2019, Vol. 40
, YANG Zheng-jian
, JI Dao-bin , SU Qing-qing , LONG Liang-hong , LIU Xin-yuan , WANG Yao-yao , ZHAO Chong
浮游植物是河流生态系统的主要初级生产者, 也是食物链不可或缺的组成部分, 对河流生态系统中的物质循环和能量流动起着重要的作用, 对维持河流生态系统健康也具有重要作用[1].浮游植物的空间分布特征对河流生态系统的功能、稳定性和生态过程产生直接影响, 并且也反映了河流生态系统中环境的变化特征.浮游植物的生长和分布受温度、光照、水动力特性、营养盐和河流形态作用的综合影响, 具有明显的空间分布特征[2~4].水库的建设会使河流原本的水生态环境发生改变, 引起水库库区水体营养盐空间迁移和水文情势改变的变化, 从而会对水体中浮游植物的种类和数量产生影响[5~7].而叶绿素a的浓度和浮游植物生物量之间存在着密切的联系, 叶绿素a不仅仅是水体理化和生物指标综合作用的表现, 同时还受到环境因子的制约.因此, 研究叶绿素a含量的空间分布特征及其环境因子之间相互作用的关系, 对筛选水库支流富营养化过程起关键作用的环境因子具有重要意义[8, 9].
三峡水库从2003年开始蓄水以来, 在产生巨大的防洪、发电、供水和通航等综合效益的同时, 也因为三峡大坝的建设而改变了整个河流水动力、水文等条件从而使原来的河流生态系统转变为水库生态系统.在这个演变过程中, 因为水体污染物浓度高、入库污染负荷削减困难、水流流速变缓和水体自净能力降低导致部分支流库湾出现了严重的水华问题[10, 11].目前针对三峡库区支流的研究主要是单独对某一条支流进行营养盐含量、水动力特性和浮游植物迁移进行的研究, 多条河流进行水动力与浮游植物迁移关系之间进行分析, 以及在三峡库区支流春季和夏季水华高发期单独对某一条支流进行研究[12~15], 而对三峡库区不同支流夏季丰水期水华高发期时的营养盐的空间差异以及叶绿素a浓度变化的研究较少.鉴于此, 本文根据三峡库区丰水期时水华高发期间3条不同支流(香溪河、神农溪和大宁河)的水质监测资料, 分析三峡库区不同支流中氮、磷营养盐及叶绿素a浓度的空间分布规律, 并且探讨不同支流之间叶绿素a与理化因子之间的联系, 揭示浮游植物对各种理化因子变化的响应机制, 找到三峡库区不同支流之间的相同规律, 以期为我国水库库区支流水华防治提供科学依据.
1 材料与方法 1.1 研究区域概况香溪河位于湖北省西部, 发源于神农架, 是流经湖北兴山与秭归的最大河流.是三峡水库库区一级支流, 河口距离三峡大坝约34.5 km, 河流全长97.3 km, 流域面积达3 183 km2, 河道顺直狭长, 呈现出河道型环境特征; 神农溪流域位于湖北省西部, 发源于神农架, 是三峡库区巴东段的典型一级支流, 河口距离三峡大坝69.9 km, 河流全长60.6 km, 流域面积1 047 km2, 河道呈葫芦连接状, 呈现为过渡型环境特征; 大宁河发源于重庆巫溪县境内, 从巫山县城以东进入长江, 河口距离三峡大坝约123 km, 河流全长202 km, 流域面积达4 180.87 km2, 河道呈葫芦连接状, 呈现为过渡型环境特征.
1.2 样点布设于2018年6月对神农溪、香溪河和大宁河整条河段进行水质现场监测.根据香溪河库湾的地理特征从河口至河流末端依次布设10个监测点, 依次为XX00、XX01、XX02、XX03、XX04、XX05、XX06、XX07、XX08和XX09, 神农溪从河口至河流末端依次布设6个监测点, 依次为SN01、SN02、SN03、SN04、SN05和SN06, 大宁河从河口至河流末端依次布设6个监测点, 依次为DN01、DN02、DN03、DN04、DN05和DN06.具体位置如图 1所示.
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图 1 采样点分布示意 Fig. 1 Locations of sampling sites |
使用10 L采水器在水面下0.5 m处采集水样, 将水样保存于2个350 mL的聚乙烯水样瓶中, 其中一瓶加进H2SO4调节pH(pH＜2), 然后将两瓶水样放入冰箱低温保存带回实验室, 其中加入H2SO4的水样用来测定总氮(TN)、总磷(TP)和高锰酸盐指数.另一瓶水样用GF/C滤膜过滤(孔径0.45 μm)水样后收集到采样瓶中, 低温保存, 用来测定氨氮(NH4+-N)、硝氮(NO3--N)、正磷酸盐(PO43--P), 过滤后的滤膜用90%的丙酮于阴暗处提取24 h, 3 500 r ·min-1离心10 min, 收集上清液, 使用分光光度法测定叶绿素a浓度.
总氮(TN)、硝氮(NO3--N)、氨氮(NH4+-N)、总磷(TP)和正磷酸盐(PO43--P)于实验室内根据文献[16]测定.水温(WT)和水深(depth)由YSI-EXO多参数水质分析仪(美国)现场测定, 透明度(SD)采用塞氏盘在现场测定.
1.4 数据处理方法真光层深度(Zeu)是植物进行光合作用能有效发生的水体深度, 一般选取为水下光合作用有效辐射为水面1%处所对应的深度[17], 不同水体的真光层深度有着显著的差异, 针对三峡库区支流的水体, 在已有的研究上面, 本文研究采用透明度的2.7倍[18]作为真光层深度, 即:
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(1) |
水体表面采取混合层深度Zmix定义为水体垂直混合充分的表层水体的深度, 针对三峡水库支流水体, 在目前已有的研究上, 采用与表层水体温差≤0.5、1℃处对应的水深作为混合层深度Zmix[19~22].本研究选取与表层水体温差≤0.5℃所对应的水深作为混合层深度Zmix.采用ArcGIS 9.0绘制研究区域的监测断面, Excel表格绘制营养盐与叶绿素平面图, 水温图采用Origin 9.0绘制, 相关性分析采用SPSS 25.0进行分析.
2 结果与分析 2.1 氮素空间分布规律香溪河、神农溪和大宁河流域水体中各种形态氮元素质量浓度如表 1所示.
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表 1 三峡库区各支流氮元素质量浓度 Table 1 Nitrogen concentration in tributaries of the Three Gorges Reservoir area |
通过单因素ANOVA分析得出, 香溪河流域和神农溪流域TN质量浓度(P=0.722)不存在显著差异, 但香溪河与大宁河(P=0.001), 神农溪与大宁河(P=0.004)之间均存在显著差异.香溪河、神农溪与大宁河流域水体各种形态氮浓度变化规律如图 2所示.可以看出香溪河XX04点和XX07点表现为氨氮(NH4+-N)质量浓度高于硝氮(NO3--N), 主要原因是受到了点源污染, 工业废水是氨氮(NH4+-N)的主要来源.神农溪和香溪河的溶解性无机氮中硝氮(NO3--N)含量并无太大的差别, 但是香溪河流域水体中氨氮(NH4+-N)的含量整体上高于神农溪, 主要原因是香溪河受到了面源污染, 香溪河两岸果树施加的氮肥是造成香溪河流域水体中氨氮(NH4+-N)含量偏高的主要原因, 与文献[23, 24]所指出的香溪河水体中氨氮(NH4+-N)含量偏高研究结果一致.
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图 2 长江各支流流域采样点及氮元素浓度分布 Fig. 2 Sampling sites and concentration distribution of nitrogen in tributaries of the Yangtze rive |
本次调查研究表明, 香溪河流域、神农溪和大宁河流域水体磷形态空间分布规律如图 3所示, 香溪河流域水体TP质量浓度变化范围为0.06~0.18mg ·L-1, 均值为0.09mg ·L-1, 整体上处于Ⅱ类水标准下.神农溪流域水体中TP质量浓度变化范围为0.05~0.13mg ·L-1, 均值为0.07mg ·L-1, 整体上处于Ⅱ类水标准下.大宁河流域水体中TP质量变化范围为0.04~0.06mg ·L-1, 均值为0.05mg ·L-1, 整体上处于Ⅱ类水标准下.通过单因素ANOVA分析得出, 香溪河和神农溪流域(P=0.447), 两条河流不存在显著差异.但香溪河与大宁河(P=0.001)和神农溪与大宁河(P=0.004)均存在显著差异.香溪河流域TP浓度整体上高于神农溪流域是由于香溪河磷矿资源丰富, 香溪河受到磷矿和磷化工厂排污的影响使得整体上浓度较高.与李凤清等[25]所指出的香溪河流域水体磷含量较高的研究结论一致.香溪河正磷酸盐(PO43--P)质量浓度变化范围为0.02~0.05mg ·L-1, 均值为0.03mg ·L-1, 其分布规律与TP质量浓度变化基本一致.神农溪正磷酸盐(PO43--P)质量浓度变化范围为0.02~0.05mg ·L-1, 均值为0.04mg ·L-1, 其分布特征与TP质量浓度变化规律一致.大宁河正磷酸盐(PO43--P)质量浓度变化范围为0.001~0.011mg ·L-1, 均值为0.005mg ·L-1, 其分布规律与TP质量浓度变化基本一致.研究发现香溪河与神农溪TP质量浓度从河口向上游整体上都呈现上升趋势, 郑飞燕等[26]的研究结果与本研究结果一致.大宁河TP质量浓度汛期从河口向上游呈现下降趋势, 黄佳维等[27]的研究结果与本文研究规律一致.
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图 3 长江各支流流域采样点及磷元素浓度分布 Fig. 3 Sampling sites and concentration distribution of phosphorus in tributaries of the Yangtze river |
大量研究表明[22, 28~32], 水体中的电导率、pH和营养盐等因子的大小受到水温垂向分层的影响, 从而影响到水体中浮游植物的生长变化.香溪河、神农溪和大宁河流域的水温垂向分布规律如图 4所示, 香溪河下游XX00和XX01表底温差分别为1.5℃和2.1℃, 表明香溪河靠近长江干流的区域的水温垂向没有变化, 没有显著的水温分层现象, 水体垂向交换程度强烈, 此时水体中的营养盐和能量垂向掺混比较充分, 但越靠近香溪河上游水温分层现象越显著.是由于香溪河库湾下游靠近河口区域受长江干流水体倒灌影响, 导致水体垂向分层不明显; 香溪河库湾上游来水温度较低, 上游水体受上游低温底部异重流作用, 分层现象显著[33].神农溪下游SN01表底温差为0.6℃, 表明神农溪下游靠近长江干流的流域水温垂向掺混剧烈, 也无分层现象.神农溪中上游与香溪河一样, 越靠近神农溪上游水分层现象越显著.表明神农溪与香溪河一样在靠近长江干流的水域受到长江水体倒灌影响, 且神农溪与香溪河都发源于神农架林区, 神农溪流域上游水体受到上游低温底部异重流作用, 使水体分层现象显著.大宁河下游DN01表底温差为3.1℃, 分层现象不明显, 越靠近上游水温分层现象越显著, 表底温差最大值为6.99℃出现在DN04点位.
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图 4 三峡库区各支流采样点水温垂向变化 Fig. 4 Water temperature of tributaries in the Three Gorges Reservoir area showing vertical changes |
由图 5可知, 香溪河、神农溪与大宁河流域的叶绿素a(Chl-a)浓度空间分布不均匀, 香溪河叶绿素a的变化范围为1.33~21.57μg ·L-1, 平均值为6.41μg ·L-1, 在上游XX07点位叶绿素a浓度出现了最大值为21.57μg ·L-1, 在下游XX03点位叶绿素a浓度为最小值是1.33μg ·L-1, 并且叶绿素a浓度从河口至上游整体上呈现一个逐渐升高的趋势在XX07点浓度达到最大值; 神农溪流域叶绿素a浓度的变化范围为2.84~59.57μg ·L-1, 均值为21.39μg ·L-1, 在上游SN05点位出现叶绿素a浓度最大值为59.57μg ·L-1, 在神农溪下游SN01点位叶绿素a浓度有最小值为2.84μg ·L-1, 均值为21.39μg ·L-1, 同样地, 神农溪叶绿素a浓度空间分布规律同香溪河一样, 都是从河口往上游呈现一个整体升高的趋势; 大宁河叶绿素a的变化范围为1.88~38.76μg ·L-1, 均值为9.85μg ·L-1, 在下游DN01点位出现叶绿素a浓度最大值为38.76μg ·L-1, 在大宁河上游DN05点位叶绿素a浓度为最小值为1.93μg ·L-1, 且叶绿素a从河口往上游呈现一个整体降低的趋势.美国“河口营养状况评价”(NEEA-ASSETS)对叶绿素a评价河口富营养化状态进行了定义[34]; Chl-a>60μg ·L-1过度富营养化; 20μg ·L-1＜Chl-a＜60μg ·L-1表示高度富营养化; 5μg ·L-1＜Chl-a＜20μg ·L-1表示中度富营养化; Chl-a＜5μg ·L-1表示低度富营养化, 由此标准可以得出香溪河与神农溪中下游为低度富营养化, 香溪河上游为中度富营养化, 神农溪上游为高度富营养化, 大宁河下游靠进长江的点位DN01为高度富营养化, DN02点为中度富营养化, 中上游为低度富营养化.
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图 5 三峡库区各支流Chl-a浓度变化 Fig. 5 Variation in Chl-a concentration in tributaries of the Three Gorges Reservoir area |
众多研究资料表明, 三峡水库的建设对氮素的迁移与转化有着很显著的影响, 由于水库的拦截效应和浮游植物及其微生物的相互作用从而会影响到库区氮形态的相互转化[35~38].水库建设会导致水位上升, 水流流速减缓, 水体的滞留时间显著增加, 在这种情况下, 导致河流对营养盐的输送能力受阻, 氮素在水域局部积累[39].三峡水库的建设对支流氮素迁移与转化产生了重要的影响, 库湾营养盐输送补给途径有沉积物释放、点源输入和面源输入, 而氮元素进入河水的主要途径是面源污染[40], 由图 2可知香溪河库湾上游(XX09)处TN浓度最高, 河口处(XX00)处TN浓度最低, 整条河流TN浓度分布均匀, 这与朱冠霖等[41]所发现的夏季香溪河从河口至上游TN浓度均匀分布的规律一致.调查发现香溪河库湾上游XX09点位于古夫镇附近, 由于受生活污水和工业废水通过点源污染所输入神农溪, 以及古夫镇附近的农业面源污染导致XX09点位TN质量浓度较高; 并且由于香溪河库湾水体比较深, 底泥内源释放对河流库湾表层水体营养盐影响较小[42]; 李凤清等[40]的研究表明香溪河库湾的氮素大部分是由于面源污染所输入, 夏季强降雨携带土壤中的营养盐进入库湾水体; 大量的氮素由香溪河两岸的农业化肥以面源污染的方式输入香溪河水体, 综合作用下造成香溪河库湾的空间分布特征.由图 2可知神农溪在河口(SN01)处TN浓度最高, 上游(SN06)处TN浓度最低, 神农溪TN浓度整体上自河口向上游呈现一个递减的分布规律, 这与宋林旭等[43]于6月在神农溪流域监测所得的TN质量浓度分布规律一致.由于受神农溪地势的影响, 河口处人口密集污水排放较多, 加上农业面源污染, 综合作用造成了神农溪河口处TN浓度较高, 越靠近神农溪上游, 受地理条件的影响, 农业种植较少, 面源污染较轻, 使得神农溪上游(SN06)TN浓度较低, 但是神农溪水体氨氮含量整体上低于香溪河是由于神农溪流域位于鄂西北山区, 工业不发达, 加之由于神农溪水域峡谷陡峭高深, 使得神农溪两岸的农作物种植较少, 污染较少, 影响神农溪水生态环境的人为因素相对香溪河较少.由图 2可知大宁河在上游(DN05)处TN质量浓度最高, 在下游河口(DN01)处TN质量浓度最低, 从大宁河口至上游整体呈现一个递增的趋势, 且DN05采样点位于大昌镇附近, 大昌镇人口密集, 农业面源污染较严重, 造成了该点位TN质量浓度较高.
3.2 磷素空间分布成因分析人类活动使得大量河流被拦截筑坝, 极大地改变了河流原有的生态系统, 使得磷素的迁移转化与滞留特征和与之相应的生态效应变得更加复杂[44].对磷而言, 水库的滞留效率较高, 可高达80%, 是磷一个有效的汇.一些研究表明, Seine River(法国)上游水库流域滞留了60%的磷素, 主要被底栖生物和沉积物吸收[45]; 美国中西部自然河流段与闸控段长年监测数据的对比分析得出, 有闸坝拦截河流出水比无闸坝拦截河流出水的TP年输出量减少约20%;磷素的滞留, 使得筑坝河流的磷含量有着显著升高[46], 香溪河与神农溪流域水体TP质量浓度相对较高, 且具有明显的空间分布差异, 农业面源污染、农药和化肥的使用是水体TP质量浓度增加的主要原因[47], 但香溪河水体TP质量浓度整体高于神农溪是因为香溪河相对于神农溪耕种强度和面积较大, 水土流失严重, 以及香溪河磷矿资源的大量开采从而造成香溪河TP质量浓度高[48, 49].由图 3可知香溪河与神农溪流域TP质量浓度呈现出自河口向上游逐渐升高的趋势, 这与叶麟等[50]对香溪河库湾磷酸盐分布的研究一致.并且香溪河的XX07点位TP质量浓度高达0.176mg ·L-1是因为该样点位于香溪河磷化工厂下游, 受到磷化工厂排放的污水影响严重[22].大宁河水体TP质量浓度较低, 且从河口至上游呈现一个递降的趋势, 大宁河TP质量浓度整体上变化范围为0.04~0.06mg ·L-1, 在河口处TP质量浓度最高, 是由于受到长江干流倒灌, 以及大宁河河口处由城市污染和农业污染综合作用产生的结果[27].
3.3 Chl-a变化的驱动因子分析为了寻出香溪河、神农溪和大宁河控制藻类生长的关键因素, 将不同的理化指标与叶绿素浓度进行相关性分析, 结果见表 2.香溪河叶绿素浓度与TP呈显著的正相关, 神农溪叶绿素a浓度与Zeu/Zmix和TP呈显著的正相关.
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表 2 三峡库区支流叶绿素a与环境因子的相关性1) Table 2 chlorophyll a and environmental factors in tributaries of the Three Gorges Reservoir |
有研究表明, 磷营养盐是影响香溪河、神农溪与大宁河水体浮游植物生物量变化的主要因素[51, 52], 当水体中TN/TP大于21, 磷就可能变为水体营养水平的限制因素[53].香溪河流域叶绿素与TP显著正相关(R2=0.766, P=0.001), 并且香溪河流域TN/TP均值为22.36, 说明磷素是香溪河流域浮游植物生长的限制因子, 该结果与周全等[54]进行原位实验所得出来的结论一致.神农溪流域叶绿素与TP显著正相关(R2=0.696, P=0.039), TN/TP平均值为26.76, 说明磷素同样也是神农溪浮游植物生长的限制因子.同时神农溪流域叶绿素a还与Zeu/Zmix呈显著正相关(R2=0.806, P=0.015), 可见光混比对神农溪叶绿素a浓度变化有着重要的影响.大宁河流域叶绿素与TP显著正相关(R2=0.872, P=0.006), TN/TP平均值为28.6, 说明磷素同样也是神农溪浮游植物生长的限制因子.同时大宁河流域叶绿素a还与Zeu/Zmix呈显著正相关(R2=0.733, P=0.03), 可见光混比对大宁河叶绿素a浓度变化也有着重要的影响.有研究表明[55, 56], 营养盐结构的改变特别是N/P比值的改变, 会对浮游植物之间的演替产生影响.总体来看, 香溪河流域、神农溪流域和大宁河流域氮磷营养盐的浓度绝对值差异较大, 3条河流在夏季存在明显的磷限制作用.因此通过限制3条河流的磷元素的输入对于香溪河、神农溪以及大宁河流域水华的防治会起到一个积极的作用.
4 结论(1) 香溪河流域与神农溪流域水体TN污染较为严重, 整体在Ⅴ类水标准下, 大宁河流域水体整体在Ⅳ类水标准下, 而这3条河流磷元素污染较轻, TP质量浓度整体在Ⅱ类水标准下.香溪河水体污染比较严重, 流域周边的磷矿工厂, 以及农业对水质的影响应该加以重视.
(2) 香溪河水体与神农溪水体TN质量浓度不存在显著差异, 但这两条河流TN质量浓度与大宁河TN质量浓度存在显著差异, 并且香溪河与神农溪流域的TP质量浓度与大宁河的TP质量浓度也存在显著差异.
(3) 香溪河叶绿素浓度均值为6.41μg ·L-1, 整体上为中度富营养化, 神农溪叶绿素浓度均值为21.39μg ·L-1, 整体上为高度富营养化.并且两条河流的叶绿素浓度从河口向库湾上游呈现出一个递增的趋势.大宁河叶绿素浓度均值为9.85μg ·L-1, 整体上呈现为一个中度富营养化.叶绿素浓度从河口向库湾上游呈现一个递减的趋势.
(4) 香溪河水体叶绿素浓度与TP呈显著的正相关, TN/TP均值为22.36.神农溪水体叶绿素浓度与TP和Zeu/Zmix呈显著的正相关, TN/TP均值为26.76, 大宁河水体中叶绿素浓度与TP和Zeu/Zmix呈显著的正相关, TN/TP均值为28.6.说明磷素是影响香溪河、神农溪与大宁河浮游植物生长的限制因子.
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