台风降雨对沿海典型饮用水库富营养化及浮游藻类群落结构的影响机理

Typhoon rainfall, which is an important factor for water eutrophication and algae blooms, frequently affects adversely water quality of drinking water reservoirs along the coast in Guangdong province. However, previous studies on typhoon rainfall affecting aquatic ecosystem were mainly focused on estuary and coastal waters. Little information is available about the effects of typhoon rainfall on drinking water reservoir. Gaozhou Reservoir is a drinking water reservoir, and affected frequently by typhoon. In this project, effects of typhoon rainfall on water quality, and the relationship between suspended particles and content of nitrogen and phosphorous in the reservoir will be investigated. The effect of sediment subsidence after typhoon rainfall on transformation of nitrogen and phosphorus as well as adsorption dynamics and mechanism will be elaborated. The project will also study the disturbed effect of typhoon rainfall on phytoplankton community structure in reservoir, and illustrate the influence of typhoon rainfall on phytoplankton interspecific competition. The project will provide technical support for protection of water quality in drinking water reservoirs in extreme typhoon weather conditions, and will develop strategies for the management of the drinking water reservoir, which has important academic and application values.

台风降雨是水体富营养化与藻类水华爆发的重要影响因素。我国广东沿海属于台风频繁发生区域，台风降雨经常对区域内的饮用水库供水安全带来威胁。目前关于台风降雨对水体的影响研究多集中在河口或近海，对淡水水体尤其水源水库的研究明显缺乏。本项目拟选取受台风影响较大的饮用水源——高州水库为研究对象，研究台风降雨对水库水环境特征的影响，分析水库泥沙含量变化及与氮磷含量的相关性，阐明台风降雨后泥沙沉降对水库氮磷迁移转化的影响及其对氮磷吸附动力学机理，探索台风降雨对水库浮游藻类群落特征的干扰效应，揭示台风降雨后泥沙对水库不同浮游藻类种间竞争差异性的影响。研究结果将为防范台风降雨极端天气对饮用水源水库的影响提供技术支撑，并将丰富与完善饮用水源水库水质管理方法，具有重要的学术价值和推广应用价值。

台风是我国粤西沿海地区常见的自然灾害，台风强降雨能够导致水体悬浮泥沙含量升高、营养盐浓度改变以及水生态系统的系列变化。本研究在2015-2016年对粤西水源水库高州水库开展了十次现场实测，并于2015年10月强台风“彩虹”登陆粤西期间，开展台风强降雨前、中和后期三次现场监测和含沙原水自然沉降过程模拟实验；使用在台风强降雨后获取的悬浮泥沙，开展泥沙对氮磷吸附动力学和吸附等温线模拟实验；开展不同泥沙含量对浮游藻类种间竞争差异性机理的研究。研究结果表明：（1）高州水库浮游藻类生物量与水体中泥沙、总氮和总磷含量密切相关；（2）台风强降雨对水库中氮磷浓度及浮游藻类均产生显著影响，台风强降雨后水体浮游藻类总细胞密度降低，蓝藻细胞密度比例从台风前期86%下降至58%；（3）泥沙沉降作用使得水体TN、TP、Chla含量和TLI降低；（4）高州水库悬浮泥沙不具有明显的氮吸附动力学特性，对磷的吸附动力学平衡时间为10 h；（5）泥沙粒径小于0.25 mm时，对磷的平衡吸附量随泥沙粒径减小而增大；泥沙含量在0.2-2.0 kg/m3时，对磷的平衡吸附量随泥沙含量增大而增大；悬浮泥沙对磷的吸附等温线符合Langmuir及Freundlich模型，最大吸附量为0.073-1.776 mg/g；（6）泥沙含量增加对藻类生长速率、光合作用、抗氧化系统等均造成一系列的生理生化变化影响；随泥沙含量增加栅藻和小环藻生长速率减小，微囊藻生长速率先增加后降低，泥沙含量为0.2 kg/m3时生长速率最快；高浓度泥沙胁迫导致微囊藻、栅藻和小环藻的SOD、CAT和POD酶活性升高；泥沙含量为2.0 kg/m3时，栅藻叶绿体和类囊体受到一定程度的损伤，微囊藻和小环藻的细胞壁和类囊体部分结构受到破坏。本研究识别出台风强降雨后水体泥沙含量与浮游藻类生长的关系，深入分析泥沙沉降和吸附作用对水体氮磷浓度影响以及藻类对泥沙胁迫的响应机制，发现台风强降雨后的泥沙沉降作用对藻类生长产生抑制，有利于减轻水体富营养化程度，以上研究成果对于分析识别极端气候条件对水源水库水质和富营养化的影响具有重要意义。