三峽水庫大寧河回水區(qū)藻類生長與三態(tài)磷鹽變化特征分析

洪尚波，吳光應(yīng)

(巫山縣環(huán)境監(jiān)測站，重慶巫山 404700)

三峽水庫成庫以來，庫區(qū)水環(huán)境的變化以及對生態(tài)環(huán)境的影響一直備受人們關(guān)注。水庫蓄水以后，支流回水區(qū)形成許多庫灣，這些庫灣在干流回水頂托作用下水流緩慢，其水文條件、生境狀況區(qū)別于其它河段，也與一般意義上的湖泊、水庫有明顯差別［1］。有調(diào)查表明，三峽庫區(qū)次級河流受到不同程度污染，水體中N含量豐富。N元素不是發(fā)生富營養(yǎng)化的限制因子，其限制因子主要為P［2］。磷參與光合作用中間產(chǎn)物的轉(zhuǎn)變和能量傳遞，在藻類生長過程中起著重要作用。對于湖泊環(huán)境中磷循環(huán)與藻類生長的關(guān)系已有很多研究［3～8］，而專門針對三峽庫區(qū)次級河流磷變化與藻類生長的研究則未見系統(tǒng)報道。本文以三峽庫區(qū)具有代表性的次級河流大寧河為研究對象，在系統(tǒng)調(diào)查大寧河氮、磷、葉綠素a的多年時空分布特征的基礎(chǔ)上，通過野外監(jiān)測和室內(nèi)培養(yǎng)分析水華期間大寧河回水區(qū)藻類生長與磷鹽變化的關(guān)系，探討綠藻水華暴發(fā)的機(jī)制，進(jìn)一步為保護(hù)生態(tài)環(huán)境、防治水華污染提供依據(jù)。

1 研究方法

1.1 點(diǎn)位布設(shè)情況

采用GPS定位，沿入長江河口逆流至大昌鎮(zhèn)方向34km河段設(shè)置5個斷面，分別是A菜籽壩(30°59'038″N，109°36'031″E)，B 白水河 (29°56'942″N，109°53'593″E)，C 東坪壩 (31°08'478″N，109°53'634″E)，D 雙龍 (31°10'970″N，109°52'463″E)，E 大昌 (31°15'943″N，109°47'562″E)。其中A斷面位于大寧河入長江河口處，B、C、D斷面位于大寧河回水區(qū)易發(fā)生水華的區(qū)域，E斷面位處大寧河回水區(qū)上游，點(diǎn)位分布如圖1所示。

圖1 采樣點(diǎn)位圖

1.2 年變化調(diào)查

2006～2010年進(jìn)行每年3～10月定位采樣，每月上旬于D斷面采樣1次。采用有機(jī)玻璃分層采樣器采河道中央水面下0.5m表層樣品。

1.3 2011年3～6月流域調(diào)查

2011年3月24日、4月28日、5月17日、5月25日、5月30日、6月3日，對大寧河A、B、C、D、E 5個斷面進(jìn)行定位采樣，采用有機(jī)玻璃分層采樣器采河道中央水面下0.5m表層樣品。

1.4 日變化定點(diǎn)位實(shí)驗(yàn)

2011年5月24日～5月30日，對大寧河B斷面進(jìn)行定位采樣，采用有機(jī)玻璃分層采樣器采河道中央水面下0.5m、2.0m、5.0m、10.0m、底層水樣樣品。

1.5 室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)

取1000ml三角燒瓶5只，將5月24日采自大寧河B斷面樣品在自然光照條件下培養(yǎng)。取B斷面河水經(jīng)0.45μm濾膜后，于108kPa壓力和121℃下蒸煮15min，作為培養(yǎng)基儲于玻璃容器中，黑暗處5℃保存，使用該培養(yǎng)基補(bǔ)充每日自然蒸發(fā)量。每次分析取水樣100ml，保持三角燒瓶中樣品體積第一日 1000ml，第二日 900ml，第三日 800ml，依此［9］。

1.6 分析方法

水樣各項目均按照國家標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行分析［10］。總氮采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法;磷(總磷、溶解性磷酸鹽和溶解性總磷)采用鉬酸銨分光光度法。為了控制測定的準(zhǔn)確性，每10個測定樣品用標(biāo)準(zhǔn)樣品校驗(yàn)。另采用10%的平行樣分析來控制實(shí)驗(yàn)的精密度。

水體葉綠素a采用便攜式多參數(shù)水質(zhì)測定儀(DS5X)測定;藻類分析使用FlowCAM(BTFCVSIV)藻類分類系統(tǒng)［11］;數(shù)據(jù)相關(guān)性及主成分分析采用 SPSS17.0 統(tǒng)計軟件處理［12～13］。

圖2 大寧河回水區(qū)葉綠素a、總磷、總氮月變化趨勢

2 結(jié)果分析

2.1 大寧河回水區(qū)營養(yǎng)鹽與藻類生長年變化特征

2006～2010年，大寧河回水區(qū)調(diào)查點(diǎn) (圖1所示D斷面)3～10月份水體葉綠素a、總磷、總氮的變化情況見圖2。總體上看水體中葉綠素a含量，3～5月份基本保持在6mg/m3以下 (2008年3月份發(fā)生水華，葉綠素a達(dá)到18.367mg/m3)，6～9月份處于一個較高的水平，10月份會有所下降;水體中總磷、總氮含量變化情況與葉綠素類似，在3～5月份保持較低水平并逐漸增大，在6月份以后達(dá)到一個較高水平，其中總氮含量變化趨勢比較穩(wěn)定，總磷含量變化波動較大，磷系統(tǒng)循環(huán)受各因素影響更加敏感。

2.2 大寧河回水區(qū)2011年3～6月水體三態(tài)磷鹽及藻類生長時空變化

由2006～2010年對大寧河回水區(qū)的調(diào)查可知，每年的3～6月份該區(qū)域水體主要營養(yǎng)鹽及生物指標(biāo)將有一個由低水平向高水平變化的過程。因此于2011年3～6月份對其進(jìn)行了一次詳細(xì)調(diào)查，其三態(tài)磷的變化特征見表1，其chla及三態(tài)磷鹽的時空分布規(guī)律見圖3。2011年3～6月，在對大寧河回水區(qū)5個斷面的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，E斷面位處回水區(qū)上游，其總磷、可溶性磷、正磷酸鹽含量為5個斷面中最低，但其變異系數(shù)為5個斷面中最大。由圖3中葉綠素變化情況可知，E斷面葉綠素含量一直處于較低水平，故該情況的出現(xiàn)非由藻類生長引起，可能是由于三峽水庫放水，底泥磷鹽釋放導(dǎo)致水體磷鹽增大所致。A斷面位于大寧河入長江河口位置，受長江水體磷鹽影響 (2006～2010年長江巫山段總磷平均含量0.110mg/L)，其三態(tài)磷鹽含量為5個斷面中最高，其變異系數(shù)為5個斷面中最小。B、C、D斷面位于大寧河回水區(qū)中段，其磷循環(huán)的穩(wěn)定性受到水力沖刷、外源磷輸入與生物調(diào)控等多因素動態(tài)平衡的影響，總磷、可溶解性磷和正磷酸鹽的變異系數(shù)范圍分別為42% ～55%、39%～47%和66% ～77%，其變異系數(shù)可溶解性磷最小，總磷次之，正磷酸鹽最大，說明在這個磷循環(huán)系統(tǒng)中，正磷酸鹽是一個比較敏感的指標(biāo)，能夠較好地指示磷循環(huán)平衡的狀態(tài)。

表1 大寧河回水區(qū)三態(tài)磷的變化特征

圖3 調(diào)查期間chla、正磷酸鹽、總磷、可溶性磷時空變化圖

2.3 水華期間磷鹽水層分布特征及其與藻類生長關(guān)系

圖4 不同水層正磷酸鹽變化圖

圖5 大寧河B斷面水體藻類與正磷酸鹽關(guān)系圖

在2011年3～6月的流域調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)，B斷面水體chla在5月份增長迅速，該處有發(fā)生水華的可能。因此，自5月24日始連續(xù)每日對B斷面水體進(jìn)行監(jiān)測分析，觀測大寧河回水區(qū)水華暴發(fā)的過程，研究其間磷鹽與藻類生長日變化特征并分析其關(guān)系。不同水層正磷酸鹽變化見圖4，正磷酸鹽與藻類生長關(guān)系見圖5。從圖4可以看出，正磷個水層。這主要是由藻類生長的垂直分布特點(diǎn)引起的，藻類主要集中在水體表層，期間0.5m水層藻類生物量有3.854～9.363mg/L(均值6.367mg/L)，2.0m水層藻類生物量有2.075～14.540mg/L酸鹽在水體中的分布因不同水深具有明顯水層差異，0.5m和2.0m水層正磷酸鹽含量比較接近，5.0m、10.0m和底層水體正磷酸鹽含量比較接近，并且0.5m和2.0m水層正磷酸鹽含量低于其它三(均值5.893mg/L)。圖5反映了藻類對正磷酸鹽的吸收關(guān)系，所選數(shù)據(jù)為24～29日中當(dāng)日透明度5倍以內(nèi)調(diào)查樣品的分析數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示正磷酸鹽與藻類生物量在0.002水平呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。水體中溶解正磷酸鹽隨生物量的增加而減少，藻類生長主要吸收水體中的正磷酸鹽。采用線性關(guān)系粗略分析，假定藻類能將正磷酸鹽全部吸收，每1LB斷面的水理論上能夠保證藻類增長到21.4mg的極限生物量。

2.4 室內(nèi)培養(yǎng)藻類生長特征

采用FlowCAM藻類分類系統(tǒng)分析藻類，能夠記錄單個藻類的物理參數(shù)，計算出單個藻類的體積;具有650nm長通濾鏡，給出所記錄每個藻類的葉綠素?zé)晒鈴?qiáng)度。培養(yǎng)期間藻類個體體積變化情況見圖6，藻類葉綠素?zé)晒鈴?qiáng)度的變化見圖7。藻類體積在412.67～6787.83μm3/cell范圍變化。總體上看，藻類體積先逐漸增大，而后在第4～6d體積變小。表明藻類生長過程中先是個體的增長，之后是數(shù)量的增殖，但是平均體積會變小。藻類熒光強(qiáng)度的大小反映了其生物活性的強(qiáng)弱，培養(yǎng)初期，底層樣品的熒光活性最好，然后依次是5.0m水層、0.5m水層、2.0m水層和10.0m水層樣品;培養(yǎng)至第4d，各個樣品的藻類熒光強(qiáng)度差異變小，在41246～81661AU/mg范圍變化;之后第5d、第6d，各個樣品的藻類熒光活性發(fā)生變化，最大的5.0m水層樣品，達(dá)到704526 AU/mg，其次底層樣品和10.0m水層樣品，最小的是0.5m和2.0m水層樣品，分別為97214 AU/μm3和91724 AU/mg。表明培養(yǎng)過程中，藻類生長活性有一個由強(qiáng)到弱然后再增強(qiáng)的過程，而較低正磷酸鹽濃度 (0.5m和2.0m水層樣品)會抑制藻類的生物活性使其一直處于一個較低的水平。

圖6 培養(yǎng)期間藻類平均體積變化圖

2.5 室內(nèi)狀態(tài)磷鹽與藻類生長關(guān)系分析

分析0.5m以及2.0m水層培養(yǎng)樣品，藻類生物量分別從5.64、2.86mg/L增長到25.06、35.95mg/L，在培養(yǎng)初期持續(xù)增長，在第4～5d增長放緩，然后第5～6d再次迅速增長，5.0m水層、10.0m水層和底層培養(yǎng)樣品一直持續(xù)增長，分別從0.26mg/L增長到2.52mg/L，0.11 mg/L增長到1.06mg/L，0.03mg/L增長到3.11mg/L。5個水層的樣品培養(yǎng)至第6d生物量分別增加了3.44倍、12.57倍、8.69倍、8.64倍和102.67倍。正磷酸鹽變化如圖8所示，0.5m和2.0m水層樣品正磷酸鹽含量相近變化相似，前3d持續(xù)下降，在第3～4d保持在0.008～0.013mg/L的較低水平，第5d分別增大到0.027 mg/L和0.037mg/L，然后第6d又降低到0.003mg/L;其它三個水層樣品正磷酸鹽含量比較接近，培養(yǎng)期間5.0m水層和底層樣品藻類活性更好，其正磷酸鹽減少較10m水層樣品更快。上述情況表明:在水體正磷酸鹽含量較低的時候(＜0.013mg/L)藻類會釋放部分之前積累在體內(nèi)的磷鹽，并將水體中部分有機(jī)態(tài)磷轉(zhuǎn)化為正磷酸鹽，這一過程發(fā)生在此次培養(yǎng)的第4d。在室內(nèi)培養(yǎng)過程中，正磷酸鹽與藻類生物量關(guān)系見圖9，藻類增長不斷消耗培養(yǎng)液中的正磷酸鹽，y=－0.005x+0.138，其消耗速率略小于自然水體 (y=－0.007x+0.150)，在室內(nèi)培養(yǎng)條件下，1L培養(yǎng)液理論上能保證藻類增長到27.6mg的生物量，稍多于天然狀態(tài)下的21.4mg，這是藻類在不利條件下釋放和轉(zhuǎn)化磷鹽的結(jié)果。

3 結(jié)論

大寧河回水區(qū)磷鹽與藻類變化表現(xiàn)出明顯的時空差異性。多年的調(diào)查數(shù)據(jù)表明，每年的3～6月大寧河回水區(qū)水體營養(yǎng)鹽和藻類含量會逐漸增大，達(dá)到一較高水平并保持?jǐn)?shù)月;對比營養(yǎng)鹽氮磷的年變化情況，磷鹽的波動變化更大，受環(huán)境因素影響更敏感。在2011年3～6月對大寧河回水區(qū)整個區(qū)域的調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)，水體磷鹽含量從回水區(qū)上游至入長江河口逐漸增大;總磷、溶解性磷和正磷酸鹽三個指標(biāo)中，正磷酸鹽變異性最大，能夠較好地反映藻類消耗磷鹽的情況。正磷酸鹽和藻類生物量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，采用線性關(guān)系粗略分析，在室內(nèi)培養(yǎng)條件下藻類能在水體正磷酸鹽含量較低時釋放和轉(zhuǎn)化磷鹽，其藻類生物量理論極限容量值略高于天然狀態(tài)。室內(nèi)培養(yǎng)藻類發(fā)現(xiàn)，藻類生長過程中先是個體的增長，之后是數(shù)量的增殖，但是平均體積會變小;藻類生長活性有一個由強(qiáng)到弱然后再增強(qiáng)的過程，而較低正磷酸鹽濃度會抑制藻類的生物活性使其一直處于一個較低的水平。

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