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太湖流域水庫型水源地硅藻水華發(fā)生特征及對策分析

朱廣偉1，金穎薇1，任杰1，夏明芳2，許海1，朱夢圓1，費國松3，陳偉民1

(1：中國科學院南京地理與湖泊研究所，南京 210008)

(2：江蘇省太湖水污染防治辦公室，南京 210013)

(3：江蘇省溧陽市水文局，溧陽 213300)

摘要：基于溧陽市天目湖沙河水庫2009-2014年的硅藻群落結構及水質調查，以及宜興橫山水庫等硅藻水華期藻類和水質調查數據，分析了太湖流域水庫中硅藻水華群落結構特征及受氣溫、水位、營養(yǎng)鹽等環(huán)境條件的影響.結果表明，太湖流域硅藻水華的主要發(fā)生期為5-7月，快速生長期發(fā)生在氣溫為16～26℃期間，當氣溫超過26℃時，硅藻的生物量開始下降.硅藻的優(yōu)勢屬包括針桿藻、曲殼藻、小環(huán)藻和顆粒直鏈藻.其中沙河水庫和橫山水庫中針桿藻是主要危害，其生物量主導了硅藻總生物量.大溪水庫有時以針桿藻為主，有時以顆粒直鏈藻為主.當總氮濃度低于1.0mg/L的Ⅲ類水上限時，水體氮濃度能大大限制硅藻生物量，當總磷濃度低于0.025mg/L的Ⅱ類水上限時，也可能對硅藻生物量產生限制.高于此營養(yǎng)水平，硅藻水華的嚴重程度主要受氣溫、降雨等因素影響.研究表明，對于處于中營養(yǎng)水平的太湖流域水庫而言，硅藻生物量既受氣溫、降雨、水位等氣象水文條件的控制，又受氮、磷、硅等營養(yǎng)鹽供給的影響.硅藻水華的防控既要關注氣候和氣象條件，也要盡量削減氮、磷營養(yǎng)鹽入湖通量，維持較低營養(yǎng)鹽水平是確保硅藻水華不形成危害的關鍵。

關鍵詞：硅藻；水華；水源地；富營養(yǎng)化；氣候波動；天目湖；沙河水庫;橫山水庫；太湖流域

水庫的有害藻類與淺水湖泊有所不同，淺水湖泊有害藻類更多地是藍藻門浮游植物，而在水庫中，硅藻是更常見的災害性水華物種[1-2].硅藻屬真核生物，具有較硬的硅質細胞壁，細胞體積大，密度大，相對更適應于流水環(huán)境以及相對冷水的環(huán)境，是海洋赤潮的常見藻類[3].在內陸淡水水體中，常在河流、水庫中形成災害性水華，發(fā)生季節(jié)往往在春季至初夏以及高溫之后的秋季[4].常見的水華災害種有小環(huán)藻屬(Cyclotella)[5-6]、針桿藻屬(Synedra)[7-8]、星桿藻屬(Asterionella)[2]、直鏈藻屬(Melocira)[9]、冠盤藻屬(Stephanodiscus)[10]、曲殼藻屬(Achnanthes)[11]等。

水庫型水源地是我國重要的水源地形式，對于保障城市生活、生產安全用水具有重要的價值[12].江蘇省水利廳2007年以來分3批發(fā)布的《江蘇省集中式飲用水水源地核準名錄》中，163個水源地有40個是湖庫型水源地，其中水庫型水源地15個，主要分布在太湖流域西部的寧溧鎮(zhèn)山脈一帶.除了省級水源地外，太湖流域的油車水庫是宜興市的第2水源地，溧陽市的前宋水庫、團結水庫、塘馬水庫、竹林水庫和雞籠壩水庫也都是溧陽市的市級飲用水源地.這些水庫的水質相對優(yōu)良，多年平均水質達Ⅲ級甚至Ⅱ級，是太湖流域極其珍貴的飲用水資源[13]。

近年來，太湖流域的水庫型水源地越來越多地受到富營養(yǎng)化問題的困擾[14-15].由于太湖流域的人口密度大，土地資源少，所有的水庫流域都面臨開發(fā)強度偏大、面源負荷高的問題[16-17].加之太湖流域年均溫度高，降雨豐沛，藻類的生長期長，藻類生物量普遍偏高，存在較大發(fā)生藻類水華的風險。

圖1 沙河水庫逐月監(jiān)測點位分布Fig.1 Sampling sites for water quality analysis in Shahe Reservoir

為科學應對太湖流域水庫型水源地硅藻水華災害問題，本研究基于2009-2014年對溧陽市沙河水庫藻類群落結構及相關環(huán)境條件的逐月監(jiān)測，分析了太湖流域水庫型水源地硅藻水華形成的條件，并結合天目湖流域水環(huán)境保護的工程措施經驗，探討了太湖流域水庫硅藻水華的防控對策。

1 材料與方法

1.1 采樣點布設

參考文獻樣品的采集與測定方法[14，18].沙河水庫監(jiān)測的采樣點布設如圖1所示，由南向北共設10個采樣點，即上游3個點(TM8、TM9、TM10)，中間4個點(TM4、TM5、TM6、TM7)，下游3個點(TM1、TM2、TM3).此外，為便于比較，在2014年6月15日天目湖相鄰的橫山水庫壩前取水口點位(31.24°N，119.57°E)進行水質和藻類調查。 5

1.2 樣品的采集及測定方法

2009年共開展了39次監(jiān)測，春、夏季的監(jiān)測頻次較高，2010-2014年則每月1次.水質與浮游植物樣品采集時均取表層0.5m深水樣.溶解氧(DO)及水溫(WT)的剖面監(jiān)測一般采取1m深度間隔.現場測定透明度(SD)、DO、WT等參數，采集1.5L水樣帶回室內測定總氮(TN)、總磷(TP)、葉綠素a(Chl.a)濃度等水質指標.同時采集1L水樣用魯哥試劑固定，用于浮游植物群落結構的鑒定。

浮游植物群落結構的鑒定使用Olympus CH生物光學顯微鏡鏡檢，鑒定到屬，首先獲得細胞密度(cells/L)，在各屬細胞密度的基礎上，根據體積-重量經驗公式換算為生物量(mg/L)，樣品處理和測定方法參照文獻[19]。

1.3 數據處理方法

數據圖表繪制及主要統(tǒng)計參數計算均由Excel 2013軟件完成，硅藻與環(huán)境因子的相關關系用Pearson相關系數表達(P)。

2 結果

2.1 太湖流域水庫硅藻水華的表觀特征

2.1.1 透明度急劇下降從鄭建軍等的分析可知，一般細胞密度在1×106～10×106cells/L之間時可認為是輕度水華，在10×106～20×106cells/L之間時為中度水華，而細胞密度大于20×106cells/L時則為重度水華[20].從沙河水庫的多年監(jiān)測來看，這一定義對于藍藻未必合適，但對硅藻來說是合適的.按照這一定義，太湖流域水庫硅藻水華形成時，典型的特征是水色呈棕褐色，沒有明顯的表層藻類聚集現象，但水體透明度顯著下降.當硅藻細胞數達到水華級別時，水體透明度一般接近或者小于1m。

從2009-2014年沙河水庫壩前取水口水域水體透明度及Chl.a濃度的變化可以看出，除2013年外，每年的5-6月份壩前水體Chl.a濃度都有一個明顯的峰值，一般都在30μg/L以上.伴隨著Chl.a濃度峰值的來臨，水體透明度下降，特別是2009、2010、2012年的水華比較嚴重，透明度較低，Chl.a濃度峰值接近或超過40μg/L時，壩前取水口水體透明度則均低于1m(圖2)。

圖2 2009-2014年沙河水庫壩前區(qū)透明度及葉綠素a濃度的變化Fig.2 Variation of secchi depth and chlorophyll-a concentration in site TM1 of Shahe Reservoir during 2009-2014

2.1.2 下層水體缺氧及異味產生當硅藻大量生長，特別是形成水華時，由于阻擋了光照的穿透深度，透明度降至1m左右，相應地真光層深度(光強衰減到水面光強的1%以下)降低到2.5m左右.在這種情況下，水下3m基本就不適合藻類生長.此時大量積累的生物體會逐漸腐爛分解，特別是湖下層區(qū)域.此時如遇交換緩慢、靜風高溫的環(huán)境條件，湖體將發(fā)生較為嚴重的厭氧狀況。

當因硅藻生物量偏大導致透明度降至1m左右時，可能在4～6m深度下形成缺氧層，威脅供水安全.比如2014年6月的橫山水庫和2009年6月的沙河水庫(圖3a、c).但也可能呈現逐步下降的趨勢，在8m以下形成缺氧層(DO濃度小于3mg/L)(圖3b)。

圖3 硅藻水華期3次水庫壩前溶解氧濃度剖面Fig.3 DO profiles near the dam during diatom bloom period

2.2 太湖流域水庫硅藻水華的生物學特征

2.2.1 生物量的季節(jié)變化特征表征水庫水體藻類生物量有2個指標：1) 單位水體的細胞數,即細胞密度(cells/L)；2) 根據細胞密度和具體細胞大小而換算出來的生物量(mg/L).從2009-2014年沙河水庫壩前監(jiān)測點細胞密度這個指標看，藍藻是絕對優(yōu)勢種(圖4a).藍藻細胞密度始終接近總藻類細胞密度，6年99次調查中，總細胞密度平均值為9789×104cells/L，藍藻細胞密度平均值為9183×104cells/L，而硅藻細胞密度平均值為345×104cells/L，不及藍藻的4%.就細胞密度的峰值而言，硅藻一般早于藍藻1~2個月出現峰值，大多出現在5-6月。

然而，硅藻的細胞密度小并不代表硅藻的生物量小.藍藻的細胞個體相對硅藻來說很小，往往不及硅藻體型的千分之一.因此，盡管硅藻細胞密度小，但是硅藻對于水體浮游植物生物量的總貢獻則顯著高于藍藻.從沙河水庫壩前監(jiān)測點2009-2014年浮游植物對應的藻類生物量狀況可以看出，硅藻的生物量貢獻明顯大于藍藻(圖4b).6年來99次測定的藻類生物量平均值為8.45mg/L，其中硅藻生物量平均值為3.84mg/L，占總生物量的45%，藍藻生物量平均值為2.00mg/L，低于硅藻，占總生物量的24%.在細胞密度不及藍藻4%的情況下，沙河水庫硅藻生物量是藍藻生物量的近2倍(圖4).可見，評估藻類生物量的時候，僅僅采用細胞密度這一指標是有偏頗的。

太湖流域水庫硅藻水華危害的關鍵期是5、6月.圖5顯示了沙河水庫壩前6年來的年內生物量隨時間的演替過程.一般來說，硅藻生物量在4月開始增加，5-6月達到最大，7月開始下降，8月底之后一般降至較低水平.不過，也有異常早的年份，比如2011年3月硅藻生物量就達到了峰值，但該年因營養(yǎng)鹽春季來水極少，水體營養(yǎng)鹽水平很低，導致硅藻生長的動力不足，4月之后生物量反而下降.2014年則從1月就開始保持較高水平，持續(xù)時間也比較長，受2013年冬季及2014年春季水庫底泥疏浚擾動的影響.底泥疏浚的劇烈擾動將大量營養(yǎng)鹽和硅釋放到水體，使得硅藻生物量持續(xù)保持較高水平。

圖4 2009-2014年沙河水庫壩前水域藻類細胞密度及生物量的變化Fig.4 Cell density and biomass of phytoplankton， cyanobacteria， and diatom near the dam of Shahe Reservoir during 2009-2014

圖5 沙河水庫壩前水體硅藻生物量的年變化Fig.5 Annual variation of diatom biomass near the dam of Shahe Reservoir

2.2.2 硅藻的種屬結構天目湖沙河水庫壩前點位6年來硅藻門中共有9個屬檢出，分別是針桿藻、小環(huán)藻、曲殼藻、直鏈藻、星桿藻、舟形藻(Navicula)、冠盤藻、異極藻(Gomphonema)和橋彎藻(Cymbella).事實上，在常見的淡水水華硅藻屬中，太湖流域的湖庫中均檢測到，如小環(huán)藻、冠盤藻、直鏈藻、星桿藻、曲殼藻、針桿藻等，都是在我國一些水體報道過引發(fā)水華的屬.在沙河水庫中，針桿藻是絕對的硅藻優(yōu)勢屬，多年平均生物量占硅藻總生物量的61%.基于優(yōu)勢度的計算，能夠列入優(yōu)勢屬的還有曲殼藻、小環(huán)藻和直鏈藻，多年平均生物量分別占硅藻總生物量的17%、14%和5%(圖6)。

圖6 2009-2014年沙河水庫壩前水域硅藻群落組成(基于平均生物量，mg/L)Fig.6 Species composition of diatom near the dam of Shahe Reservoir based on biomass during 2009-2014

在2014年6月對宜興市橫山水庫的調查中，發(fā)現引發(fā)橫山水庫水色異常的藻類中，主要也是硅藻中的針桿藻和藍藻中的席藻(Phormidiumspp.).6月15日的調查發(fā)現，從生物量角度看，橫山水庫取水口浮游植物總生物量為19.1mg/L，其中硅藻生物量平均值為12.8mg/L，包括針桿藻生物量為12.0mg/L，占硅藻生物量的92%；藍藻生物量為3.6mg/L，絕大部分是席藻.從細胞密度上看，總細胞密度為3.06×108cells/L，絕大多數為藍藻中的席藻，藍藻細胞密度為2.97×108cells/L，硅藻細胞密度為740×104cells/L.情況與沙河水庫很相似。

陳開寧等在天目湖大溪水庫的多年監(jiān)測中也發(fā)現類似現象.比如，從細胞密度上看，2013年藍藻平均細胞密度占總藻類細胞密度的77.3%，2014年則占到86.3%，2013年硅藻平均細胞密度占總細胞密度的9.5%，2014年占8.6%.但從生物量方面考慮，2013年硅藻生物量占總生物量的54.1%，2014年占53.8%，而2013年藍藻生物量占總藻類生物量的10.7%，2014年占15.9%(未發(fā)表數據).硅藻門的優(yōu)勢屬種中，有時針桿藻生物量最高，有時顆粒直鏈藻生物量最高，這點與沙河水庫的情況略有不同.但是整體上的優(yōu)勢屬比較類似，主要包括針桿藻、曲殼藻、舟形藻、顆粒直鏈藻、小環(huán)藻、橋彎藻等。

2.2.3 硅藻優(yōu)勢屬生物量的季節(jié)變化從6年來沙河水庫壩前區(qū)硅藻4個優(yōu)勢種的時間變化可以看出，大多時候，各優(yōu)勢屬硅藻的年生長峰值都比較銳利，表明其峰值持續(xù)時間較短(圖7).從總體生物量上看，針桿藻對總生物量起到絕對主導的影響，其次是曲殼藻，再次是小環(huán)藻和直鏈藻.對比圖4可以看出，針桿藻主導了總體藻類生物量的季節(jié)變化。

圖7 2009-2014年沙河水庫硅藻4個優(yōu)勢屬生物量的季節(jié)變化Fig.7 Seasonal variation of biomass of the four dominant genera of diatom in Shahe Reservoir during 2009-2014

從一年中硅藻的4個優(yōu)勢種生物量的變化情況可以看出，4個優(yōu)勢屬的最佳生長時間并不完全相同(圖8).針桿藻的峰值出現在每年的第130～212d(即5月10日至7月31日)之間，春末夏初期間，峰值大致在第151d(即5月31日前后)。

曲殼藻的生長時間相對寬泛，約為第100～275d呈現一個相對平坦的峰值，即每年的4月10日-10月2日是曲殼藻的生長旺季.其中4月底至6月初往往形成相對更高的生物量.此外，2014年冬季開始，曲殼藻就保持了較高的生物量，這與當時開展的水庫底泥疏浚有關，說明曲殼藻可能對水體硅的增加更加敏感。

小環(huán)藻的生長期相對更加寬泛.從第70～340d小環(huán)藻都處于相對高的生長期.也就是除了冬季之外，小環(huán)藻都可能異常增殖.這與小環(huán)藻比較普遍的水華物質現象相吻合.總體上看，在生長期，小環(huán)藻還分成兩個明顯的峰，一個峰值出現在第180d左右，也就是在6月底的時候，另外1個峰值出現在第300d左右，也就是10月底前后.而兩峰之間的谷值出現在第250d左右，大約是9月初。

直鏈藻則明顯屬于冬季種，在第16～290d期間(即從6月初夏季來臨，直到10月中旬)處于低生長期，直鏈藻的生長速率很低.而在冬、春季節(jié)生長速率相對較高。

圖8 沙河水庫壩前區(qū)硅藻優(yōu)勢屬的生長期特征Fig.8 Seasonal variation of biomass of the dominant genera of diatom near the dam of Shahe Reservoir

3 討論

3.1 溫度對硅藻生長的影響

作為水體中最重要的初級生產者，溫度、光照等光合作用基本條件無疑對硅藻的生長起著極其重要的作用[4].從圖8也可以看出，硅藻各優(yōu)勢屬的生長具有極強的季節(jié)性.因此，氣溫的波動對硅藻生物量影響很大.從天目湖沙河水庫壩前監(jiān)測點3個典型水華年硅藻生物量與氣溫的關系(圖9)可以看出，總體上硅藻水華出現的最佳氣溫是16～26℃之間.一般當氣溫徘徊在16℃以上時，硅藻生物量開始快速增加.當氣溫達到26℃左右時，生物量達到最大.這一現象與張運林等2001-2002年觀測時發(fā)現的5、7月的藻類生物量峰值情況相同[8].而比龍勝興等調查發(fā)現的烏江水庫華麗星桿藻的暴發(fā)季節(jié)有所滯后[2].當氣溫達到26℃以上時，硅藻生物量則開始下降.2012年春季溫度升高得早，硅藻生物量開始增加的日期也相應變早.而該年高溫來得相對晚，因此硅藻峰值持續(xù)的時間也長.由此看出氣溫，特別是暖春對于硅藻水華的巨大影響。

圖9 沙河水庫2009、2010、2012年氣溫與硅藻生物量的關系Fig.9 The relationship between air temperature and diatom biomass in Shahe Reservoir in 2009， 2010 and 2012

從硅藻優(yōu)勢屬的季節(jié)生長特征可以看出，硅藻中針桿藻、小環(huán)藻、曲殼藻和直鏈藻4個優(yōu)勢屬生長的溫度環(huán)境并不一致.由于針桿藻對硅藻生物量的巨大貢獻，圖9更多地反映了針桿藻的溫度生長特征.最佳生長溫度處于16～26℃之間的主要是針桿藻.對于小環(huán)藻和曲殼藻，生長的最佳溫度更高，總體上隨著溫度升高生物量增加.而對于直鏈藻而言，顯然在低溫下更適宜生長，溫度超過16℃以后生物量下降明顯，26℃以后生物量處于較低水平。

溫度伴隨的水體缺氧環(huán)境也是硅藻水華腐爛產生異味物質并威脅供水安全的原因.一般持續(xù)5d以上的高溫厭氧環(huán)境對供水而言就非常危險了，可能產生較高濃度的異味物質，如土臭素、2-甲基異茨醇(2-MIB)等[21].沙河水庫2005年就因硅藻水華問題，影響了供水水質.經檢測，自來水異味出現期間，沙河水庫水源地水體2-MIB超標5～10倍.由于該水質異味事件的發(fā)生，促使溧陽市政府成立天目湖水源地生態(tài)環(huán)境保護領導小組，實施了包括底泥疏浚和河口濕地構建等一系列生態(tài)保護工程措施[16]。

3.2 降雨和水位對硅藻生長的可能影響

降雨和水位對硅藻水華的潛在影響有3個方面：1) 影響換水周期，從而影響藻類生物量積累過程，降雨量越大，水庫水力停留時間越短，水庫中藻類生物量的積累程度可能就越低；2) 影響外源營養(yǎng)鹽的補給和內源營養(yǎng)鹽的補給，對于水力停留時間相對較短的水庫而言，水體氮、磷等營養(yǎng)鹽水平與外源輸入量具有較好的關系，根據流域河道水質狀況、植被及水土保持能力、降雨的季節(jié)情況等，外源營養(yǎng)鹽入庫量會有很大變化.比如春季農耕季節(jié)降雨量大一般意味著更高的外源負荷，而夏季暴雨則可能降低水體氮、磷負荷.此外，水位高低影響湖泊內源釋放強度：水深越大，夏季水體溫度分層越穩(wěn)定，內源釋放對上層水體藻類生長層的影響就越小；3) 影響適宜硅藻生長的水溫層厚度：相比常見的有害藍藻，硅藻屬于相對喜涼的生物，水位高、水量大、水溫相對較低的環(huán)境有利于硅藻在競爭中占優(yōu)勢.而一般淺水、熱容低.溫度升高快或者晝夜變化大的水體，相對更利于藍藻發(fā)揮競爭優(yōu)勢.由于水位、降雨對硅藻生長的影響是多方面的，因此其關系也是復雜的，很難給出簡單的結論，要具體問題具體分析，但總體而言，水位越低，生態(tài)系統(tǒng)越脆弱[22]。

從沙河水庫2009-2014年6年來水庫日水位與硅藻生物量、針桿藻生物量之間的關系(圖10)可以看出，水位和硅藻生物量之間沒有直接的關系：既有低水位、高生物量的情況(如2009年)，也有低水位、低生物量的情況(如2011年)，還有高水位、高生物量的情況(如2010、2014年)，以及高水位、低生物量的情況(如2013年).這些狀況說明，水位高低本身對于硅藻生物量或者硅藻水華發(fā)生并不重要，重要的是當時的營養(yǎng)鹽、溫度狀況等其他因子。

從圖10可以得出初步結論：冬季持續(xù)整個春季的大旱可能意味著春季硅藻低生物量的出現，如2011年和2013年.2011年的旱情從2010年8月就已開始，持續(xù)到6月初的大旱，造成了水體營養(yǎng)鹽濃度持續(xù)下降，特別是總氮濃度持續(xù)維持在較低水平(低于0.8mg/L)，使得整個春季硅藻生物量維持在較低水平,該年水質較好.而2013年春季持續(xù)維持高水位，但來水補給較少，庫容較大，外源營養(yǎng)鹽對水庫水質的影響小，也引起了長時間的清水期.該年無論總氮濃度還是總體浮游植物生物量都始終處于較低水平.因此，春季來水少、營養(yǎng)鹽濃度低、硅藻生物量低的原因可能是水庫氮補給主要靠春季施肥期的面源污染入庫獲得.3-5月是太湖流域面源氮污染的主要產生期，較少的降雨產流意味著較低的氮污染.而2011和2013年水體氮水平可能均已低于明顯限制硅藻生長的水平。

圖10 沙河水庫水位與硅藻生物量及優(yōu)勢屬針桿藻生物量的關系Fig.10 Relationships between water level and the biomass of diatom and Synedra in Shahe Reservoir

3.3 氮、磷營養(yǎng)鹽對硅藻的可能影響

營養(yǎng)鹽是浮游植物等初級生產者生物量積累的另外一個重要條件.盡管營養(yǎng)鹽的影響沒有氣溫、光照等重要，但是改變營養(yǎng)鹽是水庫生態(tài)保護管理中能夠實施的最可行的環(huán)境條件控制手段，也是流域人類活動與水庫水華之間最緊密的聯(lián)系.因此，改變營養(yǎng)鹽條件成為控制水庫硅藻水華最可行的途徑。

2009-2014年以來沙河水庫硅藻生物量與全湖總氮濃度之間有較為一致的變化趨勢，隨著總氮濃度的逐年下降，硅藻生物量總體呈下降的趨勢，除了2014年的情況比較特殊.2014年是在總氮濃度下降的情況下，硅藻生物量突然升高(圖11).從當年的水庫管理過程分析，其原因與2013年11月開始的水庫底泥疏浚有關.總的來說，硅藻生物量與總氮濃度之間有一定的關系(P=0.118)，但不是特別嚴密.需要說明的是，硅藻生物量在2011年上半年呈現極低值，當時恰處于總氮濃度低于0.8mg/L，屬于Ⅲ類水，似乎顯示出對硅藻生長的限制.也就是說，在總氮濃度處于Ⅳ類水以上水平，即>1.0mg/L時，總氮濃度與硅藻的關系不顯著(P=0.112).在沙河水庫的硅藻生物量水平下(硅藻生物量<25mg/L)，硅藻的生長可能沒有受到氮營養(yǎng)鹽的限制。

沙河水庫水體總磷濃度的變化趨勢并不明顯，硅藻生物量與總磷濃度大致呈一致性，但不是很顯著，相關系數P僅為0.02.如2014年總磷濃度降低至0.025mg/L以下時，硅藻生物量很低，但在總磷處于Ⅲ類水及其以上時，硅藻與總磷濃度的關系不大(圖11).相應的統(tǒng)計分析也表明二者相關性不顯著[14].也就是說，當總磷濃度在Ⅲ類水水平以上時(總磷濃度>0.025mg/L)，沙河水庫水體硅藻生物量條件下(硅藻生物量<25mg/L)，硅藻的生長沒有受到磷供給的限制。

圖11 2009-2014年沙河水庫水體總氮、總磷濃度與硅藻生物量的關系Fig.11 Relationships between diatom biomass and total nitrogen and total phosphorus concentrations in Shahe Reservoir during 2009-2014

從沙河水庫的數據分析可以推斷，對于生物量<25mg/L的硅藻生長而言，若要營養(yǎng)鹽限制硅藻的生長，總氮濃度需要控制到Ⅲ類水水平(<1.0mg/L)，總磷濃度需要控制到Ⅱ類水水平(<0.025mg/L).在這樣的營養(yǎng)水平以上，春末硅藻生物量的高低更多地受到氣候、水文條件的控制。

目前太湖流域大多數水庫的總氮水平介于Ⅲ類水與Ⅳ類水，有些季節(jié)可達Ⅴ類水甚至劣Ⅴ類，而總磷也大多介于Ⅱ類水與Ⅲ類水之間，這都處于不限制硅藻生長的臨界區(qū)，因此這些水庫的硅藻水華風險都存在.由于水庫的換水周期短，水庫氮、磷濃度很大程度上受當年降雨、面源污染狀況的影響，因此水庫硅藻水華的風險更多地受不同年份氣候的差異控制，具有較大的風險.而從保護的角度，流域面源污染的控制，特別是氮、磷攔截能力的提升成為降低硅藻水華風險的關鍵技術途徑。

3.4 太湖流域水庫中控制硅藻水華的策略分析

從上述典型水庫硅藻水華的監(jiān)測和研究可以看出，太湖流域水庫型水源地硅藻水華的優(yōu)勢屬是針桿藻、小環(huán)藻、曲殼藻、直鏈藻等常見水華屬，其關鍵危害屬是針桿藻.針桿藻峰值出現在春末夏初的5-7月，生長溫度在16～26℃之間容易大量增殖，細胞密度超過1000×104cells/L，生物量超過15mg/L，有時超過30mg/L，達到水華水平，大大影響水體透明度和水色的觀賞價值.一旦水華持續(xù)時間較長，容易形成下層水體缺氧，產生2-MIB、土臭素等還原性異味物質，對水廠的安全供水構成威脅。

從目前太湖流域水庫型水源地的水質背景看，大多數水庫處于中營養(yǎng)到中富營養(yǎng)狀態(tài)，水體總氮濃度在春季、春末夏初往往可達Ⅳ類水甚至Ⅴ類水水平，水體總磷濃度在一些月份也可達到Ⅲ類甚至Ⅳ類水水平，春末夏初既是營養(yǎng)鹽的高峰值[23]，又恰恰是硅藻異常增殖的最佳時期，二者的結合很容易形成1~2個月的硅藻水華期。

從硅藻優(yōu)勢種生長的環(huán)境條件分析看，氣溫、降雨過程等對硅藻水華的形成具有很大的影響，然而這是基于營養(yǎng)鹽水平足夠高的基礎之上的.從沙河水庫6年的逐月觀測結果看，當水體總氮濃度<1.0mg/L時，或者水體總磷濃度<0.025mg/L時，即便遇到同樣溫暖的氣候，硅藻異常增殖、形成水華的過程也可能會得到遏制.氣候是不可控的環(huán)境條件，從管理者的角度考慮，降低硅藻水華風險，目前所能做的主要是營養(yǎng)鹽削減的上行效應策略以及魚類調控的下行效應策略2個途徑。

我國水庫普遍實施魚類養(yǎng)殖.中國科學院水生生物研究所的謝平教授還提出利用鰱、鳙魚控制藍藻水華的理論[24].然而，該理論是基于藍藻水華生物量很高的前提下實施的一種途徑.對絕大多數中營養(yǎng)、中富營養(yǎng)的水庫并不適用.原因是水庫大多是分層的，水體藻類殘體往往沉到底層，長時間之后慢慢分解釋放，重新把營養(yǎng)鹽釋放回水體.而魚類的大量牧食、排泄將大大加快營養(yǎng)鹽在湖上層水體中的循環(huán)，反而刺激藻類的快速生長.同時，鰱、鳙等濾食性動物對水體浮游動物和浮游植物同時產生壓力，鰱的食物中浮游動物可以占到40%，浮游植物占60%，而鳙的食物中浮游動物甚至占60%[24].魚濾食浮游植物的同時，也大大降低了經典食物鏈中對浮游植物生物量控制最為有效的浮游動物對浮游植物的控制能力。

正因如此，鰱、鳙魚控制藍藻水華的理論目前僅僅在重富營養(yǎng)的淺水湖泊藍藻水華問題上認可度較高，在中營養(yǎng)水體的爭議較大，在硅藻水華上的爭議也很大.比如韓國在1980s初在水庫中引入了漁業(yè)養(yǎng)殖，對水庫水質產生了較大的影響，水庫的水質保護部門、研究單位歷經10年的不懈努力，才在1997年韓國立法取締所有水庫的漁業(yè)養(yǎng)殖，水庫水質得到明顯的改善[25].此外，在匈牙利的巴拉頓湖1970s也曾發(fā)生過藍藻水華，當時的管理者引入了鰱、鳙魚加以控制，反而引起了更大的災害，水質更加惡化.之后匈牙利科學家經過大量研究，說服管理者，清除濾食性魚類，同時實施嚴格的營養(yǎng)鹽控制，目前巴拉頓湖的水質已經恢復到良好狀態(tài)。

沙河水庫自2005年發(fā)生自來水異味事件以來，加大了對養(yǎng)殖漁業(yè)的調控.其中主要的措施是控制總體漁業(yè)規(guī)模，湖體漁業(yè)現存量控制在2～5g/m3以下，同時大大提高鰱、鳙比例，投放魚苗中鰱魚比例控制在80%以上，經過近10年的實踐，總體效果還不錯.在經營性漁業(yè)不能完全清理的情況下，也不失為一個權宜之計。

控制硅藻水華最根本的途徑仍是營養(yǎng)鹽削減控制策略.特別是對中營養(yǎng)水體，營養(yǎng)鹽限制的作用開始顯現，此時在營養(yǎng)鹽控制方面的努力將起到事半功倍的效果，也是治本之策.從天目湖的治理經驗看，將水庫總磷濃度穩(wěn)定控制在Ⅱ類水水平(即全年<0.025mg/L)，總氮濃度穩(wěn)定控制在Ⅲ類水(即全年全部<1.0mg/L)，將硅藻水華風險控制在較低的水平。

從太湖流域水庫水質現狀看，磷往往更接近控制目標，因此容易忽略對氮的控制.但是從沙河水庫6年來的控制效果看，磷的濃度水平盡管總體不高，但是流域治理措施之后對磷的控制效果并不理想，也就是進一步降低磷濃度的難度很大.而氮雖然背景情況比較高，但是氮的截留、降解的效果相對更好.因此氮的控制不能放棄.應當采取氮、磷同時控制的策略.特別是針對農業(yè)開發(fā)比例較大的水庫，氮的控制更需加強.近年來在天目湖實施的一系列流域營養(yǎng)鹽削減工程，包括控制流域開發(fā)比例，在臨湖面、濱湖帶設置緩沖區(qū)，構建河口濕地及流域各類濕地，以及設置農業(yè)、茶果園土地緩沖帶和控制施肥量，取得了比較好的效果[16]。

4 結論

太湖流域地處我國東南濕潤區(qū)的丘陵山區(qū)，氣候溫暖濕潤，藻類生長期長，降雨充沛，營養(yǎng)鹽補充途徑多.加之該流域人口密集，開發(fā)強度高，大多數水庫的硅藻、藍藻水華發(fā)生風險較高.基于沙河水庫的多年觀測分析，太湖流域水庫硅藻水華的高發(fā)期是春末夏初(即5-7月)，略早于藍藻水華，發(fā)生水華的主要優(yōu)勢屬是針桿藻屬、小環(huán)藻屬、曲殼藻屬和直鏈藻屬，其中關鍵危害屬為針桿藻屬。

太湖流域水庫中硅藻的生長受氣溫、氣候、降雨的影響很大，同時也受氮、磷、硅等營養(yǎng)鹽供給的影響.溫暖、濕潤的春季氣候有利于硅藻水華的發(fā)生.在總氮濃度>1.0mg/L、總磷濃度>0.025mg/L的營養(yǎng)鹽條件下，營養(yǎng)鹽對硅藻水華的影響小于氣候因素.而當氮、磷低于上述閾值時，則可能對硅藻水華的嚴重程度產生明顯抑制作用。

在防控對策上，營養(yǎng)鹽削減仍是最可行的控制途徑.外源營養(yǎng)鹽削減途徑中，降低流域開發(fā)比例最為重要，此外，臨湖面、濱湖帶緩沖區(qū)建設，河口濕地和各類濕地的恢復，以及農業(yè)、茶果園土地緩沖帶的設置和施肥量控制，都是比較可行的外源控制途徑.而庫體調控手段中，底泥疏浚、控制經營性魚類庫存量、恢復野雜魚等措施是比較可行的營養(yǎng)鹽削減和生物量調控手段。

致謝：藻類鑒定工作由周萬平完成，大溪水庫2013-2014年藻類狀況數據由陳開寧研究員提供，部分樣品采集由韓曉霞碩士生、崔揚碩士生、夏忠工程師完成，沙河水庫管理處高志勤工程師提供了部分氣象數據，溧陽市天目湖水源地生態(tài)環(huán)境保護領導小組辦公室提供了常規(guī)監(jiān)測的經費，在此一并表示感謝。

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?2016 byJournalofLakeSciences

Characteristics of diatom blooms in a reservoir-water supply area and the countermeasures in Taihu Basin， China

ZHU Guangwei1， JIN Yingwei1， REN Jie1， XIA Mingfang2， XU Hai1， ZHU Mengyuan1， FEI Guosong3& CHEN Weimin1

(1：NanjingInstituteofGeographyandLimnology，ChineseAcademyofSciences，Nanjing210008，P.R.China)

(2：TaihuWaterPollutionControlOfficeofJiangsuProvince，Nanjing210013，P.R.China)

(3：HydrologyBureauofLiyang，JiangsuProvince,Liyang213300，P.R.China)

Abstract：Based on monthly investigation of diatom community and the related environmental conditions during six years in Shahe Reservoir， Lake Tianmu， Liyang City， and investigation of the bloom seasons in Hengshan Reservoir， Yixing City， the environmental and biological characteristics of diatom bloom in reservoirs of Taihu Basin has been analyzed. It was shown that the diatom bloom season in these reservoirs normally happened from May to July. The diatom biomass started to increase significantly when air temperature was above 16℃， and reached the highest growth rate when air temperature was 26℃. The predominant genera of diatom in these reservoirs were Synedra， Achnanthes， Cyclotella and Melocira. Synedra was the dominant species in the diatom community. Being meso-trophic condition in most of these reservoirs， both climate condition and high nutrient level were important to cause diatom blooms. What total nitrogen is lower than 1.0 mg/L or total phosphorus is lower than 0.025 mg/L can create the limitation effect on the diatom biomass in these reservoirs. When the nutrient concentration is higher than those levels， climate condition will be significantly control to make the severity of diatom bloom in the reservoirs。

Keywords：Diatom； bloom； drinking water source； eutrophication； climate fluctuation; Lake Tianmu; Shahe Reservoir; Hengshan Reservoir; Taihu Basin

基金項目*江蘇省太湖水環(huán)境綜合治理科研項目(TH2014304)和國家自然科學(51279194)聯(lián)合資助.2015-03-04收稿；2015-04-03收修改稿.朱廣偉(1972～)，男，博士，研究員；E-mail：gwzhu@niglas.ac.cn。

DOI10.18307/2016.0102