汛期三峽庫區(qū)水華發(fā)生期間相關(guān)因子關(guān)系分析

孫啟鑫，宋林旭，紀(jì)道斌，劉德富,2，蘇青青，周哲軒，趙星星，陳 巍，石浩洋

(1.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002;2.湖北工業(yè)大學(xué)河湖生態(tài)修復(fù)與藻類利用湖北省重點實驗室，武漢 430068)

三峽水庫蓄水后，支流香溪河水位隨之升高，水流速度變緩[1,2]，泥沙淤積，水體自凈能力降低，水環(huán)境由典型的河流水體轉(zhuǎn)變?yōu)轭愃坪葱偷木徚魉w[3]。支流香溪河每年都爆發(fā)不同程度的水華，對生態(tài)環(huán)境造成了極大的破壞，也嚴(yán)重影響著人們的正常生活。氮、磷等營養(yǎng)鹽是水體富營養(yǎng)化的物質(zhì)基礎(chǔ)[4]，且其存在形態(tài)、結(jié)構(gòu)及其分布特征與水華生消密切相關(guān)。藻種演替規(guī)律較為復(fù)雜，前人也作過許多研究[5，6]。近年以來許多學(xué)者對三峽水庫水華成因及藻種變化進行了許多研究，其中王海云等研究了三峽水庫“藻類水華”成因條件[7]，易仲強等研究了水溫結(jié)構(gòu)對香溪河春季水華的影響[8]，洪尚波等研究了三峽水庫大寧河春季水華藻類分布的特征[9]。其中汛期的環(huán)境因子較為特殊，例如溫度較其他時期而言保持在一個較高的數(shù)值；營養(yǎng)鹽含量較高等等。其中有些藻種受汛期溫度的變化影響是非常明顯的，例如汛期多為藍藻爆發(fā)期，溫度對其影響也是一個重要因素；水體中磷含量的充足與否對甲藻水華爆發(fā)起著一定的作用。但是針對于汛期藻種變化及影響因素研究較少，故本文以三峽水庫典型支流香溪河為研究對象，于汛期采樣并結(jié)合汛期環(huán)境因子特點分析葉綠素a和營養(yǎng)鹽的變化特征，探究汛期水華藻種變化的影響因素，以期為控制香溪河水華打下理論基礎(chǔ)，并為三峽庫區(qū)的富營養(yǎng)化風(fēng)險防治提供科學(xué)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

香溪河位于湖北省西部 110°25′～111°06′E、30°57′～31°34′N，發(fā)源于神農(nóng)架林區(qū)，干流長94 km，流域總面積3 099 km2[10]，據(jù)昭君鎮(zhèn)以下 2 km 處水文站( 控制流域面積1 900 km2) 記載，香溪河流域河口斷面多年平均流量 40.18 m3/s[11]，流域內(nèi)人多地少，實行“高投入，高產(chǎn)出”傳統(tǒng)的經(jīng)營模式，在降雨驅(qū)動下水土流失和化肥流失引起的環(huán)境效應(yīng)是香溪河庫灣水體污染的重要原因[12]，同時也加劇了水體外源負(fù)荷氮磷輸入。而三峽水庫蓄水之后，流速變緩，水環(huán)境變?yōu)轭愃坪吹木徚魉w，水體自凈能力大幅降低，香溪河每年都爆發(fā)不同程度水華，對生態(tài)環(huán)境造成的破壞是不可估量的，更是對人類的生活造成了一定的影響。

1.2 采樣點設(shè)置

根據(jù)香溪河的地形地貌以及水環(huán)境因子和水動力參數(shù)、水華爆發(fā)的空間分區(qū)特點，設(shè)置間隔適宜的采樣點，沿河道中泓線設(shè) 10 個監(jiān)測點，間距約 3 km，從河口到上游依次記為 CJXX～XX09(見圖1)，

圖1 采樣點布置Fig.1 Distribution of the monitoring sites

1.3 樣品采集與處理

2 結(jié)果與分析

2.1 基本理化因子

溶解氧、pH、溫度變化見圖2。溶解氧在整個汛期含量變化范圍為3.25～10.44 mg/L，平均值為7.24 mg/L，從時間上來看，溶解氧含量6-8月呈逐漸上升趨勢，6月份含量波動較大(3.25～9.28 mg/L)，7月份含量波動較小(6.58～10.42 mg/L),平均值為7.61 mg/L。從空間上來看，CJXX和XX04的6月溶解氧含量低于其他監(jiān)測點位。pH在整個汛期含量變化范圍在3.25～10.44 mg/L，平均值為8.68 mg/L，呈弱堿性，整體波動范圍不大，6-8月大致呈上升趨勢。單從8月來看，pH自下游到上游呈逐漸增加的趨勢。溫度在整個汛期都處于一個較高的范圍內(nèi)波動，在整個汛期變化范圍在21.4～29.04 ℃，平均值為25.15 ℃，6-8月溫度總體呈現(xiàn)一個上升的趨勢。在整個汛期中，8月的平均溫度大于6、7月平均溫度，8月平均溫度到達了27.47 ℃，而6、7月平均溫度分別只有22.47 ℃和25.51 ℃。

表1 監(jiān)測指標(biāo)及分析方法說明Tab.1 The monitoring indicators and analysis methods

圖2 溶解氧、pH、溫度變化Fig.2 Variations of dissolved oxygen、pH and temperature

2.2 營養(yǎng)鹽變化

營養(yǎng)鹽含量變化見圖3。從時間上看整個汛期總氮含量變化范圍為1.69～3.78 mg/L，平均值為3.01 mg/L，6月總氮含量為1.62～3.78 mg/L，平均值為2.32 mg/L，7月和8月總氮含量均值大于3.12 mg/L，6月總氮含量總體相比7月和8月含量較低；溶解性總氮6月含量相比7月和8月較低，6月溶解性總磷含量為1.63～2.92 mg/L，平均值為1.86 mg/L，7月和8月溶解性總氮普遍大于3.0 mg/L。整個汛期氨氮和硝氮含量總體較穩(wěn)定，其中氨氮含量為0.08～1.47 mg/L，6月氨氮平均含量為0.572 mg/L，而7月和8月氨氮平均含量分別為0.436 2和0.402 1 mg/L；硝氮含量為0.81～1.71 mg/L。整個汛期總磷含量波動較大(0.04～0.27 mg/L)，平均值為0.12 mg/L；溶解性總磷含量波動較小為0.01～0.12 mg/L，平均值為0.04 mg/L，正磷酸鹽含量為0.01～0.49 mg/L，平均值為0.09 mg/L。從空間上看6月和8月自上游到下游總氮含量呈遞增趨勢，7月和8月在XX00處氨氮含量有較大的波動，含量到達了1.32 mg/L。6月和8月總磷、正磷酸鹽、溶解性總磷有自下游向上游遞增的趨勢，而7月總磷、正磷酸鹽、溶解性總磷含量呈現(xiàn)拋物線形，上 、下游含量高，中游含量低，總磷變化范圍為0.04～0.21 mg/L，平均值為0.11 mg/L，正磷酸鹽變化范圍為0.09～0.49 mg/L，平均值為0.19 mg/L，溶解性總磷變化范圍為0.01～0.12 mg/L，平均值為0.05 mg/L。

圖3 汛期營養(yǎng)鹽濃度變化Fig.3 Variations of nutrient concentration during flood season

2.3 水動力特性

汛期香溪河庫灣流速分布見圖4。由圖4可知，在汛期期間出現(xiàn)分層異向流動，即分層異重流[17]。從時間上來看，6月長江干流水體以表層異重流倒灌進入香溪河庫灣，倒灌深度在河口處達21 m左右，倒灌水體厚度呈楔形整體趨勢自河口向上游逐漸減小，潛入距離達到20 km左右,由長江干流倒灌進入庫灣水體流速最大發(fā)生在XX04表層處，為0.054 m/s;7月長江干流水體以表層異重流倒灌進入香溪河庫灣，倒灌深度在河口處達21 m左右，倒灌水體厚度整體趨勢是遞減的，潛入距離達到18 km左右，由長江干流倒灌進入庫灣水體流速最大發(fā)生在XX04水深5 m處，為0.152 m/s; 8月長江干流水體以表層異重流倒灌進入香溪河庫灣，倒灌深度在河口處達20 m左右，倒灌水體呈楔形厚度自河口向上游逐漸減小，潛入距離達到22 km左右，由長江干流倒灌進入庫灣水體流速最大發(fā)生在XX00水深5 m處，為0.033 m/s。

圖4 汛期流速分布Fig.4 Flow velocity distribution during flood season 注：流速圖中黑色箭頭表示水體由庫灣流向干流，白色箭頭表示水體由干流流向庫灣。

2.4 葉綠素a時空變化

葉綠素a濃度變化見圖5。葉綠素a濃度具有明顯的時空變化，葉綠素a濃度變化可能是營養(yǎng)鹽和環(huán)境因子多重作用的結(jié)果。2017年汛期葉綠素a濃度為2.56～56.40 mg/L，總體而言在整個汛期期間CJXX葉綠素a濃度變化不大，為2.95～4.69 mg/L，這可能是受干流來流影響，長江干流在CJXX附近注入，使得流量增大，有利于氮、磷等營養(yǎng)物的稀釋[18]，使得葉綠素a含量增長速度減緩。從整個汛期來看，葉綠素a含量6-8月有遞增的趨勢，而水體中葉綠素a濃度由水體中浮游植物的生物量決定，而浮游植物的生物量又受水溫、光照和營養(yǎng)鹽濃度影響，葉綠素a的時間變化特征正是對環(huán)境因子的響應(yīng)。

圖5 汛期葉綠素a濃度變化Fig.5 Variations of chlorophyll-a concentration during flood season

葉綠素a最高值出現(xiàn)在8月的香溪河XX08處，為56.85 mg/L，最低值出現(xiàn)在6月的CJXX處，為2.17 mg/L，7月葉綠素a含量較6月、8月波動范圍較小。6月和8月葉綠素a含量整體趨勢自下游向上游增加，而7月葉綠素a含量出現(xiàn)反復(fù)波動，這可能是受到倒灌異重流影響，倒灌異重流形式變化導(dǎo)致混合層深度變化，影響浮游植物光照條件[19]，從而葉綠素a濃度出現(xiàn)交替性變化。

2.5 藻種變化

藻種變化見圖6～圖8。從時間上來看，6-8月呈拋物線狀，7月浮游植物總細(xì)胞密度較高，7月浮游植物總細(xì)胞密度平均值為23.63×106個/L，整個汛期浮游植物總細(xì)胞密度平均值為18.82×106個/L，最小值為3.3×106個/L，最大值為44.23×106個/L。其中在6月份的優(yōu)勢種為甲藻，而7月份優(yōu)勢種為藍藻，8月份優(yōu)勢種為藍藻和綠藻。從空間上看，6月份浮游植物總細(xì)胞密度由上游自下游遞減，7月份浮游植物總細(xì)胞密度除了CJXX點密度較低外其余點位置密度相差不大，而到了8月中上游浮游植物總細(xì)胞密度大于下游。整個汛期的優(yōu)勢種變化為甲藻-藍藻-藍藻、綠藻，其中導(dǎo)致藻種變化的原因是多方面的，可能由溫度變化、水體流速變化等外界環(huán)境因素引起。

圖6 6月藻種變化Fig.6 Variations of algae species in June

圖7 7月藻種變化Fig.7 Variations of algae species in July

圖8 8月藻種變化Fig.8 Variations of algae species in August

3 討 論

3.1 葉綠素a與環(huán)境因子相關(guān)性分析

葉綠素a與環(huán)境因子相關(guān)性分析見表2。從整個汛期來看，葉綠素a與溶解氧呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)，與溫度呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，與透明度呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，與化學(xué)耗氧量呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，與總氮呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，與氮磷比呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，與總磷和pH無明顯相關(guān)性。

溶解氧是浮游植物繁殖的一個重要條件，也是浮游植物代謝過程中的重要能源物質(zhì)[20]。從表2中可知葉綠素a與溶解氧呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)，一般來說，葉綠素a含量越高，浮游植物數(shù)量越多，浮游植物在光合作用中釋放氧分子增加使水體中溶解氧濃度增加；一般來說溫度升高，有利于浮游植物的繁殖，水溫影響著浮游植物光合作用與呼吸代謝速率，從而使葉綠素a的濃度發(fā)生變化。本文研究中葉綠素a與溫度呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，但也曾有學(xué)者認(rèn)為葉綠素a與溫度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的理論[21]，合適的溫度可以促進浮游植物的生長，具體數(shù)值還需實驗分析；葉綠素a與pH無明顯相關(guān)性，這可能是由于汛期多雨，而降雨又會對pH產(chǎn)生影響，導(dǎo)致pH一直處于波動的范圍，所以相關(guān)性并不明顯；葉綠素a與透明度呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，淺水湖泊的水體透明度主要受2種因素影響: 無機懸浮顆粒物及有機質(zhì)或者藻類生物量。而對于大型淺水湖泊而言，無機顆粒物濃度受風(fēng)浪擾動下底泥再懸浮過程的影響很大[22]，而對于香溪河受到的主要影響是藻類爆發(fā)引起的透明度變化，汛期藻類爆發(fā)，導(dǎo)致透明度急劇降低；葉綠素a與化學(xué)耗氧量呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，化學(xué)耗氧量越大，說明水體受有機物的污染越嚴(yán)重。汛期葉綠素a含量增加，反應(yīng)了水體中浮游植物的增加，水體中有機物含量增高，化學(xué)耗氧量隨之增加；葉綠素a與總氮呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)而與總磷無明顯關(guān)系，總氮含量在整個汛期變化范圍為1.69～3.78 mg/L，整個汛期總磷含量波動較大(0.04～0.27 mg/L)，以往的研究認(rèn)為氮或磷與浮游植物有正、負(fù)相關(guān)或無相關(guān)的結(jié)論都存在[23-27]，可見氮、磷與葉綠素a含量關(guān)系比較復(fù)雜，既不能說明葉綠素a含量受總氮控制，也不能說明與總磷的變化無關(guān)，只能反應(yīng)藻類增殖帶來的水質(zhì)反饋效應(yīng)；浮游植物是水體中的初級生產(chǎn)者，通過光合作用將水體中的無機物轉(zhuǎn)化為有機物。營養(yǎng)鹽對浮游植物的限制作用非常復(fù)雜.本文研究中氮磷比為6.09～68.99，平均值為30.89。根據(jù)Liebig最小生長定律，制約浮游植物生長繁殖的因子是含量較少的營養(yǎng)元素 N、P，且N/P>7.2 時，磷就會成為浮游植物生長的潛在限制因子，反之N/P<7.2 時，氮就會成為浮游植物生長的潛在限制因子[28]。由此可見香溪河水體浮游植物生長的限制因子可能是磷元素。

表2 葉綠素a與環(huán)境因子相關(guān)系數(shù)Tab.2 Correlation between chlorophyll-a and environmental factors

注：“*”相關(guān)關(guān)系顯著P<0.05；“**”相關(guān)關(guān)系極顯著P>0.01。

3.2 藻種變化規(guī)律及原因分析

4 結(jié) 論

(1)汛期葉綠素a與溶解氧呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)，與溫度呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，與透明度呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，與化學(xué)耗氧量呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，與總氮呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，與氮磷比呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，與總磷和pH無明顯相關(guān)性。

(2)在香溪河整個汛期期間溫度始終保持在一個較高的水平，而只有6月的優(yōu)勢種多為擬多甲藻，說明擬多甲藻水華發(fā)生的主要主導(dǎo)因素不是溫度;水體中磷含量的高低也是甲藻水華爆發(fā)的一個重要影響因子;水動力條件會間接對藻類生長產(chǎn)生影響。7月的優(yōu)勢種變?yōu)樗{藻，多數(shù)藍藻生長增殖最適溫度為25～35 ℃，而7月平均溫度到達了25.51 ℃，這也是促進藍藻爆發(fā)的一個重要因素;7月營養(yǎng)鹽含量十分充足對藍藻水華的爆發(fā)也有至關(guān)重要的作用；水體氮濃度和pH也是影響藍藻水華的爆發(fā)因素；7月倒灌異重流來自干流，水體潛入距離為18 km，特殊的水動力條件或許也是導(dǎo)致藍藻爆發(fā)的原因。8月優(yōu)勢種變?yōu)樗{藻和綠藻，8月平均溫度(27.47 ℃)和7月平均溫度(25.51 ℃)相差不大，pH和營養(yǎng)鹽含量依然沒有脫離藍藻生長的范圍，所以藍藻水華依然存在；而綠藻成為優(yōu)勢種原因之一是因為8月銨鹽含量相較于6月和7月低，對綠藻的生長抑制較小，其次是因為某些綠藻死亡腐爛后產(chǎn)生有害物質(zhì)，抑制其他植物生長，且8月chl.a的含量達到了綠藻水華爆發(fā)的閾值，故在8月出現(xiàn)藍、綠藻水華同時爆發(fā)的情況。

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