蔚建軍， 張 磊,3*， 付 莉， 周 川， Douglas G.Haffner,3

(1.西南大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院， 重慶 北碚 400716; 2.重慶市國(guó)際科技合作基地中 加三峽水域科學(xué)研究中心， 重慶 北碚 400715; 3.加拿大溫莎大學(xué) 大湖環(huán)境研究中心， 加拿大安大略省溫莎市， N9B 3P4)

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不同水庫(kù)調(diào)度期小江回水區(qū)營(yíng)養(yǎng)鹽與葉綠素a的垂向分布特征

蔚建軍1,2， 張 磊1,2,3*， 付 莉1,2， 周 川1,2， Douglas G.Haffner1,2,3

(1.西南大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院， 重慶 北碚 400716; 2.重慶市國(guó)際科技合作基地中 加三峽水域科學(xué)研究中心， 重慶 北碚 400715; 3.加拿大溫莎大學(xué) 大湖環(huán)境研究中心， 加拿大安大略省溫莎市， N9B 3P4)

小江回水區(qū)； 營(yíng)養(yǎng)鹽； 葉綠素a； 垂向分布

三峽水庫(kù)建成蓄水之后，支流水環(huán)境由原來(lái)的河流型轉(zhuǎn)變?yōu)殚_(kāi)放湖泊型。水位變化導(dǎo)致支流回水區(qū)流速減緩，顆粒物攜帶營(yíng)養(yǎng)鹽沉積效應(yīng)增強(qiáng)，浮游植物生物量升高，營(yíng)養(yǎng)鹽在庫(kù)灣中產(chǎn)生明顯的滯留效應(yīng)[1-3]。另一方面，在三峽水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行背景下，水位的周期性波動(dòng)會(huì)影響沉積物生物地球化學(xué)循環(huán)途徑，促進(jìn)沉積物營(yíng)養(yǎng)鹽的釋放[4-5]。因此，蓄水之后庫(kù)區(qū)水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)狀況不斷惡化，主要典型支流頻繁爆發(fā)水華，引起了嚴(yán)重的水環(huán)境問(wèn)題，受到社會(huì)的廣泛關(guān)注[6-7]。

營(yíng)養(yǎng)鹽是富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題出現(xiàn)的必要條件和水華爆發(fā)的物質(zhì)基礎(chǔ)，其存在形態(tài)、結(jié)構(gòu)和分布特征受到廣泛的重視[8-9]。N、P是富營(yíng)養(yǎng)化的主要控制元素。而葉綠素a是表征浮游植物現(xiàn)存量的重要指標(biāo)，在水華預(yù)警監(jiān)測(cè)中常作為反映水華嚴(yán)重程度的指針。目前，學(xué)者已對(duì)三峽庫(kù)區(qū)主要支流營(yíng)養(yǎng)鹽的主要賦存形態(tài)、干流倒灌對(duì)回水區(qū)營(yíng)養(yǎng)鹽的影響及營(yíng)養(yǎng)鹽和葉綠素a時(shí)空分布進(jìn)行了大量研究[10-12]。但這些研究主要著眼于干流倒灌對(duì)支流回水區(qū)營(yíng)養(yǎng)鹽和葉綠素縱向分布的影響，在分析葉綠素a與營(yíng)養(yǎng)鹽關(guān)系時(shí)，也僅限于表層葉綠素a。有關(guān)營(yíng)養(yǎng)鹽和葉綠素垂向變化對(duì)庫(kù)區(qū)水位調(diào)度響應(yīng)的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。而營(yíng)養(yǎng)鹽和葉綠素a的垂向動(dòng)態(tài)是研究水華機(jī)理的基礎(chǔ)[13]，對(duì)其進(jìn)行研究具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

為了探討三峽水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行下，典型支流回水區(qū)營(yíng)養(yǎng)鹽和葉綠素a的垂向分布特征及其相互關(guān)系，筆者選取典型支流—小江高陽(yáng)平湖為研究區(qū)域，按熱分層原理[14]進(jìn)行分層跟蹤監(jiān)測(cè)，為三峽庫(kù)區(qū)水華機(jī)制研究和三峽庫(kù)區(qū)水位生態(tài)調(diào)度提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

小江水域處于北緯30°49′～31°42′，東經(jīng)107°56′～108°54′，發(fā)源于重慶市開(kāi)縣白泉鄉(xiāng)鐘鼓村，流域面積5 172.5 km2，主河長(zhǎng)約182.4 km，河口距三峽大壩274 km，年均流量116 m3/s，是三峽庫(kù)區(qū)北岸中段流域面積最大的支流，也是爆發(fā)水華最頻繁的支流之一。高陽(yáng)平湖位于小江回水區(qū)中段(圖1)，是三峽水庫(kù)蓄水倒灌小江形成的巨大平湖，且有二級(jí)支流(洞溪河)注入，最大水深約40 m，在三峽水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行背景下水深落差達(dá)30 m，受三峽調(diào)度影響顯著，水環(huán)境復(fù)雜。選擇該區(qū)域開(kāi)展研究具有代表意義。

圖1 小江回水區(qū)位置和采樣點(diǎn)分布圖

Fig.1 Sampling distribution of Xiaojiang backwater area

1.2 采樣方案

根據(jù)高陽(yáng)平湖周圍環(huán)境情況，參照地表水監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)規(guī)范，選取樣點(diǎn)①(N31°5.908′，E108°5.39.913′)、樣點(diǎn)②(N31°5.282′，E108°40.416′)、樣點(diǎn)③(N31°4.537′，E108°40.168′)和樣點(diǎn)④(N31°4.179′，E108°41.125′)共4個(gè)采樣點(diǎn)(圖1)。各采樣點(diǎn)分表層(水下0.5 m)、中層[位于斜溫層中部，斜溫層具體深度范圍根據(jù)RBR探頭(加拿大RBR公司)現(xiàn)場(chǎng)讀取的溫度剖面確定]、底層(湖底上0.5 m)3個(gè)測(cè)點(diǎn)采集水樣，平時(shí)每月至少1次，根據(jù)環(huán)境和氣候狀況增加采樣頻率。采樣時(shí)間段為2013年4—12月，采樣時(shí)間為上午8:00-11:00，將樣品保存4℃運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，48 h之內(nèi)完成所有指標(biāo)的測(cè)定。

1.3 監(jiān)測(cè)指標(biāo)與分析方法

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析均在SPSS 18.0中進(jìn)行，采用Excel 2010作圖。對(duì)比發(fā)現(xiàn)高陽(yáng)平湖水深變化與庫(kù)區(qū)水位變化一致，因此，為了反映水位變化在高陽(yáng)平湖引起的實(shí)際情況，以水深反映庫(kù)區(qū)水位調(diào)度情況，為了便于表述，論述中將整個(gè)調(diào)查期根據(jù)水位變化分為4個(gè)階段：泄水期(4—6月上旬)、低水位期(6月中旬—8月)、蓄水期(9—10月)和高水位期(11—12月)。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉綠素a濃度的分布特征

高陽(yáng)平湖葉綠素a濃度動(dòng)態(tài)變化如圖2所示。葉綠素a濃度隨時(shí)間波動(dòng)較大，表層的變化范圍為(1.31±0.28)～(78.45±53.67)μg/L、中層為(1.27±0.1)～(43.44±3.43)μg/L，最高濃度分別約為最低濃度的60倍和34倍。底層由于長(zhǎng)期處于黑暗環(huán)境，葉綠素a濃度極低，僅8月29日經(jīng)歷短期增長(zhǎng)。5月下旬至10月中旬，葉綠素a濃度維持在較高水平，隨著水位變化而波動(dòng)。但庫(kù)區(qū)進(jìn)入高水位運(yùn)行后，葉綠素a濃度下降到整個(gè)調(diào)查期的最小值。研究期間3個(gè)采樣層葉綠素a濃度變化趨勢(shì)并不一致，5月21日高陽(yáng)平湖爆發(fā)水華，其表層葉綠素a濃度值為監(jiān)測(cè)期最大，然后隨水花消退而下降，至6月20日水花完全消退后保持穩(wěn)定，之后隨著汛期水位波動(dòng)和蓄水有小幅增加。而中層葉綠素a在5月21日水花爆發(fā)時(shí)濃度很低，僅為表層的1/13。之后隨表層葉綠素和水位下降快速增長(zhǎng)，并在低水位期間保持在較高濃度，8月下旬汛期過(guò)后，其濃度迅速增至前一次采樣時(shí)的2倍，高于當(dāng)日表層濃度。

圖2 高陽(yáng)平湖不同水深層中葉綠素a濃度的分布特征

圖3 高陽(yáng)平湖不同形態(tài)磷的動(dòng)態(tài)變化

2.2 磷的動(dòng)態(tài)變化

由圖3可知，泄水過(guò)程中(4月28—6月5日)表層、中層的TP濃度總體高于其他時(shí)期，總體表現(xiàn)為泄水期>高水位期>低水位和泄水期。底層TP在泄水期和低水位運(yùn)行期濃度均較高，高于蓄水期和高水位運(yùn)行期。但9月12日由于受采樣前降雨影響，其TP高于其他時(shí)期，DTP也有這一現(xiàn)象，SRP未受影響。DTP和SRP受水位變化比TP更明顯，濃度時(shí)間變化規(guī)律與水位變化一致，高水位期高于低水位期。此外，水位變化對(duì)3種磷垂向分布也有明顯影響，高水位期間表、中、底層之間濃度差較小，而其他3個(gè)時(shí)期，表層至底層呈依次增大趨勢(shì)，且底層濃度遠(yuǎn)高于表層和中層。

2.3 氮的動(dòng)態(tài)變化

圖4 高陽(yáng)平湖氮的動(dòng)態(tài)變化

注：*表示顯著水平為0.05，**表示顯著水平為0.01，“-”表示無(wú)顯著相關(guān)性。

Note：* and ** and indicate significance of difference at 0.05 and 0.01 level.“-“ represents no significant correlation.

2.4 葉綠素a與營(yíng)養(yǎng)鹽的關(guān)系

3 結(jié)論與討論

1) 研究表明，葉綠素a濃度的變化受水位變化影響明顯，泄、蓄水和汛期水位的快速波動(dòng)均引起了葉綠素a濃度的快速增長(zhǎng)，表層葉綠素a在泄蓄水期和蓄水期均出現(xiàn)了峰值，泄水期發(fā)生了藍(lán)藻水花。中層葉綠素低水位期濃度較高。這可能是水位變化引起流速和營(yíng)養(yǎng)狀況發(fā)生改變所致。研究表明[15]，對(duì)于緩流水體，藻類的生長(zhǎng)存在最適流速，小江回水區(qū)受三峽蓄水影響流速較緩，庫(kù)區(qū)水位變化是回水區(qū)流速的控制因素。楊敏等[16]在香溪河研究發(fā)現(xiàn)，在一定流速范圍內(nèi)，較高流速條件下水體藻細(xì)胞密度高于低流速條件。說(shuō)明當(dāng)庫(kù)區(qū)水位下降或上升到一定高度時(shí)，回水區(qū)出現(xiàn)適宜藻類生長(zhǎng)的最適流速導(dǎo)致藻類快速增長(zhǎng)從而使葉綠素a濃度增加。此外，黃鈺鈴等[17]研究發(fā)現(xiàn)，水深變化引起的擾動(dòng)和垂向濃度梯度會(huì)加速底泥營(yíng)養(yǎng)向上層水體釋放，這為藻類生長(zhǎng)提供了充足的營(yíng)養(yǎng)，使得藻類快速生長(zhǎng)。這說(shuō)明水位變化不僅使水動(dòng)力條件變得適宜藻類生長(zhǎng)，而且為藻類生長(zhǎng)提供了較好的營(yíng)養(yǎng)條件。同時(shí)水體擾動(dòng)加強(qiáng)會(huì)使水體懸浮物增加，導(dǎo)致水體透光性減弱，真光層深度下降，下層水體藻類生長(zhǎng)受到抑制，降低了表層水體藻類生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)壓力[17]。這與本文研究結(jié)論相符。

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(責(zé)任編輯： 劉 海)

Vertical Distribution Characteristics of Nutritive Salt and Chlorophyll a in Xiaojiang Backwater Area During Different Regulation Period of Three Gorges Reservoir

YU Jianjun1,2, ZHANG Lei1,2,3*, FU Li1,2, ZHOU Chuan1,2, Douglas G.Haffner1，2,3

(1.CollegeofResourcesandEnvironment,SouthwestUniversity,Chongqing400716; 2.China-CanadaThreeGorgesReservoirWaterScientificCentre,Chongqing400716，China; 3.ResearchCenterforEnvironmentofGreatLake,UniversityofWindsor,Windsor,OntarioN9B3P4,Canada)

Xiaojiang backwater area; nutritive salt; chlorophyll a; vertical distribution

2014-12-01； 2015-05-01修回

國(guó)家科技合作專項(xiàng)(2013DFG92520)

蔚建軍(1990-)，男，在讀碩士，研究方向：環(huán)境微生物。E-mail: jerksion@163.com

*通訊作者：張 磊(1967-)，女，副教授，博士，從事水體富營(yíng)養(yǎng)化防治、土壤微生物修復(fù)研究。E-mail: zhanglei03@aliyun.com

1001-3601(2015)05-0275-0212-05

S917

A