汛期三峡库区水华发生期间相关因子关系分析

孙启鑫，宋林旭，纪道斌，刘德富,2，苏青青，周哲轩，赵星星，陈 巍，石浩洋

(1.三峡大学水利与环境学院，湖北 宜昌 443002;2.湖北工业大学河湖生态修复与藻类利用湖北省重点实验室，武汉 430068)

三峡水库蓄水后，支流香溪河水位随之升高，水流速度变缓[1,2]，泥沙淤积，水体自净能力降低，水环境由典型的河流水体转变为类似湖泊型的缓流水体[3]。支流香溪河每年都爆发不同程度的水华，对生态环境造成了极大的破坏，也严重影响着人们的正常生活。氮、磷等营养盐是水体富营养化的物质基础[4]，且其存在形态、结构及其分布特征与水华生消密切相关。藻种演替规律较为复杂，前人也作过许多研究[5，6]。近年以来许多学者对三峡水库水华成因及藻种变化进行了许多研究，其中王海云等研究了三峡水库“藻类水华”成因条件[7]，易仲强等研究了水温结构对香溪河春季水华的影响[8]，洪尚波等研究了三峡水库大宁河春季水华藻类分布的特征[9]。其中汛期的环境因子较为特殊，例如温度较其他时期而言保持在一个较高的数值；营养盐含量较高等等。其中有些藻种受汛期温度的变化影响是非常明显的，例如汛期多为蓝藻爆发期，温度对其影响也是一个重要因素；水体中磷含量的充足与否对甲藻水华爆发起着一定的作用。但是针对于汛期藻种变化及影响因素研究较少，故本文以三峡水库典型支流香溪河为研究对象，于汛期采样并结合汛期环境因子特点分析叶绿素a和营养盐的变化特征，探究汛期水华藻种变化的影响因素，以期为控制香溪河水华打下理论基础，并为三峡库区的富营养化风险防治提供科学支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区域

香溪河位于湖北省西部 110°25′～111°06′E、30°57′～31°34′N，发源于神农架林区，干流长94 km，流域总面积3 099 km2[10]，据昭君镇以下 2 km 处水文站( 控制流域面积1 900 km2) 记载，香溪河流域河口断面多年平均流量 40.18 m3/s[11]，流域内人多地少，实行“高投入，高产出”传统的经营模式，在降雨驱动下水土流失和化肥流失引起的环境效应是香溪河库湾水体污染的重要原因[12]，同时也加剧了水体外源负荷氮磷输入。而三峡水库蓄水之后，流速变缓，水环境变为类似湖泊的缓流水体，水体自净能力大幅降低，香溪河每年都爆发不同程度水华，对生态环境造成的破坏是不可估量的，更是对人类的生活造成了一定的影响。

1.2 采样点设置

根据香溪河的地形地貌以及水环境因子和水动力参数、水华爆发的空间分区特点，设置间隔适宜的采样点，沿河道中泓线设 10 个监测点，间距约 3 km，从河口到上游依次记为 CJXX～XX09(见图1)，

图1 采样点布置Fig.1 Distribution of the monitoring sites

1.3 样品采集与处理

2 结果与分析

2.1 基本理化因子

溶解氧、pH、温度变化见图2。溶解氧在整个汛期含量变化范围为3.25～10.44 mg/L，平均值为7.24 mg/L，从时间上来看，溶解氧含量6-8月呈逐渐上升趋势，6月份含量波动较大(3.25～9.28 mg/L)，7月份含量波动较小(6.58～10.42 mg/L),平均值为7.61 mg/L。从空间上来看，CJXX和XX04的6月溶解氧含量低于其他监测点位。pH在整个汛期含量变化范围在3.25～10.44 mg/L，平均值为8.68 mg/L，呈弱碱性，整体波动范围不大，6-8月大致呈上升趋势。单从8月来看，pH自下游到上游呈逐渐增加的趋势。温度在整个汛期都处于一个较高的范围内波动，在整个汛期变化范围在21.4～29.04 ℃，平均值为25.15 ℃，6-8月温度总体呈现一个上升的趋势。在整个汛期中，8月的平均温度大于6、7月平均温度，8月平均温度到达了27.47 ℃，而6、7月平均温度分别只有22.47 ℃和25.51 ℃。

表1 监测指标及分析方法说明Tab.1 The monitoring indicators and analysis methods

图2 溶解氧、pH、温度变化Fig.2 Variations of dissolved oxygen、pH and temperature

2.2 营养盐变化

营养盐含量变化见图3。从时间上看整个汛期总氮含量变化范围为1.69～3.78 mg/L，平均值为3.01 mg/L，6月总氮含量为1.62～3.78 mg/L，平均值为2.32 mg/L，7月和8月总氮含量均值大于3.12 mg/L，6月总氮含量总体相比7月和8月含量较低；溶解性总氮6月含量相比7月和8月较低，6月溶解性总磷含量为1.63～2.92 mg/L，平均值为1.86 mg/L，7月和8月溶解性总氮普遍大于3.0 mg/L。整个汛期氨氮和硝氮含量总体较稳定，其中氨氮含量为0.08～1.47 mg/L，6月氨氮平均含量为0.572 mg/L，而7月和8月氨氮平均含量分别为0.436 2和0.402 1 mg/L；硝氮含量为0.81～1.71 mg/L。整个汛期总磷含量波动较大(0.04～0.27 mg/L)，平均值为0.12 mg/L；溶解性总磷含量波动较小为0.01～0.12 mg/L，平均值为0.04 mg/L，正磷酸盐含量为0.01～0.49 mg/L，平均值为0.09 mg/L。从空间上看6月和8月自上游到下游总氮含量呈递增趋势，7月和8月在XX00处氨氮含量有较大的波动，含量到达了1.32 mg/L。6月和8月总磷、正磷酸盐、溶解性总磷有自下游向上游递增的趋势，而7月总磷、正磷酸盐、溶解性总磷含量呈现抛物线形，上 、下游含量高，中游含量低，总磷变化范围为0.04～0.21 mg/L，平均值为0.11 mg/L，正磷酸盐变化范围为0.09～0.49 mg/L，平均值为0.19 mg/L，溶解性总磷变化范围为0.01～0.12 mg/L，平均值为0.05 mg/L。

图3 汛期营养盐浓度变化Fig.3 Variations of nutrient concentration during flood season

2.3 水动力特性

汛期香溪河库湾流速分布见图4。由图4可知，在汛期期间出现分层异向流动，即分层异重流[17]。从时间上来看，6月长江干流水体以表层异重流倒灌进入香溪河库湾，倒灌深度在河口处达21 m左右，倒灌水体厚度呈楔形整体趋势自河口向上游逐渐减小，潜入距离达到20 km左右,由长江干流倒灌进入库湾水体流速最大发生在XX04表层处，为0.054 m/s;7月长江干流水体以表层异重流倒灌进入香溪河库湾，倒灌深度在河口处达21 m左右，倒灌水体厚度整体趋势是递减的，潜入距离达到18 km左右，由长江干流倒灌进入库湾水体流速最大发生在XX04水深5 m处，为0.152 m/s; 8月长江干流水体以表层异重流倒灌进入香溪河库湾，倒灌深度在河口处达20 m左右，倒灌水体呈楔形厚度自河口向上游逐渐减小，潜入距离达到22 km左右，由长江干流倒灌进入库湾水体流速最大发生在XX00水深5 m处，为0.033 m/s。

图4 汛期流速分布Fig.4 Flow velocity distribution during flood season 注：流速图中黑色箭头表示水体由库湾流向干流，白色箭头表示水体由干流流向库湾。

2.4 叶绿素a时空变化

叶绿素a浓度变化见图5。叶绿素a浓度具有明显的时空变化，叶绿素a浓度变化可能是营养盐和环境因子多重作用的结果。2017年汛期叶绿素a浓度为2.56～56.40 mg/L，总体而言在整个汛期期间CJXX叶绿素a浓度变化不大，为2.95～4.69 mg/L，这可能是受干流来流影响，长江干流在CJXX附近注入，使得流量增大，有利于氮、磷等营养物的稀释[18]，使得叶绿素a含量增长速度减缓。从整个汛期来看，叶绿素a含量6-8月有递增的趋势，而水体中叶绿素a浓度由水体中浮游植物的生物量决定，而浮游植物的生物量又受水温、光照和营养盐浓度影响，叶绿素a的时间变化特征正是对环境因子的响应。

图5 汛期叶绿素a浓度变化Fig.5 Variations of chlorophyll-a concentration during flood season

叶绿素a最高值出现在8月的香溪河XX08处，为56.85 mg/L，最低值出现在6月的CJXX处，为2.17 mg/L，7月叶绿素a含量较6月、8月波动范围较小。6月和8月叶绿素a含量整体趋势自下游向上游增加，而7月叶绿素a含量出现反复波动，这可能是受到倒灌异重流影响，倒灌异重流形式变化导致混合层深度变化，影响浮游植物光照条件[19]，从而叶绿素a浓度出现交替性变化。

2.5 藻种变化

藻种变化见图6～图8。从时间上来看，6-8月呈抛物线状，7月浮游植物总细胞密度较高，7月浮游植物总细胞密度平均值为23.63×106个/L，整个汛期浮游植物总细胞密度平均值为18.82×106个/L，最小值为3.3×106个/L，最大值为44.23×106个/L。其中在6月份的优势种为甲藻，而7月份优势种为蓝藻，8月份优势种为蓝藻和绿藻。从空间上看，6月份浮游植物总细胞密度由上游自下游递减，7月份浮游植物总细胞密度除了CJXX点密度较低外其余点位置密度相差不大，而到了8月中上游浮游植物总细胞密度大于下游。整个汛期的优势种变化为甲藻-蓝藻-蓝藻、绿藻，其中导致藻种变化的原因是多方面的，可能由温度变化、水体流速变化等外界环境因素引起。

图6 6月藻种变化Fig.6 Variations of algae species in June

图7 7月藻种变化Fig.7 Variations of algae species in July

图8 8月藻种变化Fig.8 Variations of algae species in August

3 讨 论

3.1 叶绿素a与环境因子相关性分析

叶绿素a与环境因子相关性分析见表2。从整个汛期来看，叶绿素a与溶解氧呈现极显著正相关，与温度呈现显著正相关，与透明度呈现显著负相关，与化学耗氧量呈现显著正相关，与总氮呈现显著负相关，与氮磷比呈现显著负相关，与总磷和pH无明显相关性。

溶解氧是浮游植物繁殖的一个重要条件，也是浮游植物代谢过程中的重要能源物质[20]。从表2中可知叶绿素a与溶解氧呈现极显著正相关，一般来说，叶绿素a含量越高，浮游植物数量越多，浮游植物在光合作用中释放氧分子增加使水体中溶解氧浓度增加；一般来说温度升高，有利于浮游植物的繁殖，水温影响着浮游植物光合作用与呼吸代谢速率，从而使叶绿素a的浓度发生变化。本文研究中叶绿素a与温度呈现显著正相关，但也曾有学者认为叶绿素a与温度呈现负相关的理论[21]，合适的温度可以促进浮游植物的生长，具体数值还需实验分析；叶绿素a与pH无明显相关性，这可能是由于汛期多雨，而降雨又会对pH产生影响，导致pH一直处于波动的范围，所以相关性并不明显；叶绿素a与透明度呈现显著负相关，浅水湖泊的水体透明度主要受2种因素影响: 无机悬浮颗粒物及有机质或者藻类生物量。而对于大型浅水湖泊而言，无机颗粒物浓度受风浪扰动下底泥再悬浮过程的影响很大[22]，而对于香溪河受到的主要影响是藻类爆发引起的透明度变化，汛期藻类爆发，导致透明度急剧降低；叶绿素a与化学耗氧量呈现显著正相关，化学耗氧量越大，说明水体受有机物的污染越严重。汛期叶绿素a含量增加，反应了水体中浮游植物的增加，水体中有机物含量增高，化学耗氧量随之增加；叶绿素a与总氮呈现显著负相关而与总磷无明显关系，总氮含量在整个汛期变化范围为1.69～3.78 mg/L，整个汛期总磷含量波动较大(0.04～0.27 mg/L)，以往的研究认为氮或磷与浮游植物有正、负相关或无相关的结论都存在[23-27]，可见氮、磷与叶绿素a含量关系比较复杂，既不能说明叶绿素a含量受总氮控制，也不能说明与总磷的变化无关，只能反应藻类增殖带来的水质反馈效应；浮游植物是水体中的初级生产者，通过光合作用将水体中的无机物转化为有机物。营养盐对浮游植物的限制作用非常复杂.本文研究中氮磷比为6.09～68.99，平均值为30.89。根据Liebig最小生长定律，制约浮游植物生长繁殖的因子是含量较少的营养元素 N、P，且N/P>7.2 时，磷就会成为浮游植物生长的潜在限制因子，反之N/P<7.2 时，氮就会成为浮游植物生长的潜在限制因子[28]。由此可见香溪河水体浮游植物生长的限制因子可能是磷元素。

表2 叶绿素a与环境因子相关系数Tab.2 Correlation between chlorophyll-a and environmental factors

注：“*”相关关系显著P<0.05；“**”相关关系极显著P>0.01。

3.2 藻种变化规律及原因分析

4 结 论

(1)汛期叶绿素a与溶解氧呈现极显著正相关，与温度呈现显著正相关，与透明度呈现显著负相关，与化学耗氧量呈现显著正相关，与总氮呈现显著负相关，与氮磷比呈现显著负相关，与总磷和pH无明显相关性。

(2)在香溪河整个汛期期间温度始终保持在一个较高的水平，而只有6月的优势种多为拟多甲藻，说明拟多甲藻水华发生的主要主导因素不是温度;水体中磷含量的高低也是甲藻水华爆发的一个重要影响因子;水动力条件会间接对藻类生长产生影响。7月的优势种变为蓝藻，多数蓝藻生长增殖最适温度为25～35 ℃，而7月平均温度到达了25.51 ℃，这也是促进蓝藻爆发的一个重要因素;7月营养盐含量十分充足对蓝藻水华的爆发也有至关重要的作用；水体氮浓度和pH也是影响蓝藻水华的爆发因素；7月倒灌异重流来自干流，水体潜入距离为18 km，特殊的水动力条件或许也是导致蓝藻爆发的原因。8月优势种变为蓝藻和绿藻，8月平均温度(27.47 ℃)和7月平均温度(25.51 ℃)相差不大，pH和营养盐含量依然没有脱离蓝藻生长的范围，所以蓝藻水华依然存在；而绿藻成为优势种原因之一是因为8月铵盐含量相较于6月和7月低，对绿藻的生长抑制较小，其次是因为某些绿藻死亡腐烂后产生有害物质，抑制其他植物生长，且8月chl.a的含量达到了绿藻水华爆发的阈值，故在8月出现蓝、绿藻水华同时爆发的情况。

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