深型水庫溶解氧分層規(guī)律及其機(jī)制探究

陳侃 王飛飛 阮琪禎 吳旭春 曹文志

摘要：溶解氧（DO）是衡量生態(tài)狀況的重要指標(biāo)，探討深型水庫DO分層規(guī)律與營養(yǎng)元素生物地球化學(xué)循環(huán)間的關(guān)系，可為維護(hù)庫區(qū)水生態(tài)健康提供科學(xué)依據(jù)。2022年監(jiān)測了九龍江萬安水庫的理化指標(biāo)及營養(yǎng)元素的垂向分布，并分析了庫區(qū)的DO分層規(guī)律及影響因素。結(jié)果表明：2月屬萬安水庫混合期，呈貧營養(yǎng)狀態(tài)，DO垂向平均濃度高達(dá)6.70 mg/L，DO變化受浮游植物分布及“翻庫”影響；5月屬熱分層形成期，處中營養(yǎng)狀態(tài)，水體在內(nèi)源產(chǎn)氧減少和原位DO消耗驅(qū)動作用下出現(xiàn)溫躍層溶解氧極小值，36 m以下水體處于缺氧狀態(tài)；8月為熱分層穩(wěn)定期，處中度富營養(yǎng)化，表層DO最大濃度達(dá)12.00 mg/L以上，在35 m深度出現(xiàn)DO極大值，水體熱分層阻礙DO補(bǔ)充、內(nèi)源產(chǎn)氧減弱是造成熱分層穩(wěn)定期水體上層大范圍缺氧的主要原因；10月為熱分層消退期，呈中營養(yǎng)狀態(tài)，DO垂向平均濃度僅為0.77 mg/L，水深2.79 m以下水層皆處于缺氧狀態(tài)。熱分層時期DO垂向變化受到水體熱分層、營養(yǎng)水平、污染狀態(tài)及浮游植物生長分布等因素的影響，熱分層從物理角度影響DO分層，營養(yǎng)水平及污染狀態(tài)可以影響DO的產(chǎn)耗機(jī)制，而庫區(qū)水體濁度通過影響浮游植物的垂向分布進(jìn)而對DO濃度產(chǎn)生影響。

關(guān)鍵詞：溶解氧；水體熱分層；缺氧狀態(tài)；萬安水庫

中圖分類號：X142? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? 文章編號：1674-3075（2024）02-0020-11

溶解氧（Dissolved oxygen， DO）是指O2以分子態(tài)溶解于水中的形態(tài)（李艷紅等，2013）。水體DO的主要來源是大氣根據(jù)氧分壓的大小向DO未飽和的水體中充氧，以及水生生物進(jìn)行光合作用釋放到水中的氧（呂琳莉等，2018）。水體中的DO濃度能夠反應(yīng)水體污染程度，是水質(zhì)的重要參數(shù)，也是湖庫水質(zhì)管理的重要指標(biāo)之一。水中有機(jī)物的生物降解過程消耗了大量的O2，DO耗盡促使有機(jī)物厭氧分解，產(chǎn)生一些有毒、有難聞氣味的氣體有機(jī)物，使水環(huán)境進(jìn)一步惡化。因此，DO濃度影響到湖庫用水質(zhì)量，并直接關(guān)系居民用水安全（陳東等，2008;Harke et al，2016;Torres et al，2016）。DO不僅影響營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)及溫室氣體排放，充足的DO還是水生生物生存的必要條件，許多水生生物需要DO充足的棲息地和適宜的水溫才可生存（Fernandez et al，2014;Schindler，2017;McClure et al，2018）。當(dāng)DO低于5.0 mg/L時，存在威脅魚類與浮游動物生存的可能，而水體處于低氧或厭氧狀態(tài)時（一般低于2.0 mg/Ｌ）會影響水生生物的生存繁衍。此外，湖庫底部的低DO濃度還會通過降低氧化還原電位（Eh），促進(jìn)沉積物中有毒物質(zhì)、還原性污染物（如氨氮）等釋放，從而威脅到魚類、底棲生物等生存，并危害水生態(tài)系統(tǒng)健康（Singleton and Little，2006;Matzinger et al，2010;North et al，2014）。

在全球氣候變暖的背景下，庫區(qū)的深層水溫穩(wěn)定，但表層水溫上升顯著，庫區(qū)水體分層結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定、生物異養(yǎng)呼吸速率增加、沉積物耗氧及氧氣溶解度下降等因素驅(qū)動了DO的減少（Muller et al，2012;Jane et al，2021）。但大壩的修建、水資源過度開發(fā)利用等人類干擾行為改變了流域生態(tài)狀況，工農(nóng)業(yè)、生活排污等向湖庫輸入營養(yǎng)物質(zhì)與污染物，營養(yǎng)水平高的庫區(qū)藻類暴發(fā)頻繁，其強(qiáng)烈的光合作用常使得表層水體DO超飽和（Kosten et al，2012;Schindler，2017）。DO存在很高的生化反應(yīng)參與度，這使得DO濃度垂向變化規(guī)律特別是缺氧現(xiàn)象很難預(yù)測（Yvon-Durocher et al，2010;Woolway & Merchant，2019）。庫區(qū)水體常被視作“半封閉”水體，其水力停留時間長，故季節(jié)變化所引起的水體熱分層通常較穩(wěn)定，在此驅(qū)動下DO也呈現(xiàn)出較穩(wěn)定的垂向分層規(guī)律（Wagner & Adrian，2011;Jones et al，2011）?，F(xiàn)有研究將水深30 m以上的水庫界定為深型水庫，易形成由混合層、變溫層及滯溫層組成的熱分層結(jié)構(gòu)（李秋華等，2013;鄭瑩瑩等，2021）。變溫層中溫度變化梯度最大的薄水層稱為溫躍層，湖庫水體熱分層的穩(wěn)定性與其水溫、水體透明度等物理化學(xué)因素及湖泊形態(tài)學(xué)參數(shù)密切相關(guān)（Demers & Kalff，1993;Houser，2006;Huang，2016）。熱分層出現(xiàn)的根本原因是季節(jié)變化導(dǎo)致水體的上下層間出現(xiàn)溫度差異從而產(chǎn)生水層密度差，熱分層不僅阻礙水層交換，并對生物的活性和生化反應(yīng)速率產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響DO分布規(guī)律（Saito et al，2001;Caliskan & Elci，2009;Borics et al，2015;Zhang et al，2015）。深型庫區(qū)滯溫層在一年中長時間存在大范圍缺氧水層，DO補(bǔ)充受阻、浮游植物及有機(jī)質(zhì)下沉分解與沉積物耗氧等是缺氧現(xiàn)象出現(xiàn)的主要原因。此外，流域內(nèi)人類活動影響，水質(zhì)進(jìn)一步惡化，對缺氧層的形成存在一定的促進(jìn)作用（Diaz & Rosenberg，1995;Muller et al，2012）。

國內(nèi)外研究雖已對湖庫DO垂向分布規(guī)律及機(jī)制進(jìn)行了廣泛探討，但卻缺乏對深型湖庫中水體營養(yǎng)狀態(tài)及營養(yǎng)元素生物地球化學(xué)循環(huán)與DO分層規(guī)律相互影響關(guān)系的研究。本研究以我國東南地區(qū)萬安水庫為研究對象，分析DO在不同時期的垂向變化特征，探究水層缺氧及變溫層DO極小值等現(xiàn)象出現(xiàn)的內(nèi)在原因，DO垂向分層規(guī)律與水層營養(yǎng)狀況間的響應(yīng)關(guān)系，以及DO變化規(guī)律與營養(yǎng)元素生物地球化學(xué)循環(huán)間的關(guān)系，以期為維護(hù)庫區(qū)的水生態(tài)健康提供科學(xué)依據(jù)。

1? ?材料與方法

1.1? ?研究區(qū)域概況

萬安水庫（25°20'58"～25°24'36" N，116°58'30"～117°03'36" E）位于福建省南部的九龍江北溪上游，壩址位于龍巖市萬安鎮(zhèn)境內(nèi)，1994年底開始蓄水。壩址以上流域面積667 km2，多年平均流量23.3 m3/s，水庫正常蓄水位365 m，總庫容約2.29×108 m3，調(diào)節(jié)庫容1.68×104 m3，為多年調(diào)節(jié)水庫。最大壩高93.8 m，屬于混合式電站，設(shè)計(jì)水頭84.7 m，多年平均發(fā)電量約為1.36×108 kW·h。水流入庫匯流處存在一定規(guī)模的漁業(yè)養(yǎng)殖活動（林炳明，2006）。

1.2? ?樣品采集與測定

選取萬安水庫深水區(qū)（年平均水深大于55 m），分別于2022年2月、5月、8月及10月進(jìn)行4個季節(jié)的采樣。現(xiàn)場使用Hondex便攜式數(shù)字聲納深度計(jì)測量水深，并采用YSI-EXO3便攜式多參數(shù)水質(zhì)測試儀垂向連續(xù)測定DO、水溫、pH、葉綠素a、濁度及電導(dǎo)率，以葉綠素a濃度表征浮游植物生物量。并使用5 L有機(jī)玻璃采水器分別在水深0.5、10、25、35、45及60 m采集水樣并將其低溫保存于聚乙烯水樣瓶中帶回實(shí)驗(yàn)室測定總氮（TN）、總磷（TP）、營養(yǎng)鹽五參數(shù)（NO2–、NO3–、NH4+、PO43-、SiO32-）及高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）等相關(guān)指標(biāo)。

TN和TP分別采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（HJ636-2012）和鉬酸銨分光光度法（GB 11893-89）測定，CODMn采用高錳酸鹽指數(shù)測定標(biāo)準(zhǔn)（GB 11892-89）測定，營養(yǎng)鹽五參數(shù)采用連續(xù)流動化學(xué)分析儀（AA3，德國Bran+Luebbe公司）進(jìn)行測定。

1.3? ?數(shù)據(jù)處理

根據(jù)《湖泊（水庫）富營養(yǎng)化狀況評價方法及分級技術(shù)規(guī)定》，富營養(yǎng)化狀態(tài)評價采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法（金相燦，1995）。評價中以0～3 m水深的葉綠素a平均濃度代表表層水體葉綠素a水平，以水深0.5 m的TN、TP及CODMn濃度代表三者在表層水體中的水平。

本文將垂直方向上溫度梯度大于0.2°C/m的水層定義為溫躍層，其是變溫層中水溫垂直梯度較大的一個水層；DO濃度梯度大于0.2 mg/（L·m）的水層定義為氧躍層，溫躍層及氧躍層的深度分別定義為溫躍層和氧躍層上部邊界的深度，溫躍層底部和氧躍層底部分別定義為溫躍層和氧躍層下界的深度，溫躍層及氧躍層厚度則為上下邊界的差值（Wilhelm & Adrian，2008;Zhang et al，2015）。將水體DO濃度小于2.0 mg/L定義為缺氧狀態(tài)。

采用Excel、SPSS 27.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析，并使用Origin 2018繪制垂向數(shù)值圖。

2? ?結(jié)果與分析

2.1? ?DO及環(huán)境因子分層規(guī)律

2.1.1? ?DO及基礎(chǔ)理化指標(biāo)? ?萬安庫區(qū)不同季節(jié)呈現(xiàn)出混合期（2月）、熱分層形成期（5月）、熱分層穩(wěn)定期（8月）及熱分層消退期（10月）的變化特征（圖1-a）?；旌掀谒w無顯著熱分層，垂向水溫變化范圍12.59～15.24°C。進(jìn)入熱分層形成期，滯溫層以上水溫顯著上升，熱分層結(jié)構(gòu)形成（第1溫躍層+混合層+第2溫躍層+滯溫層），雙溫躍層分別出現(xiàn)在0.21 m及33.08 m處，厚度為7.24 m和7.86 m，水溫梯度達(dá)0.67°C/m和0.63°C/m。熱分層穩(wěn)定期的水體分層結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固（第1溫躍層+混合層+第2溫躍層+滯溫層），垂向平均水溫升高至21.78°C，雙溫躍層分別出現(xiàn)在水深0.65 m及44.57 m處，厚度為8.23 m和5.30 m，水溫梯度達(dá)0.77℃/m和1.26℃/m，滯溫層深度較熱分層形成期增大。熱分層消退期水體分層強(qiáng)度減弱（混合層+變溫層+滯溫層），溫躍層出現(xiàn)在水深34.64 m處，厚度為9.51 m，水溫梯度達(dá)到了1.08℃/m，滯溫層深度減小。

在水體熱分層驅(qū)動下，DO垂向分層在不同季節(jié)也呈現(xiàn)出明顯變化特征（圖1-b）。在混合期，庫區(qū)水體DO垂向變化（4.12～8.04 mg/L）較小，DO垂向濃度平均值（6.70 mg/L）較高，僅在8.66 m水深處出現(xiàn)氧躍層，其厚度為1.65 m，濃度梯度為0.27 mg/（L·m），未出現(xiàn)缺氧狀態(tài)水層。垂向DO分布規(guī)律在混合期呈“下高上低”，熱分層形成期、穩(wěn)定期及消退期則呈“上高下低”。進(jìn)入熱分層形成期，滯溫層DO濃度下降，水體在第1個溫躍層中出現(xiàn)了典型的DO極小值現(xiàn)象；2個氧躍層分別出現(xiàn)在1.37 m和31.33 m處，厚度分別為4.07 m和5.90 m，濃度梯度為1.53 mg/（L·m）和1.10 mg/（L·m），且低于36.68 m水深時處于缺氧狀態(tài)。在熱分層穩(wěn)定期中，表層水體DO最大濃度達(dá)12.00 mg/L以上，2個氧躍層分別出現(xiàn)在1.01 m及38.74 m處，厚度分別為13.19 m和6.71 m，濃度梯度為0.90 mg/（L·m）和0.26 mg/（L·m）；并在水深5.09 m處出現(xiàn)了厚度23.22 m的缺氧水層，在35 m深度出現(xiàn)DO極大值現(xiàn)象，水深低于40.39 m再次進(jìn)入缺氧狀態(tài)，滯溫層中的缺氧層出現(xiàn)深度較熱分層形成期時有所增大。隨著庫區(qū)進(jìn)入熱分層消退期，垂向DO濃度顯著下降，垂向平均濃度僅為0.77 mg/L，2個氧躍層分別出現(xiàn)在0.85 m及29.80 m處，厚度分別為2.04 m和3.10 m，濃度梯度為0.93 mg/（L·m）和0.22 mg/（L·m）。缺氧現(xiàn)象較熱分層穩(wěn)定期進(jìn)一步加劇，深度2.79 m以下的水層皆處于缺氧狀態(tài)。

萬安庫區(qū)各時期葉綠素a整體呈“上高下低”分布趨勢（圖1-c）。在混合期、熱分層形成期及熱分層穩(wěn)定期，葉綠素a濃度在10 m以上水層顯著高于10 m以下水層，且在10 m水深處降至接近0。熱分層形成期溫躍層DO濃度最小的水深中葉綠素a濃度達(dá)27 μg/L以上。熱分層消退期中水深30 m以上葉綠素a濃度穩(wěn)定，至第2個氧躍層及溫躍層范圍內(nèi)，葉綠素a濃度顯著下降至接近0。

庫區(qū)水體電導(dǎo)率在混合期變化較?。?0.1～37.7 [μ]S/cm），在其他時期變化范圍大（圖1-d）。在熱分層形成期及熱分層穩(wěn)定期，水體電導(dǎo)率在第1個溫躍層及氧躍層位置顯著下降，在第2個溫躍層及氧躍層位置上升。熱分層消退期中的水體電導(dǎo)率始終高于40 [μ]S/cm，在第2個溫躍層位置由41 [μ]S/cm增至80 [μ]S/cm。

各時期pH整體呈“上高下低”狀態(tài)，大部分水體屬于弱酸性，水體混合期及熱分層消退期pH整體變化范圍??；熱分層形成及穩(wěn)定期pH變化較大（6.07～8.04及6.15～9.47），在0～10 m水層的pH表現(xiàn)出與同深度DO變化相同的下降趨勢（圖1-e）；且在熱分層形成期的第2個溫躍層及氧躍層出現(xiàn)位置，pH顯著下降。

水體濁度在熱分層形成期最高，各深度水體濁度均高于20 NTU，混合期及熱分層形成期的水體濁度在滯溫層呈顯著增大趨勢（圖1-f）。在熱分層穩(wěn)定期，濁度在第1個溫躍層及氧躍層位置顯著下降，在第2個溫躍層位置上升。熱分層消退期中的水體濁度在第2個溫躍層范圍內(nèi)顯著增加。

2.1.2? ?營養(yǎng)物質(zhì)垂向變化特征與庫區(qū)營養(yǎng)狀態(tài)? ?庫區(qū)水體熱分層形成期的TN、TP及CODMn的變化范圍小于熱分層穩(wěn)定期及消退期（圖2）。在熱分層形成期，庫區(qū)水體的TN在垂向上穩(wěn)定。熱分層穩(wěn)定期時，庫區(qū)表層的TN濃度超過Ⅴ類地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的限值，其在第1個變溫層中以0.46 mg/（L·m）的梯度下降，在混合層、第2變溫層及滯溫層中保持穩(wěn)定。在熱分層消退期，TN在10 m以上水層呈上升趨勢。在第2個溫躍層中出現(xiàn)極小值，滯溫層TN明顯回升，超過Ⅴ類地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的限值（圖2-a）。

熱分層形成期及消退期的水體TP濃度在垂向上保持穩(wěn)定。在熱分層消退期，庫區(qū)混合層的TP保持穩(wěn)定，第2個溫躍層位置TP出現(xiàn)極小值，在滯溫層回升，超過Ⅴ類地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的限值（圖2-b）。

熱分層形成期的水體CODMn在水表變溫層中呈上升趨勢，在第2個溫躍層中出現(xiàn)CODMn的極大值。在熱分層穩(wěn)定期，水體CODMn在混合層中持續(xù)下降，在DO極大值位置出現(xiàn)極小值，在滯溫層中略有回升后下降。熱分層消退期的水體CODMn在混合層中呈先上升后下降趨勢（圖2-c）。

在熱分層形成期，庫區(qū)水體NO2–垂向變化較大，其余4項(xiàng)指標(biāo)的變化較小（圖3）。在溫躍層DO極小值出現(xiàn)位置，NO2–、NO3–及SiO32–呈上升趨勢，NH4+呈下降趨勢。在第2個溫躍層及氧躍層出現(xiàn)位置，NO2–及NO3–出現(xiàn)極小值，NH4+及PO43–略有上升。隨著熱分層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，庫區(qū)水體的NO2–及NO3–變化范圍增大。第1個溫躍層及氧躍層范圍內(nèi)的NO2–、NO3–、NH4+、PO43–及SiO32–均呈現(xiàn)上升趨勢。在DO極大值出現(xiàn)位置，NO3–及SiO32–也達(dá)到極大值，NO2–及NH4+略有增加后減少。在第2個氧躍層范圍內(nèi)，NO3–、NH4+及SiO32–均呈下降趨勢。而NO3–及NH4+在滯溫層明顯增大，NO2–含量也略有上升。進(jìn)入熱分層消退期，營養(yǎng)鹽五參數(shù)的變化范圍均增大，水體表層氧躍層中NO2–、NO3–及SiO32–呈上升趨勢，NH4+呈下降趨勢。在第2個溫躍層出現(xiàn)位置，NO2–、NH4+及SiO32–不同程度減少，NO3–及PO43–不同程度增加。

根據(jù)富營養(yǎng)化狀態(tài)評價結(jié)果，萬安庫區(qū)表層水體的營養(yǎng)狀態(tài)在混合期處貧營養(yǎng)級，在熱分層形成期及熱分層消退期皆處于中營養(yǎng)級，在熱分層穩(wěn)定期更是達(dá)到中度富營養(yǎng)化（表1）。庫區(qū)水體的營養(yǎng)水平在熱分層形成后顯著提高，熱分層時期較高的營養(yǎng)狀態(tài)對DO的垂向分布規(guī)律存在很大影響（Jane et al，2021）。

2.2? ?不同熱分層時期DO分層規(guī)律變化的影響因素

將熱分層不同時期各分層水體的DO與環(huán)境因子進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見圖4?；旌掀谥?，DO與水溫、pH及濁度呈正相關(guān)，與電導(dǎo)率呈極顯著負(fù)相關(guān)；葉綠素a與水溫呈極顯著負(fù)相關(guān)，與pH呈極顯著正相關(guān)，但與濁度不存在顯著相關(guān)性；pH與濁度呈極顯著正相關(guān)。熱分層形成期及穩(wěn)定期的表層變溫層及混合層中DO與環(huán)境因子的相關(guān)性結(jié)果類似：庫區(qū)表層變溫層的DO與水溫、葉綠素a、電導(dǎo)率、pH及濁度皆呈極顯著正相關(guān)，同時葉綠素a與濁度呈極顯著正相關(guān)；2個時期的混合層中DO與水溫、葉綠素a及電導(dǎo)率呈極顯著負(fù)相關(guān)，而與pH呈極顯著正相關(guān)；葉綠素a與濁度呈極顯著正相關(guān)。在熱分層形成期的第2個變溫層中，DO與水溫及pH呈極顯著正相關(guān)，而與電導(dǎo)率呈極顯著負(fù)相關(guān)；葉綠素a與pH及濁度呈極顯著負(fù)相關(guān)，而pH與濁度呈極顯著正相關(guān)。熱分層穩(wěn)定期的第2個變溫層中DO與水溫及濁度呈極顯著正相關(guān)，與pH呈極顯著負(fù)相關(guān)，同時與葉綠素a呈顯著負(fù)相關(guān)。在熱分層消退期，混合層DO與水溫、葉綠素a及pH呈極顯著正相關(guān)，與電導(dǎo)率及濁度呈極顯著負(fù)相關(guān)；變溫層中DO與水溫及葉綠素a呈極顯著正相關(guān)，與電導(dǎo)率、pH及濁度呈極顯著負(fù)相關(guān)，滯溫層DO濃度已降至0 mg/L。

水體熱分層、浮游植物生物量及分布與濁度是影響DO變化的關(guān)鍵環(huán)境因子（圖4）。為探究水體熱分層對DO分層規(guī)律的影響，對萬安庫區(qū)氧躍層與溫躍層的出現(xiàn)深度、厚度以及變化梯度進(jìn)行線性擬合，混合期未出現(xiàn)溫躍層故不納入分析（圖5）。氧躍層與溫躍層在深度上存在極顯著的正線性關(guān)系（P<0.001），在梯度上存在顯著負(fù)線性關(guān)系（P<0.05），但在厚度上卻不存在顯著的線性關(guān)系。

依據(jù)庫區(qū)水體濁度的垂向變化特征及浮游植物分布特征，將0～5 m和5～10 m水層葉綠素a濃度變化梯度與濁度進(jìn)行線性擬合，發(fā)現(xiàn)兩者存在極顯著的正線性關(guān)系（P<0.001）（圖6）。其中，熱分層形成期的水體平均濁度與葉綠素a濃度變化梯度的擬合關(guān)系較差，兩者在混合期、熱分層穩(wěn)定期及消退期的擬合關(guān)系較好。

3? ?討論

3.1? ?混合期DO分層變化機(jī)制

在混合期影響水體DO變化的主要因素是浮游植物生物量。庫區(qū)在混合期未出現(xiàn)熱分層，盡管DO與水溫呈極顯著正相關(guān)，但水溫不是影響DO變化的最主要因素。水體中浮游植物的光合作用消耗CO2，釋放O2，氫離子濃度隨之降低，從而導(dǎo)致pH上升。根據(jù)CO2水解方程式：

當(dāng)水體中的呼吸作用強(qiáng)于光合作用時，生物消耗O2分解有機(jī)物質(zhì)，產(chǎn)生CO2，氫離子濃度上升，pH和DO隨之降低（趙紫涵等，2020;郭詩君等，2021）。水體上層DO下降的主要原因是浮游植物生物量的減少，pH的下降也證明了這一點(diǎn)。但在混合期貧營養(yǎng)及低水溫的條件下，浮游植物生長受限制，故浮游植物生物量變化引起的DO下降梯度較小。庫區(qū)在混合期未出現(xiàn)缺氧現(xiàn)象，并且DO濃度及濁度分布呈“上低下高”，同時滯溫層在熱分層消退期存在高營養(yǎng)水平及濁度，極可能是由于水庫在上年的秋冬交際時（熱分層消退期與混合期的過渡時期）發(fā)生“翻庫現(xiàn)象”（吳豐昌等，2010）。

3.2? ?不同熱分層時期DO分層變化機(jī)制

在熱分層時期，水體熱分層是直接影響DO分層規(guī)律的最主要因素，浮游植物、營養(yǎng)物質(zhì)及有機(jī)物也是影響DO分層的重要因素，水體濁度間接影響DO變化。水體熱分層造成的密度分層是驅(qū)動DO分層的物理原動力，根據(jù)相關(guān)性分析結(jié)果及氧躍層與溫躍層深度、厚度及變化梯度的線性擬合結(jié)果，庫區(qū)水體熱分層對DO垂向分層規(guī)律產(chǎn)生了顯著影響，但同時也受到其他環(huán)境因素的影響，這與在密蘇里州水庫及中國千島湖所發(fā)現(xiàn)的規(guī)律類似（Jones et al，2011;Zhang et al，2015）。

分層期間適宜的水溫及高營養(yǎng)負(fù)荷使得浮游植物在表層大量繁殖，強(qiáng)烈的光合作用抵消了O2溶解度因溫度升高而降低的作用，表層的DO達(dá)到超飽和。但水體熱分層阻礙DO向下補(bǔ)充，且浮游植物生物量下降削弱光合作用，加以好氧條件下強(qiáng)烈的硝化反應(yīng)及有機(jī)物質(zhì)堆積分解耗氧驅(qū)動導(dǎo)致庫區(qū)表層水體在熱分層期間出現(xiàn)了梯度變化大的溫躍層與氧躍層（Yoshimizu et al，2010;Kreling et al，2017）。水體中的浮游植物趨向分布于光合有效輻射強(qiáng)的水層，而水體濁度影響光合有效輻射強(qiáng)度的衰減，進(jìn)而影響浮游植物的分布及光合作用，并對DO垂向分層規(guī)律產(chǎn)生影響（唐詩等，2013;谷嬌等，2016）。熱分層形成期、穩(wěn)定期及消退期間的水體濁度影響著浮游植物分布（Gallegos，2001;Obrador & Pretus，2008）。加之水體表層溫躍層具有“兼上顧下”特殊的物化條件，浮游生物將自身定位在密度梯度大的空間中以便獲得上下層水體的優(yōu)異條件，因此表層溫躍層因內(nèi)、外源O2補(bǔ)充豐富，DO水平較高（Boehrer & Schultze，2008;Yang et al，2018）。

O2垂向梯度擴(kuò)散受阻和局部原位消耗共同作用導(dǎo)致熱分層形成期出現(xiàn)典型的溫躍層DO極小值現(xiàn)象（MOM）。MOM位置的湍流擴(kuò)散率隨著水體密度分層強(qiáng)度的增加而降低，DO運(yùn)輸受垂向梯度約束（Kreling et al，2017）。另外，浮游植物生長繁殖需吸收NH4+，浮游植物生物量下降減少了對NH4+的吸收利用（Tuantet et al，2014;Su et al，2019）。有機(jī)物質(zhì)及死亡藻類分解消耗DO，已有研究證實(shí)變溫層有機(jī)物質(zhì)降解及藻類死亡分解對MOM的出現(xiàn)有著巨大貢獻(xiàn)（Zhang et al，2015;Wentzky et al，2019）；根據(jù)亞硝化反應(yīng)（式②）及硝化反應(yīng)（式③）：

好氧條件下的硝化反應(yīng)增強(qiáng)，氧躍層中NO2–及NO3–濃度增加，NH4+向NO2–及NO3–的轉(zhuǎn)化過程消耗DO，DO的變化規(guī)律影響氮的轉(zhuǎn)化行為，MOM在水層內(nèi)形成氧化還原梯度，為這些過程提供了好氧―厭氧耦合等適宜的物化條件，加強(qiáng)生物競爭，進(jìn)一步影響種群結(jié)構(gòu)分布及氮循環(huán)過程（Elci，2008;Woolway et al，2014; Su et al，2019;Wentzky et al，2019）。強(qiáng)烈的DO分層甚至影響水體中CO2和CH4的垂直分布以及擴(kuò)散外流的強(qiáng)度和時間，或許湖庫成為溫室氣體排放的一個來源（McClure et al，2018）。

浮游植物分布趨勢、隨水溫升高而降低的O2溶解度、水體熱分層的阻礙等影響水體DO的內(nèi)、外源補(bǔ)充，藻類死亡沉降分解、有機(jī)物質(zhì)耗氧分解及NH4+的硝化反應(yīng)進(jìn)一步消耗O2，導(dǎo)致水庫在熱分層穩(wěn)定期出現(xiàn)大范圍缺氧水層，缺氧水層中水體的反硝化反應(yīng)顯著增強(qiáng)（Liljendahl-Nurminen et al，2008;Rice et al，2009）。DO極大值的出現(xiàn)是由于有機(jī)物質(zhì)耗氧分解削弱，且極大值出現(xiàn)位置因季節(jié)變化響應(yīng)延遲故水層溫度較低，仍保留著熱分層加劇前較高的DO水平，故經(jīng)好氧硝化產(chǎn)生較高水平的NO3–。熱分層消退期間庫區(qū)表層因硝化反應(yīng)及有機(jī)物質(zhì)耗氧分解強(qiáng)烈，導(dǎo)致DO水平迅速下降（Blair et al，2013;Qu et al，2022）。庫區(qū)在熱分層消退期缺氧范圍大、水體濁度低，浮游植物生物量在第2個溫躍層及氧躍層位置突降，缺氧條件下水體反硝化作用顯著增強(qiáng)，硝化作用減弱，NH4+在氧躍層富集（Cole & Pace，1998）。滯溫層在熱分層形成期、穩(wěn)定期及消退期都出現(xiàn)大范圍缺氧，溫度上升加劇熱分層，大氣向水體的充氧和浮游植物光合作用產(chǎn)氧因水體分層阻礙運(yùn)輸及消耗而難以補(bǔ)充，藻類死亡沉降、有機(jī)物質(zhì)堆積分解都使得滯溫層的缺氧現(xiàn)象加劇，這對湖庫深水層的生物及底棲生物的生存繁衍造成了巨大的風(fēng)險，厭氧環(huán)境促進(jìn)沉積物中的營養(yǎng)釋放，進(jìn)一步惡化水質(zhì)（Bajer et al，2007;McClure et al，2018）（圖7）。

4? ?結(jié)論

（1）萬安水庫在2月為混合期，未出現(xiàn)缺氧現(xiàn)象；2-5月為熱分層形成期，形成溫躍層＋混合層＋溫躍層＋滯溫層的4分層結(jié)構(gòu)；5-8月為熱分層穩(wěn)定期，溫躍層＋混合層＋溫躍層＋滯溫層的4分層結(jié)構(gòu)進(jìn)一步穩(wěn)固；10月為熱分層消退期，形成混合層＋變溫層＋滯溫層的3分層結(jié)構(gòu)。

（2）萬安水庫混合期的營養(yǎng)水平為貧營養(yǎng)，熱分層形成期及消退期為中營養(yǎng)，熱分層穩(wěn)定期為中度富營養(yǎng)化。庫區(qū)混合期表層DO變化受浮游植物分布影響的同時也受“翻庫”現(xiàn)象影響。高光合速率能克服溶解度下降所帶來的DO損失，故較高營養(yǎng)水平下水體DO的垂向分布規(guī)律受多因素耦合影響，熱分層時期DO變化的主導(dǎo)因素包括水體熱分層、營養(yǎng)水平、污染狀態(tài)及浮游植物生長分布。而水體濁度通過影響浮游植物的垂向分布，進(jìn)而影響DO的垂向變化規(guī)律。

（3）熱分層形成期的水體在內(nèi)源產(chǎn)氧減少和原位DO消耗驅(qū)動作用下發(fā)生MOM。而水體熱分層阻礙DO補(bǔ)充、內(nèi)源產(chǎn)氧減弱是造成熱分層穩(wěn)定期水體上層大范圍缺氧的主要因素。

（4）庫區(qū)在熱分層形成期、穩(wěn)定期及消退期皆出現(xiàn)滯溫層缺氧現(xiàn)象，溫度上升加劇熱分層，DO補(bǔ)充阻礙加大，大量水表藻類死亡沉降、有機(jī)物質(zhì)堆積分解使得滯溫層的缺氧現(xiàn)象加劇。

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（責(zé)任編輯? ?熊美華）

收稿日期：2023-08-12? ? ? 修回日期：2023-12-15

基金項(xiàng)目：福建省水利科技項(xiàng)目（MSK202216）；福建省環(huán)?？萍加?jì)劃項(xiàng)目（2021R023）；福建省廈門環(huán)境監(jiān)測中心站環(huán)?？萍柬?xiàng)目（2022S01）。

作者簡介：陳侃，2000年，男，碩士研究生，河流環(huán)境過程方向。E-mail：chenkan@stu.xmu.edu.cn

通信作者：曹文志，1968年，男，教授，主要從事河流與近海生物地球化學(xué)過程、水文與水資源。E-mail：wzcao@xmu.edu.cn