碧山水庫藻類群落特征與藍藻水華風險分析

楊 平，戴國飛，劉聚濤，方媛瑗，溫春云，吳 槳

(1.江西省水利科學院，江西 南昌 330029；2.江西省鄱陽湖流域生態水利技術創新中心，江西 南昌 330029)

藻類是水生態系統中的主要初級生產者，也是水生食物鏈系統重要的組成部分，常常作為指示水生態系統健康和污染負荷的重要生態因子[1]。由于對環境因子較為敏感，藻類被廣泛應用于河流、湖泊和水庫等水體的水質評價，同時也是早期水質污染的重要監測指標[2]。藍藻是藻類中常見的類群之一，在富營養水體中常成為優勢類群。藍藻水華是藍藻在營養豐富的水體表層大量增殖并聚集于水面，引起水體透明度下降、水質惡化的現象[3]。藍藻水華的暴發不僅嚴重影響水生態系統健康[4]，而且部分引起藍藻水華的種類產生的致癌藍藻毒素[5]對供水安全產生嚴重威脅。掌握水體藻類群落特征和藍藻水華風險對于保障水生態系統安全尤其是供水安全至關重要。

水庫是人工筑壩形成的水體，是一種介于河流和湖泊間的半人工半自然水體，早期功能主要是防洪、發電、灌溉和航運等[6]。在飲用水源地建設體系中，越來越多的水庫成為了供水水庫。近年來我國水庫水體的富營養化程度加劇[7-8]，水質明顯下降，部分供水水庫暴發了藍藻水華[9-13]。碧山水庫是江西省高安市的一座中型供水水庫，近年來藍藻水華現象頻發。為了解并掌握碧山水庫飲用水源健康狀況，本文對碧山水庫的藻類群落開展了調查，分析了藍藻水華風險情況，為今后碧山水庫水環境以及供水安全保障提供基礎支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

碧山水庫處于高安市區北部，所在流域為贛江流域錦河支流港溪河。碧山水庫在錦河港溪支流的上游，是一座以灌溉為主，兼顧城市用水、防洪、漁業等綜合利用的中型水庫。水庫流域面積31.7km2，水面面積約3km2，總庫容量2005萬m3，正常庫容1214萬m3，平均水深約5m。碧山水庫設計灌溉面積2.29萬畝，實際灌溉面積1.76萬畝。流域范圍內全年平均雨量為1560mm，主要分布在4—7月，占全年雨量60%以上，極易導致春夏之交洪澇發生；8—10月雨量偏少，又易造成伏、秋干旱。全年平均氣溫17.7℃，最熱月為7—8月，最熱月份日最高氣溫達40℃以上；最冷月為1月，極端最低氣溫零下10.7℃。全年平均無霜期276天。

1.2 樣品采集與處理

于2015年豐水期(6月)和枯水期(12月)對碧山水庫進行了現場調查，根據碧山水庫形態、水體進出位置以及飲用水源取水口位置等情況，沿水庫上游入庫口至下游大壩設置5個采樣點(如圖1所示)。使用25#篩絹的浮游生物網于各采樣點水體表面進行“∞”形來回拖動[14]，撈取適量藻樣于50ml采樣瓶，加入1～2ml甲醛溶液固定后用于藻類定性分析。取1L表層水樣現場用10ml魯哥氏液固定，帶回實驗室于分液漏斗靜置沉淀48h，用虹吸管抽掉上清液，剩余35～50ml沉淀物溶液轉入50ml采樣瓶，用于藻類定量分析。

圖1 碧山水庫采樣點位示意圖

1.3 藻類鑒定與計數

藻類鑒定的過程如下：將固定后的藻類定性樣品搖勻，吸取一滴于載玻片，利用奧林巴斯BX53光學顯微鏡進行分類鑒定，藻類鑒定參考相關文獻[15]進行，以掌握各位點樣品中藻類種類及其形態特點。藻類定量計數步驟如下：充分搖勻藻類定量樣品后，取0.1ml滴入藻類計數框內，在奧林巴斯BX53光學顯微鏡400倍下計數100個視野中的藻類。藻類生物量的計算過程如下：確定不同種類藻類個體的相似幾何形狀后，測量細胞的長度、寬度、高度、直徑，代入計算公式求得體積后，按照藻類比重等于1將體積(cm3)換算成重量(mg)，總生物量(mg/L)等于每種藻類的重量乘以各自細胞數量求和得到[16]。

1.4 數據分析

選用Margalef豐富度指數(d)、Shannon-Wiener多樣性指數(H)、Pielou均勻度指數(J)來進行藻類多樣性評價[17]，計算公式分別為：

d=(S-1)/ln(N)

(1)

H=-∑(ni/N)×ln(ni/N)

(2)

J=H/lnS

(3)

式中，S—物種數，N—藻類總細胞數，ni—第i種藻類的細胞數。優勢種通過Mcnaughton優勢度指數Y計算確定，

Y=fi×(ni/N)

(4)

式中，fi—第i種藻類在各樣點出現的頻率。把優勢度指數Y>0.02的藻類確定為優勢種[18]。使用Excel 2016計算多樣性指數、SPSS 19.0進行顯著性分析、Origin 2017作圖。

2 結果與分析

2.1 藻類種類組成

碧山水庫共鑒定出藻類63種，隸屬于7門44屬(見表1)。其中綠藻門最為豐富，為18屬30種，占藻類種數的47.6%；其次為藍藻12屬17種，占藻類種數的27%；硅藻門6屬7種，占藻類種數的11.1%；甲藻門3屬3種，占藻類種數的4.8%；裸藻門2屬2種，占藻類種數的3.2%；金藻門2屬2種，占藻類種數的3.2%；隱藻門1屬2種，占藻類種數的3.2%。碧山水庫豐水期的藻類種類數小于枯水期，枯水期主要藻類是綠藻。

表1 碧山水庫藻類種類組成

碧山水庫藻類優勢種情況見表2，豐水期藻類優勢種為長孢藻(Dolichospermumsp.)、挪氏微囊藻(Microcystisnovacekii)、假魚腥藻(Pseudanabaenasp.)、膠質細鞘絲藻(Leptolyngbyagelatinosa)、浮游澤絲藻(Limnothrixplanctonica)；枯水期藻類優勢種為挪氏微囊藻、顆粒直鏈藻極狹變種(Melosiragranulatavar.angustissima)、長孢藻、假魚腥藻、坑形細鞘絲藻(Leptolyngbyafoveolara)、浮游澤絲藻、狹形纖維藻(Ankistrodesmusangustus)、嚙蝕隱藻(Cryptomonaserosa)。豐水期藻類優勢種全部為藍藻，枯水期優勢種以藍藻和硅藻為主，容易引起水華的種類為長孢藻和挪氏微囊藻。

表2 碧山水庫藻類優勢種

2.2 藻類豐度

碧山水庫豐水期和枯水期藻類豐度情況如圖2所示。從時間分布特征來看，碧山水庫豐水期藻類豐度平均值為3.52×108cells/L，變化范圍在1.36×108～6.75×108cells/L之間?？菟谠孱愗S度平均值為3.41×107cells/L，變化范圍在7.22×106～1.15×108cells/L之間。豐水期藻類豐度平均值大于枯水期，豐水期藻類豐度顯著高于枯水期(p<0.05)。從空間分布來看，豐水期碧山水庫上游點位的藻類豐度略低于水庫中游和大壩區點位，表現出從水庫上游到下游大壩區逐漸升高的特征。豐水期水體藍藻豐度均超過1×108cells/L，全庫處于嚴重的藍藻水華狀態?？菟诒躺剿畮焐嫌魏椭杏吸c位的藻類豐度值較低，大壩區點位藻類豐度最高，已經達到藍藻水華暴發級別。

圖2 碧山水庫豐水期和枯水期藻類豐度情況

碧山水庫的各個門類的藻類相對豐度情況如圖3所示。豐水期均表現為藍藻占絕對優勢，藍藻比例在93%～99%之間，平均占比為97%；枯水期藍藻占比除S3點位為33%以外，其他點位均超過60%，S4和S5點位藍藻占比為88%和94%，同樣表現為藍藻占主要優勢。豐水期藍藻豐度的占比均值遠大于枯水期，且具有顯著性差異(P<0.05)。

圖3 碧山水庫豐水期和枯水期藻類相對豐度情況

2.3 藻類生物量

碧山水庫藻類生物量情況如圖4所示。豐水期藻類生物量平均值為25.55mg/L，變化范圍在12.81～54.67mg/L之間，遠超過正常水體范圍?？菟谠孱惿锪科骄禐?.42mg/L，變化范圍在0.87～15.44mg/L之間，除下游大壩區S5點位的藻類豐度很高以外，其它點位的藻類豐度很低，均在5mg/L以下。碧山水庫豐水期藻類生物量顯著高于枯水期(P<0.01)。

圖4 碧山水庫豐水期和枯水期藻類生物量情況

從各個門類的藻類相對生物量來看(如圖5所示)，豐水期藍藻占優勢，藍藻生物量比例在52%～93%之間，平均占比為78%；枯水期藍藻平均占比為31.3%，除S4、S5點位外，其他點均低于20%，其中S3點位藍藻生物量占比僅為7%。豐枯藍藻生物量占比均小于豐度占比，尤其是枯水期藍藻生物量占比下降明顯(P<0.05)。

圖5 碧山水庫豐水期和枯水期藻類相對生物量

2.4 藻類多樣性指數

碧山水庫藻類多樣性指數情況見表3。碧山水庫豐水期Margalef豐富度指數、Shannon-Wiener多樣性指數、Pielou均勻度指數平均值均低于枯水期。豐水期中游庫區點位的Shannon-Wiener多樣性指數高于上游和下游庫區，枯水期沿上游至下游逐漸降低，尤其在下游大壩區點位藻類多樣性下降明顯。

表3 碧山水庫藻類多樣性指數

2.5 主要水華藍藻豐度和生物量

碧山水庫主要水華藍藻豐度情況如圖6所示。碧山豐水期長孢藻豐度平均值為1.76×108cells/L，挪氏微囊藻豐度最高達3.49×108cells/L，假魚腥藻、厚壁細鞘絲藻和浮游澤絲藻的豐度大部分在1×107cells/L左右?？菟陂L孢藻和挪氏微囊藻的豐度均出現顯著下降。豐水期主要水華藍藻的豐度大于枯水期，與藻類總豐度的特征相一致。

圖6 碧山水庫主要水華藍藻豐度情況

碧山水庫主要水華藍藻生物量情況見圖7。碧山水庫豐水期長孢藻生物量平均值為12.27mg/L，變化范圍在3.49～18.06mg/L之間，挪氏微囊藻S4號點位生物量達30.4mg/L，處于嚴重的水華暴發時期。碧山水庫枯水期長孢藻生物量很低，平均值為0.18mg/L，變化范圍為0.02～0.32mg/L，現場也未觀察到水華現象。豐水期主要水華藍藻的生物量平均值顯著高于枯水期(P<0.05)，從全庫范圍來看，豐水期對水華貢獻較大的主要是長孢藻，其次是挪氏微囊藻，但挪氏微囊藻在個別點位如S4號點位的水華貢獻巨大。

圖7 碧山水庫主要水華藍藻生物量情況

3 討論

3.1 藍藻豐度及生物量分析

碧山水庫的來水中總磷濃度為0.32mg/L，總氮為1.28mg/L，嚴重超過了地表水Ⅲ類水質，達到了重度富營養化級別。湖區中下游營養鹽濃度有所下降，總磷總體平均為0.16mg/L，總氮1.15mg/L，依然嚴重超標，主要原因可能是上游規?；B殖場排放糞污水進入水庫，此外水庫邊緣農田及部分村落居民生活區排水也對水庫水質造成一定影響。

受水庫富營養化影響，碧山水庫豐水期全庫范圍內藻類豐度均很高，處于嚴重的藍藻水華暴發階段?？菟谠孱愗S度相比豐水期更低，上游區域藍藻豐度占比有所下降，但下游大壩區域S5號點位的藻類生物量接近豐水期。通常，大部分水庫從上游至下游藍藻細胞密度逐漸上升，且此變化趨勢在豐水期更加明顯[19]。碧山水庫豐水期藍藻豐度和生物量的特征表現為上下游高，而中游區域較低，枯水期藍藻豐度和生物量則表現出上游至下游逐漸上升的趨勢，可能的原因是碧山水庫豐水期上游接納大量農業面源污染物，促使藍藻大量生長。

生境內單一物種種群數量過大時可能會排擠其他物種種群，使區域內的物種多樣性降低[11]，碧山水庫豐水期的藻類Shannon-Wiener多樣性指數、Margalef豐富度指數和Pielou均勻度指數平均值皆小于枯水期，表明豐水期占絕對優勢的長孢藻和挪氏微囊藻降低了藻類的群落多樣性?？菟赟hannon-Wiener多樣性指數和Pielou均勻度指數呈現出從上游至下游逐漸降低的趨勢，表明枯水期大壩取水口區域相較上游而言更容易暴發藍藻水華。

3.2 藍藻水華風險分析

水體富營養化水平較高時，具有浮力或運動能力的藻類通常會過度生長，成為水體中的優勢藻種類。碧山水庫豐水期藻類優勢種全部為藍藻，長孢藻(Dolichespermumsp.)占據絕對優勢；其次是挪氏微囊藻(Microcystisnovacekii)，是引起碧山水庫豐水期藍藻水華的主要種類。長孢藻和微囊藻均含有偽空胞，可以調節細胞在水體中的位置，高光時向下層水體轉移，低光照時轉移至水面，以獲得最佳的營養鹽和光照[20]，這種有利的生理機制促使兩者成為富營養化水體的優勢種類。

長孢藻是具有產生多種藍藻毒素及異味物質的潛在能力的絲狀異形胞藍藻。2009年Wacklin等[21]根據16S rRNA基因序列分析結果將大部分浮游性的魚腥藻種類分離出來成立長孢藻屬(Dolichospermum)。長孢藻屬是除微囊藻屬外最易產生水華的類群之一，該屬中的許多種類能夠分泌微囊藻毒素、魚腥藻毒素、神經毒素以及擬柱孢藻毒素[22]，同時也能合成異味物質如土腥素(geosmin)和2-甲基異冰片(2-methylisoborneol，2-MIB)。微囊藻毒素具有強烈的肝臟致癌作用，異味物質土腥素可以導致飲用水產生明顯的土腥味[23]。因此，豐水期要警惕長孢藻的毒素和異味物質對碧山水庫飲用水源的威脅。

微囊藻有較高的磷最大攝取速率，更強的磷儲存能力，對氮、磷等營養鹽的結合力比其它藻類更高，也使得微囊藻在同等營養鹽條件，尤其是氮、磷限制條件下更具競爭力[24]。挪氏微囊藻主要生長于中營養型和富營養型水體，在國內大部分水體廣泛分布，有時形成水華[3]，國內已有水體暴發挪氏微囊藻水華的報道[25]。微囊藻屬是我國危害最大、最常見的水華藍藻，此屬絕大多數種類是淡水藍藻水華的主要優勢種群，其中許多種類如銅綠微囊藻(Microcystisaeruginosa)、惠氏微囊藻(Microcystiswesenbergii)等可以產生毒素[3]。國內尚未見到挪氏微囊藻產生毒素的報道，但國外已有學者分離到能產生微囊藻毒素的挪氏微囊藻純藻株[26]，要防范藍藻水華暴發后對碧山水庫飲水安全的不利影響。

現場調查時發現，水庫水面4—10月藍藻水華現象頻發，對水庫水源影響比較顯著，可明顯察覺到水質中藍藻死亡釋放的異味物質。目前在水庫水環境治理與保護方面已經采取了一定的措施，關閉遷移了上游大量養殖戶，清理了大量污染源，取得了一定的階段性成果。但由于污染累積的歷史性及大量潛在的污染源尚未發現和治理，水庫的水安全依然存在風險。因此在水庫管理中尤其要注意防范豐水期全庫和枯水期大壩區的藍藻水華風險，建立藍藻毒素和異味物質的監測與預警措施，保障飲用水安全。

4 結論

(1)碧山水庫共鑒定出藻類7門44屬63種，藻類種類以綠藻為主，藍藻次之，豐水期的藻類種類數小于枯水期。豐水期藻類優勢種主要是長孢藻和挪氏微囊藻，枯水期藻類優勢種主要是挪氏微囊藻、顆粒直鏈藻極狹變種和長孢藻。

(2)碧山水庫豐水期處于嚴重的藍藻水華暴發階段，豐水期豐度顯著大于枯水期，藻類多樣性指數均小于枯水期。豐水期主要水華藍藻種類是長孢藻和挪氏微囊藻，水華暴發時數量占絕對優勢的長孢藻和挪氏微囊藻降低了藻類的群落多樣性。

(3)在水庫管理中尤其要注意防范豐水期全庫和枯水期大壩區的藍藻水華風險，建立藍藻毒素和異味物質的監測與預警措施，保障飲用水安全。