水体富营养化是淡水生态系统面临的威胁之一, 也是造成水质恶化最常见的原因之一^{[1, 2]}.浮游藻类是水生态系统的初级生产者, 叶绿素a是衡量水体初级生产力的重要指标, 反映着水体富营养化程度, 是水环境科学十分关键的参数^{[3, 4]}.水体形成季节性的物理分层是水库的重要特征之一^{[5, 6]}, 众多研究者对分层型湖库藻类分布研究发现, 藻类数量及群落结构主要受溶解氧、水温^{[7, 8]}、水位波动、透明度^{[9, 10]}、营养因子和光照强度^[11]等因素影响, 藻类多样性和水质因子均表现出时空差异性.藻类能够通过光合作用增加水体溶解氧的含量, 呼吸作用又会降低水体溶解氧含量, 而溶解氧是维系水生态安全的重要要素之一, 参与着水化学反应及水生物等相互作用的过程^{[12, 13]}, 当水体遭受污染后则会使溶解氧含量大幅度降低, 水质便会恶化^[14].水体分层影响着水库理化因子的垂向分布和物质的迁移转换^{[15, 16]}, 而水体分层往往又具有季节性的变化.故对不同时期水体中叶绿素a和溶解氧等理化因子在垂向上的分布特征及其影响因素进行研究有重要意义.

三峡库区自2003年蓄水以来, 产生着巨大的经济社会效益, 但也改变了库区的水文水动力, 使原来的河流生态系统转变成水库型生态系统, 给库区的生态环境等带来了不利影响, 干流倒灌和水体分层等水文水动力因素和人为因素的影响, 加重了支流富营养化问题, 导致部分支流水华暴发频繁, 库区水质安全受到严重威胁^{[17, 18]}.霍静等^[19]的研究将神农溪水温季节分层分为了阶梯型、双混斜型和半U型, 田盼等^[20]和杨凡等^[21]的研究发现, 香溪河和神农溪水体中叶绿素a和溶解氧等理化因子垂向上在2月、7月和蓄水初期(9月)存在明显分层.但在蓄水中期(10月), 库区水位变化大, 长江干流水体大量倒灌, 来自长江倒灌的水体对支流库湾水体的掺混强度有着显著影响^{[22, 23]}.故对于库区不同的调度时期, 尤其是蓄水位快速上升时期, 支流库湾大纵深断面的各指标垂向分布变化特征及其驱动因素为何, 其认识还需要进一步拓展.鉴于此, 本研究以三峡库区一级支流香溪河和神农溪为例, 于2018年低水位期(香溪河7月、神农溪8月)和蓄水变动期(10月)对其进行垂向水环境监测, 分析不同调度时期垂向水环境变化特征及其形成机制, 明晰两支流在三峡调度大背景下的垂向水环境的共性特征, 以期为库区水环境管理和生态调度提供参考依据, 也为我国水库生态学研究积累重要的资料.

香溪河流域位于湖北宜昌兴山县, 河口距离三峡大坝约34.5 km, 流域总面积约3 099.0 km², 河流全长约94.0 km.神农溪流域位于湖北恩施巴东县, 河口到三峡大坝距离约69.9km, 河流全长约60.6 km, 流域总面积约1 047.0 km².两支流均为库区典型一级支流, 受到三峡水库调度的影响明显.

7~8月水位相对稳定, 水库水体环境变化相对较小; 10月为蓄水变动期, 库湾水位急剧变化, 水体环境变化大^[24].故于2018年分别于低水位期(香溪河7月, 神农溪8月)和蓄水期变动期(10月)对神农溪和香溪河进行水环境监测.在香溪河布设6个监测点分别为XX01、XX02、XX03、XX04、XX05和XX06, 神农溪布设4个监测点分别为SN01、SN02、SN03和SN04, 具体位置如图 1所示.

图 1

Fig. 1

图 1 采样点示意 Fig. 1 Locations of sampling sites

监测指标包括溶解氧(DO)、水温(WT)、pH值(pH)、叶绿素a(Chl-a)、总氮(TN)、总磷(TP)和光合有效辐射(PAR)等, 其中TN和TP作为营养指标, DO反映氧化条件, WT反映水温变化, pH反映水体酸碱状态, Chl-a反映浮游植物生物量^[25].DO、WT、pH和Chl-a用YSI-EXO多参数水质分析仪(美国)对各监测点进行现场监测, 用2.5 L采水器采集水面0~0.5 m处水样, 放入350 mL水样瓶冷冻保存, 带回实验室测定, 水样测定均设置3组平行样, 取均值作为最后的结果, TN采用过硫酸钾氧化紫外分光光度计法, TP采用钼锑抗分光光度计法, PAR用International Light4100光照计(美国)测定.

Chl-a垂向上整理有效值后, 仅对水深0~20 m范围进行分析.真光层深度(Z_eu)取1%表面光强对应的水深^{[26, 27]}, 混合层深度(Z_mix)则选取与表面水温相差0.5℃对应的水深^{[28, 29]}.用Arcgis10.2绘制采样点图, 用Origin2019绘制垂向分布等, 用SPSS进行线性拟合分析和单因素方差分析(ANOVA).

热分层稳定指数(RWCS/H)用于评价热分层稳定水平^[30], 其计算公式为:

(1)

式中, D_s和D_b分别为底层和表层水体密度, kg·m^-3; D₅和D₄分别为5.0℃和4.0℃时纯水密度, kg·m^-3; H为水深, m.当RWCS/H>2.00 m^-1时, 为稳定分层状态, RWCS/H越大, 水体越易分层, RWCS/H越小, 则水体越易发生混合.为便于描述, 将水面下0~0.5 m处定为表层水深, 8~10 m处定为中层水深, 底层水深H取水温垂向上有效值的最后数值所对应的水深.

忽略水体泥沙影响, 水温对应的水体密度计算公式为^{[31, 32]}:

(2)

式中, T为水体温度, ℃; ρ_T为水温对应的水体密度, kg·m^-3.

采用综合营养状态指数法(TLI)作为富营养化的评价方法^[33], 该方法通过0~100系列数字将水体营养状态分级, 即贫营养(TLI < 30), 中营养(30≤TLI≤50), 轻度富营养(50 < TLI≤60), 中度富营养(60 < TLI≤70), 重度富营养(TLI>70)^[34].本研究结合已有监测资料, 选取Chl-a、TN和TP作为评价因子^[35], 其具体计算方法参见文献[36].

叶绿素a在不同时期的垂向分布特征如图 2所示, 低水位期, 整体上香溪河Chl-a在0~5 m水深分层明显, 在1 m左右达到最大值, 5~20 m水深范围内, Chl-a沿水深趋于稳定, 无分层现象; 神农溪Chl-a在0~5 m水深分层明显, 在3 m左右达到最大值, 5~20 m水深范围内, Chl-a沿水深趋于稳定, 无分层现象.香溪河和神农溪表层水体ρ(Chl-a)的平均值分别为8.93μg·L^-1和13.18μg·L^-1, 且测得香溪河和神农溪表层水体ρ(TN)的平均值分别为3.15mg·L^-1和1.29 mg·L^-1, ρ(TP)的平均值分别为0.05 mg·L^-1和0.06 mg·L^-1, 计算得TLI分别为55和53(表 1), 呈轻度富营养状态.

图 2

Fig. 2

图 2 三峡水库各支流不同调度时期Chl-a垂向分布特征 Fig. 2 Vertical distribution characteristics of Chl-a in tributaries of TGR in different operation periods

表 1 (Table 1)

表 1 不同时期香溪河和神农溪综合营养状态指数 Table 1 Comprehensive nutritional status index of Xiangxi River and Shennong River in different periods 指标 时期 香溪河 神农溪 综合营养状态指数(TLI) 低水位期 55 53 蓄水变动期 39 46

表 1 不同时期香溪河和神农溪综合营养状态指数 Table 1 Comprehensive nutritional status index of Xiangxi River and Shennong River in different periods

蓄水变动期, 整体上香溪河和神农溪的Chl-a均无明显的分层现象, 0~20 m沿水深趋于稳定, 垂向上变化范围分别为0~0.70μg·L^-1和1.40~4.40μg·L^-1.香溪河和神农溪表层水体ρ(Chl-a)的平均值分别为0.43μg·L^-1和2.64μg·L^-1, 显著低于低水位期(P < 0.01), 又测得香溪河和神农溪表层水体ρ(TN)的平均值分别为1.62mg·L^-1和1.61 mg·L^-1, ρ(TP)的平均值分别为0.06 mg·L^-1和0.05 mg·L^-1, 计算得TLI分别为39和46(表 1), 呈中营养状态.

各理化因子低水位期的垂向分布特征如图 3所示, 香溪河的溶解氧在1 m左右达到最大值, ρ(DO)为10.0~16.0mg·L^-1, 水深0~10 m分层明显, 在此范围内ρ(DO)随水深沿程降低至4.0~6.5 mg·L^-1, 水深10 m后, DO整体上沿水深趋于稳定, 仅XX05和XX06点存在一定的波动.水温在1 m左右达到最大值, 其范围为28~32℃, 水深0~10 m, 其RWCS/H处于13.71~29.07 m^-1, 大于2 m^-1(表 2), 分层明显且稳定, 水深10 m后, 其RWCS/H降至0.05~0.36 m^-1, 无明显分层, 水温沿水深趋于稳定. pH值在0.5~1.0 m水深范围达到最大值, 其范围为8.3~9.0, 水深0~10 m分层明显, 在此范围内随水深沿程降低至7.6~7.8, 水体呈偏碱性状态, 水深10 m后, pH值沿水深趋于稳定.

图 3

Fig. 3

图 3 三峡水库低水位期各支流环境因子的垂向分布特征 Fig. 3 Vertical distribution characteristics of environmental factors in tributaries of TGR in the low water level period

表 2 (Table 2)

表 2 不同时期典型支流的热分层稳定指数/m-1 Table 2 Thermal stratification stability index of typical tributaries in different periods/m-1 指标 时期 表-中 中-底 热分层稳定指数(RWCS/ H) 低水位期 13.71~29.07 0.05~0.36 蓄水变动期 0~0.50 0.24~0.48

表 2 不同时期典型支流的热分层稳定指数/m-1 Table 2 Thermal stratification stability index of typical tributaries in different periods/m-1

神农溪的溶解氧在1 m左右达到最大值, ρ(DO)为14.0~18.0mg·L^-1, 水深0~8 m分层明显, 在此范围内ρ(DO)随水深沿程降低至4.0~7.0 mg·L^-1, 水深8 m后, DO整体上沿水深趋于稳定, SN06点存在一定的波动.水温在1m左右达到最大值, 其范围为29~32℃, 水深0~8 m, 其RWCS/H处于13.71~29.07 m^-1(表 2), 分层明显且稳定, 水深8 m后, RWCS/H处于0.05~0.36 m^-1, 水温沿水深趋于稳定.pH值在0.5~1.0 m范围达到最大值, 其值为9.0左右, 水深0~8 m分层明显, 在此范围内随水深沿程降低至8.0左右, 水体呈偏碱性状态; 水深8 m后, pH值沿水深趋于稳定.

各理化因子蓄水变动期的垂向分布特征如图 4所示, 蓄水变动期, 香溪河在垂向上, 各指标均无明显的分层现象, ρ(DO)在各点垂向变化量为0~2.5mg·L^-1, 水温变化量为0~0.5℃, pH值变化量为0~0.3.神农溪垂向上, 整体来看各指标均无明显的分层现象, ρ(DO)在各点垂向变化量为0~2.0mg·L^-1, 水温变化量为0~1℃, pH值变化量为0~0.5, 但以水深20 m为界, 上半层分层现象不明显, 下半层存在微弱的分层现象.此时期香溪河和神农溪RWCS/H整体处于0~0.50 m^-1(表 2), 表明水体稳定性弱, 上下水体间易发生混合.

图 4

Fig. 4

图 4 三峡水库蓄水变动期各支流环境因子的垂向分布特征 Fig. 4 Vertical distribution of environmental factors in tributaries of TGR in the impoundment period

在低水位期水体分层的条件下, 香溪河和神农溪的叶绿素a与DO、WT和pH值之间的线性分析结果如图 5所示, 香溪河(神农溪)叶绿素a与DO、WT和pH值均呈明显的线性关系, 相关系数(r)分别为0.87(0.90)、0.83(0.87)和0.86(0.93), 表明分层水体中叶绿素a的垂向分布与DO、WT和pH值等理化因子联系紧密;

图 5

Fig. 5

图 5 三峡水库低水位期各支流Chl-a与DO、WT和pH值的相关性 Fig. 5 Correlation of Chl-a with DO, WT, and pH in tributaries of TGR in the low water level period

在低水位期水体分层的条件下, 香溪河(神农溪)的DO、WT和pH值之间的线性分析结果如图 6所示, 香溪河(神农溪)DO与WT和pH值之间呈明显的线性关系, 相关系数分别为0.95(0.93)和0.98(0.93), 表明分层水体中DO与WT和pH值等联系紧密.

图 6

Fig. 6

图 6 三峡水库低水位期各支流DO与WT和pH值的相关性 Fig. 6 Correlation of DO with WT and pH in tributaries of TGR in the low water level period

如图 2和图 3所示, 香溪河和神农溪水体在低水位期存在明显的DO分层、温跃层、pH值分层和叶绿素a分层, 前三者分层深度较为一致在0~10 m范围内, 叶绿素a分层深度在0~5 m范围.如图 5和图 6所示, DO、WT、pH值和Chl-a在垂向上呈明显的线性关系, 表明各指标间垂向上联系紧密.低水位期支流在水深0~10 m范围, 其RWCS/H处于13.71~29.07 m^-1, 而中底层的RWCS/H处于0.05~0.36 m^-1(表 2), 加上此时期库湾水位波动较小, 干支流水量交换也较小(图 7), 水体产生明显的分层现象且分层稳定.水体被强烈分层后, 水体的垂向混合和物质的迁移转换便被抑制^[37].因为中底层的RWCS/H较小, 水体稳定性较弱, 故底层温度分布较均匀, 在表中层之间便形成了一个过渡层, 过渡层的水温梯度较大时, 便产生了温跃层^{[38, 39]}.深层水体中的DO主要通过表层水体中的DO垂向对流交换来获得补充^{[40, 41]}, 表层水体DO则主要来源于空气中氧气的溶解和浮游植物的光合作用^[42], 而由于温跃层的存在, 其较大的温度梯度限制了垂向掺混, 且热分层强稳定期温跃层垂向扩散系数小, 阻碍了表层水体DO对中底层的补充^{[43, 44]}, 使香溪河和神农溪中上层ρ(DO)明显高于中低层.由于表层光合作用较强, 浮游植物大量生长, 故ρ(Chl-a)也较高, 但观察到ρ(Chl-a)在1 m或3 m处达到最大值, 其原因在于表层水体受到强光作用, 部分藻种会向下迁移至次表层, 发生藻类下沉聚集的现象^[45].浮游植物增加, 光合作用就会消耗更多的CO₂, 根据二氧化碳-碳酸盐体系(CO₂+H₂O⇌HCO₃^-+H⁺⇌CO₃^2-+2H⁺)^[46], 水体H⁺浓度因此下降, 加上藻类主要利用体内羧化酶将HCO₃^-转化为CO₂进行光合作用, 从而置换出OH^-, 故水体pH值偏碱性.

图 7

Fig. 7

正值表示交换水量以干流倒灌为主, 负值表示. 支流流出为主, 修改自文献[52] 图 7 三峡水库干支流月交换水量变化 Fig. 7 Monthly water exchange quantity of the Yangtze River and tributaries in TGR

但是, 随着水深的增加, 水温的降低会弱化浮游植物体内酶的活性, 减弱浮游植物的光合作用, 从而降低浮游植物的生物量^{[47, 48]}, ρ(Chl-a)便降低, 从而减少CO₂的消耗量.光合作用减弱, 则呼吸作用增强, 加上浮游植物在死亡后会被微生物分解而消耗氧气, 故ρ(DO)降低^[49].CO₂的增加使pH值下降, H⁺沿水深逐渐增加直至稳定, 过程中促进水体本身的氧化还原反应(4H⁺+O₂+4e⇌2H₂O)^[50]向正向发生, 也能降低水体中的ρ(DO).

如图 2和图 4所示, 蓄水变动期, 香溪河和神农溪垂向上Chl-a、DO、WT和pH值趋于一致, 没有出现明显的分层现象.研究证明香溪河和神农溪库湾混合层的深度随水位波动幅度的增加而增加^[51], 水位的快速抬升会增强干支流的水体交换, 如田盼等^[52]和韩超南等^[53]的研究通过水量平衡方程计算出蓄水变动期干支流水量交换以干流倒灌为主(图 7).水体的紊动条件是决定水体分层状况的主要变量之一, 华逢耀等^[54]、Wang等^[55]和Holbach等^[56]的研究发现, 高入库流量会加剧水体的扰动, 使水体更易混合, 能显著降低水体分层的稳定性.香溪河和神农溪在蓄水变动期水位波动约20 m, 水位波动改变了异重流潜入模式, 大量干流水体以表中层异重流形式倒灌入支流, 加上此时期表层水温降低, 与中低层水体水温趋于一致且水体密度增加, 库湾水体下沉, RWCS/H值低至0~0.50 m^-1(表 2), 支流的热分层稳定指数减小, 水体稳定性变弱, 垂向混合增强, 便破坏了支流水体蓄水前的稳定分层状态, 促进了水体掺混能力^{[57, 58]}, 各层水体产生对流现象, 与干流倒灌水均匀掺混, 使库湾水温达到了均匀分布, 故没有形成稳定的温跃层, 从而中底层水体的DO在垂向掺混的作用下得到充分补充^[59], 溶解氧由此也未产生明显地分层.但观察到香溪河和神农溪垂向上, 整体的ρ(DO)是向上游降低的, 可能是倒灌强度和垂向掺混作用沿上游减弱, 而水体间的掺混作用越大时, 水体更容易溶解氧气造成的.另外, 因浮游植物本身的减少和光合作用强度的降低, CO₂消耗较低, 呼吸作用占优, 故0~10 m的水体ρ(DO)和pH值较低水位期明显要小.综上, 蓄水变动时期支流库湾水体垂向分层不明显.

如表 1所示, 低水位期水体呈轻度富营养状态, 蓄水变动期呈中营养状态.有研究表明除营养盐外, 水位波动和气象条件是水库中藻类和ρ(Chl-a)变化的重要驱动因子^{[60, 61]}.而三峡水库蓄水期由于蓄水造成的水位波动能有效控制支流库湾水华现象的发生^{[62, 63]}, 藻类的生长位置会随着水体紊动程度频繁改变(藻类具有随流输移和悬浮生长的特性), 故其生境要素也频繁发生变化, 进而其生长速率受到抑制^{[64, 65]}. ρ(Chl-a)在干流大量倒灌, 从而打破库湾支流温度分层的情况下急剧下降^[66].蓄水位的上升, 增加了混合层深度, 根据临界层理论, 当Z_eu/Z_mix低于“临界值”时, 通常不会发生水华现象, 陈洋等^[67]的研究通过香溪河围格实验发现, 藻类净初级生产力与Z_mix存在负相关性, 论证了临界层理论在香溪河的适用性, Liu等^[66]和刘心愿等^[68]的研究也发现香溪河临界值范围晚秋至早春为0.35, 晚春至早秋为0.20较为适宜, 如图 8所示, 香溪河和神农溪的Z_eu/Z_mix和ρ(Chl-a)整体上变化趋势一致, 均在低水位期较大, 在蓄水变动期均明显降低, 此时期Z_eu/Z_mix均小于0.35, 结果表明将该范围作为香溪河和神农溪的临界值均具有效性.

图 8

Fig. 8

图 8 三峡水库各支流不同调度时期Zeu/Zmix与Chl-a的变化特征 Fig. 8 Response relationship between Zeu/Zmix and Chl-a in tributaries of TGR in different operation periods

(1) 低水位期香溪河和神农溪水体的ρ(DO)、水温、pH值和ρ(Chl-a)均在水深1m左右达到最大值, 在0~10 m(叶绿素a在0~5 m)范围内分层明显, 且表-中层热分层稳定指数为13.71~29.07 m^-1, 水体分层处于稳定状态, 中-底层各指标垂向上无明显波动, 热分层稳定指数为0.05~0.36 m^-1, 水体稳定性较弱.各指标垂向上呈显著的线性关系, 溶解氧、水温分层和pH值影响着浮游植物的分布.

(2) 蓄水变动期, 由于库区蓄水, 支流库湾水位大幅上升和干流水体大量倒灌, 加上表层水温的降低, 破坏了水体稳定分层状态, 热分层稳定指数降至0~0.50 m^-1, 水体稳定性变弱, 使得上下水体间充分掺混, 使香溪河和神农溪水体垂向上各指标的值趋于一致, 各指标间无相关性.

(3) 香溪河和神农溪低水位期, 其表层水体ρ(Chl-a)显著高于蓄水变动期(P < 0.01), 综合营养状态指数分别为55和53, 水体呈轻度富营养状态; 蓄水变动期, 两支流表层水体综合营养状态指数分别为39和46, 水体呈中营养状态, 水体掺混强度的增强、水体分层的消失和水位的上升使混合层深度增加导致Z_eu/Z_mix的减小等, 使浮游植物的生长受到限制, 故ρ(Chl-a)较低.