張 亞，黃津輝，戚 藍，王立明，林 超

(1. 天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072；2. 水利部海河水利委員會水資源保護科學(xué)研究所，天津 300170；3. 水利部海河水利委員會水資源保護局，天津 300170)

淺水富營養(yǎng)水庫中藻類生物量與營養(yǎng)鹽的關(guān)系

張 亞1，黃津輝1，戚 藍1，王立明2，林 超3

(1. 天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072；2. 水利部海河水利委員會水資源保護科學(xué)研究所，天津 300170；3. 水利部海河水利委員會水資源保護局，天津 300170)

在解釋為什么藍藻在淡水藻類群體中會異軍突起成為優(yōu)勢種的主要假設(shè)中，1983年由Smith提出的“氮磷比理論”可能是最流行的，然而一些質(zhì)疑的觀點也逐漸出現(xiàn)．因此，以天津市于橋水庫為例，分析了降雨水文過程與營養(yǎng)鹽負荷之間的關(guān)系，確定了點源和面源污染對水庫富營養(yǎng)化的影響及水庫的污染源類型．探討了氮磷比以及無機氮源與藻類生長之間的關(guān)系．主要得出如下結(jié)論：于橋水庫污染源屬于面源污染型，夏季第1場降雨來臨的時間決定了夏秋季水庫中藻類暴發(fā)的時間和程度；水庫中充足的營養(yǎng)鹽是藻類暴發(fā)的誘導(dǎo)因子，低氮磷比不是藻類增殖的條件，而是藻類增殖的結(jié)果；葉綠素a(Chl-a)質(zhì)量濃度與ρ(NH3-N)∶ρ(-N+-N)值呈顯著正相關(guān)關(guān)系，藻類生長大量消耗的無機氮源為N．

藍藻水華；氮磷比；無機氮源；降雨；于橋水庫

藍藻水華會導(dǎo)致產(chǎn)生毒素、水體缺氧、發(fā)出惡臭氣味、水表產(chǎn)生綠色浮渣等水質(zhì)問題，對淡水生態(tài)系統(tǒng)尤其是飲用水水源地產(chǎn)生嚴(yán)重的影響．因此，許多學(xué)者試圖找尋各種可能使得藻類成為優(yōu)勢種的具體影響因素，如溫度、光照、氮、磷、碳以及微生物的相互作用等[1-6]．

在解釋為什么藍藻在淡水藻類群體中會異軍突起成為優(yōu)勢種的主要假設(shè)中，“氮磷比理論”可能是最流行和最具有代表性的．1983年Smith通過分析17個湖泊的數(shù)據(jù)后提出“TN/TP比”法則，認(rèn)為在總氮與總磷質(zhì)量比大于29的湖泊中，藍藻很少，在總氮與總磷質(zhì)量比由29以上下降至29以下的過程中，有相當(dāng)一部分藍藻隨水體氮磷比值的下降而成比例地增長，無論是固氮還是非固氮的藍藻，低氮磷比都有利于其生長[6]．Aleya等[3]研究了法國Villerest水庫后認(rèn)為，人類的活動加速了水庫的富營養(yǎng)化進程，水庫中氮磷比變化是藍藻水華的確定性因素. Takamura等[7]研究了日本Kasumigaura湖泊20世紀(jì)70年代到80年代水庫中微囊藻的水華，認(rèn)為氮磷比的變化是水庫中不同藻類水華的主要因素．Fujimoto等[8]也認(rèn)為低氮磷比和高溫條件是銅綠微囊藻水華的環(huán)境影響因子．

但是一些學(xué)者則提出了不同的觀點，認(rèn)為藍藻水華是由于P濃度的增加而不是氮磷比的減少引起的[9-10]．陳國永等[11]、Xie等[12]也認(rèn)為在高磷濃度和低磷濃度培養(yǎng)條件下，不同氮磷比值培養(yǎng)液中銅綠微囊藻細胞的增長率變化趨勢似乎只與磷濃度有關(guān)，而與氮磷比值關(guān)系不大．另外Xie等[12]還認(rèn)為低氮磷比不是藍藻水華的原因，而是藻類增殖的結(jié)果．

基于這些對藻類和營養(yǎng)鹽之間關(guān)系的研究，本文以天津市于橋水庫為研究對象，研究分析了降雨與營養(yǎng)鹽負荷之間的關(guān)系，并以此確定點源和面源污染對水庫富營養(yǎng)化的影響，確定了水庫污染源類型．通過分析氮磷比、磷與藻類生長之間的關(guān)系以及它們在時空上的變化，探討氮磷比究竟是藻類水華的原因還是藻類增殖的結(jié)果．另外，通過分析無機氮源與葉綠素a(Chl-a)濃度之間的關(guān)系，探討了藻類生長所依賴的無機氮源類型，為藍藻水華預(yù)警提供了重點監(jiān)測的對象.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

于橋水庫是天津市人民生活飲用水和工農(nóng)業(yè)用水水源地，地理位置為東經(jīng)117°31′、北緯40°02′，是國家重點大型水庫之一，如圖1所示．水庫正常蓄水位為21.16,m，總庫容為1.56×109,m3，平均深度為4.6,m，最大深度為12,m，水庫控制面積為2,060,km2，水庫多年平均降水量為750,mm．

1.2 采樣及分析

水體采樣時間為2004—2009年，采樣站點為庫中心、庫心東、庫心西和庫心北(見圖1)．采樣頻次為每月2次，分別為月初和月中，另外2008年和2009年夏季和秋季有加密監(jiān)測，監(jiān)測頻次為每月4次．樣本采用1,L聚丙烯樣本瓶在4,℃黑暗條件下保存并于24,h內(nèi)進行分析．水質(zhì)的測定在實驗室采用國家環(huán)境保護總局(SEPA)標(biāo)準(zhǔn)方法進行[13]，具體測定參數(shù)為總氮(TN)、氨氮(NH3-N)、硝酸鹽氮(3NO--N)、亞硝酸鹽氮(2NO--N)、總磷(TP)、磷酸鹽(4PO3--P)．Chl-a用90%丙酮溶液提取后通過凍融法測定[14]．各數(shù)據(jù)變化范圍如表1所示．降雨及溫度等氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)．

圖1 于橋水庫庫區(qū)采樣點示意Fig.1 Distribution of sampling sites in Yuqiao reservoir

表1 2004—2009年于橋水庫中Chl-a及相關(guān)營養(yǎng)鹽變量濃度范圍Tab.1 Inter-annual variation of Chl-a and related nutrientvariables in Yuqiao reservoir during 2004—2009

2 結(jié)果與討論

2.1 Chl-a年內(nèi)變化

圖2顯示了2004—2009年水庫中Chl-a濃度變化情況．可以看出，2004年、2006年和2009年水庫中Chl-a的濃度都超過了0.01,mg/L，發(fā)生了不同程度的藍藻水華，其中以2004年和2006年尤為嚴(yán)重．

圖2 2004—2009年于橋水庫Chl-a濃度變化情況Fig.2 Time series data of Chl-a in Yuqiao reservoir during 2004—2009

2.2 氮磷比與藻類生長之間的關(guān)系

用Chl-a質(zhì)量濃度作為藻類生物量的表征．圖3顯示了2004—2009年月平均Chl-a質(zhì)量濃度和ρ(TN)∶ρ(TP)關(guān)系．可以看出，藻類生物量與氮磷比值呈現(xiàn)出極顯著的負相關(guān)關(guān)系(y=0.014-1.115× 10-4,x，R2=0.771)，即藻類生物量越大，氮磷比越低．那么究竟是低氮磷比環(huán)境促進藻類的大量生長，還是藻類大量生長消耗營養(yǎng)鹽，從而造成水庫中的低氮磷比環(huán)境呢？

為進一步探究該問題，圖4給出了2004—2009年實測Chl-a質(zhì)量濃度和ρ(TN)∶ρ(TP)的關(guān)系，其中2009年采用的是夏季和秋季加密監(jiān)測數(shù)據(jù)．可以看出，在藻類暴發(fā)比較嚴(yán)重的年份，如2004年及2006年，Chl-a質(zhì)量濃度都是首先達到最大值，然后ρ(TN)∶ρ(TP)值會從29以上下降到29以下，繼而達到峰谷值．這說明充足的營養(yǎng)鹽是藻類暴發(fā)的誘導(dǎo)因子，藻類大量增殖過程中，水體中ρ(TN)∶ρ(TP)比值下降．表2給出了2004—2009年Chl-a濃度最大值和氮磷比最小值出現(xiàn)的時間．可以看出，在藻類大量增殖過程中伴隨著氮磷比的逐漸降低，在藻類濃度達到最大值之后，接著氮磷比出現(xiàn)最小值，因此藻類增殖導(dǎo)致了氮磷比的降低，低氮磷比不是藻類增殖的原因而是藻類增殖的結(jié)果．

圖3 2004—2009年月平均Chl-a質(zhì)量濃度與ρ(TN)∶ρ(TP)關(guān)系Fig.3Relationship between monthly average Chl-a mass concentration and ρ(TN)∶ρ(TP) during 2004—2009

表2 Chl-a質(zhì)量濃度最大值和氮磷比最小值出現(xiàn)時間Tab.2Ocurrence time of the maximum Chl-a concentration and the minimum the ratio of TN and TP

2.3 磷對藻類的影響

第2.2節(jié)中分析了低氮磷比并非藻類增殖的原因而是其結(jié)果，下面重點分析磷對藻類增殖的影響.表3顯示了Chl-a和TP質(zhì)量濃度最大值出現(xiàn)時間，分析TP濃度峰值出現(xiàn)時間，2004年和2006年都是在夏季初出現(xiàn)峰值，以2004年尤為明顯．結(jié)合圖2中葉綠素濃度變化過程，可以看出，在夏季初出現(xiàn)高磷點時，將更容易使得藍藻在秋季暴發(fā)，且規(guī)模與總磷濃度值呈正相關(guān)關(guān)系，夏季初磷濃度上升越快，藻類暴發(fā)時間越提前．

表3 Chl-a和TP質(zhì)量濃度最大值出現(xiàn)時間Tab.3Occurrence time of the maximum Chl-a and TP concentrations

圖4 2004—2009年Chl-a質(zhì)量濃度與ρ(TN)∶ρ(TP)關(guān)系Fig.4 Relationship between Chl-a mass concentration and the ratio of TN and TP from 2004 to 2009

2.4 降雨與營養(yǎng)鹽負荷之間的關(guān)系

圖5 于橋水庫水位-庫容曲線Fig.5 Water level-storage capacity curve of Yuqiao reservoir

為了探究于橋水庫中營養(yǎng)物負荷來源的形式，以及它們對藻類生長的影響，假設(shè)汛期水庫中磷的增加主要是由降雨造成的徑流所帶來的，則水庫中葉綠素的變化趨勢應(yīng)該與降雨時間和降雨強度密切相關(guān).因此，利用該水庫2005—2009年實際運行水位和水庫水位-庫容曲線(見圖5)，計算出水庫月平均庫容，庫容乘以月平均TN和TP濃度，可近似計算出水庫中營養(yǎng)鹽負荷，可以得出月總降雨量與月平均TN和TP濃度關(guān)系(見圖6和圖7)．從圖中可以看出，總磷質(zhì)量濃度隨著降雨量的增大而增大，而總氮質(zhì)量濃度隨著降雨量的增大而減少，說明水庫中磷的增加主要是由降雨徑流帶來的，總氮的主要來源是點源污染，因此于橋水庫中藻類的生長受面源污染的影響大于受點源污染的影響，水庫屬于面源污染型．

圖6 月總降雨量與營養(yǎng)負荷對數(shù)關(guān)系Fig.6 Logarithmic diagram between monthly total rainfall and nutrient load

圖7 于橋水庫月總降雨量與月平均TN和TP質(zhì)量濃度關(guān)系Fig.7 Relationship between monthly total rainfall and TN and TP mass concentrations in Yuqiao reservoir

2004—2009年夏季(6—8月)20-20時降雨數(shù)據(jù)累積頻率如圖8所示．可以看出，大于25,mm降雨的累積頻率為95%，說明夏季發(fā)生大到暴雨的概率均為5%．從降雨對磷負荷輸入的關(guān)系來看，每一次大的降雨都可以看作是一次比較明顯的磷負荷輸入，它對藻類暴發(fā)時間和暴發(fā)程度的影響都是顯著的，第1場大雨來臨的時間與藻類暴發(fā)的時間和程度直接關(guān)聯(lián)．從2004—2009年逐日降雨數(shù)據(jù)可知，2004年夏季一共3場大雨，分別是6月16日(27.8,mm)、7月11日(53,mm)和8月12日(41.8,mm). 2006年6—8月一共4場大雨，分別是7月14日(53.6,mm)、8月4日(37.7,mm)、8月6日(71.5,mm)和8月25日(23.2,mm)．2004年藻類在6月開始快速生長，在8月達到高峰值，而2006年則在7月末8月初藻類進入快速生長期，在9月達到高峰值．可以看出，降雨徑流帶來的磷聚集時間對藻類暴發(fā)具有明顯的誘發(fā)作用，夏季的第1場降雨來臨時間的不同決定了夏秋季水庫中藻類暴發(fā)的時間和程度．

圖8 2004—2009年夏季20-20時降雨累積頻率Fig.8 Cumulative frequency of rainfall during 2004—2009

2.5 無機氮源與藻類生長之間的關(guān)系

藻類生長吸收的主要氮源為溶解性無機氮(DIN=NH3-N+N+-N)，但是藻類生長對于哪一類型的無機氮更為青睞，沒有一個比較好的評價方法．因此，本文通過對氨氮質(zhì)量濃度ρ(NH3-N)及硝氮質(zhì)量濃度ρ(-N+-N)監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，試圖利用Chl-a質(zhì)量濃度與ρ(NH3-N)∶ρ(-N+-N)的關(guān)系來說明于橋水庫中藻類生長對不同無機氮的依賴性問題．這可以為不同類型無機氮對于藍藻水華暴發(fā)的閾值研究提供基礎(chǔ)，進而可以預(yù)測湖泊中潛在的限制性氮源類型．圖9顯示了2004—2009年水庫中Chl-a質(zhì)量濃度和ρ(NH3-N)：ρ(-N+-N)的關(guān)系．可以看出，Chl-a質(zhì)量濃度和ρ(NH3-N)∶ρ(-N+2-N)值呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系(y=0.016,x+0.003，R2= 0.813)．說明當(dāng)Chl-a濃度增加時，可能導(dǎo)致NH3-N濃度的增加或硝氮質(zhì)量濃度的減少，或硝氮質(zhì)量濃度的下降梯度要大于NH3-N質(zhì)量濃度的下降梯度．結(jié)合表1中2004—2009年水體中NH3-N、-N和-N質(zhì)量濃度的變化范圍可以看出，水體中-N含量很高，NH3-N和-N含量都比較低，而Chl-a質(zhì)量濃度與ρ(NH3-N)∶ρ(-N+呈顯著正相關(guān)關(guān)系，說明水體中藻類大量增殖的同時，ρ(NH3-N)∶ρ(-N+NO-2-N)值將明顯增加，即質(zhì)量濃度在明顯地降低．藻類的生長對的消耗要大于對N的消耗，于橋水庫藻類生長更依賴于的供給，對藻類生長和藍藻水華暴發(fā)有決定性作用，對這項指標(biāo)進行閾值研究對藍藻預(yù)警有很好的參考意義．

圖92004 —2009年Chl-a質(zhì)量濃度和ρ(NH3-N)∶ρ(N)的關(guān)系Fig.9Relationship between Chl-a mass concentration and ρ(NH3-N)∶ρ()during 2004—2009

3 結(jié) 論

(1) 于橋水庫中總磷負荷隨著降雨量的增大而增加，而總氮濃度隨著降雨量的增大而減少，說明水庫中磷的增加主要是由降雨徑流帶來的，水庫屬于面源污染型．降雨徑流帶來的磷聚集時間對藻類暴發(fā)具有明顯的誘發(fā)作用，夏季的第1場降雨來臨時間的不同決定了夏秋季水庫中藻類暴發(fā)的時間和程度．

(2) 藻類生物量與氮磷比值呈現(xiàn)出極顯著的負相關(guān)關(guān)系，即藻類生物量越大，氮磷比越低，水庫中充足的營養(yǎng)鹽是藻類暴發(fā)的誘導(dǎo)因子．另外，在藻類大量增殖的過程中伴隨著氮磷比的逐漸降低，在藻類濃度達到最大值后，氮磷比出現(xiàn)最小值，因此藻類增殖導(dǎo)致了氮磷比的降低，低氮磷比不是藻類增殖的原因而是藻類增殖的結(jié)果．

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(責(zé)任編輯：樊素英)

Links Between Algae Biomass and Nutrients in a Eutrophic Shallow Lake

Zhang Ya1，Huang Jinhui1，Qi Lan1，Wang Liming2，Lin Chao3
(1. State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Research Institute of Water Resources Protection，Haihe River Water Conservancy Commission，Ministry of Water Resources，Tianjin 300170，China；3. Water Resources Protection Bureau，Haihe River Water Conservancy Commission，Ministry of Water Resources，Tianjin 300170，China)

Of the major hypotheses that explain the dominance of blue-algae in fresh water system，the most prevalent hypothesis might be the rule of the ratio of TN and TP raised by Smith in 1983. However，this hypothesis is also questioned by other researchers. This paper discussed the relationship between precipitation and nutrient loading by using Yuqiao reservoir as an example，and identified the impact of the point and non-point pollution sources on the eutrophication of reservoir and the pollution type of reservoir. It also analyzed the relationship between inorganic nitrogen and algae growth. This paper drew the following conclusions：The major source of pollution comes from nonpoint source pollution in the case of Yuqiao reservoir and the timing of first storm in summer is the main forcing factor in determining the time and the extent of an algae bloom；The algae bloom is induced by sufficient nutrient supply in the reservoir，and low the ratio of TN and TP is not the cause for algae bloom but the result of algae growth；The concentration of chlorophyll has a very strong relationship with ρ(NH3-N)∶ρ(-N+-N)；-N is the major source of inorganic nitrogen for algae growth.

blue-algae blooms；the ratio of TN and TP；inorganic nitrogen；precipitation；Yuqiao reservoir

X524

A

0493-2137(2014)01-0036-06

10.11784/tdxbz201205034

2012-05-12；

2012-10-24.

教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計劃資助項目(NCET-09-0586)；水利部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費資助項目(201101018).

張 亞（1986— ），男，博士研究生，zhangya@tju.edu.cn.

黃津輝，huangj@ tju.edu.cn.