调水背景下南亚热带水库蓝藻水华前后优势种变化特征及其驱动因子分析.pdf
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1、调水背景下南亚热带水库蓝藻水华前后优势种变化特征及其驱动因子分析白云浩1,2,黄廷林1,2*,缪威铭1,21.西安建筑科技大学环境与市政工程学院,西北水资源与环境生态教育部重点实验室,陕西 西安7100552.西安建筑科技大学环境与市政工程学院,陕西省环境工程重点实验室,陕西 西安710055摘要:为探究蓝藻水华前后优势种的动态变化及其驱动因子,于 2022 年 14 月对我国南方某水库进行浮游植物采集调查.该水库根据调水供水特点设置 3 个采样点进行水环境监测.运用主坐标分析(PCoA)探究水华前后蓝藻优势种的差异性,并采用变差分解(VPA)和线性拟合分析蓝藻优势种与驱动因子之间的关系.结果
2、表明:研究期间共鉴定出 3 个优势种属,分别为伪鱼腥藻、拟柱孢藻和小尖头藻.水华前伪鱼腥藻占绝对优势(72.17%),水华期间 3 种优势蓝藻均快速繁殖且三者占比分别为33.06%、30.71%和 28.65%.VPA 结果和线性拟合共同表明,水体稳定性指数(RWCS)、水温(WT)和总磷(TP)是该水库蓝藻水华的主要驱动因子.研究显示,该水库调水过程对蓝藻产生了显著影响,后续应当深入揭示动态调水对蓝藻水华的响应特征与机制.关键词:南亚热带地区;调水水库;蓝藻水华;伪鱼腥藻;拟柱孢藻;小尖头藻;分层中图分类号:X524文章编号:1001-6929(2023)08-1508-10文献标志码:AD
3、OI:10.13198/j.issn.1001-6929.2023.06.08Characteristics of Dominant Species Changes Before and After CyanobacterialBlooms and Its Driving Factors in a South Subtropical Diversion ReservoirBAI Yunhao1,2,HUANG Tinglin1,2*,MIAO Weiming1,21.Key Laboratory of Northwest Water Resources,Environment and Ecol
4、ogy,Ministry of Education,School of Environmental andMunicipal Engineering,Xian University of Architecture and Technology,Xian 710055,China2.Shaanxi Provincial Key Laboratory of Environmental Engineering,School of Environmental and Municipal Engineering,XianUniversity of Architecture and Technology,
5、Xian 710055,ChinaAbstract:A phytoplankton collection survey was conducted in a southern Chinese reservoir from January 2022 to April 2022 toinvestigate the dynamics of dominant cyanobacterial species and their drivers before and after cyanobacterial blooms.To facilitate waterenvironment monitoring,t
6、hree sampling sites were set up based on the water diversion and supply characteristics of the reservoir.Theprincipal coordinates analysis(PCoA)was used to explore the dissimilarity of dominant cyanobacterial species before and after the bloom.Furthermore,the relationship between dominant cyanobacte
7、rial species and driving factors was analyzed using variation partitioninganalysis (VPA)and linear fitting.The results showed that:(1)Three dominant genera were identified,namely Pseudanabaena,Cylindrospermopsis raciborskii,and Raphidiopsis curvata.(2)Pseudanabaena were the most dominant genus befor
8、e the water bloom,accounting for 72.17%of the total phytoplankton.During the water bloom,all three dominant cyanobacteria reproduced rapidly,and theirrelative content was 33.06%,30.71%,and 28.65%,respectively.(3)The VPA results and linear fits indicated that the relative watercolumn stability(RWCS),
9、water temperature(WT),and total phosphorus(TP)were the main factors affecting the cyanobacterial bloomsin the reservoir.This study showed that the water diversion process of the reservoir had a significant impact on cyanobacteria,and theresponse characteristics and mechanism of dynamic water diversi
10、on on cyanobacterial blooms should be further studied.收稿日期:2022-11-28修订日期:2023-04-11作者简介:白云浩(1998-),男,河南叶县人,.*责任作者,黄廷林(1962-),男,山东昌邑人,教授,博士,博导,主要从事水源水质污染和富营养化控制研究,基金项目:国家自然科学基金项目(No.51979217);陕西省重点研发计划项目(No.2022ZDLSF06-08)Supported by National Natural Science Foundation of China (No.51979217);Key Re
11、search and Development Project of Shaanxi Province,China(No.2022ZDLSF06-08)第 36 卷第 8 期环境科学研究Vol.36,No.82023 年 8 月Research of Environmental SciencesAug.,2023Keywords:south subtropical region;diversion reservoir;cyanobacterial bloom;Pseudanabaena;Cylindrospermopsis raciborskii;Raphidiopsis curvata;str
12、atification 近年来在气候变暖和极端天气的影响下,湖库藻类水华已成为全球最严重的水环境问题之一1.全球范围内湖库藻类水华呈现出“范围扩展、持续时间延长、发生频率增加、危害性大和防控难度大”等特点2-5,其中蓝藻水华由于会引起水体散发腥臭味、透明度降低、pH 升高及产生藻毒素等问题,甚至威胁饮用水安全和水生态系统,因此一直备受生态环境、水利和公共卫生等相关部门关注6-7.前人对蓝藻水华的形成特征与机制、蓝藻毒素的产生以及其防控方法等方面进行了诸多研究8-10.大量研究表明,蓝藻水华过程受许多环境因子共同驱动,其中水体理化性质、水动力特征、生物因子、水文(气象)因子及湖库形态等是诱发蓝藻
13、暴发的外部驱动因子11-13,蓝藻细胞独特的生理特性是水库蓝藻水华的内在因素4,14.春季蓝藻水华现象常发生于气候温和的亚热带地区,但多数学者只针对蓝藻水华期间的藻类特征以及环境因子进行研究8,15,另有一部分学者分析了蓝藻水华暴发的氮磷控制阈值16-17.然而,鲜有研究能够从水华前到水华期高频监测以捕捉蓝藻群落动态变化.此外,调水背景下南亚热带分层型水库蓝藻水华的报道同样较少.研究表明调水将直接影响水库氮磷浓度变化,进而导致藻密度变化以及物种更替18-19,同时动态调水过程会改变原有的水力条件(流速、水位和水力停留时间等)20,进而对藻类产生影响.因此在调水背景下探明水华前后藻类动态特征及驱
14、动因子具有重要意义.南方某水库位于气候温和的南亚热带地区,承担着珠三角地区饮用水供水任务,对粤港澳大湾区的经济发展起着重要的支撑作用.基于水库特殊的调水供水特点,本文对直接受调水影响区域和非直接受调水影响区域进行同步对比,以探析水华前后蓝藻变化特征及驱动因子,以期为南方调水型湖库春季蓝藻水华提供参考.1 材料与方法 1.1 研究区域与采样点设置南方某水库为调蓄水库,源自东江.水库属亚热带海洋性季风气候,太阳总辐射量较大,日照时间长,气候温和,年均气温 22,平均降雨量 1 800 mm.总库容 1 917104 m3,最大水深约 22 m,设计洪水位75.2 m,死水位 55.3 m,水面面积
15、 1.6 km2,集雨面积为 4.43 km2.研究期间共设置 S1、S2 和 S3 三个采样点,由于该水库全年基本处于动态调水模式,S1 采样点设置于调水口附近,用于监测调水水质;S2 和 S3 采样点分别为水库最深点(约 22 m)和次深点(约 18 m),且3 个采样点均放置有固定浮标以保证每次采样位置的准确性.受调水影响较大的 S2 采样点视为直接受调水影响区域,而距离调水口较远的 S3 采样点视为非直接受调水影响区域(见图 1).其他水库S1S2S3采样点出水口引水口引水水厂N00.3 km图 1 南方某水库采样点示意Fig.1 Sampling sites in a souther
16、n reservoir 1.2 样品采集与测定采集 S1、S2 和 S3 点位表层(水面以下 0.5 m)水样 1 L 带回实验室进行总氮(TN)、硝酸盐氮(NO3-N)、氨氮(NH4+-N)、高锰酸盐指数(CODMn)、总磷(TP)等指标的测定,参考水和废水监测分析方法21,其中S2 和 S3 采样点另取 1 L 水样现场加入鲁哥氏试剂固定,摇匀.沉淀 48 h 后,浓缩至 30 mL,取 0.1 mL 浓缩液,利用 1040 倍光学显微镜进行物种鉴定与计数,参考中国淡水藻类:系统、分类及生态22;由美国哈希 Hydrolab DS5 多功能水质分析仪对垂向水体水温(WT)、pH、溶解氧(D
17、O)浓度、叶绿素 a(Chla)浓度等参数进行原位测定.研究发现 2 月 17 日热分层形成,因此1 月4 日2 月17 日为混合期,2 月17 日4 月 8 日为分层期.由于分层期藻类过度繁殖,监测频率从混合期每周 1 次调整至分层期每周 2 次.1.3 数据处理与分析采用水体分层稳定性指数(RWCS)及温跃层厚度表征水体分层状态.水体分层稳定性评价采用RWCS 指数23-24,计算公式如下:第 8 期白云浩等:调水背景下南亚热带水库蓝藻水华前后优势种变化特征及其驱动因子分析1509RWCS=DbDsD4D5(1)T=1 0001(T+288.941 4)(T 3.986 3)2508 90
18、9.2(T+68.129 36)(2)式中:Db和 Ds分别代表底层和表层水体密度,kg/m3;D4和 D5分别代表纯水 4.0 和 5.0 时的密度,kg/m3;T为水体密度,kg/m3;T 为水温,.RWCS 指数越高,表明水体热分层稳定性越好.该文将温度梯度 0.2/m 定义为温跃层25.浮游植物的优势度指数(Y)大于 0.02 时,视为优势种,优势度计算公式:Yi=Pi fi(3)式中,Pi为第 i 种藻类密度占总藻密度的比值,fi为第 i 种藻类在各采样点的出现频率.根据国家环境标准水华遥感与地面监测评价技术规范(试行)(HJ 10982020)与广东省地方标准水华程度分级与监测技术
19、规程(DB44/T 22612020),藻密度介于 1.01075.0107 cells/L 之间,表现为轻度水华.研究发现 2 月 26 日蓝藻密度大于 1.0107cells/L,因此 1 月 4 日2 月 17 日视为水华前,2 月26 日4 月 8 日视为水华期(2 月 26 日3 月 26 日视为水华初期,3 月 26 日4 月 8 日视为水华后期),与前述混合期与分层期时间基本吻合.研究区域和采样点位分布图采用 ArcGIS 10.8 绘制.主坐标分析(principal coordinates analysis,PCoA)以分析蓝藻在水华前后及受不同程度调水影响(不同采样点)的相
20、异性.变差分解 VPA(variation partitioninganalysis)环境因子对蓝藻优势种相对贡献(由于部分环境因子和水文因子存在共线性,变差分解前去除了共线性因子).最后利用线性回归分析明确不同优势种与环境因子的关系.所有数据通过 Excle 2019 整理所得,PCoA 和 VPA 分别采用 R4.1.3 软件 vegan 程序包和 ggplot2 程序包完成统计分析和绘图,其余绘图均采用 OriginPro 2022 完成.2 结果与分析 2.1 水文与理化因子变化研究期间日照时数变化趋势与气温保持一致.受动态调水出水影响,水位呈动态变化且基本维持在 7174 m 之间见
21、图 2(a).分层期 RWCS 指数呈上升趋势,温跃层开始形成且温跃层厚度逐渐变大.相比 S2 采样点,在分层期内 S3 采样点的水体稳定性指数和温跃层厚度更大见图 2(b).分层期垂向水温温差逐渐增大,其中水华后期 S2 采样点中部水体水温大于 S3 采样点.S3 采样点表层水体的 DO和 Chla 浓度在 3 月中旬达到最大,且大于同时期的S2 采样点,而 4 月上旬却相反,即 S3 采样点表层水体的 DO 和 Chla 浓度小于同时期的 S2 采样点(见图 3).(a)气温、降雨量、日照时间和水位的变化(b)S2和S3采样点RWCS和温跃层厚度的变化气温降雨量日照时间日照时间/h水位/m
22、温跃层厚度/m水位02040608010012045403530252015105降雨量/mm气温/C3503002502001501005000246810121450RWCS15129630757473727101-0101-0901-1701-2502-0202-1002-1802-2603-0603-1403-2203-3004-07日期01-0401-0801-2201-2802-1002-1702-2603-0503-1003-1303-1603-1903-2604-0404-08日期混合期分层期RWCS(S2采样点)RWCS(S3采样点)温跃层厚度(S2采样点)温跃层厚度(S3采
23、样点)图 2 气象(水文)参数和水体稳定性的变化Fig.2 Changes in meteorological(hydrological)parameters and relative water column stability S1 采样点氮磷浓度一直高于库区水体(见图 4),S2 采样点 TN、TP 和 NO3-N 浓度的变化趋势与 S1采样点保持高度一致.与 S1 和 S2 采样点相比,S3 采样点 TN、TP 浓度最小.S2 采样点水华期水体 pH 和CODMn浓度均高于 S3 采样点,而 NH4+-N 浓度波动较大没有体现出上述特征.2.2 藻类组成与优势种该水库共检出浮游植物 8
24、 门 69 属 125 种,其中绿藻门 71 种,占种类数的 56.8%;硅藻门 22 种,占比为 17.6%;蓝藻门 19 种,占比为 15.2%;甲藻门、裸藻门、金藻门、隐藻门和黄藻门种类相对较少.虽然蓝藻门种类少,但研究期间蓝藻密度始终占比最大.1510环境科学研究第 36 卷S2 采样点蓝藻密度在 3 月中旬和 4 月上旬出现两个峰值,藻密度分别为 2.77107和 3.59107 cells/L.S3采样点藻密度仅在 3 月中旬达到最大值,最大藻密度为 3.55107 cells/L(见图 5).蓝藻水华前后优势种也发生了变化,由伪鱼腥的绝对优势(72.17%)逐渐转变为拟柱胞藻(3
25、3.06%)、伪鱼腥藻(30.71%)和小尖头藻(28.65%)共同占优.2.3 影响蓝藻水华的主要驱动因子通过对优势蓝藻进行 PCoA 分析,结果显示该水库水华前后蓝藻群落有明显的区分(见图 6),第一主成分和第二主成分的差异解释率分别为 68.90%和17.51%,共解释了所有差异的 86.41%,表明 PCoA 能够较好地反映水华前后蓝藻优势种的变化.此外,S2采样点比 S3 采样点更加分散,说明直接受调水影响01-0401-0801-2201-2802-1002-1702-2603-0503-1003-1303-1603-1903-2604-0404-08日期01-0401-0801-
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