撫河故道水體透明度時空變化及影響因素

吳 鑫，彭寧彥，何 亮，王 瑞，劉方平，向愛農，蘇 甜，劉 穎，葛 剛,1c*

(1.南昌大學a.生命科學學院;b.資源環境與化工學院;c.鄱陽湖環境與資源利用教育部重點實驗室,江西 南昌 330031;2.江西省灌溉試驗中心站,江西 南昌 330200)

透明度是水體能見度的一個重要度量指標，能直觀地反映出水體清澈和渾濁程度，是評價水體富營養化的標準之一[1]；同時，透明度的高低也決定了河流、湖泊沉水植物的豐度和生長分布下限。透明度的下降會導致沉水植物和其他水生生物的消亡,進而向水體中釋放營養，加速了水體富營養化趨勢的發展[2]。研究水體透明度的時空變化，揭示影響水體透明度的因素對河流、湖泊的水環境和生物多樣性保護具有重要的意義[3]。從20世紀70年代末至今，國內外眾多研究結果表明濁度[4]、浮游藻類[5]、懸浮物[6]、水深[7]、水體營養[8]是水體透明度的常見影響因子。濕地植物可以通過控制泥沙、抑制浮游植物生長[9]來影響水體透明度[8-9]，從而在一定程度上改善了水體透明度。以往學者對透明時空變化和影響因素研究主要集中在湖泊，河流研究偏少[10]。因此研究河道的透明度時空特征，探究影響透明度的主導因子及河道濕地植被對透明度的影響，可以為河道的生態修復和管理提供依據。

撫河故道(28°37′10.26″N，115°52′54.24″E)位于撫河下游西岸南昌縣黃馬鄉境內，起于撫河下游左岸支流箭江口堵口處，止于崗前大壩，是贛撫平原西總干渠的一段，全長約20.0 km，是撫河防洪工程措施的重要組成部分，是南昌市和贛撫平原灌區水資源的調蓄區和重要凈化池，也是南昌市主要湖泊的生態調水來源和南昌城市供水的應急備用水源，具有十分重要的戰略地位[11]。撫河故道濕地植物分布廣泛，在河道中間及兩岸濕地帶有蓮、菰、水蓼等挺水植物生長，相對深的區域也有苦草、黑藻、金魚藻等沉水植物分布。本研究通過現場調查和數據分析，研究了撫河故道透明度的空間差異、季節變化以及透明度與懸浮物、葉綠素、總氮及總磷的相互關系，探討了濕地植物對水體透明度的影響機理，以期為撫河故道生態整治提供依據，也為其他同類型的系統治理提供借鑒。

1 實驗方法

1.1 水樣采集點設置

河道植被多分布于三江鎮上中游地區，為了更好的了解植被對周圍水環境的影響，我們選擇了撫河故道晏家灘至東灣河段濕地植被生長較豐富的十個河岸濕地帶地區作為采樣地點(選擇有大片河道水生植被下端，即來水會穿過植被帶，稱為近植被區)，并在每個采樣點外相應主河道無濕地植物生長區域設置一個水質采樣點作為對照(稱為敞水區)。采樣點及河段位置信息如圖1所示。

采樣點

采樣點

圖1 水樣采集點地理位置

1.2 水樣的采集和水體理化指標測定

1.2.1 水樣采集和現場水體理化指標測定

2018年7～11月，每月對樣點進行調查和采樣一次。用5 L有機玻璃采水器，當水深<2 m時，于水面下50 cm處采樣；當水深>2 m時，距湖底50 cm處加采1個水樣混合，裝入5 L的塑料壺中帶回實驗室，測定總氮和總磷，總氮采用堿性過硫酸鉀消解分光光度法、總磷采用鉬酸銨分光光度法測定[12]。在距水表面50 cm處，用YSI EXO便攜式多參數水質分析儀現場測定水溫、濁度；用Algae Torch葉綠素熒光儀測定水體葉綠素；用塞氏盤測定水體透明度；使用LS300-A便攜式流速測算儀測定流速(2018年9月)。

1.2.2 懸浮物的測定

濾膜的準備：將0.45 μm孔徑濾膜(WhatmanGF/C)裝在事先恒重的稱量瓶里，放入103 ℃～105 ℃烘箱中烘干0.5 h后取出置于干燥器內冷卻至室溫，稱其重量。反復烘干、冷卻、稱重，直至2次稱重的重量差≤0.2 mg。

過濾：將恒重的微孔濾膜正確的放在濾膜過濾器的濾膜托盤上，加蓋配套的漏斗，并用夾子固定好。以蒸熘水濕潤濾膜。開啟濾泵，將水樣倒入量筒內，記錄體積后倒入墊有GF/C濾膜的過濾裝置中，待水分完全通過濾膜后，停止抽濾，用鑷子小心取出濾膜放入原稱量瓶內。

干燥：將過濾完水樣的濾膜裝入小樣品管里，再放入103 ℃～105 ℃烘箱內烘干1 h后取出置于干燥器，重復進行上述干燥、稱重過程，直至兩次稱量的重量差≤0.4 mg，記錄最后的濾膜重量。

懸浮物含量C(mg·L-1)按下式計算：

式中：C-水中懸浮物濃度，mg·L-1;A-懸浮物+濾膜+稱量瓶重量，g;B-濾膜+稱量瓶重量，g;V-試祥體積，mL。

1.3 數據處理和統計分析

數據使用SPSS 20.0和Origin 2020軟件進行統計檢驗和繪圖，圖中誤差棒使用的是標準差，采用雙因素方差分析(Two-way ANOVA)比較近植被區和敞水區(類型)各理化參數的差異，采用Pearson相關分析分析透明度與濁度、懸浮物、葉綠素含量和水體氮、磷含量的關系。

2 結果與討論

2.1 撫河故道上游到中游透明度和水體理化因子的變化

從圖2可以看出，透明度在敞水區和近植被區都隨著位點變化整體呈先減小再增大的趨勢，近植被區透明度從2號點(1.12 m)下降到5號點(0.74 m)再增大到10號點(0.92 m)；在敞水區從2號點(0.90 m)下降到4號點(0.66 m)再增大到7號點(0.82 m)。濁度與透明度的變化相反，濁度在兩種類型上都隨著位點從1號點(13.98 FTU)到9號點(11.49 FTU)呈緩慢減小的趨勢。懸浮物在在敞水區和近植被區的整體趨勢都是從1號點(12.35 mg·L-1)到10號點(8.07 mg·L-1)逐漸降低。懸浮物隨樣點逐漸下降的原因是隨著水流自然沉降以及濕地植被對懸浮物的層層過濾、吸附和促沉降。但是透明度和濁度并未隨樣點出現改善，可能的原因是撫河故道中游段居民區較多，存在一定程度生活污水的輸入，并且這種污染輸入對透明度影響不是以增加懸浮物的方式，而可能是有色可溶性有機物[13]。總葉綠素在近植被區是隨著位點從2號點(4.5 μg·L-1)到10號點(10.82 μg·L-1)逐漸增加，在敞水區圍繞均值7.37 μg·L-1上下波動。

從圖3可以看出9月份敞水區的流速(均值0.161 m·s-1)均高于近植被區的流速(均值0.039 m·s-1)，近植被區的流速較為穩定，而敞水區的流速上下波動較大。原因是濕地植被可以增大河流的阻力，減緩了河流流速[14]，導致近植被區域流速較為平穩且明顯低于敞水區流速。總氮和總磷在位點上下波動，總氮均值在1.28 mg·L-1，總磷均值在0.07 mg·L-1，無明顯規律(圖4)。

2.2 透明度和水體理化因子隨樣點類型和時間變化

實驗結果(圖5，表1)表明水體透明度、濁度及懸浮物在不同樣點類型和時間上都有顯著差異，近植被區透明度(0.87 m)均值高于敞水區(0.79 m)；透明度在時間上也呈現出一定的規律性，隨7～9月汛期到來，水體透明度呈下降趨勢，10～11月枯水期透明度呈明顯上升態勢(圖5)。這與張呈[15]、擺曉虎[16]等人的研究結果一致，汛期降雨較多，河道輸沙量增加，導致透明度下降。濁度與透明度趨勢恰恰相反，在類型上，近植被區濁度均值(11.9 FTU)均值低于敞水區(13.5 FTU)；在時間上，兩種類型趨勢都是7～9月水體濁度逐漸增大，其中9月達到最大(16.4 FTU)，9～11月水體濁度下降。樣點類型和時間對懸浮物有顯著性影響(P<0.05)，表現為近植被區(8.2 mg·L-1)均值低于敞水區(10.1 mg·L-1)；7月(13.0 mg·L-1)至11月(8.0 mg·L-1)敞水區呈現逐漸降低趨勢，而近植被區隨著時間小幅度波動(圖5)。這與張運林[17]在太湖水體懸浮物的研究結果一致，濕地植被的存在會對水體起著過濾、凈化、緩沖等作用，可顯著降低水體濁度和懸浮物含量，提高植被區透明度。敞水區懸浮物季節變化的原因可能是隨著汛期的結束上游的來水懸浮物含量下降；受植被影響效果近植被區變化幅度要小于敞水區。植被的存在對水體總葉綠素沒有顯著性影響(P>0.05)；近植被區總葉綠素在8月(13.52 μg·L-1)達到最大值，8～11月逐月減小，而敞水區在9月(11.32 μg·L-1)含量最高，9～11月逐月減小(圖5)。近植被區及敞水區總葉綠素含量在9～10月出現明顯的下降，這是因為在營養鹽充足的條件下，溫度是葉綠素濃度的限制因子[18]。撫河故道10～11月水溫的較低(平均為18.4 ℃)，造成浮游植物生長受限，葉綠素濃度較低。

采樣點圖3 撫河故道9月份流速隨樣點的變化

t/月

結合圖6和表1可以看出，植被分布情況對水體總氮、總磷都無顯著性影響(P>0.05)。總氮隨著時間呈上下波動態勢但未表現出明顯的規律變化；不同水域條件的總磷含量也未呈現出顯著變化規律。這與李濤等人關于濕地植被可有效降解氮磷[19]的研究結果不同，可能是由于撫河故道近植被區和敞水區可溶性營養物交換較快，導致植物的凈化作用未被監測分辨出來。

t/月

t/月圖6 不同類型總氮、總磷均值隨時間的變化

表1 各理化參數隨著樣點類型和時間變化的雙因素方差分析結果

2.3 撫河故道透明度的影響因素分析

2.3.1 葉綠素對透明度的影響

由于7～9月和10～11月撫河故道葉綠素含量差別較大，探討透明度和葉綠素的影響因素時，分成兩個時間段進行討論。從透明度和葉綠素的時間關系(圖7)可以看出，不論是7～9月還是10～11月透明度都與葉綠素未呈現顯著的相關性。這與馬紅[20]、李曉宇[21]等人認為葉綠素對透明度呈顯著負相關結論不符。這可能是因為撫河故道水體的葉綠素含量較低(7～9月均值為11.16 μg·L-1，10～11月均值為1.53 μg·L-1)，對透明度衰減的貢獻較小。

2.3.2 濁度對透明度的影響

濁度是由無機和有機的泥土、微生物等微粒懸浮物質所引起的一種光學效應，是光與溶液中的懸浮顆粒相互作用的結果。它表征光線透過水層時受到阻礙的程度[22]，水體的濁度越低，反射光和散射光越弱，而透射光就越強；水體的濁度越高，反射光和散射光越強，透射光就越弱[23]。濁度可以衡量水質良好的程度，濁度增大會嚴重影響沉水植物的生長[24]，從而導致水生生態系統惡性循環，并進一步加劇富營養化趨勢。從透明度與濁度的關系(圖8)可以看出，不論是7～9月還是10～11月，撫河故道的透明度與濁度呈顯著的反比關系(P<0.001)，說明濁度是影響撫河故道透明度的主要因素，這與洱海[4]、烏梁素[25]水體透明度和濁度呈顯著負相關研究結果一致。

總葉綠素/(μg·L-1)(a) 7～9月

2.3.3 懸浮物與透明度的關系

懸浮物是指懸浮在水中的固體物質[26]，包括不溶于水的有機物、無機物及黏土、泥沙、微生物等。從透明度與懸浮物的關系(圖9)可以看出，不論是7～9月還是10～11月，撫河故道的透明度與懸浮物呈顯著的負相關關系(P<0.001)。這與Theodore J.Swift[27]、潘繼征[28]、陳俊伊[29]等人的研究結果一致，表明懸浮物含量是決定撫河故道透明度的重要因素之一[30]。

濁度/(FTU)(a) 7～9月

上述結果表明影響撫河故道透明度的主要因子是濁度和懸浮物。此結果與張運林[31]、王書航[32]等人結果一致，張運林認為太湖透明度等光學參數的變化主要受制于懸浮物的組成和含量，由于太湖懸浮物中主要以無機顆粒為主，其透明度跟葉綠素的關系不是很大；王書航認為懸浮物是影響蠡湖水體透明度的最主要因子，其次為浮游藻類生物量。張曉晶[25]認為濁度是烏梁素海水體透明度的主要影響因素，懸浮物是烏梁素海水體透明度的直接影響者。本研究表明撫河故道的主要影響因子是濁度與懸浮物，而濁度與懸浮物之間存在顯著的正相關(P<0.01)。懸浮物的質量濃度越大，則溶液的濁度越大，因此撫河故道透明度的改善應該從降低懸浮物入手。

懸浮物/(mg·L-1)(a) 7～9月

表2 撫河故道透明度與其它因子的相關系數及檢驗結果

3 結論

研究透明度的時空變化,揭示影響透明度的主導因子對在湖泊和河流生態修復和管理具有重要意義。2018年7～11月撫河故道水體透明度范圍為0.40～1.46 m，整體平均值為0.83 m，其中近植被區為0.87 m，敞水區為0.79 m，總體上近植被區透明度要高于敞水區。透明度的時間變化趨勢是7～9月份降低，9～11月份升高。

懸浮物和濁度是影響撫河故道透明度主要因子，而營養水平和葉綠素對透明度沒有顯著相關性。主要是由于撫河故道中主要以無機顆粒為主，葉綠素含量低，對透明度貢獻較小。因此，撫河故道和其他類似的河道透明度的改善方式主要是要降低懸浮物的含量。

濕地植被的存在可以通過減緩水流速度，促進泥沙的沉降，逐級降低懸浮物含量，降低水體濁度，有效改善水體透明度。因而在河道生態建設中需要重視濕地植物的保護和恢復。

致謝：感謝李斌、王文平、李濤、孫世峰碩士在野外調查中的幫助，以及潘藝雯博士在遙感繪圖的指導。