aeruginosa;algal bloom;eutrophication;Three Gorges Reservoir

＊ 國家重點基礎研究發(fā)展計劃“973”項目(2008CB418002)和國家水體污染控制與治理科技重大專項項目(2009ZX07104-005)聯(lián)合資助.2011－10－15收稿;2011－12－19收修改稿.朱孔賢，男，1985年生，博士研究生;E-mail:zhukx@foxmail.com.

＊＊ 通信作者;E-mail:huzy@ihb.ac.cn.