溶解氧是反映水体污染程度的重要指标, 同时也是维系水生生物存活和水生态环境平衡的重要因素^[1~5].当水体处于缺氧状态或者水体中溶解氧过度饱和都会对水生态系统产生不利影响, 一般清洁的地表水水体中溶解氧含量趋近饱和, 而当水体受到污染后则会使溶解氧含量大幅度降低, 水质恶化^{[6, 7]}.同时, 浮游植物进行光合作用时会释放氧气, 使得水体中溶解氧含量增加, 而当浮游植物进行呼吸作用时, 则会消耗水体中的溶解氧, 使水体中溶解氧含量降低.一些研究发现, 大型浅水湖泊水体中溶解氧含量垂向分布主要受到水温分层和浮游植物的影响, 垂向分层并不稳定^[8].也有研究表明水体中溶解氧的含量与水体分层、温度、悬浮物和pH等指标有重要关系^{[9, 10]}.浮游植物是水生态系统中的重要生产者, 对水生态系统内的能量转换和物质输移过程起着关键作用^[11~14]浮游植物是水生态系统内的关键组成部分, 其空间分布特征将会直接影响到水生态系统的稳定性.浮游植物受水生态系统内各种理化因子的影响, 具有特殊的空间变化特征^[15~17], 而叶绿素a浓度与浮游植物的生物量之间有着紧密联系, 叶绿素a是生物指标和水体理化因子综合作用表现, 利用叶绿素a浓度来表征水生态系统中浮游植物的生长状态及分布特征^{[18, 19]}.因此研究河流生态系统中溶解氧与叶绿素a浓度的空间分布特征及其与环境因子之间的联系具有重要意义.

三峡水库自从2003年成库以来, 在发挥巨大的防洪、发电和通航等效益的同时, 也使得长江三峡段水文水动力条件发生剧变^{[20, 21]}, 三峡水库蓄水前, 三峡库区内支流表现为典型的河流型流态, 而在三峡水库开始蓄水运行后, 库区水位升高, 水流流速变缓, 水环境与水生态在时空尺度上发生了显著变化^[22].库湾回水区由原先的河流型生态系统特征逐渐转变为特殊的“河库型”生态系统特征^[23], 水体扩散能力减弱, 水体滞留时间延长, 水生生境产生变化从而引起生物群落结构发生变化, 水体中适应静水环境的水生生物物种增多, 以香溪河和神农溪等为代表的典型支流频繁出现严重水华^[24~26].目前针对三峡库区支流库湾的研究主要聚焦于支流营养盐、浮游植物迁移和水动力特性等^[27~29], 在年内水库调度运行过程中, 9~10月为三峡水库汛后蓄水水位的变动期, 同时也是库区支流的水动力条件从典型的河流型急流水体转变成类似湖泊型缓流水体的过渡期, 支流回水区水环境特征尤为特殊, 而对这一特殊时期不同支流回水区溶解氧与叶绿素a垂向分布特征的研究及其影响因子的研究相对较少.鉴于此, 本文基于三峡水库汛后蓄水期对库区典型支流——香溪河和神农溪的水质监测资料, 分析两条河流水体中溶解氧和叶绿素a的垂向分布规律, 并且探讨水体中溶解氧和叶绿素a与理化因子之间的联系, 揭示三峡水库汛后蓄水期时库区内不同支流的溶解氧与叶绿素a垂向特殊分布的驱动因素及其与各种理化因子变化的响应特性, 找到三峡库区内不同支流之间的相同规律, 以期为我国河道型水库科学管理和支流水环境保护提供决策参考.

香溪河位于湖北省西部地区, 发源于神农架, 是流经湖北省兴山县与秭归县的最大河流.是三峡水库湖北库区一级支流, 河流全长97.3 km, 河口距离三峡大坝34.5 km, 流域面积为3 183 km², 河道顺直狭长, 呈现出河道型环境特征.神农溪位于湖北省西部, 发源于神农架林区, 是三峡库区巴东段的一级支流, 河流全长60.6 km, 河口距离三峡大坝69.9 km, 流域面积为1 047 km², 河道呈葫芦连接状, 呈现为过渡型环境特征.

于2018年9月对香溪河和神农溪的回水区段进行水质监测.从香溪河库湾的河口位置向库湾回水末端依次布设5个监测点, 依次为XX01、XX02、XX03、XX04和XX05, 神农溪从河口至库湾回水末端依次布设5个监测点, 依次为SN01、SN02、SN03、SN04和SN05.具体位置如图 1所示.

图 1

Fig. 1

图 1 采样点分布示意 Fig. 1 Locations of the sampling sites

监测指标包括溶解氧(DO)、pH值(pH)、水温(WT)、浊度(turbidity)、水深(depth)、叶绿素a浓度(Chl-a)、透明度(SD)、水下光合有效辐射(PAR)、总氮(TN)和总磷(TP).

溶解氧(DO)、pH值(pH)、水温(WT)、浊度(turbidity)、水深(depth)和叶绿素a浓度(Chl-a)由YSI-EXO多参数水质分析仪(美国)从各监测点的表层至底层均匀地进行测定.总氮(TN)和总磷(TP)于现场使用2.5 L有机玻璃采水器采集水样, 将水样保存于350 mL的聚乙烯水样瓶中, 然后将水样放入冰箱低温保存带回实验室.总氮(TN)采用过硫酸钾消解-紫外分光光度法测定, 总磷(TP)采用碱性过硫酸钾消解-钼锑抗显色分光光度法测定^[30].水下光合有效辐射(PAR)使用International Light 4100光照计(美国)现场测定, 透明度(SD)使用塞氏盘在现场测定.

淡水中溶解氧饱和度S_DO是湖库水体中重要的环境指标, 计算公式为^[31]：

(2)

式中, S_DO为溶解氧饱和度(%)；c_DO为实测溶解氧质量浓度(mg ·L^-1)；c_T为观测温度下的饱和溶解氧质量浓度(mg ·L^-1), 计算公式为^[32]：

(2)

式中, T为实测水温(℃).采用Excel进行处理分析数据, ArcGIS10.3绘制研究区域的监测断面图, Origin9.0绘制各指标垂向分布图, 相关性分析采用SPSS25.0进行分析.针对三峡水库支流水体, 参考目前已有研究成果, 采取与表层温差≤0.5℃所对应的水深(m)为作为混合层深度^[33], 采用1%表面光强所对应的水深(m)作为真光层深度^[34].

香溪河与神农溪支流回水区水体中不同水深的溶解氧含量如表 1所示, 表层水体定义为水面下0.5 m处水体, 中层水体指1/2水深处水体, 底层水体指河底以上0.5 m处水体^[30].

表 1 (Table 1)

表 1 三峡库区典型支流溶解氧浓度/mg ·L-1 Table 1 Concentration of dissolved oxygen in typical tributaries of the Three Gorges Reservoir area/mg ·L-1 河流 水体 DO变化范围 DO平均值 表层 7.95~16.19 12.28 香溪河 中层 4.93~9.56 7.29 底层 5.82~8.34 7.40 表层 7.88~10.60 8.83 神农溪 中层 7.16~8.21 7.61 底层 7.02~8.11 7.68

表 1 三峡库区典型支流溶解氧浓度/mg ·L-1 Table 1 Concentration of dissolved oxygen in typical tributaries of the Three Gorges Reservoir area/mg ·L-1

由表 1可以看出, 香溪河和神农溪的表层水体中溶解氧浓度均大于中层水体和底层水体中溶解氧的浓度.两条河流回水区流域各监测点溶解氧垂向分布如图 2所示.可以看出水体中溶解氧含量在不同水深有着较大的差异, 其中表层水体溶解氧分层现象较明显.香溪河的各监测点垂向上的分布规律基本一致, 且溶解氧含量最大值均出现在水下1 m深度的位置.在水下0~10 m内溶解氧浓度变化较大, 垂向上有较大差异, 在水下0~1 m内溶解氧浓度逐渐随水深逐渐增加, 而在1~10 m内随着水深的不断增加, 各个监测点垂向上溶解氧浓度呈现一个急剧降低的趋势.在10 m之后溶解氧含量波动较小, 在10 m至15 m内随着水深的增加, 溶解氧含量略有减小, 15 m之后随着水深的增加, 溶解氧含量又稍有增加.神农溪各监测点垂向上溶解氧最大值均出现在水下1 m的位置处, 且溶解氧在0~12 m水层内溶解氧分层现象严重, 这与霍静^[35]在蓄水期对神农溪研究所发现的现象一致, 12 m之后随着水层深度的增加, 神农溪各监测点溶解氧浓度垂向上浓度变化稳定, 分层现象消失.

图 2

Fig. 2

图 2 三峡库区典型支流溶解氧浓度垂向分布 Fig. 2 Vertical distribution of dissolved oxygen concentration in typical tributaries of the Three Gorges Reservoir area

如图 3所示, 2018年9月香溪河与神农溪回水区水体中存在显著的水温分层现象, 各监测点垂向上水温呈现出一个逐渐降低的分布趋势, 香溪河与神农溪回水区各监测点分别在0~10 m和0~12 m的水层内水温递减, 此水层深度为“温跃层”, 在水深达到“温跃层”后水温稳定, 分层现象消失, 这两条河流各监测点的温度变化范围分别为25.07~29.46℃和22.85~28.63℃, 表明水温不是藻类生长的限制因子, 表、底温差变化范围分别为2.86~4.28℃和4.63~5.78℃.

图 3

Fig. 3

图 3 三峡库区典型支流理化因子垂向分布 Fig. 3 Vertical distribution of physical and chemical factors in typical tributaries of the Three Gorges Reservoir area

香溪河与神农溪回水区各监测点的pH分别在0~10 m和0~12 m的水深范围内沿呈现出个急剧减小的变化趋势, 这两条河流pH值的变化范围分别为7.81~9.01和7.91~8.52, 均表现为弱碱性, 这与刘德富^[36]等在长江支流多年的监测结果一致.而通过图 3可知香溪河与神农溪回水区各监测点的水体浊度表现出与水温和pH不同的垂向分布规律, 这两条河流在表层0~10 m和0~12 m内浊度较低, 垂向上无明显变化, 变化范围分别为4.1~5.4NTU和1.6~5.4NTU, 随着水深的逐渐增加, 各个监测点的浊度呈现出一个急剧升高的变化趋势.

香溪河与神农溪的各监测点叶绿素a(Chl-a)浓度垂向分布特征如图 4所示, 香溪河与神农溪两条河流叶绿素a浓度垂向上分别在0~10 m和0~12 m内有明显的分层现象, 且各监测点均在水下1m深位置处出现最大值, 各监测点表层水体中叶绿素a浓度平均值变化范围分别为7.03~9.37μg ·L^-1和3.95~8.06μg ·L^-1, 均随着水深的增加而急剧减小的垂向分布.香溪河与神农溪水深分别在水下10 m和12 m后叶绿素a浓度较低, 且分层现象消失；根据美国“河口营养状况评价”(NEEA-ASSETS)对河流富营养化状态进行了划分^[37]；Chl-a>60μg ·L^-1表示过度富营养化；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, 香溪河与神农溪表层水体中叶绿素a浓度整体平均值分别为8.05μg ·L^-1和5.26μg ·L^-1, 根据此标准可知香溪河与神农溪的表层水体表现为中度富营养化.

图 4

Fig. 4

图 4 三峡库区各支流叶绿素a垂向分布 Fig. 4 Vertical distribution of chlorophyll a in tributaries of the Three Gorges Reservoir area

香溪河与神农溪库湾溶解氧和叶绿素a浓度垂向分布与各种理化因子的相关性分析如表 2所示.香溪河与神农溪叶绿素a浓度均与溶解氧(DO)、温度(WT)和pH呈现出极显著正相关性而与浊度为极显著负相关性.可以看出库区支流库湾叶绿素a的垂向分布与较多理化因子之间存在紧密联系, 这与牛远等^[38]在抚仙湖进行研究所得出叶绿素a浓度与pH和温度表现出极显著正相关性的结论一致.而这两条支流库湾回水区水体中溶解氧均与pH呈极显著正相关性, 与浊度表现为显著负相关性, 这与劳其斌^[39]等在湖光岩玛珥湖进行研究得出的结论一致.

表 2 (Table 2)

表 2 三峡库区各支流溶解氧和叶绿素a与环境因子的相关性1) Table 2 Correlation of dissolved oxygen and chlorophyll a with environmental factors in tributaries of the Three Gorges Reservoir area 河流 溶解氧 温度 pH 浊度 香溪河 Chl-a 0.889** 0.927** 0.931** -0.413** 溶解氧 1 0.890** 0.917** -0.153* 神农溪 Chl-a 0.820** 0.864** 0.833** -0.432** 溶解氧 1 0.911** 0.928** -0.601** 1)*表示在0.05水平(双侧)显著相关；**表示在0.01水平(双侧)显著相关

表 2 三峡库区各支流溶解氧和叶绿素a与环境因子的相关性1) Table 2 Correlation of dissolved oxygen and chlorophyll a with environmental factors in tributaries of the Three Gorges Reservoir area

大量研究资料表明, 三峡水库在2003年蓄水运行之后, 干流水体水位升高, 水体的流速减缓^{[22, 40]}, 库区内支流水体滞留时间延长^[41], 使得支流上游输入的营养物质在支流库湾滞留, 造成水体富营养化状态, 水华频频暴发^[42], 水华生命活动使得水体中溶解氧含量发生变化^[43].水库表层水体中溶解氧的来源主要有两个方面；浮游植物进行光合作用释放氧气和空气中的氧气溶解于水体, 而水库深层水体中的溶解氧主要是通过水库中水层的垂向对流交换所获得^[44].如图 2所示, 三峡库区蓄水时段, 香溪河与神农溪库湾回水区内的各个监测点溶解氧垂向上均存在明显的分层现象, 且分别在表层水体0~10 m和0~12 m内溶解氧浓度较高, 最大值均出现在水下1 m的位置处.

香溪河与神农溪库湾回水区内不同水层溶解氧饱和度如表 3所示.可以看出两条典型支流表层水体中的溶解氧均已经达到过度饱和状态(S_DO>100%), 溶解氧含量过高, 可能会对鱼类及其他水生生物的生命活动产生危害^{[45, 46]}.

表 3 (Table 3)

表 3 三峡库区典型支流溶解氧饱和度分布 Table 3 Distribution of dissolved oxygen saturation in typical tributaries of the Three Gorges Reservoir area 河流 水体 cDO cT SDO/% 表层 11.06 7.95 139.20 香溪河 中层 6.81 8.21 82.80 底层 7.30 8.24 88.60 表层 8.67 8.04 107.78 神农溪 中层 7.55 8.41 89.77 底层 7.67 8.63 88.84

表 3 三峡库区典型支流溶解氧饱和度分布 Table 3 Distribution of dissolved oxygen saturation in typical tributaries of the Three Gorges Reservoir area

香溪河与神农溪库湾回水区内溶解氧分别在0~10 m和0~12 m水层内存在明显的分层现象, 且这两条河流各监测点垂向上最大值均出现在水下1 m深的位置处.通过Pearson相关性分析如表 2所示, 发现香溪河与神农溪库湾回水区内溶解氧与叶绿素a呈现显著的正相关性, 相关系数分别为0.889和0.820(P < 0.01), 且通过计算溶解氧饱和度S_DO发现, 香溪河与神农溪库湾表层水体中溶解氧饱和度均达到过度饱和状态(S_DO>100%).浮游植物的生物量会对水体中的溶解氧含量产生直接的影响^[43].杨正健^[41]在三峡库区浮游植物分布特征的研究中发现浮游植物处于真光层时, 浮游植物的光合作用大于呼吸作用释放氧气.并且通过图 2与图 4发现两条河流溶解氧与叶绿素a在垂向上最大值均出现在水下1 m的位置处, 可知香溪河与神农溪库湾回水区表层水体中的溶解氧主要来源于浮游植物的光合作用释放氧气溶解于表层水体造成, 表层水体溶解氧浓度较高.

有资料表明, 水体中的初级生产力主要是存在于表层水体中, 太阳辐射在水体中主要受到水分子、悬浮颗粒和可溶性有机物等物质的散射和吸收而呈现出一个指数衰减的变化^[47].由Pearson相关性发现香溪河和神农溪库湾溶解氧浓度与浊度存在显著的负相关性, 相关系数分别为-0.153(P < 0.05)和-0.601(P < 0.01).由图 3可知香溪河与神农溪库湾各监测点浊度沿水深增加, 使得太阳辐射在水体中的传播受到阻碍, 浮游植物生物量也随之明显减少^[38], 限制了水体中浮游植物的生长和初级生产力, 浮游植物光合作用沿水深而逐渐减小, 因而造成溶解氧含量沿水深逐渐减小.

香溪河与神农溪库湾水体中溶解氧浓度分别在10 m和12 m分层现象消失, 图 3可知, 香溪河与神农溪库湾水体中水温存在明显的分层现象, 且发现这两条河流的氧跃层、温跃层都出现在同一个水深的位置, 表明温度热力分层也是影响这两条河流因素溶解氧垂向分布的另一个关键因素.水温分层同时决定了垂向的水动力交换, 由于温跃层的形成会使得水体的垂向交换过程受阻, 致使中底层的溶解氧无法接受表层水体中溶解氧的补给, 使得香溪河与神农溪库湾中底层溶解氧浓度处于一个较低且稳定的状态.香溪河与神农溪库湾溶解氧与pH之间垂向分布也呈显性正相关关系, 相关系数分别为0.917和0.928(P < 0.01)这与何剑波^[48]在千岛湖的研究发现一致, pH也是造成溶解氧产生变化的重要因素.水体本身具有氧化还原性质^[49], 氧化还原过程为^[50]：4H⁺+O₂(气) O(液).pH值减小, 表示水体中H⁺浓度增加, 从而促进该氧化还原反应向正反应方向发生, O₂与H⁺反应生成水, 使得水体中溶解氧浓度降低.

由图 4可知, 在三峡水库蓄水期, 香溪河与神农溪回水区各监测点叶绿素a浓度分别在0~10 m和0~12 m的水层内分层现象严重, 叶绿素a浓度沿水深增加而逐渐减小, 这与刘德富^[36]在香溪河的研究发现一致, 且各监测点的最大值均出现在水下1 m左右的位置处.在两条河流的中底层水体中叶绿素a浓度较低且无分层现象.通过现场观测得出香溪河与神农溪各监测点的真光层深度平均值分别为10.88 m和12.68 m, 混合层深度分别为2.6 m与2.2 m.由临界层理论^[51]可知, 发现这两条河流表层水体中的混合层深度均小于真光层深度, 表明表层水体中浮游植物光照充足, 且两条河流表层水体营养充足(香溪河总氮平均值1.43mg ·L^-1, 总磷平均值0.05 mg ·L^-1；神农溪总氮平均值1.73 mg ·L^-1, 总磷平均值0.03 mg ·L^-1)满足香溪河与神农溪表层水体内浮游植物旺盛生长的物质条件, 叶绿素a浓度较大, 但各监测点叶绿素a浓度垂向最大值出现在水下1m的深度可能是由于库湾表面水体光照强度较大, 超过了浮游植物生长的适宜范围, 出现了光抑制现象^[52], 香溪河与神农溪各监测点表层水体的叶绿素a主要受光照强度的影响, 随着水深的增加, 水体中浮游植物所接受到的光照强度逐渐减小, 为进行光合作用, 大量浮游植物迁移至水体表层聚集, 从而使得叶绿素a浓度沿水深逐渐降低^{[14, 47, 53, 54]}, 由图 3可知, 香溪河与神农溪库湾各监测点浊度分别在10 m和12 m后浊度突变递增也阻碍了光照的垂向传播, 抑制藻类的生长, 使得香溪河与神农溪各监测点叶绿素a浓度在10 m和12 m水深后浓度较低.另外通过图 3可以可看出, 香溪河与神农溪库湾回水区水温存在明显的分层现象, 阻碍了水体的垂向交换, 使得香溪河与神农溪库湾的中层与底层叶绿素a浓度稳定地处于一个较低的浓度.Pearson相关分析结果表明(表 2), 三峡水库蓄水期, 香溪河与神农溪库湾回水区叶绿素a浓度与pH呈显性相关, 相关系数分别为0.931和0.833(P < 0.01).水中游离的CO₂、H₂CO₃、HCO₃^-和CO₃^2-构成了一个可逆的二氧化碳-碳酸盐体系^[55]：CO₂(气) +2H⁺, 受浮游植物光合作用的影响, 随着浮游植物数量的增多, 光合作用所消耗的CO₂量就会增多, 这就导致了水体中H⁺浓度降低, 一般情况下水体中CO₂浓度较低, 藻类光合作用时主要利用HCO₃^-, 在藻类植物体内的羧化酶作用下, 将HCO₃^-转化为CO₂进行光合作用, 同时置换出大量OH^-, 也使得水体中pH值升高.随着水深的增加, 浮游植物的数量减少, 光合作用减弱, pH沿水深呈下降趋势, 与水体中叶绿素a浓度呈显著的正线性相关.

(1) 三峡水库汛后蓄水期, 香溪河与神农溪库湾回水区水体中溶解氧、水温、pH和叶绿素a均呈现出明显的分层现象, 分层深度分别为0~10 m和0~12 m, 之后随着水深的增加, 各项指标趋于稳定, 分层现象消失.

(2) 三峡水库汛后蓄水期, 香溪河与神农溪库湾回水区各监测点表层水体中溶解氧含量已经达到过度饱和状态(S_DO>100%), 会对表层水生生物产生危害, 且两条河流各监测点垂向上溶解氧最大值均出现水下1 m深的位置处.香溪河的各监测点溶解氧与pH和叶绿素a之间呈现出显著的正相关性, 溶解氧的垂向分布主要受浮游植物的垂向分布和水温分层的影响.

(3) 三峡水库汛后蓄水期, 香溪河与神农溪库湾回水区叶绿素a浓度与溶解氧、温度和pH之间相关性显著.各监测点垂向上叶绿素a浓度最大值均出现在水下1 m深的位置处, 在1 m后沿水深叶绿素a浓度逐渐降低, 香溪河与神农溪表层水体中叶绿素a浓度整体上已经达到中度富营养化状态.香溪河与神农溪分别在水深10 m和12 m之后各监测点由于受光照强度衰减、水体浊度突变剧增和水温分层的影响, 使得库区支流的中层和底层水体中叶绿素a浓度较低.