新安江水庫(千島湖)湖泊區(qū)夏季熱分層期間垂向理化及浮游植物特征*

吳志旭，劉明亮，蘭 佳，何劍波，虞左明

(1：淳安縣環(huán)境保護監(jiān)測站，杭州311700)

(2：杭州市環(huán)境保護科學研究院，杭州310014)

新安江水庫(千島湖)湖泊區(qū)夏季熱分層期間垂向理化及浮游植物特征*

吳志旭1，劉明亮2，蘭 佳1，何劍波2，虞左明2

(1：淳安縣環(huán)境保護監(jiān)測站，杭州311700)

(2：杭州市環(huán)境保護科學研究院，杭州310014)

2010年7月對亞熱帶特大型水庫——新安江水庫湖泊區(qū)水體的垂向物理、化學參數(shù)以及浮游植物群落進行了觀測研究，并應用Water-PAM對水體浮游植物垂向光合作用參數(shù)進行了測定.研究結果表明：夏季該水庫湖泊區(qū)在水下10～20 m處形成明顯的溫躍層，垂向pH值、溶解氧及濁度的變化同葉綠素a濃度呈現(xiàn)高度一致;夏季浮游植物群落以硅藻占絕對優(yōu)勢，水體表層以梅尼小環(huán)藻(Cyclotella meneghiniana)為主，表層以下其它各層均以巴豆葉脆桿藻(Fragilaria crotonensis)為絕對優(yōu)勢種，垂向分布表現(xiàn)為5～10 m區(qū)間為浮游植物高密度區(qū)域，溫躍層以下浮游植物密度顯著下降，水溫分層可能是決定浮游植物垂向分布的重要因素之一.浮游植物最大光合效率從表層向下層逐步降低，實際光合效率最大值出現(xiàn)在垂向10 m區(qū)域.

新安江水庫(千島湖);浮游植物;垂向分布;Water-PAM;湖泊區(qū)

新安江水庫(又名千島湖)位于浙江省西部與安徽省南部交界的淳安縣境內(29°22'～29°50'N，118°34'～119°15'E)，為1959年新安江水電站大壩建成蓄水后所形成的特大山谷型深水水庫.大壩以上控制流域面積為10442 km2，其中60%位于安徽省境內，40%位于浙江省境內.該水庫是一個集旅游、航運、水力發(fā)電、水資源供應和漁業(yè)生產(chǎn)等多功能于一體的特大型水庫，其巨大的水資源量對本地區(qū)以及長三角的經(jīng)濟和社會發(fā)展具有極其重要的影響.近年來，隨著庫區(qū)及上游流域社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展和資源的不合理利用，水庫的污染負荷也相應增加，水體營養(yǎng)狀況發(fā)生了顯著變化，出現(xiàn)了明顯的富營養(yǎng)化加速跡象，因此有關該水庫的水體理化特征及其浮游生物狀況一直受到廣泛關注［1-2］.

作為世界水壩大國和水資源相對匱乏的國家，如何保護好河流生態(tài)系統(tǒng)，在水利能源開發(fā)的同時保護庫區(qū)及河流水體生態(tài)系統(tǒng)健康已成為我國水環(huán)境科技工作者面臨的嚴峻挑戰(zhàn)［3-4］.很多省份水庫已成為主要的供水水源，水庫功能由發(fā)電、防洪轉向供水也已成為世界性的趨勢［5］.目前對水溫分層水庫浮游生物研究尚處在起步階段，對水溫分層水庫富營養(yǎng)化及“水華”發(fā)生機制研究主要集中在浮游植物隨時間和水庫不同生態(tài)特征區(qū)之間的變化［6-7］，缺乏對浮游植物群落垂直分布規(guī)律的研究，尤其是缺乏對藻類光合作用過程中一些重要生理學參數(shù)的測定.因此，研究特大型熱分層水庫垂向理化指標和浮游植物特征，對揭示熱分層水庫水生生態(tài)系統(tǒng)結構具有非常重要的科學意義.本文以新安江水庫湖泊區(qū)為研究對象，對其夏季垂向的理化指標、浮游植物和光合活性進行監(jiān)測，探討夏季浮游植物的垂向分布特征和影響因子，為科學保護新安江水庫水生態(tài)安全和飲用水安全提供科學依據(jù)，同時也為我國水庫生態(tài)學研究積累重要的基礎資料.

1 研究對象概況

新安江水庫為山谷型水庫，呈分枝狀態(tài)［8］，從大壩至新安江入口縱長150 km，水面最寬處約50 km，岸線總長度1406 km;水庫水面面積在水位達到正常蓄水水位108 m時為580 km2，正常蓄水水位庫容178.4×108m3，平均水深31 m.新安江流域位于亞熱帶北緣、東南沿海季風區(qū)，氣候溫暖，雨量充沛，年平均氣溫16.90℃.新安江水庫大壩前湖泊區(qū)垂直水溫屬單對流型，春季、夏季、秋季形成穩(wěn)定的熱分層，冬季無分層現(xiàn)象.

2 研究方法

2.1 水樣的采集與處理

2010年7月，在新安江水庫湖泊區(qū)大壩前(29°30'36″N，119°12'37″E)觀測點采用Hondex便攜式數(shù)字聲納深度計測定水深;用塞氏圓盤法現(xiàn)場測定水體透明度;水溫、溶解氧采用YSI-52型溶解氧測定儀現(xiàn)場測定;于距水面0.5、5、10、20、30、40、50、60、80 m 處，用3 ×5 L 柱狀采水器分別采集水樣;理化項目分析4 h 內在實驗室完成，分析方法按照《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第四版)［9］;采用分光光度法測定水樣葉綠素a濃度;用Water-PAM現(xiàn)場測定浮游植物光合作用參數(shù)［10］.

2.2 垂直方向連續(xù)數(shù)據(jù)獲取

對于垂直水體的溫度、電導率、深度、溶解氧(DO)、濁度、葉綠素 a(Chl.a)、CDOM、光合有效輻射(PAR)、透射率等連續(xù)數(shù)據(jù)采用加拿大RBR公司的XRX-620快速多參數(shù)水質剖面儀測定.

2.3 浮游植物樣品的采集與分析

定性樣品采集使用25#浮游生物網(wǎng)，在水面下0.5 m深處作“∞”字型緩慢繞動數(shù)分鐘，帶回實驗室置于生物顯微鏡下，10×40倍觀察，進行種屬鑒定;定量樣品各層取2.5 L水樣，現(xiàn)場用魯哥氏劑固定，帶回實驗室沉淀濃縮至30 ml，用顯微鏡分類計數(shù);浮游植物物種鑒定和計數(shù)等參考《中國淡水藻類》［11］.

3 結果與討論

3.1 水體物理化學指標的垂向變化

2010年夏季監(jiān)測到湖泊區(qū)存在明顯的水溫和物理化學指標分層現(xiàn)象(圖1).在10～20 m處形成溫躍層，表層和底層水溫相差20℃(圖1a).垂向水體溶解氧6.6 m處出現(xiàn)峰值，達到12.54 mg/L，在11 m處出現(xiàn)低值，僅為6.02 mg/L，8 m以上區(qū)域溶解氧均處在過飽和狀態(tài)，這可能與光合有效輻射和浮游植物濃度有關，8 m以上葉綠素a濃度含量較高，且PAR強度也較強，光合作用大于呼吸作用;11 m處PAR強度基本為零，葉綠素a濃度依然較高，呼吸作用占主導作用，因此會在6～11 m形成溶解氧濃度快速下降的趨勢.湖泊區(qū)夏季藻類密度峰值并不是出現(xiàn)在表層，而是出現(xiàn)在6 m的區(qū)域，葉綠素a濃度達到7.66 μg/L，遠高于表層1.0 μg/L水平.中午光照最強時，浮游植物初級生產(chǎn)力占一天累積總量的份額也最大，但就表層水體而言，經(jīng)常會出現(xiàn)光抑制現(xiàn)象，最大初級生產(chǎn)力一般出現(xiàn)在表層以下的水層，張運林等［12］在室內模擬得到的強光作用下初級生產(chǎn)力最大值出現(xiàn)在0.2 m.

圖1 2010年7月新安江水庫湖泊區(qū)觀測點垂向水溫(a)、溶解氧(b)、pH(c)、PAR(d)、濁度(e)和葉綠素a(f)變化曲線Fig.1 Verical profile of water temperature(a)，DO(b)，pH(c)，PAR(d)，Turbidity(e)and Chl.a(f)of lacustrine zone of Xin'anjiang Reservoir in July of 2010

垂向水體的pH值變化同葉綠素a變化趨于一致(圖1c)，表層水體pH值并不是最高，在5.5～6.5 m區(qū)域pH值超過9.0，10 m以下區(qū)域基本上穩(wěn)定在7.0.水體的pH值變化主要同藻類的光合作用有關，由于藻類光合作用消耗了水體中的CO2，破壞了的平衡，使水體呈堿性.

PAR由于受水體中無機懸浮物、浮游植物的吸收、散射作用而發(fā)生衰減［12］，其強度隨著深度增加而逐漸減低，PAR強度在表層有快速降低的過程，并在6 m水層達到22 μmol/(s·m2)，到14 m水層降為1 μmol/(s·m2)，在25 m水層基本接近0(圖1d).PAR衰減情況直接影響到浮游植物光合作用過程和水體初級生產(chǎn)力的分布，但在水體表面一般會出現(xiàn)光抑制現(xiàn)象，光合速率降低，初級生產(chǎn)力或者浮游植物濃度最大值一般出現(xiàn)在次表層［13］.

夏季湖泊區(qū)浮游植物主要集中在6 m的區(qū)域，濁度峰值也出現(xiàn)在該區(qū)域，達到5.4 FTU.垂向水體濁度的變化同葉綠素a變化趨勢一致(圖1e)，因此浮游植物密度可能是影響新安江水庫透明度的主要因素，而并非受水質化學指標影響，夏季湖泊區(qū)透明度很難突破6 m浮游植物密集區(qū)，致使調查時大壩前觀察點透明度為5.4 m.

整個水柱總氮平均濃度為0.720±0.045 mg/L，波動范圍為0.65～0.77 mg/L;總磷全部低于實驗室最低檢出限(0.01 mg/L);可溶性硅水柱平均濃度為3.99 ±2.02 mg/L，波動范圍為 1.30 ～6.78 mg/L.由于藻類生長過程的消耗，表層至10 m水層氮、硅濃度明顯低于20 m以下的水體.隨著水體深度的變化，氮與硅的濃度發(fā)生變化，下層水的總氮濃度高于上層水(R=0.979，P ＜0.001)，硅同樣如此(R=0.867，P=0.002).但是垂向葉綠素a和浮游植物密度的變化與總氮在統(tǒng)計上沒有顯著相關性(R=－0.588，P=0.096;R=－0.575，P=0.105)，與可溶性硅呈顯著負相關(R=－0.759，P=0.018;R=－0.695，P=0.038)，說明垂向氮的變化并非取決于藻類生長，而可溶性硅是藻類生長的重要營養(yǎng)因子.

3.2 浮游植物密度的垂向變化

本次調查期間，新安江水庫湖泊區(qū)水柱浮游植物平均密度為421.26 ×104±278.95 cells/L，密度范圍在116.23 ×104～1039.25×104cells/L之間.夏季水溫分層期，浮游植物并非表層密度最高，高密度區(qū)域出現(xiàn)在水深5～10 m間;在溫躍層以下隨著深度的增加，浮游植物密度呈顯著下降，80 m位置的密度是10 m處的1/10(圖2).

3.3 浮游植物群落結構的垂向變化

新安江水庫夏季以硅藻門占絕對優(yōu)勢(圖3)，水柱中硅藻所占比例高達總密度的76.9%.在硅藻的垂向分布中，表層以梅尼小環(huán)藻(Cyclotella meneghiniana)為主，占85.6%，其它各層均以巴豆葉脆桿藻(Fragilaria crotonensis)為絕對優(yōu)勢種(圖4)，溫度可能是影響藻種分布的主要因素［14］，小環(huán)藻屬喜高溫性種，最適生長溫度為30～40℃［15］，脆桿藻屬冷水種，喜歡偏冷的環(huán)境［16］.

圖2 2010年夏季新安江水庫大壩前斷面浮游植物垂向分布Fig.2 Vertical distribution of phytoplankton of Xin'anjiang Reservoir in the summer of 2010

圖3 2010年夏季新安江水庫湖泊區(qū)斷面浮游植群落結構的垂向變化Fig.3 Composition of phytoplankton density of lacustrine zone of Xin'anjiang Reservoir in the summer of 2010

圖4 硅藻優(yōu)勢種群的垂向分布Fig.4 Vertical distribution of the dominant species of Bacillariophyta

3.4 浮游植物光合效率的垂向變化

利用水樣熒光儀(Water-PAM)對垂向分層水樣的最大光合效率(Fv/Fm)和實際光合效率進行測定［10］.最大光合效率明顯存在由表層向下層逐步降低的特征，表層的最大光合效率達到0.6，40 m以下藻類的活性不強，最大光合效率僅在0.3左右.最大光合效率的降低反映了藻類受到環(huán)境的脅迫［17］.浮游植物群落變化結果表明，水庫表層中的優(yōu)勢種為小環(huán)藻，而表層以下優(yōu)勢種轉變?yōu)榇鄺U藻.不同藻類的生長對環(huán)境的要求存在明顯差異，吳曉東等的研究發(fā)現(xiàn)，在冬季同一湖泊中硅藻、綠藻的最大光合效率明顯高于藍藻［18］.小環(huán)藻喜好光照較強的表層水體，而脆桿藻則更耐受低溫低光照的條件從而形成優(yōu)勢.像脆桿藻這一類在40 m以下仍舊生長且有光合活性的藻類對環(huán)境的適應性極強，但是遷移到表層水體，卻可能競爭不過那些本身對環(huán)境要求高的藻類.小環(huán)藻屬于C策略者，一旦環(huán)境滿足其生長要求就大量迅速繁殖［19-20］，所以在表層水體小環(huán)藻占優(yōu)勢.

實際光合效率的最大值不是出現(xiàn)在表層水體，而是在10 m水域(圖5)，40 m及以下區(qū)域降至非常低的水平，均在0.2以下.實際光合效率與藻類密度的結果基本一致，說明光合效率大小直接反映了藻類生長的情況.10 m水層中的優(yōu)勢種為脆桿藻，已經(jīng)進入溫躍層，光照強度接近0.日本學者通過室內試驗發(fā)現(xiàn)海洋硅藻在不同光照和溫度下生長結果不同［21-22］，因此我們推斷溫躍層可能是脆桿藻的最佳生長環(huán)境.光照、水溫和優(yōu)勢種變化可能都是影響實際光合效率的因素，但光照最強的區(qū)域并非是藻類生長最快的區(qū)域，超過藻類光飽和點的強光反而可能成為抑制因子.

圖5 2010年夏季新安江水庫湖泊區(qū)浮游植物光合效率垂向分布Fig.5 Vertical distribution of phytoplankton phtosynthetic efficiency of Xin'anjiang Reservoir in the summer of 2010

4 結論

新安江水庫是一座位于亞熱帶北緣的特大型多年調節(jié)型深水水庫，水體在夏季具有熱分層現(xiàn)象，其物理、化學、浮游植物群落及其光合作用生理過程具有自身特征，明顯有別于其它水庫［23］.

1)夏季新安江水庫湖泊區(qū)在10～20 m處形成溫躍層，表層和底層水溫相差20℃;浮游植物密度的峰值不是出現(xiàn)在表層，而是出現(xiàn)在距離表層6 m的區(qū)域，水下5～10 m區(qū)間為浮游植物高密度區(qū)域.

2)垂向pH值、溶解氧和濁度的變化同葉綠素a濃度呈現(xiàn)高度一致性，在葉綠素a濃度最高的6 m區(qū)域，pH值、OD出現(xiàn)峰值;PAR隨著水深的增加呈明顯減少，在區(qū)域為22 μmol/(s·m2)，到25 m區(qū)域基本接近0;浮游植物密度是影響新安江水庫透明度的主要因素之一.

3)下層水體的總氮和可溶性硅高于上層水體;垂向葉綠素a、浮游植物密度與總氮沒有顯著相關性，與可溶性硅呈顯著負相關;可溶性硅是藻類生長的重要營養(yǎng)因子.

4)觀測點水柱浮游植物平均密度為421.26×104±278.95 cells/L，水下5～10 m為浮游植物高密度區(qū)域，溫躍層以下隨著深度的增加浮游植物密度顯著下降;群落結構以硅藻占絕對優(yōu)勢，硅藻所占比例高達總密度的76.9%，表層水體以小環(huán)藻為主，其它各層均以脆桿藻為絕對優(yōu)勢種.

5)浮游植物光合作用生理參數(shù)也存在垂向差異，最大光合效率(Fv/Fm)從表層向下層逐步降低，但實際光合效率最大值并不出現(xiàn)在表層水體，而是出現(xiàn)在距水面10 m區(qū)域，這種現(xiàn)象可能是由不同藻種的光飽和點和強光抑制點差異所致，超過藻類光飽和點的強光會對光合作用產(chǎn)生抑制作用.

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Vertical distribution of phytoplankton and physico-chemical characteristics in the lacustrine zone of Xin'anjiang Reservoir(Lake Qiandao)in subtropic China during summer stratification

WU Zhixu1，LIU Mingliang2，LAN Jia1，HE Jianbo2＆ YU Zuoming2
(1：Chun'an Environmental Monitoring Station，Hangzhou 311700，P.R.China)
(2：Institute of Environmental Protection Science，Hangzhou 310014，P.R.China)

The investigation on vertical distribution of phytoplankton and physical-chemical characteristics was conducted in the lacustrine zone during summer stratification in Xin'anjiang Reservoir(Lake Qiandao).The Water-PAMChlorophyll Fluorometer was used to obtain vertical profiles of phytoplankton photosynthesis.The results showed that depth of thermocline appeared between 10－20 m.Besides，the vertical profiles of pH，dissolved oxygen and turbidity were in agreement with chlorophyll-a.In summer，the phytoplankton was dominated by Bacillariophyta，C.meneghiniana was dominant in surface layer，while F.crotonensis was absolutely dominant below the surface layer.High-density of phytoplankton was found around 5－10 m below the water surface.However，a sharp decline was observed for phytoplankton density below thermocline layer.Therefore，the thermal stratification might affect the vertical distribution of phytoplankton population.Phytoplankton maximum photosynthetic efficiency had a negative relationship with water depth and the actual maximum value of photosynthetic efficiency was determined at 10 m depth.

Xin'anjiang Reservoir(Lake Qiandao);phytoplankon;vertical distribution;Water-PAM;lacustrine zone

http：//www.jlakes.org.E-mail：jlakes@niglas.ac.cn

?2012 by Journal of Lake Sciences

* 杭州市科技局項目(20100834M42)、杭州市環(huán)保局項目(201006)、浙江省自然科學基金項目(Y5110314)和國家水體污染控制與治理科技重大專項項目(2009ZX07528-003-04-02)聯(lián)合資助.2011-05-06收稿;2011-09-16收修改稿.吳志旭，男，1975 年生，高級工程師;E-mail：caepb@126.com.