三峽水庫大寧河春季水華藻類分布及影響因子

洪尚波,吳光應,萬 丹,付道林

(重慶市巫山縣環境監測站,重慶 404700)

大寧河發源于陜西省平利縣的中南山,流經巫溪、巫山縣之間的云崖險峰,注入巫峽西口的長江,在巫山縣境內的流域面積為343.5km2[1],是三峽水庫一級支流。三峽水庫正式運行以來,最高水位已達到172m,大寧河下游約50km成為庫灣區,在長江干流對其的頂托作用下,水流非常緩慢,滯留時間長,易形成富營養化并在適宜條件下暴發水華。2010年3月中旬,大寧河回水區部分水域發生水華,水華表觀為醬油色,在數個河段呈片狀分布。筆者分析了此次水華期間浮游藻類的群落組成與時空分布特征,并探討其影響因素,以期為三峽庫區支流的水華預警預報與控制工作提供參考依據。

1 調查范圍與研究方法

1.1 調查范圍

根據大寧河流域的水文地質特征及此次水華暴發情況,選取調查點位(圖1):A點位于此次水華區域上游;B、D點均位于一個很大的庫灣;C點位于一個長約2 km的峽谷;E點位于大寧河在長江的入口。每個采樣斷面分水深0.5m、2.0m、5.0m采樣,在整個水華期間每2d采樣1次。取B、C、D、E點的均值分析當日水華發展的總體情況;取水深0.5m處的數據作為水體表層數據。

圖1 采樣點示意圖

1.2 分析方法

水質理化監測項目包括TN 、TP、NH3-N、CODMn、DO 、Chl-a、SD、pH 、水溫 T、濁度(NTU)和電導率等 11項。采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定ρ(TN);采用鉬酸銨分光光度法測定ρ(TP);采用納氏試劑分光光度法測定ρ(NH3-N);酸性高錳酸鉀法測定 ρ(CODMn)。為了控制測定的準確性,在TN、TP、NH3-N和CODMn分析時,每 10個測定樣品用標準樣品校驗。另采用10%的平行樣分析來控制實驗的精密度。具體分析方法參見文獻[2]。

藻類的分類、計數采用光學鏡檢法,用長條計數法計數[2-3];Chl-a、DO、濁度采用便攜式多參數水質測定儀(DS5X)測定;水體流速、流量、河寬、水深等水文參數用多普勒測流剖面儀(YCN-RC3025)測定;數據相關性及主成分分析采用SPSS17.0統計軟件處理[4-6]。

2 結果分析與討論

2.1 水體環境因子

2.1.1 水環境概況

此次水華暴發正值三峽水庫放水期間,2010年3月12—3月16日,長江巫山段水位以平均0.13m/d的速度下降,大寧河回水區域的水體流速為0.00～0.02m/s。水華集中在B、C、D、E點位所在區域。水華區域環境因子數值見表1。水華期間,調查區域的水溫保持在13℃左右,其日間 ρ(DO)為7.63～12.23mg/L,pH值在8.17～9.22,水體偏弱堿性。3月12日,ρ(Chl-a)平均值為 18.80mg/m3;3月14日為32.06mg/m3,最大值達到111.97mg/m3;3月16日為11.71 mg/m3,趨于同期正常水平。水華區域ρ(TN)為 1.198～3.862 mg/L,日均值分別為1.667mg/L、1.781mg/L 、1.663mg/L;ρ(TP)為 0.027～0.499mg/L,日均值分別為 0.141mg/L、0.163mg/L、0.081mg/L;ρ(CODMn)為 1.38 ～ 4.65mg/L,日均值分別為3.08mg/L,2.28mg/L,2.44mg/L。水華期間,環境因子Chl-a、TN、TP隨水華過程的進行表現出先增大后減小的規律。

2.1.2 水體分層比較

此次水華期間,水體表層處(0.5m)的pH值最大,水深增大,pH 值變小(圖2)。分析Chl-a、TN、TP在水體0.5m、2m、5m水層的垂向變化(圖2),在 3月12日水華早期,Chl-a、TN、TP均在2m水層出現最大值,3月14日水華中期Chl-a、TN、TP最大值皆出現在0.5m水層,表明在水華前期和中期,Chl-a、TN、TP隨水深變化有很強的關聯性。其最大值所在水層的改變,表明藻類有向適宜環境大量遷移的習性,而3月14日Chl-a、TN、TP在0.5m 水層出現最大值,推測是當日天降小雨,藻類向水體表層遷移所至。3月16日水華后期,Chl-a最大值出現在2m水層,而氮磷營養鹽被此水層藻類大量消耗掉,使得TN、TP在此處出現最小值。

表1 大寧河春季水華期間水華區域主要物理化學參數

圖2 不同水層 pH 值、ρ(Chl-a)、ρ(TN)、ρ(TP)變化

2.2 浮游藻類的種類組成

此次春季水華期間,共鑒定浮游藻類7門24屬,其中綠藻門10屬,硅藻門8屬,藍藻門2屬,其余甲藻門、隱藻門、裸藻門、黃藻門各1屬。常見的檢出種類有甲藻門的擬多甲藻,綠藻門的衣藻、小球藻,藍藻門的色球藻以及硅藻門的顆粒直鏈藻。由圖3可知,浮游藻類以甲藻和綠藻為主,共占到藻類數量的77%:其中第一優勢種類為擬多甲藻,占38%,其次為小球藻,占19%,衣藻占12%以及其他。

圖3 大寧河春季水華期間藻類組成結構

對比分析3月12日、14日、16日各采樣點的藻類密度(圖4),3月12日,5個采樣點藻密度范圍2.44×105～50.35×105個/L第一優勢種擬多甲藻在5個采樣點的密度分別為0.35×105、5.15×105、1.55×105個/L、21.55×105個/L、3.45×105個/L,在總浮游藻類中所占比重為 5.51%、30.12%、6.35%、42.80%、12.26%,水體中藻類整體豐度并不高,但B、D兩點擬多甲藻的種群優勢明顯,都超過了30%。3月14日,各樣點藻密度范圍26.6×105～153×105個s/L,第一優勢種的擬多甲藻在5個采樣點的密度分別為2.15×105個/L、23.55×105個/L、99.35×105個/L、84.25×105個/L、60.9×105個/L,在總浮游藻類中所占比重為8.08%、40.50%、64.93%、71.58%、50.25%,A點藻類總密度有所增大,但甲藻比重仍低于10%,水華區域 B、C、D、E點藻類瘋狂生長,尤以C點為最。水華區域擬多甲藻獲得絕對種群優勢。其比重平均占到56.82%。3月16日,5個采樣點藻密度變化范圍為20.01×105～47.8×105個/L,作為第一優勢種的擬多甲藻在5個樣點的密度分別為0.55×105個/L、6.55×105個/L、16.35×105個/L、4.95×105個/L、3.1×105個/L,在浮游藻類中所占比例為2.74%、14.60%、34.21%、16.98%、7.48%,比重整體下降,擬多甲藻僅在C點仍保持著種群優勢,表明C點的峽谷地帶的水華持續時間更長一點。

2.3 藻類生長分布特點及其影響因素

2.3.1 水華過程氮磷營養鹽變化

此次水華第一優勢種為擬多甲藻,其生物量在總浮游藻類中所占百分比以及各調查點氮磷比值見圖5。3月14日,在水華區域的B、C、D、E點擬多甲藻種群優勢最為明顯,其所占比值均在40%以上,此時氮磷比為水華期間最小,其值均小于10。在水華后期,氮磷比迅速變大,除水華消退較慢的C點外其余各調查點氮磷比值均在20以上。以上表明,擬多甲藻水華的暴發會降低水體氮磷比,而隨著該水華的消退,水體氮磷比會較迅速的恢復到一個較高的水平。

2.3.2 種類多樣性指數與均勻度指數

圖4 大寧河春季水華期間各調查點藻類分布

圖5 大寧河春季水華中氮磷比及優勢種比重變化

Shannon-Weaver種類多樣性指數(H′)是對浮游植物群落物種數敏感的指數,對浮游植物群落多樣性有較好的解釋。其值越大,表明其群落結構越復雜,穩定性越大,水質越好;Pielou均勻度指數(J)可以很好地應用于浮游植物群落多樣性分析中,分別按下式計算[8-9]

式中:S為生物種類數;ni為i種的個體數;N為總個體數。

圖6 大寧河春季水分結期間各調查點生物多樣性指數、生物均勻度指數

由圖6可見,整個水華期間各采樣點H′值和J值分別為 1.6387～ 3.1165、0.4731～0.8524,采用SPSS17.0軟件對H′和J進行檢驗,在0.01水平上顯著相關。根據評價標準[9-10],有86.7%的樣點屬于中污染。(H′＞3,輕或無污染;H=1～3,中污染;H=0～1,重污染。)分析該次水華不同時期的浮游藻類情況,處于水華區域的B、C、D、E點,在水華中期(3月14日)H′值和J值均顯著低于水華前期(3月12日)和水華后期(3月16日)。對比各采樣點情況,A、E兩點 H′和J處于較高水平,其中A點位于水華區域上游的巴霧峽口,E點位于大寧河的入江口,A點未發生水華,調查期間葉綠素a均值為2.96(1.92～4.40)mg/m3,E點水華比較嚴重,葉綠素a均值為42.51(6.30～11.97)mg/m3。以上表明,水華的暴發會使得浮游藻類的群落結構變得不穩定,且該群落會自發向穩定群落結構發展;而江河匯口區域較強的水體紊流效應,會使得該區域的浮游藻類特征異于其它水華區域,表現出較好的群落穩定性和生物均勻性;水華后期,整個區域的浮游藻類結構穩定性差異會變小。

Chl-a和H′是對浮游藻類生物量和群落穩定性的分別表征[10],大寧河3月中旬水華前中后期,Chl-a和H′與各環境因子相關性見表2。前期和中期,Chl-a和H′呈負相關;后期Chl-a和H′呈正相關。可見在水華的前、中期,浮游藻類生物量的增大會使其群落越來越不穩定,而在水華后期,生物量的增大卻可以增加其群落穩定性。

分析Chl-a與其他環境因子的相關性可知,在水華中期,ρ(Chl-a)和 ρ(TN)、ρ(TP)呈高度正相關,其相關系數分別為0.857、0.910(p＜0.01),該時期氮磷營養鹽是影響浮游藻類生物量的關鍵因子,而在水華后期其相關性變得不明顯(相關系數分別為0.132、0.086)。水華中期,Chl-a和氮磷比值呈負相關(-0.637;p＜0.05)。Chl-a與NTU在水華前、中期顯著正相關(0.939、0.840;p＜0.01),在水華后期相關性不明顯(0.111),說明在浮游藻類瘋長聚集時,藻類生物量是影響水體濁度的主要因素。在水華中期,ρ(Chl-a)與 ρ(DO)、pH、電導率的相關性也變得顯著起來(表2),分析可知浮游藻類生物量的增加會使得水中DO和pH值的增大,而電導率會變小。

分析H′與其他環境因子的相關性可知,在水華前期 H′與ρ(TP)呈高度負相關(-0.848;p＜0.01),與氮磷比呈高度正相關(0.816;p＜0.01),說明磷營養鹽的富集增多會使浮游生物群落變得不穩定,是藻類瘋長的表征。此外的環境因子與H′相關性均不顯著,表明浮游生物群落穩定性受各環境因子的影響很復雜,是一個相互影響的動態穩定。

表2 大寧河春季水華期間水體特征因子與Chl-a、H′相關性分析結果

表3 水體特征因子主成分分析

2.3.4 主成分分析

此次水華區域水生態環境特征指標的主成分分析結果見表3。水華前、中、后期前3個主成分分量的累計方差貢獻率均超過80%,滿足生態環境分析的需要[10]。水華前、中期第1主成分中反映信息基本相同,氮磷營養鹽是藻類生長的物質基礎,Chl-a指標反映藻類生物量,藻類大量增殖聚集會導致水體濁度增大,而DO、pH是和藻類生物量相互影響的因子。水華前期第2主成分反映了 T、DO、電導率和pH的信息,水華中期,CODMN是決定第2主成分的主要因子。水華后期,第一主成分反映的信息改變,主要體現了 T 、DO、pH、CODMN和濁度的信息,營養鹽指標TN、TP與Chl-a成為決定第2主成分的主要因子,第三主成分的主要因子為Chl-a。可見,在1次水華過程中,水環境特征的主要影響因子會從營養鹽因子TN、TP向水環境狀態因子水溫、DO、pH等轉變。

3 結 語

a.大寧河2010年3月中旬水華暴發區域主要為B、C、D、E調查點所在區域,峽谷地帶的C點區域,其持續時間更久。此次水華中,河口區域E點亦發生水華,且浮游藻類表現出比其他幾處更好的群落穩定性和生物均勻性。

b.此次水華的前、中期,浮游藻類的群落穩定性隨生物量的增大而降低;而在水華后期則隨其增大而增加。在水華過程中,水生態環境特征的主要影響因子會發生變化,水華前、中期為營養鹽因子TN、TP,水華后期變化為水環境狀態因子水溫、DO、pH等。

c.通過對水華期間樣品的定量分析,共鑒定浮游藻類共7門24屬,主要為綠藻和甲藻。第一優勢種為擬多甲藻,占到總藻類的38%,其次為小球藻和衣藻。在水華期間觀察到藻類群體垂直遷移的現象,可能是光照改變,而藻類具有趨光性所致。

d.擬多甲藻水華的暴發會降低水體氮磷比,而隨著該水華的消退,水體氮磷比會比較迅速地恢復到一個較高的水平。在水華前期,總磷與浮游藻類群落穩定性會呈現高度負相關,在中、后期其相關性減弱,高水平的磷營養鹽會使得藻類群落穩定性降低。

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