2016, Vol. 37
2. 上海大学环境与化学工程学院, 上海 200444;
3. 中国水利水电科学研究院水环境研究所, 北京 100038
2. School of Environmental and Chemical Engineering, Shanghai University, Shanghai 200444, China;
3. Department of Water Environment, China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China
河流筑坝蓄水使天然河流形成人工水库或人工湖泊，不仅改变了河流原有的物理、化学以及生物特性，而且影响了其中生源要素的循环，改变了河流的物质通量[1~3].
三峡工程是世界最大的水利水电工程之一，在发挥防洪、航运等社会效益的同时，也导致库区水环境发生改变，这种改变甚至影响长江下游乃至河口以及近海的物质通量[4~7].三峡水库蓄水后，坝前水体总氮、总磷浓度较蓄水前同期均明显降低[8]，入库、出库水体之间各项营养盐浓度均存在一定差异[9]，表明库区生源要素的循环发生了改变.三峡水库是河道型水库，蓄水后干流水体河流特征明显，水质较蓄水前有所改善[10].由于受到水库回水顶托，库区众多支流的下游及河口形成库湾回水区，其流速缓慢，水体转变为类湖泊型水体，近年来，多条支流回水区曾多次出现水华[11~14].库区干支流水环境分异，支流库湾表层生产力的活动性显著高于干流水体，这表明库区生源要素的循环与改变可能主要发生在支流库湾.因此研究支流库湾营养盐的来源、分布及其季节变化规律，对于揭示三峡库区营养要素循环改变的原因和库区水环境变化趋势具有重要的意义.
以往对于库区营养盐循环的研究，在进、出库区物质通量的改变[8]、库区干流沿程营养盐浓度变化[9]等方面作了系统工作.此外，对于不同水位调控时期干流输入对支流库湾营养盐的补充[15~17]、回水区营养盐变化特征[18, 19]、营养盐与浮游生物的关系[20]等方面做了大量研究，这些工作对于认识三峡库区生态效应以及库区水环境变化有重要意义.从干支流相互作用方面对库湾开展连续观测也是认识库区营养盐循环的过程与机制的关键.目前在此方面开展的观测多集中在香溪河[18~20]、大宁河[21, 22]等支流，三峡库区支流众多，不同的支流与干流的互相作用可能存在一定的差异性.本研究以草堂河为例，通过对2012、2013年逐月现场采样，分析其溶解态营养盐DIN、DIP、DSi的分布特征及其季节变化规律，讨论支流库湾营养盐的来源及其在库湾中的变化，进而探讨支流库湾对于库区生源要素循环及物质通量的作用和意义.
1 材料与方法 1.1 研究区域及样点设置草堂河位于三峡库区中部的重庆市奉节县境内，是长江北岸的一级库区支流，介于东经108°14′~109°25′，北纬30°35′~31°26′之间，距离三峡大坝约165 km，其全长33.3 km，流域面积为395 km2，平均流量约7 m3·s-1，年径流量2.37亿m3.库区蓄水后，在距河口8 km范围内形成常年回水区.本次研究在长江干流设置一个断面(CJ)，草堂河常年回水区设置3个断面(河口、回水区中部、回水区顶部)，采样编号依次为CT01、CT02、CT03，支流上游采样点设置在汾河镇，编号为CT04.具体站位分布见图 1.
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图 1 草堂河采样站位示意 Fig. 1 Map of sampling sites in Caotang Tributary |
于2012年8月至2013年7月期间对草堂河及干流各断面逐月进行现场调查，用Hydrolab DS5多参仪测得水温、叶绿素a等参数.用5L Niskin采水器分别在CT01、CT02、CT03、CT04断面处0、5、10、20 m直至底层(距离底部5 m)处采水，由于干流水体垂向交换程度较强，水体垂向混合均匀[18]，因此在长江干流CJ断面处只采取表层水.水样用于溶解态营养盐浓度的测定.
水样采集后用预处理过的0.45μm的醋酸纤维滤膜过滤(使用前在pH≈2的HCl中浸泡，之后用去离子水冲洗至中性，烘干备用)，将滤液装入洁净的100 mL聚乙烯瓶中(用1：5的HCl浸泡数日后依次用去离子水、Milli-Q水冲洗干净，干燥备用)，加入饱和HgCl2固定后常温避光保存，回到实验室后尽快测定.
采用连续流动分析仪(荷兰SKALAR分析仪器公司)进行溶解态营养盐浓度的测定，其中NO3--N采用Cd-Cu还原重氮偶氮比色法，NO2--N采用重氮偶氮比色法，NH4+-N采用靛酚蓝法，DIP采用磷钼蓝法，DSi采用硅钼蓝法，DIN指NO3--N、NO2--N、NH4+-N三者的加和; 实验用水均为Milli-Q水，实验过程均实施质量控制，每天选取一定的样品进行重复测定，偏差均小于3%.
2 结果与分析 2.1 库湾溶解态营养盐浓度时间分布特征长江干流、草堂河库湾中部及支流上游的溶解态营养盐DIN、DIP、DSi浓度逐月变化见图 2.总体来看，库湾中部DIN、DIP、DSi浓度均呈现季节性变化，其变化规律与长江干流相似，这种相似性以库湾底层最为显著.库湾底层DIN表现为春夏季高、秋冬季低，在7月和9月分别出现最高值180.60μmol·L-1和最低值87.31μmol·L-1 [图 2(a)]; DIP表现为春季明显高于其他季节，最高值出现在2月为6.39μmol·L-1 [图 2(b)]; DSi表现为夏秋季高、春季和冬季较低，最高值146.60μmol·L-1和最低值92.10μmol·L-1分别出现在10月和3月[图 2(c)].在全年范围内库湾底层水和长江干流水DIN、DIP、DSi浓度接近，差异大都在10%以内. DSi与干流差异最小，其与干流最为接近的月份(8、12、6月)差异均小于1%，即使是差异最显著的月份(3月)也仅比干流低约9%[图 2(c)]. DIN与干流差异最小的月份(1月)仅低于干流0.54%，在8~10月与干流差异略大但也在20%以内[图 2(a)].虽然DIP与干流的差异相对DSi、DIN较大，但除8、9、11月之外，其与干流差异大都在5%以内，差异最小的月份(5月)仅高于干流0.94%[图 2(b)].
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图 2 长江干流和草堂河库湾回水区溶解态营养盐逐月变化 Fig. 2 Monthly variations of dissolved nutrient concentration of the Yangtze River and the Caotang tributary |
在全年范围内，库湾各月份底层水的营养盐浓度的升降趋势与干流相同.对草堂河库湾底层水与干流的DIN、DIP、DSi浓度进行相关性分析，其相关系数分别为0.91(P＜0.001)、0.96(P＜0.001)、0.96(P＜0.001)，表明库湾与干流的营养盐浓度具有极显著正相关性.综上，库湾底层水中DIN、DIP、DSi浓度与长江干流相差甚微，且与长江干流具有一致的月际变化趋势.
库湾表层水的DIN、DIP、DSi浓度在秋季与冬季(9月~次年2月)与底层水较为一致，差异均在20%以内，二者月际变化趋势也相似(图 2).库湾表层水与底层水中营养盐浓度在春、夏季(3~8月)出现差异，表层浓度明显低于底层，尤其以3月最为显著，DIN、DIP、DSi分别比底层低约37%、88%、87%.这些季节库湾内叶绿素a的浓度显著高于干流[图 2(d)]，推测库湾营养盐的这种表底层分异与表层生产力有关.尽管表层水中DIN、DIP、DSi的浓度在春、夏季节与底层水有差异，但其月际变化趋势与干流具有较高的相似性，其继承了干流的月际变化趋势，浓度升降均与干流同步.
草堂河上游DIN、DIP、DSi的浓度分布和月变化趋势与库湾回水区及长江干流水体均有显著的差异. DIN与DSi月际变化幅度大多在30%~100%之间，具有山区短源河流物质浓度变化幅度大的特点[23].
2.2 库湾溶解态营养盐及水环境参数的空间分布特征水体中叶绿素a的质量浓度可以指示水域初级生产力的活动性强弱，初级生产力与水体中营养盐的循环密切相关[24, 25].观测期间，草堂河库湾叶绿素a的质量浓度在春夏季较高，该时期水温适宜、光照充足，库湾初级生产力活跃.尤其在6月，叶绿素a的质量浓度达到全年最高值27.80μg·L-1，此时库湾初级生产力达到观测期间的全年最高水平[图 2(d)]. 图 3、图 4分别为库湾表层生产力活动性最强月份(2013年6月)和较弱月份(2012年12月)的营养盐浓度及营养盐比值的空间分布.
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图 3 2013年6月草堂河库湾营养盐(DIN、DIP、DSi)、营养盐比值及水环境参数(温度、浊度)分布 Fig. 3 Distribution of DIN, DIP, DSi, turbidity, temperature and the ratio of nutrient in the Caotang tributary in June, 2013 |
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图 4 2012年12月草堂河库湾营养盐(DIN、DIP、DSi)、营养盐比值及水环境参数(温度、浊度)分布 Fig. 4 Distribution of DIN, DIP, DSi, turbidity, temperature and the ratio of nutrient in the Caotang tributary in December, 2012 |
2013年6月，库湾水体温度出现分层，表层温度略高[图 3(g)]，库湾浊度从河口至上游逐渐降低[图 3(h)].适宜的温度，较为清澈的水体，为表层生产力的活跃提供了合适的水文条件.库湾水体营养盐浓度出现明显的表层低、底层高的分层现象，表层水DIN、DIP、DSi浓度分别为121.93、0.18、85.69μmol·L-1，与底层差异均大于25%，尤其是DIP，约比底层低91%，表底浓度差异显著.库湾底层水体营养盐浓度与干流相似，差异均在5%以内[图 3(a)~3(c)].库湾DIN/DIP、DSi/DIP表现为表层远高于底层，表层DIN/DIP、DSi/DIP分别为680、478，底层分别仅为88、59，DSi/DIN表底一致[图 3(d)~3(f)].此时干流水体DIN/DSi/DIP的摩尔比为95：62：1，远远偏离Redfield比值[26]，而库湾表层生产力对营养盐的消耗使DIN/DSi/DIP更加偏离Redfield比值，造成库湾表层DIN/DIP、DSi/DIP远高于底层.以上表明该时期库湾回水区叶绿素a所反映的高表层生产力导致表层水体营养盐浓度的显著降低以及营养盐比值发生改变.这种表层营养盐浓度降低与营养盐比值改变的现象同样出现在春夏季节表层生产力活跃的其它月份[图 2(d)].
这一时期库湾营养盐在水平方向上没有明显的浓度梯度.库湾中部与顶部底层DIN、DIP、DSi浓度差异很小[图 3(a)~3(c)]，尤其是DSi，两个断面底层的差异仅为2%左右，其DIN/DIP、DSi/DIP、DSi/DIN也相近[图 3(d)~3(f)]，二者营养盐浓度与比值均与干流一致.由于库湾中部和顶部生产力活动性强弱不同，二者表层DIN、DIP、DSi浓度及营养盐比值的差异相对于底层较大，尽管如此，其与支流上游仍然差异显著.库湾浊度虽然表现为从河口至库湾顶部逐渐降低，但是即使在库湾顶部其仍与干流相近，远远高于上游.
2012年12月，库湾水体温度、浊度表底分布均匀[图 4(g)~4(i)].库湾表层叶绿素a浓度仅为6月的约4%，生产力活动性较弱.库湾中部表、底层DIN、DIP、DSi的浓度差异均小于1%，库湾顶部水体营养盐浓度表底分布与中部一致[图 4(a)~4(c)].营养盐比值也相似，整个库湾DIN/DIP、DSi/DIP、DSi/DIN表底分布均匀[图 4(d)~4(f)].库湾中部DIN、DIP、DSi浓度分别为111.35、2.71、134.84μmol·L-1，除DSi外均高于长江干流，尤其是DIP，高出干流6%左右[图 4(a)~4(c)].库湾营养盐比值也均与干流略有差异，DIN/DIP、DSi/DIP略低于干流，DSi/DIN与干流差异不大[图 4(d)~4(f)].这种干支流营养盐浓度与比值上的差异可能是库湾底泥中的营养盐在微生物等作用下释放造成的[29].库湾内DIN、DIP、DSi浓度在水平方向上有浓度梯度，库湾顶部虽与中部略有差异，但差异均在2%以内.营养盐比值在水平方向上略有差异但不显著.库湾顶部与支流上游的营养盐浓度有明显的差异，以DIP为例，高达上游的2倍之多，且营养盐比值也相差甚远.
3 讨论 3.1 库湾营养盐的来源溶解态营养盐的时间与空间分布特征可以在一定程度上反映营养盐的来源与消耗[17].在观测期间，草堂河库湾底层营养盐浓度与干流差异大都在10%以内，且各营养盐组分的月变化趋势与长江干流一致，并不存在明显的相位差，其浓度与上游差异显著，多数月份差异在30%以上，个别月份差异高达98%.虽然库湾表层水的营养盐浓度在春夏季由于初级生产力的活跃有所降低，致使其与干流水有一定的差异，但其总体变化趋势仍与长江干流相近而与支流上游差异显著.库湾水体营养盐与支流上游的显著差异表明上游来水对库湾营养盐的分布影响较小，其浓度和变化趋势与长江干流的一致性表明支流库湾回水区的营养盐主要是来源于长江干流的输送.此外，在空间分布上，无论在夏季还是冬季，草堂河库湾顶部底层营养盐浓度及其比值均与长江干流相近，与支流上游差异较大，且库湾浊度继承了长江干流，远高于支流上游，表明干流对库湾的影响可以到达回水区末端，干支流进行了充分的水交换.草堂河库湾与长江干流营养盐的同步变化趋势表明二者有很好的连通性，干支流水交换迅速，且库湾内的水体滞留时间远远低于30天的采样间隔.
已有水动力观测结果表明，草堂河口与长江干流界面常年存在干支流水体交换[27]，其水交换通量范围为345~1 113 m3·s-1，平均流量达700 m3·s-1，而上游来水平均流量仅为约7 m3·s-1，远远小于干流来水量.因此，从物质通量上看，支流上游来水对库湾营养盐的贡献可以忽略，这与干流水体倒灌输入是库湾营养盐的主要来源的结论一致.此外，草堂河干支流营养盐的时空分布特征进一步表明，干支流界面的这种高强度水交换其影响范围可到达回水区末端.张佳磊等[21]研究了大宁河干支流水体混合过程中营养盐的行为，观测到在泄水期干流营养盐对支流的贡献率为70%左右.陈媛媛等[20]分析香溪河营养盐主要来源时，发现长江干流对香溪河库湾的TN、TP、DSi的贡献率均高达90%以上.这种现象在澎溪河[25]、神农溪[17]、磨刀溪[16]等支流的回水区也存在，表明库湾回水区营养盐主要来源于长江干流水体输入的现象普遍存在于库区支流回水区.
3.2 库湾营养盐的循环及其对干流物质通量的改变草堂河库湾水体流速缓慢，营养盐浓度全年高于浮游植物生长的营养盐浓度阈值[28]，在温度、光照适宜的春夏季(3~8月)，表层生产力的活动达全年最高水平.该时期库湾表层营养盐浓度显著低于底层，尤其是3月，表底差异更为显著.表层营养盐比值也与底层大有不同，其中DIN/DIP、DSi/DIP高于低层.这些时期库湾表层生产力的活跃造成库湾表层DIN、DIP、DSi大量消耗，实现了库湾表层营养盐的清除.库湾水体与湖泊水体类似，通常湖泊水体底层沉积物中的营养盐会在微生物等的作用下被释放重新回到水体，会导致底层营养盐浓度显著升高[29]，但是库湾底层营养盐浓度与干流相比并无明显上升，这表明库湾与干流有较好的连通性，水体交换较为迅速.由于干支流良好的连通性，频繁的水交换将干流营养盐补充到库湾，从而维持库湾表层生产力在春夏季的活跃.干支流的这种相互作用实现了营养盐的截留，降低了干流的营养盐通量.这种通过库湾表层生产力对营养盐进行截留的现象在大宁河[22]、梅溪河[30]等回水区也存在，表明支流库湾初级生产力对干流营养盐的清除作用不容忽视.
草堂河库湾在秋末到冬季期间水体温度相对较低，表层生产力活动性较弱，且营养盐浓度及比值皆表底均匀分布，此时库湾内部水体混合均匀.虽然草堂河库湾与长江干流水体有良好的连通性，但是库湾与干流的营养盐仍有浓度梯度，库湾DIN、DIP、DSi浓度均略高于干流，表明库湾存在营养盐的释放.通过干支流的水交换，将营养盐输送到干流，从而在一定程度上提高干流在秋、冬季节的营养盐通量.
以草堂河为代表的众多库区支流库湾回水区在春夏季叶绿素a浓度显著高于干流[30]，这些库湾表层生产力水平远高于干流，库区营养盐的循环主要发生在支流库湾而非干流.在三峡库区类似规模的支流多达40条，其回水区总面积占库区总水面的30%以上[31]，这些库湾春夏季对于营养盐的截留总量及秋冬季对营养盐的输出总量不容忽视，其在多大程度上影响库区干流物质通量的季节调配仍需要深入评估.
4 结论(1) 干流输入是库湾DIN、DIP、DSi的主要来源.草堂河库湾回水区底层营养盐的浓度全年与库区干流相近，表层营养盐浓度除受表层生产力影响较大的月份外也与干流相近，且库湾的月变化趋势与干流高度一致，均与支流上游相差甚远.
(2) 干流水体对草堂河库湾的影响可达库湾顶端，库湾与干流连通性很好，干支流水体交换迅速且充分.草堂河库湾顶部全年营养盐浓度与干流相近，与草堂河上游差异显著，且其月变化趋势也与干流一致，并无明显滞后.
(3) 在春、夏季，干流输入的营养盐在表层生产力的作用下在库湾截留; 在秋、冬季，库湾营养盐释放并通过干支流水交换输送到干流.营养盐在库湾的这种循环过程，在一定程度上改变了库区干流不同季节营养盐输送的节律.库区支流库湾众多，其对干流物质通量的季节调配作用不容忽视.