不同水库调度期小江回水区营养盐与叶绿素a的垂向分布特征

蔚建军， 张 磊,3*， 付 莉， 周 川， Douglas G.Haffner,3

(1.西南大学 资源环境学院， 重庆 北碚 400716; 2.重庆市国际科技合作基地中 加三峡水域科学研究中心， 重庆 北碚 400715; 3.加拿大温莎大学 大湖环境研究中心， 加拿大安大略省温莎市， N9B 3P4)



不同水库调度期小江回水区营养盐与叶绿素a的垂向分布特征

蔚建军1,2， 张 磊1,2,3*， 付 莉1,2， 周 川1,2， Douglas G.Haffner1,2,3

(1.西南大学 资源环境学院， 重庆 北碚 400716; 2.重庆市国际科技合作基地中 加三峡水域科学研究中心， 重庆 北碚 400715; 3.加拿大温莎大学 大湖环境研究中心， 加拿大安大略省温莎市， N9B 3P4)

小江回水区； 营养盐； 叶绿素a； 垂向分布

三峡水库建成蓄水之后，支流水环境由原来的河流型转变为开放湖泊型。水位变化导致支流回水区流速减缓，颗粒物携带营养盐沉积效应增强，浮游植物生物量升高，营养盐在库湾中产生明显的滞留效应[1-3]。另一方面，在三峡水库调度运行背景下，水位的周期性波动会影响沉积物生物地球化学循环途径，促进沉积物营养盐的释放[4-5]。因此，蓄水之后库区水质富营养状况不断恶化，主要典型支流频繁爆发水华，引起了严重的水环境问题，受到社会的广泛关注[6-7]。

营养盐是富营养化问题出现的必要条件和水华爆发的物质基础，其存在形态、结构和分布特征受到广泛的重视[8-9]。N、P是富营养化的主要控制元素。而叶绿素a是表征浮游植物现存量的重要指标，在水华预警监测中常作为反映水华严重程度的指针。目前，学者已对三峡库区主要支流营养盐的主要赋存形态、干流倒灌对回水区营养盐的影响及营养盐和叶绿素a时空分布进行了大量研究[10-12]。但这些研究主要着眼于干流倒灌对支流回水区营养盐和叶绿素纵向分布的影响，在分析叶绿素a与营养盐关系时，也仅限于表层叶绿素a。有关营养盐和叶绿素垂向变化对库区水位调度响应的研究尚未见报道。而营养盐和叶绿素a的垂向动态是研究水华机理的基础[13]，对其进行研究具有重要的理论和现实意义。

为了探讨三峡水库调度运行下，典型支流回水区营养盐和叶绿素a的垂向分布特征及其相互关系，笔者选取典型支流—小江高阳平湖为研究区域，按热分层原理[14]进行分层跟踪监测，为三峡库区水华机制研究和三峡库区水位生态调度提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

小江水域处于北纬30°49′～31°42′，东经107°56′～108°54′，发源于重庆市开县白泉乡钟鼓村，流域面积5 172.5 km2，主河长约182.4 km，河口距三峡大坝274 km，年均流量116 m3/s，是三峡库区北岸中段流域面积最大的支流，也是爆发水华最频繁的支流之一。高阳平湖位于小江回水区中段(图1)，是三峡水库蓄水倒灌小江形成的巨大平湖，且有二级支流(洞溪河)注入，最大水深约40 m，在三峡水库调度运行背景下水深落差达30 m，受三峡调度影响显著，水环境复杂。选择该区域开展研究具有代表意义。

图1 小江回水区位置和采样点分布图

Fig.1 Sampling distribution of Xiaojiang backwater area

1.2 采样方案

根据高阳平湖周围环境情况，参照地表水监测点布设规范，选取样点①(N31°5.908′，E108°5.39.913′)、样点②(N31°5.282′，E108°40.416′)、样点③(N31°4.537′，E108°40.168′)和样点④(N31°4.179′，E108°41.125′)共4个采样点(图1)。各采样点分表层(水下0.5 m)、中层[位于斜温层中部，斜温层具体深度范围根据RBR探头(加拿大RBR公司)现场读取的温度剖面确定]、底层(湖底上0.5 m)3个测点采集水样，平时每月至少1次，根据环境和气候状况增加采样频率。采样时间段为2013年4—12月，采样时间为上午8:00-11:00，将样品保存4℃运回实验室，48 h之内完成所有指标的测定。

1.3 监测指标与分析方法

1.4 数据分析

所有数据统计分析均在SPSS 18.0中进行，采用Excel 2010作图。对比发现高阳平湖水深变化与库区水位变化一致，因此，为了反映水位变化在高阳平湖引起的实际情况，以水深反映库区水位调度情况，为了便于表述，论述中将整个调查期根据水位变化分为4个阶段：泄水期(4—6月上旬)、低水位期(6月中旬—8月)、蓄水期(9—10月)和高水位期(11—12月)。

2 结果与分析

2.1 叶绿素a浓度的分布特征

高阳平湖叶绿素a浓度动态变化如图2所示。叶绿素a浓度随时间波动较大，表层的变化范围为(1.31±0.28)～(78.45±53.67)μg/L、中层为(1.27±0.1)～(43.44±3.43)μg/L，最高浓度分别约为最低浓度的60倍和34倍。底层由于长期处于黑暗环境，叶绿素a浓度极低，仅8月29日经历短期增长。5月下旬至10月中旬，叶绿素a浓度维持在较高水平，随着水位变化而波动。但库区进入高水位运行后，叶绿素a浓度下降到整个调查期的最小值。研究期间3个采样层叶绿素a浓度变化趋势并不一致，5月21日高阳平湖爆发水华，其表层叶绿素a浓度值为监测期最大，然后随水花消退而下降，至6月20日水花完全消退后保持稳定，之后随着汛期水位波动和蓄水有小幅增加。而中层叶绿素a在5月21日水花爆发时浓度很低，仅为表层的1/13。之后随表层叶绿素和水位下降快速增长，并在低水位期间保持在较高浓度，8月下旬汛期过后，其浓度迅速增至前一次采样时的2倍，高于当日表层浓度。

图2 高阳平湖不同水深层中叶绿素a浓度的分布特征

图3 高阳平湖不同形态磷的动态变化

2.2 磷的动态变化

由图3可知，泄水过程中(4月28—6月5日)表层、中层的TP浓度总体高于其他时期，总体表现为泄水期>高水位期>低水位和泄水期。底层TP在泄水期和低水位运行期浓度均较高，高于蓄水期和高水位运行期。但9月12日由于受采样前降雨影响，其TP高于其他时期，DTP也有这一现象，SRP未受影响。DTP和SRP受水位变化比TP更明显，浓度时间变化规律与水位变化一致，高水位期高于低水位期。此外，水位变化对3种磷垂向分布也有明显影响，高水位期间表、中、底层之间浓度差较小，而其他3个时期，表层至底层呈依次增大趋势，且底层浓度远高于表层和中层。

2.3 氮的动态变化

图4 高阳平湖氮的动态变化

注：*表示显著水平为0.05，**表示显著水平为0.01，“-”表示无显著相关性。

Note：* and ** and indicate significance of difference at 0.05 and 0.01 level.“-“ represents no significant correlation.

2.4 叶绿素a与营养盐的关系

3 结论与讨论

1) 研究表明，叶绿素a浓度的变化受水位变化影响明显，泄、蓄水和汛期水位的快速波动均引起了叶绿素a浓度的快速增长，表层叶绿素a在泄蓄水期和蓄水期均出现了峰值，泄水期发生了蓝藻水花。中层叶绿素低水位期浓度较高。这可能是水位变化引起流速和营养状况发生改变所致。研究表明[15]，对于缓流水体，藻类的生长存在最适流速，小江回水区受三峡蓄水影响流速较缓，库区水位变化是回水区流速的控制因素。杨敏等[16]在香溪河研究发现，在一定流速范围内，较高流速条件下水体藻细胞密度高于低流速条件。说明当库区水位下降或上升到一定高度时，回水区出现适宜藻类生长的最适流速导致藻类快速增长从而使叶绿素a浓度增加。此外，黄钰铃等[17]研究发现，水深变化引起的扰动和垂向浓度梯度会加速底泥营养向上层水体释放，这为藻类生长提供了充足的营养，使得藻类快速生长。这说明水位变化不仅使水动力条件变得适宜藻类生长，而且为藻类生长提供了较好的营养条件。同时水体扰动加强会使水体悬浮物增加，导致水体透光性减弱，真光层深度下降，下层水体藻类生长受到抑制，降低了表层水体藻类生长的营养竞争压力[17]。这与本文研究结论相符。

[1] 冉祥滨,姚庆祯,巩 瑶,等.蓄水前后三峡水库营养盐收支计算[J].水生态学杂志,2009,2(2):1-6.

[2] 张佳磊,郑丙辉,刘录三,等.三峡库区大宁河库湾水体混合过程中的营养盐行为[J].水利水电科技进展,2013,33(6):66-71.

[3] 王晓春,郭劲松.三峡水库蓄水后小江水环境容量的变化[J].环境科学研究,2012,25(1):36-42.

[4] 刘华丽,曹秀云,宋春雷,等.水位变化对湖泊沉积物营养释放的影响[J].环境科学与管理,2012,37(5):25-30.

[5] 曹 琳,吉芳英,林 茂,等.有机质对三峡库区消落区沉积物磷释放的影响[J].环境科学研究,2011,24(21):185-190.

[6] 黄宁秋,安 强,龙天渝,等.流速变化对于三峡库区次级支流富营养状况的影响[J].四川大学学报,2012,44(2):206-210.

[7] 邱光胜,胡 圣,叶 丹,等.三峡库区支流富营养化及水华现状研究[J].长江流域资源与环境,2011,20(3):311-316.

[8] 张 晟,李崇明,付永川,等.三峡水库成库后支流库湾营养状态及营养盐输出[J]．环境科学，2008,29(1)：7-12．

[9] 李 哲,郭劲松,方 芳,等.三峡小江回水区氮磷赋存形态与季节变化特点[J].环境科学,2009,30(6)：28-34．

[10] 吉小盼,刘德富,黄钰铃,等.三峡水库泄水期香溪河库湾营养盐动态及干流逆向影响[J]．环境工程学报,2010,4(12)：2687-2693．

[11] 郭 胜,李崇明,郭劲松,等.三峡水库蓄水后不同水位期干流氮、磷时空分异特征[J].环境科学,2011,32(5):1266-1267.

[12] 郭劲松,陈 园,李 哲,等.三峡小江叶绿素a季节变化及其同主要藻类的相互关系[J].环境科学,2011,32(4):976-981.

[13] 孔繁翔,高 光.大型潜水富营养化湖泊中蓝藻水华形成机理的思考[J].生态学报,2005,25(3):589-595.

[14] 杨正健,刘德富,马 骏,等.三峡水库香溪河库湾特殊水温分层对水华的影响[J].武汉大学学报：工学版,2012,45(1):1-9.

[15] 张毅敏,张永春,张龙江,等.湖泊水动力对蓝藻生长的影响[J].中国环境科学,2008,27(5):707-711.

[16] 杨 敏,毕永红,艾 鹰,等.人工控制条件下水流速对香溪河库湾浮游植物影响的初步研究[J].长江流域资源与环境,2012,21(2):220-224.

[17] 张佳磊,郑丙辉,熊超军.三峡大宁河水体光学特征及其对藻类生物量的影响[J].环境科学研究,2014,27(5):492-497.

[18] 胡念三,刘德富,纪道斌,等.三峡水库干流倒灌对支流库湾营养盐分布的影响[J].环境科学与技术,2012,35(10):6-11.

[19] 郑钧宁,夏品华，林 陶，等.贵州草海城郊混合区农田沟渠氮磷含量及分布特征[J].山地农业生物学报，2013，32(3):224-228.

[20] 陈媛媛,刘德富,杨正健,等.分层异重流对香溪河库湾主要营养盐补给作用分析[J].环境科学学报,2013,33(3):762-770.

[21] Ploug H. Cyanobacterial surface blooms formed by Aphanizomenon sp and Nodularia spumigena in the Baltic Sea: small scale flues, pH, and oxygen microenvironments[J].Limnol Oceanogr,2008,53(3):914-921.

[22] 李 哲,郭劲松,方 芳,等.三峡小江回水区蓝藻季节变化及其与主要环境因素的相互关系[J].环境科学,2010,31(2):301-309.

[23] 刘 佳，黄清辉，李建华.崇北湖叶绿素a浓度与环境因子的GAM回归分析[J].中国环境科学,2009,12(29)：1291-1295.

[24] 李 媛,刘德富,孔 松,等.三峡水库蓄泄水过程对香溪河库湾水华影响的对比分析[J].环境科学学报,2012，8(32):1882-1893.

(责任编辑： 刘 海)

Vertical Distribution Characteristics of Nutritive Salt and Chlorophyll a in Xiaojiang Backwater Area During Different Regulation Period of Three Gorges Reservoir

YU Jianjun1,2, ZHANG Lei1,2,3*, FU Li1,2, ZHOU Chuan1,2, Douglas G.Haffner1，2,3

(1.CollegeofResourcesandEnvironment,SouthwestUniversity,Chongqing400716; 2.China-CanadaThreeGorgesReservoirWaterScientificCentre,Chongqing400716，China; 3.ResearchCenterforEnvironmentofGreatLake,UniversityofWindsor,Windsor,OntarioN9B3P4,Canada)

Xiaojiang backwater area; nutritive salt; chlorophyll a; vertical distribution

2014-12-01； 2015-05-01修回

国家科技合作专项(2013DFG92520)

蔚建军(1990-)，男，在读硕士，研究方向：环境微生物。E-mail: jerksion@163.com

*通讯作者：张 磊(1967-)，女，副教授，博士，从事水体富营养化防治、土壤微生物修复研究。E-mail: zhanglei03@aliyun.com

1001-3601(2015)05-0275-0212-05

S917

A