桓仁水庫初級生產力和限制性營養鹽研究

苑俊杰，趙 文，王安璞，劉 鋼，魏 杰，龐雨佳，王 哲，王圣云

( 1.大連海洋大學 水產與生命學院，遼寧省水生生物學重點實驗室，遼寧 大連 116023； 2.遼寧震瀚漁業集團有限公司，遼寧 桓仁 117200 )

水體初級生產力是指單位水體在單位時間內生產有機物的能力，可估算產魚能力、評價水體營養類型，是水生生態系統結構與功能的基礎環節[1-2]和指示水域生態系統環境特征的重要指標[3-4]，對研究水生生態系統及其動態變化，評價水環境，指導漁業生產和生態保護具有重要意義。當今全球湖泊、水庫的富營養化問題日益嚴重，其主要原因是水體中營養鹽過多積累導致水中藻類和植物暴發性生長，繼而影響到水體的透明度和溶解氧等指標，危害水體健康，造成生物多樣性下降，影響水庫功能的正常發揮。預防水體富營養化愈來愈成為關注的焦點[5-9]。調查研究表明，通常情況下，水體的氮、磷等元素循環處于一種穩定的狀態，但在一些情況下會受到某種營養鹽的限制，導致水體氨氮循環受阻，有害物質積累。降低水體初級生產力從而影響水體魚產力[10-11]。當下水庫的供水和生態調節等功能愈發受到關注和重視[12]。遼寧桓仁水庫(又名桓龍湖)位于遼寧省東部(E 125°20′～125°50′，N 41°10′～41°36′)，是遼寧省最大的水庫，庫身全長81 km，橫跨遼寧、吉林兩省的桓仁、通化、集安3縣轄區，是一座以發電為主，兼顧防洪、灌溉、養魚的綜合性水利工程。水庫總庫容為3.46×109m3，蓄水量約2.362×109m3，近年來還擔負著省內7個城市2300萬人口的飲用水供給重任。武暕等[10]對桓仁水庫的總氮、總磷及其他的相關水質指標進行了調查，并對桓仁水庫富營養化風險進行了預警。筆者在已有的調查資料的基礎上，用現場試驗的手段，通過添加限制性營養鹽，對桓仁水庫的初級生產力和營養鹽限制性進行更進一步的研究，查明桓仁水庫氮磷分布、營養鹽的限制和水庫初級生產力，計算P/R系數，旨在通過監測水質、調控氮、磷含量及氮磷比等手段來解決營養鹽的限制性，維護水庫生態結構和功能的完整性，保障飲用水的生態安全。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

2018年4月10日、6月11日、8月14日在桓仁水庫的上游(江南九隊)、中游(砬砬崗子)和下游(泗河大地)采水樣3次，3個采樣點分別標記為a、b、c采樣點(圖1)。在實驗室，選用500 mL具塞磨口玻璃瓶酸洗后，再用蒸餾水洗凈[13]，懸掛在用竹桿、浮筏、鐵絲制成的三角架上，用采水器采集相應水層的原水(圖2)，用移液槍加入試驗設計質量濃度的氮、磷。所需藥品為濃硫酸、硫酸錳溶液、淀粉溶液、硫酸鈉標準溶液(0.01 mol/L)、堿性碘化鉀溶液。

圖1 桓仁水庫采樣點示意

圖2 試驗裝置簡易構造

1.2 試驗設計

試驗分組為：每個樣點原水樣組、0.3 mg/mL磷組、0.5 mg/mL氮組、以及氮磷比分別為1∶1、2∶1、4∶1、6∶1的水樣組，試驗組和對照組均為3個平行，分別放置于上游江南九隊、中游砬砬崗子、下游泗河大地3個站位；同時用黑白瓶法測定初級生產力。晴天，采用虹吸法將所采集的水樣注入到500 mL的磨口瓶中并保證溢出2～3體積的水，隨后立即使用移液槍向磨口瓶中加入試驗設計所需的氮、磷，經過稀釋后，氮組實際添加質量濃度為1 mg/L、磷組實際添加質量濃度為0.6 mg/L。將瓶子反復搖勻后牢牢捆綁在三角架上之后放入水體中，曝光4 h，進行光合作用，在曝光結束后，打撈三角架以及磨口瓶，立即向水樣中加入硫酸錳和堿性碘化鉀各0.5 mL，反復搖動20次。上岸后，按照碘量法測定溶解氧含量[14-15]。試驗結束后，按照公式分別計算生產力和呼吸量。

在水樣中加入硫酸錳及堿性碘化鉀溶液，生成氫氧化錳沉淀，此時沉淀不穩定，迅速與水中溶解氧化合成錳酸錳：

MnSO4+2NaOH=Mn(OH)2↓+Na2SO4

2Mn(OH)2+O2=2H2MnO3↓

H2MnO3+Mn(OH)2=MnMnO3↓+2H2O

加入濃硫酸使已固定的溶解氧與溶液中的碘化鉀發生反應，析出碘。

2KI+H2SO4=2HI+K2SO4

MnMnO3+2H2SO4+2HI=2MnSO4+I2+3H2O

用移液管量取一定量反應結束后的水樣，以淀粉溶液為指示劑，用硫代硫酸鈉標準溶液滴定，計算水樣中溶解氧的含量。

按照下列公式計算P/R系數：

R=IB-DB

PG=LB-DB

PN=LB-IB

式中，R為呼吸耗氧量，IB為原初溶解氧含量，DB為培養后黑瓶溶解氧含量，LB為培養后白瓶溶解氧含量，PG為毛初級生產力，PN為凈初級產量。

1.3 數據分析

使用有機玻璃采水器采集表層水樣，使用Excel 2017處理數據，利用SPSS 23.0進行單因素方差分析和多重比較。

2 結果與分析

2.1 桓仁水庫水體主要理化指標

4月，桓仁水庫水體pH為8.60～9.63，6月為8.76～9.50，8月8.75～8.98，平均為9.08，水體呈堿性。最高值和最低值分別為上游江南九隊的4月9.63和中游砬砬崗子的4月8.60。

桓仁水庫水體溶解氧含量隨溫度升高而降低，4月為8.14～8.19 mg/L，6月為5.10～6.90 mg/L,8月為5.08～6.05 mg/L，溶解氧含量的最高值和最低值分別為下游泗河大地的4月8.19 mg/L和中游砬砬崗子的8月5.08 mg/L，平均為6.65 mg/L。

桓仁水庫水溫度隨季節變化明顯(P<0.05)，各斷面變化不明顯，4月為2.70～5.30 ℃，6月為23.60～24.30 ℃，8月為26.90～28.00 ℃，溫度最高值和最低值分別為下游泗河大地的8月28.00 ℃和4月2.70 ℃，全庫平均水溫為18.73 ℃。

桓仁水庫的總氮和總磷含量水平分布相差較大，其中總氮4月為0.93～1.17 mg/L，6月為1.13～1.38 mg/L，8月為0.69～1.10 mg/L；總磷含量整體為0.08～0.16 mg/L，其中上游江南九隊6月氮、磷值相對突出，分別為1.38 mg/L和0.16 mg/L。桓仁水庫主要理化指標詳細數據見表1。全庫總氮平均值為1.07 mg/L、總磷平均值為0.1 mg/L。

表1 桓仁水庫水體主要理化指標

2.2 氮磷比及營養鹽限制因素

桓仁水庫水體中氮磷比及限制性營養元素含量見表2。由表2可知，桓仁水庫在上游江南九隊和中游砬砬崗子的氮磷比隨著月份的增長而降低，而在下游泗河大地氮磷比隨著月份的增長而升高。

2.3 桓仁水庫初級生產力及P/R系數比較

4、6、8月，桓仁水庫上、中、下游浮游植物初級生產力及其相關參數見表3。由表3可知，4月桓仁水庫水柱產量為3.91～5.60 g/(m2·d)，平均產量為4.77 g/(m2·d)，最大和最小值分別出現在中游砬砬崗子和上游江南九隊；6月水柱產量為5.78～9.10 g/(m2·d)，平均產量為7.99 g/(m2·d)，最大值和最小值分別出現在中游砬砬崗子和下游泗河大地；8月水柱產量為11.22～13.9 g/(m2·d)，平均產量為12.81 g/(m2·d)，最大值和最小值分別出現在下游泗河大地和上游江南九隊。桓仁水庫初級生產力隨季節和空間變化的趨勢明顯，呈現夏季>春季>秋冬季，上游>中游>下游；除6月中游砬砬崗子的P/R系數小于1以外，4、6、8月其余樣點的P/R系數均大于1。4、6、8月桓仁水庫水體初級生產力的垂直分布詳情見圖3。由圖3可知，桓仁水庫生產量的垂直分布極不均勻，上層水體的生產量高于中、下層，補償深度較深。

表2 桓仁水庫氮磷比及營養鹽限制因素

表3 桓仁水庫浮游植物初級生產力及其相關參數

2.4 限制性營養鹽試驗結果

試驗結果顯示，在0.5 mg/mL氮和0.3 mg/mL磷組中，4、6、8月，上游江南九隊、中游砬砬崗子、下游泗河大地的溶解氧含量與對照組相比顯著上升(P<0.05)，其中氮效果最為明顯的是4月中游砬砬崗子組，磷效果最為明顯的是8月下游泗河大地組(圖4、5)；在氮磷比為1∶1(3 mL氮溶液，5 mL磷溶液)組中，4、6、8月下游泗河大地的溶解氧含量與對照組相比顯著提高(P<0.05)，其余兩點效果不明顯(圖6)；在氮磷比為2∶1(6 mL氮溶液，5 mL磷溶液)組中4、6、8月下游泗河大地的溶解氧含量和6、8月中游砬砬崗子的溶解氧含量與對照組相比均有顯著提高(P<0.05)，其余站位不明顯(圖7)；在氮磷比為4∶1(12 mL氮溶液，5 mL磷溶液)組中4、6、8月上游江南九隊以及下游泗河大地的溶解氧含量與對照組相比均有顯著提高(P<0.05)(圖8)；在氮磷比為6∶1(18 mL氮溶液，5 mL磷溶液)組中4、6、8月下游泗河大地的溶解氧含量與對照組相比均有顯著提高(P<0.05)，其余采樣點效果不明顯(圖9)。

從整體效果來看，4月桓仁水庫營養鹽氮加富的效果好于營養鹽磷加富的效果，其余各月效果相差不明顯，但溶解氧含量均高于對照組；在氮磷比營養鹽加富試驗中，上游江南九隊在氮磷比為4∶1時溶解氧含量高于其他試驗組，而中游砬砬崗子和下游泗河大地在氮磷比為2∶1時溶解氧高于其他試驗組。

3 討 論

3.1 桓仁水庫水質理化指標

本次試驗中，桓仁水庫水質pH相對穩定，全庫平均pH為8.78，整體呈弱堿性。這與謝在剛等[16]對于碧流河2013—2015年檢測的碧流河水庫pH相似；水體中的溶解氧含量隨溫度升高呈明顯的遞減趨勢，符合饒胡敏等[17]的研究結論。試驗結果表明，水體中氮、磷含量較高時，藻類細胞可通過奢侈性吸收儲存氮磷營養鹽，以備用來抵御外界環境的不利變化[18]；水溫增高也增強了沉積物中氮、磷的釋放,這些都破壞了水體中氮、磷元素的平衡。桓仁水庫試驗期間的總氮、總磷含量隨溫度變化趨勢明顯，整體是隨溫度升高而降低，基本變化趨勢為：夏季>春季>秋季>冬季。4月采樣期間桓仁水庫當地氣溫在-6～13 ℃，4月總氮、總磷含量相對較低，這一現象與楊東輝等[19]的研究結論一致。

圖3 4、6、8月桓仁水庫初級生產力的垂直分布

圖4 桓仁水庫4、6、8月營養鹽氮加富對溶解氧水平的影響

圖5 桓仁水庫4、6、8月營養鹽磷加富對溶解氧水平的影響

圖6 桓仁水庫4、6、8月氮磷比加富 1∶1對溶解氧水平的影響

圖7 桓仁水庫4、6、8月氮磷比加富2∶1對溶解氧水平的影響

圖8 桓仁水庫4、6、8月氮磷比加富4∶1對溶解氧水平的影響

圖9 桓仁水庫4、6、8月氮磷比加富6∶1對溶解氧水平的影響

3.2 桓仁水庫初級生產力以及P/R系數

浮游植物生產量的季節分布主要取決于水溫，溫度與生產量之間呈正相關。蔡后建等[20]對太湖梅梁灣口浮游植物初級生產力及其相關因素關系的研究表明，浮游植物生產力與水溫有相似的變化趨勢。本次試驗中桓仁水庫初級生產力的數據具有夏季>春季>秋、冬季的趨勢，與上述研究結果一致；水平分布表明，桓仁水庫浮游植物初級生產力表現為上游>中游>下游，這與張琪等[1]研究結果一致。桓仁水庫水域面積寬廣，上、中、下游相距較遠，水文差異大，不同的水文情勢主導了不同營養鹽結構和傳質效率，對水體的光學特性和溫度結構存在顯著影響[21]。P/R系數可以反映某一種群或者群落生物的代謝水平，又被稱為群落代謝率；特定植物種群的P/R系數可以反映其對環境的適應。關系大致為：P/R>1，種群增長，生態系統不穩定；P/R=1，種群不增不減，生態系統穩定；P/R<1，種群數量減少，生態系統不穩定。一般P用PG表示，本試驗計算過程也使用PG進行計算[2]。同時P/R<1表明生系統以異養生產為主，為異養代謝型水體；P/R>1，表明水體以自養過程為主，為自養代謝型水體。本試驗結果顯示，桓仁水庫P/R系數平均為2.33>1，屬于自養代謝型水體，這一結果也與趙文等[22]研究的“一般在貧營養和中營養湖泊中P/R<1，在富營養湖泊中P/R>1”這一規律相符。

3.3 營養鹽限制性因素及加富效果

大量試驗證實，水生生態系統可能會受到氮限制，磷限制或氮、磷同時限制[23]，但具體限制還需要進行分析判斷；這種判斷也會隨季節發生變化[24]，而水庫中藻類的生長和水庫中氮、磷營養鹽的含量有直接關系。Redifield[25]研究發現，在理想條件下，藻類生長有相對固定的元素原子比，這一概念叫做Redifield比值，即碳∶氮∶磷=106∶16∶1，即1個磷原子的植物生物量的貢獻相當于16個氮原子、106個碳原子。這一結果通常被用來判定水體的營養鹽限制因素。通常認為，當水體中的氮、磷摩爾濃度比超過16時，浮游植物的生長就會受到磷元素的限制；反之則為氮限制。此外，Sakomoto[26]發現，當海藻氮磷原子比為10～17，氮和磷對葉綠素生產量的作用幾乎相同(氮、磷同時限制或者不限制)；當氮磷原子比<10時，葉綠素的生產量只受到氮限制；當氮磷原子比>17 時葉綠素的生產量只受到磷限制。根據Redifield等[25-26]的研究結果，確定總氮/總磷進行分析，兩個臨界點分別為10和17，即總氮/總磷<10時為氮限制；總氮/總磷在10～17是為氮磷雙限制；總氮/總磷>17時為磷限制。這種選取方式適應于我國八大生態分區的湖庫[27]。試驗中添加0.5 mg/mL氮和添加0.3 mg/mL磷組中，4、6、8月上游江南九隊、中游砬砬崗子、下游泗河大地3個采樣點的溶解氧含量與對照組相比均有顯著升高(P<0.05)；在氮、磷效果對比上，添加限制性營養元素氮的溶解氧含量均高于添加限制性營養元素磷， 4月尤為突出。4月當地氣溫較低，水中營養元素缺乏，添加氮、磷后的效果明顯，表明有氮、磷雙限制性；在氮磷比試驗中下游泗河大地采樣點所有設計添加的氮磷比試驗組溶解氧含量均明顯高于對照組，也表明了氮、磷的雙限制性，在氮磷比為2∶1時效果最為明顯(P<0.05)；上游江南九隊和中游砬砬崗子最適宜的氮磷比分別為4∶1和2∶1。從限制性營養因素上來看，此次試驗中4月時3個采樣點均為氮、磷同時限制，6、8月時則上、中游為氮限制、下游為氮、磷同時限制，且總磷的含量均>0.02 mg/L，可能由于上游有入庫直流污染物的輸入，農業耕種的污染等原因造成上游水域缺氮，而在下游，水庫水源地保護力度強，面積廣闊，蓄水量豐盈，無污染物的輸入，加之其自身水體的稀釋和自凈作用導致下游水體缺乏氮、磷。因此，必須加強對水庫周邊環境保護，以及對營養鹽限制性因素的進一步調查分析，更好地保護珍貴的水資源，為桓仁水庫能夠為遼寧省人民更好地長期輸送優質的水資源提供強有力的保障。