水库、湖泊水体富营养化逐年加剧, 目前已成为水环境保护突出的问题[1].叶绿素a(Chl-a)通常被用于表征水中藻类生物量, 评价水体营养状态以及管理水生态系统[2], 是湖沼学、水环境科学中的关键水环境参数[3].因此, 研究Chl-a浓度的时空分布及其与藻类以及环境因子的关系能更全面地了解水体生态环境, 对认识水体富营养化的机制具有重要意义.

有关学者针对河流、湖泊等不同水体Chl-a及其环境因子的相关性研究已经做了大量工作, 理化因子(光照、水温、水动力、水深、风速、营养盐)、生物因子(牧食压力)、区域因子(水体面积、土地利用)等因子均能对Chl-a产生重大影响[2, 4~9].比如Chen等[4]通过室内模拟以及太湖野外实验证明水温与磷能够改变Chl-a浓度; Mayora等[5]对中古巴拉那河理化因子的研究得出水位、水深以及电导率对Chl-a浓度变化具有很好的解释性.吴召仕等[6]认为水下光照与水体交换时间对鄱阳湖Chl-a分布最为关键. de Oliveira等[8]探讨了巴西中部亚热带湖群Chl-a的决定因子, 最终认为湖面积以及总氮等理化因子对Chl-a分布至关重要, Staehr等[9]则认为土地利用对湖泊Chl-a的影响极大.此外, 有关Chl-a与水体藻类关系的研究也有不少[10~13], 然而综合分析Chl-a与藻类以及环境因子关系的研究鲜见报道[14].

阿哈水库为贵州高原典型的富营养化深水型水库, 水体季节性热分层十分突出, 而热分层的消亡往往伴随着突发性水质恶化事件[15].近年来随着上游金钟河等河流大量工业以及生活污水的排入, 富营养化状况逐年加剧.目前有关阿哈水库Chl-a的研究仅见文献[16], 但其主要侧重Chl-a的水平分布, 未对Chl-a垂直格局进行分析.因此, 本研究基于2012年至2013年阿哈水库采样的监测数据, 着重对Chl-a的时空分布特征及其与藻类、环境因子的关系进行分析, 以期为阿哈水库富营养化管理提供参考.

阿哈水库地处贵阳市南郊, 为亚热带季风气候区, 夏季凉爽多雨, 冬季湿冷干燥.年平均气温15.3℃, 其流域面积为190 km2, 总库容约5.42×108 m3, 平均水深13 m, 最大水深达30 m.

于枯水期(2012年11月1日)、平水期(2013年4月10日)和丰水期(2013年7月23日)对阿哈水库进行3次分层采样.根据该水库水域特点以及研究需求将采样点(图 1)设于大坝(DB, E106°39′12.91″, N26°32′18.21″)与库中(KZ, E106°38′50.72″, N26°32′03.80″).

藻类定性样品用25号(64 μm)浮游生物网在水面下0.3~0.5 m处于水平及垂直方向“∞”字形缓慢拖网, 用3%~5%的福尔马林固定.定量样品使用采水器沿纵向在水深0.5、5、10、15、20 m处各取1.5 L水样, 用3%~5%福尔马林固定, 于实验室中经48 h沉淀后浓缩至50 mL, 用于藻细胞密度计数及藻种鉴定, 藻种鉴定与分类方法见文献[17].

使用YSI水质检测仪现场测定水体温度(WT)、溶解氧(DO)与pH等, 透明度(SD)数据则通过赛氏盘(Secchi Disk)获取, 按照GB 3838-2002《地表水环境质量标准方法》测定总磷(TP)、总氮(TN)、硝氮(NO3--N)与正磷酸盐(PO43--P)等指标.运用丙酮萃取方法测定叶绿素a(Chl-a)[18].

采用Surfer 8.0软件绘制Chl-a等值线图; 环境因子垂直分布图采用Origin 8.0绘制; 其他图表均用Excel 2007进行绘制; 单因素方差分析(One Way ANOVA)与逐步回归分析(stepwise regression analysis)采用软件SPSS 18.0.

3次采样共鉴定出藻类89种(属), 隶属于7个门.其中蓝藻门14种; 硅藻门20种; 绿藻门47种; 裸藻门5种; 甲藻门, 隐藻门, 金藻门各1种(定量样品中未检出).绿藻门最多, 占52.8%;硅藻门和蓝藻门分别占22.5%、15.7%.

藻类丰度季节更替特征明显, 呈现出枯水期＜平水期＜丰水期的特征, 在枯水期以硅藻细胞丰度最高; 平水期蓝藻与甲藻占有较大比例, 丰水期以蓝藻占绝对优势.藻类生物量与丰度季节更替特征有所不同, 表现为枯水期＜丰水期＜平水期的特征, 在枯水期以硅藻细胞丰度最高, 甲藻次之; 平水期甲藻占绝对优势, 丰水期以蓝藻与硅藻共同占据优势(图 2~3).由此可见, 藻类丰度与生物量季节变化并不一致.

单因素方差分析发现, 环境因子存在较大的季节差异性(PO43--P与pH除外), 水温波动范围为9.15℃~25.4℃(F=36, P＜0.01, n=30), SD波动范围为0.8~1.2 m(F=94, P＜0.01, n=30), TP波动范围为0.01~0.195 mg·L-1 (F=9, P＜0.01, n=30), TN波动范围为1.132~2.665mg·L-1 (F=4, P＜0.05, n=30), TN/TP波动范围为13~115 (F=28, P＜0.01, n=30), NO3--N波动范围为0.663~1.661 mg·L-1 (F=5, P＜0.05, n=30), NO2--N波动范围为0.015~0.112 mg·L-1 (F=4, P＜0.05, n=30), TP的最大值出现在平水期, 最小值出现在丰水期; TN的最大值出现在枯水期, 最小值出现在丰水期(表 1); 丰水期降水丰富, 对营养盐具有一定程度的稀释作用, 此外, 丰水期浮游植物的大量繁殖也能消耗掉水中部分营养盐.

枯水期、丰水期水温均表现出表层高于中底层的特征, 平水期水体各层变化较小.从水温的垂直断面上可以看出：阿哈水库的枯水期(11月1日)为弱分层期, 平水期(4月10日)为完全混合期, 丰水期(7月23日)为稳定分层期(图 4).这与同处贵阳市内的红枫湖(4~9月)与百花湖(4~10月)形成分层期略有不同[15, 19].这可能是因为枯水期采样当天气温仍然较高(10~19℃), 前期未出现大幅度降温天气, 因此水温上高下低, 仍能维持一定热分层; 平水期采样前期一次大幅度降温(降幅10℃左右)的“倒春寒”来临, 表层水体温度降低, 密度下沉后产生混合, 进而推迟了4月分层期的到来.

DO垂直变化明显受到水温引起的分层影响, 枯水期、丰水期由于水体稳定分层, 底层出现厌氧环境, DO极低, 最低值仅有0.11 mg·L-1; 平水期分层结束, 受水体完全混合的影响, 底层DO仍能保持一定浓度, 比如库中最低值为6.47 mg·L-1(图 5).受到水气界面的氧气补充以及浮游植物光合作用的影响, 各水期表层DO均能达到较高浓度.平水期由于受水华藻类大量繁殖影响, DO出现最大值, 为12.39 mg·L-1.阿哈水库为底部季节性缺氧的水库, 这反映了该水库隐藏着极大地生态风险.

TP枯水期与丰水期表层低于中底层, 可能是因为水体分层形成的底层厌氧环境使得底泥储存的磷大量释放并积聚于底层(图 6).平水期表层高于中底层则是因为自采样前5天起, 气温骤降10℃(水体热分层的突发性消亡往往出现在降温的当天或稍后), 倒春寒来临, 水体分层消失, 水体混合导致湖水上翻, 底层厌氧环境消失, 而大量底泥营养盐被带入上层水体, 此外, 平水期多降雨, 上游与湖滨冲刷带来的营养物质对表层进行了补充.外源与内源营养盐双管齐下, 为平水期甲藻水华的表层暴发提供了条件, 进而产生大量有机磷.

大坝与库中Chl-a浓度季节变化过程一致, 均表现出平水期极高, 丰水期次之, 枯水期最低的趋势(图 7).这与该水库平水期发生了甲藻水华是一致的, 该时期藻类细胞丰度虽然不如丰水期, 然而水华藻种甲藻的细胞丰度最大值达到6.2×106cells·L-1, 生物量为24 mg·L-1, 而表层生物量最大值达到120 mg·L-1, 这导致了Chl-a浓度的暴增(91 μg·L-1).枯水期正值秋季, 水温开始降低, 细胞丰度处于3个水期中的最低值, 生物量为0.03 mg·L-1, 故Chl-a浓度维持在最低水平(8 μg·L-1); 丰水期细胞丰度最高, 达到1×108 cells·L-1之多, 远高于平水期的106 cells·L-1, 而其生物量却低于平水期, 仅为14 mg·L-1, 故Chl-a浓度相对较低(16 μg·L-1).由于此时在丰度上占绝对优势的藻种为蓝藻中的湖泊假鱼腥藻(相对丰度达到90%以上), 其为小型丝状蓝藻, 单个藻体生物量极低[20], 本研究中仅为73×10-5 mg·L-1.因此对Chl-a贡献较小, 此外, 该时期丰富的降水对Chl-a具有一定稀释作用.由此可见, Chl-a季节分布与藻类生物量季节分布较为一致, 但与丰度差别较大.这证明了用Chl-a浓度代替浮游植物生物量的可行性, 但需注意的是, 部分情况下, Chl-a浓度无法准确反映藻类丰度.

垂直分布上看, 枯水期与丰水期水体表层Chl-a浓度略高于中、底层, 表层光照、溶解氧相对充足, 利于藻类生长; 平水期表层Chl-a浓度远高于中、底层, 这可能是因为水华暴发易在表层大量聚集, 形成“藻华层”. Chl-a浓度于平水期大坝5 m以上水层与库中表层水体出现3个峰值, 均表现出甲藻生物量占据绝对优势的特征, 而库中5 m处甲藻优势度降低, Chl-a浓度随即下滑.枯水期与丰水期以硅藻, 甲藻, 蓝藻共同占据优势, Chl-a则无明显峰值, 各水层差异相对较小.因此可以看出, 甲藻对Chl-a的贡献最大.

从样点上看, 3个水期中大坝的大多数水层Chl-a均高于库中, 这可能是大坝位于金钟河入库口, 营养盐高于库中的缘故(大坝TP、TN均值为0.066 mg·L-1、1.837 mg·L-1; 库中TP、TN均值为0.05 mg·L-1、1.682 mg·L-1).丰水期大坝表层Chl-a略低于库中, 则是因为该时期降雨丰沛, 水库开闸泄洪导致了大坝表层藻类的部分损失. Chl-a于大坝与库中两样点的空间异质性说明了外源输入对水库水质的影响颇大.调查发现, 大坝附近恰好建有南郊与中曹司两个饮用水抽水泵站, 因此从饮用水安全角度考虑, 需加大对金钟河的生态整治力度.此外, 根据Chl-a主要汇集于表层与5 m的垂直分布特征, 泵站抽水口建议设于10~15 m左右, 而15~20 m位于库底, 将抽水口建于此易引起底泥上翻, 亦不合理.因此从水库调水方式及水质管理上来说, 抽水泵站不宜建于河流入库口附近; 对于深水水库而言, 中层水质相对较好, 从此处调水较为合适.

Chl-a与藻类生物量的Pearson相关性分析表明(表 2), Chl-a仅与甲藻门呈极显著正相关, 与其余门类无显著相关性, 故甲藻门为Chl-a主要贡献藻种; 这说明了研究期间甲藻对Chl-a贡献最大, 其生物量的变化对Chl-a浓度的影响较其他藻类显著.蓝藻门虽然丰度最高, 但由于占绝对优势的假鱼腥藻单个藻体生物量极低, 未对Chl-a产生较大的贡献.因此, 不为Chl-a主要贡献藻种, 这与王震等[14]的研究结果有所不同, 主要原因可能是太湖优势藻种为铜绿微囊藻, 比假鱼腥藻单个藻体生物量更高, 能产生更多Chl-a的缘故.

由Chl-a与环境因子的Pearson相关性分析可知(表 3)：Chl-a与TP、pH、DO呈极显著正相关, 与TN显著正相关, 与N/P、NO3--N呈显著负相关.

由于相关性分析中Chl-a仅与甲藻门呈极显著正相关, 故不再对其进行逐步回归分析.一般而言, pH是Chl-a的被动影响因子, 不为其限制因子[21].藻类光合作用(特别是发生水华时)大量吸收水中的CO2, 释放O2, 进而增加了pH值, 调查中平水期发生甲藻水华时, pH均值恰好达到最大值(pH=7.98), 而平水期位于大坝水体0.5 m与5 m处的两个pH极大值(pH=8.47, 8.39) 恰好对应甲藻的两个峰值, 因此pH值虽与Chl-a呈显著正相关, 但不是影响Chl-a的主要因子.因此, 在选择与Chl-a显著相关的环境因子作为逐步回归方程的自变量之前优先去除pH环境因子, 故与Chl-a显著相关的自变量TP、TN、N/P、NO3--N与DO被选入, 最终建立环境因子对Chl-a的回归方程, 找出影响Chl-a浓度与时空分布的主要环境因子.逐步回归的分析结果如表 4所示.在极显著水平下仅有DO、TP、N/P这3个因子入选.因此, TP, DO, N/P为影响阿哈水库Chl-a时空分布的主要环境因子.

作为藻类生长必要条件之一, 营养盐的变化可以影响藻类的群落结构, 丰度以及生物量, 进而对Chl-a产生一定影响.为研究Chl-a与理化因子之间的关系, 某机构在264次实验中发现[22], 水体磷为唯一主导因子的占80%, 氮为唯一主导因子的占11%.本研究中, 回归分析得出TP为影响Chl-a时空分布的主要因子, TN与Chl-a相关性相对较低, 这与OECD所做的大多数结果吻合. Parinet等[23]认为, 当N/P值大于7.2时, 磷为限制性因素.本研究中, 绝大多数样点N/P值均高于16, 表明阿哈水库为磷限制性水库, 故N/P是影响Chl-a时空分布的重要因子, 这与毕京博等[24]的研究结论是一致的.

DO是浮游植物新陈代谢的重要物质, 浮游植物呼吸作用需要DO的参与, 而光合作用又释放出氧气, 影响DO的浓度, 两者互为因果.平水期水体发生甲藻水华, 光合作用大于呼吸作用, 其浓度的两个极大值恰好对应了甲藻的两个峰值, 且水体混合, 底层不存在厌氧环境, 因此主要是浮游植物影响了DO.枯水期与丰水期由于水体热分层导致水体底层出现厌氧, 极低的DO限制了底层浮游植物的生长, 进而Chl-a浓度降低; 由于空气中氧离子的补充, 水体表层DO通常较为丰富, 这一定程度上有利于浮游植物的增长.因此DO也是影响Chl-a时空分布的主要因子, 这有别于部分学者认为的DO为浮游植物的被影响因子[21], 而与钱昊钟等[25]的研究结果一致.

水体热分层广泛存在于自然界, 其形成主要受水体深度、流动性以及气候条件等因素影响[26].通常认为, 水体分层影响水体中诸多生物、化学和物理的过程[15].枯水期与丰水期, 阿哈水库正值水体分层期, 浮游植物垂直迁移不便, 这一定程度上影响着浮游植物丰度, 生物量, 以及群落结构的垂直变化; 此外, 由于热分层, 水体底层缺氧, 进而限制了浮游植物生长, Chl-a浓度较低.平水期分层结束, 水体完全混合, 湖水“上翻”, 大量底泥营养盐及甲藻孢囊被带入水体, 进而为甲藻水华提供优厚条件, 极大地提高了水体Chl-a浓度.这与一般认为的水体分层更易引发水华暴发的结论有所不同[27], 阿哈水库甲藻水华暴发于水体完全混合的平水期, 这可能是因为甲藻具有主动运动的能力, 即使水体处于混合状态, 亦可通过鞭毛垂直迁移至光照充足的表层[28].姚绪姣等[29]亦认为当混合层高于真光层时不会完全限制甲藻的生长.

此外, 水温也经常成为影响Chl-a时空分布的重要因子[7], 然而本研究中两者相关性极低.这可能是因为平水期水华的暴发导致水温最高的丰水期Chl-a浓度远低于平水期, 且枯水期、平水期水温差别较小, 而Chl-a差别却较大.本文中水温虽然与Chl-a相关性较小, 但仍可通过直接影响热分层等环境因子进而间接地影响Chl-a, 而李磊等[30]亦认为水温为影响阿哈水库浮游植物功能群时空分布的主要因子, 故水温仍一定程度上影响着Chl-a的分布.

由表 5可以看出, 不同富营养化水体中Chl-a的主要影响因子各有不同, 这一定程度上反映了不同地域水体生态系统的多样性与复杂性.其中, 磷在国内很多富营养化水体中为主要影响因子[21, 25, 31~34], 而氮通常十分丰富, 不再成为影响Chl-a分布的限制因子, 这与本研究的结论一致.与以往研究不同[7, 31, 35~37], 本文水温与Chl-a并无显著相关性, 主要通过间接影响Chl-a的关键环境因子(热分层等)进而对Chl-a的分布产生一定影响. pH、DO虽与Chl-a相关性较强, 但通常被认为Chl-a的被影响因子[21], 这与本文认为的DO亦为Chl-a的主要影响因子有所差异.在某些风速较大的水体中[7, 35], 风速对Chl-a时空分布的影响极为显著, 特别是水华期间, 藻华往往聚集在湖泊盛行风下方向区域.然而, 本研究中3次采样期间均为微风, 且采样方式为分层采样, 微风难以影响到下层水体, 因此风速的影响可能较小.深水水库(湖泊)中, 光照往往成为影响Chl-a垂直分布的重要因子, 本文Chl-a浓度表现出表层高于中、底层的垂直分布特征证实了这一点.此外, 水动力条件在部分水体也表现出直接或间接地影响Chl-a分布的能力.比如三峡正常蓄水后Chl-a峰值区向口门内位移[38]; 古夫河着生藻类生物量时间变化主要受水动力(流速)的影响[13], 本研究中水动力条件影响能力在丰水期较为突出, 此时多大到暴雨, 正值洪水防范期, 人为地开闸泄洪减少了水体滞留时间, 冲刷作用变强, 浮游植物损失率大, 进而Chl-a浓度降低.李柱等[35]认为降水对浮游植物造成冲击, 进而稀释了Chl-a浓度, 这在本研究中也有体现.丰水期水温最高, Chl-a浓度并未出现大的增长, 这很有可能是丰富的降水对Chl-a浓度进行了稀释, 此外, 丰富的降水迫使水库开闸泄洪, 从而水力冲刷作用变强, 进而导致了浮游植物的损失, 这也有可能间接地造成了Chl-a浓度的降低.值得一提的是, 深水水体中热分层通过影响生物、化学和物理因子的垂直迁移, 也能间接地对Chl-a分布产生一定影响.比如李培培等[39]和王琳杰等[40]均认为热分层显著影响Chl-a动态分布, 这与本研究的结果一致.

(1) Chl-a表现出平水期高, 枯水期与丰水期相对较低的季节特征, 这与生物量季节变化一致, 而与丰度有所不同, 这证明了用Chl-a代替浮游植物生物量的可行性, 但需注意的是, 部分情况下, Chl-a无法准确反映藻类丰度.垂直断面上看, 枯水期与丰水期水体表层Chl-a浓度高于中、底层, 表层较高的光照与溶解氧是主要原因; 平水期表层远高于中、底层则是因为表层发生甲藻水华.从空间点位上看, 位于金钟河附近, 营养盐更为丰富的大坝Chl-a浓度高于库中.

(2) 逐步回归分析表明TP、DO、N/P为影响阿哈水库Chl-a分布的主要因子, 此外水体热分层以及水温对Chl-a的影响也不容忽视.