唐海濱,鄭志偉,胡 蓮,潘曉潔,史 方,鄒 曦,萬成炎

(水利部中國科學院水工程生態(tài)研究所,水利部水工程生態(tài)效應(yīng)與生態(tài)修復(fù)重點實驗室,武漢 430072)

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展,水體富營養(yǎng)化已成為全球最突出的水環(huán)境問題之一。近年來,我國太湖、巢湖、洞庭湖等重要湖泊富營養(yǎng)化狀況依然不容樂觀[1-3]。葉綠素是浮游植物重要成分,而葉綠素a是植物光合作用重要色素,廣泛存在于各種浮游植物體內(nèi),其含量和動態(tài)變化能夠反映水中藻類生長狀況和變化規(guī)律[4-5]。故葉綠素a常被用于表征水體浮游植物生物量,也是水體富營養(yǎng)化評價的重要因子[6]。因此,開展水體葉綠素a監(jiān)測調(diào)查,研究葉綠素a的時空變化及其與環(huán)境因子的相互關(guān)系,能夠更全面地掌握水體浮游植物動態(tài)變化及形成機制,更加準確地研判水生態(tài)環(huán)境的演變趨勢。

三峽大壩建成運行后,水文形勢、水動力條件發(fā)生著顯著變化,庫區(qū)支流水系由此產(chǎn)生了新的水環(huán)境問題,尤其是庫區(qū)水體富營養(yǎng)化受到廣大學者的關(guān)注[7]。據(jù)統(tǒng)計,三峽水庫蓄水后入庫支流富營養(yǎng)化狀況日趨嚴重,發(fā)生水華的支流數(shù)量逐年增加,2004年有6條支流暴發(fā)水華,而2013年已上升至20余條[8]。大壩阻隔導致支流流速變緩,水體滯留時間增加,是導致支流水華的主要原因[9]。三峽水庫蓄水已有10余年,庫區(qū)支流逐漸由河流生境向湖庫生境轉(zhuǎn)換,這一過程水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也發(fā)生了一系列變化。浮游植物作為水體重要的初級生產(chǎn)者,全面認識三峽庫區(qū)入庫支流浮游植物的時空動態(tài)變化特征,對于研判水環(huán)境的演變趨勢、水華發(fā)生機制等具有重要意義。但是,針對入庫支流基于長時間序列下葉綠素a的時空變化特征以及與環(huán)境因子相互關(guān)系的系統(tǒng)性研究相對較少。

小江是三峽庫區(qū)消落區(qū)面積最大、變動回水區(qū)較長以及常年流量較大的一條支流,具有典型性。本研究以小江為研究對象,在2008-2020年間對小江5個監(jiān)測斷面進行4個季度Chl.a的定期監(jiān)測調(diào)查,分析小江Chl.a的時空演變特征,研究小江Chl.a不同斷面及季節(jié)與水體主要理化因子的相關(guān)性,通過逐步回歸分析,篩選出時空上影響Chl.a相對重要的環(huán)境因子,采用通徑分析解析不同季節(jié)、不同斷面小江Chl.a主要的驅(qū)動因子,旨為小江及三峽庫區(qū)其它支流富營養(yǎng)化治理提供理論參考。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域

小江,也稱澎溪河,位于三峽庫區(qū)北岸(30°49′～31°42′N,107°56′～108°54′E),為一級主流,全長184.2 km,流域面積5173 km2。小江上游共南河和北河兩條支流,于開縣匯合,三峽水庫蓄水后,在開縣新城下游4.5 km處修建了漢豐湖大壩,至此形成了小江。根據(jù)小江地形地貌特征、水文水力特征、水系分布特點及重要閘壩分布等情況,研究區(qū)域主要為漢豐湖大壩以下至入三峽水庫口,總長約72 km。本研究共設(shè)置5個監(jiān)測斷面,分別為渠口(31°08′11″N,108°29′12″E)、養(yǎng)鹿(31°04′56″N,108°33′57″E)、高陽(31°05′48″N,108°40′22″E)、黃石(30°59′44″N,108°42′58″E)和雙江(30°57′53″N,108°42′03″E)(圖1)。

圖1 小江研究區(qū)域采樣點位置Fig.1 Location of sampling sites in Xiaojiang River

1.2 樣品采集

1.3 樣品測定

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)整理采用WPS Office中的WPS表格軟件,作圖使用Origin 8.0,統(tǒng)計分析使用R 4.2.1。本文對Chl.a與水體環(huán)境因子進行Pearson相關(guān)分析和和雙側(cè)顯著性檢驗,采用逐步線性回歸篩選對小江Chl.a影響相對重要的環(huán)境因子,采用通徑分析解析各個重要環(huán)境因子在不同季節(jié)、不同斷面對Chl.a濃度的作用大小,采用線性及非線性擬合構(gòu)建小江全段Chl.a與其主要環(huán)境因子的回歸方程。

2 結(jié)果與分析

2.1 小江葉綠素a時空動態(tài)變化分析

2008-2020年期間,研究區(qū)域內(nèi)小江Chl.a年平均濃度為(20.69±9.41) μg/L,變幅范圍在5.96～33.90 μg/L 之間,最小值出現(xiàn)在2008年,最大值出現(xiàn)在2019年(圖2)。整體趨勢表現(xiàn)為上下波動,波動周期大約為3年。同時發(fā)現(xiàn),Chl.a濃度中位數(shù)也呈上下波動變化,但波動幅度較均值小。兩者比較可知,各年中Chl.a濃度的均值高于中位數(shù),表明數(shù)據(jù)中較低值的數(shù)量相對較多,而較大值的數(shù)值比較小值的數(shù)值大得多。實際中,本研究更加關(guān)注葉綠素a在高濃度的變化情況,故采用均值比中位數(shù)更符合實際需要。此外,異常值數(shù)值有所增加。

圖2 小江葉綠素a的年度變化Fig.2 Annual variation of chlorophyll-a in Xiaojiang River

小江5個監(jiān)測斷面Chl.a濃度時空變化如圖3所示。在季節(jié)上,整體表現(xiàn)為春季、夏季、秋季3個季節(jié)遠高于冬季的變化規(guī)律,Chl.a濃度由高到低依次為,春季(34.48 μg/L)、秋季(27.61 μg/L)、夏季(20.21 μg/L)、冬季(2.01 μg/L)。其中,春季、夏季Chl.a濃度均在黃石斷面最高,分別為59.11、31.98 μg/L;秋季Chl.a濃度在高陽斷面最高,為37.95 μg/L;冬季Chl.a濃度在渠口斷面最高,為3.24 μg/L。Chl.a濃度除了隨季節(jié)變化外,還呈現(xiàn)出不同的空間差異性,即在空間上呈倒“N”型分布特征,Chl.a年平均濃度最高值出現(xiàn)在黃石斷面(29.55 μg/L),最低值出現(xiàn)在養(yǎng)鹿斷面(15.23 μg/L)。

圖3 小江各監(jiān)測斷面葉綠素a的時空變化Fig.3 Spatiotemporal variation of chlorophyll-a in different monitoring sections of Xiaojiang River

2.2 小江葉綠素 a與環(huán)境因子的相關(guān)分析

表1 小江各監(jiān)測斷面葉綠素a與環(huán)境因子的Pearson相關(guān)分析Tab.1 Pearson correlation analysis of chlorophyll-a and environmental factors in sections of Xiaojiang River

2.3 小江葉綠素a與環(huán)境因子的逐步回歸分析

表2 小江不同季節(jié)葉綠素a與環(huán)境因子的回歸方程Tab.2 Stepwise multiple regression equation between chlorophyll-a and environmental factors in different seasons in Xiaojiang River

表3 小江不同監(jiān)測斷面葉綠素a與環(huán)境因子的回歸方程Tab.3 Stepwise multiple regression equation between chlorophyll-a and environmental factors at different sampling sites in Xiaojiang River

2.4 小江葉綠素a與環(huán)境因子的通徑分析

在逐步回歸分析結(jié)果上,采用通徑分析計算各重要環(huán)境因子對小江不同季節(jié)Chl.a濃度的作用大小,(附表Ⅰ和圖4)。不同季節(jié),各環(huán)境因子對水體Chl.a濃度的影響有明顯差異。春季時,對小江Chl.a間接作用最大的環(huán)境因子為NH3-N(∑rijPj=0.266),直接作用最大的環(huán)境因子為Turb(Pi=0.753),均為正向影響;夏季時,對小江Chl.a間接作用最大的環(huán)境因子為SD(∑rijPj=0.083),直接作用最大的因子為DO(Pi=0.415),均為正向影響;秋季時,對小江Chl.a間接作用最大的環(huán)境因子為pH(∑rijPj=-0.131),為負向影響,而直接作用最大的因子為NH3-N(Pi=0.413),為正向影響;冬季時,對小江Chl.a間接作用最大的環(huán)境因子為TP(∑rijPj=-0.787),為負向影響,而直接作用最大的因子為TP(Pi=0.727),為正向影響?？傮w上,對水體Chl.a濃度影響最顯著的環(huán)境因子分別為:Turb(春季,通徑系數(shù)Pij=0.76)、DO(夏季,Pij=0.49)、NH3-N(秋季,Pij=0.34)和WT(冬季,Pij=-0.30)。

圖4 小江不同季節(jié)葉綠素a與環(huán)境因子的通徑分析圖Fig.4 Path analysis model of chlorophyll-a and environmental factors in different seasons in Xiaojiang River

圖5 小江不同監(jiān)測斷面葉綠素a與環(huán)境因子的通徑分析圖Fig.5 Path analysis model of chlorophyll-a and environmental factors at different sampling sites in Xiaojiang River

2.5 小江葉綠素a與關(guān)鍵環(huán)境因子的擬合分析

進一步,采用線性函數(shù)、冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)3種常用函數(shù)擬合分析小江Chl.a與最主要環(huán)境因子(DO、CODMn)的關(guān)系。如圖6所示,Chl.a與DO、Chl.a與CODMn的擬合結(jié)果均表現(xiàn)為:指數(shù)函數(shù)的擬合效果最好,其次是冪函數(shù),最后是線性函數(shù)。其中,Chl.a濃度與DO呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),相關(guān)系數(shù)R2為0.38,構(gòu)建的指數(shù)函數(shù)方程為y=1.062e0.369x+0.707;Chl.a濃度與CODMn呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),相關(guān)系數(shù)R2為0.35,構(gòu)建的指數(shù)函數(shù)方程為y=3.185e0.460x+3.406。

圖6 小江葉綠素a與DO、CODMn的擬合結(jié)果Fig.6 Fitting results of chlorophyll-a with DO and CODMn in Xiaojiang River

3 討論

3.1 葉綠素a的時空變化特征

3.2 水體理化因子對葉綠素a的影響

4 附錄

附表Ⅰ～Ⅱ見電子版(DOI: 10.18307/2023.0512)。