薛立陽,趙恕軻,胡俊杰,裴國鳳,張 燁①

(1.中南民族大學生命科學學院,湖北 武漢 430074;2.山東省調水工程運行維護中心,山東 濟南 250199)

中國人均水資源較為短缺,加上水資源分配不均,以及城市化進一步發(fā)展,工業(yè)和居民用水與日俱增[1],調水是解決水資源分配不均的有效方法。同時也有研究表明,調水能有效降低受水水體的氮磷等營養(yǎng)鹽負荷,顯著改善藻類聚集的現(xiàn)象,緩解水體富營養(yǎng)化狀況[2]。但調水也引起了一系列生態(tài)問題,包括影響了河岸緩沖帶的生物多樣性[3],上游飲水渠道藻類大量增殖[4],發(fā)生突發(fā)性水污染[5]、河流水華[6]等問題。許多模型被用于評估調水的生態(tài)影響,MIKE3水動力模型與碳酸鹽平衡的耦合被用于預測調水引起的pH值變化[7],環(huán)境流體動力學代碼被用于評估調水過程中湍流對浮游植物生長的影響[8],流域模型 (HSPF)、水庫模型(CE-QUAL-W2)和河流模型(EFDC)的集成建模系統(tǒng)在模擬調水對濕地水質的影響上得到運用[9]。受到模型數(shù)據(jù)輸入的正確性和模型復雜度的影響[2],調水工程中環(huán)境因子的復雜動態(tài)變化使模型預測存在誤差。浮游藻類是水生生態(tài)系統(tǒng)的重要初級生產者,生命周期較短,能夠在短時間內對所處的環(huán)境變化做出快速響應[10],利用藻類生長情況對調水情況做出預測極具潛力。有研究通過模擬云南程海湖調水過程中的藻類生物量和群落結構成功評價了調水可行性[2]。也有研究利用藻類相關參數(shù)評價了調水對太湖水體的影響[11]。目前,針對調水對受水水體產生的影響還缺乏系統(tǒng)的研究,水生態(tài)評價指標體系尚不完善。

作為調水線路的重要組成部分,水庫承載著飲水、防洪、灌溉多種重要功能[12],水庫的水生態(tài)健康狀況受到廣泛關注。峽山水庫是山東省內最大的水庫,是膠東地區(qū)重要的水源地,承載著濰坊的供水任務。降水和地表徑流是水體主要來源,水質復雜多變[13]。棘洪灘水庫是山東省青島市的飲用水供水水庫,水質常年保持較優(yōu)水準[14]。作為飲用水供水水庫,其水質的變化成為關注的重點。目前尚無應用藻類生長潛力系統(tǒng)評估調水對受水水體生態(tài)系統(tǒng)影響的研究,而估算調水周期內供、受水水庫水質的變化趨勢,監(jiān)測水體營養(yǎng)狀況,有利于保障水庫的生態(tài)安全。因此,筆者探討了由峽山水庫(供水水庫)向棘洪灘水庫(受水水庫)調水過程中受水水庫的理化因子和藻類群落結構變化,并開展藻類生長潛力試驗,探究調水對受水水庫浮游藻類密度和群落結構的影響,為受水水體生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)化管理提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與理化因子測定

棘洪灘水庫(120°20′～120°21′ N, 36°33′～36°39′ E)壩長14.2 m,設計庫容量為1.46億m3,年水位平均值維持在11.02～13.23 m之間。峽山水庫(119°41′～119°46′ N, 36°31′～36°52′ E)的流域面積為4 210 km2,水庫總庫容14.5億m3。2021年峽山水庫在夏、秋和冬季向棘洪灘水庫調水,調水量占比達到棘洪灘水庫總庫容的50%以上。筆者分別在2021年8月、10月、11月及12月于棘洪灘水庫和峽山水庫采集出水口水樣5 L,每個樣點重復采樣2次。采用溫度計、手持式pH儀(中國雷磁PHB-4)、電導率儀(中國雷磁DDB-303A)、溶氧儀(中國雷磁JPB-607)測定水體溫度、pH值、電導率(EC)和溶解氧(DO)濃度。部分水樣添加硫酸至pH值為1～2,常溫保存,用于測定總氮(TN)、總磷(TP)、總可溶性氮(TDN)、總可溶性磷(TDP)、可溶性活性磷(SRP)和Ca2+濃度,實驗方法參照文獻[15]。

1.2 藻類生長潛力實驗

由于每次調水的周期較長(約60～90 d),供、受水體的溫度波動范圍較寬,將不同季節(jié)的實驗處理組設置為同一培養(yǎng)條件,具體實驗方法[16]如下:分別在2021年8月、11月及12月于水庫采集出水口水樣,經(jīng)100 μm孔徑篩絹濾去大型浮游動物,將150 mL處理水樣分別置于250 mL三角燒瓶中,并將峽山水庫與棘洪灘水庫水樣按照體積比1∶9、3∶7和5∶5混合,分別作為10%、30%和50%處理組,未混合的峽山水庫和棘洪灘水庫水樣作為對照組。所有處理組在(25±1) ℃的恒溫光照培養(yǎng)箱中進行培養(yǎng)[17],[光]照度5 000 lx,光暗比14∶10,培養(yǎng)周期20 d,第1和20天為培養(yǎng)初期和末期。3 h人工搖動1次,每3 d取樣1次,每個三角燒瓶取15 mL水樣,以3 000 r·min-1離心(離心半徑10 cm),濃縮體積至2 mL,將上清液返還至原三角燒瓶中。將底部藻液混勻,取0.1 mL藻液在光學顯微鏡下利用浮游藻類計數(shù)框進行計數(shù)和鑒定,剩余藻液返還至原三角燒瓶中。浮游藻類鑒定參考《中國淡水藻類:系統(tǒng)、分類及生態(tài)》[18],計數(shù)參考《淡水浮游生物研究方法》[19]。

1.3 數(shù)據(jù)處理和分析

采用Origin 2023和SPSS 25.0軟件進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與分析,采用one way-ANOVA方法對數(shù)據(jù)進行顯著性分析,采用最小顯著差異法(LSD)檢驗各組間的差異顯著性。

2 結果

2.1 調水期間水庫理化因子的變化

調水期間受水水庫ρ(TN)和ρ(TP)均值分別為1.66和0.033 mg·L-1,低于供水水水庫均值(4.28和0.078 mg·L-1)。受水水庫ρ(TP)和ρ(TN)分別為0.026～0.041和1.33～2.10 mg·L-1(表1)。供水水庫的ρ(TP)在0.034～0.100 mg·L-1之間波動,并在11月達峰值;ρ(TN)處于1.53～6.77 mg·L-1之間,于11月達峰值,至12月降至5.52 mg·L-1,但仍處于較高水平。調水結束時,受水水庫TN、TP濃度恢復至調水前的水平。調水期間受水水庫ρ(DO)由調水初期的7.4 mg·L-1最高升至9.4 mg·L-1;pH值持續(xù)下降,由8.28降至7.51;ρ(Ca2+)由22.3 mg·L-1不斷上升至182 mg·L-1。

表1 調水期間供水和受水水庫的理化因子

2.2 調水期間藻類細胞密度的變化

在夏季模擬實驗中,供水和受水水體藻類原始密度相近,兩者生長曲線無顯著差異(P>0.05)(圖1)。但出現(xiàn)混合處理組比對照組峰值提前的現(xiàn)象,由12提前至8 d。將對照組的實際藻類密度峰值按照混合比例計算,得到混合藻類密度理論估算峰值,與實際混合藻類密度峰值對比(圖2),結果表明幾種不同比例混合處理組的實際藻類密度均低于理論估算值(約10%)。

圖1 不同季節(jié)實驗組浮游藻類生長曲線

圖2 不同季節(jié)實驗組理論估算值與實際藻類密度峰值的差異

秋季供水和受水水庫初始藻類密度分別為1.2×108和7.25×107L-1,供水水庫的初始藻類密度高于受水水庫(圖1)。培養(yǎng)過程中,供水水體藻類密度峰值為5.6×108L-1,峰值時間出現(xiàn)于第16天。受水水體藻類密度峰值為1.57×108L-1,峰值時間出現(xiàn)于第8天。相對受水水體,對照組供水水體藻類密度峰值約為受水水體的3.5倍,且峰值時間出現(xiàn)延后現(xiàn)象。與夏季結果相似,混合處理組的實際藻類密度峰值比理論估算值低16%～24%(圖2)。此外,處理組中混合比例為10%和30%的藻類密度峰值出現(xiàn)時間與受水水體的對照組相同,均為第8天,而處理組混合比例為50%的藻類密度峰值時間出現(xiàn)在第12天。

冬季供水水體初始藻類密度為2×107L-1,受水水體初始藻類密度為2.37×106L-1(圖1)。相對夏秋兩季,冬季水體藻類密度均有所下降。對照組的藻類密度峰值時間均出現(xiàn)在第16天并維持至第20天,供受水水體藻類密度峰值分別為4.22×108和8.8×107L-1,供水水體藻類密度峰值是受水水體的5倍左右。除10%處理組的藻類密度峰值時間與對照組相同外,其他處理組的藻類密度峰值均提前至第12天并維持至第20天。隨著混合比例的增加,藻類密度峰值呈上升趨勢。與夏秋季相似,混合組的實際混合藻類密度低于理論估算值(約為31%～32%),其下降比例高于秋季(圖2),表明在調水周期內受水水體藻類密度受到供水水體藻類密度的影響,但實際藻類密度峰值均低于理論值,藻類生長受到一定程度的抑制。

2.3 調水期間藻類群落結構的變化

夏、秋和冬季供水和受水水體的浮游藻類均存在一些共同的主要優(yōu)勢種類,但不同季節(jié)的群落結構存在差異(表2)。

表2 不同季節(jié)實驗組主要優(yōu)勢種類的相對豐度變化

供水水體夏季的微小平裂藻相對豐度最高,為23%;秋、冬季的假魚腥藻屬相對豐度最高,分別為40%和84%。受水水體中夏季微小平裂藻的相對豐度最高(27%),秋季水華束絲藻的相對豐度最高(29%),冬季假魚腥藻屬占絕對優(yōu)勢(84%)。假魚腥藻屬是受水和供水水體不同季節(jié)的共同優(yōu)勢類群,且隨夏、秋、冬季的更替其相對豐度逐漸提高,由夏季的12%提高至秋季的25%,并在冬季最高達到84%。同一季節(jié)假魚腥藻屬在供水水體的相對豐度均高于受水水體。

夏季受水和供水水體對照組的藻類群落結構變化存在差異(表2)。受水水體對照組中相對豐度最高的優(yōu)勢藻種發(fā)生了變化,由微小平裂藻轉變?yōu)榧毲式z藻屬,而供水水體相對豐度最高的優(yōu)勢種始終為微小平裂藻。10%混合處理組的藻類群落結構變化與受水對照組相似,表現(xiàn)為由相對豐度最高的微小平裂藻轉變?yōu)榧毲式z藻屬,其他種類的相對豐度變化不大,而30%和50%混合處理組則與供水水體的對照組相似,微小平裂藻仍然是相對豐度最高的優(yōu)勢種,水華束絲藻的相對豐度逐漸增加,細鞘絲藻屬逐漸下降。秋季受水水體對照組相對豐度最高的優(yōu)勢種由水華束絲藻轉變?yōu)榧亵~腥藻屬,且尖頭藻屬的相對豐度由18%增加到培養(yǎng)末期的34%。供水水體對照組始終為假魚腥藻屬占主要優(yōu)勢,且尖頭藻屬的相對豐度由9%增至20%。所有混合處理組由相對豐度最高的假魚腥藻屬轉為尖頭藻屬。冬季受水和供水水體對照組假魚腥藻屬的相對豐度均為84%,為絕對優(yōu)勢種。隨著培養(yǎng)時間的延長,假魚腥藻屬的相對豐度在受水水體與10%處理組中逐漸減少,而在供水水體、30%與50%處理組中有所增加。以上結果表明,隨調水比例增加,受水水體的主要優(yōu)勢種類相對豐度顯著增加,明顯受到供水水體優(yōu)勢種生長的影響。

3 討論

3.1 調水期間對受水水庫營養(yǎng)狀況的影響

在外源氮磷輸入的情況下,沉積物能夠有效緩解水體氮磷濃度變化[20]。水體中OH-與Fe3+、Ca2+等金屬離子競爭PO43-[20],受水水庫持續(xù)下降的pH值將削弱OH-的競爭能力,使更多的金屬磷進入沉積物而保持水體磷含量的相對穩(wěn)定。此外,Ca2+濃度升高能提高受水水庫沉積物緩沖磷的能力[20],Ca2+濃度近乎數(shù)量級的提升使形成磷酸鈣所需PO43-濃度降低,Ca2+濃度升高使更多的磷進入沉積物。Ca2+與水體中豐富的含碳無機鹽-碳酸氫鹽反應生成Ca(HCO3)2,隨后轉化為CaCO3,并釋放出CO2[21],這將使湖泊水體的pH值不斷下降。在缺氧條件下,NH4+和溶解性活性磷將加速從沉積物向水體釋放,而溶解性有機氮和磷的礦化速率將會降低[22],受水水庫中DO濃度的升高可能導致其更容易成為“匯”而非“源”,這對于水庫緩沖因高濃度營養(yǎng)水體進入而產生的沖擊具有重要意義。

3.2 調水對受水水庫浮游藻類生物量影響

溫度和營養(yǎng)鹽被認為是影響藻類生長的關鍵因子[23-24]。夏季試驗結果顯示,供水和受水水庫的浮游藻類密度接近,雖然供受水庫氮磷濃度存在差異,但較高的溫度可能對藻類的生物量起促進作用(表1)。溫度升高將加快水體的物質循環(huán),提高藻類的新陳代謝速率[25-26],進而導致藻類大量繁殖。此外,氮磷等營養(yǎng)鹽可利用形式的差別也會影響藻類的生物量[27],供水水庫較高的氮磷濃度可能與汛期相關,大量非藻類可利用形式的氮磷匯入湖泊,使藻類生物量短時間仍舊保持之前的水平。研究發(fā)現(xiàn),夏季處理組的浮游藻類密度峰值時間提前,使得培養(yǎng)末期處理組的浮游藻類密度均低于對照組。浮游藻類密度峰值時間提前,表明藻類生長由于不同水體的混合而得到促進,但處理組比對照組的浮游藻類細胞密度峰值反而有所下降。

為了進一步分析不同水體混合之后對藻類的生物量帶來的影響,假設不同水體按比例混合之后導致了營養(yǎng)鹽濃度的線性變化,并由此導致藻類生物量的線性變化,營養(yǎng)鹽濃度與藻類生物量的線性相關在部分文獻[28]中得到了證實。利用對照組浮游藻類密度峰值隨混合比例的線性變化值作為處理組的理論估算值,與處理組的實際浮游藻類密度峰值進行對比。結果表明,夏季至冬季處理組的浮游藻類密度峰值均低于理論估算值,且隨季節(jié)后移而降低。有研究認為,生物之間的競爭會消耗額外的營養(yǎng)物質用于生長繁殖之外的生命活動,例如產毒藻類會在與其他藻類競爭的過程中產生毒素以維持其優(yōu)勢地位[29]?？赡苁怯捎谇锒井a毒藻類假魚腥藻屬和尖頭藻屬的優(yōu)勢增加導致競爭加劇,使浮游藻類密度峰值相比理論值下降。由此推測不同水體的混合將會導致藻類潛在的競爭加劇,競爭強度可能與浮游藻類的群落結構相關,從而表現(xiàn)為部分優(yōu)勢種在培養(yǎng)過程中被演替和浮游藻類密度峰值時間提前,從而出現(xiàn)藻類的實際密度峰值比理論值低的現(xiàn)象,且由于營養(yǎng)物質的大量消耗,衰減發(fā)生得更快。調水過程中藻類的競爭將會加劇,一定程度上會降低受水水庫藻類水華發(fā)生的概率。這與太湖利用調水緩解水體富營養(yǎng)化的研究結果[11]相似。

來自數(shù)百個湖泊的數(shù)據(jù)分析結果表明,氮磷濃度將顯著影響葉綠素濃度[30],藻類生長與氮磷濃度密切相關。在秋冬季的試驗中,供受水庫之間氮磷濃度的差異可能是初始浮游藻類密度存在差異的主要原因。隨著混合比例的增加,處理組的營養(yǎng)鹽濃度增加,浮游藻類密度峰值升高,表明營養(yǎng)鹽仍是影響藻類生長的主要因子。供受水體之間的營養(yǎng)鹽濃度差距仍然是影響調水過程中藻類生長的主要因素。利用優(yōu)質水源調水改善水生態(tài)環(huán)境的方法被認為是可行的[2,11]。但由于居民和工業(yè)用水的增加,部分水質較差的水源地可能進入調水線路。考慮到不同水體營養(yǎng)狀態(tài)的差異,調水可能增加藻類水華發(fā)生的風險,受水水體的生態(tài)安全評估和預警就顯得十分重要。

3.3 調水對受水水庫浮游藻類群落結構的影響

浮游藻類的群落結構與環(huán)境因子密切相關,能夠反映當前水體的健康狀況[31]。供受水庫不同季節(jié)的浮游藻類群落結構具有一定的相似度,這可能與供受水庫之間的調水和季節(jié)變化相關。受水水庫屬于調水型水庫,內部水體交流頻繁,浮游藻類的群落結構受到供水水體影響[31]。不同混合比例對受水水體的浮游藻類群落結構產生的影響不同,混合比例在10%以下的處理組的浮游藻類群落結構變化趨勢與受水水體對照組相似,而混合比例超過30%的處理組則與供水水體對照組相似。雖然秋季和冬季的供、受水水體浮游藻類密度存在差異,但混合比例為10%處理組浮游藻類密度峰值與受水水體對照組相似,混合比例超過30%的處理組浮游藻類密度峰值則比受水水體對照組高。外來水體對受水水體浮游藻類群落結構的影響存在一定的限度,這與SONG等[2]的研究結果類似,但比例超過30%的調水將明顯影響受水水體的藻類群落結構?？紤]到調水對受水水體浮游藻類的影響,部分產毒藻株可能對居民用水安全和受水水體的水生態(tài)環(huán)境具有一定的負面作用,浮游藻類的群落結構也應作為調水期間持續(xù)監(jiān)測的重要生物指標。

總體來看,供受水庫整體的藻類群落結構的主要優(yōu)勢種由微小平裂藻轉變至假魚腥藻屬。假魚腥藻屬對氮的需求較高,生物量隨TN濃度的升高而升高[32]。供水水庫TN濃度持續(xù)升高可能是其占據(jù)優(yōu)勢的主要原因。環(huán)境溫度低于平裂藻生長的最佳溫度也可能是其喪失優(yōu)勢地位的原因[33]。雖然受水水庫TN濃度在調水期間保持較低水平,但供水水庫持續(xù)的調水可能是受水水庫假魚腥藻屬占據(jù)主要優(yōu)勢的原因。在冬季的試驗結果中,假魚腥藻屬的優(yōu)勢地位在混合比例低于10%時得到削弱,而在混合比例超過30%時維持其優(yōu)勢地位。即使調水導致受水水體假魚腥藻屬占據(jù)主要優(yōu)勢,且在冬季占據(jù)絕對優(yōu)勢,但因調水期間受水水體TN濃度保持相對穩(wěn)定,調水結束后可能喪失優(yōu)勢地位。實驗結果顯示,調水量控制在10%以內會將削弱假魚腥藻屬的優(yōu)勢地位,但可能增加尖頭藻屬的優(yōu)勢。秋季的試驗結果顯示,尖頭藻屬的優(yōu)勢可能由于調水而增加。當混合比例達到30%時,其在培養(yǎng)末期相對豐度達到57%。尖頭藻屬對磷要求較低,具有較高的堿性磷酸酶活性,在低磷營養(yǎng)條件下能夠成為優(yōu)勢種[34],這可能是培養(yǎng)末期營養(yǎng)耗盡時尖頭藻屬仍能夠占據(jù)主要優(yōu)勢的原因。值得注意的是,尖頭藻屬和假魚腥藻屬可能釋放毒素和異味物質[34-35],這可能對水體和居民用水健康產生一定的影響。此外,由于不同季節(jié)調水期野外水體的實際溫度存在一定差異,而室內培養(yǎng)參考了藻類生長潛力實驗的標準方法[16],將不同季節(jié)的實驗處理均設置為適合大多數(shù)藻類生長的最適溫度[17],此溫度雖然凸顯了藻類生長的潛力,但是忽略了不同季節(jié)調水之間的溫度差異對藻類生長的影響,所以該實驗的室內培養(yǎng)結果只能在某種程度上反映單次調水后受水水體藻類生長和群落結構的變化趨勢。故今后在類似研究中需要完善和利用更合理的實驗設計。

4 結論

調水期間,在高營養(yǎng)水體輸入情況下受水水庫氮磷營養(yǎng)鹽濃度保持相對穩(wěn)定。供受水水體的混合使浮游藻類密度峰值時間提前,而秋季供受水水體混合使峰值時間延后;隨著供受水水體混合比例的增加,夏季浮游藻類密度峰值有所下降,而秋季和冬季則有所增加。供受水水體混合使實際浮游藻類密度峰值低于理論估算值,最高達到31%。受水水體的浮游藻類群落結構受供水水體影響,供受水水體的混合使主要優(yōu)勢藻種發(fā)生改變,夏季混合增加了水華束絲藻的相對豐度,并在秋季成為受水水體的主要優(yōu)勢藻種。隨著供水水體假魚腥藻屬相對豐度的不斷增加,假魚腥藻屬成為冬季受水水體的絕對優(yōu)勢藻種。因此,受水水體在接受外來高營養(yǎng)水體時具有一定的緩沖作用。雖然供水水體的營養(yǎng)鹽濃度是影響受水水體浮游藻類的生長的主要因素,且能影響受水水體浮游藻類群落結構,但調水加劇了藻類的潛在競爭,這將在一定程度上減少藻類水華發(fā)生的概率。該研究有助于了解復雜調水背景下高營養(yǎng)水體的輸入對受水水體的理化因子和浮游藻類生長的影響,為科學管理和調水決策提供理論支撐。未來還需進一步優(yōu)化實驗條件,將更多藻類生長指標納入研究內容,并考慮多種因素對浮游藻類生長的影響。