三峡水库浮游植物群落特征及水体富营养化评价

2020-05-30王顺天雷俊山贾海燕杨传国

三峡生态环境监测 2020年1期

王顺天，雷俊山，贾海燕，杨传国

（1.长江水资源保护科学研究所，武汉 430051；2.河海大学水文水资源学院，南京 210000）

三峡工程是治理和开发长江的关键性骨干工程，也是长江流域重要的生态屏障。自2003年三峡水库蓄水以来，库区、支流以及支流回水区的水文及水环境条件均出现了较为明显的变化，其中部分支流回水段多次出现了富营养化现象。水体富营养化会破坏水体生态平衡，降低生物多样性，导致水生态功能退化，严重时还会引起大面积“水华”的发生[1]。浮游植物优势种群爆发性增殖，会导致水体透明度降低，溶解氧减少并产生对人体有害的毒素，给水体环境和人类健康带来严重的危害[2-3]。专家学者针对三峡水库富营养化带来的问题开展了大量的研究。邱光胜等[4]对三峡库区富营养化及水华现状进行了研究，发现水库蓄水后支流富营养化程度有所加重，并指出蓄水后库区支流流速减缓是富营养化程度加重的直接原因。吴述园等[5]研究了三峡水库支流古夫河的藻类主要影响因子，发现总磷是藻类大量增殖的决定因素。李崇明等[6]分析了不同水流条件下叶绿素a与总磷和透明度之间的关系，并进行了支流富营养化表征变化与水华爆发的预测研究。

本文以三峡水库2003—2017年浮游植物资料及2017年干支流水质数据为基础，对三峡水库干支流浮游植物的群落结构特征和演替特征进行分析，并运用综合营养状态指数法开展三峡水库干支流的富营养化评价，以期为三峡库区富营养化治理和水生态环境的保护提供理论和数据支撑。

1 材料与方法

1.1 研究范围

本研究以三峡库区内6个干流监测断面和29条主要支流为研究对象，其中干流监测断面有朝天门、寸滩、清溪场、沱口、官渡口和太平溪，监测支流有御临河、龙溪河、黎香溪、珍溪河、乌江、渠溪河、龙河、池溪河、东溪河、黄金河、汝溪河、壤渡河、苎溪河、小江、汤溪河、磨刀溪、长滩河、梅溪河、草堂河、大溪河、大宁河、神女溪、抱龙河、神农溪、青干河、吒溪河、童庄河、香溪河和九畹溪（图1）。

在进行浮游植物密度变化分析、多样性分析和各指标间营养状态指数的对比分析时，从三峡库区29条支流中，自库区上游至下游选取研究相对较多的9条支流进行研究，分别为香溪河、童庄河、大宁河、小江、苎溪河、汝溪河、池溪河、珍溪河和御临河。

图1 三峡水库干支流监测断面示意图Fig.1 Schematic diagram of monitoring section in main stream and tributaries of Three Gorges Reservoir

1.2 数据来源

本研究采用数据收集的方式获取三峡水库2003—2016年浮游植物的数据。数据主要来自长江流域水环境监测中心，包括优势种群组成、浮游植物密度、叶绿素a浓度等。采用现场监测的方式，获取2017年春季（3—4月）和秋季（9—10月）三峡水库干支流35个采样点的水样，进行水质分析，分析项目主要有透明度（transparency，SD）、叶绿素a（chlorophyll a，Chl-a）、总氮（total nitrogen，TN）、总磷（total phosphorus，TP）、高锰酸盐指数（permanganate index，CODMn）、浮游植物密度等。

1.3 样品采集、处理及鉴定方法

浮游植物样品采集参照《中国淡水藻类——系统、分类及生态》[7]。定性样品用孔径约0.064 mm的25号浮游生物网采集，收集到50 mL的样品瓶中，按体积加入1%的甲醛溶液固定，送往实验室镜检；定量样品用有机玻璃采水器采集，取表层、中层、底层水样充分混合，按体积加入1.5%加鲁哥液固定，静置5 min后，运回实验室镜检。

在现场使用塞氏盘检测水体透明度，高锰酸盐指数、总磷、总氮、叶绿素a等指标，现场采集水样后，按照《水和废水监测分析方法》（第4版）[8]保存后运送实验室分析测定。

1.4 研究方法

1.4.1 多样性评价

香农-威纳（Shannon-Wiener）多样性指数是一种基于信息理论的测量指数。本文利用Shannon-Wiener指数评价浮游植物群落的多样性水平，该指数计算公式[9]如下：

式中：Pi为第i个种群的数量。0＜H′≤1为重度污染，1＜H′≤3为中度污染（1＜H′≤2为α-中度污染，2＜H′≤3为 β-中度污染），H′＞3为轻度污染[10]。

1.4.2 富营养化评价

选取叶Chl-a、SD、TP、TN和CODMn5个代表性指标进行三峡水库的富营养化评价。

综合营养状态指数法公式[11]如下：

式中：TLI(∑)为综合营养状态指数；Wj为第j种参数的营养状态指数的相关权重；TLI(j)为第j种参数的营养状态指数。

以Chl-a作为基准参数，则第j种参数的归一化的Wj计算公式为：

式中：rij为第j种参数与基准参数Chl-a的相关系数；m为评价参数的个数。

各参数营养状态指数的计算公式如下：

式中：Chl-a单位为μg/L，SD单位为m，其余指标单位为mg/L。

综合营养状态指数法采用百分制评价水体营养状态，其评价标准如表2所示。

表2 综合营养状态指数法评价标准Table 2 Evaluation criteria of comprehensive nutritional status index method

2 结果与分析

2.1 三峡水库浮游植物结构特征

2.1.1 浮游植物种类组成

三峡水库干流及29条支流的浮游植物种类丰富。2017年共鉴定出浮游植物7门62属，包括硅藻门、蓝藻门、绿藻门、裸藻门、甲藻门、隐藻门及金藻门（表3）。三峡水库浮游植物以种类按门统计，其中绿藻门以衣藻和小球藻为主，占三峡水库种类的40.79%；硅藻门以小环藻为主，占比30.26%；隐藻门以隐藻为主，占比1.32%。

表3 三峡库区浮游植物群落组成Table 3 Phytoplankton community composition in the Three Gorges Reservoir

2.1.2 浮游植物密度状况

浮游植物密度可直观地表示出水体中浮游植物的数量和水华爆发的强度[12]。2017年春季，典型支流浮游植物密度均值为5.99×106个/L，变化范围为0.7×106～1.3×107个/L，其中大宁河的浮游植物密度最大，为1.3×107个/L，其次是香溪河，为8.83×106个/L；秋季，典型支流的浮游植物密度均值略高于春季，为6.18×106个/L，变化范围为8.7×105～2.75×107个/L，其中苎溪河的浮游植物密度最大，为2.75×107个/L，小江次之，为1.05×107个/L，御临河和汝溪河的浮游植物密度偏低，小于5×106个/L。

图2 三峡水库典型支流浮游植物密度变化Fig.2 Changes of algal density in typical tributaries of the Three Gorges Reservoir

2.1.3 浮游植物多样性分析

三峡水库浮游植物多样性分析，结果如图3所示。2017年春季，Shannon-Wiener多样性指数变化范围为1.8～3.3，除汝溪河外，其他支流均较高。2017年秋季，Shannon-Wiener多样性指数变化范围为1.15～2.95，池溪河、珍溪河和苎溪河较低，其他断面均较高。2017年春季池溪河及大宁河的多样性指数均大于3，表明上述支流浮游植物群落种类丰富，水生态水环境健康状况较好。各支流多样性指数有所差异，但春季多样性指数基本介于1.0～3.0，处于α-中污带和β-中污带之间。各支流多样性指数差异较小，群落结构趋于相似；秋季多样性指数差异较大，各支流浮游植物多样性差异较大。

图3 三峡水库典型支流浮游植物多样性分析Fig.3 Analysis of Phytoplankton Diversity in Typical Tributaries of the Three Gorges Reservoir

2.2 浮游植物演替特征

2.2.1 季节性演替

统计2003—2017年水华优势种群不同季节出现的频率，发现三峡水库浮游植物优势种群季节性变化较为明显（表4）。春季，气温在6～25℃，水温在10～24℃，适合喜低温的浮游植物生长，硅藻和甲藻成为春季的优势藻类。进入夏季后，随着水温的增加，水温超过了甲藻和硅藻适宜生长的范围，适合较高水温的蓝藻和绿藻逐步取代硅藻、甲藻成为库区水华的优势藻类；而秋季的水华优势种类较多，不同的浮游植物成为优势种的频率差异较小，其中蓝藻、隐藻、绿藻、硅藻均可以成为水华的优势种群。三峡水库冬季极少发生水华（仅在2007年12月大宁河发生过一次反季节性的蓝藻水华），因此不做统计。

2.2.2 年际性演替

自2003年水库蓄水以来，水华爆发时的浮游植物密度也随着水位的抬升发生着变化。在135 m、156 m蓄水位蓄水期间（2004—2007年），三峡水库Chl-a浓度和浮游植物密度都相对较低，其中Chl-a的含量为17.2～150 μg/L，浮游植物密度为0.6×107～12.8×107个/L；在175 m试验蓄水后（2008—2011年），Chl-a含量明显降低，为0.21～0.64 μg/L，浮游植物密度显著升高，为12.1×107～363.1×107个/L之间。在175 m正式蓄水后（2012—2015年），叶绿素含量显著升高，其含量为16.5～499.6 μg/L，浮游植物密度有所回落，含量为0.13×107～55.2×107个/L之间（表5）。

表4 2003—2017年三峡库区29条典型支流水华优势种出现频率Table 4 Frequency of dominant species in 29 typical tributaries of the Three Gorges Reservoir area from 2003 to 2017

表5 不同蓄水阶段下浮游植物的密度变化情况Table 5 Changes in density of phytoplankton under different water storage stages

2.3 三峡水库水体富营养化状况

2.3.1 水体富营养化评价

由三峡水库干支流35个断面春季（2017年4月）、秋季（2017年10月）的富营养化评价结果（表6）可以看出，春季三峡水库水体TLI(∑)值范围为37～64，平均值为49，水库干流处于中营养状态，支流主要处于轻度富营养状态，只有苎溪河和珍溪河出现中度富营养状态。说明水库干流水质良好，水库支流受到了轻中度的污染。秋季三峡水库水体TLI(∑)值范围为35～60之间，平均值略低于春季，为44，处于中营养状态。秋季水库干流和支流都主要处于中营养状态，黎香溪、龙溪河处于轻度富营养状态，苎溪河处于中度富营养状态。说明秋季干支流整体水质良好，个别支流受到了轻、中度污染，尤其是苎溪河春秋季水质都受到了中度污染，应密切关注。

在空间上，三峡水库干流监测断面TLI(∑)值明显低于支流，靠近库首的支流监测断面TLI(∑)值低于靠近库尾的支流监测断面。春季，汤溪河及其下游的长江支流TLI(∑)值均大于50（乌江除外），其中苎溪河和珍溪河受富营养化污染影响最为严重，TLI(∑)值分别为62和64，处于中度富营养状态；秋季，只有黎香溪、龙溪河的TLI(∑)值分别为54和50，处于轻度富营养状态，苎溪河的TLI(∑)值为60，仍处于中度富营养状态，其余支流处于中营养状态。可见，三峡水库水体富营养化空间特征表现为干流富营养化程度低于支流，靠近库首的支流富营养化程度低于靠近库尾的支流。

2.3.2 三峡水库各指标营养状态指数对比

选取三峡水库6个干流断面和9个典型监测支流，比较5个指标TLI值的大小。春季所有干流监测断面TLI(TN)＞TLI(TP)＞TLI(SD)＞TLI(Chla)＞TLI(CODMn)。各典型支流TLI（TN）均大于60，均值为70.57，其中珍溪河TLI（TN）最大，为94.63，珍溪河春季水体已达到中度富营养状态；典型支流TLI（TP）均值为58.43，仅次于TN；典型支流中香溪河和小江TLI（Chl-a）相对较高，分别为80.10和66.72；典型支流中汝溪河TLI（SD）相对较高，为71.55；支流TLI均值大小关系依次为，TLI（TN）＞TLI（TP）＞TLI（SD）＞TLI（Chl-a）＞TLI（CODMn），因此TN和TP是库区干支流春季富营养化状态的主要影响因子（图4）。秋季干流断面SD、TN和TP的TLI值相对较高，处于主导地位。各典型支流TLI（TN）仍相对较高，均值为62.38，其中童庄河TLI（TN）最大，为66.31；典型支流TLI（TP）均值为54.45，苎溪河TLI（TP）相对较大，为61.96；典型支流TLI（SD）均值为51.82，主要表现为苎溪河TLI（SD）相对较高，为73.29；典型支流TLI（Chl-a）均值较低，为44.66，其中苎溪河和小江的TLI（Chl-a）相对较高，为64.44和56.93；TLI（CODMn）均值最低，为21.62。TN、TP和SD是库区干支流秋季富营养化状态的主要影响因子（图5）。

表6 三峡水库干支流春秋季富营养化状况Table 6 Eutrophication in main stream and tributaries of the Three Gorges Reservoir in spring and autumn

图4 三峡水库干支流春季5项指标的TLI值对比图Fig.4 Comparison of TLI values of five indexes in the main stream and tributaries of the Three Gorges Reservoir in spring

图5 三峡水库干支流秋季5项指标的TLI值对比图Fig.5 Comparison of TLI values of five indicators in main stream and tributaries of the Three Gorges Reservoir in autumn

3 讨论

3.1 三峡水库浮游植物群落演替特征

3.1.1 浮游植物季节演替特征

三峡水库季节特征鲜明，温度是浮游植物季节性演替的重要因素[13]。每种浮游植物适宜生长的温度范围是不同的。随着季节的变化，一旦超出浮游植物适宜生长的温度范围，浮游植物的生长就会受到抑制，其他适宜温度条件的浮游植物就会取代它成为优势种。众多专家学者研究了多种因素对三峡水库浮游植物群落结构季节性演替的影响。姚绪姣等[14]研究发现香溪河优势藻种随季节性温度的变化呈硅藻—绿藻—蓝藻的演替趋势；王雄[15]等从浮游植物时空分布特征、水温、营养盐三个方面研究了大宁河浮游植物群落结构的演替规律。本研究发现三峡水库春季优势种为耐低温的甲藻和硅藻，当温度超出甲藻和硅藻生长的最适范围时，硅藻、甲藻逐渐消退，适合较高温度的蓝绿藻开始大量繁殖，成为优势种群。这与富春江水库[16]、新丰江水库[17]等大多数河流型水库类似,三峡水库浮游植物受温度影响呈现出明显的季节性演替特征。

3.1.2 浮游植物年际演替特征

三峡水库蓄水前后，库区内生态环境发生了巨大变化。张远等[18]分析了三峡水库蓄水前后浮游植物的变化，发现与蓄水前相比，蓄水后的坝前区和支流回水区是富营养化的敏感区域。据目前调查，三峡水库浮游植物群落组成以绿藻为主，其次是硅藻和蓝藻[19]。三峡水库蓄水后，一些支流回水区流速几乎为零，给喜低流动状态的硅藻、绿藻等提供了良好的生长条件。从浮游植物年际变化特征可以看出，在135 m、156 m蓄水期，Chl-a浓度较低，175 m实验蓄水初期，Chl-a浓度和浮游植物密度显著增加。这可能是因为蓄水位抬升后，淹没的土壤释放出大量的营养物质，给浮游植物的生长提供了良好的生长条件[20]。175 m蓄水后，水库营养盐已经处于较高的状态，水库水体由蓄水前的贫-中营养状态转变为轻-中度富营养状态，提高了水体富营养化风险，也为浮游植物的繁殖提供了营养基础[4]。

3.2 富营养化成因分析

水体富营养化通常是指水体逐步由生产力水平较低的贫营养状态向生产力水平较高的富营养状态变化的一种现象[21]。TN和TP等营养盐充足是水体富营养化的必备条件，一旦氮磷浓度较高，水体就具备富营养化的风险[22]。据统计，三峡水库干流TN和TP均值分别1.75 mg/L和0.09 mg/L，支流分别为2.00 mg/L和0.10 mg/L，远高于湖库水体出现水华的TN和TP的临界浓度0.20 mg/L、0.02 mg/L[23]。本研究发现三峡水库富营养化程度始终保持支流的TLI(∑)值高于干流，干流水域自上游至下游富营养化程度逐渐减小，上游支流TLI(∑)值较下游大，富营养化水平上游偏高。郑丙辉[24]同样研究发现三峡水库富营养化敏感程度从库首至库尾逐渐增加。大量研究表明，三峡水库中氮磷营养盐主要来源于农业面源污染[25-26]。三峡水库周边因水库蓄水，土地资源大量减少，农民在水库消落带耕种且为了增加农产量而大量施肥施药，降雨后农田里的化肥农药残余流入水体，导致氮磷负荷增高，是造成水体富营养化的主要原因[27-28]。

透明度是评价水体富营养化的重要指标，它能直接反映水体清澈和浑浊的程度[29]。水体透明度与太阳辐射、水体的理化性质、悬浮物组成与含量、水体中Chl-a浓度以及气象状况等有密切关系，它受到多种环境因素的影响[30]。在三峡水库蓄水后，水库水流流速减缓，大量泥沙沉积库底，水体含沙量显著降低，透明度明显增大。水体中浮游植物具备充足的光照条件，易发生大量的繁殖，爆发水华。

除了透明度和营养盐之外，温度、水动力条件等因素也是三峡水库水体富营养化程度加重和水华爆发的主要原因。三峡水库从试验蓄水阶段转化为常态调度运行阶段后，支流库湾的水动力条件进一步被削弱，入河后的污染物难以扩散，库湾水质逐渐变差，焦军丽[31]、张静[20]等学者认为水库蓄水导致的河流流速减缓，为浮游植物的生长创造了有利的条件，指出水动力条件的改变是湖库态水体发生水体富营养化的主要驱动因素。