横江流域pH值时空变化特征与浮游植物关系研究

汪伯伦　陈然　罗毅　胡军　钱丽萍

摘要：文章以横江流域pH值为研究对象，分析了pH值的时空变化特征，以及浮游植物群落对pH值的影响，探讨了pH值变化的影响因素以及内在的机理。研究结果表明：横江流域pH值从上游到下游逐渐升高的趋势，7、8月份pH值最高为9.1，4-6月份最低为7.5。影响pH值变化主要因素是溶解氧、叶绿素a、水温。横江流域主要的浮游植物的种属7门60属，其中硅藻门最为丰富，优势种也是以硅藻门为主；春季以硅藻为主，夏季以蓝藻为主，秋季以绿藻、硅藻为主，可以看出浮游植物群落变化导致了水体pH值的季节性的变化，因此，生物作用是横江流域pH值变化的主要因素。

关键词：横江流域；河流pH值；浮游植物；相关性研究

中图分类号：X832 文献标志码：B

前言

河流pH值决定了水体中化学元素的迁移转化，当水体pH值低于6，会导致地表水酸化，水生生物死亡、群落结构改变；pH值高于9，存在蓝藻爆发的风险。pH值过高或过低都会影响水质中有机质的离子化作用，从而间接影响藻类生长，因此，研究河流pH值具有重要的水生态学意义。

冯泽波通过对滇池及其支流的研究认为pH值变化和周边的土地利用情况密切相关，杨琛等认为河流pH值升高与藻类植物的光合作用具有密切关系。He等通过研究发现光合作用和反硝化作用是河中pH值含量增加的主要原因；通过以上研究说明藻类的大量生长繁殖导致水质pH值异常波动，因此生物作用是水质pH值变化主要原因。

山区河流的流速、流量、水环境容量、污染物的稀释和降解能力和其他大型河流相比，很容易受到人类活动的干扰，pH值升高河段更容易引起水体的藻华现象。此次研究区域横江流域属于山区河流，近年来，pH值波动较为明显，主要是pH值在每天一些时段升高超过9，每个月超过pH值大于9的天数在增加，具有在适合的条件下爆发蓝藻的潜在性趋势，因此，文章通过实地调查、采样测试分析，并建立水质数据与藻类数据相关性，进一步探寻pH值升高的影响因素，为水质改善和河流生态系统管理的发展提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究区域

研究区域为横江流域，为新安江的主要支流，横江又名吉阳水、东港、白鹤溪，源于黟县漳岭的白顶山，经黟县渔亭镇东流入休宁境，在川湖万全山与夹溪河汇合，经休宁县城继续东流过万安镇，在屯溪区黎阳镇与率水汇合，注入新安江，流域面积997 km2，河道长70 km、坡度2.7‰，沿岸主要有夹溪河、东亭河、渠口河、龙源河、柳州河、福寺河、岭观河、霞塘河等10 km以上溪流汇入。占新安江流域（安徽省境内）面积15. 4％。主河道上游经过齐云山脉，水流湍急，河面较窄；中下游两岸地势开阔，大型水坝万安坝位于中下游。是休屯盆地的主要组成部分，河道平顺，汇集各支流水量后，水量增大，河面变宽，流速相对较缓，水生挺水和沉水植物茂盛，河漫滩较发育。

自然条件：平均年降雨量1 613.7 mm，降雨年际年内分配不均，年降水量的78%集中在春夏两季，年降水日数149天。常年6月中旬进入梅雨季节，7月上旬出梅，历时20多天，梅雨量为250 mm左右。日照、蒸发：年平均日照时数为1 931小时，日照率44%，年辐射总量为122.6 kcal/cm2；年蒸发量1 180 mm，比年降水量少433.7 mm；年平均无霜期231天。

根据研究区域河流的地形地貌，从上游到下游布设了5个监测断面。

1.2 样品采集和分析方法

2022年的3、4、6、7、8、9、10、11月采集了5个监测断面的表层水样，同时使用25号浮游生物网过滤表层0.5米处水体数次，过滤后将网中的浮游植物浓缩液注入100 mL采样瓶中，加入4%的甲醛溶液现场固定，在显微镜下鉴定浮游植物种属。采集表层水样1 L，滴入2 ml鲁氏液保存。在显微镜下鉴定浮游植物生物量。浮游植物鉴定主要参考《淡水微型生物与底柄动物图谱（第二版）》和《中国淡水藻类-系统、分类及生态》。

采集的水样测定水质指标10项，包括温度、pH值、电导率、溶解氧、高锰酸钾指数、透明度、总磷、总氮、氨氮，水质采样和测定参照《水和废水监测分析方法》。

1.3 数据分析

使用Microsoft Excel 2016进行数据整理汇总，使用IBM SPSS 25.0进行单因素方差分析（OnewayANOVA）和Pearson相关性分析。使用OriginPr02018进行图幅的绘制。

2 结果与分析

2.1 横江流域水质pH值空间分异特征

横江流域pH值年均值为8.10 -8.45，从上游的漳水断面到下游的横江大桥断面总体呈现出上升的趋势，典口断面位于横江的中游，河漫滩发育，水生植物茂盛，pH值有所下降，但是仍然高于上游（如图1所示）。横江流域从漳水断面开始3/4的河段为横江国家级湿地公园范围，水生植物茂盛，水质为Ⅲ类水以上。

现场调查检测了上游支流东亭河、漳水等支流水质pH值都是小于8，说明横江流域水质pH值升高不是支流水质带来的污染物质。横江流域两岸以村庄和耕地为主，河水受人类活动影响较大，横江大桥断面为进入城镇的断面，水面变宽，流速变小，两岸都是居民，pH日均值常年处于8.45的高位，pH日值大于9的天数在逐年增加。

2.2 横江流域水质pH值时间变化特征

利用各个采样点与表层水样pH值数据所做趋势图如图2所示，可以看出pH日均值超过9的时间段在7、8月份，从上游到下游所有点位都处在最高值，最低值位于4 -6月末。典口断面的pH值波动较大，说明受河漫滩水生植物的影响，水位较浅、流速较缓，pH日均值受日照和水温影响较大。横江大桥的断面的pH值变化比较平缓，但是变化趋势也是和横江流域整体变化趋势一致。

横江流域pH值的变化特征是7、8月份pH日均值最高，最低值位于4-6月份。

2.3 横江流域水质浮游植物群落结构及其优势种特征

2022年不同月份的生物鉴定数据经统计分析，横江流域共鉴定出7门60属，其中硅藻门最为丰富，共计25种，其次为绿藻门，共计16种，蓝藻门共计15种。数据表明，横江流域浮游植物种属数在夏秋季大于冬季，万安坝上断面的数量多于其他断面，尤其是夏季蓝藻门较多。其中浮游植物相对占比前两位的是硅藻门、绿藻门，合计贡献率超过87%。

以优势度指数大于10%定义为优势种，可以看到横江流域的主要的优势种为双菱藻（Surirellasp.）、菱形藻（Nitzschia sp.）、小环藻（Cyclotellasp）、裸藻（Euglena sp.）、扁形卵形藻（Cocconeis pla-centula）、囊裸藻（Euglenophyta sp.）。随着春季-夏季-秋季时间的变化，主要群落变化从硅藻门-绿藻门-硅藻门，主要是以硅藻门为主。

2.4 横江流域水质因子与浮游植物群落相关性

为了了解横江流域水质因子与浮游植物群落之间的关系，尤其是浮游植物群落的变化对pH值变化影响，筛选各采样点丰度占比不小于1%，且出现频率不低于25%的浮游植物，结合环境水质因子进行消除趋势对应分析，选择冗余分析（RDA），排序轴1和排序轴2解释率为79.7%、16. 8%，如图3所示，可以看出水质中总磷、水温、溶解氧、总氮对浮游植物群落变化的贡献率较大。裸藻门、绿藻门、隐藻门、甲藻门受水温、溶解氧影响较大。

3 讨论

3.1 横江流域水质pH值时空变化机理分析

影响水质pH值升高的因素很多，比如地质背景、气候因素、富营养化元素的汇入、浮游植物大量繁殖等。本次调查了解横江流域水质pH月值从上游到下游逐渐升高，变化趋势是7、8月份的pH值>9 - 12月份、3月份的pH值>4-6月份的pH值。

利用2022年不同月份采集的各个监测断面的表层水样pH值与水质因子以及离子因子，采用Pearson相关性分析，如图4所示。可以看出pH值与溶解氧相关系数为0. 66，显著正相关；pH值与叶绿素a显著正相关，相关系数为0. 57；叶绿素a与水温显著正相关，相关系数为0. 53。可以看出导致pH值升高的因素是溶解氧、叶绿素a、水温。为了进一步探究横江流域水质pH值变化机理，文章对影响pH值变化的因素进行分析。

天然水体中，H+浓度主要取决于CO2 - HCO3-- CO-3缓冲体系各组分的相对变化，在整个碳酸盐缓冲体系中，各种形式的离子保持着平衡状态，如式（1）所示：

CO2、HCO3 -、CO-3是水中无机碳的主要存在形式，能够被浮游植物利用转化成有机质维持浮游植物生长所需要。水中藻类通过光合作用摄取水体中的CO2或者HCO-3，同时浮游植物通过呼吸作用向水体中释放CO2，增加水中的CO2含量，因此，当水体中的CO2含量减少，式（1）向左偏移，H+减少，导致pH值增加，而水中的HCO-3含量减少，式（1）向右偏移，H+增加，pH值降低。

横江流域pH值与叶绿素a显著正相关，相关系数为0. 57，叶绿素a的含量反映了藻类细胞生物量的变化，因此，当横江流域pH值升高，叶绿素a的浓度也变高了，变化趋势一致，说明浮游植物的快速生长导致水体pH值升高。初步分析认为横江流域的pH值升高和浮游植物的光合作用密切相关。

河流水温对横江流域pH值的影响，主要是通过水温影响叶绿素a变化，从而间接的影响了流域pH值。水温变化会影响碳酸盐CO2 - HCO3- - CO3-缓冲体系，当温度升高时，大气压降低，大气中CO2就会通过水一气界面进入到水体中，导致溶解在水中的CO2增加，研究表明，CO2浓度增加会促进水生植物和浮游植物的生长速度。水温升高也提高了浮游植物的光合作用，式（1）向左偏移，H+减少，pH值增加，说明水体二氧化碳碳酸盐CO2 - HCO3-- CO3-缓冲体系平衡是影响横江流域水体pH值升高的原因。

氮、磷营养因素是浮游植物生长的主要养分，氮磷含量的变化，主要是N/P比的数值，影响了浮游植物的生物量的数量，最终影响水体pH值的变化。如图5所示，横江流域水体N/P比的数值与总氮显著正相关，氮的消化和反硝化作用会对水体的pH值产生影响，是由于氨氮在硝化菌的作用下，可以转化硝酸盐，释放H+导致水体pH值降低。研究表明横江流域pH值与总磷、总氮、氨氮没有相关性，说明硝化作用和反硝化作用不是导致横江流域pH值变化的主要因素。

3.2 横江流域浮游植物对水质pH值的影响分析

浮游植物群落与水环境因子关系密切，直接影响着水生态系统的结构和功能。此次研究发现横江流域主要浮游植物群落以硅藻、绿藻、蓝藻为主。根据浮游植物生物量和水质指标主成分分析，如图5所示，横江流域硅藻、蓝藻受水温、总磷影响较大，绿藻门和水温、pH关系较密切，绿藻和总磷负相关。

研究表明硅藻易成为大型河流中的常见类群，其密度和生物量可达藻类总数的60%以上。硅藻门喜欢低温，春季和秋季能够快速生长成为优势种，蓝藻门、绿藻门喜欢高温，在夏季成为优势种，横江流域的研究也体现了浮游植物的这种分布趋势。由于藻类体表通常带有负电荷，非离子态化合物比离子态化合物更容易渗入藻类细胞，pH值过高或过低都会影响水体中有机质的离子化作用，从而间接影响藻类生长，因此，pH值是决定藻类密度分布的重要因素。

另外温度也影响了藻类种属的变化，谭啸等室内模拟实验表明，绿藻门在12.5℃- 16℃占据优势，19℃以上蓝藻门增多，25℃- 30℃是藻类最适宜的温度，温度过高也限制藻类的生长。横江流域的pH值的变化有明显的季节性，和藻类的种属的分布密切相关，夏秋季流域pH值较高，冬季较低，春季以硅藻为主，夏季以蓝藻为主，秋季绿藻、硅藻为主。可以看出藻类种属的变化导致了水体pH值的变化，与水体中的浮游植物的光合作用和呼吸作用密切相关。

水体pH值过高，蓝藻种属数量越多，目前横江流域在夏季藻类种属较多，蓝藻门、绿藻门都有，但是优势种主要还是以硅藻门、绿藻门为主，为了防止藻类的群落结构向蓝藻转变，就要控制pH值升高，减少氮磷等营养因素的入河量，可以在河岸种植高等水生植物，抑制藻类的生长。

为了减少表层藻类的数量，通过增殖放流以浮游植物为食的鱼类，减少食浮游植物的动物和食底柄动物的鱼类，保证河流具有一定数量的浮游动物。生物作用是横江流域pH值升高的主要影响因素，因此要持续的开展水污染治理，降低人河的磷素，不仅要治理岸边的生活污水，还要防治土壤中的磷素进入河流，进一步控制和减少农业面源污染。

4 结论

横江流域基岩为石灰岩地区，本底值较高，由于从漳水人横江处河面变宽，流速相对较缓，水生挺水和沉水植物茂盛，以沉水植物苦草、金鱼藻等为主，河漫滩较发育，挺水植物种类较多，沿河两岸居民较多，部分生活污水汇入河流，因此，生活污水、浮游植物、沉水植物都会对河流的pH值产生影响。文章研究表明，横江流域的pH值有明显的季节性变化，冬季浮游植物的光合作用减弱，pH日均值低于9；在春、夏、秋季pH值有明显的升高和降低的趋势，并在夏季达到最高值。从上游的漳水断面到下游的横江大桥断面pH值总体呈现出上升的趋势。由于横江流域水体的浮游植物的光合作用活跃，改变了水体的二氧化碳碳酸盐平衡，使得水体偏碱性，因此，横江流域的高pH值的产生机理主要是受高密度的浮游植物的光合作用影响。

基金项目：安徽省高校自然科学研究重大项目（2022AH040266）；黄山市重点流域水体pH变化特征及其影响因素研究（HJACG2021C131A）；黄山学院人才启动项目（202lxkjq007）