三峽水庫小江回水區(qū)春季初級生產(chǎn)力*

郭勁松，李 偉，李 哲，孫志禹，陳永柏，龍 曼，陳 杰

(1:重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，重慶400045)

(2:中國長江三峽集團(tuán)公司，宜昌443002)

(3:林同棪國際工程咨詢(中國)有限公司，重慶401121)

三峽水庫小江回水區(qū)春季初級生產(chǎn)力*

郭勁松1，李 偉1，李 哲1，孫志禹2，陳永柏2，龍 曼1，陳 杰3

(1:重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，重慶400045)

(2:中國長江三峽集團(tuán)公司，宜昌443002)

(3:林同棪國際工程咨詢(中國)有限公司，重慶401121)

2010年4、5月份，用黑白瓶法對小江回水區(qū)春季浮游植物初級生產(chǎn)力進(jìn)行了原位監(jiān)測，并研究了初級生產(chǎn)力的分布特征及其與光強(qiáng)、葉綠素a濃度(Chl.a)、水溫、二氧化碳分壓(pCO2)等影響因素的相關(guān)關(guān)系.結(jié)果表明，4、5月份小江回水區(qū)的水柱總初級生產(chǎn)力(GPP)分別為1927.5、1325.0mg O2/(m2·d)，平均值為 1626.3mg O2/(m2·d);總呼吸作用(GR)分別為1037.5、1062.5mg O2/(m2·d)，平均值為 1050.0mg O2/(m2·d);總凈生產(chǎn)力(GNP)分別為 890.0、262.5mg O2/(m2·d)，平均值為576.3mg O2/(m2·d);GPP/GR 分別為1.86、1.25，均大于1，表明4、5 月份小江屬于自養(yǎng)型水體.各層總生產(chǎn)量(P)和生產(chǎn)量與呼吸量的相對值(P/R)有相似的垂直分布特征，最大值出現(xiàn)在表層水中，然后隨水深增加而減小.相關(guān)分析結(jié)果表明，P同光強(qiáng)(I)和Chl.a呈顯著正相關(guān)關(guān)系，建立相應(yīng)的線性回歸模型分別為:P=0.154Chl.a－0.278，R2=0.570;P=0.001I－0.013，R2=0.942.

三峽水庫;小江;浮游植物;初級生產(chǎn)力

初級生產(chǎn)力是指單位面積水域在單位時(shí)間內(nèi)初級生產(chǎn)者生產(chǎn)有機(jī)物的能力，是水生生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，對研究水生生態(tài)系統(tǒng)及其環(huán)境特征具有重要意義［1］.初級生產(chǎn)者主要由水生植物、浮游植物(藻類)和自養(yǎng)細(xì)菌等構(gòu)成，通常在大型水體中浮游植物對初級生產(chǎn)的貢獻(xiàn)最大.對水域初級生產(chǎn)力及其結(jié)構(gòu)特征的認(rèn)識始于20世紀(jì)初，發(fā)展至今已經(jīng)可以采用多種手段確定水域生產(chǎn)力水平及其結(jié)構(gòu)特征，但不同水域物理背景并不相同，影響生產(chǎn)力水平及其結(jié)構(gòu)特征的生態(tài)過程較為復(fù)雜［2-7］，這仍是當(dāng)前水域生產(chǎn)力研究的重要方面.

三峽水庫自2003年蓄水后，庫區(qū)支流回水區(qū)呈現(xiàn)浮游植物大量生長、初級生產(chǎn)力水平迅速升高的富營養(yǎng)化趨勢，春季頻繁暴發(fā)的水華現(xiàn)象已成為三峽水庫備受關(guān)注的生態(tài)環(huán)境問題之一［8］.目前不少學(xué)者對三峽庫區(qū)蓄水前后支流的水文水質(zhì)和藻類種群結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行了調(diào)查研究，并用多樣性指數(shù)等方法對水體營養(yǎng)級別進(jìn)行綜合評價(jià)，普遍認(rèn)為庫區(qū)營養(yǎng)狀態(tài)為中-富營養(yǎng)型［9-12］.水動(dòng)力條件改變、營養(yǎng)物輸入與積累是誘導(dǎo)支流回水區(qū)出現(xiàn)生產(chǎn)力水平升高與水華形成的主要因素［13-15］.但三峽水庫支流水生態(tài)系統(tǒng)中生產(chǎn)與消費(fèi)的相互關(guān)系并不明晰，水庫季節(jié)調(diào)蓄對支流生態(tài)系統(tǒng)的潛在影響仍不清楚，從水域生產(chǎn)力水平與結(jié)構(gòu)特征的角度揭示三峽水庫支流回水區(qū)初級生產(chǎn)力格局，是進(jìn)一步認(rèn)識其水庫湖沼學(xué)特征的重要環(huán)節(jié).

本研究擬通過對小江回水區(qū)春季(2010年4-5月)初級生產(chǎn)力進(jìn)行原位觀測研究，分析初級生產(chǎn)力的格局特征，并探討光強(qiáng)、水溫、葉綠素a和水體中溶解性CO2等主要環(huán)境要素對初級生產(chǎn)力的影響，以期從初級生產(chǎn)力角度進(jìn)一步揭示三峽水庫小江回水區(qū)的湖沼學(xué)特征，為分析其水生生態(tài)結(jié)構(gòu)與功能提供基礎(chǔ)資料.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

小江流域(圖1)地處四川盆地東南邊緣，大巴山南麓，介于30°49'-31°42'N，107°56'-108°54'E之間，流域面積5172.5km2，干流全長182km，河口距三峽大壩約250km，是三峽水庫中段較大的次級流域之一.三峽水庫蓄水至156m后，小江回水區(qū)延伸至開縣渠口鎮(zhèn)境內(nèi)，長度接近60km.考慮回水區(qū)末端受145-156m水位漲落的影響，本研究選擇145m以下的永久回水區(qū)，即云陽縣渠馬至小江河口的河段作為研究區(qū)域(圖2).

1.2 采樣方案與數(shù)據(jù)處理分析方法

初級生產(chǎn)力的測量最初由Garder等在1927年提出溶解氧法，后來Steemann在1952年提出了14C法，1987年Bender和Grande又提出了18O法，現(xiàn)在也有人提出用光學(xué)方法檢測水體初級生產(chǎn)力［16-19］.但目前普遍使用的仍然是前兩種方法.溶解氧法也稱為黑白瓶測氧法，它是根據(jù)水中初級生產(chǎn)者光合作用釋放氧氣的生物化學(xué)原理，將裝有水樣的黑、白瓶置于不同水層中，測定單位時(shí)間內(nèi)溶解氧含量的變化，借以計(jì)算初級生產(chǎn)力的一種方法.此法較為簡單易行，適用于湖泊、水庫、池塘等靜水水體以及水流緩和的河流水域.

本研究綜合前述的研究成果，以Garder等的溶氧法為基礎(chǔ)，采用YSI?ProODO光學(xué)溶解氧測定儀測定黑白瓶內(nèi)溶解氧.該方法具有不受流速限制、無流速或攪拌依賴性以及無需預(yù)熱時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)，但在測試過程中需注意快速測量，且測量初始溶解氧時(shí)要避免瓶內(nèi)留有氣泡.

本研究采樣斷面布設(shè)于小江回水區(qū)雙江大橋河道深弘線處(30°56'51.1″N，108°41'37.5″E)，于 2010 年4-5月水華高發(fā)期采用黑白瓶法每月進(jìn)行1次的初級生產(chǎn)力測定，黑白瓶容積為350ml.初級生產(chǎn)力的測試按0、0.5、1、2、3、5、8、10m 的深度分層進(jìn)行掛瓶，次日起瓶，并分別用溶氧儀測量溶解氧含量.根據(jù)24 小時(shí)掛瓶前后黑白瓶內(nèi)溶解氧變化，可以計(jì)算各水層的總生產(chǎn)量(P)、凈生產(chǎn)量(NP)和呼吸作用量(R)，其計(jì)算方法如下:P=掛瓶后白瓶溶解氧－掛瓶后黑瓶溶解氧;NP=掛瓶后白瓶溶解氧量－初始溶解氧量;R=初始溶解氧量－掛瓶后黑瓶溶解氧量，其中P、NP、R單位為mg O2/L.采用算術(shù)平均值累計(jì)法計(jì)算水柱日生產(chǎn)力值(GPP)和總呼吸作用量(GR).以GPP為例，計(jì)算公式為:

式中，Pi為第i層的總生產(chǎn)量，Di為第i層的深度，n為取樣層次數(shù)(1≤i≤n－1)，GPP單位為mg O2/(m2·d).總凈生產(chǎn)力值(GNP)可由GPP和GR計(jì)算得到(GNP=GPP－GR).現(xiàn)場其他測試指標(biāo)包括水溫、光強(qiáng)、二氧化碳分壓(pCO2)、溶解氧等，其中光強(qiáng)采用美國LI-COR公司生產(chǎn)的LI-192SA水下光量子儀測得，各層水溫和溶解氧用YSI?ProODO溶氧儀測量，pCO2根據(jù)pH、HCO－3及Kh進(jìn)行換算，并用水溫校正［20］.葉綠素a(Chl.a)用Whatman?GF/C膜濾后以90%丙酮溶液萃取，并采用分光光度法測定其濃度［21］.所有數(shù)據(jù)使用SPSS進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 小江春季初級生產(chǎn)力的特征

2010年春季4、5月份小江回水區(qū)雙江斷面的GPP分別為1927.5、1325.0mg O2/(m2·d)，平均值為1626.3mg O2/(m2·d).GR 分別為 1037.5、1062.5mg O2/(m2·d)，平均值為 1050.0mg O2/(m2·d);GNP分別為 890.0、262.5mg O2/(m2·d)，平均值為 576.3mg O2/(m2·d).三峽庫區(qū)另一支流香溪河在 2005 年春季的GPP約為5996.0mg O2/(m2·d);緯度接近的大型淺水湖泊太湖在1998年春季GPP約為3005.9mg O2/(m2·d)，對比可見春季小江回水區(qū)初級生產(chǎn)力水平相對偏低［22-23］.

研究期間小江回水區(qū)雙江斷面水深0-10m各層總生產(chǎn)量存在明顯的垂直分布規(guī)律.P最高值出現(xiàn)在表層，然后隨水深呈類似于指數(shù)規(guī)律減小;總生產(chǎn)量主要集中在3m以上水層中，到3m水深以下初級生產(chǎn)力變化平緩，至真光層深度(7-8m)處初級生產(chǎn)力接近于零.各層R相對較小，基本在0-0.2mg O2/L范圍內(nèi)變化(圖3).

生產(chǎn)量與呼吸量的相對值(P/R)是反映水生生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo).通常在湖泊系統(tǒng)中，P/R＞1表明生態(tài)系統(tǒng)以自養(yǎng)過程為主導(dǎo)，而P/R＜1則表明以異養(yǎng)生產(chǎn)為主.一般在貧營養(yǎng)和中營養(yǎng)湖泊中 P/R ＜1，在富營養(yǎng)湖泊中 P/R ＞1［24］.河流系統(tǒng)生產(chǎn)、消費(fèi)特征同湖泊存在差異，Grace等認(rèn)為，河流生態(tài)系統(tǒng)中P/R＞1為自養(yǎng)型的河流;而P/R＜0.5的河流屬于異養(yǎng)型河流;當(dāng)0.5＜P/R＜1時(shí)，碳源既有外部輸入的也有內(nèi)部產(chǎn)生的，河流生態(tài)系統(tǒng)介于自養(yǎng)型和異養(yǎng)型之間.但也有研究將P/R=0.75作為自養(yǎng)型和異養(yǎng)型河流的分界點(diǎn)［25-27］.

本研究中，小江回水區(qū)4、5月水柱日生產(chǎn)量與總呼吸量的比值(GPP/GR)分別為1.86和1.25，均大于1，說明春季該水域總體呈現(xiàn)自養(yǎng)型特征.對各水層P/R比值的垂直變化分析可以看出，垂向上P/R總體趨勢同P的垂向分布特點(diǎn)相似，最大值在表層附近出現(xiàn)，3m以下水層P/R基本保持穩(wěn)定，但在8-10m兩指標(biāo)均出現(xiàn)升高的趨勢(圖4).

2.2 初級生產(chǎn)力同主要環(huán)境因素的相互關(guān)系

光強(qiáng)、溫度(T)、Chl.a、pCO2是同初級生產(chǎn)力密切相關(guān)的環(huán)境指標(biāo)，研究它們同初級生產(chǎn)力的相互關(guān)系有助于認(rèn)識該時(shí)期小江回水區(qū)水生生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能特征.研究期間，小江回水區(qū)光強(qiáng)、T、Chl.a和pCO2的垂直分布特征見圖5.

本研究選擇Spearman相關(guān)性分析方法建立2次采樣期間各水層P、R、NP以及P/R同上述環(huán)境指標(biāo)的相互關(guān)系，分析結(jié)果見表1.

表1 初級生產(chǎn)力與環(huán)境指標(biāo)的Spearman相關(guān)性矩陣Tab.1 Matrix of the correlation coefficients among primary productivity and each environmental indexes

研究發(fā)現(xiàn)，Chl.a和光強(qiáng)同P、NP均呈顯著正相關(guān)，而水溫和pCO2的垂向分布與P、NP的相關(guān)關(guān)系并不顯著;P/R同P和光強(qiáng)呈顯著正相關(guān)，同R呈顯著負(fù)相關(guān)，而同Chl.a的相關(guān)性并不顯著;另外，在上述4個(gè)環(huán)境要素中，Chl.a同光強(qiáng)呈顯著正相關(guān)關(guān)系，pCO2則同水溫呈顯著負(fù)相關(guān).根據(jù)上述相關(guān)性分析結(jié)果，本研究建立了研究期間Chl.a、光強(qiáng)(I)同各層總生產(chǎn)量P的線性回歸模型，分別為:

同香溪河春季的生產(chǎn)力水平調(diào)查結(jié)果［22］相比，小江回水區(qū)生產(chǎn)力水平較香溪河低.由于文獻(xiàn)［22］的數(shù)據(jù)采集時(shí)期為春季139m蓄水狀態(tài)，本研究采樣時(shí)間的水庫運(yùn)行狀態(tài)為150-155m，水文水動(dòng)力條件有一定差別，同期香溪河已經(jīng)發(fā)生了明顯的水華現(xiàn)象，而采樣期間采樣點(diǎn)處水華還沒大面積出現(xiàn).這些因素均在很大程度上影響了水體生產(chǎn)力水平.另一方面，本研究的相關(guān)性分析結(jié)果表明生產(chǎn)力水平與P/R比值同光強(qiáng)存在顯著的相關(guān)關(guān)系，在香溪河的研究中也有類似的現(xiàn)象，這進(jìn)一步表明了在中-富營養(yǎng)水體中初級生產(chǎn)力水平可能受控于光照強(qiáng)度.

3 結(jié)論

2010年三峽小江回水區(qū)春季水華高發(fā)期水體總體上以自養(yǎng)型為主，對碳的生產(chǎn)顯著強(qiáng)于對碳的消費(fèi)，浮游植物的光合生產(chǎn)可能是小江回水區(qū)碳生產(chǎn)的主要過程;而呼吸作用的宏觀表象并不強(qiáng)烈.光合生產(chǎn)主要集中分布于0-3m水層范圍內(nèi)，表層的光合生產(chǎn)過程較為劇烈，但在3m以下水層中光合生產(chǎn)強(qiáng)度穩(wěn)定地保持在相對較低的水平.研究期間并未出現(xiàn)顯著的水溫分層現(xiàn)象，水溫的垂直變化并未對光合生產(chǎn)的垂直分布產(chǎn)生較大影響，而光照強(qiáng)度的改變影響更為顯著.由于研究期間呼吸作用分層特征并不明顯，且同主要環(huán)境要素的關(guān)系亦較為模糊，故本研究尚難以進(jìn)一步對細(xì)菌降解能力特征進(jìn)行更深入分析.

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Spring primary productivity in Xiaojiang River backwater area in the Three Gorges Reservoir

GUO Jinsong1，LI Wei1，LI Zhe1，SUN Zhiyu2，CHEN Yongbo2，LONG Man1＆ CHEN Jie3
(1:Faculty of Urban Construction and Environmental Engineering，Chongqing University，Chongqing 400045，P.R.China)
(2:China Three Gorges Cooperation，Yichang 443002，P.R.China)
(3:T.Y.Lin International Engineering Consulting(China)Co.，Itd.，Chongqing 401121，P.R.China)

During April and May in 2010，the primary production in the Xiaojiang River backwater area，Three Gorges Reservoir was measured using the black-white-bottle method.The distribution features and relationships with light intensity，chlorophyll-a concentration(Chl.a)，water temperature and partial pressure of carbon dioxide(pCO2)were studied.The results showed that the gross primary productivities(GPP)were 1927.5 mg O2/(m2·d)and 1325.0 mg O2/(m2·d)in April and May，respectively，the average value was 1626.3 mg O2/(m2·d).The gross respirations(GR)in the two months were 1037.5 mg O2/(m2·d)and 1062.5 mg O2/m2·d，respectively，and the average value was 1050.0 mg O2/(m2·d).The gross net productivities(GNP)in the two months were 890.0 mg O2/(m2·d)and 262.5 mg O2/(m2·d)，and the average value was 576.3 mg O2/(m2·d).Ratio of GPP/GR were 1.86 and 1.25.These indexes suggested that the Xiaojiang River was autotrophic in the spring season.Primary productivity(P)in each depth and the ratio of productivity to respiration(P/R)had similar vertical distribution feature，showing that the maximum values occurred near the surface and they decreased with depth.Correlation analysis showed that light intensity(I)and Chl.a were significantly positive correlation with the P.Equations of the linear regression model P with Chl.a and with I were respectively:P=0.154 Chl.a －0.278，with coefficient R2=0.570，and P=0.001 I－0.013，with coefficient R2=0.942.

Three Gorges Reservoir;Xiaojiang River;phytoplankton;primary productivity

* 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51009155)、國家“973”計(jì)劃項(xiàng)目(2010CB955904-02)、中國長江三峽集團(tuán)公司項(xiàng)目(CT-09-08-03)和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)科研專項(xiàng)“研究生科技創(chuàng)新基金”(CDJXS10 21 11 53)聯(lián)合資助.2010-10-11收稿;2010-12-30收修改稿.郭勁松，男，1963年生，教授，博士生導(dǎo)師;E-mail:guo0768@126.com.