三峽水庫不同蓄水階段營養(yǎng)和生物量的分布特征

三峽水庫不同蓄水階段營養(yǎng)和生物量的分布特征

2003年6月至01日，三峽水庫正式蓄水，水庫水位保持在135m或139m。庫建成后，溢流區(qū)增多。在流量變化的情況下，從庫尾到水庫的流速逐漸減慢。2009年，當(dāng)蓄水達(dá)到175m時，流速從2ms-1降至0.250.5ms-1，水流對污染物的傳輸和擴(kuò)散能力降低。隨著相同的排水方法和相同的稅收負(fù)荷，污染混合區(qū)域的加劇。庫建成后，由于水文條件的變化，流速加快，沉積物沉積，透明度增加，冬季水溫上升，霧日減少，水面日照時間增加。冬季水庫高水位運(yùn)行時，有利于水生植物，尤其是藻類的光合作用，使藻類的生長和繁殖，水中的藻類含量增加。因此，分析了三峽水庫水生植物和生物量的分布特征，深入研究了三峽水庫水的養(yǎng)分和演化趨勢。在這項(xiàng)工作中，我們選擇了目前三個峽谷水庫的上游區(qū)、中部區(qū)和下游區(qū)作為研究對象，并用航行采樣方法對鹽（n、p、c、k等鹽）和生物量（chla、浮游生物個體數(shù)）進(jìn)行了采樣和分析，并對135m處的鹽養(yǎng)分生物量進(jìn)行了分析。1材料和方法1.1樣品采集和固定2003-09-08～2003-09-15,從重慶至巫山對三峽水庫進(jìn)行往返航行測試各1次.樣品采集地點(diǎn)為長壽、涪陵、豐都、忠縣、萬州、奉節(jié)和巫山,共設(shè)置采集點(diǎn)位11個,樣品采集具體地點(diǎn)見圖1與表1.營養(yǎng)鹽采集為各斷面中泓線水面下0.5m處,樣品采集后根據(jù)所測元素的不同分別保存.Chla采樣量為1L,加入碳酸鎂懸濁液10mL在冰盒中保存.浮游植物定量采樣在1、2、5、11號采樣點(diǎn)進(jìn)行,采集水樣1000mL,經(jīng)25號浮游生物網(wǎng)過濾后裝入標(biāo)本瓶中,用魯哥氏液固定.1.2浮游植物回復(fù)生物的生物多樣性分析用于營養(yǎng)鹽項(xiàng)目分析的水樣均過孔徑為0.45μm的GF/F濾膜后測試.所有營養(yǎng)鹽均為可溶性營養(yǎng)鹽.TOC采用燃燒氧化-非分散紅外吸收法,使用美國TOC-1010測試;TP采用過硫酸鉀消解-鉬銻抗分光光度法;NO-3-N采用酚二磺酸光度法;NO-2-N采用N-乙二胺光度法;NH3-N采用納氏試劑光度法;TN采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法;K+采用離子色譜法;現(xiàn)場測定溶解氧、pH、電導(dǎo),采用便攜式分析儀測定;流速、流量采用多普勒測流儀測定;濁度采用便攜式濁度計法.浮游植物定量樣品在室內(nèi)靜置48h,靜置后用虹吸管緩慢在水面以下吸去多余水樣,濃縮至30mL,充分搖勻后,用定量吸管取0.1mL注入計數(shù)框內(nèi)在顯微鏡下計數(shù).每個樣品數(shù)3片,取其平均值,按1L水濃縮的標(biāo)本量(mL)/計算的標(biāo)本水量(mL)×計數(shù)得的生物數(shù)量進(jìn)行計算.Chla測試方法為:水樣經(jīng)0.45μm的濾紙(GF/C玻璃纖維濾紙)過濾,將帶樣品的濾紙煎碎后在缽中加入適量90%丙酮研磨至足夠細(xì),移入具塞刻度離心管中于暗處靜置萃取24h后,離心得清液定容,752型分光光度計測波長664nm和750nm處光密度值,然后加入1滴0.1mol/L的鹽酸酸化,再測波長665nm和750nm處光密度值.計算公式為:c=27.3×(Eb?Ea)×Ve/V(1)c=27.3×(Eb-Ea)×Ve/V(1)式中,c為水樣中Chla含量(mg·m-3或μg·L-1);Eb為提取液酸化前波長664nm和750nm處的光密度之差;Ea為提取液酸化后波長665nm和750nm處的光密度之差;Ve為提取液的總體積(mL);V為抽濾的水樣體積(L).所有樣品在24h內(nèi)分析.采用平行雙樣分析,偏差均小于10%.1.3營養(yǎng)、濁度、chla的聚類分析,其系統(tǒng)聚類分析方法營養(yǎng)鹽及chla數(shù)據(jù)為往返航行測試2次各測點(diǎn)的平均值.營養(yǎng)元素的平均值、變異系數(shù)的計算,營養(yǎng)元素、濁度與Chla之間的相關(guān)性分析,以及系統(tǒng)聚類分析均在SPSS軟件上進(jìn)行.2結(jié)果與討論2.1水體濁度特征三峽水庫135m蓄水時,形成庫容約為140×108m3的巨大水庫,占未來三峽水庫總庫容的36%.水庫全長約430km(大壩-忠縣陶家石盤),回水變動區(qū)(忠縣陶家石盤-涪陵、豐都段)約105km.各站點(diǎn)基本水文水質(zhì)參數(shù)見表1,由于本次調(diào)查是處于豐水期期間,普遍流速較快,處于水庫區(qū)的忠縣-巫山平均流速范圍在1.11～1.76m·s-1,水庫上游區(qū)以及回水變動區(qū)(長壽-豐都)水流速度范圍為2.29～2.56m·s-1.分析三峽水庫水體濁度特征,與成庫后水文變化有明顯相關(guān),近大壩端濁度小,而遠(yuǎn)壩端濁度大,表明在靠近大壩區(qū)域水體由于流速變緩,泥沙沉積,水體透明度比遠(yuǎn)壩端明顯增高.處于上游區(qū)以及回水變動區(qū)(1,2,3,4采樣點(diǎn))的水體濁度>400NTU,水庫區(qū)(5,6,7,8,9采樣點(diǎn))濁度在300～400NTU之間,而水庫近壩端(10,11采樣點(diǎn))濁度小于300NTU.pH值變動范圍8.10～8.31之間,屬中性偏弱堿性水體.水體表層水溫范圍為21.1～22.6℃,水體表層水溫平均為22.0℃.溶解氧變動范圍為8.09～9.05mg·L-1,平均值為8.42mg·L-1,各測點(diǎn)溶解氧飽和度均大于90%,表明成庫初期雖然流速有所變緩,但水體與大氣中氧交換能力依然較強(qiáng).溶解氧、pH、電導(dǎo)、表層水溫等在水平方向上無明顯規(guī)律變化.2.2鹽和浮游植物的分布2.2.1水體理化指標(biāo)在營養(yǎng)元素中,分析了3種形態(tài)氮的可溶性無機(jī)氮,無機(jī)氮(DIN=NO-3-N+NH3-N+NO-2-N)含量范圍為0.93～1.41mg·L-1,平均濃度為1.12mg·L-1.在三峽水庫水體中無機(jī)氮以NO-3-N為主,其水體含量平均為0.96mg·L-1,占無機(jī)氮總量的85%;NH3-N次之,平均含量為0.14mg·L-1,占無機(jī)氮的13%;NO-2-N含量最低,平均為0.02mg·L-1,在無機(jī)氮中所占比例低于2%.與80年代中期夏季不同形態(tài)氮占無機(jī)氮的比例比較變化不大.從不同形態(tài)氮所占比例分析,三峽水庫在成庫初期由于流速較快,水體復(fù)氧能力依然較強(qiáng),使NH3-N、NO-2-N向NO-3-N方向轉(zhuǎn)化,硝化反應(yīng)較活躍,水體對污染物的自凈能力較強(qiáng).鉀含量范圍為2.80～4.36mg·L-1;TOC含量范圍為1.92～2.59mg·L-1,由于光合成等內(nèi)部生產(chǎn)速度較低,TOC有機(jī)物濃度指標(biāo)普遍偏低;可溶性總磷范圍為0.028～0.054mg·L-1,均超過湖泊富營養(yǎng)化發(fā)生的濃度值(0.020mg·L-1);可溶性總氮范圍為1.01～1.35mg·L-1,11個測點(diǎn)濃度均超過國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和湖泊富營養(yǎng)化發(fā)生的濃度值(0.20mg·L-1).各形態(tài)氮與總磷濃度與成庫前報道有所降低,但這種降低一方面可能是采集樣品的時間不同,另外已成庫部分水體營養(yǎng)鹽降低可能還與泥沙等懸浮物對營養(yǎng)鹽的吸附和沉積有關(guān).部分營養(yǎng)鹽濃度水平分布見圖2,DTP、DTN、NO-3-N、NH3-N、K、TOC變異系數(shù)分別為18.3%、8.4%、13.9%、27.2%、13.2%和9.3%,NH3-N沿程變化最大,DTN變化最小.從營養(yǎng)鹽濃度水平分析,三峽水庫水體中營養(yǎng)鹽濃度已經(jīng)達(dá)到產(chǎn)生富營養(yǎng)化的條件.一般認(rèn)為N/P大于16∶1時,水體受磷限制,藻類增殖的最佳N/P范圍為12∶1～13∶1.從N/P關(guān)系分析水體營養(yǎng)鹽限制,DIN∶DTP范圍為19～42之間,表明三峽庫區(qū)水體藻類生長主要受磷限制.從N/P范圍分析,這可能也是水體未出現(xiàn)富營養(yǎng)化的原因.與長江口及其臨近海域中P可能是浮游生物的主要限制因子的結(jié)論較一致.三峽水庫蓄水發(fā)育出的水庫生態(tài)系統(tǒng)可將上游輸入的2%～7%的溶解無機(jī)N和13%～42%的溶解無機(jī)P轉(zhuǎn)化為有機(jī)顆粒態(tài)營養(yǎng)鹽,同時庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)光合固碳能力的增強(qiáng)將加大水庫向下游輸出的N/P比,三峽水庫對營養(yǎng)鹽的截流將使長江流域N、P輸出通量減少10%左右,將加劇目前長江中、下游N/P增高的趨勢.2.2.2chla與營養(yǎng)鹽的關(guān)系三峽水庫成庫后,Chla含量水平總體較低,其范圍為1.37～7.35mg·m-3,Chla分布有明顯規(guī)律見圖3,即處于上游區(qū)和回水變動區(qū)(長壽-忠縣)水體中Chla含量顯著低于成庫(萬州-巫山)水體含量.成庫水體Chla含量也有差異,其濃度分布規(guī)律為沿三峽大壩方向上(萬州-云陽-巫山)濃度逐漸增高,最高達(dá)到7.35mg·m-3,近壩端Chla值比上游區(qū)域增加約4倍.對比成庫前研究結(jié)果,上游區(qū)和回水變動區(qū)Chla含量基本無變化,而處于庫區(qū)水體增加約4倍.與通常湖泊Chla的分布有顯著區(qū)別,一般湖泊主要受岸邊污染影響,Chla以及營養(yǎng)鹽濃度梯度分布為岸邊淺水區(qū)高于湖心深水區(qū).根據(jù)OECD湖泊評價標(biāo)準(zhǔn),成庫區(qū)域水體Chla含量水平均達(dá)到中營養(yǎng)程度(5～11采樣點(diǎn)).上游區(qū)及回水變動區(qū)為貧營養(yǎng)水平(1～4采樣點(diǎn)).Chla的水平分布可能是由于三峽水庫流速的改變,導(dǎo)致水庫區(qū)域水體流速減緩,泥沙沉積致使水體透明度增加,有利于浮游植物的生長.在成庫初期,由于水力、水環(huán)境條件處于變動時期,水體中浮游生物對環(huán)境化學(xué)條件(營養(yǎng)鹽等濃度)的適應(yīng)需要一定時間過程,而水力條件變化是直接影響其分布的主導(dǎo)因素.另外,值得注意的是,隨著三峽水庫的蓄水,受蓄水影響的大部分次級河流回水區(qū)在2003-09均發(fā)生了嚴(yán)重的“水華”現(xiàn)象,成庫區(qū)域干流Chla的顯著增高也可能和次級河流大量浮游藻類排入有關(guān).將11個測點(diǎn)Chla、營養(yǎng)鹽及濁度作相關(guān)分析,結(jié)果見表2,營養(yǎng)鹽之間無顯著相關(guān)關(guān)系;Chla與營養(yǎng)鹽相關(guān)關(guān)系中,與TN、NO-3-N、K及TOC成正相關(guān),與TP、NO-2-N、NH3-N為負(fù)相關(guān).其中與NO-3-N(p<0.005,)呈顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.7287;與濁度(p<0.001)呈顯著負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9207.通常湖泊中Chla與TP具有較強(qiáng)的相關(guān)性,但關(guān)于河流水體中Chla與TP相關(guān)關(guān)系報道很少,可能與河流水體流態(tài)變化快,營養(yǎng)鹽與浮游藻類分布受其影響較湖泊復(fù)雜有關(guān).另外,也與深水水體中Chla濃度變化緩慢,變成非磷濃度依賴性有關(guān).從相關(guān)關(guān)系分析,三峽水庫Chla含量變化在成庫初期,與水文、水力條件(濁度等)的變化趨勢較一致.將11個測點(diǎn)Chla、營養(yǎng)鹽及濁度作系統(tǒng)聚類分析,聚類結(jié)果見圖4.三峽水庫在成庫初期可明顯分為3個不同類型,即水庫上游區(qū)(長壽、涪陵、豐都、忠縣)、中游區(qū)(萬州、云陽、奉節(jié))和下游區(qū)(巫山).表明成庫初期三峽水體營養(yǎng)鹽、Chla及濁度的分布呈較強(qiáng)地域性分布與水力條件的改變有較大關(guān)系.2.3綠藻門和藍(lán)藻門個體數(shù)量的比較對4個站點(diǎn)樣品的分析結(jié)果表明:每個斷面硅藻門藻類個體的平均數(shù)量為129844個·L-1,占絕對優(yōu)勢,其數(shù)量占浮游植物總量的86%;綠藻門個體數(shù)量為11179個·L-1,占總量的7.4%;藍(lán)藻門個體數(shù)量為8152個·L-1,占總量的5.4%;其他各門藻類植物的種群密度與上述各門藻類植物相比相對較小(各個斷面的種群數(shù)量見表3),隱藻門與裸藻門個體數(shù)量為1229個·L-1和500個·L-1.浮游植物數(shù)量沿三峽水庫流速方向有較明顯增高,但其增高幅度低于Chla,這與不同采樣斷面浮游生物種類不同有關(guān).2.4水體營養(yǎng)化的條件根據(jù)有關(guān)成果,富營養(yǎng)化發(fā)生所需最必要的外力條件為:TP、TN等營養(yǎng)鹽相對較充足、緩慢的水流流態(tài)和適宜的氣候條件.從營養(yǎng)鹽濃度水平分析,三峽水庫135m蓄水時,水體中營養(yǎng)鹽濃度已經(jīng)達(dá)到產(chǎn)生富營養(yǎng)化的條件.從氮、磷比值關(guān)系分析水體營養(yǎng)鹽限制,三峽庫區(qū)水體藻類生長主要受磷限制.從水文、水力條件分析水庫界于河流與湖泊之間,流速一般比河流小而比湖泊大;換水周期因人為需要而改變.三峽水庫在2009年175m蓄水時,其換水周期也僅為33d,換水頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一般水庫,類比三峽水庫135m蓄水營養(yǎng)鹽與浮游植物量分布,庫區(qū)干流有較大的流速,營養(yǎng)物質(zhì)輸送較快,可能不易發(fā)生大面積的水華現(xiàn)象.但在一些較小的支流河口回水區(qū)、庫灣死水區(qū)以及受水淹的平壩地區(qū),由于水流速度較緩,均有發(fā)生局部水華現(xiàn)象的可能.由于本次調(diào)查是在成庫初期調(diào)查,對成庫后