1. 前言
水体pH值与藻类生长关系密切,在碳源丰富的水体中,藻类光合作用影响二氧化碳的缓冲体系,进而影响水体中的pH值 [1]。有研究表明,在藻类繁盛的天然水体中,pH值可高达9~10,pH过高又会对藻类的光合作用产生抑制作用 [2] [3]。溶解氧(DO)是水生生物代谢的限制因子,其含量的高、低均可表征水生生物生长状况和水体污染程度,同时,在藻类丰富水体中,DO浓度根据藻类的光合作用以及水生生物呼吸作用而出现周期性变化 [2] [3] [4] [5]。叶绿素a通常用于表征水体中藻类的生物量,常被作为评价水体富营养化状况的主要因子并用于管理水生态系统 [6]。众多研究表明,藻类对pH、DO的影响研究主要集中在地表水 [7] [8] 以及利用水族箱微型实验 [9],湖库内藻类对pH值与DO的研究较少。调查区域未受工业污染及生活污染的影响,藻类以及水体中的各参数均根据内环境变化而变化,文章基于工作实际,对贵州某水库中藻类的生长繁殖对水体pH和DO影响进行研究,探索三者之间的相互关系,可为水体污染防治提供管理依据,为水资源保护提供科学支撑。
2. 材料与方法
2.1. 水库概况及采样点设置
研究区位于贵州省赫章县城西20 km处,水库于1965年动工,1981年建成,2011年及2013年两度实施了除险加固工程,最大坝高27.6 m,汇水区面积约2.67 km2,总库容9.6 × 105 m3,为小I型水库 [10]。水库周边土地利用类型主要为林地,耕地分布少,无工业污染源及生活污染源。
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Figure 1. Bitmap of sampling points in the study area
图1. 研究区采样点位图
为探索水库中藻类对pH、DO的影响,于2020年5月在水库入口、库中、出口布置3个采样点;为深入研究,于2020年6月在库中湖心处分层采样(采样深度0.5 m~7.5 m),每次每个点位采集3组样品,用于测定水中的pH、DO、叶绿素a等参数。具体采样点位见图1。
2.2. 样品分析及数据处理
水体中的pH、水温采用便携式pH计和水温计测定,溶解氧(DO)按照HJ506-2009使用溶解氧测定仪测定,化学需氧量(COD)参照HJ828-2017测定,总磷(TP)参照GB11893-1989使用可见分光光度计测定,总氮(TN)参照HJ535-2009使用紫外可见分光光度计测定,叶绿素a采用紫外可见分光光度计测定。
数据统计分析采用Excel进行数据处理、以及图表制作采用Origin2021绘制、研究区采样点位图采样ArcGIS10.2绘制完成。
3. 光合作用原理及其对pH、DO的影响
地面水中浮游植物或者藻类的增加,会影响水体中的感官性指标,同时由于其呼吸及光合作用,影响地面水中的某些化学平衡 [11],特别是碳酸盐物种间的化学平衡 [8],碳酸平衡方程式如下:
(1)
(2)
(3)
(4)
水体中碳酸平衡控制着地面水体的pH变化,其中任何一种离子浓度的变化都将引起pH的变化。藻类的光合作用是把水中的二氧化碳转化为有机物,下列反应式反映了光合作用与碳酸盐的关系 [12]:
(5)
(6)
由于在地面水pH范围内,碳酸盐中的碳主要是以HCO−形式存在,因而,在富营养化的地面水中,HCO−浓度的大小决定了藻类的生长转化数量,影响地面水的pH变化。在富营养化的地面水中,溶解氧主要来源于藻类的光合作用,由于光合作用产生的O2量远远大于呼吸作用所需要的O2量,所以在光合作用产生的O2中,溶解氧最高可达到饱和溶解氧的4倍 [12]。由(6)式可知,在光合作用强烈的静水或流速小于0.3 m/s的水中,光合作用引起的溶解氧变化,必然引起水质的pH变化。通过计算溶解氧的变化,可近似得出pH的变化规律。
设该类地面水溶解氧为b时,pH值为a,则溶解氧变为b'时,根据(6)式得出 [12]:
ΔCDO > 0 时:
(7)
ΔCDO < 0时:
(8)
式中ΔCDO为两次溶解氧浓度差值,单位为mol/L。
4. 关系验证
2020年5月~6月对调查区水库监测结果见表1,结合中国环境监测总站发布的《湖泊(水库)富营养化评价方法及分级技术规定》(总站生字[2001] 090号) [13],水库5月水体处于贫营养状态,随着温度升高、光照增强,6月水库已经富营养化,在适宜条件下,藻类将大量繁殖。pH实测值与计算结果见表2、图2。
监测结果表示,水库随着水深增加,DO浓度降低,pH值降低,pH值与DO变化趋势具有一致性。根据表2,虽然pH、DO测量过程中存在一定误差,pH的计算值与实测值仍然一致;在水体表层,pH值、DO浓度最高,其含量分别为9.73、12.73 mg/L,溶解氧浓度为饱和溶解氧的170%;水库底层溶解氧浓度未达到饱和状态。
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 1. Monitoring results of pH, DO and chlorophyll a in reservoirs in the survey area (mean values)
表1. 调查区水库中pH值、DO和叶绿素a监测结果(均值)
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 2. Measured and calculated pH values at different depths in the reservoirs in the survey area
表2. 调查区水库中不同深度pH测量值和计算值
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Figure 2. Comparison of pH measured and calculated values at different depths of the reservoir in the survey area
图2. 调查区水库不同深度pH测量值和计算值对比
5. 结论
藻类在光合作用过程中合成并释放O2,随着水体中藻类含量的增加,DO浓度增加,pH值随着增大,二者具有高度正相关性;藻类的生长繁殖对pH的影响也具有制约性,即pH达到一定值后,会抑制藻类生长。在富营养水体中,从表层水至深层水中,pH、DO最大值出现在表层水中,在水库水质管理过程中,应着重监测表层水体情况,同时,应观察水体颜色以及透明度,注意水体的富营养化对pH值的影响,通过监测pH值和DO的变化,可以反预测藻类的生长繁殖态势,对水体稳定性保护具有重要意义。
基金项目
贵州科学院青年基金资助(“黔科院J字[2021] 40号”)。
NOTES
*通讯作者。