澜沧江小湾库区浮游植物初级生产力评估及其时空变化

吴嘉伟，彭 梦，李罗新，谭凤霞，何秋杰，吴泽成，柴 毅

(1.长江大学湿地生态与农业利用教育部工程研究中心，湖北荆州 434025；2.长江大学动物科学学院，湖北荆州 434025；3.中国水产科学研究院长江水产所，武汉 430223； 4.云南小湾生态渔业有限公司，云南凤庆 677000)

浮游植物是水域生态系统中重要的初级生产者，可将碳、氮、磷等营养元素通过光合作用转化为有机物，是水域生态系统能量流动的基础[1]，浮游植物的现存量和光合作用产量通常用生物量和初级生产力(Pt)来表示[2]，其分布和时空演变过程深刻影响着水域生物资源潜力。初级生产力研究主要用于估算渔产潜力、评价水体营养类型[3-4]，对评价水环境质量、指导渔业生产和生态保护具有重要价值，同时对水库生态系统和水库环境特征具有较强的指示作用[5-6]。浮游植物初级生产力是水生生态系统结构与功能的基础环节、其时空异质性研究已备受国内外学者关注[7-8]。

小湾水库位于云南省临沧市与大理白族自治州、保山市交界处，面积为193.98 km2，正常蓄水位1 240 m，最大库容151.32亿m3，水库位于河谷地带，属亚热带季风气候，上游为干流澜沧江和支流黑惠江，下游出澜沧江。目前针对小湾库区水体的研究主要集中在生物调查[9-10]、水层营养盐分布差异[11]、生态土壤功能及其空间分布[12]和水库消落带的分布[13]等方面，而关于小湾库区初级生产力评估的研究尚较少。目前测定浮游植物初级生产力常用方法有黑白瓶法、生物量法、14C法、叶绿素a法等[14]。黑白瓶法简便易行，受曝光时间影响[15]需限制采样范围。生物量法测定浮游植物现存量来计算对应的渔产潜力，浮游生物量易受水文变化驱动，缺乏全年整体稳定性。叶绿素法是通过Talling模型计算该水域系统生产力，根据已有研究与经验值取相应的同换系数，不适宜不同水域体系之间对比。近年来国内外相关研究者提出计算浮游植物初级生产力的解析模式的计算模型[16-18]。其中有Behrenfeld等VGPM(vertically generalized production model) 模型、Cadée简化模型以及Talling模型，这些模型可以综合分析水温、光合有效辐射、湖泊叶绿素浓度和真光层深度等相关参数，准确地模拟水柱初级生产力，受外界干扰因数少，但这些模型[19-20]在应用于大水面分析时，对调查的技术基础和数据获取要求高，因此传统方法的运用更加广泛，可为后续调查提供基础。为弥补单一测定方法对小湾库区浮游植物初级生产力评估不足，本实验在使用黑白瓶法对单个点位水柱初级生产力及垂直分布进行实测的基础上，通过生物量估算法和叶绿素法比对并估算整个库区初级生产力及其时空变化，综合分析了小湾库区初级生产力的空间分布特征，有利于进一步深入了解西南高原水库生态环境，为小湾流域生态系统可持续性管理等工作的开展提供数据支撑和理论依据。

1 材料和方法

1.1 采样点设置

参照《水域生态系统观测规范》并根据实际水域形态、水域阶段划分和往年采样点的分布以及水文特征分别设置16个采样点(见图1)，澜沧江(L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8、L9) 9个、黑惠江(H1、H2、H3、H4、H5、H6)6个，小湾大坝(DW)1个，黑白瓶样点7个，分别于2017、2018、2019年8月(夏季)进行采样。

图1 2017-2019年小湾库区各采样点示意图

1.2 样品采集与生物量测定

浮游植物定量样本使用采水器(1.0 L)在表层至透明度1，2，3倍处采样，混合水样后加入15 mL鲁哥氏液，带回实验室后经沉淀、浓缩至30～50 mL后进行定量计数。使用光学显微镜(XSM-20，宁波舜宇仪器有限公司)进行种类鉴定和计数，所有种类鉴定到种。

生物量的计算采用体积换算法，根据不同种类的体形，按最近似的几何形测量其体积。浮游植物生物量(N)计算方法如下:

公式中：CS为计数眶的面积(mm2)；Fn为计数视野的个数；Fs为一个计数视野的面积(mm2)；Pn为在Fn个视野中浮游植物个体数；V为水样浓缩沉淀后的体积(mL)；u为计数眶的容积(mL)；生物量按体积换算，根据浮游植物鉴定种类，查找出该种类的植物细胞平均湿重，然后计算出该采样点单位体积内的生物量(mg/L)。

1.4 黑白瓶法的初级生产力测定

2017-2019年8月份对(L3、L5、L8、DW、H6、H4、H2) 7个位点用黑白瓶法测量初级生产力相关数据，根据浮游生物采样点分布设置7个代表性黑白瓶样点，每个位点根据透明度均值设置5层(0.2、0.4、0.6、0.8和1.0 m)，每层设置对照、白瓶和黑瓶三组，初始瓶于现场固定、充分摇匀后根据碘量法测定初始溶解氧浓度，黑瓶和白瓶分别悬挂于对应水深24 h后取出，起瓶时用碱性碘化钾和硫酸锰现场固定、充分摇匀后根据碘量法测定各瓶的溶氧浓度，换算出各水层总初级生产力，计算参照文献[21]。0～1.0 m水柱总初级生产力(Pt)的计算公式为：

式中Pi为第i层的初级生产力[mgO2/(L·d)]，Di为第i层深度(m)，n为取样层次数(1≤i≤n-1)。

1.5 叶绿素a的初级生产力测定

采集水样时分层采样混合均匀，加入0.5 mL碳酸镁保存，量取0.5 L水样，经孔径0.45 μm玻璃纤维滤膜抽滤。吸干水分后，放入-20 ℃保存。叶绿素a使用90%丙酮萃取，离心后取上清液于分光光度计下测定750、663、645、630 nm处吸光度，叶绿素含量计算公式为：

叶绿素a(mg/m3)=

式中V为水样体积；D为吸光度；V1为提取液定容后的体积；δ为比色皿光程。

叶绿素同化系数(I)[mgC/(mg chla·h)]：

初级生产力(P)[mgC/(m2·d)]：

式中PS为水柱初级生产力[mgC/(m2·d)]；chla为水柱叶绿素a含量(mg/m3)，I为同化系数取经验值3.7，夏季光照时间D为14 h/d。

连续三年调查研究，需测量每个采样位点的叶绿素a、水温、总氮、总磷和透明度相关水质指标，黑白瓶样点设置在水库有代表性七组位点，为使全库区调查与黑白瓶位点实测初级生产力相匹配，根据研究，浮游植物产氧量与浮游植物鲜重存在相关系数关系[22](1 mgO2≈6.1 mg浮游植物湿重)，由于测量水体表层初级生产力，故不具体估算真光层深度。

1.6 数据分析

此次调查釆样点分布图利用CorelDRAW软件进行绘制，浮游植物叶绿素a、初级生产力与生物量在Excel 2003中进行统计，部分相关性在R语言中进行分析。

2 结果与分析

2.1 水库理化因子特征

小湾水库2017-2019年水质理化因子测定结果如表1所示，2017-2019年采样期间水温范围为24.54～33.28 ℃，干流澜沧江水温较支流稍低，但差异不明显。三年各采样点pH值范围为6.84～9.52，澜沧江库区向下pH值逐渐升高，黑惠江pH值逐渐降低，连续三年的总悬浮物(TSS)、透明度(SD)在小湾库区不同阶段均变化明显。

表1 2017-2019年小湾库区水质理化因子

2.2 浮游植物种类组成

此次调查共鉴定出浮游植物7门71种，连续出现两年以上共有39种(表2)，绿藻门种类最多(16种，占41.03%)。调查结果显示不同年份小湾水库的浮游植物种类组成高度相似，从各采样点浮游植物生物量分布来看(图2)，浮游植物分布会随着库区理化因子出现差异，2017-2019年黑惠江物种平均丰度均高于干流澜沧江平均丰度。

表2 2017-2019年小湾水库主要浮游植物种类组成

2.3 浮游植物初级生产力与生物量

表3结果显示，不同年份采样点叶绿素a平均值较为接近，叶绿素a同化系数计算所得初级生产力P(以C计)范围为0.17～5.26 mgC/(m3·d)，2017-2019年三年平均值分别为(2.67±1.10)、(2.68±1.14)、(2.38 ±1.11) mgC/(m3·d)；根据黑白瓶法测量水表层初级生产力(以溶氧计)范围为0.74～2.03 mgO2/(L·d)，7个黑白瓶采样点的初级生产力平均值为(1.23±0.19)、(1.51±0.40)、(1.45±0.33)mgO2/(L·d)，各采样点在不同年份略有变化，但整体相差不显著。小湾水库浮游植物生物量变化范围为0.16～5.49 mg/L，各采样点生物量平均值分别为(1.51±0.56)、(2.42±1.19)、(2.95±1.12)mg/L，整体略呈上升趋势。

表3 2017-2019年P(叶绿素a)、浮游植物生物量及黑白瓶生产力

2.4 浮游植物初级生产力及空间分布

2017-2019年各采样点的初级生产力如图2所示，叶绿素同化系数法计算浮游植物初级生产力变化范围为0.17～5.26 mgC/(m3·d)，连续三年最小值均在澜沧江上游L1点，而峰值在大坝附近或黑惠江上游，这与各年份浮游植物生物量的变化趋势相一致。小湾水库2017-2019年初级生产力呈上升并趋向平稳，黑惠江浮游植物初级生产力略高出澜沧江，黑惠江初级生产力在上游和大坝附近最高，而澜沧江初级生产力从上游到下游整体呈上升趋势，大坝附近属于静水区，两江初级生产力与浮游植物类别相接近，黑白瓶法所测生产力(以溶氧计)与生物量变化高度一致，不同年份计算所得结果有一定差异，但整体变化不显著。

图2 2017-2019年小湾库区初级生产力及空间分布

3 讨论

3.1 浮游植物初级生产力评估

此次调查显示，小湾库区叶绿素a浓度变化范围为0.32～9.96 mg/m3，黑白瓶法和生物量法估算得到的初级生产力空间分布，叶绿素a估算初级生产力与浮游植物生物量的空间分布高度一致，峰值出现在富营养化的支流黑惠江上游地区。通过3种方法对小湾水库初级生产力计算结果与往年鱼产力的对比分析，3种计算方法的结果与实测值呈较高的线性相关关系，均可代表浮游植物初级生产力的变化情况，叶绿素a估算的初级生产力结果最稳定，曾台衡[19]等利用相关模型对长江中下游湖区浮游植物初级生产力进行估算时也得出相似的结果。浮游植物生物量估算值波动范围相对较大，这可能是浮游植物受地域、水温等因素干扰，外加生物样本采集条件限制，导致浮游植物生物量估算值略差的原因之一，叶绿素a估算法公式中缺少真光层深度这一重要因子，计算实际时垂直消光系数取的是经验值，不同粒级浮游植物光合作用效率不一、对环境因子的响应也有明显差异[23]，所以转换比值可能存在误差，从而影响其结果的准确性。黑白瓶法测得初级生产力与叶绿素a存在显著的相关性，由于浮游植物初级生产力的影响因素较为复杂，用水柱层初级生产力平均值来估算初级生产力比用表层叶绿素a浓度来估算要更为精确，本研究将表层叶绿素生产力作为计算结果，会导致结果估高，透明度和水体营养指数的改变会偏估同化系数和初级生产力[24]，故水库过渡区、湖泊区水文稳定区域使用黑白瓶法估算结果精准度更高[25]。浮游植物现存生物量与初级生产力之间具有一定线性关系，如表2所示，初级生产力与生物量的相关性较为显著，浮游植物的初级生产力高低反映当下水体中浮游植物生物量大小，叶绿素a能更好地反映初级生产力状况[26]。鉴于黑白瓶法难以及时有效获取多位点生产力信息，以采样位点评价小湾整体，难以估算消落区域，真光层之下生产力实际值，此估算结果仅作为参考，还需与小湾库区的渔产量实际调研结果进行比较验证，对经验公式进行修正后提高估算准确性。浮游植物生物量是初级生产力的重要影响因子，可开展关于浮游植物生物量及其影响因子的进一步分析和相关模型估算，生产力垂向归纳模型(VGPM)是通过辐射强度、真光层深度，光合效率估算探讨全水库浮游植物初级生产力影响因子[18]，更有利于估算大水体小湾水库生产力整体变化，对小湾水库进一步开发、水体营养化和水质监测有重要参考价值。

3.2 浮游植物初级生产力时空变化

根据调查结果小湾水库各年份干流初级生产力均明显低于其支流，这可能是干流与支流水文水质差异有关。与支流相比，小湾干流上游来水量泥沙含量大，水体透明度低(上游位点20～30 cm)，浮游植物可利用透射光迅速减弱，光照强度是浮游植物初级生产力的重要影响因子，导致小湾支流与干流初级生产力差距显著；黑惠江较高水温、外源营养流入和较高的透明度都有利于其浮游植物生长，这与汪益嫔等[27]对淀山湖，蔡后建等[28]对太湖梅梁湾口，张佳磊等[29]对大宁河回水区浮游植物初级生产力研究结果一致，水温以及水体透明度低而引起光的可利用性下降[30-31]，是造成澜沧江上游江段浮游植物生物量及初级生产力明显较低的主要因素。

水库由入水口处到大坝一般分为河流区、过渡区、湖泊区，此次研究澜沧江采样点覆盖范围广，出现明显库区分段，黑惠江采样点只覆盖过渡区与湖泊区。水库不同区域水文状况会随入库和出库的流量及其年份周期变化，各采样点测得初级生产力结果与各个区域的水文特征基本相符。以干流澜沧江为例，其上游河流区流速快，水体富含大量泥沙及有机腐质，营养物含量最高，藻类的生长受到光抑制，2017-2019年澜沧江L1、L2、L3藻类生物量及初级生产力均相对较低；过渡区水流带来丰富的营养盐，为浮游植物的生长创造了有利条件[32]，因而L4、L5、L6藻类生物量及初级生产力明显上升；湖泊区水体透明度达到最高，该区藻类生长主要受营养盐限制[31]，受我国西南地区夏季降水流动及黑惠江交汇干扰，藻类生物量与初级生产力均相对较高。从初级生产力的水平分布格局来看，小湾浮游植物初级生产力表现为支流>下游>中游>上游，这与熊倩等[33]对三峡水库、张琪等[34]对香溪河藻类初级生产力空间分布的研究结果较为相似。从调查获取的数据来看，本研究给出了初级生产力的平面分布,尽管还缺乏初级生产力的季节演替,但在很大程度上弥补以前研究的不足,有利于进一步深入了解水库生态系统结构和营养盐的内循环，对小湾渔业发展也有重要参考意义。总之，浮游植物初级生产力的变化是多种因素综合作用的结果，不仅受浮游植物种类组成、地理分布影响，同时受水温、外源营养供给、水库流量调节等因素共同作用。

3.3 小湾库区渔业发展和展望

浮游植物是小湾水库初级生产力的主要贡献者，基于浮游植物初级生产力重要作用、库区水质保护和物种多样性维持的角度，仍需关注对小湾水库营养水平的监测。浮游植物在利用营养盐进行光合作用合成有机物后会死亡降解,释放出营养盐,并参与到浮游植物下一次对营养盐的利用中去。可适当增加支流江段鲢、鳙等滤食性鱼类的投喂，以充分利用水体渔产潜力，实现小湾库区渔业可持续发展。小湾初级生产力的估算缺少在空间分布上的连续性和周年变化，VGPM模型其更能反映初级生产力的空间变化，有利于进一步深入了解水域生态系统的整体空间分布。

4 结论

黑白瓶法，叶绿素a法，浮游植物生物量法均可以反映小湾库区浮游植物初级生产力的变化情况，叶绿素a法估算各年份结果最稳定，可作为周年代表值；黑白瓶法测量结果空间变化范围最小，可作为库区均值，生物量易受环境因子影响，不宜估算全年生产力终值。小湾库区浮游植物初级生产力存在明显的空间分布差异，连续三年黑惠江生产力最高，澜沧江上游最低，呈现出支流>下游>中游>上游的变化趋势。小湾库区不同年份初级生产力较为稳定，黑惠江江段生产力上升趋势明显，可适当增加黑惠江江段水体渔产潜力利用及小湾库区水质营养水平的监测。