基于葉綠素測定法的廣東省典型水庫初級生產力評估

吳旗韜，李苑君，石喜平，郭奕惠

（1.廣東省科學院廣州地理研究所，廣東 廣州 510070；2.中國水產科學研究院南海水產研究所，廣東 廣州 510030）

初級生產力是指初級生產者在單位時間內生產有機物的能力[1]。水體初級生產者主要由水生植物、著生藻類、浮游植物和自養細菌等構成。由于水體初級生產力可以反映水域的營養水平及漁產潛力，在水環境保護、漁業養殖開發、增殖放流生產與科研實踐中，用來判斷水域的環境狀況及估算水域潛在漁產力，從而確定投放魚類的品種及數量。水體初級生產力無論對水域生態系統特征研究，還是指導漁業生產與科研實踐，都有重要意義。

20世紀初至今，可通過多種手段分析初級生產力水平及結構特征。水體初級生產力主要測定方法包括浮游植物生物量法、黑白瓶測定法、葉綠素測定法、放射性同位素測定法和pH值測定法等[2]。我國調查者更多采用前3種測定方法[1]，并在不同的水庫中采用不同測定方法評估初級生產力[3-7]。但現有的研究多針對單一水庫開展初級生產力評估，多區域內多水庫初級生產力的評估對比，研究報道相對較少。

廣東省共有水庫8 411座，其中大型水庫40座，水庫總庫容達451億m3。廣東省水熱條件優異，水庫湖泊浮游動植物豐富，典型水域浮游藻類7門245種（包括變種和變型），其中硅藻104種，占比42.45%；綠藻85種，占比34.69%；裸藻31種，占比12.65%；藍藻18種，占比7.35%；甲藻4種，金藻2種，黃藻1種。典型水域浮游動物71種，其中原生動物17種，輪蟲21種，枝角類16種，橈足類17種[8]?，F采用葉綠素測定法，根據廣東省30個典型水庫水源監測數據，評估不同水庫的初級生產力，以期為廣東省典型水庫生態環境保護和漁業發展提供技術支撐。

1 研究方法

1.1 研究區域

選擇廣東省30個典型水庫，水域總面積約38 777 hm2。

1.2 初級生產力計算模型

由于水域初級生產過程復雜，不同初級生產力測定方法各有優缺點，理論上都無法完全準確反映初級生產力水平。測定結果不僅受測定方法本身局限，也受到環境因子等外界因素影響，導致相同水域不同測定方法及不同水域相同測定方法，所得初級生產力結果存在差異或誤差。葉綠素測定法由于操作簡單，已經在生產和科研工作中大量使用?，F考慮數據獲取因素，采用葉綠素測定法計算典型水庫初級生產力。計算公式如下：

式中：CChl-a——以碳（C）計初級生產力，mg/（m3·d）（以C計）；Ps——表層水中浮游植物的潛在生產力，mg/（m3·h）（以C計）；E——真光層深度，m；D——每天日照時間，h。

Ps根據表層水中葉綠素a的含量計算，公式如下：

式中：Ca——表層水中葉綠素a的含量，mg/m3；Q——浮游植物光合作用速率與葉綠素a含量的比值，稱為同化系數，以C計，mg/（mg·h）（以Ca計）。目前國內同化系數通常按照Cadee[9]的經驗值3.7 mg/（mg·h）（以Ca計）計算，雖然不同水域的數值不盡相同，但目前國內外普遍采用此數據。

E定義為水柱中支持凈初級生產力的部分，其底部為臨界深度，即水柱日凈初級生產力為零時的深度。E一方面取決于水體中各類物質對光的衰減，另一方面還與到達水表面的光強有關。為了研究的方便和規范化，大多數研究采用1%表面光強深度來代替E，或將水下光強為14 μmol/（m2·s）對應的深度稱之為E[10]。計算參考有關學者的研究，E取水體透明度的3倍[1，11]。

D為每天的光照時間，單位為h，本次計算統一按照12 h計算。

1.3 數據來源

廣東省典型水庫葉綠素含量數據，來源于廣東省生態環保廳2021年湖庫型水源監測數據庫。針對廣東省河源新豐江、珠海楊寮水庫等30個水庫，每月對水庫的溶解氧、高錳酸鹽指數、化學需氧量、五日生化需氧量、氨氮、總磷、總氮、葉綠素a等質量濃度以及pH值、透明度等指標進行監測，根據2021年1—12月份逐月監測數據，計算全年初級生產力。典型水庫的面積采用2019年全國土地第3次調查數據。

2 結果與分析

2.1 典型水庫葉綠素a含量及變化

廣東省2021年部分水庫葉綠素a含量年平均值見圖1。由圖1可見，不同水庫葉綠素a含量差異較大。水庫平均葉綠素a含量為0.009 3 mg/L，葉綠素a含量最低和最高分別為0.000 5和0.039 5 mg/L。從不同水庫的葉綠素a年平均值來看，深圳市的石巖水庫葉綠素a含量最高，其次為廣州市洪秀全水庫和深圳市松子坑水庫，汕尾市赤沙水庫葉綠素a含量最低。

圖1 廣東省2021年部分水庫葉綠素a含量年平均值

參考美國環境保護署提出的水體營養類型劃分標準[12]，廣東省水庫營養型類型劃分見表1。由表1可見，從葉綠素a含量的年平均值來看，廣東省水庫整體屬于中營養型水庫。

表1 廣東省水庫營養型類型劃分

廣東省2021年部分水庫葉綠素a平均值年度變化見圖2。由圖2可見，不同水庫的葉綠素a含量年度變化明顯，其中在3、4、9和12月出現高峰期，而1，2，6和11月份則明顯降低。

圖2 廣東省2021年部分水庫葉綠素a平均值年度變化

2.2 典型水庫初級生產力系數

廣東省典型水庫667 m2平均初級生產力系數見圖3。由圖3可見，從典型水庫來看，平均初級生產力最高的是深圳市的羅田水庫，最低的是揭陽市的新西河水庫。

圖3 廣東省典型水庫667 m2平均初級生產力系數

廣東省不同類型水庫每667 m2平均初級生產力系數見圖4。按照每天12 h，每年300 d日照時間計算，年平均初級生產力為0.128 t/a（以C計），其中富營養型水庫每667 m2水域年平均初級生產力為0.195 t/a（以C計），中營養型水庫為0.073 t/a（以C計），貧營養型水庫為0.044 t/a（以C計）。

圖4 廣東省不同類型水庫667 m2平均初級生產力系數

2.3 典型水庫初級生產力

廣東省典型水庫初級生產力見表2。由表2可見，廣東省典型水庫年初級生產力合計44 349 t（以C計）。其中面積最大的為河源的新豐江水庫，每年初級生產力達到28 844 t（以C計），占全部典型水庫初級生產力的65.04%；其次為韶關南水水庫，每年初級生產力達到6 392 t（以C計），占全部典型水庫初級生產力的14.41%。

表2 廣東省典型水庫初級生產力① t

續表

3 結論

采用葉綠素a測定法，評估了廣東省30個典型水庫的初級生產力。結果表明，廣東省不同水庫葉綠素a含量時空差異較大，葉綠素a含量最低為0.000 5 mg/L，最高為0.039 5 mg/L，全部水庫平均葉綠素a含量為0.009 3 mg/L。葉綠素a含量年度變化明顯，受氣溫和動物活動影像，3、4、9和12月份出現高峰期。全省典型水庫每667 m2水域年初級生產力在0.009～0.308 t/a（以C計），平均值為0.128 t/a（以C計）。富營養型水庫的初級生產力顯著高于貧營養型水庫，平均高出4.4倍。廣東省典型水庫年初級生產力達到44 349 t（以C計），不同水庫初級生產力差異顯著。河源新豐江水庫、韶關南水水庫的初級生產力較大，分別達到28 844和6 392 t（以C計），占全部典型水庫初級生產力的65.04%和14.41%。

水體初級生產力評估是水環境保護、漁業增殖放流和養殖的重要前提，采用葉綠素測定法開展廣東省典型水庫初級生產力評估，相對其他評估方法，簡單便于操作。廣東省擁有良好的水熱條件和大量的水庫，水庫初級生產力雖具有顯著的時空差異，但總體初級生產力較高，為廣東省水庫作為大水面開展漁業增養殖提供了良好的基礎條件。