混鹽水體富營(yíng)養化問(wèn)題原因及防治分析

　　1 引言

　　受高含鹽土壤和地下水的影響，濱海地區地表水體咸化問(wèn)題普遍比較突出，混鹽水體(含鹽量500~30000 mg · L-1)眾多.通過(guò)對天津濱海地區部分地表水體實(shí)地調研發(fā)現，區域內地表水體普遍存在不同程度咸化，以封閉半封閉水體最為嚴重，清凈湖、渤龍湖等水體含鹽量常年在3000 mg · L-1以上，夏秋季局部水域有時(shí)可達15000 mg · L-1.通常認為高鹽度對藻類(lèi)生長(cháng)有抑制作用，但通過(guò)對天津濱海地區部分混鹽水體水質(zhì)監測，并結合其它文獻顯示，這些混鹽水體也面臨著(zhù)富營(yíng)養化趨勢加劇及由此帶來(lái)的水華問(wèn)題，秋季富營(yíng)養化尤為嚴重，葉綠素水平常常達到100 μg · L-1以上.許多研究結果表明，不同鹽度范圍的水體中藻類(lèi)生長(cháng)規律各不相同，這使得混鹽水體富營(yíng)養化具有自身獨特的特征與規律.目前，水體富營(yíng)養化問(wèn)題的研究多以淡水湖庫和海水為主，有關(guān)混鹽水體富營(yíng)養化問(wèn)題的研究相對較少，這使得混鹽水體富營(yíng)養化與水華防治工作缺乏理論支持與科學(xué)指導，故有必要對混鹽水體富營(yíng)養化問(wèn)題進(jìn)行專(zhuān)門(mén)研究.

　　富營(yíng)養化發(fā)生的原因比較復雜，是眾多因素長(cháng)期共同作用的結果，除N、P等營(yíng)養鹽因子外，還包括氣象、水文、水質(zhì)等環(huán)境因子.在混鹽水體富營(yíng)養化問(wèn)題研究中，從眾多影響因子中識別主要的影響因子，掌握主因子對富營(yíng)養化的驅動(dòng)規律，有助于更好地理解富營(yíng)養化的原因，對于預測富營(yíng)養化趨勢及水華產(chǎn)生，進(jìn)而采取有針對性的防控措施，具有十分重要的意義.因此，本研究以天津濱海地區典型混鹽水體清凈湖為研究對象，采用因子分析法、多元回歸分析法等統計學(xué)方法，對清凈湖富營(yíng)養化主要影響因子進(jìn)行識別，進(jìn)一步通過(guò)藻類(lèi)生長(cháng)模擬實(shí)驗，對營(yíng)養鹽和鹽度進(jìn)行量化分析，以期為濱海地區混鹽水體富營(yíng)養化防治提供參考.

　　2 材料與方法

　　2.1 研究區概況

　　清凈湖位于天津濱海地區中新生態(tài)城內，范圍為東經(jīng)117°44′39″~117°45′40″、北緯39°8′38″~39°9′41″，距渤海海岸線(xiàn)不足4 km，水面面積2.58 km2，平均水深2 m.研究期間的水體礦化度在5100~8400 mg · L-1之間，屬典型混鹽水體.由于天津淡水資源嚴重缺乏，清凈湖補水主要來(lái)自雨水和過(guò)境水，潔凈淡水補給十分有限，水體咸化和富營(yíng)養化是清凈湖面臨的兩個(gè)主要水環(huán)境問(wèn)題.

　　2.2 采樣與測試方法

　　本研究在清凈湖設A1~A9共9個(gè)采樣點(diǎn)，具體如圖 1所示.于2013年5月至2014年12月對清凈湖水質(zhì)進(jìn)行采樣測試分析(1、2月冰封期暫停監測)，每月采樣2~4次，測試指標包括pH、水溫、照度、溶解氧、透明度、氨氮、總氮、正磷酸鹽、總磷、高錳酸鹽指數、礦化度和葉綠素a等12項水質(zhì)指標.pH、水溫和溶解氧采用HACH-sensiON便攜式水質(zhì)多參數測量?jì)x于現場(chǎng)測定;光照強度采用�，擜s823手持照度儀現場(chǎng)測定;透明度采用Secchi盤(pán)法現場(chǎng)測定;水樣帶回實(shí)驗室測試分析，測試項目包括氨氮、總氮、正磷酸鹽、總磷、高錳酸鹽指數、礦化度和葉綠素a，測試方法參見(jiàn)《水和廢水監測分析方法(第四版)》.

圖1 水體采樣點(diǎn)示意圖

　　2.3 數據分析與處理

　　選取pH、水溫、照度、溶解氧、透明度、氨氮、總氮、正磷酸鹽、總磷、氮磷比、高錳酸鹽指數、礦化度和葉綠素a等13項指標與清凈湖營(yíng)養狀態(tài)關(guān)系密切的水質(zhì)指標進(jìn)行因子分析和多元回歸分析，因子分析和多元回歸分析均采用SPSS19.0統計軟件進(jìn)行.富營(yíng)養化評價(jià)采用綜合營(yíng)養狀態(tài)指數法(TLI)，具體方法參見(jiàn)《湖泊(水庫)富營(yíng)養化評價(jià)方法及分級技術(shù)規定》.

　　2.4 鹽度對藻類(lèi)生長(cháng)影響模擬實(shí)驗

　　以BG-11培養基配方配制藻類(lèi)培養液，設計含鹽量(NaCl)為0 mg · L-1(C0組)、5000 mg · L-1(C1組)、10000 mg · L-1(C2組)、15000 mg · L-1(C3組)、20000 mg · L-1(C4組)、25000 mg · L-1(C5組)、30000 mg · L-1(C6組)7個(gè)鹽度水平.依照清凈湖藻類(lèi)鑒定結果(圖 2)，按照2 ∶ 2 ∶ 1 ∶ 1的比例接種銅綠微囊藻(Microcystis aeruginosa)、小球藻(Chlorella)、席藻(Phormidium)和卵囊藻(Oocystis)，接入藻種后于光照培養箱中進(jìn)行培養，溫度為25 ℃，光照強度3200 lx，光暗比12 h ∶ 12 h.

圖2 藻種鑒定顯微圖(放大倍數10×40)

　　2.5 磷對藻類(lèi)生長(cháng)影響模擬實(shí)驗

　　實(shí)驗用水取自清凈湖，經(jīng)0.45 μm濾膜抽濾處理，測定總氮含量為3.49 mg · L-1，總磷含量為0.07 mg · L-1，礦化度為6300 mg · L-1;在總氮水平保持不變的情況下，參考清凈湖實(shí)際磷含量范圍，用 KH2PO4調節實(shí)驗用水磷濃度分別為0.07 mg · L-1(原水P1組)、0.175 mg · L-1(P2組)、0.349 mg · L-1(P3組)、0.698 mg · L-1(P4組)，對應氮磷比分別為50 ∶ 1、20 ∶ 1、10 ∶ 1、5 ∶ 1，另配制無(wú)磷培養液作為對照組(P0組)，接種藻和實(shí)驗條件與鹽度影響模擬實(shí)驗相同.

　　3 結果與分析

　　3.1 水質(zhì)現狀分析

　　計算葉綠素a(Chl-a)、透明度(SD)、高錳酸鹽指數(CODMn)、總氮(TN)、總磷(TP)月平均值±標準差，結果見(jiàn)表 1.監測期間，清凈湖礦化度均值變化范圍為5920~7877 mg · L-1，總氮為1.03~6.35 mg · L-1，總磷為0.05~0.30 mg · L-1，高錳酸鹽指數為9.37~36.81 mg · L-1，透明度為21~33 cm，葉綠素a濃度為15.73~127.9 μg · L-1. 通過(guò)水質(zhì)監測數據的統計分析發(fā)現，CODMn、TN和TP達到及超過(guò)Ⅴ類(lèi)水質(zhì)標準的數據所占比例分別為92%、70%和60%，藻類(lèi)和有機物污染嚴重，春季水質(zhì)相對較好，夏秋季較差.

表1 水質(zhì)監測和富營(yíng)養化評價(jià)結果

　　根據《湖泊(水庫)富營(yíng)養化評價(jià)方法及分級技術(shù)規定》(中國環(huán)境監測總站，總站生字[2001]090號)，采用綜合營(yíng)養狀態(tài)指數法對清凈湖各月?tīng)I養水平進(jìn)行評價(jià)，結果見(jiàn)表 1.由表 1可知，清凈湖富營(yíng)養化程度嚴重，春季為輕-中度富營(yíng)養化，夏秋季節為重度富營(yíng)養化，尤其是8—12月比較嚴重，9、10月常出現局部水華.實(shí)地調研發(fā)現，清凈湖為非連續流動(dòng)的淺水混鹽水體，湖水水質(zhì)受補水水源影響很大，春季補水主要來(lái)自水質(zhì)較好的過(guò)境地表水，這是春季水質(zhì)較好的主要原因;夏秋季補水水源為水質(zhì)較差的城市雨水徑流和再生水，氮磷及有機污染物輸入負荷高，氮磷營(yíng)養鹽累積，這可能是造成藻類(lèi)生長(cháng)迅速的主要原因.

　　3.2 富營(yíng)養化主要影響因子識別

　　選取2013年5月至2014年4月的37組水環(huán)境監測數據，應用SPSS統計軟件Correlation analysis功能對數據進(jìn)行相關(guān)分析，結果見(jiàn)表 2.經(jīng)檢驗，葉綠素a濃度與正磷酸鹽、總磷、氮磷比和礦化度的相關(guān)性顯著(zhù).其中，葉綠素a與礦化度呈負相關(guān)關(guān)系，表明隨著(zhù)含鹽量增加，水中浮游植物生物量隨之降低;與正磷酸鹽、總磷呈正相關(guān)關(guān)系，與氮磷比呈負相關(guān)關(guān)系，且96%水樣的氮磷比大于10 ∶ 1，表明磷是清凈湖富營(yíng)養化的限制因子.

表2 葉綠素a與影響因子的相關(guān)系數

　　雖然葉綠素a濃度與正磷酸鹽、總磷、氮磷比和礦化度顯著(zhù)相關(guān)，如果直接用于回歸分析，可能帶來(lái)嚴重的信息缺失和共線(xiàn)性的問(wèn)題，故進(jìn)一步采用SPSS統計軟件Factor analysis功能(Varimax直角旋轉)對水環(huán)境監測數據進(jìn)行因子分析，結果如表 3所示.旋轉后第一個(gè)主成分的特征根為3.381，它解釋了總變異的26%;第二主成分特征值為2.688，解釋總變異的20.673%;第三主成分的特征根為1.947，它解釋了總變異的14.979%;第四主成分的特征根為1.359，它解釋了總變異的10.45%.抽取前4個(gè)因子作為分析對象(特征值大于1)，4個(gè)因子累積貢獻率大于72%，這樣就從多維數據中抽取了主要信息.

表3 因子的特征值、貢獻率及累積貢獻率

　　為了放大各因子之間的差異，繼續采用方差最大化正交旋轉，結果如表 4所示.葉綠素a、磷酸鹽、總磷、礦化度、氮磷比在第一主成分上因子載荷較大，但由于總磷和磷酸鹽間相關(guān)性極顯著(zhù)，為避免產(chǎn)生共線(xiàn)性問(wèn)題，故剔除磷酸鹽因子;pH、氨氮、總氮在第二主成分上因子載荷較大，而總氮和氨氮相關(guān)性極顯著(zhù)，礦化度和pH極顯著(zhù)相關(guān)，故剔除pH和氨氮因子;高錳酸鹽指數、透明度在第三主成分上因子載荷較大;照度在第四主成分上因子載荷較大.在避免因子信息缺失和共線(xiàn)性問(wèn)題的基礎上，本研究初步識別清凈湖富營(yíng)養化主要影響因子為：葉綠素a、總磷、礦化度、氮磷比、總氮、高錳酸鹽指數、透明度、照度.

表4 主成分載荷矩陣

　　利用多元回歸分析法，對清凈湖富營(yíng)養化主要影響因子初步識別結果進(jìn)行進(jìn)一步篩選.以葉綠素a為因變量，總磷、礦化度、氮磷比、總氮、高錳酸鹽指數、透明度、照度為自變量，在SPSS軟件中輸入變量的數據，采用Stepwise策略對自變量進(jìn)行篩選，得到4個(gè)回歸方程(表 5)，4個(gè)模型系數經(jīng)T檢驗(表 6)，發(fā)現均滿(mǎn)足統計學(xué)檢驗要求.

表5 多元逐步回歸模型

表6 回歸模型T檢驗

　　利用2014年5月至2014年12月的14組水環(huán)境監測數據對4個(gè)模型進(jìn)行驗證，結果如圖 3所示.4個(gè)模型預測值與葉綠素a實(shí)測值比較，模型3預測相對誤差范圍為12.6%~184.3%，平均相對誤差為97.1%;模型4模擬相對誤差范圍為10.8%~217.9%，平均相對誤差為118.8%;模型3和模型4預測結果均明顯表現出較大誤差，且出現預測值為負的情況，表明以高錳酸鹽指數因子為自變量，大大降低了模型預測精度.模型1預測相對誤差范圍為2.9%~79.3%，平均相對誤差為37.2%;模型2預測相對誤差范圍為0.13%~47.5%，平均相對誤差為20.9%;模型1和模型2預測結果誤差相對較小，以模型2模擬精度為優(yōu).4個(gè)模型驗證結果表明，由總磷和礦化度為自變量的多元線(xiàn)性回歸模型(模型2)模擬精度最好，表明在清凈湖水環(huán)境監測指標中，總磷、礦化度對葉綠素a濃度影響最大.

圖3 模型驗證分析結果

　　綜合相關(guān)分析、因子分析和多元回歸分析的結果，確定總磷和礦化度為清凈湖富營(yíng)養化主要影響因子，水體中浮游植物生物量隨著(zhù)總磷濃度升高而增加，隨礦化度升高而降低.

　　3.3 鹽度對藻類(lèi)生長(cháng)影響分析

　　鹽度對藻類(lèi)生長(cháng)影響模擬實(shí)驗結果如圖 4所示，實(shí)驗期間7種鹽度水平條件下，藻類(lèi)生長(cháng)速率呈：C3組>C4組>C5組 >C0組>C1組>C2組>C6組，藻類(lèi)平均增殖速率分別為13.9×105 cells · mL-1 · d-1(C3組)、12.8×105 cells · mL-1 · d-1(C4組)、11.2×105 cells · mL-1 · d-1(C5組)、3.5×105 cells · mL-1 · d-1(C0組)、3.2×105 cells · mL-1 · d-1(C1組)、2.8×105 cells · mL-1 · d-1(C2組)、13.9×105 cells · mL-1 · d-1(C6組).由此可以推斷，在0~10000 mg · L-1鹽度范圍，藻類(lèi)生長(cháng)速率隨著(zhù)鹽度增加而降低;當鹽度范圍上升至15000~25000 mg · L-1范圍，藻類(lèi)快速生長(cháng)增殖，其中，含鹽量為15000 mg · L-1條件下藻類(lèi)增殖速率最快;當含鹽量達到30000 mg · L-1時(shí)，藻類(lèi)生長(cháng)又受到抑制.有研究表明，鹽度對藻類(lèi)生長(cháng)繁殖有較大影響，在適宜的鹽度范圍內，可促進(jìn)藻類(lèi)的生長(cháng)，當鹽度高于或低于藻類(lèi)耐鹽的適宜范圍時(shí)，藻類(lèi)的生長(cháng)就會(huì )受到抑制，其生理原因還有待于進(jìn)一步研究.根據觀(guān)察，接種藻后0~8 d，C3~C6組中小球藻、席藻和卵囊藻均大幅減少，銅綠微囊藻生長(cháng)緩慢，但逐漸成為優(yōu)勢藻;C1組和C2組席藻和小球藻數量減少，銅綠微囊藻和卵囊藻生長(cháng)緩慢，逐漸成為優(yōu)勢藻.8～18 d，C3~C5組銅綠微囊藻快速生長(cháng)增殖，成為絕對優(yōu)勢藻，卵囊藻、小球藻和席藻均未檢出;C1組和C2組4種藻均生長(cháng)緩慢，銅綠微囊藻為優(yōu)勢藻.C0對照組中4種藻均生長(cháng)較慢，第10 d達到頂峰，而后有所下降，小球藻為優(yōu)勢藻.由此可知，銅綠微囊藻對混鹽環(huán)境適應性較好，尤其在15000~25000 mg · L-1的鹽度環(huán)境下，小球藻、席藻和卵囊藻生長(cháng)均受到嚴重抑制甚至消亡，在缺乏藻種競爭的情況下，更易導致銅綠微囊藻快速增殖而爆發(fā)水華.因此，應繼續采取壓鹽洗鹽措施，降低清凈湖水體含鹽量，尤其將夏秋季水體含鹽量控制在10000 mg · L-1以下.具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

圖4 不同鹽度下藻類(lèi)生長(cháng)曲線(xiàn)

　　3.4 磷對藻類(lèi)生長(cháng)影響分析

　　磷對藻類(lèi)生長(cháng)影響模擬實(shí)驗結果如圖 5所示，實(shí)驗期間5種磷濃度水平下，藻類(lèi)平均生長(cháng)速率呈P3組(10 ∶ 1，氮磷比)>P4組(5 ∶ 1)>P2組(20 ∶ 1)>P1組(50 ∶ 1)>P0組(無(wú)磷培養液)，藻類(lèi)平均增殖速率分別為0.018×105 cells · mL-1 · d-1(無(wú)磷)、0.111×105 cells · mL-1 · d-1(TP=0.07 mg · L-1，N ∶ P=50 ∶ 1)、0.286×105 cells · mL-1 · d-1(TP=0.175 mg · L-1，N ∶ P=20 ∶ 1)、0.345×105 cells · mL-1 · d-1(TP=0.349 mg · L-1，N ∶ P=10 ∶ 1)、0.295×105 cells · mL-1 · d-1(TP=0.698 mg · L-1，N ∶ P=5 ∶ 1).實(shí)驗結果表明，在混鹽環(huán)境條件下，氮磷比對藻類(lèi)生長(cháng)同樣有顯著(zhù)影響，當氮磷比大于10 ∶ 1時(shí)，藻類(lèi)增殖速率隨著(zhù)氮磷比降低(磷濃度升高)而增加;當氮磷比小于10 ∶ 1時(shí)，藻類(lèi)增殖速率隨著(zhù)氮磷比降低(磷濃度升高)而降低.根據Liebig最小生長(cháng)定律，藻類(lèi)細胞組成的原子比率C ∶ N ∶ P=106 ∶ 16 ∶ 1，對應的原子質(zhì)量比為40 ∶ 7.2 ∶ 1，當N ∶ P>7.2時(shí)，磷就會(huì )成為藻類(lèi)生長(cháng)的潛在限制因子，反之當N ∶ P<7.2時(shí)，氮就是藻類(lèi)生長(cháng)的潛在限制因子，此規律一般適合湖泊水庫等淡水中浮游植物的生長(cháng).本實(shí)驗中氮磷比為10 ∶ 1最適宜藻類(lèi)生長(cháng)，符合Liebig最小生長(cháng)定律.

圖5 不同磷濃度下藻類(lèi)生長(cháng)曲線(xiàn)

　　4 結論

　　1)清凈湖富營(yíng)養化主要影響因子識別結果表明，總磷和礦化度是清凈湖藻類(lèi)生長(cháng)的主要影響因子，葉綠素a濃度與含鹽量呈顯著(zhù)的負相關(guān)關(guān)系，與總磷呈正顯著(zhù)相關(guān)關(guān)系，以總磷和礦化度為自變量的多元線(xiàn)性回歸模型對葉綠素a預測精度較好.因此，確定磷含量和礦化度為清凈湖混鹽水體富營(yíng)養化的主控因子.

　　2)鹽度對藻類(lèi)生長(cháng)模擬實(shí)驗結果表明，鹽度對藻類(lèi)的生長(cháng)增殖有明顯影響，含鹽量為15000~25000 mg · L-1范圍適宜藻類(lèi)生長(cháng)，含鹽量為15000 mg · L-1時(shí)，藻類(lèi)生長(cháng)增殖速率最快.而當含鹽量小于10000 mg · L-1或大于30000 mg · L-1時(shí)，藻類(lèi)生長(cháng)緩慢，故應繼續采取洗鹽措施，控制清凈湖水體含鹽量在10000 mg · L-1以下，以降低水華爆發(fā)的風(fēng)險.

　　3)磷含量對藻類(lèi)生長(cháng)影響模擬實(shí)驗結果表明，磷含量對混鹽水體藻類(lèi)生長(cháng)有顯著(zhù)影響，隨著(zhù)磷含量增加，藻類(lèi)生長(cháng)速率隨之加快.在氮含量不變的情況下，藻生長(cháng)速率P3組(10 ∶ 1，氮磷比)>P4組(5 ∶ 1)>P2組(20 ∶ 1)>P1組(50 ∶ 1)>P0組(無(wú)磷培養液)，氮磷比為10 ∶ 1最適宜藻類(lèi)生長(cháng).因此，清凈湖水體富營(yíng)養化防治應以控磷除磷為主.