瀾滄江小灣庫區浮游植物初級生產力評估及其時空變化

吳嘉偉，彭 夢，李羅新，譚鳳霞，何秋杰，吳澤成，柴 毅

(1.長江大學濕地生態與農業利用教育部工程研究中心，湖北荊州 434025；2.長江大學動物科學學院，湖北荊州 434025；3.中國水產科學研究院長江水產所，武漢 430223； 4.云南小灣生態漁業有限公司，云南鳳慶 677000)

浮游植物是水域生態系統中重要的初級生產者，可將碳、氮、磷等營養元素通過光合作用轉化為有機物，是水域生態系統能量流動的基礎[1]，浮游植物的現存量和光合作用產量通常用生物量和初級生產力(Pt)來表示[2]，其分布和時空演變過程深刻影響著水域生物資源潛力。初級生產力研究主要用于估算漁產潛力、評價水體營養類型[3-4]，對評價水環境質量、指導漁業生產和生態保護具有重要價值，同時對水庫生態系統和水庫環境特征具有較強的指示作用[5-6]。浮游植物初級生產力是水生生態系統結構與功能的基礎環節、其時空異質性研究已備受國內外學者關注[7-8]。

小灣水庫位于云南省臨滄市與大理白族自治州、保山市交界處，面積為193.98 km2，正常蓄水位1 240 m，最大庫容151.32億m3，水庫位于河谷地帶，屬亞熱帶季風氣候，上游為干流瀾滄江和支流黑惠江，下游出瀾滄江。目前針對小灣庫區水體的研究主要集中在生物調查[9-10]、水層營養鹽分布差異[11]、生態土壤功能及其空間分布[12]和水庫消落帶的分布[13]等方面，而關于小灣庫區初級生產力評估的研究尚較少。目前測定浮游植物初級生產力常用方法有黑白瓶法、生物量法、14C法、葉綠素a法等[14]。黑白瓶法簡便易行，受曝光時間影響[15]需限制采樣范圍。生物量法測定浮游植物現存量來計算對應的漁產潛力，浮游生物量易受水文變化驅動，缺乏全年整體穩定性。葉綠素法是通過Talling模型計算該水域系統生產力，根據已有研究與經驗值取相應的同換系數，不適宜不同水域體系之間對比。近年來國內外相關研究者提出計算浮游植物初級生產力的解析模式的計算模型[16-18]。其中有Behrenfeld等VGPM(vertically generalized production model) 模型、Cadée簡化模型以及Talling模型，這些模型可以綜合分析水溫、光合有效輻射、湖泊葉綠素濃度和真光層深度等相關參數，準確地模擬水柱初級生產力，受外界干擾因數少，但這些模型[19-20]在應用于大水面分析時，對調查的技術基礎和數據獲取要求高，因此傳統方法的運用更加廣泛，可為后續調查提供基礎。為彌補單一測定方法對小灣庫區浮游植物初級生產力評估不足，本實驗在使用黑白瓶法對單個點位水柱初級生產力及垂直分布進行實測的基礎上，通過生物量估算法和葉綠素法比對并估算整個庫區初級生產力及其時空變化，綜合分析了小灣庫區初級生產力的空間分布特征，有利于進一步深入了解西南高原水庫生態環境，為小灣流域生態系統可持續性管理等工作的開展提供數據支撐和理論依據。

1 材料和方法

1.1 采樣點設置

參照《水域生態系統觀測規范》并根據實際水域形態、水域階段劃分和往年采樣點的分布以及水文特征分別設置16個采樣點(見圖1)，瀾滄江(L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8、L9) 9個、黑惠江(H1、H2、H3、H4、H5、H6)6個，小灣大壩(DW)1個，黑白瓶樣點7個，分別于2017、2018、2019年8月(夏季)進行采樣。

圖1 2017-2019年小灣庫區各采樣點示意圖

1.2 樣品采集與生物量測定

浮游植物定量樣本使用采水器(1.0 L)在表層至透明度1，2，3倍處采樣，混合水樣后加入15 mL魯哥氏液，帶回實驗室后經沉淀、濃縮至30～50 mL后進行定量計數。使用光學顯微鏡(XSM-20，寧波舜宇儀器有限公司)進行種類鑒定和計數，所有種類鑒定到種。

生物量的計算采用體積換算法，根據不同種類的體形，按最近似的幾何形測量其體積。浮游植物生物量(N)計算方法如下:

公式中：CS為計數眶的面積(mm2)；Fn為計數視野的個數；Fs為一個計數視野的面積(mm2)；Pn為在Fn個視野中浮游植物個體數；V為水樣濃縮沉淀后的體積(mL)；u為計數眶的容積(mL)；生物量按體積換算，根據浮游植物鑒定種類，查找出該種類的植物細胞平均濕重，然后計算出該采樣點單位體積內的生物量(mg/L)。

1.4 黑白瓶法的初級生產力測定

2017-2019年8月份對(L3、L5、L8、DW、H6、H4、H2) 7個位點用黑白瓶法測量初級生產力相關數據，根據浮游生物采樣點分布設置7個代表性黑白瓶樣點，每個位點根據透明度均值設置5層(0.2、0.4、0.6、0.8和1.0 m)，每層設置對照、白瓶和黑瓶三組，初始瓶于現場固定、充分搖勻后根據碘量法測定初始溶解氧濃度，黑瓶和白瓶分別懸掛于對應水深24 h后取出，起瓶時用堿性碘化鉀和硫酸錳現場固定、充分搖勻后根據碘量法測定各瓶的溶氧濃度，換算出各水層總初級生產力，計算參照文獻[21]。0～1.0 m水柱總初級生產力(Pt)的計算公式為：

式中Pi為第i層的初級生產力[mgO2/(L·d)]，Di為第i層深度(m)，n為取樣層次數(1≤i≤n-1)。

1.5 葉綠素a的初級生產力測定

采集水樣時分層采樣混合均勻，加入0.5 mL碳酸鎂保存，量取0.5 L水樣，經孔徑0.45 μm玻璃纖維濾膜抽濾。吸干水分后，放入-20 ℃保存。葉綠素a使用90%丙酮萃取，離心后取上清液于分光光度計下測定750、663、645、630 nm處吸光度，葉綠素含量計算公式為：

葉綠素a(mg/m3)=

式中V為水樣體積；D為吸光度；V1為提取液定容后的體積；δ為比色皿光程。

葉綠素同化系數(I)[mgC/(mg chla·h)]：

初級生產力(P)[mgC/(m2·d)]：

式中PS為水柱初級生產力[mgC/(m2·d)]；chla為水柱葉綠素a含量(mg/m3)，I為同化系數取經驗值3.7，夏季光照時間D為14 h/d。

連續三年調查研究，需測量每個采樣位點的葉綠素a、水溫、總氮、總磷和透明度相關水質指標，黑白瓶樣點設置在水庫有代表性七組位點，為使全庫區調查與黑白瓶位點實測初級生產力相匹配，根據研究，浮游植物產氧量與浮游植物鮮重存在相關系數關系[22](1 mgO2≈6.1 mg浮游植物濕重)，由于測量水體表層初級生產力，故不具體估算真光層深度。

1.6 數據分析

此次調查釆樣點分布圖利用CorelDRAW軟件進行繪制，浮游植物葉綠素a、初級生產力與生物量在Excel 2003中進行統計，部分相關性在R語言中進行分析。

2 結果與分析

2.1 水庫理化因子特征

小灣水庫2017-2019年水質理化因子測定結果如表1所示，2017-2019年采樣期間水溫范圍為24.54～33.28 ℃，干流瀾滄江水溫較支流稍低，但差異不明顯。三年各采樣點pH值范圍為6.84～9.52，瀾滄江庫區向下pH值逐漸升高，黑惠江pH值逐漸降低，連續三年的總懸浮物(TSS)、透明度(SD)在小灣庫區不同階段均變化明顯。

表1 2017-2019年小灣庫區水質理化因子

2.2 浮游植物種類組成

此次調查共鑒定出浮游植物7門71種，連續出現兩年以上共有39種(表2)，綠藻門種類最多(16種，占41.03%)。調查結果顯示不同年份小灣水庫的浮游植物種類組成高度相似，從各采樣點浮游植物生物量分布來看(圖2)，浮游植物分布會隨著庫區理化因子出現差異，2017-2019年黑惠江物種平均豐度均高于干流瀾滄江平均豐度。

表2 2017-2019年小灣水庫主要浮游植物種類組成

2.3 浮游植物初級生產力與生物量

表3結果顯示，不同年份采樣點葉綠素a平均值較為接近，葉綠素a同化系數計算所得初級生產力P(以C計)范圍為0.17～5.26 mgC/(m3·d)，2017-2019年三年平均值分別為(2.67±1.10)、(2.68±1.14)、(2.38 ±1.11) mgC/(m3·d)；根據黑白瓶法測量水表層初級生產力(以溶氧計)范圍為0.74～2.03 mgO2/(L·d)，7個黑白瓶采樣點的初級生產力平均值為(1.23±0.19)、(1.51±0.40)、(1.45±0.33)mgO2/(L·d)，各采樣點在不同年份略有變化，但整體相差不顯著。小灣水庫浮游植物生物量變化范圍為0.16～5.49 mg/L，各采樣點生物量平均值分別為(1.51±0.56)、(2.42±1.19)、(2.95±1.12)mg/L，整體略呈上升趨勢。

表3 2017-2019年P(葉綠素a)、浮游植物生物量及黑白瓶生產力

2.4 浮游植物初級生產力及空間分布

2017-2019年各采樣點的初級生產力如圖2所示，葉綠素同化系數法計算浮游植物初級生產力變化范圍為0.17～5.26 mgC/(m3·d)，連續三年最小值均在瀾滄江上游L1點，而峰值在大壩附近或黑惠江上游，這與各年份浮游植物生物量的變化趨勢相一致。小灣水庫2017-2019年初級生產力呈上升并趨向平穩，黑惠江浮游植物初級生產力略高出瀾滄江，黑惠江初級生產力在上游和大壩附近最高，而瀾滄江初級生產力從上游到下游整體呈上升趨勢，大壩附近屬于靜水區，兩江初級生產力與浮游植物類別相接近，黑白瓶法所測生產力(以溶氧計)與生物量變化高度一致，不同年份計算所得結果有一定差異，但整體變化不顯著。

圖2 2017-2019年小灣庫區初級生產力及空間分布

3 討論

3.1 浮游植物初級生產力評估

此次調查顯示，小灣庫區葉綠素a濃度變化范圍為0.32～9.96 mg/m3，黑白瓶法和生物量法估算得到的初級生產力空間分布，葉綠素a估算初級生產力與浮游植物生物量的空間分布高度一致，峰值出現在富營養化的支流黑惠江上游地區。通過3種方法對小灣水庫初級生產力計算結果與往年魚產力的對比分析，3種計算方法的結果與實測值呈較高的線性相關關系，均可代表浮游植物初級生產力的變化情況，葉綠素a估算的初級生產力結果最穩定，曾臺衡[19]等利用相關模型對長江中下游湖區浮游植物初級生產力進行估算時也得出相似的結果。浮游植物生物量估算值波動范圍相對較大，這可能是浮游植物受地域、水溫等因素干擾，外加生物樣本采集條件限制，導致浮游植物生物量估算值略差的原因之一，葉綠素a估算法公式中缺少真光層深度這一重要因子，計算實際時垂直消光系數取的是經驗值，不同粒級浮游植物光合作用效率不一、對環境因子的響應也有明顯差異[23]，所以轉換比值可能存在誤差，從而影響其結果的準確性。黑白瓶法測得初級生產力與葉綠素a存在顯著的相關性，由于浮游植物初級生產力的影響因素較為復雜，用水柱層初級生產力平均值來估算初級生產力比用表層葉綠素a濃度來估算要更為精確，本研究將表層葉綠素生產力作為計算結果，會導致結果估高，透明度和水體營養指數的改變會偏估同化系數和初級生產力[24]，故水庫過渡區、湖泊區水文穩定區域使用黑白瓶法估算結果精準度更高[25]。浮游植物現存生物量與初級生產力之間具有一定線性關系，如表2所示，初級生產力與生物量的相關性較為顯著，浮游植物的初級生產力高低反映當下水體中浮游植物生物量大小，葉綠素a能更好地反映初級生產力狀況[26]。鑒于黑白瓶法難以及時有效獲取多位點生產力信息，以采樣位點評價小灣整體，難以估算消落區域，真光層之下生產力實際值，此估算結果僅作為參考，還需與小灣庫區的漁產量實際調研結果進行比較驗證，對經驗公式進行修正后提高估算準確性。浮游植物生物量是初級生產力的重要影響因子，可開展關于浮游植物生物量及其影響因子的進一步分析和相關模型估算，生產力垂向歸納模型(VGPM)是通過輻射強度、真光層深度，光合效率估算探討全水庫浮游植物初級生產力影響因子[18]，更有利于估算大水體小灣水庫生產力整體變化，對小灣水庫進一步開發、水體營養化和水質監測有重要參考價值。

3.2 浮游植物初級生產力時空變化

根據調查結果小灣水庫各年份干流初級生產力均明顯低于其支流，這可能是干流與支流水文水質差異有關。與支流相比，小灣干流上游來水量泥沙含量大，水體透明度低(上游位點20～30 cm)，浮游植物可利用透射光迅速減弱，光照強度是浮游植物初級生產力的重要影響因子，導致小灣支流與干流初級生產力差距顯著；黑惠江較高水溫、外源營養流入和較高的透明度都有利于其浮游植物生長，這與汪益嬪等[27]對淀山湖，蔡后建等[28]對太湖梅梁灣口，張佳磊等[29]對大寧河回水區浮游植物初級生產力研究結果一致，水溫以及水體透明度低而引起光的可利用性下降[30-31]，是造成瀾滄江上游江段浮游植物生物量及初級生產力明顯較低的主要因素。

水庫由入水口處到大壩一般分為河流區、過渡區、湖泊區，此次研究瀾滄江采樣點覆蓋范圍廣，出現明顯庫區分段，黑惠江采樣點只覆蓋過渡區與湖泊區。水庫不同區域水文狀況會隨入庫和出庫的流量及其年份周期變化，各采樣點測得初級生產力結果與各個區域的水文特征基本相符。以干流瀾滄江為例，其上游河流區流速快，水體富含大量泥沙及有機腐質，營養物含量最高，藻類的生長受到光抑制，2017-2019年瀾滄江L1、L2、L3藻類生物量及初級生產力均相對較低；過渡區水流帶來豐富的營養鹽，為浮游植物的生長創造了有利條件[32]，因而L4、L5、L6藻類生物量及初級生產力明顯上升；湖泊區水體透明度達到最高，該區藻類生長主要受營養鹽限制[31]，受我國西南地區夏季降水流動及黑惠江交匯干擾，藻類生物量與初級生產力均相對較高。從初級生產力的水平分布格局來看，小灣浮游植物初級生產力表現為支流>下游>中游>上游，這與熊倩等[33]對三峽水庫、張琪等[34]對香溪河藻類初級生產力空間分布的研究結果較為相似。從調查獲取的數據來看，本研究給出了初級生產力的平面分布,盡管還缺乏初級生產力的季節演替,但在很大程度上彌補以前研究的不足,有利于進一步深入了解水庫生態系統結構和營養鹽的內循環，對小灣漁業發展也有重要參考意義。總之，浮游植物初級生產力的變化是多種因素綜合作用的結果，不僅受浮游植物種類組成、地理分布影響，同時受水溫、外源營養供給、水庫流量調節等因素共同作用。

3.3 小灣庫區漁業發展和展望

浮游植物是小灣水庫初級生產力的主要貢獻者，基于浮游植物初級生產力重要作用、庫區水質保護和物種多樣性維持的角度，仍需關注對小灣水庫營養水平的監測。浮游植物在利用營養鹽進行光合作用合成有機物后會死亡降解,釋放出營養鹽,并參與到浮游植物下一次對營養鹽的利用中去?？蛇m當增加支流江段鰱、鳙等濾食性魚類的投喂，以充分利用水體漁產潛力，實現小灣庫區漁業可持續發展。小灣初級生產力的估算缺少在空間分布上的連續性和周年變化，VGPM模型其更能反映初級生產力的空間變化，有利于進一步深入了解水域生態系統的整體空間分布。

4 結論

黑白瓶法，葉綠素a法，浮游植物生物量法均可以反映小灣庫區浮游植物初級生產力的變化情況，葉綠素a法估算各年份結果最穩定，可作為周年代表值；黑白瓶法測量結果空間變化范圍最小，可作為庫區均值，生物量易受環境因子影響，不宜估算全年生產力終值。小灣庫區浮游植物初級生產力存在明顯的空間分布差異，連續三年黑惠江生產力最高，瀾滄江上游最低，呈現出支流>下游>中游>上游的變化趨勢。小灣庫區不同年份初級生產力較為穩定，黑惠江江段生產力上升趨勢明顯，可適當增加黑惠江江段水體漁產潛力利用及小灣庫區水質營養水平的監測。