抚河故道水体透明度时空变化及影响因素

吴 鑫，彭宁彦，何 亮，王 瑞，刘方平，向爱农，苏 甜，刘 颖，葛 刚,1c*

(1.南昌大学a.生命科学学院;b.资源环境与化工学院;c.鄱阳湖环境与资源利用教育部重点实验室,江西 南昌 330031;2.江西省灌溉试验中心站,江西 南昌 330200)

透明度是水体能见度的一个重要度量指标，能直观地反映出水体清澈和浑浊程度，是评价水体富营养化的标准之一[1]；同时，透明度的高低也决定了河流、湖泊沉水植物的丰度和生长分布下限。透明度的下降会导致沉水植物和其他水生生物的消亡,进而向水体中释放营养，加速了水体富营养化趋势的发展[2]。研究水体透明度的时空变化，揭示影响水体透明度的因素对河流、湖泊的水环境和生物多样性保护具有重要的意义[3]。从20世纪70年代末至今，国内外众多研究结果表明浊度[4]、浮游藻类[5]、悬浮物[6]、水深[7]、水体营养[8]是水体透明度的常见影响因子。湿地植物可以通过控制泥沙、抑制浮游植物生长[9]来影响水体透明度[8-9]，从而在一定程度上改善了水体透明度。以往学者对透明时空变化和影响因素研究主要集中在湖泊，河流研究偏少[10]。因此研究河道的透明度时空特征，探究影响透明度的主导因子及河道湿地植被对透明度的影响，可以为河道的生态修复和管理提供依据。

抚河故道(28°37′10.26″N，115°52′54.24″E)位于抚河下游西岸南昌县黄马乡境内，起于抚河下游左岸支流箭江口堵口处，止于岗前大坝，是赣抚平原西总干渠的一段，全长约20.0 km，是抚河防洪工程措施的重要组成部分，是南昌市和赣抚平原灌区水资源的调蓄区和重要净化池，也是南昌市主要湖泊的生态调水来源和南昌城市供水的应急备用水源，具有十分重要的战略地位[11]。抚河故道湿地植物分布广泛，在河道中间及两岸湿地带有莲、菰、水蓼等挺水植物生长，相对深的区域也有苦草、黑藻、金鱼藻等沉水植物分布。本研究通过现场调查和数据分析，研究了抚河故道透明度的空间差异、季节变化以及透明度与悬浮物、叶绿素、总氮及总磷的相互关系，探讨了湿地植物对水体透明度的影响机理，以期为抚河故道生态整治提供依据，也为其他同类型的系统治理提供借鉴。

1 实验方法

1.1 水样采集点设置

河道植被多分布于三江镇上中游地区，为了更好的了解植被对周围水环境的影响，我们选择了抚河故道晏家滩至东湾河段湿地植被生长较丰富的十个河岸湿地带地区作为采样地点(选择有大片河道水生植被下端，即来水会穿过植被带，称为近植被区)，并在每个采样点外相应主河道无湿地植物生长区域设置一个水质采样点作为对照(称为敞水区)。采样点及河段位置信息如图1所示。

采样点

采样点

图1 水样采集点地理位置

1.2 水样的采集和水体理化指标测定

1.2.1 水样采集和现场水体理化指标测定

2018年7～11月，每月对样点进行调查和采样一次。用5 L有机玻璃采水器，当水深<2 m时，于水面下50 cm处采样；当水深>2 m时，距湖底50 cm处加采1个水样混合，装入5 L的塑料壶中带回实验室，测定总氮和总磷，总氮采用碱性过硫酸钾消解分光光度法、总磷采用钼酸铵分光光度法测定[12]。在距水表面50 cm处，用YSI EXO便携式多参数水质分析仪现场测定水温、浊度；用Algae Torch叶绿素荧光仪测定水体叶绿素；用塞氏盘测定水体透明度；使用LS300-A便携式流速测算仪测定流速(2018年9月)。

1.2.2 悬浮物的测定

滤膜的准备：将0.45 μm孔径滤膜(WhatmanGF/C)装在事先恒重的称量瓶里，放入103 ℃～105 ℃烘箱中烘干0.5 h后取出置于干燥器内冷却至室温，称其重量。反复烘干、冷却、称重，直至2次称重的重量差≤0.2 mg。

过滤：将恒重的微孔滤膜正确的放在滤膜过滤器的滤膜托盘上，加盖配套的漏斗，并用夹子固定好。以蒸熘水湿润滤膜。开启滤泵，将水样倒入量筒内，记录体积后倒入垫有GF/C滤膜的过滤装置中，待水分完全通过滤膜后，停止抽滤，用镊子小心取出滤膜放入原称量瓶内。

干燥：将过滤完水样的滤膜装入小样品管里，再放入103 ℃～105 ℃烘箱内烘干1 h后取出置于干燥器，重复进行上述干燥、称重过程，直至两次称量的重量差≤0.4 mg，记录最后的滤膜重量。

悬浮物含量C(mg·L-1)按下式计算：

式中：C-水中悬浮物浓度，mg·L-1;A-悬浮物+滤膜+称量瓶重量，g;B-滤膜+称量瓶重量，g;V-试祥体积，mL。

1.3 数据处理和统计分析

数据使用SPSS 20.0和Origin 2020软件进行统计检验和绘图，图中误差棒使用的是标准差，采用双因素方差分析(Two-way ANOVA)比较近植被区和敞水区(类型)各理化参数的差异，采用Pearson相关分析分析透明度与浊度、悬浮物、叶绿素含量和水体氮、磷含量的关系。

2 结果与讨论

2.1 抚河故道上游到中游透明度和水体理化因子的变化

从图2可以看出，透明度在敞水区和近植被区都随着位点变化整体呈先减小再增大的趋势，近植被区透明度从2号点(1.12 m)下降到5号点(0.74 m)再增大到10号点(0.92 m)；在敞水区从2号点(0.90 m)下降到4号点(0.66 m)再增大到7号点(0.82 m)。浊度与透明度的变化相反，浊度在两种类型上都随着位点从1号点(13.98 FTU)到9号点(11.49 FTU)呈缓慢减小的趋势。悬浮物在在敞水区和近植被区的整体趋势都是从1号点(12.35 mg·L-1)到10号点(8.07 mg·L-1)逐渐降低。悬浮物随样点逐渐下降的原因是随着水流自然沉降以及湿地植被对悬浮物的层层过滤、吸附和促沉降。但是透明度和浊度并未随样点出现改善，可能的原因是抚河故道中游段居民区较多，存在一定程度生活污水的输入，并且这种污染输入对透明度影响不是以增加悬浮物的方式，而可能是有色可溶性有机物[13]。总叶绿素在近植被区是随着位点从2号点(4.5 μg·L-1)到10号点(10.82 μg·L-1)逐渐增加，在敞水区围绕均值7.37 μg·L-1上下波动。

从图3可以看出9月份敞水区的流速(均值0.161 m·s-1)均高于近植被区的流速(均值0.039 m·s-1)，近植被区的流速较为稳定，而敞水区的流速上下波动较大。原因是湿地植被可以增大河流的阻力，减缓了河流流速[14]，导致近植被区域流速较为平稳且明显低于敞水区流速。总氮和总磷在位点上下波动，总氮均值在1.28 mg·L-1，总磷均值在0.07 mg·L-1，无明显规律(图4)。

2.2 透明度和水体理化因子随样点类型和时间变化

实验结果(图5，表1)表明水体透明度、浊度及悬浮物在不同样点类型和时间上都有显著差异，近植被区透明度(0.87 m)均值高于敞水区(0.79 m)；透明度在时间上也呈现出一定的规律性，随7～9月汛期到来，水体透明度呈下降趋势，10～11月枯水期透明度呈明显上升态势(图5)。这与张呈[15]、摆晓虎[16]等人的研究结果一致，汛期降雨较多，河道输沙量增加，导致透明度下降。浊度与透明度趋势恰恰相反，在类型上，近植被区浊度均值(11.9 FTU)均值低于敞水区(13.5 FTU)；在时间上，两种类型趋势都是7～9月水体浊度逐渐增大，其中9月达到最大(16.4 FTU)，9～11月水体浊度下降。样点类型和时间对悬浮物有显著性影响(P<0.05)，表现为近植被区(8.2 mg·L-1)均值低于敞水区(10.1 mg·L-1)；7月(13.0 mg·L-1)至11月(8.0 mg·L-1)敞水区呈现逐渐降低趋势，而近植被区随着时间小幅度波动(图5)。这与张运林[17]在太湖水体悬浮物的研究结果一致，湿地植被的存在会对水体起着过滤、净化、缓冲等作用，可显著降低水体浊度和悬浮物含量，提高植被区透明度。敞水区悬浮物季节变化的原因可能是随着汛期的结束上游的来水悬浮物含量下降；受植被影响效果近植被区变化幅度要小于敞水区。植被的存在对水体总叶绿素没有显著性影响(P>0.05)；近植被区总叶绿素在8月(13.52 μg·L-1)达到最大值，8～11月逐月减小，而敞水区在9月(11.32 μg·L-1)含量最高，9～11月逐月减小(图5)。近植被区及敞水区总叶绿素含量在9～10月出现明显的下降，这是因为在营养盐充足的条件下，温度是叶绿素浓度的限制因子[18]。抚河故道10～11月水温的较低(平均为18.4 ℃)，造成浮游植物生长受限，叶绿素浓度较低。

采样点图3 抚河故道9月份流速随样点的变化

t/月

结合图6和表1可以看出，植被分布情况对水体总氮、总磷都无显著性影响(P>0.05)。总氮随着时间呈上下波动态势但未表现出明显的规律变化；不同水域条件的总磷含量也未呈现出显著变化规律。这与李涛等人关于湿地植被可有效降解氮磷[19]的研究结果不同，可能是由于抚河故道近植被区和敞水区可溶性营养物交换较快，导致植物的净化作用未被监测分辨出来。

t/月

t/月图6 不同类型总氮、总磷均值随时间的变化

表1 各理化参数随着样点类型和时间变化的双因素方差分析结果

2.3 抚河故道透明度的影响因素分析

2.3.1 叶绿素对透明度的影响

由于7～9月和10～11月抚河故道叶绿素含量差别较大，探讨透明度和叶绿素的影响因素时，分成两个时间段进行讨论。从透明度和叶绿素的时间关系(图7)可以看出，不论是7～9月还是10～11月透明度都与叶绿素未呈现显著的相关性。这与马红[20]、李晓宇[21]等人认为叶绿素对透明度呈显著负相关结论不符。这可能是因为抚河故道水体的叶绿素含量较低(7～9月均值为11.16 μg·L-1，10～11月均值为1.53 μg·L-1)，对透明度衰减的贡献较小。

2.3.2 浊度对透明度的影响

浊度是由无机和有机的泥土、微生物等微粒悬浮物质所引起的一种光学效应，是光与溶液中的悬浮颗粒相互作用的结果。它表征光线透过水层时受到阻碍的程度[22]，水体的浊度越低，反射光和散射光越弱，而透射光就越强；水体的浊度越高，反射光和散射光越强，透射光就越弱[23]。浊度可以衡量水质良好的程度，浊度增大会严重影响沉水植物的生长[24]，从而导致水生生态系统恶性循环，并进一步加剧富营养化趋势。从透明度与浊度的关系(图8)可以看出，不论是7～9月还是10～11月，抚河故道的透明度与浊度呈显著的反比关系(P<0.001)，说明浊度是影响抚河故道透明度的主要因素，这与洱海[4]、乌梁素[25]水体透明度和浊度呈显著负相关研究结果一致。

总叶绿素/(μg·L-1)(a) 7～9月

2.3.3 悬浮物与透明度的关系

悬浮物是指悬浮在水中的固体物质[26]，包括不溶于水的有机物、无机物及黏土、泥沙、微生物等。从透明度与悬浮物的关系(图9)可以看出，不论是7～9月还是10～11月，抚河故道的透明度与悬浮物呈显著的负相关关系(P<0.001)。这与Theodore J.Swift[27]、潘继征[28]、陈俊伊[29]等人的研究结果一致，表明悬浮物含量是决定抚河故道透明度的重要因素之一[30]。

浊度/(FTU)(a) 7～9月

上述结果表明影响抚河故道透明度的主要因子是浊度和悬浮物。此结果与张运林[31]、王书航[32]等人结果一致，张运林认为太湖透明度等光学参数的变化主要受制于悬浮物的组成和含量，由于太湖悬浮物中主要以无机颗粒为主，其透明度跟叶绿素的关系不是很大；王书航认为悬浮物是影响蠡湖水体透明度的最主要因子，其次为浮游藻类生物量。张晓晶[25]认为浊度是乌梁素海水体透明度的主要影响因素，悬浮物是乌梁素海水体透明度的直接影响者。本研究表明抚河故道的主要影响因子是浊度与悬浮物，而浊度与悬浮物之间存在显著的正相关(P<0.01)。悬浮物的质量浓度越大，则溶液的浊度越大，因此抚河故道透明度的改善应该从降低悬浮物入手。

悬浮物/(mg·L-1)(a) 7～9月

表2 抚河故道透明度与其它因子的相关系数及检验结果

3 结论

研究透明度的时空变化,揭示影响透明度的主导因子对在湖泊和河流生态修复和管理具有重要意义。2018年7～11月抚河故道水体透明度范围为0.40～1.46 m，整体平均值为0.83 m，其中近植被区为0.87 m，敞水区为0.79 m，总体上近植被区透明度要高于敞水区。透明度的时间变化趋势是7～9月份降低，9～11月份升高。

悬浮物和浊度是影响抚河故道透明度主要因子，而营养水平和叶绿素对透明度没有显著相关性。主要是由于抚河故道中主要以无机颗粒为主，叶绿素含量低，对透明度贡献较小。因此，抚河故道和其他类似的河道透明度的改善方式主要是要降低悬浮物的含量。

湿地植被的存在可以通过减缓水流速度，促进泥沙的沉降，逐级降低悬浮物含量，降低水体浊度，有效改善水体透明度。因而在河道生态建设中需要重视湿地植物的保护和恢复。

致谢：感谢李斌、王文平、李涛、孙世峰硕士在野外调查中的帮助，以及潘艺雯博士在遥感绘图的指导。