蓄水期间三峡水库-葛洲坝水库上下游藻类分布规律

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(长江水利委员会水文局 长江三峡水文水资源勘测局，湖北 宜昌 443000)

长江三峡工程具有防洪、发电、航运和发展库区经济等巨大经济效益和社会效益，但同时库区生态环境也受到了一定影响。水库蓄水使库区水位抬升，水流逐渐减缓，水体扩散能力减弱,受大坝拦截回水顶托的作用，富营养化加剧，库湾和各支流水华风险逐步加大[1]。有关三峡水库浮游植物群落结构的研究已有很多，但主要集中在典型支流[2]，近年来对库区生态系统的研究也逐步从支流扩大到长江干流[3]。本文仅对三峡水库蓄水过程中藻类分布进行了比较研究。

1 研究方法

1.1 采样点

从三峡水库上游培石断面至葛洲坝下游虎牙滩断面，共设置8个监测断面，各断面间距约30 km。其中三峡水库设置培石(PS)、官渡口(GDK)、巴东(BD)、庙河(MH) 4个断面，葛洲坝下游设置宜昌(YC)、虎牙滩(HYT) 2个断面，两坝之间设置黄陵庙(HLM)、南津关(NJG) 2个断面。葛洲坝以上各断面设3条采样垂线，每条垂线取上、中、下3层水样，将各断面所取水样进行等量混合作为一个断面样品，按需加保存剂封存保管。

1.2 监测项目

主要监测项目有：总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮(NH4-N)、硝酸盐氮(NO3-N)、高锰酸盐指数(CODMn)、溶解氧(DO)、水温(T)、悬浮物(SS)、流量(Q)、藻密度。

1.3 分析方法

除现场测定水温和溶解氧以外，其他指标采取混合水样后带回实验室分析。水温用温度计测定；DO用溶氧仪测定；TN测定采用GB11894—89《水质总氮的测定》[4]中的碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法完成；TP测定采用GB11893—89《水质总磷的测定》[5]中的钼酸铵分光光度法；NO3-N测定采用SL86—1994《水中无机阴离子测定》[6]中的离子色谱法；NH4-N 测定采用GB7479—87《水质铵的测定》[7]的纳氏试剂比色法；CODMn测定采用GB11892—89《高锰酸盐指数的测定》[8]中的高锰酸钾法；SS测定采用GB11901—89《水质悬浮物的测定》[9]中的重量法 。

在各采样点采集2～5 L水样，加水样体积的1%鲁哥氏溶液固定，摇匀水样倒入沉淀器中，静置24 h后用于藻类鉴定计数。充分沉淀后用虹吸管慢慢吸去上清液至留下含沉淀物的水样20～25 mL，放入50 mL的定量样品瓶中，用吸出的少量上清液冲洗沉淀器2～3次，一并放入样品瓶中定容到50 mL。将定量样品摇匀用移液枪迅速吸出0.1 mL置于 0.1 mL计数框内。具体分析方法参照SL167-2014《水库渔业资源调查规范》[10]以及《淡水浮游微生物研究方法》[11]。

图1 2016年8～11月藻类在各断面的分布情况

2 监测成果

2.1 藻类时间分布规律

图1为2016年8～11月藻类在各断面的分布情况。

黄陵庙断面硅藻占总细胞密度比例最大，达到90%，官渡口最小为66%。绿藻占总细胞密度的比例相对均匀，黄陵庙最小为9%，巴东最大为25%。在庙河断面藻细胞总密度和硅藻密度有较为明显的变化。

8～10月，总细胞密度和硅藻密度从上游培石至下游虎牙滩呈逐渐递减趋势;11月培石断面的总细胞密度和硅藻密度低于官渡口和巴东，除培石断面外其他各断面细胞总密度和硅藻密度依然保持逐渐降低的趋势。8～11月，各断面藻类出现的种类并不一致，硅藻和绿藻出现几率最高，隐藻出现较少。培石断面各月均有隐藻出现，三峡库区4个断面在11月也有隐藻出现。随着蓄水水位抬升，总藻细胞密度的极大值点由黄陵庙断面逐步向培石断面移动。硅藻占总细胞密度的百分比越来越大，占比由75%上升至95%;相反绿藻占比从20%以上降至5%以下;蓝藻、隐藻对总量的贡献非常有限。

2.2 藻类空间分布规律

图2 2016年8～11月各断面不同藻类分布

图2为不同藻类在各断面的分布。由图可知,8个断面出现了3种比较典型的变化规律：①先减小后增大呈“V”型，如巴东、庙河、南津关、宜昌、虎牙滩5个断面，其中巴东变化的转折点发生在9月，其他断面则延迟到10月；②先增加后减小再增加呈“N”型，如官渡口和黄陵庙断面，9月和10月是两类藻细胞密度较大的月份；③先增大后减小呈“A”型，培石断面9月藻细胞密度较高。

各月份硅藻的细胞密度都占有绝对优势，在11月均达到最大，在其他月份差异不大。培石断面绿藻细胞密度在10月份最大，其他各断面绿藻细胞密度均较低。上游培石和官渡口断面以及下游宜昌断面至少有两个月出现蓝藻，其他断面出现蓝藻不超过1个月。

图3 2016年8～11月各监测项目的含量、指数分布

以巴东-庙河断面为界，上游3个断面平均藻细胞密度均超过400 cells/mL，范围在300～500 cells/mL；下游5个断面均低于400 cells/mL，范围在200～300 cells/mL。培石断面总细胞密度最大值出现在8～10月，官渡口断面最大总细胞密度出现在11月。巴东断面各月总细胞密度同时高于或同时低于相邻两个断面，成为一个明显的细胞总量转折点。

2.3 理化因子变化规律

图3为8～11月各监测项目的含量和指数分布。由图可知：

(1)各月份水中氨氮的含量变化不大，均在0.08～0.11 mg/L，其中宜昌和虎牙滩断面在9月出现一个较高值，明显高于其他月份。在7,8,10,11月中，除宜昌和虎牙滩外，其他断面水中氨氮含量最大值、最小值交替出现，存在一定的波动规律。

(2)各断面水中硝酸盐氮含量在各月份均有明显差异。8月硝酸盐氮含量在庙河断面有明显的变化，各断面9月硝酸盐氮含量均为最低。以庙河为界，上游3个断面总体上硝酸盐含量8月>10月>11月>9月，庙河断面硝酸盐含量11月>8月>10月>9月，庙河以下各断面硝酸盐含量8月>11月>10月>9月。

(3)总氮沿程变化与硝酸盐氮变化规律基本一致。10月总氮含量从培石到巴东经过缓慢地增长后，在庙河断面迅速下降并在三峡水库以下断面逐渐稳定，庙河以上断面总氮含量在1.80 mg/L左右，庙河以下各断面则降至1.70 mg/L以下。8月各断面总氮含量在2.00 mg/L左右，9月降至1.60 mg/L左右，10～11月总氮含量呈先上升后下降趋势。

(4)总磷的变化最为明显。总磷含量在8月和11月维持在0.090 mg/L，但三峡大坝和葛洲坝坝前的庙河与南津关两个断面在9月的总磷含量发生明显变化，庙河断面的总磷含量在10月也发生了变化。

(5)10月和11月溶解氧含量呈相反的变化趋势，但在庙河断面溶解氧的含量水平变化最为明显；8月和9月庙河断面以上各断面溶解氧的变化规律基本一致，并在庙河断面达到相同的含量水平，庙河断面以下各断面则呈现相反的变化规律。

(6)同一月内各断面间的水温变化不大，不同月之间各断面水温变化比较明显，最大温差在5℃以上。8月和9月各断面水温在26℃～27℃，且9月水温高于8月，水温相差0.7℃～1.0℃；10月和11月水温在21℃～24℃，10月各断面水温高于11月各断面水温，同一断面10月和11月间水温有较大差距，水温相差1.2℃～2℃。庙河断面以上水温差异较小，庙河断面以下水温差异则较大。

(7)高锰酸盐指数是反映水体有机及无机可氧化物污染的常用指标。在一定条件下，用高锰酸钾氧化水样中的某些有机物及无机还原性物质，由消耗的高锰酸钾量计算相当的氧含量。在规定条件下，许多有机物只能部分被氧化，易挥发的有机物也不包含在测定值之内。各断面高锰酸盐指数在8～11月逐月降低，由2.5 mg/L的最高值降至1.9 mg/L。各月高锰酸盐指数在庙河断面有明显变化，南津关断面也有类似变化。

(8)悬浮物含量各月都呈现从上游培石断面至下游虎牙滩断面逐渐减小的趋势。各断面在8月悬浮物含量最大，在庙河断面出现一次快速下降而后又上升的变化过程，该断面在其他月份也存在类似变化过程。

2.4 水文要素变化规律

各断面流量在8月最大，超过28 000 m3/s,其他各月则降至14 000 m3/s。由于三峡大坝在8月实施排洪泄水，庙河断面以下各断面流量逐渐增加；9～10月三峡大坝实施拦蓄洪水，庙河断面以下各断面流量减小。各断面在8～11月的流量变化详见图4。

图4 2016年8～ 11月各断面流量变化曲线

3 分析与讨论

3.1 理化因子的影响

溶解氧的含量变化与水温和水深都有一定关系，水深变化可以改变水体压强，对氧的溶解度造成影响；水深增加，水体压强增大，从而使得溶解氧含量增大[12]。水温也是影响水体氧溶解的因素之一，温度升高会使溶解氧浓度降低。水温是藻类生长的重要影响因子，通过光合作用、酶促反应或呼吸作用，直接影响藻类细胞生长增殖等过程。一般而言，藻类适宜的生长温度为15℃～30℃，温度过高或过低都不利于藻类的生长。该研究中水温满足藻类的一般生长条件。8～11月溶解氧与水温呈负相关，另外在此期间水位逐渐升高，水深增加，取表、中、底各层中的水，水体溶解氧含量也相应增加。同时，藻类光合作用也是增加水中溶解氧的一种途径。8～10月水体悬浮物含量逐渐减少，使水体透光性逐步增强。8月悬浮物含量最高，藻类光合作用强度最小，溶解氧含量最低，同时较低的光合作用也使藻类的生长繁殖受到抑制，藻细胞密度较低。

3.2 营养盐的影响

铵盐、硝酸盐、亚硝酸盐、磷酸盐、硫酸盐等多种营养盐的存在，一方面可作浮游植物和水生植物的营养素，有些还可供鱼类和其他水生动物及细菌直接吸收；另一方面还会对水质的pH值、硬度、碱度等产生一定影响[12]。铵盐、硝酸盐、亚硝酸盐属于氮素，是无机氮。一般浮游植物最先利用的是铵态氮，其次是硝态氮，最后是亚硝态氮。亚硝酸氮是不稳定的中间产物，在缺氧的条件下，其含量的增加对鱼类和其他水生动物有一定毒性。

水库的营养盐主要来源为上游水流[13-14]。氮在库区或河流中的增加主要来源于农业用化肥和流域内的大气沉降[12]。磷是由沿岸流域土壤和水体中沉积物内源释放而来[14]。有机质来源于藻类的光合作用、上游水体的输入，动、植物碎屑等。氮、磷等营养盐也是影响浮游植物生长的重要因素，通常情况下，浮游植物会随着水体中氮、磷浓度的增加而快速增殖。三峡水库蓄水以后，库区干流水体总磷浓度从库尾到库首沿程下降，丰水期尤为突出。这种变化主要是由于库区水位抬高后，流速减小引起的泥沙沉降所致。因为磷容易被泥沙所吸附，随着泥沙的沉降，磷的含量也逐渐降低。8月和9月的水体温度有利于藻类的生长，藻类对磷的吸收使表层水体磷被转移到生物体内。分析发现，硝酸盐氮与藻类呈正相关性，与铵氮呈负相关性，总氮与藻类的负相关性较弱，与总磷的负相关性也较弱。总磷含量不是藻类生长的限制性因素，氮含量对藻类的影响要大于磷对藻类的影响。一般认为，大坝建成后水流变缓、透明度增加、有机质和营养盐含量增加，一系列条件的改变有利于浮游植物的生长繁殖，必定使得库区内藻类种属和数量有所增加[15]。研究发现，三峡库区的浮游植物种类和数量不算太多，也无明显的种类变化[2]，特别是在干流区域尚未发现浮游植物大量繁殖的现象。三峡水库是典型的峡谷型水库，由于干流水域狭窄、流量大、流速高和换水频率快等因素使得浮游藻类大量增殖的概率极小。

同时，由于三峡水库对营养盐的滞留效应，使氨氮、硝酸盐氮、总氮、总磷等被水库拦截并截留在水库内部，随着泥沙沉入库底，在合适的条件下又成为内源释放。在大坝前的庙河断面，多项水质参数均出现明显变化，也是使庙河断面成为比较重要的水质监测断面之一。藻类密度变化的节点则在巴东-庙河断面之间，较水质节点向上游提前，可能是由于泥沙或藻类沉降引起。培石至巴东泥沙裹挟藻类开始沉降，在巴东断面降到一个较低的值，到了庙河断面，水体流速减小适合藻类增殖，同时在巴东至庙河断面的这段距离内各支流向干流水体提供了新藻源，使庙河断面藻细胞密度有所增加；另外较小的流速也利于硅藻类快速沉降，水体藻细胞密度又一次降低。在流量较为稳定的断面，藻细胞密度也较为稳定。随着流量、流速的减小，藻细胞密度的节点会继续向上游移动，而水质节点则不会有太大的变化。

4 结 论

通过对蓄水期藻类密度和水质参数的分析表明：①水文条件成为现阶段藻类密度的关键影响因素，水库营养盐对藻类的密度的贡献有限。②巴东和庙河断面分别成为藻细胞密度变化的节点和水质参数变化的节点。③硅藻占总藻细胞密度的绝大多数，空间上各断面藻细胞密度自上而下逐渐降低，时间上各断面在11月藻细胞密度相对较高。