2. 国家水电可持续发展研究中心, 北京 100038
2. National Research Center for Hydropower Sustainable Development, Beijing 100038, China
近年来,我国部分湖库富营养化严重,频繁发生藻华灾害,严重影响湖泊生态安全和居民饮用水安全[1,2]. 为了预测藻华的暴发,科学家们对藻华的形成机制进行了长期探索,迄今研究表明藻华的形成基本可以分为4个阶段: 越冬、 复苏、 生长及消亡[3,4].
藻细胞越冬通常包含水体和底泥两个相对独立而又关联的载体,因此底泥中的藻细胞分布对预测次年藻华发生的地点是至关重要的. 越冬期,微囊藻聚集在水库和湖泊中底泥表面,为次年的藻华提供藻源[5,6],越冬期间Mendota湖底泥中的微囊藻主要集中在表层底泥(0~4.0 cm),但具有光合作用活性[7]; 有研究发现微囊藻在越冬期间底泥中的生物量大于悬浮游的生物量,说明微囊藻能在底泥表面聚集并存活较长的时间[8, 9],其研究结果间接地证实了蓝藻的越冬行为; Hansson[10]认为Mendota湖底泥表面4种藻类上浮量与水体中藻类生物量有直接的关系,说明上浮的藻类是水体中藻类生物量的重要来源. 季健等[11]通过分析越冬期太湖底泥中藻细胞时空分布预测次年藻华的种源地在梅梁湾,15N稳定性同位素示踪的方法证实夏季水体中初期发生的微囊藻水华主要来源于底泥中的越冬微囊藻群体[12]. 但是Yang等[13]认为越冬的底泥微囊藻进入到水柱的数量有限,藻华的形成是因为水柱中藻细胞大量生长所致. 很显然,不同的研究地点,不同的藻种类型,其研究结果也不尽相同. 对于藻种的复苏,Verspagen等[14]认为微囊藻从底泥到水中的复苏是一个由于外来风力或生物扰动所产生的再次悬浮的被动过程. 对于藻种再悬浮之前藻种的分布与底泥的营养关系值得研究.
营养盐是影响藻华形成的一个重要因素,但是目前相关研究大部分集中在水体营养盐与藻华生长互作关系,对于底泥营养盐与藻华的关系研究并不多,相关研究聚焦在湖库底泥的营养分布及营养盐形态转化方面[15, 16, 17],但将底泥营养盐分布与藻种来源的关系作为研究内容并不多. 季健和苗秀珍分析了年际间太湖底泥营养盐和叶绿素的浓度,并初步分析了营养盐与叶绿素分布之间的关系,结果表明总磷与叶绿素在2月呈显著相关[18,19]. 在沉积物底部的缺氧和厌氧条件下,铁铝磷向钙磷、 有机磷转化,此转化过程不利于藻细胞生长,沉积物磷释放增加上覆水中的磷酸盐浓度,为藻细胞生长繁殖提供了必要的营养条件[20].
三峡水库蓄水以来,支流流速减缓,泥沙沉降,库湾和支流污染物的滞留时间延长,导致支流藻密度较高,极易形成藻华[21, 22, 23, 24, 25, 26, 27]. 大宁河(31°02′~31°20′N,109°30′~110°01′E)是三峡库区重要的支流,发源于重庆巫溪县境内,于巫山县城以东注入长江,全长202 km,流域面积达4 180.87 km2距离三峡大坝约123 km,其回水水域主要位于重庆市巫山县境内.大宁河是著名风景区——小三峡所在河流,该河流回水区段淹没区域既有原来的农田,又有原来的村寨,还有V字型峡谷[28],底泥特征并不一致.
迄今,在大宁河发生几次较大的藻华[28],目前研究表明: 大宁河春季藻细胞主要集中在水体上层0~4.0 m之间,其密度与总氮、 总磷、 水温、 DO、 pH、 浊度、 高锰酸盐指数呈显著正相关关系,与透明度呈负相关关系[29],形成水华原因除了水体水质达富营养化条件外,回水区水动力条件的改变也是重要因素之一[30]. 但是对于藻华种源是否来源于底泥还不得而知,并且目前没有发现关于大宁河底泥营养盐的分布的相关报道,因此进一步探究大宁河支流藻华形成机制,为建立库区支流基于藻华形成机制的藻华预警体系,分析越冬期间大宁河底泥营养盐分布及其与藻细胞分布关系是极为必要的.
1 材料与方法 1.1 研究地点
本研究选择三峡库区大宁河流域4个具有代表性采样位点,分别是菜子坝、 白水河、 双龙及大昌(图 1). 菜子坝是大宁河支流与长江干流的交汇处,其河底既有巫山县城老城区的城市土地,又有原来大宁河河道的沉积物; 白水河是大宁河流域典型的河湾,其河底平坦,蓄水前多为农田,此种类型的河湾在大宁河流域较为常见; 双龙取样点属峡谷航道,两岸为石质峭壁,河流横断面为“V”型,其底部多为沙砾及砾石; 大昌取样点位于古城原址,蓄水后大宁河的回水最上端区域.
![]() | 图 1 采样点在三峡库区的地理位置示意 Fig. 1 Sampling sites in Baishui Bay, the Daning River, the Three Gorges Reservoir |
由于大昌取样点在2007年12月还曾出现过大规模藻华现象,为了真实地反映越冬期藻细胞的所在场所,野外底泥取样试验于2013年1~4月进行,每月15日左右采样1次.
利用内径为60 mm的垂直重力柱状采泥器采集约1.0 m的底泥样品,从底泥顶层按照每2.0 cm的厚度切取底泥移至密封袋中,放入保温箱内冷藏保存. 在每个采样点采集3份平行样品,相关指标测定结果取其平均值.
1.3 测定方法总氮、 铵态氮、 硝态氮、 亚硝态氮、 总磷、 无机磷和有机磷在实验室测定. 底泥中总氮的测定利用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(GB/T 11894-1989),硝酸盐氮的测定利用紫外分光光度法(HJ/T 346-2007),亚硝酸盐氮的测定利用分光光度法(GB/T 7493-87),铵态氮的测定利用纳氏试剂光度法(HJ 535-2009),总磷的测定利用过硫酸钾消解钼酸铵分光光度法(GB 11893-89),无机磷的测定利用过硫酸钾消解钼酸铵分光光度法(GB 11893-89),有机磷的测定利用钼酸铵分光光度法(GB 11893-89)[31].
叶绿素的测定: 称取一定量解冻后的底泥样品,于室内风干至恒重,称取5 g研磨好的样品放入研钵中,加入90%丙酮溶液2 mL,仔细研磨5 min,转移至10 mL具塞离心管中,于4℃黑暗条件下静置8~10 h,4 000 r ·min-1的转速离心5 min,上清液转移至10 mL容量瓶中,最后用90%丙酮定容至10 mL. 此待测液用于测定叶绿素浓度[32].
1.4 数据处理每个样品相关指标测定重复3次,取其平均; 相关性分析利用SPSS 16.0处理,P < 0.05为显著性相关, P < 0.01时为极显著相关.
2 结果与分析 2.1 氮素时空分布 2.1.1 总氮1~4月,菜子坝沉积物0.0~2.0 cm之间的总氮浓度分别为1 215、 1 186、 1 276和1 198 mg ·kg-1,其量显著高于其他深层的该元素浓度,随着沉积物的深度增加,该元素浓度迅速下降,在沉积物4.0~12.0 cm之间,总氮元素变化不显著,从12.0 cm该元素浓度又呈现上升趋势,在16.0 cm处再次达到顶点其浓度分别为849、 831、 876和821 mg ·kg-1,随后其浓度再次下降.
1~4月,白水河沉积物中氮元素浓度最高的位置出现在16.0 cm处,其浓度分别为1 042、 994、 964和942 mg ·kg-1,浓度次高点出现在20.0 cm处,其浓度分别为937、 928、 947和927 mg ·kg-1,4.0~12.0 cm之间,总氮元素变化不显著,16.0~20.0 cm之间,总氮元素变化也不显著.
1~4月,双龙处沉积物氮元素范围分别在609~709、 604~701、 604~688和629~698 mg ·kg-1; 大昌处沉积物氮元素范围分别在641~812、 632~720、 606~701和651~714 mg ·kg-1. 双龙处沉积物各层的氮元素差异不显著,大昌处沉积物中12.0~14.0 cm除了在1月高达812mg ·kg-1,其他月份大昌沉积物各层氮元素差异不显著(图 2).
![]() | 图 2 底泥中总氮的浓度分布 Fig. 2 Distribution of total nitrogen in sediment |
1~4月,菜子坝沉积物0.0~4.0 cm之间的氨氮浓度较高,其最高浓度位于2.0~4.0 cm,分别为58.32、 58.08、 58.31和56.32mg ·kg-1,其他分层内氨氮在4个月份中均不显著.
1~3月,白水河沉积物中0.0~2.0 cm氨氮浓度最低,其浓度分别为24.3、 25.2和28.3 mg ·kg-1,该分层4月的氨氮浓度为30.2 mg ·kg-1,4月沉积物中14.0~16.0 cm之间氨氮浓度最低,为28.4mg ·kg-1. 4个月份沉积物在0.0~6.0 cm分层中氨氮浓度呈现上升趋势,其中4.0~6.0 cm分层中浓度最高为53.46、 53.13、 42.28和46.83mg ·kg-1,其浓度在其它分层中变化不显著,均位于29.42~42.19mg ·kg-1.
1~4月,双龙处沉积物中仅在12.0~14.0m分层中略高40mg ·kg-1,其它分层氨氮浓度差异不显著; 1~4月,大昌在4个取样点中,沉积物中氨氮平均浓度最高分别为40.18、 39.99、 40.11和39.20mg ·kg-1 (图 3).
![]() | 图 3 底泥中氨氮的浓度分布 Fig. 3 Distribution of ammonia nitrogen in sediment |
1~4月,菜子坝沉积物0.0~4.0 cm之间的硝态氮浓度呈上升趋势,其最高浓度位于2.0~4.0 cm,分别为403.19、 399.40、 392.97和399.81 mg ·kg-1; 沉积物4.0~6.0 cm之间,硝态氮浓度呈 急剧下降趋势,分别下降了182.81、 194.08、134.68和170.05 mg ·kg-1,6.0~20.0 cm之间,其浓度呈现略微降低趋势; 4.0~20.0 cm分层中,菜子坝在4个取样点中硝态氮平均浓度最低,为191.02、 189.24、 196.17和192.74mg ·kg-1.
1~4月,白水河沉积物在0.0~6.0 cm分层中硝态氮浓度呈现上升趋势,其中4.0~6.0 cm分层中浓度最高为364.02、 331.83、 339.43和337.81mg ·kg-1; 随着沉积物深度增加,其浓度逐渐降低,其它分层中硝态氮浓度变化不显著.
1~3月,双龙沉积物在12.0~14.0 cm分层中硝态氮浓度最高为272.61、 245.43和263.84mg ·kg-1. 4月硝态氮最高浓度在6.0~8.0 cm分层中为198.03mg ·kg-1.
1~4月,大昌沉积物在8.0~10.0 cm分层中硝态氮浓度最高为311.18、 295.31、 302.36和307.53mg ·kg-1,但是其它分层中硝态氮的浓度变化明显差异显著(图 4).
![]() | 图 4 底泥中硝态氮浓度分布 Fig. 4 Distribution of nitrate nitrogen in sediment |
除了3月,菜子坝沉积物0.0~4.0 cm之间的亚硝态氮最高浓度,132.58、 134.61和126.34mg ·kg-1; 3月,沉积物0.0~2.0 cm之间的亚硝态氮最高浓度,130.04mg ·kg-1; 2.0~4.0 cm,亚硝酸盐浓度迅速降低; 其他分层其浓度变化不显著.
1~4月,白水河沉积物在0.0~6.0 cm分层中亚硝态氮浓度呈现上升趋势,其中4.0~6.0 cm分层中浓度最高为120.53、 96.27、 100.21和117.84mg ·kg-1; 其它分层中亚硝态氮浓度变化不显著.
1~4月,双龙沉积物中亚硝态氮浓度相对稳定,在12.0~14.0 cm分层中亚硝态氮浓度最高为92.42、 91.29、 94.28和89.94mg ·kg-1. 其它分层中亚硝态氮浓度变化不显著.
1月,大昌沉积物在8.0~10.0 cm分层中的亚硝态氮浓度最高为100.45mg ·kg-1,2~4月,在10.0~12.0 cm分层中的亚硝态氮浓度最高为102.73、 101.02和101.38mg ·kg-1; 但是0.0~2.0 cm分层中的亚硝态氮浓度较低(图 5).
![]() | 图 5 底泥中亚硝态氮浓度分布 Fig. 5 Distribution of nitrite nitrogen in sediment |
1~4月,菜子坝沉积物中各分层中总磷的浓度总体上比其它3个取样点各对应分层的浓度高. 4个月份菜子坝沉积物中0.0~2.0 cm的总磷浓度最高,分别为785.11、 763.68、 772.12和767.90mg ·kg-1. 2.0~20.0 cm各分层中的总磷浓度变化不显著. 1~4月其它3个取样点沉积物中各分层的总磷浓度变化差异不显著,仅在白水河沉积物中18.0~20.0 cm之间总磷浓度相对较高,分别为512.94、 498.76、 488.37和493.57mg ·kg-1(图 6).
![]() | 图 6 底泥中总磷浓度的分布 Fig. 6 Distribution of total phosphorus in sediment |
1~4月,菜子坝沉积物中0.0~2.0 cm的无机磷浓度最高,分别为497.68、 469.16、 483.42和476.29mg ·kg-1. 沉积物中2.0~20.0 cm各分层中的无机磷浓度变化不显著,其浓度均介于324.25~389.80mg ·kg-1.
1~4月,白水河沉积物中无机磷的浓度为205.11~241.27mg ·kg-1,双龙沉积物中无机磷的浓度为191.77~224.37mg ·kg-1,大昌沉积物中无机磷的浓度为168.43~211.09mg ·kg-1. 这3个取样点沉积物中各分层的无机磷浓度变化非常不明显. 并且这3个取样点沉积物中各分层的无机磷浓度均比菜子坝各对应分层的该元素浓度低(图 7).
![]() | 图 7 底泥中无机磷浓度分布 Fig. 7 Distribution of inorganic phosphorus in sediment |
4个取样点,菜子坝和大昌处沉积物中有机磷的平均浓度高于白水河和双龙处的浓度,4个月菜子坝沉积物中有机磷的平均浓度分别为188.75、 185.07、 186.91和185.99mg ·kg-1; 大昌沉积物中有机磷的平均浓度分别为150.94、 148.49、 146.04和147.26mg ·kg-1; 白水河沉积物中有机磷的平均浓度分别为152.76、 155.21、 156.03和154.39mg ·kg-1; 双龙沉积物中有机磷的平均浓度分别为116.42、 112.86、 111.09和109.31mg ·kg-1(图 8).
![]() | 图 8 底泥中有机磷浓度分布 Fig. 8 Distribution of organophosphorus in sediment |
4个月份,不同取样点的底泥中叶绿素的分布特征类似. 在水平方向,同一深层底泥中的叶绿素浓度在大昌最高,其次是白水河,再次菜子坝,双龙处的叶绿素浓度最低. 在底泥垂向,叶绿素浓度从底泥表面到8.0 cm之间迅速下降,大昌取样点底泥在8.0 cm以下检测不到叶绿素浓度,白水河和菜子坝2个取样点在底泥6.0 cm以下检测不到叶绿素浓度,而在双龙处底泥4.0 cm以下基本检测不到叶绿素浓度(图 9).
![]() | 图 9 底泥中叶绿素浓度分布 Fig. 9 Distribution of chlorophyll a in sediment |
4个取样点4个月份,叶绿素a与NO2--N、 有机磷负相关,与其他营养盐正相关; 4个取样点中仅在大昌处1月底泥中叶绿素a 与无机磷显著相关,相关系数为0.87,其它月份其它地点,叶绿素a与各营养盐因子无显著相关; 4个月份中,底泥中的叶绿素a与同一营养盐因子的相关系数逐渐减少. 同一月份,大昌底泥中的叶绿素a与同一营养盐因子的相关系数最高,双龙处相关系数最低(表 1).
![]() | 表 1 大宁河底泥营养盐与叶绿素a的相关性分析 Table 1 Correlation analysis between nutrients and chlorophyll a in Daning River |
三峡水库蓄水以来,支流流速减缓,泥沙沉降,库湾和支流污染物的滞留时间延长[21, 26],同时,三峡大坝建成后大宁河支流回水区淹没了原来的农田和部分村庄,因此底泥与原来未建大坝时的底泥营养盐分布并不一致,但是自2010年蓄水至175 m以来,未见关于大宁河底泥营养分布的研究报道. 本研究在1~4月,选择大宁河4个具有代表性的点位,利用垂直重力采泥器采集柱状泥样,分析了20.0 cm以内的底泥营养盐的分布状况. 研究结果表明底泥中0.0~2.0 cm总氮浓度在菜子坝最高,其次是白水河,大昌最小,菜子坝处的总氮可能主要是巫山县城生活污水中污染物的排放积累而成; 而白水河处的总氮浓度最高的是2.0~4.0 cm,其主要原因可能是由于取样地点淹没前是农田,由于长期使用底肥,导致氮元素的最高浓度不是出现在底泥表层,而是出现在底泥的某一分层. 整个试验期间菜子坝采样点底泥2.0~4.0 cm氨氮浓度最高,在1和2月白水河底泥4.0~6.0 cm浓度较高. 硝态氮和亚硝态氮(除3月)在菜子坝底泥2.0~4.0 cm浓度最高; 氨氮、 硝态氮和亚硝态氮在同一个采样点4.0 cm以下分层浓度差异不显著. 造成氮元素分布特点的原因可能由于水-底泥界面的水动力或者环境条件并不适宜底泥微生物的生存,底泥微生物特别是厌氧微生物大部分集中在底泥2.0~6.0 cm之间,此泥层的环境更加有利于微生物对氮元素的形态转化.
受淹没前农田施肥状况影响,白水河处的总磷从0.0~6.0 cm呈增加趋势,但是菜子坝的总磷和无机磷不仅仅在表层的浓度显著高于其它分层,而且每一分层中总磷、 无机磷浓度都高于其他3个取样点相应的分层,根据菜子坝的取样地点为原大宁河河道,推测菜子坝的总磷和无机磷主要来源不是来自农田施肥,而是巫山县城排放的生活污水或工业废水内的污染物在底泥中的沉积而成,在对巫山县城12个排污口的污染物分析也发现其中的总磷和无机磷显著高于其他3个取样点处点源污染的总磷和无机磷浓度. 有机磷在菜子坝和大昌的浓度高于白水河和双龙的浓度,但是不同分层的浓度差异不显著,主要原因可能是菜子坝和大昌淹没前是原来城镇居民区,其有机磷由于不容易被底泥中微生物利用,因此累积量要远高于农田淹没区的白水河和峡谷河道的双龙.
双龙和大昌两处底泥中营养盐因子在底泥不同分层中的浓度变化并不十分显著,其浓度变化浮动范围也比较窄. 双龙是一个狭长且两岸陡峭的峡谷,取样点位于航道中心,因此底泥样品既不是原来农田土壤,也不是两岸护坡因地表径流而堆积土壤,而是水体中的固体颗粒物经过上千年的积累而成,是真正的“沉积物”,因此在沉积物各分层中营养盐的浓度变化不显著.
3.2 底泥中藻细胞分布与营养盐分布关系藻细胞在底泥中越冬,底泥中的藻种为次年的藻华提供种源[5, 6, 11, 12, 13, 14],因此藻细胞在底泥中的分布与营养盐的分布有密切关系. 但是不同湖库,生态环境不同,底泥中的藻种的分布规律也不相同,季健[18]在太湖利用叶绿素a代表藻种密度,研究了藻细胞越冬期底泥中藻细胞与营养盐分布关系,依此结果预测次年藻华发生地点. 但是本研究中,仅在1月大昌处发现叶绿素与无机磷有显著相关,相关系数为0.87,其他取样点没有检测到叶绿素和营养盐显著相关,说明越冬期大宁河大部分流域底泥中的藻细胞无法为次年藻华提供藻种. 目前为了及早地预防藻华的发生,通常通过分析越冬期底泥中的藻细胞分布确定次年藻华的种源地,利用此方法确定了梅梁湾是太湖次年藻华暴发种源地[18,19],而本研究利用此方法却没有得出类似的结果,因此在三峡库区无法利用分析藻细胞在底泥中的分布确定次年水华藻种种源地. 由于越冬期,三峡库区属于蓄水期,水位较高,底泥生境温度较低,光线较暗,并不适应藻细胞的越冬,而大昌处取样点由于处于汇水区上端,水深较浅,光线较其他取样点好,因此在越冬期,大昌极有可能是次年藻华的藻种来源地之一,其他取样点处藻细胞主要分布在水面以下4.0 m之内[33]. 依据本研究及本课题组前期研究,推测对于深水湖泊,越冬期间,除死亡的藻细胞沉于底泥外,其他藻细胞悬浮于水体0.0~4.0 m之间,这期间主要受水体营养盐及水温的影响.
磷被认为是影响藻细胞生长的决定性因子[34, 35, 36, 37, 38]. 越冬期,底泥中的磷元素分布也影响了底泥中藻细胞的分布,2月与3月太湖底泥中的磷元素与蓝藻分布具有显著相关性[18,19],因而推测在浅水湖区底泥的磷元素与底泥蓝藻分布密切相关. 但是本研究发现,菜子坝处底泥的无机磷显著地高于其他取样点处,但是菜子坝处无机磷与叶绿素并不显著相关,大昌处和其他2个取样点的无机磷浓度差异不显著,但是在大昌处1月检测到无机磷与叶绿素显著正相关. 依据试验结果可推测,大宁河底泥中的营养盐不是影响底泥藻细胞分布的主要影响因素,大昌处底泥中的藻细胞主要来源于蓄水初期回水中的藻细胞聚集在大昌后沉降所致,由于大昌处水位较浅,底泥表面处的磷元素是影响藻细胞在底泥中分布的主要影响因素. 因此,依据本研究的结果可以推测,浅水湖泊与深水湖库中的藻细胞越冬地是不一样的,浅水湖泊藻细胞的越冬地为底泥,深水湖库藻细胞的越冬地为水体.
4 结论(1)菜子坝底泥0.0~2.0 cm总氮浓度最高,白水河底泥2.0~4.0 cm的总氮浓度最高; 菜子坝底泥2.0~4.0 cm氨氮浓度最高,1和2月份白水河底泥4.0~6.0 cm浓度较高; 硝态氮和亚硝态氮(除3月)在菜子坝底泥2.0~4.0 cm浓度最高; 氨氮、 硝态氮和亚硝态氮浓度在同一个采样点底泥4.0 cm以下分层差异不显著.
(2)白水河处的总磷从0.0~6.0 cm呈增加趋势,菜子坝底泥表层的总磷和无机磷的浓度显著高于其它分层,而且每一分层中总磷、 无机磷浓度都高于其他3个取样点相应的分层; 有机磷在菜子坝和大昌的浓度高于白水河和双龙的浓度,但是同一采样点底泥不同分层的有机磷浓度差异不显著.
(3)同一深层底泥中的叶绿素浓度在大昌最高,其次是白水河,再次菜子坝,双龙处的叶绿素浓度最低.
(4)只有1月在大昌取样点处无机磷和叶绿素的浓度显著正相关,相关系数为0.87,底泥中的营养盐不是影响底泥藻细胞分布的主要影响因素,大昌底泥是大宁河藻细胞越冬地,是大宁河春末夏初水华藻种来源地.
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