陳仲晗,徐海升,劉　翔,劉　威,鄧培雁

(1.華南師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院,廣東 廣州　510631;2.深圳市鐵崗·石巖水庫管理處,廣東 深圳　518034;

3.四川師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,四川 成都　610068; 4.珠江水資源保護(hù)科學(xué)研究所,廣東 廣州　510611)

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南方某水庫底層溶解氧分布特征及低氧成因分析

陳仲晗1,徐海升2,劉翔3,劉威4,鄧培雁1

(1.華南師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院,廣東 廣州510631;2.深圳市鐵崗·石巖水庫管理處,廣東 深圳518034;

3.四川師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,四川 成都610068; 4.珠江水資源保護(hù)科學(xué)研究所,廣東 廣州510611)

摘要：以南方某水庫為例,通過2013年4月至2014年3月的監(jiān)測數(shù)據(jù)研究底層溶解氧(bottom dissolved oxygen, BDO)和底層水溫(bottom temperature, BT)、pH值、電導(dǎo)率、濁度(TU)、TP、TN、COD、總有機(jī)碳(TOC)、Chl-a間的關(guān)系,以闡明該水庫BDO的時空分布特征及低氧成因。結(jié)果表明,BDO春、夏季濃度低,秋、冬季(枯水期)濃度較高,進(jìn)水口附近的DO濃度普遍高于庫中、庫心;低氧現(xiàn)象主要發(fā)生在夏季(5—8月);水越深、水溫越低,BDO下降趨勢顯著(P<0.05);濁度、TOC與BDO為正相關(guān)關(guān)系。BDO與葉綠素a呈現(xiàn)顯著正相關(guān),在底層浮游植物中,藍(lán)藻門占絕對優(yōu)勢,BDO濃度與藍(lán)藻的垂直遷移有關(guān)。表明水庫BDO在時間上的變化趨勢受溫度的影響,而空間上的變化受到水動力的影響,低氧現(xiàn)象的發(fā)生受到水體垂直密度分層的影響。

關(guān)鍵詞：底層溶解氧;低氧現(xiàn)象;水體分層;浮游植物

溶解氧DO是維持水生物生存、分解部分污染物及保持水環(huán)境動態(tài)平衡的重要環(huán)境因子。過低的溶解氧不僅影響水生物的生長和分布,還會通過氧化還原電位影響無機(jī)鹽、有毒痕量金屬的溶解度[1]。影響水中溶解氧的因素有多種,物理方面有水氣交換、水動力、溫度等;化學(xué)方面有有機(jī)物合成、化學(xué)物質(zhì)的氧化還原反應(yīng)等;生物方面有生物的生長、繁殖和新陳代謝等[2]。因此,研究水體溶解氧與環(huán)境因子的相關(guān)性以及低氧(ρ(DO)<3 mg/L)[3]現(xiàn)象的成因,對水質(zhì)保護(hù)與治理有重要意義。

低緯度地區(qū)幾乎所有的湖泊(水庫)的湖下層,無論其營養(yǎng)鹽如何,都會發(fā)生低氧或厭氧的現(xiàn)象,這是由于其相對較高的水溫和生物體呼吸速率[4],并且由于人類活動的影響,低氧現(xiàn)象將有所加劇[5]。但國內(nèi)外對低氧現(xiàn)象的研究主要集中在近岸海域、河口等,這是由于河口水動力學(xué)復(fù)雜,河口水質(zhì)可以在短時間內(nèi)發(fā)生劇烈的波動,近岸海域、河口是低氧現(xiàn)象的高發(fā)區(qū)[5]。普遍認(rèn)為,河口低氧的成因主要是高營養(yǎng)水體侵入,導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化,從而發(fā)生河口底層缺氧現(xiàn)象[6]。李宏亮等[7]研究長江口水體溶解氧變化規(guī)律,認(rèn)為缺氧存在明顯的季節(jié)特征,且高營養(yǎng)鹽的長江沖淡水和低溶解氧的上升流的入侵以及強(qiáng)烈的水體層化是河口底層低氧現(xiàn)象頻發(fā)的原因。楊麗娜等[8]分析大遼河近入海河段水體的溶解氧特征和主要影響因子,認(rèn)為溶解氧濃度主要與營養(yǎng)鹽和有機(jī)污染物相關(guān),推斷徑流營養(yǎng)鹽的輸入和有機(jī)污染物的排放和夏季水體分層是形成低氧區(qū)的主要原因。然而,Shea等[9]認(rèn)為Western Long Island Sound(WLIS)的底層低氧與密度分層有關(guān),與點源、非點源的營養(yǎng)鹽含量無關(guān)。Rowe[10]認(rèn)為Mississippi River Delta季節(jié)性缺氧與水柱中垂直方向的物理和生物過程有關(guān)。湖泊(水庫)低氧現(xiàn)象的有關(guān)研究較少[11]。水庫的水動力受人為因素影響,表現(xiàn)出強(qiáng)烈的不穩(wěn)定性,尤其在豐水期和枯水期。入庫水流一般富含營養(yǎng)鹽、無機(jī)顆粒和有機(jī)顆粒,更容易發(fā)生低氧現(xiàn)象[12]。因此,對水庫溶解氧分布規(guī)律的探究以及低氧成因的分析顯得尤為重要?；诖?筆者以亞熱帶某供水水庫底層水體為研究對象,探討溶解氧的分布規(guī)律以及溶解氧低值區(qū)的成因。

1材料和方法

1.1　采樣地點及頻率

該水庫位于廣東省境內(nèi),地理位置在北緯22°40′—22°42′和東經(jīng)113°54′—113°55′之間,流域集水面積44.77 km2。水庫處于亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候,年平均氣溫為22.4℃,年均降水量1 933.3 mm,降水主要集中在4—9月[13]。

根據(jù)該水庫水質(zhì)及水文分布特征,從進(jìn)水口至取水口處共設(shè)8個采樣點,包括上級水庫引水入口(S1、S2),S3,S4,庫心(S5),S6,北線引水入口(S7、S8)，見圖1。本研究于2013年4月至2014年3月進(jìn)行,樣品采集每月1次,共采集12次。

圖1　采樣點分布

1.2　水質(zhì)參數(shù)測定與分析

現(xiàn)場采用YSI多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀測定底層水溫(bottom temperature, BT)、底層溶解氧(bottom dissolved oxygen, BDO)、pH值、電導(dǎo)率(Conductivity, Cond.)、濁度(turbidity),通過實驗室測得TP、TN、CODMn、TOC、Chl-a 等因子值。測定方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版)》[14]。

按常規(guī)浮游生物調(diào)查方法進(jìn)行樣品采集與觀察,定量樣品用5L采水器在底層采集水樣1L,現(xiàn)場加魯格氏固定液至濃度1%,經(jīng)48h靜置沉淀后濃縮至20mL,用0.1mL浮游植物計數(shù)框在光學(xué)顯微鏡OlympusBX-61下進(jìn)行浮游藻類定量計數(shù),根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[15-16]對所有定性定量樣品鑒定到屬。

1.3　數(shù)據(jù)分析

采用SPSS19.0中的Pearson進(jìn)行相關(guān)性分析,采用Origin8.0、Excel作圖,采用surfer8制作等值線圖。

2結(jié)果分析

2.1　底層溶解氧的時空分布特征

2.1.1時間分布特征

2013年4月至2014年3月該水庫8個采樣點的底層溶解氧質(zhì)量濃度分布見圖2。由圖2可以看出,5月份底層溶解氧質(zhì)量濃度顯著降低,且保持較低水平至8月;9月份底層溶解氧質(zhì)量濃度回升,10月份底層溶解氧質(zhì)量濃度再次降低,但未出現(xiàn)顯著的低氧現(xiàn)象;11月份底層溶解氧質(zhì)量濃度再次回升,而后12月、1月、2月質(zhì)量濃度有所波動，但均維持在較高水平,3月份質(zhì)量濃度開始下降。春季和夏季底層溶解氧質(zhì)量濃度相對低(ρ(DO)<3 mg/L),甚至出現(xiàn)厭氧情況(5號采樣點);秋季、冬季底層溶解氧質(zhì)量濃度情況較好。

表1　該水庫春、夏季底層溶解氧與環(huán)境理化因子的相關(guān)關(guān)系

注：**表示P<0.01;*表示P<0.05。

圖2　底層溶解氧的時間分布

2.1.2空間分布特征

圖3為2013年4至2014年3月的底層溶解氧的等值線分布圖。由圖3可知,底層溶解氧多呈塊狀分布,其質(zhì)量濃度呈南北高、中間低的趨勢,南、北引水口底層溶解氧質(zhì)量濃度變化幅度較大,而庫中、庫心變化幅度較小。

2.2　底層溶解氧與環(huán)境理化因子的相關(guān)性分析

在亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),低溶解氧現(xiàn)象一般形成于春末夏初,在仲夏時達(dá)到高峰,在夏末秋初時結(jié)束,具有明顯的季節(jié)特征[17]。本實驗中,低溶解氧現(xiàn)象也存在明顯的季節(jié)波動特征,在春末、夏季存在持續(xù)性低氧現(xiàn)象。因此,選取5—8月(T>25℃)的底層溶解氧質(zhì)量濃度及其環(huán)境理化因子進(jìn)行相關(guān)性分析,以找出與低氧現(xiàn)象有顯著關(guān)聯(lián)的環(huán)境因子。本次研究結(jié)果見表1。從表1可以看出,春、夏季底層溶解氧質(zhì)量濃度與水溫、水深、濁度、TOC及葉綠素a顯著相關(guān),與pH、CODMn、TN、TP不具有顯著相關(guān)性 (P<0.05)。

2.3　底層浮游植物的群落結(jié)構(gòu)

選取低氧頻發(fā)的5月、6月、7月、8月(T>25℃)的1號、3號、5號采樣點底層浮游植物樣品進(jìn)行分類計數(shù)。底層浮游植物物種組成見圖4。由圖4可知,藍(lán)藻門占絕對優(yōu)勢,約占總生物量的84%。除藍(lán)藻門外,水體中還監(jiān)測到硅藻門(約占總豐度的9.6%)、綠藻門(約占總豐度的5.6%)、隱藻門(約占總豐度的1.3%)以及少量的甲藻門和裸藻門。其中,鞘絲藻屬(Lyngbyasp.)、平列藻(Merismopediasp.)、偽魚腥藻(Pseudoanabaenasp.)為優(yōu)勢種。

3討論

3.1　底層溶解氧空間分布的影響因素

本實驗表明,水庫底層溶解氧在時間上主要受溫度的影響。曾春芬等[18]通過對天目湖的研究發(fā)現(xiàn)冬季溶解氧最高,而夏季溶解氧最低,甚至出現(xiàn)低氧狀況。Lee等[19]通過研究1995—2005年的Long Island Sound(New York)的底層溶解氧的監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),底層溶解氧具有季節(jié)波動的特性,最大值均出現(xiàn)在冬末(2—3月),而最小值均出現(xiàn)在夏季(7—9月)。Cicchetti 等[20]監(jiān)測Narragansett Bay (Rhode Island, USA)的底層溶解氧發(fā)現(xiàn),7—9月所有的站點均發(fā)生低氧現(xiàn)象,而10月之后沒有站點出現(xiàn)低氧現(xiàn)象,底層溶解氧具有季節(jié)波動的特性。本實驗結(jié)果也證明了這一特點,74%的低氧現(xiàn)象(ρ(DO)<3.0 μg/L)出現(xiàn)在5—8月(T>25℃)。

圖3　BDO的等值線分布(單位:mg/L)

本實驗表明,水庫底層溶解氧在空間上主要受水動力學(xué)的影響。Rabouille等[21]通過對比研究長江、Mississippi River、珠江 和Ehone River入?？诟浇娜芙庋?發(fā)現(xiàn)底層溶解氧濃度與水深和水力滯留時間相關(guān),Mississippi River的水力滯留時間長,夏季缺氧現(xiàn)象頻發(fā),而長江東部入?？谔幍乃魰r間短,其底層水的缺氧現(xiàn)象發(fā)生的頻率相對較低,在較淺的珠江河口和Ehone River中極深的Gulf of Lion在雨季也鮮有缺氧現(xiàn)象發(fā)生。本實驗中,南部進(jìn)水口和北線引水口的底層溶解氧質(zhì)量濃度普遍高于庫中、庫心,且底層溶解氧質(zhì)量濃度的最低值常出現(xiàn)在庫心。這是由于在水庫的入水口附近水深較淺,是水庫中流速最快、水力滯留時間最短的區(qū)域[12]。此外,在水庫豐水期,站點之間的變化幅度較大,這也是水動力過程的變化所導(dǎo)致的。

圖4　不同時間采樣點底層藻類比例的變化情況

3.2　底層缺氧現(xiàn)象的成因

本實驗表明,水體垂直分層是夏季低氧頻發(fā)的主要原因。很多研究表明,水體層化是缺氧形成的外部物理條件[22-24]。水庫是否分層主要取決于氣候和換水率[1]。在熱帶或亞熱帶地區(qū)的湖泊、水庫中,當(dāng)上層水體溫度明顯高于下層水體時,由于水體的熱能傳輸不均勻,冷、熱水體密度的差異會導(dǎo)致水體的物理分層和化學(xué)性質(zhì)的差異,同時表現(xiàn)為水體溶解氧的劇烈變化[25]。在水力滯留時間小于10 d的水庫,因水流過急而不能形成分層[26]。本次研究的水庫也具備了水體分層的條件:該水庫位于亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候區(qū),水溫常年在15℃以上,水力滯留時間平均約為17.17 d,最大滯留時間為28 d,最小滯留時間為11 d[27]。

本次實驗中,底層溶解氧質(zhì)量濃度與底層水溫的正相關(guān)關(guān)系、與水深的負(fù)相關(guān)關(guān)系,證明了水體層化與底層溶解氧質(zhì)量濃度有關(guān)。在較深的低凹處,容易發(fā)生分層現(xiàn)象,從而導(dǎo)致水溫的進(jìn)一步下降;伴隨著分層現(xiàn)象的發(fā)生,上層水與底層水的氧氣交換受到阻礙,加劇了低氧現(xiàn)象[28]。實驗結(jié)果表明,在低氧現(xiàn)象頻發(fā)的5—8月也均出現(xiàn)不同程度的分層現(xiàn)象。其中,水深最深的5、6號采樣點均出現(xiàn)分層情況,且低氧現(xiàn)象(ρ(DO)<3 mg/L)共發(fā)生8次,占總低氧次數(shù)的40%。

此外,底層溶解氧質(zhì)量濃度與濁度、TOC的正相關(guān)關(guān)系也與水體垂直分層有關(guān)。濁度反映了懸浮顆粒物的特征,底層懸浮顆粒來自于引水水體顆粒物的沉降和沉積顆粒的再懸浮[29]。由于水體分層,底層水體的攪動力會減小。底層水體的穩(wěn)定,有利于顆粒物的沉降,減弱底泥的再懸浮,從而使得低濁度和低氧同時發(fā)生[30]。因此底層溶解氧與TOC同時受分層的影響,呈正相關(guān)關(guān)系。TOC主要包含顆粒有機(jī)碳和溶解有機(jī)碳,其中顆粒有機(jī)碳濃度與濁度類似。溶解性有機(jī)碳主要來源于外源輸入。盡管該水庫作為梯級水庫群的第3級淺水水庫,在春、夏季(豐水期)上級水庫會有大量水注入,但是由于分層現(xiàn)象的存在,這些低溫、高密度的水入庫后隨即下沉到達(dá)溫躍層或底層同密度的水層,然后這股水作為侵入流繼續(xù)水平流動,其所攜帶的溶解性有機(jī)物不會影響底層水[1]。侵入流所攜帶的有機(jī)碳大多停留在溫躍層中,內(nèi)源有機(jī)碳多沉積于底泥中。本次研究也發(fā)現(xiàn),溫躍層中TOC的含量的確普遍高于底層,溫躍層分解TOC越多,則底層TOC越少,同時溫躍層溶解氧消耗,底層溶解氧質(zhì)量濃度也就越低。按此理論預(yù)測,在之后9—10月,水體分層被打破,底層溶解氧得到補(bǔ)給,但底層水的攪動也應(yīng)該會造成沉積物中有機(jī)物的釋放,分解消耗氧氣,使得底層的溶解氧再一次下降。這在本實驗中也得到驗證,底層溶解氧質(zhì)量濃度在9月上升之后,在10月又顯著下降(圖2)。

3.3　底層溶解氧與浮游植物的關(guān)系

溶解氧是水體Chl-a質(zhì)量濃度變化的被動因子[31]。一般認(rèn)為,在真光層以下水體中,浮游植物以呼吸作用為主,光合作用減弱,從而使得水體溶解氧水平降低。萬修全等[32]分析夏季萊州灣的水質(zhì)指標(biāo)發(fā)現(xiàn),葉綠素質(zhì)量濃度的高值區(qū)對應(yīng)溶解氧質(zhì)量濃度的低值區(qū)。但楊麗娜等[8]認(rèn)為大遼河口的底層溶解氧質(zhì)量濃度與Chl-a幾乎無相關(guān)性,即浮游植物的初級生產(chǎn)過程不是導(dǎo)致底層溶解氧質(zhì)量濃度變化的主要因素。本實驗中,分析低氧頻發(fā)的5—8月份Chl-a質(zhì)量濃度和底層溶解氧質(zhì)量濃度的關(guān)系,Chl-a質(zhì)量濃度與底層溶解氧質(zhì)量濃度呈顯著正相關(guān)關(guān)系,這與浮游植物的垂直遷移以及底泥葉綠素、營養(yǎng)鹽的釋放有關(guān)。該水庫低氧情況下,藍(lán)藻作為優(yōu)勢種存在于底層低氧環(huán)境中,這是由于藍(lán)藻在黑暗、低氧環(huán)境中有生存優(yōu)勢:藍(lán)藻可以以發(fā)酵的形式,分解、利用光合作用時積累在細(xì)胞體內(nèi)的糖原作為能量來源,從而維持其生命活動并生長良好[33]。藍(lán)藻門中的這3個優(yōu)勢藻類(鞘絲藻屬、平列藻、偽魚腥藻)均屬于無鞭毛、無假空泡,這些藻上浮性弱,難停留在水體上部。那么,底層藻類密度高可能是由于上層藻類密度太大,藻類遷移至下層以獲得更好的生存環(huán)境。吳志旭等[34]和林佳等[35]分別研究福建山仔水庫和新安江水庫的分層現(xiàn)象與浮游植物的關(guān)系,均認(rèn)為水溫分層決定了浮游植物的垂直分布。那么,底層溶解氧質(zhì)量濃度與底層Chl-a質(zhì)量濃度的正相關(guān)關(guān)系,可能是由于溶解氧和Chl-a共同受分層現(xiàn)象的影響,但兩者之間并沒有直接的關(guān)聯(lián)性。關(guān)于藻類的垂直遷移對溶解氧的影響還有待進(jìn)一步研究。

3結(jié)論

a. 該水庫底層溶解氧質(zhì)量濃度在空間上呈現(xiàn)南北高、中間低的分布格局;在時間上呈現(xiàn)春、夏季高于秋、冬季的分布趨勢。溶解氧受到溫度、生物活動、營養(yǎng)鹽等多種因素的影響。

b. 春末、夏季(5—8月,T>25℃),在水庫底層出現(xiàn)大面積的低氧區(qū)。通過探討底層溶解氧與溫度、水深、pH、濁度、TOC、高錳酸鹽指數(shù)以及營養(yǎng)鹽的相關(guān)關(guān)系,發(fā)現(xiàn)溶解氧質(zhì)量濃度與水溫、水深、濁度、TOC的相關(guān)性較顯著,因此判斷上水體的垂直分層作用造成了底層溶解氧質(zhì)量濃度的降低。

c. 底層Chl-a質(zhì)量濃度與底層溶解氧質(zhì)量濃度呈顯著正相關(guān)。該水庫中,藍(lán)藻門為優(yōu)勢種,藍(lán)藻的生理以及遷移機(jī)制與溶解氧質(zhì)量濃度之間的關(guān)系值得進(jìn)一步研究。

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Distribution characteristics of bottom dissolved oxygen and mechanism of hypoxia in reservoir in southern China

CHEN Zhonghan1, XU Haisheng2, LIU Xiang3, LIU Wei4, DENG Peiyan1

(1.SchoolofChemistryandEnvironment,SouthChinaNormalUniversity,Guangzhou510631,China;

2.ShenzhenTiegang-ShiyanReservoirAdministrativeOffice,Shenzhen518034,China;

3.CollegeofLifeScience,SichuanNormalUniversity,Chengdu610068,China;

4.ScientificInstituteofPearlRiverWaterResourcesProtection,Guangzhou510611,China)

Abstract：Taking a reservoir in Guangdong Province as a case study, the relationship between contents of bottom dissolved oxygen (BDO) and bottom temperature (BT), pH, conductivity, turbidity, total phosphorus (TP), total nitrogen (TN), chemistry oxygen demand (COD), total organic carbon (TOC), chlorophyll-a in water were analyzed according to the monitoring data from April 2013 to March 2014, to state the spatial-temporal distribution characteristics of bottom dissolved oxygen and the mechanism of hypoxia. The results indicated that, BDO concentrations are lower in spring and summer, while higher in autumn and winter (dry seasons). BDO concentrations are higher in the water intake and lower in the middle of reservoir. Hypoxia mainly happens in summer (form May to August). The correlation analysis showed that the relationship between the contents of BDO (P<0.05) and the contents of BT, turbidity, TOC and chlorophyll a was positive, which was negative with the contents of the water depth. The positive correlation between the contents of BDO and chlorophyll a and that dominate species are cyanobacteria indicated that the vertical migration of cyanobacteria is one of the key factors affecting BDO. Therefore, the temporal change of the contents of BDO was affected by BT; the spatial change of the contents of BDO was affected by hydrodynamic force; hypoxia might be affected by the thermal stratification.

Key words：bottom dissolved oxygen; hypoxia; thermal stratification; phytoplankton

(收稿日期：2015-02-25編輯：彭桃英)

中圖分類號：X832

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)01-0108-07

作者簡介:陳仲晗(1992—),女,碩士研究生,研究方向為環(huán)境生態(tài)。E-mail: han_cz1992@163.com通信作者:鄧培雁,教授。E-mail: dpy213@126.com

基金項目:公益性行業(yè)科研專項(201301047)

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.01.019