三峡水库正常蓄水后长江口海域营养盐分布与结构变化＊

王子成，王保栋＊，辛 明，孙 霞，韦钦胜，杨 波

（1.国家海洋局 第一海洋研究所，山东 青岛266061；2.中国海监上海市总队，上海200136）

在大江大河上筑坝可能会减少水沙的入海通量，从而对海洋生态系统产生负面影响［1］。例如，印度恒河上的法拉卡大坝（Farakka Dam）建成后，自恒河流入孟加拉湾径流量减少了75%［1］；1965年阿斯旺大坝（Aswan Dam）建成后，自尼罗河流入地中海的淡水量减少了90%以上［2］；由于筑坝活动和流域降水减少，上世纪90年代以来我国黄河的年均径流量仅为上世纪50年代的1／3左右［3］。此外，在流域上建造大坝的河流约有25%的输沙通量被水库拦截［4］。

大型水库的建造还会拦截营养盐的入海通量。例如，法国塞纳河上游的3个大水库将进入库区40%的氮（N）、50%的硅（Si）和60%的磷（P）截留在库内［5］；澳大利亚的Suma Park水库，每年截留16%～98%的入库磷［6］。阿斯旺大坝（Aswan Dam）建成后，尼罗河的溶解硅含量减少了200μmol／L［7］。河流拦截活动导致进入黑海和波罗的海的入海河流溶解硅通量显著减少，并引起浮游植物群落的显著改变［8－9］。

长江是亚洲第一大河、世界第四大河（按径流量）。三峡工程作为巨型水利工程而举世瞩目。三峡大坝于2003－06首次蓄水至135m，2006－10实现二期蓄水目标156m，2008－10开始三期蓄水试验至172.3m，2010－10实现175m正常蓄水位。关于三峡工程引起的长江入海物质通量变异及其对近海生态环境的影响，早期的研究工作往往是基于一些假设或模型来推测三峡工程对长江口海域生态环境的影响［10－15］。近年来的研究工作则主要集中在一期蓄水后长江口海域营养盐水平和结构的变化［16－18］。但目前尚无关于三期蓄水（即正常蓄水）后长江口海域生态环境因子变化的研究报道。本文通过对三峡水库正常蓄水后在长江口海域营养盐及相关因子的现场调查，并与三峡大坝合拢前进行比较，以期了解三峡大坝正常运行后长江口海域营养盐的分布变化情况，为评价三峡工程对长江口及邻近海域生态环境影响提供科学依据。

1 调查与方法

本文使用的数据来源为国家重点基础研究发展规划——重大水利工程影响下长江口环境与生态安全项目三个航次的现场观测数据，由国家海洋局第一海洋研究所组织完成。在长江口及其邻近海域布设了4条东西断面共30个站位，开展了温度、盐度和深度观测与水样采集。调查时间分别为夏季（2010－08－06－13）、秋季（2010－10－31－11－06）、春季（2011－05－12－15）。调查范围及站位设置见图1。

图1 长江口及其邻近海域调查站位图Fig.1 Sampling stations in the Changjiang Estuary and its adjacent sea areas

调查按照GB12763.4－2007《海洋调查规范 第4部分：海洋化学要素调查》［19］，用CTD仪测量温度、盐度和深度，并利用Niskin采水器同步采水。水样采集后，立即用孔径为0.45μm的醋酸纤维膜（稀盐酸浸洗后，用去离子水洗至中性）过滤，并将滤液分装于聚乙烯瓶中，硝酸盐（）、亚硝酸盐（）、氨氮（）、磷酸盐（）冷冻保存，硅酸盐（）常温保存，带回实验室后使用营养盐自动分析仪测定。叶绿素a样品经GF／F滤膜过滤后冷冻保存，带回实验室用特纳荧光计测定。

2 结果与讨论

2.1 长江口海域盐度与营养盐的分布特征

2.1.1 盐度的分布特征

从表层盐度分布可以看出（图2），春季长江冲淡水自口门冲出后，沿东南方向扩展，然后在（122°30′E，31°30′N）左转呈舌状向东北方向扩展，盐度30的等值线向东接近123°30′E，向北接近32°N。进入夏季，冲淡水扩展范围进一步扩大，整个调查海域全部被盐度小于30的冲淡水所覆盖。秋季，长江入海径流量减小，但冲淡水向东北方向扩展的趋势依然明显，而向东南方向的输送趋势减弱，盐度30的等值线亦回缩到122°30′E。调查海域北部受到了黄海沿岸流南下的影响；而在东南方向有台湾暖流的顶托作用，在夏季尤其明显［20］。

2.1.2 营养盐的分布特征

表层营养盐的分布特征与盐度的十分相似（图2），营养盐整体上呈现近岸高、远岸低的特点。春季，高浓度的DIN冲淡水从口门冲出后，首先向东南方向扩展，在（122°00′E，31°30′N）向左转向，20μmol／L的DIN浓度等值线范围可达123°30′E。在口门处的浓度超过了2μmol／L，其0.6μmol／L等值线向东可达123°E。在口门处浓度为35μmol／L左右，20μmol／L等值线只到达122°30′E，远低于同浓度DIN的影响范围。

夏季，由于长江径流量大，长江入海营养盐通量大，给长江口海域带来了大量的营养盐，调查海域几乎被高浓度营养盐的长江水所覆盖。在东北方向，20μmol／L的DIN浓度等值线甚至已经超出本次调查范围。口门附近浓度高达2μmol／L，与春季相比高值范围明显扩大。在河口区的高值约为50 μmol／L，浓度20μmol／L等值线只到达122°45′E左右，远低于同浓度DIN的影响范围。

秋季，营养盐向东北方向扩展的趋势减弱，冲淡水主体贴岸南下，在杭州湾口及以南海域营养盐等值线几乎平行于岸线，20μmol／L的DIN浓度等值线影响范围退缩到122°30′E。的高值区有向北移动的趋势。浓度为20μmol／L的等值线影响范围退缩到122°E附近。

图2 长江口及邻近海域表层盐度及营养盐（μmol／L）平面分布Fig.2 Surface distributions of salinity and nutrients（μmol／L）in the Changjiang Estuary and its adjacent sea areas

2.2 叶绿素、营养盐沿盐度梯度的分布

图3可以看出，春季叶绿素在低盐度区域含量相对较低；在盐度大于20的海域，某些站位的叶绿素a含量开始增大，并且在盐度27～31之间形成一个明显的叶绿素a峰值区。夏季，低盐区（盐度小于10）叶绿素a含量很低，但在盐度15～20范围内多数测站叶绿素a含量迅速升高，盐度高于20的区域含量又迅速降低，形成了以盐度18为中心的叶绿素a峰值区。秋季，叶绿素a含量在低盐区域含量较低，大都小于1μg／L，但在中等盐度区域有零星高值点分布，但未出现明显的叶绿素峰值区。

图3 长江口及邻近海域表层叶绿素a、营养盐与盐度关系Fig.3 Relationship among chlorophyll a，nutrients and salinity in the Changjiang Estuary and its adjacent sea areas

2.3 与三峡水库蓄水前的比较

三峡大坝于2003－06首次蓄水，2010－10实现正常蓄水。因此，本文选择蓄水前的2002年和正常蓄水后的2010年的数据进行对比分析。此外，长江入海径流量（大通站）2010年（10 567亿m3）与2002年（9 926亿m3）大致相当，此两年份的数据具有较好的可比性。

表1为三峡水库合拢蓄水前和正常蓄水后长江口海域营养盐浓度和比值的统计表。为了使不同年份／航次数据具有可比性，选择长江口被各航次调查站位全覆盖的同一海区（122°00′～123°30′E，30°30′～32°00′N）进行数据统计分析。从表1中可以看出，正常蓄水后长江口海域活性磷酸盐年均浓度较蓄水前大幅度增大了60%，尤其是夏季浓度增大了1倍多。无机氮年均浓度也有所增大，但增大幅度（27%）较磷酸盐小得多。虽然氮、磷浓度的增大可归因于流域人类活动排放的增加，但磷浓度的增大幅度如此之大，推测应还有其他原因，如库区内源性负荷。研究表明，长江水中颗粒态磷是磷的主要存在形态，占总磷的约3／4［22］。三峡水库每年截留1.5亿t泥沙淤积在三峡库底［23］，随着库底沉积物中结合态磷的释出，会有溶解态磷从沉积物中释放到水体中［24－25］，成为库区水体中溶解态无机磷的来源之一。

与氮、磷浓度的增大相反，正常蓄水后长江口海域活性硅酸盐年均浓度较蓄水前显著减小了20%，尤其是秋季减小了约50%（夏季例外）。硅酸盐浓度的减小是由于三峡水库的“人工湖效应”所致［8－9］，在此不再赘述。

需要指出的是，秋季长江口海域营养盐的变化与其他季节不同，秋季磷的增大幅度最小、无机氮的浓度正常蓄水后反而低于蓄水前、而硅酸盐浓度降低幅度最大，这均是三峡水库蓄水过程中入海径流量减小所致。三峡水库10月份蓄水造成大坝下泄流量减小，但三峡库区距长江口约2 000km，实际入海径流量的减小在时间上存在滞后效应。实际观测表明，长江入海径流量（大通站）2010年（10 567亿m3）略大于2002年（9 926亿m3），但11月的入海径流量2010年反而比2002年减少约1／3［22］，三峡水库10份蓄水过程的影响在11月长江口海域得以显现，使得冲淡水扩展范围和营养盐浓度及影响范围显著减小［10］。

长江口海域营养盐浓度的改变导致了营养盐结构的变化。尽管N／P比值各季节的变化略有不同，但总体上正常蓄水后较蓄水前有所降低，这是由于长江口海域磷浓度的增大幅度大于氮的增大幅度所致，这在一定程度上减小了长江口海域磷限制程度。Si／N比值正常蓄水后较蓄水前大幅度降低了约1／3，且年均值（0.60±0.23）已远低于Redfield比值1，这是由硅酸盐浓度降低和无机氮浓度升高共同影响的结果，这在一定程度上增强了长江口海域非硅藻的竞争优势。

表1 长江口海域营养盐浓度和结构统计结果Table 1 Statistic results of nutrient concentrations and compositions in the Yangtze River estuary

3 结论

基于三峡水库正常蓄水后长江口及其邻近海域的调查结果分析，并与三峡大坝合拢蓄水前的2002年同期、同海域调查数据进行了比较。结果表明，与三峡大坝合拢蓄水前相比，三峡水库正常蓄水后长江口海域溶解无机氮、无机磷含量分别增大了27%和60%，磷酸盐增大幅度显著高于无机氮。同时，长江口海域活性硅酸盐含量显著降低了20%，说明三峡水库的“人工湖效应”显著降低了长江入海活性硅酸盐通量。上述营养盐浓度的变化导致长江口海域N／P比值明显降低和Si／N比值的大幅度降低，长江口海域磷限制程度在减小，但非硅藻的潜在竞争优势在不断增加。此外，三峡水库秋季蓄水活动造成的入海径流量减少，导致该季节长江冲淡水扩展范围和营养盐浓度及影响范围显著减小。

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