基于叶绿素测定法的广东省典型水库初级生产力评估

吴旗韬，李苑君，石喜平，郭奕惠

（1.广东省科学院广州地理研究所，广东 广州 510070；2.中国水产科学研究院南海水产研究所，广东 广州 510030）

初级生产力是指初级生产者在单位时间内生产有机物的能力[1]。水体初级生产者主要由水生植物、着生藻类、浮游植物和自养细菌等构成。由于水体初级生产力可以反映水域的营养水平及渔产潜力，在水环境保护、渔业养殖开发、增殖放流生产与科研实践中，用来判断水域的环境状况及估算水域潜在渔产力，从而确定投放鱼类的品种及数量。水体初级生产力无论对水域生态系统特征研究，还是指导渔业生产与科研实践，都有重要意义。

20世纪初至今，可通过多种手段分析初级生产力水平及结构特征。水体初级生产力主要测定方法包括浮游植物生物量法、黑白瓶测定法、叶绿素测定法、放射性同位素测定法和pH值测定法等[2]。我国调查者更多采用前3种测定方法[1]，并在不同的水库中采用不同测定方法评估初级生产力[3-7]。但现有的研究多针对单一水库开展初级生产力评估，多区域内多水库初级生产力的评估对比，研究报道相对较少。

广东省共有水库8 411座，其中大型水库40座，水库总库容达451亿m3。广东省水热条件优异，水库湖泊浮游动植物丰富，典型水域浮游藻类7门245种（包括变种和变型），其中硅藻104种，占比42.45%；绿藻85种，占比34.69%；裸藻31种，占比12.65%；蓝藻18种，占比7.35%；甲藻4种，金藻2种，黄藻1种。典型水域浮游动物71种，其中原生动物17种，轮虫21种，枝角类16种，桡足类17种[8]。现采用叶绿素测定法，根据广东省30个典型水库水源监测数据，评估不同水库的初级生产力，以期为广东省典型水库生态环境保护和渔业发展提供技术支撑。

1 研究方法

1.1 研究区域

选择广东省30个典型水库，水域总面积约38 777 hm2。

1.2 初级生产力计算模型

由于水域初级生产过程复杂，不同初级生产力测定方法各有优缺点，理论上都无法完全准确反映初级生产力水平。测定结果不仅受测定方法本身局限，也受到环境因子等外界因素影响，导致相同水域不同测定方法及不同水域相同测定方法，所得初级生产力结果存在差异或误差。叶绿素测定法由于操作简单，已经在生产和科研工作中大量使用。现考虑数据获取因素，采用叶绿素测定法计算典型水库初级生产力。计算公式如下：

式中：CChl-a——以碳（C）计初级生产力，mg/（m3·d）（以C计）；Ps——表层水中浮游植物的潜在生产力，mg/（m3·h）（以C计）；E——真光层深度，m；D——每天日照时间，h。

Ps根据表层水中叶绿素a的含量计算，公式如下：

式中：Ca——表层水中叶绿素a的含量，mg/m3；Q——浮游植物光合作用速率与叶绿素a含量的比值，称为同化系数，以C计，mg/（mg·h）（以Ca计）。目前国内同化系数通常按照Cadee[9]的经验值3.7 mg/（mg·h）（以Ca计）计算，虽然不同水域的数值不尽相同，但目前国内外普遍采用此数据。

E定义为水柱中支持净初级生产力的部分，其底部为临界深度，即水柱日净初级生产力为零时的深度。E一方面取决于水体中各类物质对光的衰减，另一方面还与到达水表面的光强有关。为了研究的方便和规范化，大多数研究采用1%表面光强深度来代替E，或将水下光强为14 μmol/（m2·s）对应的深度称之为E[10]。计算参考有关学者的研究，E取水体透明度的3倍[1，11]。

D为每天的光照时间，单位为h，本次计算统一按照12 h计算。

1.3 数据来源

广东省典型水库叶绿素含量数据，来源于广东省生态环保厅2021年湖库型水源监测数据库。针对广东省河源新丰江、珠海杨寮水库等30个水库，每月对水库的溶解氧、高锰酸盐指数、化学需氧量、五日生化需氧量、氨氮、总磷、总氮、叶绿素a等质量浓度以及pH值、透明度等指标进行监测，根据2021年1—12月份逐月监测数据，计算全年初级生产力。典型水库的面积采用2019年全国土地第3次调查数据。

2 结果与分析

2.1 典型水库叶绿素a含量及变化

广东省2021年部分水库叶绿素a含量年平均值见图1。由图1可见，不同水库叶绿素a含量差异较大。水库平均叶绿素a含量为0.009 3 mg/L，叶绿素a含量最低和最高分别为0.000 5和0.039 5 mg/L。从不同水库的叶绿素a年平均值来看，深圳市的石岩水库叶绿素a含量最高，其次为广州市洪秀全水库和深圳市松子坑水库，汕尾市赤沙水库叶绿素a含量最低。

图1 广东省2021年部分水库叶绿素a含量年平均值

参考美国环境保护署提出的水体营养类型划分标准[12]，广东省水库营养型类型划分见表1。由表1可见，从叶绿素a含量的年平均值来看，广东省水库整体属于中营养型水库。

表1 广东省水库营养型类型划分

广东省2021年部分水库叶绿素a平均值年度变化见图2。由图2可见，不同水库的叶绿素a含量年度变化明显，其中在3、4、9和12月出现高峰期，而1，2，6和11月份则明显降低。

图2 广东省2021年部分水库叶绿素a平均值年度变化

2.2 典型水库初级生产力系数

广东省典型水库667 m2平均初级生产力系数见图3。由图3可见，从典型水库来看，平均初级生产力最高的是深圳市的罗田水库，最低的是揭阳市的新西河水库。

图3 广东省典型水库667 m2平均初级生产力系数

广东省不同类型水库每667 m2平均初级生产力系数见图4。按照每天12 h，每年300 d日照时间计算，年平均初级生产力为0.128 t/a（以C计），其中富营养型水库每667 m2水域年平均初级生产力为0.195 t/a（以C计），中营养型水库为0.073 t/a（以C计），贫营养型水库为0.044 t/a（以C计）。

图4 广东省不同类型水库667 m2平均初级生产力系数

2.3 典型水库初级生产力

广东省典型水库初级生产力见表2。由表2可见，广东省典型水库年初级生产力合计44 349 t（以C计）。其中面积最大的为河源的新丰江水库，每年初级生产力达到28 844 t（以C计），占全部典型水库初级生产力的65.04%；其次为韶关南水水库，每年初级生产力达到6 392 t（以C计），占全部典型水库初级生产力的14.41%。

表2 广东省典型水库初级生产力① t

续表

3 结论

采用叶绿素a测定法，评估了广东省30个典型水库的初级生产力。结果表明，广东省不同水库叶绿素a含量时空差异较大，叶绿素a含量最低为0.000 5 mg/L，最高为0.039 5 mg/L，全部水库平均叶绿素a含量为0.009 3 mg/L。叶绿素a含量年度变化明显，受气温和动物活动影像，3、4、9和12月份出现高峰期。全省典型水库每667 m2水域年初级生产力在0.009～0.308 t/a（以C计），平均值为0.128 t/a（以C计）。富营养型水库的初级生产力显著高于贫营养型水库，平均高出4.4倍。广东省典型水库年初级生产力达到44 349 t（以C计），不同水库初级生产力差异显著。河源新丰江水库、韶关南水水库的初级生产力较大，分别达到28 844和6 392 t（以C计），占全部典型水库初级生产力的65.04%和14.41%。

水体初级生产力评估是水环境保护、渔业增殖放流和养殖的重要前提，采用叶绿素测定法开展广东省典型水库初级生产力评估，相对其他评估方法，简单便于操作。广东省拥有良好的水热条件和大量的水库，水库初级生产力虽具有显著的时空差异，但总体初级生产力较高，为广东省水库作为大水面开展渔业增养殖提供了良好的基础条件。