三峽水庫大寧河春季水華藻類分布及影響因子

洪尚波,吳光應(yīng),萬 丹,付道林

(重慶市巫山縣環(huán)境監(jiān)測(cè)站,重慶 404700)

大寧河發(fā)源于陜西省平利縣的中南山,流經(jīng)巫溪、巫山縣之間的云崖險(xiǎn)峰,注入巫峽西口的長(zhǎng)江,在巫山縣境內(nèi)的流域面積為343.5km2[1],是三峽水庫一級(jí)支流。三峽水庫正式運(yùn)行以來,最高水位已達(dá)到172m,大寧河下游約50km成為庫灣區(qū),在長(zhǎng)江干流對(duì)其的頂托作用下,水流非常緩慢,滯留時(shí)間長(zhǎng),易形成富營(yíng)養(yǎng)化并在適宜條件下暴發(fā)水華。2010年3月中旬,大寧河回水區(qū)部分水域發(fā)生水華,水華表觀為醬油色,在數(shù)個(gè)河段呈片狀分布。筆者分析了此次水華期間浮游藻類的群落組成與時(shí)空分布特征,并探討其影響因素,以期為三峽庫區(qū)支流的水華預(yù)警預(yù)報(bào)與控制工作提供參考依據(jù)。

1 調(diào)查范圍與研究方法

1.1 調(diào)查范圍

根據(jù)大寧河流域的水文地質(zhì)特征及此次水華暴發(fā)情況,選取調(diào)查點(diǎn)位(圖1):A點(diǎn)位于此次水華區(qū)域上游;B、D點(diǎn)均位于一個(gè)很大的庫灣;C點(diǎn)位于一個(gè)長(zhǎng)約2 km的峽谷;E點(diǎn)位于大寧河在長(zhǎng)江的入口。每個(gè)采樣斷面分水深0.5m、2.0m、5.0m采樣,在整個(gè)水華期間每2d采樣1次。取B、C、D、E點(diǎn)的均值分析當(dāng)日水華發(fā)展的總體情況;取水深0.5m處的數(shù)據(jù)作為水體表層數(shù)據(jù)。

圖1 采樣點(diǎn)示意圖

1.2 分析方法

水質(zhì)理化監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括TN 、TP、NH3-N、CODMn、DO 、Chl-a、SD、pH 、水溫 T、濁度(NTU)和電導(dǎo)率等 11項(xiàng)。采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測(cè)定ρ(TN);采用鉬酸銨分光光度法測(cè)定ρ(TP);采用納氏試劑分光光度法測(cè)定ρ(NH3-N);酸性高錳酸鉀法測(cè)定 ρ(CODMn)。為了控制測(cè)定的準(zhǔn)確性,在TN、TP、NH3-N和CODMn分析時(shí),每 10個(gè)測(cè)定樣品用標(biāo)準(zhǔn)樣品校驗(yàn)。另采用10%的平行樣分析來控制實(shí)驗(yàn)的精密度。具體分析方法參見文獻(xiàn)[2]。

藻類的分類、計(jì)數(shù)采用光學(xué)鏡檢法,用長(zhǎng)條計(jì)數(shù)法計(jì)數(shù)[2-3];Chl-a、DO、濁度采用便攜式多參數(shù)水質(zhì)測(cè)定儀(DS5X)測(cè)定;水體流速、流量、河寬、水深等水文參數(shù)用多普勒測(cè)流剖面儀(YCN-RC3025)測(cè)定;數(shù)據(jù)相關(guān)性及主成分分析采用SPSS17.0統(tǒng)計(jì)軟件處理[4-6]。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 水體環(huán)境因子

2.1.1 水環(huán)境概況

此次水華暴發(fā)正值三峽水庫放水期間,2010年3月12—3月16日,長(zhǎng)江巫山段水位以平均0.13m/d的速度下降,大寧河回水區(qū)域的水體流速為0.00～0.02m/s。水華集中在B、C、D、E點(diǎn)位所在區(qū)域。水華區(qū)域環(huán)境因子數(shù)值見表1。水華期間,調(diào)查區(qū)域的水溫保持在13℃左右,其日間 ρ(DO)為7.63～12.23mg/L,pH值在8.17～9.22,水體偏弱堿性。3月12日,ρ(Chl-a)平均值為 18.80mg/m3;3月14日為32.06mg/m3,最大值達(dá)到111.97mg/m3;3月16日為11.71 mg/m3,趨于同期正常水平。水華區(qū)域ρ(TN)為 1.198～3.862 mg/L,日均值分別為1.667mg/L、1.781mg/L 、1.663mg/L;ρ(TP)為 0.027～0.499mg/L,日均值分別為 0.141mg/L、0.163mg/L、0.081mg/L;ρ(CODMn)為 1.38 ～ 4.65mg/L,日均值分別為3.08mg/L,2.28mg/L,2.44mg/L。水華期間,環(huán)境因子Chl-a、TN、TP隨水華過程的進(jìn)行表現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律。

2.1.2 水體分層比較

此次水華期間,水體表層處(0.5m)的pH值最大,水深增大,pH 值變小(圖2)。分析Chl-a、TN、TP在水體0.5m、2m、5m水層的垂向變化(圖2),在 3月12日水華早期,Chl-a、TN、TP均在2m水層出現(xiàn)最大值,3月14日水華中期Chl-a、TN、TP最大值皆出現(xiàn)在0.5m水層,表明在水華前期和中期,Chl-a、TN、TP隨水深變化有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。其最大值所在水層的改變,表明藻類有向適宜環(huán)境大量遷移的習(xí)性,而3月14日Chl-a、TN、TP在0.5m 水層出現(xiàn)最大值,推測(cè)是當(dāng)日天降小雨,藻類向水體表層遷移所至。3月16日水華后期,Chl-a最大值出現(xiàn)在2m水層,而氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽被此水層藻類大量消耗掉,使得TN、TP在此處出現(xiàn)最小值。

表1 大寧河春季水華期間水華區(qū)域主要物理化學(xué)參數(shù)

圖2 不同水層 pH 值、ρ(Chl-a)、ρ(TN)、ρ(TP)變化

2.2 浮游藻類的種類組成

此次春季水華期間,共鑒定浮游藻類7門24屬,其中綠藻門10屬,硅藻門8屬,藍(lán)藻門2屬,其余甲藻門、隱藻門、裸藻門、黃藻門各1屬。常見的檢出種類有甲藻門的擬多甲藻,綠藻門的衣藻、小球藻,藍(lán)藻門的色球藻以及硅藻門的顆粒直鏈藻。由圖3可知,浮游藻類以甲藻和綠藻為主,共占到藻類數(shù)量的77%:其中第一優(yōu)勢(shì)種類為擬多甲藻,占38%,其次為小球藻,占19%,衣藻占12%以及其他。

圖3 大寧河春季水華期間藻類組成結(jié)構(gòu)

對(duì)比分析3月12日、14日、16日各采樣點(diǎn)的藻類密度(圖4),3月12日,5個(gè)采樣點(diǎn)藻密度范圍2.44×105～50.35×105個(gè)/L第一優(yōu)勢(shì)種擬多甲藻在5個(gè)采樣點(diǎn)的密度分別為0.35×105、5.15×105、1.55×105個(gè)/L、21.55×105個(gè)/L、3.45×105個(gè)/L,在總浮游藻類中所占比重為 5.51%、30.12%、6.35%、42.80%、12.26%,水體中藻類整體豐度并不高,但B、D兩點(diǎn)擬多甲藻的種群優(yōu)勢(shì)明顯,都超過了30%。3月14日,各樣點(diǎn)藻密度范圍26.6×105～153×105個(gè)s/L,第一優(yōu)勢(shì)種的擬多甲藻在5個(gè)采樣點(diǎn)的密度分別為2.15×105個(gè)/L、23.55×105個(gè)/L、99.35×105個(gè)/L、84.25×105個(gè)/L、60.9×105個(gè)/L,在總浮游藻類中所占比重為8.08%、40.50%、64.93%、71.58%、50.25%,A點(diǎn)藻類總密度有所增大,但甲藻比重仍低于10%,水華區(qū)域 B、C、D、E點(diǎn)藻類瘋狂生長(zhǎng),尤以C點(diǎn)為最。水華區(qū)域擬多甲藻獲得絕對(duì)種群優(yōu)勢(shì)。其比重平均占到56.82%。3月16日,5個(gè)采樣點(diǎn)藻密度變化范圍為20.01×105～47.8×105個(gè)/L,作為第一優(yōu)勢(shì)種的擬多甲藻在5個(gè)樣點(diǎn)的密度分別為0.55×105個(gè)/L、6.55×105個(gè)/L、16.35×105個(gè)/L、4.95×105個(gè)/L、3.1×105個(gè)/L,在浮游藻類中所占比例為2.74%、14.60%、34.21%、16.98%、7.48%,比重整體下降,擬多甲藻僅在C點(diǎn)仍保持著種群優(yōu)勢(shì),表明C點(diǎn)的峽谷地帶的水華持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)一點(diǎn)。

2.3 藻類生長(zhǎng)分布特點(diǎn)及其影響因素

2.3.1 水華過程氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽變化

此次水華第一優(yōu)勢(shì)種為擬多甲藻,其生物量在總浮游藻類中所占百分比以及各調(diào)查點(diǎn)氮磷比值見圖5。3月14日,在水華區(qū)域的B、C、D、E點(diǎn)擬多甲藻種群優(yōu)勢(shì)最為明顯,其所占比值均在40%以上,此時(shí)氮磷比為水華期間最小,其值均小于10。在水華后期,氮磷比迅速變大,除水華消退較慢的C點(diǎn)外其余各調(diào)查點(diǎn)氮磷比值均在20以上。以上表明,擬多甲藻水華的暴發(fā)會(huì)降低水體氮磷比,而隨著該水華的消退,水體氮磷比會(huì)較迅速的恢復(fù)到一個(gè)較高的水平。

2.3.2 種類多樣性指數(shù)與均勻度指數(shù)

圖4 大寧河春季水華期間各調(diào)查點(diǎn)藻類分布

圖5 大寧河春季水華中氮磷比及優(yōu)勢(shì)種比重變化

Shannon-Weaver種類多樣性指數(shù)(H′)是對(duì)浮游植物群落物種數(shù)敏感的指數(shù),對(duì)浮游植物群落多樣性有較好的解釋。其值越大,表明其群落結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,穩(wěn)定性越大,水質(zhì)越好;Pielou均勻度指數(shù)(J)可以很好地應(yīng)用于浮游植物群落多樣性分析中,分別按下式計(jì)算[8-9]

式中:S為生物種類數(shù);ni為i種的個(gè)體數(shù);N為總個(gè)體數(shù)。

圖6 大寧河春季水分結(jié)期間各調(diào)查點(diǎn)生物多樣性指數(shù)、生物均勻度指數(shù)

由圖6可見,整個(gè)水華期間各采樣點(diǎn)H′值和J值分別為 1.6387～ 3.1165、0.4731～0.8524,采用SPSS17.0軟件對(duì)H′和J進(jìn)行檢驗(yàn),在0.01水平上顯著相關(guān)。根據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[9-10],有86.7%的樣點(diǎn)屬于中污染。(H′＞3,輕或無污染;H=1～3,中污染;H=0～1,重污染。)分析該次水華不同時(shí)期的浮游藻類情況,處于水華區(qū)域的B、C、D、E點(diǎn),在水華中期(3月14日)H′值和J值均顯著低于水華前期(3月12日)和水華后期(3月16日)。對(duì)比各采樣點(diǎn)情況,A、E兩點(diǎn) H′和J處于較高水平,其中A點(diǎn)位于水華區(qū)域上游的巴霧峽口,E點(diǎn)位于大寧河的入江口,A點(diǎn)未發(fā)生水華,調(diào)查期間葉綠素a均值為2.96(1.92～4.40)mg/m3,E點(diǎn)水華比較嚴(yán)重,葉綠素a均值為42.51(6.30～11.97)mg/m3。以上表明,水華的暴發(fā)會(huì)使得浮游藻類的群落結(jié)構(gòu)變得不穩(wěn)定,且該群落會(huì)自發(fā)向穩(wěn)定群落結(jié)構(gòu)發(fā)展;而江河匯口區(qū)域較強(qiáng)的水體紊流效應(yīng),會(huì)使得該區(qū)域的浮游藻類特征異于其它水華區(qū)域,表現(xiàn)出較好的群落穩(wěn)定性和生物均勻性;水華后期,整個(gè)區(qū)域的浮游藻類結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差異會(huì)變小。

Chl-a和H′是對(duì)浮游藻類生物量和群落穩(wěn)定性的分別表征[10],大寧河3月中旬水華前中后期,Chl-a和H′與各環(huán)境因子相關(guān)性見表2。前期和中期,Chl-a和H′呈負(fù)相關(guān);后期Chl-a和H′呈正相關(guān)?？梢娫谒A的前、中期,浮游藻類生物量的增大會(huì)使其群落越來越不穩(wěn)定,而在水華后期,生物量的增大卻可以增加其群落穩(wěn)定性。

分析Chl-a與其他環(huán)境因子的相關(guān)性可知,在水華中期,ρ(Chl-a)和 ρ(TN)、ρ(TP)呈高度正相關(guān),其相關(guān)系數(shù)分別為0.857、0.910(p＜0.01),該時(shí)期氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽是影響浮游藻類生物量的關(guān)鍵因子,而在水華后期其相關(guān)性變得不明顯(相關(guān)系數(shù)分別為0.132、0.086)。水華中期,Chl-a和氮磷比值呈負(fù)相關(guān)(-0.637;p＜0.05)。Chl-a與NTU在水華前、中期顯著正相關(guān)(0.939、0.840;p＜0.01),在水華后期相關(guān)性不明顯(0.111),說明在浮游藻類瘋長(zhǎng)聚集時(shí),藻類生物量是影響水體濁度的主要因素。在水華中期,ρ(Chl-a)與 ρ(DO)、pH、電導(dǎo)率的相關(guān)性也變得顯著起來(表2),分析可知浮游藻類生物量的增加會(huì)使得水中DO和pH值的增大,而電導(dǎo)率會(huì)變小。

分析H′與其他環(huán)境因子的相關(guān)性可知,在水華前期 H′與ρ(TP)呈高度負(fù)相關(guān)(-0.848;p＜0.01),與氮磷比呈高度正相關(guān)(0.816;p＜0.01),說明磷營(yíng)養(yǎng)鹽的富集增多會(huì)使浮游生物群落變得不穩(wěn)定,是藻類瘋長(zhǎng)的表征。此外的環(huán)境因子與H′相關(guān)性均不顯著,表明浮游生物群落穩(wěn)定性受各環(huán)境因子的影響很復(fù)雜,是一個(gè)相互影響的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。

表2 大寧河春季水華期間水體特征因子與Chl-a、H′相關(guān)性分析結(jié)果

表3 水體特征因子主成分分析

2.3.4 主成分分析

此次水華區(qū)域水生態(tài)環(huán)境特征指標(biāo)的主成分分析結(jié)果見表3。水華前、中、后期前3個(gè)主成分分量的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率均超過80%,滿足生態(tài)環(huán)境分析的需要[10]。水華前、中期第1主成分中反映信息基本相同,氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽是藻類生長(zhǎng)的物質(zhì)基礎(chǔ),Chl-a指標(biāo)反映藻類生物量,藻類大量增殖聚集會(huì)導(dǎo)致水體濁度增大,而DO、pH是和藻類生物量相互影響的因子。水華前期第2主成分反映了 T、DO、電導(dǎo)率和pH的信息,水華中期,CODMN是決定第2主成分的主要因子。水華后期,第一主成分反映的信息改變,主要體現(xiàn)了 T 、DO、pH、CODMN和濁度的信息,營(yíng)養(yǎng)鹽指標(biāo)TN、TP與Chl-a成為決定第2主成分的主要因子,第三主成分的主要因子為Chl-a?？梢?在1次水華過程中,水環(huán)境特征的主要影響因子會(huì)從營(yíng)養(yǎng)鹽因子TN、TP向水環(huán)境狀態(tài)因子水溫、DO、pH等轉(zhuǎn)變。

3 結(jié) 語

a.大寧河2010年3月中旬水華暴發(fā)區(qū)域主要為B、C、D、E調(diào)查點(diǎn)所在區(qū)域,峽谷地帶的C點(diǎn)區(qū)域,其持續(xù)時(shí)間更久。此次水華中,河口區(qū)域E點(diǎn)亦發(fā)生水華,且浮游藻類表現(xiàn)出比其他幾處更好的群落穩(wěn)定性和生物均勻性。

b.此次水華的前、中期,浮游藻類的群落穩(wěn)定性隨生物量的增大而降低;而在水華后期則隨其增大而增加。在水華過程中,水生態(tài)環(huán)境特征的主要影響因子會(huì)發(fā)生變化,水華前、中期為營(yíng)養(yǎng)鹽因子TN、TP,水華后期變化為水環(huán)境狀態(tài)因子水溫、DO、pH等。

c.通過對(duì)水華期間樣品的定量分析,共鑒定浮游藻類共7門24屬,主要為綠藻和甲藻。第一優(yōu)勢(shì)種為擬多甲藻,占到總藻類的38%,其次為小球藻和衣藻。在水華期間觀察到藻類群體垂直遷移的現(xiàn)象,可能是光照改變,而藻類具有趨光性所致。

d.擬多甲藻水華的暴發(fā)會(huì)降低水體氮磷比,而隨著該水華的消退,水體氮磷比會(huì)比較迅速地恢復(fù)到一個(gè)較高的水平。在水華前期,總磷與浮游藻類群落穩(wěn)定性會(huì)呈現(xiàn)高度負(fù)相關(guān),在中、后期其相關(guān)性減弱,高水平的磷營(yíng)養(yǎng)鹽會(huì)使得藻類群落穩(wěn)定性降低。

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