楊 平,劉聚濤**,胡 芳,溫春云,文 慧,吳 槳,付莎莎,戴國(guó)飛

(1:江西省水利科學(xué)院,南昌 330029)(2:江西省鄱陽(yáng)湖流域生態(tài)水利技術(shù)創(chuàng)新中心,南昌 330029)

作為中國(guó)第一大淡水湖,鄱陽(yáng)湖已處于輕度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)[1-2],營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的增加促進(jìn)了浮游植物的生長(zhǎng),浮游植物生物量隨之上升,藍(lán)藻占浮游植物群落比例有逐年增加的趨勢(shì)[3-6],豐水期水華藍(lán)藻在多個(gè)湖區(qū)有分布,主要在內(nèi)灣及尾閭區(qū)生長(zhǎng)積累[7],局部形成的肉眼可見(jiàn)水華群體主要集中在都昌縣城以南的約20 km2水域[4],部分碟形湖枯水期藍(lán)藻水華程度也較為嚴(yán)重[8]。

在闡明藍(lán)藻生長(zhǎng)和水華暴發(fā)的驅(qū)動(dòng)因子方面,目前已有研究主要集中在水體營(yíng)養(yǎng)鹽、氣象和水文與藍(lán)藻的相互關(guān)系等[9-13],其中,氣象和水文條件對(duì)藍(lán)藻水華暴發(fā)起著至關(guān)重要的作用,風(fēng)場(chǎng)是影響藍(lán)藻水華暴發(fā)的重要因素之一[14-20]。風(fēng)產(chǎn)生的風(fēng)浪和湖流改變了藍(lán)藻的位置,使其積聚形成水華,風(fēng)浪擾動(dòng)會(huì)促使大量的營(yíng)養(yǎng)鹽從底泥中釋放,導(dǎo)致湖泊水體重新分層與混合,增加了藻類(lèi)可利用的營(yíng)養(yǎng)鹽[21],風(fēng)力因素可以通過(guò)影響湖泊擾動(dòng)、流速、光照條件、懸浮物濃度、透明度、底泥營(yíng)養(yǎng)鹽釋放等因子直接或者間接的影響藍(lán)藻濃度及其分布[22]。目前,國(guó)內(nèi)關(guān)于風(fēng)場(chǎng)對(duì)藍(lán)藻的影響研究主要針對(duì)太湖、滇池、巢湖等淺水湖泊[20,23-25],針對(duì)鄱陽(yáng)湖的研究則多集中于藻類(lèi)群落特征及其與營(yíng)養(yǎng)鹽之間的關(guān)系[4-7]。

由于鄱陽(yáng)湖通江湖泊的特性,水體交換時(shí)間僅為10 d左右[26],遠(yuǎn)低于太湖(192 d)[27]和滇池(981 d)[28],鄱陽(yáng)湖水體流速(平均流速0.17～0.55 m/s)[29]也要明顯大于太湖(流速小于0.1 m/s的時(shí)間占90%)[30-31]和滇池(平均流速0.002～0.04 m/s)[16, 32]。因此,作為長(zhǎng)江流域重要的通江湖泊,風(fēng)場(chǎng)如何影響鄱陽(yáng)湖表層藍(lán)藻密度是一個(gè)值得探討的問(wèn)題。本文對(duì)2019-2021年鄱陽(yáng)湖水質(zhì)、藻類(lèi)、風(fēng)場(chǎng)及流場(chǎng)情況進(jìn)行調(diào)查和分析,探討了風(fēng)場(chǎng)對(duì)鄱陽(yáng)湖豐水期表層藍(lán)藻密度的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

鄱陽(yáng)湖位于江西省北部、長(zhǎng)江中游南岸,南北長(zhǎng)173 km,東西平均寬16.9 km,水面面積在28～3700 km2之間,流域面積16.2萬(wàn)km2,是我國(guó)最大的淡水湖泊。鄱陽(yáng)湖是典型的通江湖泊,具有過(guò)水性、吞吐性、季節(jié)性特征,承納了贛江、撫河、信江、饒河、修水等河流來(lái)水,經(jīng)調(diào)蓄后由湖口注入長(zhǎng)江。鄱陽(yáng)湖水位受本流域來(lái)水及長(zhǎng)江干流水位的雙重影響,呈現(xiàn)出豐枯變化顯著的水文特征。鄱陽(yáng)湖水文特征表現(xiàn)為“高水是湖、低水似河”的特點(diǎn),平水期及枯水期以河相為主,水域面積低,水體呈現(xiàn)為河流特征;豐水期以湖相為主,水域面積廣闊,水體呈現(xiàn)為湖泊特征[29]。近幾年的鄱陽(yáng)湖水生態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示,2019-2021年鄱陽(yáng)湖豐水期氮磷比在0.4～38.2之間,均值為10.2,氮磷比小于29的比例在95.3%～100%之間,平均為97.2%,鄱陽(yáng)湖豐水期低氮磷比有利于藍(lán)藻在浮游植物種群組成中占據(jù)優(yōu)勢(shì)[24]。

1.2 采樣點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)鄱陽(yáng)湖地形特點(diǎn),將鄱陽(yáng)湖分為入江水道、主湖區(qū)和東部湖區(qū)3個(gè)區(qū)域,于2019-2021年平水期(4月)、豐水期(8-9月)、枯水期(12月),根據(jù)鄱陽(yáng)湖平豐枯水位變化情況布設(shè)13～49個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行樣品采集(圖1),其中鄱陽(yáng)湖入江水道點(diǎn)位6個(gè)(1#～6#)、主湖區(qū)36個(gè)(7#～42#)、東部湖區(qū)7個(gè)(43#～49#),因鄱陽(yáng)湖各個(gè)時(shí)期采樣實(shí)時(shí)水位有所變化,部分點(diǎn)位因水位太低導(dǎo)致監(jiān)測(cè)船只無(wú)法到達(dá),故各個(gè)時(shí)期實(shí)際監(jiān)測(cè)點(diǎn)位數(shù)量有所差異,具體監(jiān)測(cè)時(shí)期、點(diǎn)位數(shù)量和指標(biāo)情況見(jiàn)表1。

表1 鄱陽(yáng)湖監(jiān)測(cè)點(diǎn)位和時(shí)期情況Tab.1 Sampling sites and time of Lake Poyang

圖1 鄱陽(yáng)湖采樣監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)Fig.1 The sampling stations of Lake Poyang

1.3 樣品采集分析方法

監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括水質(zhì)、藻類(lèi)(密度、生物量)、風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)速、風(fēng)向)和流場(chǎng)(流速、流向),其中水質(zhì)指標(biāo)包括pH、溫度、溶解氧、氧化還原電位、電導(dǎo)率、總氮、總磷、氨氮、硝氮、正磷酸鹽、葉綠素。使用YSI多參數(shù)水質(zhì)儀(YSI EXO, YSI Company, USA)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定水體表層pH、水溫、溶解氧等指標(biāo)。按照《水質(zhì)采樣技術(shù)指導(dǎo)》(HJ 494-2009)規(guī)范采集表層水體水質(zhì)樣品,參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》(第四版)[33]對(duì)總氮、總磷等水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)定。使用便攜式手持風(fēng)速儀現(xiàn)場(chǎng)采集風(fēng)速風(fēng)向指標(biāo)。使用流速流向儀(HH.ZSX-6型,濰坊河海水文科技有限公司)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)定水體表層流速、流向。使用25#浮游生物網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)采集藻類(lèi)定性樣品;現(xiàn)場(chǎng)采集1 L表層水帶回實(shí)驗(yàn)室,加入魯哥試劑固定并沉淀48 h后濃縮富集至約30 mL得到藻類(lèi)定量樣品,鑒定計(jì)數(shù)參考《中國(guó)淡水藻類(lèi):系統(tǒng)、分類(lèi)及生態(tài)》[34]等進(jìn)行。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

使用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和預(yù)分析,使用Canoco 4.5軟件對(duì)鄱陽(yáng)湖水質(zhì)、風(fēng)速與藍(lán)藻密度等之間的關(guān)系進(jìn)行冗余分析(redundancy analysis,RDA),采用IBM SPSS Statistics 19.0軟件進(jìn)行Spearman相關(guān)性分析。使用Arcmap 10.2軟件制作鄱陽(yáng)湖監(jiān)測(cè)點(diǎn)位圖和藍(lán)藻空間分布圖,采用Origin Pro 2021軟件繪制風(fēng)場(chǎng)流場(chǎng)玫瑰圖及其他圖形。

2 結(jié)果與分析

2.1 表層藍(lán)藻密度的變化

為了闡明藻類(lèi)和藍(lán)藻變化趨勢(shì),將2017-2018年藻類(lèi)調(diào)查數(shù)據(jù)也納入分析,采樣時(shí)期為2017年5、8、12月,2018年5、8、12月,2017-2021年鄱陽(yáng)湖表層藻類(lèi)密度監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖2所示。

圖2 鄱陽(yáng)湖2017-2021年藻類(lèi)(a)和藍(lán)藻(b)密度分布情況Fig.2 Changes in algae(a) and cyanobacteria(b) density in Lake Poyang from 2017 to 2021

1)藻類(lèi)密度變化趨勢(shì)。觀測(cè)期內(nèi),2017-2021年鄱陽(yáng)湖表層藻類(lèi)密度變化范圍在3.9×103～4.05×107cells/L之間,均值分別為9.17×104、2.19×105、1.25×106、5.79×106、1.79×107cells/L,各年度藻類(lèi)密度變化規(guī)律均表現(xiàn)為豐水期最高,平水期次之,枯水期最低。

2)藍(lán)藻密度年際變化趨勢(shì)。觀測(cè)期內(nèi),2017-2021年鄱陽(yáng)湖表層藍(lán)藻密度變化范圍在0～3.2×107cells/L之間,均值分別為6.33×104、1.66×105、8.16×105、3.27×106、1.45×107cells/L。

3)不同水位期藍(lán)藻密度變化趨勢(shì)。觀測(cè)期內(nèi),2017～2020年鄱陽(yáng)湖平水期表層藍(lán)藻密度變化范圍在0～2.2×106cells/L之間,均值分別為0.58×103、1.52×103、1.99×105、4.9×105cells/L,藍(lán)藻出現(xiàn)頻率分別占12.5%、37.5%、46.1%、88.2%;2017-2021年豐水期表層藍(lán)藻密度變化范圍在0～3.02×107cells/L之間,均值分別為1.15×105、3.27×105、1.28×106、4.58×106、1.45×107cells/L,藍(lán)藻出現(xiàn)頻率分別為64.1%、66.7%、65.9%、100%、100%;2017-2020年枯水期表層藍(lán)藻密度變化范圍在0～1.59×106cells/L之間,均值分別為0.32×103、0.92×103、1.1×103、4.03×105cells/L,藍(lán)藻出現(xiàn)頻率分別占6.2%、12.5%、11.8%、100%。觀測(cè)期內(nèi),2017-2020年內(nèi)藍(lán)藻密度特征均表現(xiàn)為豐水期遠(yuǎn)大于平水期和枯水期(P<0.01),豐水期藍(lán)藻出現(xiàn)頻率最高,平均為79.3%,平水期和枯水期平均分別為36.9%、26.1%。

2.2 風(fēng)場(chǎng)的變化

鄱陽(yáng)湖2019-2021年豐水期現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查風(fēng)場(chǎng)特征如表2和附圖I所示,由圖表可知,風(fēng)速方面,從年際變化趨勢(shì)來(lái)看,觀測(cè)期內(nèi),2019-2021年鄱陽(yáng)湖豐水期全湖風(fēng)速均值在1.8～4.4 m/s之間,年際變化規(guī)律為2021年>2020年>2019年;2019-2020年豐水期各個(gè)區(qū)域風(fēng)速均值變化規(guī)律均為入江水道>主湖區(qū)>東部湖區(qū),2021年為東部湖區(qū)>入江水道>主湖區(qū)。風(fēng)向方面,2019-2021年豐水期全湖主導(dǎo)風(fēng)向分別為N、W、SSW,2019及2021年各個(gè)區(qū)域主導(dǎo)風(fēng)向不一致,2020年各個(gè)區(qū)域主導(dǎo)風(fēng)向以NE風(fēng)向?yàn)橹鳌Ｒ延醒芯勘砻?鄱陽(yáng)湖全年主導(dǎo)風(fēng)向以NE向?yàn)橹?6-8月風(fēng)向以SSW向?yàn)橹鱗35],湖區(qū)多年平均風(fēng)速為3.8 m/s[36]。

表2 鄱陽(yáng)湖2019-2021年豐水期現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查各區(qū)域風(fēng)場(chǎng)特征Tab.2 On-site wind field data of Lake Poyang during the flood period from 2019 to 2021

2.3 流場(chǎng)的變化

鄱陽(yáng)湖2019-2021年豐水期流場(chǎng)特征如表3和附圖Ⅱ所示,由圖表可知,流向方面,觀測(cè)期內(nèi)鄱陽(yáng)湖入江水道主要流向朝北偏東方向,與入江水道天然流向一致。主湖區(qū)流向較為分散,但總體流向朝北、北偏西及西方向,即入江水道方向;東部湖區(qū)主要流向朝南偏西方向,與東部湖區(qū)所處位置有關(guān),湖流僅能從南偏西方向進(jìn)入主湖區(qū)。流速方面,觀測(cè)期內(nèi)鄱陽(yáng)湖2019-2021年全湖流速均值分別為0.16、0.05、0.14 m/s,流速大于0.1 m/s的頻率占比為89.2%。全湖、入江水道、主湖區(qū)平均流速規(guī)律為2019年>2021年>2020年,東部湖區(qū)平均流速最高的年份為2021年,其次為2019年和2020年。分區(qū)域來(lái)看,2019-2020年豐水期流速均值表現(xiàn)為入江水道>主湖區(qū)>東部湖區(qū)的特征,2021年豐水期流速均值表現(xiàn)為入江水道=東部湖區(qū)>主湖區(qū)。

表3 鄱陽(yáng)湖2019-2021年豐水期現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查各區(qū)域流場(chǎng)特征Tab.3 On-site flow field data of Lake Poyang in flood period of 2019-2021

2019年8月鄱陽(yáng)湖星子站水位從16.3 m下降至15.57 m,水位下降快,湖流以吞吐流為主,流速最大;受流域超歷史大洪水及長(zhǎng)江頂托影響,2020年8月湖區(qū)水位從19.00 m上升至19.11 m,處于長(zhǎng)江頂托的低流速時(shí)期,2020年9月水位從18.56下降至18.20 m,水位下降緩慢,流速較小;2021年8月水位從16.26 m下降到15.08 m,水位下降快,流速較快。

3 討論

3.1 風(fēng)速對(duì)豐水期表層藍(lán)藻密度的影響

對(duì)鄱陽(yáng)湖豐水期水質(zhì)(pH、溫度、溶解氧、氧化還原電位、透明度、懸浮物、總氮、硝態(tài)氮、氨氮、總磷、磷酸鹽、高錳酸鹽指數(shù))、風(fēng)速、流速與藻類(lèi)密度及生物量的關(guān)系進(jìn)行冗余分析(RDA),同時(shí)為了明確藍(lán)藻各個(gè)屬對(duì)風(fēng)場(chǎng)的響應(yīng)情況,將鄱陽(yáng)湖優(yōu)勢(shì)藍(lán)藻屬納入了分析,鄱陽(yáng)湖豐水期優(yōu)勢(shì)水華藍(lán)藻屬為微囊藻屬、長(zhǎng)孢藻屬、平裂藻屬、色球藻屬、假魚(yú)腥藻屬,出現(xiàn)頻率分別為33.9%、39.3%、26.3%、29.5%、46.9%,分析結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 鄱陽(yáng)湖2019-2021年豐水期藻類(lèi)密度(a)、生物量(b)與環(huán)境因子等的RDA二維排序Fig.3 Two-dimensional RDA ranking of algae density(a) and biomass(b) and environmental factors in Lake Poyang from 2019 to 2021

由圖3a可知,鄱陽(yáng)湖豐水期藍(lán)藻及水華藍(lán)藻密度與風(fēng)速、氧化還原電位、總磷、氨氮呈正相關(guān),與流速、硝氮、高錳酸鹽指數(shù)、正磷酸鹽、總氮等因子呈負(fù)相關(guān);微囊藻屬、平裂藻屬、色球藻屬等球狀藍(lán)藻密度與風(fēng)速、氧化還原電位、總磷呈正相關(guān),與總氮、氮磷比呈負(fù)相關(guān),與流速不呈顯著相關(guān)(P>0.05)。由圖3b可知,鄱陽(yáng)湖豐水期藍(lán)藻及水華藍(lán)藻生物量與風(fēng)速、總磷、氨氮、氧化還原電位呈正相關(guān)性,與總氮和氮磷比呈負(fù)相關(guān);微囊藻屬、平裂藻屬、色球藻屬等球狀藍(lán)藻與風(fēng)速、氧化還原電位、總磷呈正相關(guān)。

對(duì)鄱陽(yáng)湖豐水期水質(zhì)、風(fēng)速、流速與藻類(lèi)密度進(jìn)行Spearman相關(guān)性分析,結(jié)果見(jiàn)附表I,可知鄱陽(yáng)湖豐水期風(fēng)速與藻類(lèi)總密度、藍(lán)藻密度、硅藻密度、水華藍(lán)藻密度、微囊藻屬密度、平裂藻屬密度、色球藻屬密度、假魚(yú)腥藻密度呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與色球藻屬密度呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。流速與綠藻密度、長(zhǎng)孢藻屬密度呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),與顫藻屬呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),與其他藻類(lèi)不呈顯著相關(guān)。

對(duì)不同風(fēng)速范圍鄱陽(yáng)湖豐水期藍(lán)藻密度占比情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果見(jiàn)表4。當(dāng)風(fēng)速在1～5 m/s區(qū)間時(shí),各風(fēng)速區(qū)間藻類(lèi)和藍(lán)藻密度超過(guò)1×107cells/L的點(diǎn)位占比逐漸增大,超過(guò)5 m/s后逐漸減小。風(fēng)速在4～5 m/s區(qū)間時(shí),藻類(lèi)和藍(lán)藻密度超過(guò)1×107cells/L的點(diǎn)位占比最大,其次為5～6 m/s、3～4 m/s區(qū)間。

表4 鄱陽(yáng)湖2019-2021年豐水期不同風(fēng)速范圍藻類(lèi)與藍(lán)藻密度分布情況Tab.4 Density distribution of algae and cyanobacteria in Lake Poyang in different wind speed ranges during flood period from 2019 to 2021

RDA分析和Spearman相關(guān)分析結(jié)果表明,風(fēng)速與鄱陽(yáng)湖豐水期表層藍(lán)藻及主要水華藍(lán)藻密度呈顯著正相關(guān)性,風(fēng)速越大表層藍(lán)藻密度越高。對(duì)不同風(fēng)速范圍藻類(lèi)與藍(lán)藻密度分布情況的統(tǒng)計(jì)結(jié)果也表明,風(fēng)速在一定范圍內(nèi)升高,藍(lán)藻密度超過(guò)1×107cells/L的點(diǎn)位數(shù)占比也逐漸增高。李春華等的研究結(jié)果也顯示,太湖湖濱帶春夏季風(fēng)速與藻密度均呈顯著正相關(guān)[37]。其主要原因是:

一方面,豐水期水體溫度和營(yíng)養(yǎng)鹽濃度等水環(huán)境因子均適宜藍(lán)藻生長(zhǎng),風(fēng)場(chǎng)對(duì)水體施加剪切力造成水體上下混合、擾動(dòng)增大,低至中等強(qiáng)度的水體上下擾動(dòng)可以改善藻類(lèi)所處水環(huán)境中的位置和光能的均勻分布,引起光照輻射的改變,有利于藻類(lèi)光合作用和能量代謝[38-39]。

另一方面,風(fēng)場(chǎng)通過(guò)驅(qū)動(dòng)湖泊表層水體形成風(fēng)生流[40],引起水體表層流速變化對(duì)藻類(lèi)生長(zhǎng)產(chǎn)生影響。7月中旬至9月底的“湖相”期,在長(zhǎng)江頂托作用下,鄱陽(yáng)湖吞吐流變緩,開(kāi)闊湖面有利于風(fēng)生流的形成,流速流向受風(fēng)的影響相對(duì)明顯,明顯環(huán)流區(qū)面積可達(dá)600 km2,其中風(fēng)生環(huán)流比較明顯的區(qū)域?yàn)橹骱^(qū)和東部湖區(qū)。姚靜等對(duì)鄱陽(yáng)湖風(fēng)場(chǎng)影響水動(dòng)力的模擬研究結(jié)果表明,無(wú)論哪種風(fēng)向,3.03 m/s的定常風(fēng)模擬下,在湖區(qū)中部湖灣及中部西岸,風(fēng)生流速最大增幅為2.0～2.5 cm/s,其它大部分湖區(qū)流速變幅均在±0.5 cm/s以內(nèi)[35]。彭兆亮等對(duì)洪澤湖風(fēng)生流的模擬研究表明,湖面風(fēng)速為1 m/s時(shí),湖區(qū)表層水體平均流速為0.48 cm/s,4 m/s時(shí)上升到6.55 cm/s,6 m/s時(shí)上升到約16 cm/s,13 m/s時(shí)到76.4 cm/s[40]。鄱陽(yáng)湖2019-2021年豐水期平均風(fēng)速范圍在1.9～4.4 m/s之間,最大風(fēng)速8.8 m/s,僅考慮風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)生的風(fēng)生流速,水體表層流速應(yīng)在7 cm/s左右,最大不超過(guò)50 cm/s。實(shí)際觀測(cè)中,鄱陽(yáng)湖豐水期全湖流速均值在0.05～0.16 m/s之間,最大值為0.51 m/s,王婧等的研究也表明鄱陽(yáng)湖豐水期時(shí),入江水道平均流速在0.17～0.36 m/s之間,主湖區(qū)平均流速在0.17～0.25 m/s之間[29]。因此,鄱陽(yáng)湖豐水期風(fēng)場(chǎng)引起的風(fēng)生流對(duì)鄱陽(yáng)湖水體,尤其是主湖區(qū)和東部湖區(qū)水體,表層流速的貢獻(xiàn)較大。

張海涵等的研究表明流速低的水體適宜藍(lán)藻和綠藻生長(zhǎng),而硅藻適應(yīng)流速高的水體[39]。張毅敏等的室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)水體流速為0.3 m/s時(shí)藻類(lèi)的密度達(dá)到最高,超過(guò)該流速后藍(lán)藻密度逐漸下降[41]。藻類(lèi)生長(zhǎng)存在臨界流速,當(dāng)流速低于臨界流速時(shí)藻類(lèi)密度隨流速增大而升高,超過(guò)臨界流速時(shí)藻類(lèi)生長(zhǎng)受到抑制,銅綠微囊藻臨界流速為0.25～0.3 m/s之間,絲狀藻Lyngbyawollei完全覆蓋水面的流速小于0.1 m/s[39],項(xiàng)圈藻暴發(fā)水華的臨界流速為0.05 m/s[42]。綜合以上分析,鄱陽(yáng)湖2019-2021年豐水期大部分區(qū)域流速低于藍(lán)藻生長(zhǎng)臨界流速,此時(shí)風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)生的風(fēng)生流對(duì)藍(lán)藻生長(zhǎng)具有促進(jìn)作用。

3.2 風(fēng)向?qū)ωS水期表層藍(lán)藻密度的影響

鄱陽(yáng)湖豐水期風(fēng)向?qū)Ρ韺铀{(lán)藻密度的影響分析結(jié)果見(jiàn)圖4～6。由圖4可知,鄱陽(yáng)湖2019年豐水期(8月)藍(lán)藻密度最高的區(qū)域在東部湖區(qū)東岸,其次為主湖區(qū)中部。分區(qū)域來(lái)看,入江水道藍(lán)藻密度分布較為均勻,主湖區(qū)中部藍(lán)藻受主導(dǎo)風(fēng)向N、NE、SW、S影響在中部集中,東部湖區(qū)藍(lán)藻受SSW、W主導(dǎo)風(fēng)向影響在東岸堆積。

圖4 鄱陽(yáng)湖2019年豐水期(8月)藍(lán)藻密度空間分布分布與風(fēng)場(chǎng)對(duì)應(yīng)情況Fig.4 Cyanobacteria density spatial distribution and wind field correspondence in Lake Poyang in August 2019

由圖5可知,鄱陽(yáng)湖2020年豐水期(8月)入江水道、主湖區(qū)南部藍(lán)藻密度最高,其次為主湖區(qū)中部。分區(qū)域來(lái)看,入江水道藍(lán)藻密度由南向北逐漸降低,至長(zhǎng)江口處密度升高,藍(lán)藻密度受NE、E主導(dǎo)風(fēng)向影響下呈現(xiàn)西高東低的特征;主湖區(qū)藍(lán)藻密度在主導(dǎo)風(fēng)向N、NW的下風(fēng)向堆積,但考慮主湖區(qū)由南向北的水流驅(qū)動(dòng)力要大于風(fēng)速,此時(shí)藍(lán)藻分布受風(fēng)速的影響可能較小;東部湖區(qū)藍(lán)藻密度分布特征為東高西低,受風(fēng)速影響不明顯。

圖5 鄱陽(yáng)湖2020年豐水期(8月)藍(lán)藻密度分布與風(fēng)場(chǎng)對(duì)應(yīng)情況Fig.5 Cyanobacteria density spatial distribution and wind field correspondence in Lake Poyang in August 2020

由圖6可知,鄱陽(yáng)湖2021年豐水期(8月)主湖區(qū)西南區(qū)域、東部湖區(qū)東部區(qū)域藍(lán)藻密度最高,分區(qū)域來(lái)看,入江水道藍(lán)藻密度空間分布特征為南高北低,主湖區(qū)藍(lán)藻密度呈現(xiàn)西南區(qū)域高、其他區(qū)域低的特點(diǎn),與主導(dǎo)風(fēng)向SSW、S、SE下風(fēng)向區(qū)域堆積的規(guī)律不一致。

圖6 鄱陽(yáng)湖2021年豐水期(8月)藍(lán)藻密度空間分布與風(fēng)場(chǎng)情況Fig.6 Cyanobacteria density spatial distribution and wind field correspondence in Lake Poyang in August 2021

鄱陽(yáng)湖2019-2021年豐水期表層藍(lán)藻空間分布分析結(jié)果表明,湖區(qū)表層藍(lán)藻密度的空間分布與風(fēng)向作用并不完全一致,也即藍(lán)藻并不總是在主導(dǎo)風(fēng)向的下風(fēng)向聚集。具體來(lái)看,2019年?yáng)|部湖區(qū)藍(lán)藻空間分布與風(fēng)場(chǎng)具有一致性,在主導(dǎo)風(fēng)向的下風(fēng)向東岸聚集,可能與2019年豐水期流速低、風(fēng)速較低有關(guān),2019年?yáng)|部湖區(qū)平均風(fēng)速為1.6 m/s。而太湖的研究表明,當(dāng)風(fēng)速低于臨界風(fēng)速(3～4 m/s)時(shí),水體表面藻類(lèi)順著風(fēng)向迅速向迎風(fēng)岸邊漂移,形成藻類(lèi)大量堆積。當(dāng)風(fēng)速超過(guò)臨界風(fēng)速時(shí),藍(lán)藻受強(qiáng)烈的紊流作用而難以上浮、已經(jīng)上浮的受到擾動(dòng)混合而在垂向較為均勻分布[23, 43],因此該時(shí)期風(fēng)速有利于藍(lán)藻在流速較緩的東部湖區(qū)沿主導(dǎo)風(fēng)向的下風(fēng)向聚集,導(dǎo)致表層藍(lán)藻密度較高。2020年豐水期入江水道和主湖區(qū)表層藍(lán)藻密度與風(fēng)場(chǎng)的一致性較好,入江水道和主湖區(qū)表層藍(lán)藻由南向北依次從高到低分布,在主導(dǎo)風(fēng)向的下風(fēng)向聚集。但經(jīng)過(guò)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),2020年南昌市贛江和撫河發(fā)生嚴(yán)重的藍(lán)藻水華,實(shí)地觀測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)采集的藻類(lèi)數(shù)據(jù)表明,入江水道南部贛江主支入湖口處水柱中藍(lán)藻顆粒肉眼可見(jiàn),表層藍(lán)藻密度達(dá)到1.37×107cells/L;主湖區(qū)西南部贛江南支、撫河入湖口處表層藍(lán)藻密度分別為1.96×107、2.18×107cells/L。同時(shí),2020年鄱陽(yáng)湖豐水期入江水道與主湖區(qū)風(fēng)速均值分別為4.7、3.0 m/s,超過(guò)藍(lán)藻隨風(fēng)向遷移堆積的臨界風(fēng)速,藍(lán)藻趨向于在水柱中垂向均勻混合。因此,2020年鄱陽(yáng)湖豐水期入江水道和主湖區(qū)表層藍(lán)藻密度分布主要是受流場(chǎng)影響,沿由南向北流向依次由高向低分布,受風(fēng)向的影響較小。2021年豐水期表層藍(lán)藻密度與風(fēng)向的一致性不強(qiáng),此時(shí)期流速均值在0.09～0.28 m/s,風(fēng)速均值在4.1～5.7 m/s,在該風(fēng)速范圍內(nèi)表層藍(lán)藻密度在水柱中垂向均勻混合,并沿著流場(chǎng)方向向下游由高到低分布。

綜合本小節(jié)分析可以發(fā)現(xiàn),在流速較高的區(qū)域,無(wú)論風(fēng)速高于還是低于臨界風(fēng)速(3～4 m/s),鄱陽(yáng)湖表層藍(lán)藻密度的空間分布受流場(chǎng)的影響更大;在流速較低的區(qū)域,風(fēng)速在臨界風(fēng)速以下時(shí),鄱陽(yáng)湖表層藍(lán)藻密度的空間分布受風(fēng)場(chǎng)影響更大。

3.3 風(fēng)場(chǎng)對(duì)豐水期藍(lán)藻水華的影響

余茂蕾等的研究結(jié)果表明,風(fēng)場(chǎng)對(duì)太湖表層水體藍(lán)藻水華的空間分布具有決定性影響,較高的風(fēng)速能夠引起藍(lán)藻水華在空間上較高的一致性[44],當(dāng)風(fēng)速低于臨界風(fēng)速(3～4 m/s)時(shí),易發(fā)生藍(lán)藻水華,當(dāng)風(fēng)速超過(guò)臨界風(fēng)速時(shí),藍(lán)藻水華現(xiàn)象消失[23, 43],Wu等的研究則表明太湖藍(lán)藻水華消失的臨界風(fēng)速(流速)為6 m/s(0.057 m/s),此時(shí)上層和下層葉綠素濃度比值接近1,水體藍(lán)藻充分混合[45]。風(fēng)速是滇池藍(lán)藻水華暴發(fā)的主要決定因素之一[46],在具備藍(lán)藻水華發(fā)生所需營(yíng)養(yǎng)鹽條件下,滇池藍(lán)藻水華發(fā)生頻率高低與風(fēng)速關(guān)系最為密切[24]。對(duì)巢湖而言,在營(yíng)養(yǎng)鹽充足且溫度較為適宜的季節(jié),風(fēng)速和風(fēng)向是巢湖藍(lán)藻水華預(yù)警的重要因子[25]。胡旻琪等對(duì)2016年巢湖藍(lán)藻水華的研究結(jié)果表明,當(dāng)風(fēng)速高于3 m/s時(shí),風(fēng)浪作用使得水體發(fā)生擾動(dòng),藻類(lèi)在湖中的水平及垂直分布趨于均一,不再出現(xiàn)藻類(lèi)聚積現(xiàn)象,從而抑制了水華的形成[47]。

本文盡管未對(duì)觀測(cè)期內(nèi)的藍(lán)藻水華分布區(qū)域和面積作詳細(xì)調(diào)查,但結(jié)合野外實(shí)地觀測(cè)和文獻(xiàn)結(jié)果,鄱陽(yáng)湖豐水期藍(lán)藻水華主要集中在流速較小的內(nèi)灣、尾閭區(qū)、部分碟形湖及都昌附近水域[4,7-8]。鄱陽(yáng)湖2019年豐水期風(fēng)速均值較低,處于有利于藍(lán)藻形成水華的風(fēng)速范圍內(nèi),但現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研僅在局部庫(kù)灣發(fā)現(xiàn)有藍(lán)藻堆積,主要原因可能是2019年豐水期表層流速范圍在0.02～0.36 m/s之間,均值為0.16 m/s,大部分區(qū)域流速均超過(guò)藍(lán)藻水華消失的流速臨界值(0.057 m/s),因此,在全湖藍(lán)藻密度達(dá)到水華級(jí)別且風(fēng)速處在適宜形成水華的區(qū)間內(nèi),并未發(fā)生大面積的藍(lán)藻水華。2020年鄱陽(yáng)湖豐水期因長(zhǎng)江頂托全湖流速處于較低水平,流速范圍在0～0.28 m/s之間,均值為0.05 m/s,東部湖區(qū)小于0.05 m/s,但風(fēng)速均值在2.6～4 m/s之間,接近藍(lán)藻水華消失的臨界風(fēng)速,故也未發(fā)生較大面積的藍(lán)藻水華。2021年鄱陽(yáng)湖豐水期流速和風(fēng)速均處于高位,流速均值在0.09～0.28 m/s之間,均值為0.14 m/s,風(fēng)速均值在4.1～5.7 m/s之間,均值為4.4 m/s,兩者均已超過(guò)藍(lán)藻水華暴發(fā)的臨界值,因此在全湖藍(lán)藻密度達(dá)到水華級(jí)別的背景下也未發(fā)生大面積的藍(lán)藻水華。上述分析結(jié)果提示,當(dāng)鄱陽(yáng)湖豐水期水體處于長(zhǎng)江頂托的低流速且微風(fēng)條件下時(shí),鄱陽(yáng)湖發(fā)生大面積藍(lán)藻水華的概率可能明顯上升。

4 結(jié)論

1)2019-2021年鄱陽(yáng)湖豐水期風(fēng)速與表層藍(lán)藻密度呈顯著正相關(guān),風(fēng)速越大表層藍(lán)藻密度越高,風(fēng)速在1～5 m/s之間時(shí),藍(lán)藻密度超過(guò)1×107cells/L的點(diǎn)位占比隨風(fēng)速的增大而逐漸升高,風(fēng)場(chǎng)對(duì)水體的充分混合及驅(qū)動(dòng)水體形成的風(fēng)生流是促進(jìn)藍(lán)藻生長(zhǎng)的原因之一。由于野外實(shí)際觀測(cè)條件限制,本研究觀測(cè)期內(nèi)獲取的鄱陽(yáng)湖最大風(fēng)速為8.8 m/s,缺乏大風(fēng)速(>8.8 m/s)條件下鄱陽(yáng)湖表層藍(lán)藻密度的原位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),因此大風(fēng)速條件下風(fēng)場(chǎng)對(duì)表層藍(lán)藻密度的影響情況尚有待進(jìn)一步闡明。

2)2019-2021年鄱陽(yáng)湖豐水期流速較高(>0.05 m/s)的區(qū)域,無(wú)論風(fēng)速高于還是低于臨界風(fēng)速(3～4 m/s),鄱陽(yáng)湖表層藍(lán)藻密度的空間分布受流場(chǎng)的影響更大;流速較低(<0.05 m/s)的區(qū)域,風(fēng)速低于臨界風(fēng)速以下時(shí)鄱陽(yáng)湖表層藍(lán)藻密度的空間分布受風(fēng)場(chǎng)影響更大。

3)2019-2021年鄱陽(yáng)湖豐水期藍(lán)藻密度超過(guò)水華暴發(fā)的閾值,但在高風(fēng)速高流速的共同作用下未能發(fā)生大面積的藍(lán)藻水華,僅能在風(fēng)速適宜(<3～4 m/s)、流速較低(<0.05 m/s)的內(nèi)灣、尾閭區(qū)等區(qū)域發(fā)生小面積的藍(lán)藻水華。鄱陽(yáng)湖豐水期水體處于長(zhǎng)江頂托的低流速且微風(fēng)條件下時(shí),發(fā)生大面積藍(lán)藻水華的概率可能明顯上升。

5 附錄

附圖Ⅰ、Ⅱ和附表Ⅰ見(jiàn)電子版(DOI: 10.18307/2024.0213)。