摘要: 2023年12月1日~2024年3月31日通过自动监测和现场调查相结合，开展汉江中下游硅藻水华演变分析研究。结果显示，汉江硅藻水华优势种为冠盘藻属；支流唐白河汇入后，冠盘藻属数量从1.30 × 104 cells/l增长至4.60 × 105 cells/l，占比达到71.5%，浮游植物总量从1.10 × 105 cells/l增长至6.43 × 105 cells/l，水华级别从i级进入ii级；当冠盘藻属占比大于50%，水温低于12℃，气温短期内快速上升时，7天可从水华i级进入ii~iii级，冠盘藻属占比、水温和气温可作为水华预警参数；叶绿素a和浮游植物数量变化显著相关，可以作为评判水华应急调度效果的指示参数，调节流量可以快速消除水华影响，1月和3月两次生态水量调度，均在7天内将叶绿素a降至10 μg/l以下。研究揭示了汉江中下游硅藻水华影响因子，为揭示硅藻水华发生机理，开展硅藻水华防治提供理论支持。
abstract: from december 1, 2023 to march 31, 2024, we conducted automatic monitoring and on-site investigations to study the diatom blooms and identification of the advantage species in the middle and lower hanjiang river. the results of our research indicated that the dominant species of diatom blooms were stephanodiscus sp. after the inflow of tangbai river, a tributary, the diatom blooms level entered from level i to level ii. the number of stephanodiscus sp. increased from 1.30 × 104 cells/l to 4.60 × 105 cells/l, accounting for 71.5%, and the total amount of phytoplankton increased from 1.10 × 105 cells/l to 6.43 × 105 cells/l. the diatom blooms could enter from level i to level ii~iii within 7 days, when the proportion of stephanodiscus sp. was greater than 50%, the water temperature is below 12˚c and the temperature rises rapidly. the proportion of stephanodiscus sp., water temperature and temperature could be used as early warning parameters for diatom blooms. chlorophyll a and phytoplankton quantity changes are similar, which can be used as an indicator parameter to judge the effect of emergency dispatching of diatom blooms. adjusting the flow can quickly eliminate the impact of diatom blooms. the two ecological water dispatching in january and march both reduced chlorophyll a to below 10 μg/l within 7 days. our study unveils the influencing factors of the diatom blooms in the middle and lower hanjiang river, thus providing essential theoretical support for understanding diatom blooms mechanisms and developing prevention and control strategies.
1. 引言
汉江是长江最大的一条支流，湖北省丹江口以上干流为上游，丹江口至钟祥为中游，钟祥至入河口为下游。汉江中下游干流途经襄阳、宜城、钟祥、仙桃等县市，人口众多，沿途有多个饮用水源地。1992年以来，汉江中下游区域发生了多次水华，2008年开始，水华爆发频次增加，有持续时间变长的趋势。目前众多学者对此引起重视并进行研究，已有研究认为水华与水体中总硅、总硅/总氮[1]、溶解性磷，溶解性氮[2]等营养盐正相关，持续高温和强日照天气、长江顶托[3]等都是水华爆发的重要影响因子。部分学者认为流速和流量[4]、水位[5]是制约汉江水华的关键因子。这些研究均基于水华发生后的监测数据进行分析，鲜少有研究对水华发生全过程进行跟踪调查，为更好地探明水华演变趋势及主要影响因子，进行水华全过程的跟踪调查是非常有必要的。本研究创新性利用自动监测技术跟踪调查汉江中下游水华演变全过程，结合自动监测和人工监测结果，找出水华发生的主要影响因素，为水华预警提供科学依据。
2. 材料与方法
2.1. 研究区域
以汉江中下游为重点，从上往下，干流设置8个采样点，依次为s1 (唐白河入河口上游)、s2 (余家湖)、s3 (宜城)、s4 (皇庄)、s5 (沙洋)、s6 (泽口)、s7 (仙桃)、s8 (集家嘴)，支流设置1个采样点s9 (唐白河)，具体位置见图1。采样点s1和采样点s2之间有支流唐白河汇入。
2.2. 研究内容及时间
本研究从时间和空间两个维度对汉江水华演变进行调查。
时间方面，通常汉江硅藻水华易爆发时间为每年12月至次年3月，本研究于2023年12月1日至2024年3月31日进行。因仙桃断面位于重要饮用水源地，1992年以来，历次汉江中下游水华爆发区域均涵盖仙桃[6]，本研究选取采样点s7 (仙桃)作为典型断面，结合自动监测站，逐日收集气温、水温、叶绿素a、流量数据，同时根据水华演变情况，不定期进行浮游植物定量监测。
图1. 采样点位布设图
空间方面，因水华爆发初期更有利于分辨是否有支流汇入影响，根据自动监测站ph值和溶解氧的变化，选取水华爆发初期(2024年1月30日)采集研究区域9个采样点的水样，进行1次浮游植物定量监测。
2.3. 样品采集与室内处理
浮游植物定量样品使用有机玻璃采样器采集，采集1 l水样用1%鲁哥氏液固定，室内静置沉降48 h后用虹吸管在液面下缓慢去除上层水样，浓缩至约50 ml，根据《淡水浮游生物调查技术规范》(sc/t 9402-2010)，摇匀样品后，吸取0.1 ml浓缩样品置于计数框中，通过光学显微镜进行检测，获取采样点浮游植物数量及组成信息。
浮游植物定性样品使用有机玻璃采样器采集，采集水样摇匀并取100 ml离心，弃去上清液，用无水乙醇转移底部残渣定容至10 ml摇匀后静置，弃去上清，浓缩至2 ml，吸取2~3滴浓缩样品到载物台上，风干后进行喷金处理，通过扫描电镜进行检测，获取采样点优势种种类信息。
利用microsoft excel 2021、originpro 2021软件进行数据处理和制图。
3. 结果与讨论
3.1. 水华优势种种类
优势种是指群落中占优势，密度最大的种类，不同种类浮游植物的生活习性有差异，确认水华优势种可为应急调度方案的科学制定提供凯发娱乐官网的技术支持。已有文献对汉江水华优势种的种类存在不同结论，部分学者[7] [8]认为是小环藻属，部分学者[9] [10]认为是冠盘藻属。本研究为明确优势种种类，同时使用光学显微镜和扫描电子显微镜对优势种进行鉴定。显微镜鉴定结果表明(图2)，优势种为单细胞，壳体细胞圆柱形，壳面圆盘形，根据中国淡水藻类分属检索表[11]，仅能确认优势种属于硅藻门中心纲圆筛藻科，无法确认具体种属。扫描电镜鉴定结果表明(图3)，优势种壳面纹饰中央区和边缘区无明显区分，壳面纹饰呈束状放射排列，与冠盘藻属的分类检索特征相符，因此，本次采集到的汉江水华优势种为冠盘藻属。根据分属检索表，壳面纹饰是区分小环藻属和冠盘藻属的主要特征，该特征需通过扫描电子显微镜观测，使用光学显微镜较难观测，容易误判。
图2. 优势种显微镜照片
图3. 优势种扫描电镜照片
3.2. 研究区域浮游植物空间分布
研究区域浮游植物种类组成显示(表1)，干流采样点s1占比最大种类为颤藻属，属于蓝藻门，其余干流采样点占比最大种类为冠盘藻属，属于硅藻门，两者种类不同。采样点s1和采样点s2之间有支流唐白河汇入，唐白河采样点s9最大占比种类为冠盘藻属。
研究区域浮游植物数量分析发现，汉江中下游干流从上至下浮游植物总量逐渐增大，到采样点s6达到最大值1.05 × 107 cells/l，根据《水华遥感与地面监测评价技术规范(试行)》(hj 1098-2020)中的水华程度分级标准，已经属于“水华ⅲ级”状态。唐白河汇入后，干流多样性指数从3.46降至1.97，冠盘藻数量从1.30 × 104 cells/l增长至4.60 × 105 cells/l，占比从11.8%增长至71.5%，浮游植物总量从1.10 × 105 cells/l增长至6.43 × 105 cells/l，水华级别从ⅰ级进入ⅱ级。结果显示，唐白河冠盘藻属的汇入严重影响了汉江干流藻类群落组成及多样性，大量冠盘藻属的汇入加速了汉江水华的发生。
表1. 各采样点浮游植物组成
采样点 |
浮游植物总量(cells/l) |
最大占比种类(比例) |
冠盘藻数量(cells/l) |
shannon指数 |
s1 |
1.10 × 105 |
颤藻(22.3%) |
1.30 × 104 |
3.46 |
s2 |
6.43 × 105 |
冠盘藻(71.5%) |
4.60 × 105 |
1.97 |
s3 |
6.46 × 105 |
冠盘藻(79.3%) |
5.12 × 105 |
1.43 |
s4 |
4.91 × 106 |
冠盘藻(90.5%) |
4.44 × 106 |
0.66 |
s5 |
4.84 × 106 |
冠盘藻(88.9%) |
4.31 × 106 |
0.85 |
s6 |
1.05 × 107 |
冠盘藻(93.6%) |
9.87 × 106 |
0.46 |
s7 |
7.49 × 106 |
冠盘藻(90.1%) |
6.74 × 106 |
0.74 |
s8 |
5.57 × 106 |
冠盘藻(92.1%) |
5.12 × 106 |
0.63 |
s9 |
1.56 × 107 |
冠盘藻(73.6%) |
1.15 × 107 |
1.41 |
3.3. 典型断面浮游植物变化规律
本研究目的是结合自动监测指标，观察水华发生全过程变化，分析水华演变规律。张德兵等[12]研究发现叶绿素a与藻密度存在显著相关性，可选择叶绿素a作为水华的预警指标，建议预警值为小于14.5 μg/l属于无水华，14.5~26.2 μg/l之间无明显水华，26.2~73.1 μg/l为轻度水华。通过监测叶绿素a变化，选取叶绿素a波动较显著时期(2024年1月17日至3月13日)进行浮游植物数量及组成监测分析，比较叶绿素a和浮游植物数量变化趋势，两者呈现相似的变化规律，根据《水华遥感与地面监测评价技术规范(试行)》(hj 1098-2020)判定水华程度分级，结论与张德兵等研究结论基本吻合。
分析浮游植物数量及组成(图4)，冠盘藻属在群落中占绝对优势，浮游植物总量和冠盘藻属数量的变化规律相似，其他种类数量变化不大，抑制冠盘藻属生长即能控制水华发生。1月17日至1月24日数据显示，叶绿素a小于10 μg/l，浮游植物平均数量1.82 × 106 cells/l，处于水华ⅰ级程度，但是冠盘藻属占比已达82%，持续增长6天后，叶绿素a达到21.4 μg/l，浮游植物数量增长至7.49 × 106 cells/l，达到水华ⅱ级，水华趋势已经形成。可见，叶绿素a与浮游植物数量显著正相关，水华初期，虽然冠盘藻占比不断增长，但因浮游植物数量增长不明显，导致叶绿素a增幅不大，叶绿素a作为水华应急调控的指示参数较为适宜。冠盘藻属占比对浮游植物数量的增长速率影响较大，水华初期预警建议密切监测冠盘藻属占比情况，及时干预，减少水华的发生机率。
3.4. 水华与环境因子的关系
叶绿素a能反应水华变化规律，水华爆发期每小时监测数据显示(图5)，叶绿素a全天变化呈“v”字形变化，每天12点左右叶绿素a达到最低值，晚上18点之后快速增长。同时段流量和水温数据显示(图6)，流量和水温的变化幅度均很小，流量变化在8~16 m3/s，水温变化在0.4℃~0.6℃，且变化规律和叶绿素a不符，叶绿素a的时变化可能是冠盘藻属对光的变化敏感，随着太阳的升起，气温逐步上升，对冠盘藻属的生长有一定的抑制作用。
图4. 仙桃断面叶绿素a和浮游植物的时间变化
图5. 叶绿素a时变化趋势图
从气温变化情况分析(图7)，2023年12月1日至2024年3月31日，气温出现了8次短期内较大幅度的上升，其中2023年12月22日至2024年3月13日，气温出现了5次快速上升，其上升趋势和叶绿素a快速增长趋势高度重合，说明气温短时间快速上升对冠盘藻增长影响较大。但整个观测期内，另外3次气温上升对叶绿素a影响不大，可见除了气温还有其他因子影响冠盘藻生长。
图6. 流量、水温时变化趋势图
图7. 仙桃市叶绿素a和气温变化过程图
从水温变化情况分析(图8)，2023年12月22日至2024年3月13日水温低于12℃，而观测期其他时段水温均高于12℃。已有冠盘藻属的生长特性研究显示，其对低温环境有较好的耐受性，3℃~10℃是冠盘藻属的适宜生长空间[13] [14]。殷大聪[10]等人的室内试验显示，水温2℃、7℃条件下冠盘藻属数量明显多于水温15℃条件。本研究观测结果与已有研究结果相似。水温的升高可能对冠盘藻属的生长有抑制作用。
从流量变化情况分析(图9)，2023年12月1日至2024年3月31日长江水利委员会进行了两次生态水量调度，第一次调度于2024年1月1日开始，日均流量从600 m3/s逐步增大至1100 m3/s，第二次调度于2024年3月12日开始，日均流量不变的前提下，调控不同时段下泄流量，两次调度随着流量的改变，叶绿素a均显著下降。已有学者通过模型分析，结合早期汉江水华数据，认为仙桃断面500 m3/s可作为发生水华的警戒流量，小于该值有可能发生水华[4]。也有学者认为仙桃断面流量低于820 m3/s,同时水位低于22.67 m时，可以启动水华
图8. 仙桃断面叶绿素a和水温变化过程图
图9. 仙桃采样断面叶绿素a和流量变化过程图
预警[6]。本研究发现2024年1月17日至2024年2月15日，流量 > 1000 m3/s持续一段时间后，仍可能发生水华，说明流量大不一定能阻止水华发生，用流量限值作为水华预警指标不适合，只能将改变流量作为一种水华应急调控手段。
4. 结论
1) 冬春季节汉江水华优势种若为硅藻门圆筛藻科，需要通过扫描电子显微镜明确优势种种类，为水华应急调控提供科学依据。
2) 唐白河中冠盘藻属的大量汇入对汉江浮游植物组成影响较大，增大了汉江水华发生机率，控制唐白河冠盘藻属的汇入可以从极大减小水华发生机率。
3) 冬春季节，冠盘藻属占比达到50%以上，当水温低于12℃，气温出现短时间快速上升时，水华大概率爆发。可以综合观测冠盘藻属占比、水温和气温情况对水华进行预警。
4) 叶绿素a和浮游植物数量显著正相关，可以将调节流量作为水华应急调控方式，通过叶绿素a的变化反映调控效果。
基金项目
长江水利委员会水文局2023年科技创新基金(swj-cjx23y05)。
notes
作者简介：卢云黎，籍贯：湖北黄石，硕士，高级工程师，研究方向：水环境、水生态及水资源分析评价，email: lyl_office@126.com