肖喆，李文攀，張靖天，何卓識(shí)，馬春子，席北斗，霍守亮?

1.上海大學(xué)環(huán)境科學(xué)與化工學(xué)院

2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院

3.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站

水庫水環(huán)境質(zhì)量對(duì)流域生態(tài)安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展至關(guān)重要,但隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人類活動(dòng)廣度、深度的增加,營(yíng)養(yǎng)鹽大量輸入水體導(dǎo)致水質(zhì)下降,從而引起浮游植物過量繁殖、群落結(jié)構(gòu)異常演替,并在部分湖庫、庫灣出現(xiàn)藍(lán)藻水華問題,對(duì)飲用水和生態(tài)環(huán)境安全造成極大威脅。水華暴發(fā)是浮游植物群落受到環(huán)境變化影響的結(jié)果,工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、建設(shè)等人類活動(dòng)影響下的土地利用格局與水體氮、磷輸入程度息息相關(guān)[1]。土地利用不僅影響非點(diǎn)源污染規(guī)模、模式,還會(huì)影響流域物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)過程[2]。Fanelli等[3]研究表明,切薩皮克入灣河流50%以上的水體總磷(TP)負(fù)荷與農(nóng)業(yè)面源污染有關(guān)；Chanat等[4]認(rèn)為,該區(qū)域河流80%的總氮(TN)輸入由城市和市郊非點(diǎn)源污染提供。同時(shí)由于水庫效應(yīng)的影響,天然河流的氮、磷濃度以及形態(tài)[5]和比例[6]等都會(huì)發(fā)生顯著改變。Maavara等[7]總結(jié)分析全球水庫氮、磷遷移過程,表明在水庫水動(dòng)力影響下,流域氮、磷分別滯留19%和44%,形成低氮磷比(N∕P)的水體環(huán)境。氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽與浮游植物生長(zhǎng)關(guān)系密切,氮、磷分布及遷移特征和其他環(huán)境因素的變化影響著浮游植物的結(jié)構(gòu)組成[8]、優(yōu)勢(shì)種和豐度等群落特征[9],如水體N∕P的降低會(huì)提高微囊藻屬(Microcystis)和浮絲藻屬(Planktothrix)等非固氮藍(lán)藻種群的比例和優(yōu)勢(shì)[10],從而增加水華暴發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。

長(zhǎng)潭水庫位于浙江省臺(tái)州市黃巖區(qū),是臺(tái)州市重要的飲用水水源地,近年來部分庫灣區(qū)呈現(xiàn)浮游植物增多的趨勢(shì)。筆者通過對(duì)2016—2017年庫區(qū)和入庫河口水質(zhì)及浮游植物調(diào)查分析,結(jié)合歷年土地利用和水質(zhì)數(shù)據(jù),探討土地利用類型對(duì)水質(zhì)變化的影響,揭示浮游植物群落與環(huán)境因子的關(guān)系,以期為水庫流域生態(tài)環(huán)境問題的診斷及對(duì)策實(shí)施提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

長(zhǎng)潭水庫(121°00′E~121°04′E,28°30′N~28°40′N)是以城市供水為主,集防洪、灌溉、發(fā)電等綜合利用于一體的水庫。水庫建于1964年,水面面積為35.5 km2,正常蓄水水位為33 m,庫容為3.3億m3。流域?qū)儆诘湫偷膩啛釒Ъ撅L(fēng)氣候,年平均氣溫為17℃,年平均降水量為1 874.8 mm。自建庫以來,水庫水質(zhì)一直受到人口增長(zhǎng)、農(nóng)業(yè)發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快的影響,近年來出現(xiàn)藻類增多,水環(huán)境質(zhì)量下降的情況。

長(zhǎng)潭水庫主要入庫河流包括瑞巖溪、柔極溪、永寧溪、日溪、上垟溪、象岙溪、桐外岙溪(表1)。2016年6月—2017年6月,在長(zhǎng)灘水庫共設(shè)置10個(gè)庫區(qū)采樣點(diǎn)(0＃~9＃)和7個(gè)河流入庫口采樣點(diǎn)(10＃~16＃),逐月共進(jìn)行12次水質(zhì)監(jiān)測(cè),并于2016年7月(夏季)、10月(秋季)、12月(冬季)和2017年3月(春季)對(duì)庫區(qū)的10個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行4期浮游植物群落鑒定。采樣點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 長(zhǎng)潭水庫采樣點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of sampling points in Changtan Reservoir

表1 長(zhǎng)潭水庫主要入庫河流特征Table 1 Characteristics of main inflow rivers of Changtan Reservoir

1.2 樣品采集和測(cè)定

現(xiàn)場(chǎng)指標(biāo)測(cè)定包括水溫(WT)、pH、溶解氧(DO)濃度、透明度(SD),使用5 L不銹鋼采樣器分別采集表、中、下3層水樣并混合,取1 L水樣,24 h內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室,測(cè)定指標(biāo)包括氨氮(-N)、硝氮(-N)、TN、TP濃度及高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、N∕P等。另取1 L混合水樣,注入魯哥試劑15 mL混勻,靜置24~48 h,虹吸棄去上清液,濃縮振蕩后,使用光學(xué)顯微鏡對(duì)藻類進(jìn)行計(jì)數(shù),每個(gè)樣本藻類至少鑒定600個(gè)以上。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

1.3.1 TN、TP滯留率

通過計(jì)算TN、TP入庫和出庫通量差值,分析長(zhǎng)潭水庫對(duì)TN、TP營(yíng)養(yǎng)鹽的滯留效應(yīng)。營(yíng)養(yǎng)鹽輸入通量和實(shí)際滯留率計(jì)算公式如下[11]:

式中:Fin為河流營(yíng)養(yǎng)鹽年輸入量,t∕a；Fout為水庫營(yíng)養(yǎng)鹽年輸出量,t∕a；R為水庫對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的滯留率,%；Qin為河口日徑流量,m3∕d；Cin為河口營(yíng)養(yǎng)鹽年均濃度,mg∕L；Qout為壩口年用水量,m3∕d；Cout為壩口營(yíng)養(yǎng)鹽年均濃度,mg∕L。

依據(jù)長(zhǎng)潭水庫7條主要入庫河流的年流量和河口采樣點(diǎn)年均TN、TP濃度,計(jì)算每條河流TN、TP的年輸入量；以0＃采樣點(diǎn)(接近大壩泄水、取水口處)年均TN、TP濃度以及水庫用水量計(jì)算得到營(yíng)養(yǎng)鹽年輸出量,計(jì)算水庫集水區(qū)對(duì)TN、TP實(shí)際滯留率。

1.3.2 冗余(RDA)分析

2 結(jié)果與討論

2.1 TN、TP分布和滯留特征

長(zhǎng)潭水庫庫區(qū)營(yíng)養(yǎng)鹽濃度季度變化如表2所示。由表2可知,2017年2月庫區(qū)、河口TN濃度均值最大,分別為0.848、1.658 mg∕L,該季地表植被稀疏、腐葉堆積,受到春季降雨徑流的影響,入庫TN負(fù)荷較高[14]。庫區(qū)、河口TP濃度最大值分別出現(xiàn)在2016年7月、8月,分別為0.052和0.094 mg∕L,夏季農(nóng)業(yè)生產(chǎn)化肥使用量增加可能是水體TP濃度增加的直接原因。入庫河流中,永寧溪流域面積大,人口密度高,受人類活動(dòng)影響河流TN負(fù)荷較大,該河流入庫河口具有較高的年均TN濃度,為1.181 mg∕L；瑞巖溪流域地勢(shì)低,徑流量小,在水庫高水位月份易形成死水環(huán)境,該河流入庫河口TP濃度年均值最高,為0.103 mg∕L(圖2)。

圖2 入庫河口TN、TP營(yíng)養(yǎng)鹽濃度和輸入量Fig.2 Nutrient concentrations and inputs of TN and TP in estuaries

表2 2016—2017年長(zhǎng)潭水庫營(yíng)養(yǎng)鹽濃度月度變化Table 2 Monthly change of nutrient concentration in Changtan Reservoir from 2016 to 2017 mg∕L

長(zhǎng)潭水庫由河流輸入的TN、TP量分別為741.60和14.18 t∕a,其中,永寧溪TN、TP輸入量最大,分別為350.21和8.89 t∕a；柔極溪TN、TP輸入量分別為164.78和4.13 t∕a,2條河流合計(jì)對(duì)長(zhǎng)潭水庫河流TN、TP輸入貢獻(xiàn)分別為69.44%和44.84%。采樣期間,水庫年出庫流量為67 011萬m3(包括供水、發(fā)電、泄洪等),TN、TP輸出量分別為432.20和29.04 t∕a,TN、TP滯留率分別為41.71%和51.17%。水庫磷滯留主導(dǎo)機(jī)制是顆粒態(tài)磷沉降[16],氮滯留主導(dǎo)機(jī)制是表層沉積物的脫氮反應(yīng)形成N2逸出[17]?？梢?磷滯留導(dǎo)致內(nèi)源污染風(fēng)險(xiǎn)較高[18],加上藻類生長(zhǎng)對(duì)磷營(yíng)養(yǎng)鹽濃度變化較敏感,因此,控制湖庫TP輸入顯得更為重要。根據(jù)對(duì)庫區(qū)10個(gè)采樣點(diǎn)12個(gè)月水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定結(jié)果,N∕P>16的采樣點(diǎn)數(shù)量占比為76.7%,庫區(qū)月均N∕P為14.6~83.9,年均值為34.5,根據(jù)Redfield比值(N∕P＝16),判斷長(zhǎng)潭水庫營(yíng)養(yǎng)狀況總體屬于磷限制型[15]。其中,2016年6—9月和2017年5—6月庫區(qū)平均N∕P為14.6~26.5。根據(jù)Smith[19]提出的當(dāng)湖庫水體N∕P小于29時(shí),傾向于藍(lán)藻優(yōu)勢(shì),且當(dāng)N∕P為10~25時(shí),藻類生長(zhǎng)一定程度上既不受氮限制又不受磷限制,表明該時(shí)期長(zhǎng)潭水庫有較高的藍(lán)藻水華暴發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 土地利用類型與水質(zhì)關(guān)系

利用2001年、2008年和2015年長(zhǎng)潭水庫流域Landsat TM遙感數(shù)據(jù)圖,應(yīng)用AcrGIS 9.3軟件提取土地利用中的耕地、林地、草地、濕地、建設(shè)用地5種類型,并采用Excel軟件進(jìn)行二次插值法[20]計(jì)算得到流域年際土地利用變化。結(jié)果表明,2001—2012年長(zhǎng)潭水庫耕地面積占比降低7.87%,耕地面積雖然減少,但是化肥的使用量卻逐年提升[21]。林地面積占比基本恒定,但受政策影響,流域推廣黃巖蜜橘、楊梅等經(jīng)濟(jì)林種植,2012年流域柑橘種植面積已達(dá)到7.8 km2,表明林地區(qū)域生態(tài)功能已產(chǎn)生一定程度的轉(zhuǎn)變。除此之外,建設(shè)用地和濕地面積占比變化較大,分別增加78.74%和24.00%。2000—2012年,流域第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占比從31.42%增至42.90%,人均GDP由11 314元升至47 801元,第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占比增加和第一產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整是流域內(nèi)建設(shè)用地面積增加、耕地面積減少和經(jīng)濟(jì)林(林地的重要形式)面積占比增加的主要原因。

2001—2012年,長(zhǎng)潭水庫營(yíng)養(yǎng)鹽濃度年均值如表3所示。由表3可知,TN濃度年均值為0.445~0.716 mg∕L,TP濃度為0.005~0.084 mg∕L。TN、TP濃度年際變化總體穩(wěn)定的同時(shí)略有下降,一方面由于流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)力度加大,水體營(yíng)養(yǎng)鹽匯入減少；另一方面由于城鎮(zhèn)用水壓力逐年增大,水庫調(diào)節(jié)蓄水造成水力停留時(shí)間延長(zhǎng),從而提高了庫區(qū)氮、磷滯留率。

表3 2001—2012年長(zhǎng)潭水庫營(yíng)養(yǎng)鹽濃度年均值Table 3 Annual mean nutrient concentration of Changtan Reservoir from 2001 to 2012 mg∕L

2001—2012年水質(zhì)指標(biāo)和土地利用Spearman相關(guān)性分析結(jié)果如表4所示。由表4可知,庫區(qū)TP濃度與耕地和林地面積均呈顯著正相關(guān)(R2為0.594和0.685,P<0.05),CODMn與耕地和林地面積呈極顯著正相關(guān)(R2為0.853和0.888,P<0.01),表明耕地和林地是水庫水體TP和有機(jī)質(zhì)負(fù)荷的主要來源。濕地面積與TP濃度呈顯著負(fù)相關(guān)(R2為－0.585,P<0.05),與CODMn呈極顯著負(fù)相關(guān)(R2為－0.851,P<0.01),表明濕地是流域內(nèi)具有水質(zhì)凈化功能的重要土地類型。建設(shè)用地面積與TN和-N濃度呈正相關(guān),表明建設(shè)用地是貢獻(xiàn)氮營(yíng)養(yǎng)鹽的土地利用類型。本研究中,林地相比耕地在水體TP輸入方面的貢獻(xiàn)更大。這是因?yàn)榕c耕地相比,經(jīng)濟(jì)林種植雖然可降低90%水土流失速率[22],但其多位于坡度大的地形結(jié)構(gòu)處,降雨時(shí)易造成氮磷流失[23],尤其是土壤中有效態(tài)磷的流失[22],造成TP流失速率顯著高于耕地[24]。研究[25]表明,山地水庫柑橘林實(shí)行苜蓿間種和土壤秸稈覆蓋是控制TP流失的有效措施,能分別降低果園39%和31%的TP流失。

表4 水質(zhì)指標(biāo)與不同土地利用類型面積年際變化的相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis of water quality indexes and interannual change of land use type area

2.3 浮游植物群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子關(guān)系

研究期間共鑒定浮游植物8門79屬,其中,綠藻門(Chlorophyta)33屬,硅藻門(Bacillariophyta)15屬,藍(lán)藻(Cyanophyta)19屬。各季節(jié)浮游植物豐度為3.35×106~8.26×106個(gè)∕L(圖3),夏季浮游植物豐度最高,春季最低。夏季和秋季以藍(lán)藻門為主要優(yōu)勢(shì)藻,豐度占比分別為82.47%和74.89%；冬季藍(lán)藻門和硅藻門豐度占比分別為43.41%和39.31%；春季藍(lán)藻門豐度占比為33.72%。比較浮游植物優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(Y)[26],全年Y大于0.02的優(yōu)勢(shì)種包括6種藍(lán)藻(Y為0.040~0.079)、1種綠藻(Y為0.035)、2種硅藻(Y為0.021~0.049)。結(jié)果表明,庫區(qū)形成以藍(lán)藻、綠藻、硅藻為主要優(yōu)勢(shì)種的季節(jié)性演替,其中藍(lán)藻優(yōu)勢(shì)度最高。長(zhǎng)潭水庫從建庫以來,浮游植物群落優(yōu)勢(shì)種逐漸由甲藻、硅藻演化為藍(lán)藻、綠藻,頻繁的人類活動(dòng)導(dǎo)致水動(dòng)力條件的改變和農(nóng)業(yè)面源輸入氮磷有機(jī)物負(fù)荷增大是驅(qū)動(dòng)這一演替的主要原因[21]。

圖3 長(zhǎng)潭水庫各門浮游植物豐度季節(jié)分布Fig.3 Seasonal distribution of phytoplankton abundance of each phylum in Changtan Reservoir

為探討浮游植物組成變化與環(huán)境因子之間的關(guān)系,以上述優(yōu)勢(shì)種在各季節(jié)豐度代表浮游植物群落結(jié)構(gòu)和與之對(duì)應(yīng)的環(huán)境因子展開RDA分析。浮游植物和環(huán)境變量在軸1(RDA1)和軸2(RDA2)上的RDA排序如圖4所示。由圖4可知,4個(gè)季節(jié)浮游植物群落基本分別分布于1~4象限,軸1和軸2可代表水庫浮游植物群落季節(jié)演替的變化。軸2負(fù)方向代表了冬季—春季和夏季—秋季浮游植物群落結(jié)構(gòu)變化,表明與軸2顯著相關(guān)的TP、TN和N∕P等水體營(yíng)養(yǎng)鹽因素是群落結(jié)構(gòu)變化的主要驅(qū)動(dòng)力。兩軸對(duì)藻類群落結(jié)構(gòu)的變化解釋量為52.98%(軸1為42.48%,軸2為10.50%),解釋了86.71%(軸1為69.53%,軸2為17.16%)的變異累計(jì)方差。環(huán)境因子共解釋了61.10%浮游植物優(yōu)勢(shì)種的變化,表明浮游植物群落季節(jié)性演替主要受到WT、pH、DO、透明度、-N、TN、TP等環(huán)境因子的單獨(dú)或協(xié)同作用驅(qū)動(dòng),而非浮游植物種群內(nèi)部的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。RDA分析結(jié)果中代表物種與環(huán)境變量直線夾角的余弦值表示二者之間的相關(guān)性大小,藍(lán)藻門物種與WT、SD、-N和TP呈正相關(guān)關(guān)系,說明水溫、TP、SD和-N是控制水庫藍(lán)藻生長(zhǎng)的重要因素。

圖4 浮游植物物種和環(huán)境因子的RDA分析Fig.4 RDA analysis of phytoplankton species and environmental factors

拉氏擬柱孢藻(Cylindrospermopsis raciborskii)是長(zhǎng)潭水庫優(yōu)勢(shì)度(Y＝0.078)最大的藻種。該產(chǎn)毒藻種是廣東、臺(tái)灣和福建等熱帶地區(qū)夏秋季節(jié)常見水華藻種[27],近年來在亞熱帶和溫帶發(fā)現(xiàn)頻率有所上升,對(duì)新發(fā)地區(qū)供水安全產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)[28],其對(duì)磷有較強(qiáng)的吸收和儲(chǔ)存能力,在磷限制型水體易形成優(yōu)勢(shì)[29],且能高效利用水體-N作為氮源[30]。RDA分析結(jié)果顯示:年度優(yōu)勢(shì)種拉氏擬柱孢藻的豐度與-N濃度的相關(guān)性大于0.999(P<0.02),表明水體-N濃度是影響拉氏擬柱孢藻生長(zhǎng)的主要因素。將2016年7月、10月和12月拉氏擬柱孢藻豐度與-N濃度進(jìn)行擬合,得出如下關(guān)系:

式中:Z為-N濃度,mg∕L；X為藻豐度,106個(gè)∕L。說明在拉氏擬柱孢藻生長(zhǎng)占優(yōu)勢(shì)的季節(jié),通過削減庫區(qū)-N濃度能夠有效降低拉式擬柱孢藻的豐度。

2.4 流域水生態(tài)改善對(duì)策建議

隨著近年來長(zhǎng)潭水庫流域經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的加快,水庫氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽輸入是導(dǎo)致水體藻類生長(zhǎng)、水質(zhì)下降的主要原因。控制營(yíng)養(yǎng)鹽尤其是磷元素的輸入是目前預(yù)防水庫藍(lán)藻水華發(fā)生的主要策略。

農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟(jì)林面源污染是長(zhǎng)潭水庫TP輸入的主要因素,TN、TP濃度是影響浮游植物豐度,造成水庫藍(lán)藻水華發(fā)生的主要原因。源頭治理需要合理布局農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),加強(qiáng)水庫流域消落帶的生態(tài)修復(fù),改進(jìn)施肥方式,建立農(nóng)田生態(tài)田埂和隔污欄,推廣經(jīng)濟(jì)林作物間生和秸稈覆蓋等,以避免磷元素過量輸入水體。末端治理需要加強(qiáng)河口區(qū)域濕地建設(shè)工程,采取多種類水生植物配置,增大挺水植物比例,以提高水體自凈能力。有研究表明,修建農(nóng)田緩沖帶生態(tài)溝渠能降低耕地34.7%的TN、34.8%的TP的流失率[31],建立經(jīng)濟(jì)林與多年生苜蓿間植能降低10%的TN與39%的TP的流失負(fù)荷[27]。

長(zhǎng)潭水庫水體流動(dòng)緩慢,水動(dòng)力條件弱,導(dǎo)致TN、TP沉淀效率和藍(lán)藻物種優(yōu)勢(shì)度提高。從降低水庫沉積速率、增加下游營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)傳輸和干擾藍(lán)藻生長(zhǎng)條件方面考慮,調(diào)整水庫調(diào)度方式以改善庫區(qū)和支流的水動(dòng)力特征,降低TN、TP滯留率,縮短水力停留時(shí)間,以降低藻華發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。通過計(jì)算得出水庫生態(tài)調(diào)度流量變化和各參數(shù)關(guān)系如表5所示。由表5可以看出,當(dāng)出庫流量增加15%時(shí),水力停留時(shí)間縮短24 d,TN、TP滯留率分別下降了8.74個(gè)百分點(diǎn)和7.33個(gè)百分點(diǎn)。

表5 水量調(diào)節(jié)與參數(shù)變化Table 5 Water volume regulation and parameter changes

3 結(jié)論

(1)2016—2017年,長(zhǎng)潭水庫TN、TP濃度均值分別為0.583、0.023 mg∕L,水庫對(duì)入庫TN和TP的滯留率分別為41.71%和51.17%,庫區(qū)N∕P年均值為34.5,屬于磷限制型水體,不同月份N∕P差異較大,藍(lán)藻水華爆發(fā)風(fēng)險(xiǎn)較高。

(2)流域耕地和林地面積與庫區(qū)TP濃度呈顯著正相關(guān),R2分別為0.594和0.683。濕地面積與TP濃度呈顯著負(fù)相關(guān),R2為－0.585。說明耕地和林地是庫區(qū)TP的主要來源。

(3)長(zhǎng)潭水庫庫區(qū)浮游植物豐度為3.35×106~8.26×106個(gè)∕L,藍(lán)藻門是水庫主要優(yōu)勢(shì)藻,夏季豐度占比達(dá)82.47%。TP、-N營(yíng)養(yǎng)鹽是影響水庫藍(lán)藻生長(zhǎng)的重要環(huán)境因子。