三峡水库大宁河春季水华藻类分布及影响因子

2012-11-29洪尚波吴光应付道林

水资源保护 2012年1期

洪尚波,吴光应,万丹,付道林

(重庆市巫山县环境监测站,重庆 404700)

大宁河发源于陕西省平利县的中南山,流经巫溪、巫山县之间的云崖险峰,注入巫峡西口的长江,在巫山县境内的流域面积为343.5km2[1],是三峡水库一级支流。三峡水库正式运行以来,最高水位已达到172m,大宁河下游约50km成为库湾区,在长江干流对其的顶托作用下,水流非常缓慢,滞留时间长,易形成富营养化并在适宜条件下暴发水华。2010年3月中旬,大宁河回水区部分水域发生水华,水华表观为酱油色,在数个河段呈片状分布。笔者分析了此次水华期间浮游藻类的群落组成与时空分布特征,并探讨其影响因素,以期为三峡库区支流的水华预警预报与控制工作提供参考依据。

1 调查范围与研究方法

1.1 调查范围

根据大宁河流域的水文地质特征及此次水华暴发情况,选取调查点位(图1):A点位于此次水华区域上游;B、D点均位于一个很大的库湾;C点位于一个长约2 km的峡谷;E点位于大宁河在长江的入口。每个采样断面分水深0.5m、2.0m、5.0m采样,在整个水华期间每2d采样1次。取B、C、D、E点的均值分析当日水华发展的总体情况;取水深0.5m处的数据作为水体表层数据。

图1 采样点示意图

1.2 分析方法

水质理化监测项目包括TN 、TP、NH3-N、CODMn、DO 、Chl-a、SD、pH 、水温 T、浊度(NTU)和电导率等 11项。采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定ρ(TN);采用钼酸铵分光光度法测定ρ(TP);采用纳氏试剂分光光度法测定ρ(NH3-N);酸性高锰酸钾法测定 ρ(CODMn)。为了控制测定的准确性,在TN、TP、NH3-N和CODMn分析时,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。具体分析方法参见文献[2]。

藻类的分类、计数采用光学镜检法,用长条计数法计数[2-3];Chl-a、DO、浊度采用便携式多参数水质测定仪(DS5X)测定;水体流速、流量、河宽、水深等水文参数用多普勒测流剖面仪(YCN-RC3025)测定;数据相关性及主成分分析采用SPSS17.0统计软件处理[4-6]。

2 结果分析与讨论

2.1 水体环境因子

2.1.1 水环境概况

此次水华暴发正值三峡水库放水期间,2010年3月12—3月16日,长江巫山段水位以平均0.13m/d的速度下降,大宁河回水区域的水体流速为0.00～0.02m/s。水华集中在B、C、D、E点位所在区域。水华区域环境因子数值见表1。水华期间,调查区域的水温保持在13℃左右,其日间 ρ(DO)为7.63～12.23mg/L,pH值在8.17～9.22,水体偏弱碱性。3月12日,ρ(Chl-a)平均值为 18.80mg/m3;3月14日为32.06mg/m3,最大值达到111.97mg/m3;3月16日为11.71 mg/m3,趋于同期正常水平。水华区域ρ(TN)为 1.198～3.862 mg/L,日均值分别为1.667mg/L、1.781mg/L 、1.663mg/L;ρ(TP)为 0.027～0.499mg/L,日均值分别为 0.141mg/L、0.163mg/L、0.081mg/L;ρ(CODMn)为 1.38 ～ 4.65mg/L,日均值分别为3.08mg/L,2.28mg/L,2.44mg/L。水华期间,环境因子Chl-a、TN、TP随水华过程的进行表现出先增大后减小的规律。

2.1.2 水体分层比较

此次水华期间,水体表层处(0.5m)的pH值最大,水深增大,pH 值变小(图2)。分析Chl-a、TN、TP在水体0.5m、2m、5m水层的垂向变化(图2),在 3月12日水华早期,Chl-a、TN、TP均在2m水层出现最大值,3月14日水华中期Chl-a、TN、TP最大值皆出现在0.5m水层,表明在水华前期和中期,Chl-a、TN、TP随水深变化有很强的关联性。其最大值所在水层的改变,表明藻类有向适宜环境大量迁移的习性,而3月14日Chl-a、TN、TP在0.5m 水层出现最大值,推测是当日天降小雨,藻类向水体表层迁移所至。3月16日水华后期,Chl-a最大值出现在2m水层,而氮磷营养盐被此水层藻类大量消耗掉,使得TN、TP在此处出现最小值。

表1 大宁河春季水华期间水华区域主要物理化学参数

图2 不同水层 pH 值、ρ(Chl-a)、ρ(TN)、ρ(TP)变化

2.2 浮游藻类的种类组成

此次春季水华期间,共鉴定浮游藻类7门24属,其中绿藻门10属,硅藻门8属,蓝藻门2属,其余甲藻门、隐藻门、裸藻门、黄藻门各1属。常见的检出种类有甲藻门的拟多甲藻,绿藻门的衣藻、小球藻,蓝藻门的色球藻以及硅藻门的颗粒直链藻。由图3可知,浮游藻类以甲藻和绿藻为主,共占到藻类数量的77%:其中第一优势种类为拟多甲藻,占38%,其次为小球藻,占19%,衣藻占12%以及其他。

图3 大宁河春季水华期间藻类组成结构

对比分析3月12日、14日、16日各采样点的藻类密度(图4),3月12日,5个采样点藻密度范围2.44×105～50.35×105个/L第一优势种拟多甲藻在5个采样点的密度分别为0.35×105、5.15×105、1.55×105个/L、21.55×105个/L、3.45×105个/L,在总浮游藻类中所占比重为 5.51%、30.12%、6.35%、42.80%、12.26%,水体中藻类整体丰度并不高,但B、D两点拟多甲藻的种群优势明显,都超过了30%。3月14日,各样点藻密度范围26.6×105～153×105个s/L,第一优势种的拟多甲藻在5个采样点的密度分别为2.15×105个/L、23.55×105个/L、99.35×105个/L、84.25×105个/L、60.9×105个/L,在总浮游藻类中所占比重为8.08%、40.50%、64.93%、71.58%、50.25%,A点藻类总密度有所增大,但甲藻比重仍低于10%,水华区域 B、C、D、E点藻类疯狂生长,尤以C点为最。水华区域拟多甲藻获得绝对种群优势。其比重平均占到56.82%。3月16日,5个采样点藻密度变化范围为20.01×105～47.8×105个/L,作为第一优势种的拟多甲藻在5个样点的密度分别为0.55×105个/L、6.55×105个/L、16.35×105个/L、4.95×105个/L、3.1×105个/L,在浮游藻类中所占比例为2.74%、14.60%、34.21%、16.98%、7.48%,比重整体下降,拟多甲藻仅在C点仍保持着种群优势,表明C点的峡谷地带的水华持续时间更长一点。

2.3 藻类生长分布特点及其影响因素

2.3.1 水华过程氮磷营养盐变化

此次水华第一优势种为拟多甲藻,其生物量在总浮游藻类中所占百分比以及各调查点氮磷比值见图5。3月14日,在水华区域的B、C、D、E点拟多甲藻种群优势最为明显,其所占比值均在40%以上,此时氮磷比为水华期间最小,其值均小于10。在水华后期,氮磷比迅速变大,除水华消退较慢的C点外其余各调查点氮磷比值均在20以上。以上表明,拟多甲藻水华的暴发会降低水体氮磷比,而随着该水华的消退,水体氮磷比会较迅速的恢复到一个较高的水平。

2.3.2 种类多样性指数与均匀度指数

图4 大宁河春季水华期间各调查点藻类分布

图5 大宁河春季水华中氮磷比及优势种比重变化

Shannon-Weaver种类多样性指数(H′)是对浮游植物群落物种数敏感的指数,对浮游植物群落多样性有较好的解释。其值越大,表明其群落结构越复杂,稳定性越大,水质越好;Pielou均匀度指数(J)可以很好地应用于浮游植物群落多样性分析中,分别按下式计算[8-9]

式中:S为生物种类数;ni为i种的个体数;N为总个体数。

图6 大宁河春季水分结期间各调查点生物多样性指数、生物均匀度指数

由图6可见,整个水华期间各采样点H′值和J值分别为 1.6387～ 3.1165、0.4731～0.8524,采用SPSS17.0软件对H′和J进行检验,在0.01水平上显著相关。根据评价标准[9-10],有86.7%的样点属于中污染。(H′＞3,轻或无污染;H=1～3,中污染;H=0～1,重污染。)分析该次水华不同时期的浮游藻类情况,处于水华区域的B、C、D、E点,在水华中期(3月14日)H′值和J值均显著低于水华前期(3月12日)和水华后期(3月16日)。对比各采样点情况,A、E两点 H′和J处于较高水平,其中A点位于水华区域上游的巴雾峡口,E点位于大宁河的入江口,A点未发生水华,调查期间叶绿素a均值为2.96(1.92～4.40)mg/m3,E点水华比较严重,叶绿素a均值为42.51(6.30～11.97)mg/m3。以上表明,水华的暴发会使得浮游藻类的群落结构变得不稳定,且该群落会自发向稳定群落结构发展;而江河汇口区域较强的水体紊流效应,会使得该区域的浮游藻类特征异于其它水华区域,表现出较好的群落稳定性和生物均匀性;水华后期,整个区域的浮游藻类结构稳定性差异会变小。

Chl-a和H′是对浮游藻类生物量和群落稳定性的分别表征[10],大宁河3月中旬水华前中后期,Chl-a和H′与各环境因子相关性见表2。前期和中期,Chl-a和H′呈负相关;后期Chl-a和H′呈正相关。可见在水华的前、中期,浮游藻类生物量的增大会使其群落越来越不稳定,而在水华后期,生物量的增大却可以增加其群落稳定性。

分析Chl-a与其他环境因子的相关性可知,在水华中期,ρ(Chl-a)和 ρ(TN)、ρ(TP)呈高度正相关,其相关系数分别为0.857、0.910(p＜0.01),该时期氮磷营养盐是影响浮游藻类生物量的关键因子,而在水华后期其相关性变得不明显(相关系数分别为0.132、0.086)。水华中期,Chl-a和氮磷比值呈负相关(-0.637;p＜0.05)。Chl-a与NTU在水华前、中期显著正相关(0.939、0.840;p＜0.01),在水华后期相关性不明显(0.111),说明在浮游藻类疯长聚集时,藻类生物量是影响水体浊度的主要因素。在水华中期,ρ(Chl-a)与 ρ(DO)、pH、电导率的相关性也变得显著起来(表2),分析可知浮游藻类生物量的增加会使得水中DO和pH值的增大,而电导率会变小。

分析H′与其他环境因子的相关性可知,在水华前期 H′与ρ(TP)呈高度负相关(-0.848;p＜0.01),与氮磷比呈高度正相关(0.816;p＜0.01),说明磷营养盐的富集增多会使浮游生物群落变得不稳定,是藻类疯长的表征。此外的环境因子与H′相关性均不显著,表明浮游生物群落稳定性受各环境因子的影响很复杂,是一个相互影响的动态稳定。

表2 大宁河春季水华期间水体特征因子与Chl-a、H′相关性分析结果

表3 水体特征因子主成分分析

2.3.4 主成分分析

此次水华区域水生态环境特征指标的主成分分析结果见表3。水华前、中、后期前3个主成分分量的累计方差贡献率均超过80%,满足生态环境分析的需要[10]。水华前、中期第1主成分中反映信息基本相同,氮磷营养盐是藻类生长的物质基础,Chl-a指标反映藻类生物量,藻类大量增殖聚集会导致水体浊度增大,而DO、pH是和藻类生物量相互影响的因子。水华前期第2主成分反映了 T、DO、电导率和pH的信息,水华中期,CODMN是决定第2主成分的主要因子。水华后期,第一主成分反映的信息改变,主要体现了 T 、DO、pH、CODMN和浊度的信息,营养盐指标TN、TP与Chl-a成为决定第2主成分的主要因子,第三主成分的主要因子为Chl-a。可见,在1次水华过程中,水环境特征的主要影响因子会从营养盐因子TN、TP向水环境状态因子水温、DO、pH等转变。