富营养化(Eutrophication)是指水体接纳了过量营养元素(如氮、磷等)后引起的水质污染现象和过程，主要表现为浮游植物及其它水生生物异常繁殖，急剧增长，水体透明度和溶解氧发生变化，造成水质恶化，水生高等植物消失，鱼类猝死，生物多样性下降，水生态系统结构和功能受损(Correll，1998；孙金华，2013；张文强等，2014).针对富营养化的治理和修复，有学者提出，修复开始建议实施一种比较简单的方法，然后随着对水体的了解及之前积累的一些经验，进一步使修复方法详细化及复杂化(张光平等，2014).根据国内外经验具体可以分为3种：物理方法、化学方法和生物方法.其中，物理修复技术包括混合充氧、底泥疏浚、底泥覆盖技术及水库深层排水等技术(Søndergaard et al., 2003)；化学修复技术包括投加混凝剂及利用植物化感作用等技术(王春玲，2011)；生物修复技术包括经典生物操纵和非经典生物操纵方法.经典生物操纵技术是指通过大型牧食性浮游动物控制藻类的过量繁殖(杨州等，2005)，而非经典生物操纵方法是指通过鲢、鳙鱼控制藻类(Salonen et al., 2013).目前修复水体富营养化主要采用生态修复技术，如有研究人员向水体中种植或者投放大型沉水植物、鱼、河蚌，利用水体中植物、微生物对营养元素的吸附、合成、转化和降解等过程来修复湖泊(谢丹平等，2009；Li et al., 2013)；邵凯等(2014)将大麦秆、小麦杆、芦苇等化感植物投加到富营养化水库，利用化感植物氧化分解释放的化感物质降低营养盐浓度，削减浮游植物生物量.

目前研究水体富营养化修复方法众多，针对不同的水体，采取因地制宜的方法来修复控制水华才能起到事半功倍的效果.从富营养化的定义可以看出，水库富营养化和水库中氮、磷营养盐的含量有直接关系.对于一个湖泊或者水库来说，提出一种富营养化控制方案使湖库水质达到预期的目标，就需要对该具体研究对象的水体营养状况有一个很好的了解，而营养状况最好的反映无疑就是水体中氮、磷营养盐的特征.国际上控制水体富营养化的经验显示：控制富营养化的根本问题是削减营养盐的输入，特别是限制性营养盐的输入(Paerl，2009；Wang et al., 2009；冯锦梅等，2013).营养盐作为水生生态系统中一种重要的生态因子，关系着整个水生生态系统的正常运转，在自然状况下，湖库生态系统一般可以保证自身的物质和能量的正常循环(秦伯强等，2013).但随着经济的发展、人们生活水平的提高，人类活动对于湖库的影响越来越大，许多湖库出现了富营养化，甚至发生严重的水华，进一步加剧了水生态环境的破坏.因此，对湖库限制性营养盐的研究及由此提出科学的调控对策成为目前水体富营养化修复任务的关键.

水生生态系统可能会呈现磷限制、氮限制或氮磷同时限制(Goldman，1980;Conley，1999)，哪种营养元素是限制性营养元素，需要进行判断，而这种判断也可能会随着季节发生变化(Goldman，1980;Malone et al., 1996).20世纪30年代到50年代，Redfield进行了一系列淡水藻类和海洋浮游植物种群的实验室培养(Redfield，1958)，发现海洋中的无机营养比值和有机生物体的元素组成之间存在显著的一致性，提出了在理想条件下，藻类生长会有一个相对固定的元素原子比，这一概念就叫作Redfield比值，即C ∶ N ∶ P=106 ∶ 16 ∶ 1，即1个磷原子对植物生物量的贡献相当于16个氮原子、106个碳原子的贡献，它通常被用来界定水体中营养盐的限制特性.一般认为，当水体中的氮磷摩尔浓度比超过16 时，浮游植物的生长就会受到磷元素缺乏的限制；反之，则是氮限制.另外，关于N ∶ P比值与限制性营养盐的关系，Sakamoto(1996)发现，当海藻N ∶ P原子比值在10~17范围内时，氮和磷对叶绿素的生产量的作用几乎相同(氮、磷同时限制或者说都不限制生产量)；当N ∶ P原子比值小于10时，叶绿素的生产量仅受氮限制；而当N ∶ P原子比值大于17时，叶绿素的生产量只受磷的限制.在判断植物生长的元素限制性应用中(Chen et al., 2004;Zhang et al., 2004)，国内也进行了一些研究，如Zhang等(2004)根据施肥试验结果，验证了N ∶ P比值是相对稳定的，可以作为判断生境中氮或磷不足的指标，并且根据施肥试验获得了内蒙古草原区草本植物的N ∶ P比临界值，他们的研究结果初步认为N ∶ P原子比小于21，则这种物种受氮限制，而当N ∶ P原子比大于23时，则受磷限制.在湖库富营养化的研究，经常根据TN/TP判别浮游植物的营养限制类型.根据Redfield 及Sakamoto(1996)的研究结果，确定TN/TP比进行分析，两个临界点的选取分别为10和17，且这一临界点的选取也适用于我国八大生态分区的湖库(刁晓君等，2013).

近年来，福建省主要饮用水源水库山仔、东张、安砂、山美、东圳等均呈现不同程度的富营养化，水生生态系统结构和功能的退化，严重影响了水质，造成了巨大的经济损失，并威胁到人们的饮水安全.因此，本文以福州市的第二饮用水源地山仔水库作为研究对象，从水体的限制性营养盐角度出发，对其限制性营养盐及调控进行研究，以期为富营养化水体的控制提供参考.

山仔水库又名畲山湖，位于福建省福州市连江县，属于福建省敖江流域干流梯级开发规划的第三级水利工程，库区位于敖江中游的腹心，地理中心坐标为北纬26°17′51″，东经119°21′35″(图 1).水库总库容1.723亿m³，调节库容1.064亿m³，平均水深30 m左右，属于季调节水库(刘用凯，2001).水库总装机容量为45 MW，多年平均发电量1.73亿kW · h.工程具有灌溉、防洪、发电、供水等综合效益(金相灿等，2004).水库所在区域地势开阔，基本上为山地、丘陵地貌，其间发育为山间盆地，该库区范围内居住人口约为18万人，其中，库区周边主要常驻人口5万人左右，当地居民以农业为主，主要从事种植业、林业，经济收入普遍不高.山仔水库于1992年8月开始建设，1994年正式建成，1997年被确定为福州市的第二饮用水源地，具有重要的环境生态价值和水质安全意义(苏玉萍，2006；周亮进等，2008；钟厚璋，2011).由于库区内外过量氮磷营养盐的输入，加上当地适宜的气温光照条件及不利的水动力条件的共同影响作用，水库水体已呈现明显的富营养化状态(林佳等，2010). 至2012年期间，已暴发不同程度的蓝藻水华现象，暴发的持续时间多在半年以上.而蓝藻的大量繁殖及死亡藻类的腐烂分解，不仅消耗了水中的溶解氧，而且藻细胞死亡或细胞膜通透性增强时会向水中会释放藻毒素，使得鱼虾等大量死亡，水生生态系统失衡(金相灿等，2004；王菲凤等，2011)，加上秋季时常发生突发性水库“翻库”导致水质污染事件，直接威胁到福州市人民的供水安全.

图 1(Fig.1)

图 1 山仔水库地理位置图 Fig.1 Location of Shanzi Reservior

为了使该研究能够覆盖整个库区，更好地反映山仔水库整个库区的营养盐和水质概况，山仔水库采样点分别设置在日溪进口、七里进口、小沧、库心、大坝等5个断面，其相应的地理坐标如表 1所示.

表 1(Table 1)

表 1 山仔水库各采样点位坐标 Table 1 GPS of sampling stations in Shanzi Reservoir

表 1 山仔水库各采样点位坐标 Table 1 GPS of sampling stations in Shanzi Reservoir 采样点位 纬度(N) 经度(E) 日溪进口 26°21.699′ 119°17.462′ 七里进口 26°23.400′ 119°17.897′ 小沧 26°22.551′ 119°18.887′ 库心 26°22.150′ 119°18.697′ 大坝 26°20.368′ 119°19.832′

数据来源为实验组常年监测的山仔水库日溪、七里、小沧、库心、大坝等断面的氮磷营养盐及其他理化指标的测定结果.其中，水质总磷的测定采用钼酸铵分光光度法(GB 11893-89)，总氮的测定采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(HJ 636—2012)，叶绿素a采用丙酮提取分光光度法测定(SL88—1994).

采集的水样先经0.45 μm 醋酸纤维滤膜过滤，将滤膜置于冰箱内冷冻保存，用丙酮提取后，使用分光光度计(S22PC型)，以90%丙酮为空白参比，测定色素提取液的吸光度.各形态磷采用钼酸盐SMT分级提取法测定(Ruban et al., 2001；翁圆等，2014).

为了准确分析山仔水库各指标间的内在现象，本文数据采用SPSS 18.0软件进行分析，依据方差分析检验不同指标间差异的显著性，并通过二元统计回归分析不同指标对山仔水库氮磷营养盐与其他指标之间的相关性.数据图采用Sigmaplot 10.0进行绘制.

湖泊富营养化研究中，常以Chl-a 浓度指示浮游植物生物量.通过Chl-a 与营养物质的相关性分析可以揭示湖泊水体富营养化的限制性营养(刁晓君等，2013).从图 2可以看出，2003—2013年，山仔水库叶绿素a浓度与TP(n=39，r=0.3494，p<0.05)显著正相关，而与TN(n=39，r=0.2078，p>0.05)则无显著相关性，因此，山仔水库浮游植物生物量主要受磷营养的限制.另由lg[TN]、lg[TP]与lg[Chl-a]二元线性回归方程的模拟结果(表 2)可知，在山仔水库中TN对Chl-a的影响不显著，而TP对Chl-a的影响显著(p<0.05).从全年范围内看，磷是山仔水库藻类生长的限制性营养元素.

图 2(Fig.2)

图 2 2003—2013年历年叶绿素a浓度与水体中TP、TN之间的相关性分析 Fig.2 Correlation analysis of Chl-a and TP and TN of Shanzi Reservoir from 2003 to 2013

表 2(Table 2)

表 2 山仔水库中TN、TP与Chl-a关系的二元回归统计分析 Table 2 Regression analysis of Chl-a on TP and TN in Shanzi Reservior

表 2 山仔水库中TN、TP与Chl-a关系的二元回归统计分析 Table 2 Regression analysis of Chl-a on TP and TN in Shanzi Reservior 变量 系数 标准误差(SE) t p r df 注：*p<0.05，**p<0.01，***p<0.001. 截距b 2.218 0.414 5.352 0.000*** lgTP 0.683 0.331 2.061 0.047* 0.375* 37 lgTN 0.149 0.422 0.355 0.725

根据图 2 中2003—2013年历年叶绿素a浓度与水体中TP之间的相关性分析，当富营养化发生的叶绿素a浓度阈值为10 μg · L^-1(金相灿，1990)时，据图 2给出的线性回归方程(lg[Chl-a]=0.6776lg[TP]+2.182推算，与之对应的 TP浓度阈值约为0.028 mg · L^-1.故当以此作为山仔水库磷营养的控制目标.

山仔水库中浮游植物群落演替的监测结果表明，库区一年内春季至冬季藻类演替规律为：硅藻门/蓝藻门→蓝藻门→蓝藻门/隐藻门→硅藻门(苏玉萍，2006；钟厚璋，2011)，夏季，蓝藻门微囊藻属的丰度在10⁸ cells · L^-1左右，所占比例接近98%.固氮蓝藻与非固氮蓝藻的比例在一定程度上可以调节水体中氮营养盐的量，从而在一定程度上改变其限制性营养元素(叶琳琳等，2014).由图 3和表 3可引出下述结果.

图 3(Fig.3)

图 3 2003—2012年山仔水库不同季节TP变化 Fig.3 Variation of TP in Shanzai Reservior in different seasons from 2003 to 2012

表 3(Table 3)

表 3 山仔水库中不同季节下TN、TP与Chl-a关系的二元回归统计分析 Table 3 Regression analysis of Chl-a on TP and TN in different seasons in Shanzi Reservior

表 3 山仔水库中不同季节下TN、TP与Chl-a关系的二元回归统计分析 Table 3 Regression analysis of Chl-a on TP and TN in different seasons in Shanzi Reservior 季节 变量 系数 标准误差(SE) t p r df 注：*p<0.05，**p<0.01，***p<0.001. 春季 截距b 3.590 1.203 2.984 0.025 lgTP 1.646 0.878 1.876 0.010* 0.655* 8 lgTN 1.451 1.133 1.280 0.248 夏季 截距b 3.318 1.099 3.019 0.019 lgTP 1.750 0.960 1.823 0.011* 0.652* 9 lgTN -0.502 0.830 -0.605 0.565 秋季 截距b 1.006 0.615 1.636 0.146 lgTP -0.562 0.504 -1.116 0.031* 0.606* 9 lgTN 0.851 0.423 2.014 0.044* 冬季 截距b 0.135 0.770 0.176 0.865 lgTP -0.860 0.563 -1.528 0.025* 0.738* 9 lgTN 2.333 0.818 2.851 0.170

1)春季，山仔水库水体总磷浓度范围为0.03~0.09 mg · L^-1，TN ∶ TP原子比在35~42之间.水体中总磷对叶绿素a浓度有显著影响(p<0.05)，而总氮则对叶绿素a浓度无显著影响(p>0.05).进入春季，水体中浮游植物群落由硅藻门逐渐向蓝藻门演替，蓝藻门中固氮的鱼腥藻的作用在一定程度上增加了水体中氮的含量，使得水体中氮磷营养盐此消彼长，这一时期，磷是水体初级生产力的关键限制性营养元素.

2)夏季，山仔水库水体总磷范围为0.06~0.13 mg · L^-1，暴雨季节总磷含量可达0.200 mg · L^-1以上，总磷浓度较高，TN ∶ TP原子比在11~13之间，但水体中溶解性磷占总磷的比例在9.6%~20.5%之间，水体中溶解性磷的浓度较低.当生长介质中氮和磷的浓度较高时，藻类细胞可通过奢侈性吸收储存上述营养，借以抵御外界环境的不利变化，因此，夏季磷元素主要蓄积在藻体内，水体中溶解性磷的浓度很低，故磷仍为水体初级生产力的关键限制性营养元素.

3)秋季，山仔水库水体中总磷浓度范围为0.02~0.08 mg · L^-1，TN ∶ TP原子比在35~57之间，TP对叶绿素a浓度有显著影响(p<0.05)，TN对叶绿素a浓度亦有显著影响(p<0.05).水体中主要存在蓝藻门和隐藻门，蓝藻门主要以微囊藻属为主，固氮蓝藻比例较少，故磷对水体初级生产力依然具有关键限制作用.

4)冬季，山仔水库水体中总磷浓度范围为0.02~0.06 mg · L^-1，TN ∶ TP原子比在64~72之间，水体中溶解性磷占总磷比例在55.0%～66.5%之间，山仔水库水体中TP对叶绿素a浓度有显著影响(p<0.05)，水体中主要以硅藻门为主.同时冬季水温较低，不利于内源磷的释放，表层与底层水的混合更加均匀，故磷对水体初级生产力依然具有关键限制作用.

已有研究表明，水体初级生产力的限制性营养元素可能具有空间异质性(林国恩等，2009).因此，本文对山仔水库垂直方向不同断面的限制性营养元素进行了分析，并对深度最大的坝前断面表层、中层与底层的限制性营养元素进行了判断.从图 4可以看出，秋、冬、春季，水体表层、中层与底层的TN/TP原子比值为25~71，总体表现为磷的关键限制性作用；夏季，水体表层、中层与底层的TN/TP原子比值在10~14之间，且溶解性磷浓度较低，故磷为水体初级生产力的关键限制性营养元素.综上所述，与垂相因素相比，季节因素对限制性营养元素的影响更为显著.

图 4(Fig.4)

图 4 2010年坝前断面不同深度(上层、中层、下层)水体不同月份TN/TP原子比变化 Fig.4 The molar ratio of TN and TP at the different depth of Dam session(the upper，the middle and the bottom)in different months of 2010

2009—2013年，政府环保部门和研究机构在山仔水库已经实施了一些修复措施，主要包括扬水筒曝气控藻、养鱼控藻、化感植物原位围隔控藻等，这些修复手段均有一定的效果.根据课题组之前的监测分析，2009年安装的扬水筒曝气系统，改善了水文水动力条件，夏季对叶绿素a浓度的削减率在80%左右，主要问题为扬水筒的成本比较高，该技术不能根本削减水体中营养盐.从2009开始，在山仔水库实施的养鱼控藻项目，增殖放养鲢、鳙等鱼苗近500万.理论计算投加1 kg鲢、鳙鱼(1 ∶ 1混养)，可以从水体中带走37.75 g磷、101.99 g氮，如果合理捕捞，每年可从水体中带出的氮和磷分别为61.34 t和22.84 t，从而有效地减缓水体富营养化，但这种生态操纵技术比较复杂，放鱼后的捕捞管理不理想.

本文通过对山仔水库限制性营养盐进行了分析和判定，确立了控制山仔水库富营养化的关键限制性营养是磷元素.因此，本文提出山仔水库宜采取总体上氮和磷营养元素联合削减、优先削减磷营养盐的策略.明确了削减的目标为调控磷营养盐浓度至0.028 mg · L^-1以下，应对各种修复技术进行环境、经济和社会方面的考虑，并进行成本-效益分析，选择最佳的修复对策改善水质.

1)从2003—2013年山仔水库氮、磷营养盐浓度和Chl-a浓度的分析得出，水体TP对Chl-a的影响显著(p<0.05)，TN对Chl-a的影响不显著，因此，从年际尺度来看，磷元素是山仔水库藻类生长的主要限制性营养盐元素.

2)从2003—2013年山仔水库不同季节限制性营养盐判断，秋、冬、春季，水体总磷浓度在0.02~0.09 mg · L^-1之间，TN/TP原子比值在35~72之间，水体表现为磷元素限制；夏季水体表层TP浓度在0.06~0.13 mg · L^-1之间，TN/TP原子比值在11~13之间，磷元素主要蓄积在藻体内，由于温跃层的存在，底层释放的磷无法向表层水体供应，表层水体中溶解性磷浓度低，表现为溶解性磷营养盐限制.水体限制性营养盐受季节的影响比垂向空间的影响大.

3)山仔水库限制性营养盐削减的目标为调控磷浓度至0.028 mg · L^-1以下，未来应对不同修复措施进行成本-效益分析，综合环境、经济与社会方面的考虑，选择最佳的修复对策.