三峡水库大宁河回水区藻类生长与三态磷盐变化特征分析

洪尚波，吴光应

(巫山县环境监测站，重庆巫山 404700)

三峡水库成库以来，库区水环境的变化以及对生态环境的影响一直备受人们关注。水库蓄水以后，支流回水区形成许多库湾，这些库湾在干流回水顶托作用下水流缓慢，其水文条件、生境状况区别于其它河段，也与一般意义上的湖泊、水库有明显差别［1］。有调查表明，三峡库区次级河流受到不同程度污染，水体中N含量丰富。N元素不是发生富营养化的限制因子，其限制因子主要为P［2］。磷参与光合作用中间产物的转变和能量传递，在藻类生长过程中起着重要作用。对于湖泊环境中磷循环与藻类生长的关系已有很多研究［3～8］，而专门针对三峡库区次级河流磷变化与藻类生长的研究则未见系统报道。本文以三峡库区具有代表性的次级河流大宁河为研究对象，在系统调查大宁河氮、磷、叶绿素a的多年时空分布特征的基础上，通过野外监测和室内培养分析水华期间大宁河回水区藻类生长与磷盐变化的关系，探讨绿藻水华暴发的机制，进一步为保护生态环境、防治水华污染提供依据。

1 研究方法

1.1 点位布设情况

采用GPS定位，沿入长江河口逆流至大昌镇方向34km河段设置5个断面，分别是A菜籽坝(30°59'038″N，109°36'031″E)，B 白水河 (29°56'942″N，109°53'593″E)，C 东坪坝 (31°08'478″N，109°53'634″E)，D 双龙 (31°10'970″N，109°52'463″E)，E 大昌 (31°15'943″N，109°47'562″E)。其中A断面位于大宁河入长江河口处，B、C、D断面位于大宁河回水区易发生水华的区域，E断面位处大宁河回水区上游，点位分布如图1所示。

图1 采样点位图

1.2 年变化调查

2006～2010年进行每年3～10月定位采样，每月上旬于D断面采样1次。采用有机玻璃分层采样器采河道中央水面下0.5m表层样品。

1.3 2011年3～6月流域调查

2011年3月24日、4月28日、5月17日、5月25日、5月30日、6月3日，对大宁河A、B、C、D、E 5个断面进行定位采样，采用有机玻璃分层采样器采河道中央水面下0.5m表层样品。

1.4 日变化定点位实验

2011年5月24日～5月30日，对大宁河B断面进行定位采样，采用有机玻璃分层采样器采河道中央水面下0.5m、2.0m、5.0m、10.0m、底层水样样品。

1.5 室内培养实验

取1000ml三角烧瓶5只，将5月24日采自大宁河B断面样品在自然光照条件下培养。取B断面河水经0.45μm滤膜后，于108kPa压力和121℃下蒸煮15min，作为培养基储于玻璃容器中，黑暗处5℃保存，使用该培养基补充每日自然蒸发量。每次分析取水样100ml，保持三角烧瓶中样品体积第一日 1000ml，第二日 900ml，第三日 800ml，依此［9］。

1.6 分析方法

水样各项目均按照国家标准方法进行分析［10］。总氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法;磷(总磷、溶解性磷酸盐和溶解性总磷)采用钼酸铵分光光度法。为了控制测定的准确性，每10个测定样品用标准样品校验。另采用10%的平行样分析来控制实验的精密度。

水体叶绿素a采用便携式多参数水质测定仪(DS5X)测定;藻类分析使用FlowCAM(BTFCVSIV)藻类分类系统［11］;数据相关性及主成分分析采用 SPSS17.0 统计软件处理［12～13］。

图2 大宁河回水区叶绿素a、总磷、总氮月变化趋势

2 结果分析

2.1 大宁河回水区营养盐与藻类生长年变化特征

2006～2010年，大宁河回水区调查点 (图1所示D断面)3～10月份水体叶绿素a、总磷、总氮的变化情况见图2。总体上看水体中叶绿素a含量，3～5月份基本保持在6mg/m3以下 (2008年3月份发生水华，叶绿素a达到18.367mg/m3)，6～9月份处于一个较高的水平，10月份会有所下降;水体中总磷、总氮含量变化情况与叶绿素类似，在3～5月份保持较低水平并逐渐增大，在6月份以后达到一个较高水平，其中总氮含量变化趋势比较稳定，总磷含量变化波动较大，磷系统循环受各因素影响更加敏感。

2.2 大宁河回水区2011年3～6月水体三态磷盐及藻类生长时空变化

由2006～2010年对大宁河回水区的调查可知，每年的3～6月份该区域水体主要营养盐及生物指标将有一个由低水平向高水平变化的过程。因此于2011年3～6月份对其进行了一次详细调查，其三态磷的变化特征见表1，其chla及三态磷盐的时空分布规律见图3。2011年3～6月，在对大宁河回水区5个断面的调查中发现，E断面位处回水区上游，其总磷、可溶性磷、正磷酸盐含量为5个断面中最低，但其变异系数为5个断面中最大。由图3中叶绿素变化情况可知，E断面叶绿素含量一直处于较低水平，故该情况的出现非由藻类生长引起，可能是由于三峡水库放水，底泥磷盐释放导致水体磷盐增大所致。A断面位于大宁河入长江河口位置，受长江水体磷盐影响 (2006～2010年长江巫山段总磷平均含量0.110mg/L)，其三态磷盐含量为5个断面中最高，其变异系数为5个断面中最小。B、C、D断面位于大宁河回水区中段，其磷循环的稳定性受到水力冲刷、外源磷输入与生物调控等多因素动态平衡的影响，总磷、可溶解性磷和正磷酸盐的变异系数范围分别为42% ～55%、39%～47%和66% ～77%，其变异系数可溶解性磷最小，总磷次之，正磷酸盐最大，说明在这个磷循环系统中，正磷酸盐是一个比较敏感的指标，能够较好地指示磷循环平衡的状态。

表1 大宁河回水区三态磷的变化特征

图3 调查期间chla、正磷酸盐、总磷、可溶性磷时空变化图

2.3 水华期间磷盐水层分布特征及其与藻类生长关系

图4 不同水层正磷酸盐变化图

图5 大宁河B断面水体藻类与正磷酸盐关系图

在2011年3～6月的流域调查过程中发现，B断面水体chla在5月份增长迅速，该处有发生水华的可能。因此，自5月24日始连续每日对B断面水体进行监测分析，观测大宁河回水区水华暴发的过程，研究其间磷盐与藻类生长日变化特征并分析其关系。不同水层正磷酸盐变化见图4，正磷酸盐与藻类生长关系见图5。从图4可以看出，正磷个水层。这主要是由藻类生长的垂直分布特点引起的，藻类主要集中在水体表层，期间0.5m水层藻类生物量有3.854～9.363mg/L(均值6.367mg/L)，2.0m水层藻类生物量有2.075～14.540mg/L酸盐在水体中的分布因不同水深具有明显水层差异，0.5m和2.0m水层正磷酸盐含量比较接近，5.0m、10.0m和底层水体正磷酸盐含量比较接近，并且0.5m和2.0m水层正磷酸盐含量低于其它三(均值5.893mg/L)。图5反映了藻类对正磷酸盐的吸收关系，所选数据为24～29日中当日透明度5倍以内调查样品的分析数据，结果显示正磷酸盐与藻类生物量在0.002水平呈显著负相关关系。水体中溶解正磷酸盐随生物量的增加而减少，藻类生长主要吸收水体中的正磷酸盐。采用线性关系粗略分析，假定藻类能将正磷酸盐全部吸收，每1LB断面的水理论上能够保证藻类增长到21.4mg的极限生物量。

2.4 室内培养藻类生长特征

采用FlowCAM藻类分类系统分析藻类，能够记录单个藻类的物理参数，计算出单个藻类的体积;具有650nm长通滤镜，给出所记录每个藻类的叶绿素荧光强度。培养期间藻类个体体积变化情况见图6，藻类叶绿素荧光强度的变化见图7。藻类体积在412.67～6787.83μm3/cell范围变化。总体上看，藻类体积先逐渐增大，而后在第4～6d体积变小。表明藻类生长过程中先是个体的增长，之后是数量的增殖，但是平均体积会变小。藻类荧光强度的大小反映了其生物活性的强弱，培养初期，底层样品的荧光活性最好，然后依次是5.0m水层、0.5m水层、2.0m水层和10.0m水层样品;培养至第4d，各个样品的藻类荧光强度差异变小，在41246～81661AU/mg范围变化;之后第5d、第6d，各个样品的藻类荧光活性发生变化，最大的5.0m水层样品，达到704526 AU/mg，其次底层样品和10.0m水层样品，最小的是0.5m和2.0m水层样品，分别为97214 AU/μm3和91724 AU/mg。表明培养过程中，藻类生长活性有一个由强到弱然后再增强的过程，而较低正磷酸盐浓度 (0.5m和2.0m水层样品)会抑制藻类的生物活性使其一直处于一个较低的水平。

图6 培养期间藻类平均体积变化图

2.5 室内状态磷盐与藻类生长关系分析

分析0.5m以及2.0m水层培养样品，藻类生物量分别从5.64、2.86mg/L增长到25.06、35.95mg/L，在培养初期持续增长，在第4～5d增长放缓，然后第5～6d再次迅速增长，5.0m水层、10.0m水层和底层培养样品一直持续增长，分别从0.26mg/L增长到2.52mg/L，0.11 mg/L增长到1.06mg/L，0.03mg/L增长到3.11mg/L。5个水层的样品培养至第6d生物量分别增加了3.44倍、12.57倍、8.69倍、8.64倍和102.67倍。正磷酸盐变化如图8所示，0.5m和2.0m水层样品正磷酸盐含量相近变化相似，前3d持续下降，在第3～4d保持在0.008～0.013mg/L的较低水平，第5d分别增大到0.027 mg/L和0.037mg/L，然后第6d又降低到0.003mg/L;其它三个水层样品正磷酸盐含量比较接近，培养期间5.0m水层和底层样品藻类活性更好，其正磷酸盐减少较10m水层样品更快。上述情况表明:在水体正磷酸盐含量较低的时候(＜0.013mg/L)藻类会释放部分之前积累在体内的磷盐，并将水体中部分有机态磷转化为正磷酸盐，这一过程发生在此次培养的第4d。在室内培养过程中，正磷酸盐与藻类生物量关系见图9，藻类增长不断消耗培养液中的正磷酸盐，y=－0.005x+0.138，其消耗速率略小于自然水体 (y=－0.007x+0.150)，在室内培养条件下，1L培养液理论上能保证藻类增长到27.6mg的生物量，稍多于天然状态下的21.4mg，这是藻类在不利条件下释放和转化磷盐的结果。

3 结论

大宁河回水区磷盐与藻类变化表现出明显的时空差异性。多年的调查数据表明，每年的3～6月大宁河回水区水体营养盐和藻类含量会逐渐增大，达到一较高水平并保持数月;对比营养盐氮磷的年变化情况，磷盐的波动变化更大，受环境因素影响更敏感。在2011年3～6月对大宁河回水区整个区域的调查过程中发现，水体磷盐含量从回水区上游至入长江河口逐渐增大;总磷、溶解性磷和正磷酸盐三个指标中，正磷酸盐变异性最大，能够较好地反映藻类消耗磷盐的情况。正磷酸盐和藻类生物量呈显著负相关关系，采用线性关系粗略分析，在室内培养条件下藻类能在水体正磷酸盐含量较低时释放和转化磷盐，其藻类生物量理论极限容量值略高于天然状态。室内培养藻类发现，藻类生长过程中先是个体的增长，之后是数量的增殖，但是平均体积会变小;藻类生长活性有一个由强到弱然后再增强的过程，而较低正磷酸盐浓度会抑制藻类的生物活性使其一直处于一个较低的水平。

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