香溪河庫灣春季藻華生長(zhǎng)的影響因子分析

孔 松 劉德富，2 紀(jì)道斌 李 媛 楊正健

（1.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北宜昌 443002；2.三峽大學(xué)三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心，湖北 宜昌 443002）

三峽水庫蓄水后，支流由于受到干流高水位的頂托作用，河道變寬，流速迅速減緩，處于準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)（小于0.1m／s）［1].庫灣水體中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)聚積［2－3]，為藻類生長(zhǎng)提供了大量養(yǎng)料，特別是春季，水溫升高，光照良好，藻類迅速生長(zhǎng)［4－5]，導(dǎo)致水體混濁，透明度下降，水質(zhì)變壞，水體富營(yíng)養(yǎng)化程度較高，出現(xiàn)水華現(xiàn)象［6－7].大量的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，氣溫、水溫、光照和氮磷營(yíng)養(yǎng)等單因子與藻類生長(zhǎng)率之間存在一定關(guān)系［8－10]，水流速度對(duì)藻類生長(zhǎng)也存在顯著影響［11].本文利用2007年2～5月在三峽水庫香溪河庫灣及其支流每周監(jiān)測(cè)的大量資料，分析對(duì)藻類生長(zhǎng)有顯著影響的因子，并建立了流速與藻類生長(zhǎng)關(guān)系模型.在此基礎(chǔ)上，分析香溪河庫灣水華暴發(fā)的機(jī)理并對(duì)香溪河庫灣水華進(jìn)行初步預(yù)報(bào).

1 材料與方法

1.1 香溪河概況

香溪河系長(zhǎng)江三峽水庫湖北庫區(qū)內(nèi)第一大支流，發(fā)源于湖北省西北部神農(nóng)架林區(qū)，流經(jīng)興山縣、秭歸縣，于香溪鎮(zhèn)注入長(zhǎng)江.香溪河干流長(zhǎng)94km，流域范圍110°25′～111°06′E、30°57′～31°34′N ，流域面積3 099km2.

1.2 采樣點(diǎn)的設(shè)置

香溪河的主干流上從香溪河口至高陽鎮(zhèn)設(shè)置12個(gè)采樣斷面，如圖1所示，其編號(hào)分別為XX00～XX11；另外在香溪河的3個(gè)支流平邑口，高嵐河和屈原河上分別設(shè)一個(gè)點(diǎn)，其編號(hào)分別為PY，GL、QY.于2007年2月25日～5月14日期間進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采樣、監(jiān)測(cè)，每7d進(jìn)行一次，共計(jì)12次.

圖1 香溪河庫灣采樣點(diǎn)分布

1.3 監(jiān)測(cè)指標(biāo)及方法

主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括水位、流速、流量、水溫、濁度（Turbidity）、電導(dǎo)率（Cond）、pH、溶解氧（DO）、總氮（TN）、硝 酸 鹽 氮 （NO3－N）、氨 氮 （NH4－N）、總 磷（TP）、正磷酸鹽（PO4－P）、可溶性硅酸鹽（SiO3－Si）、葉綠素（Chl.a）.

水位、流量由興山縣水文站提供；流速采用“威龍”聲學(xué)多普勒點(diǎn)式流速儀（挪威）測(cè)定；水溫（Temp）、電導(dǎo)率（Cond）、溶解氧（DO）、pH 值、濁度（Turbidity）、葉綠素（Chl.a）等參數(shù)采用 YSI多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀測(cè)定.在各監(jiān)測(cè)斷面取表層水（0.5m），儲(chǔ)存于2個(gè)潔凈的350ml聚乙烯瓶中，根據(jù)《水和廢水分析方法》（第4版）［12]對(duì)采集的水樣一瓶加酸至pH＜2，用于測(cè)定總氮（TN）、硝酸鹽氮（NO3－N）、氨氮（NH4－N）、總磷（TP）濃度，一瓶經(jīng)醋酸纖維濾膜（孔徑0.45μm）過濾，濾膜低溫干燥，用于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室采用分光光度法測(cè)定葉綠素a（Chl.a）的濃度，過濾后的水樣用于測(cè)定正磷酸鹽（PO4－P）和可溶性硅酸鹽（SiO3－Si）濃度.

2 結(jié)果與分析

2.1 香溪河庫灣營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)分析

用SPSS13.0軟件對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行探秩分析，去除奇異值，對(duì)有效值進(jìn)行分析，得到香溪河庫灣各樣點(diǎn)各因子的基本統(tǒng)計(jì)學(xué)特征，結(jié)果見表1.由表可知2007年3～5月期間調(diào)查的水溫范圍為10.89～22.41℃，電導(dǎo)率在0.21～0.39ms／cm 之間，溶解氧在0.61～21.50mg／L之間，pH 值在5.56～13.92之間，濁度在0.04～1 101.21NTU之間，測(cè)定葉綠素a濃度在0.02～302.98μg／L之間，總磷在0.03～0.82mg／L之間，正磷酸鹽在0.01～0.60mg／L之間，氨氮在0.06～1.51mg／L之間，總氮在0.24～4.83mg／L之間，硝氮0.04～1.75mg／L之間，可溶性硅酸鹽在0.59～7.48mg／L之間，實(shí)測(cè)流速在0.01～0.60m／s之間，平均值接近0.09m／s.

表1 香溪河庫灣各樣點(diǎn)各因子的基本統(tǒng)計(jì)學(xué)特征

參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)基本項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)限值（GB3838－2002）》中總氮和總磷含量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，香溪河庫灣水體介于III類（TN≤1mg／L，TP≤0.2mg／L）與IV類（TN≤1.5mg／L，TP≤0.3mg／L）之間.根據(jù)鄭炳輝、張遠(yuǎn)等［13]對(duì)三峽水庫的水體敏感類型界定，香溪河為湖泊類型.參考其制定的三峽水庫營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（見表2），香溪河總氮、總磷均值均達(dá)到重富營(yíng)養(yǎng)范疇.

表2 三峽水庫庫區(qū)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（湖泊型）

謝平等［14]在研究漢江水華時(shí)發(fā)現(xiàn)通過富營(yíng)養(yǎng)化動(dòng)力學(xué)模型對(duì)藻類生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)條件進(jìn)行調(diào)試，當(dāng)水體總氮濃度高于1.0mg／L、總磷濃度高于0.07 mg／L時(shí)，營(yíng)養(yǎng)條件已經(jīng)基本滿足藻類生長(zhǎng)的需求，香溪河總氮、總磷濃度均值都高于這個(gè)臨界值.根據(jù)鄭炳輝、張遠(yuǎn)等［13]對(duì)處在藻類臨暴發(fā)和暴發(fā)階段的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行的閾值分析，香溪河的氮、磷完全滿足藻類生長(zhǎng)的需求且已經(jīng)達(dá)到富營(yíng)養(yǎng)化暴發(fā)閾值.當(dāng)其它環(huán)境條件以及水動(dòng)力條件滿足時(shí)，即有可能出現(xiàn)藻類的暴發(fā)式生長(zhǎng)現(xiàn)象，即發(fā)生“水華”.

2.2 香溪河庫灣各因子時(shí)空分布特征

為更清楚的反映香溪河庫灣空間根據(jù)各樣點(diǎn)葉綠素a、水溫、濁度（Turbidity）、電導(dǎo)率（Cond）、pH、溶解氧（DO）、總氮（TN）、硝酸鹽氮（NO3－N）、氨氮（NH4－N）、總磷（TP）、正磷酸鹽（PO4－P）、硅（SiO3－Si）等環(huán)境因子的相似性可將所有采樣點(diǎn)分成6組（如圖2所示），參考離河口的距離，定義第一組包括XX00，第二組包括XX01，第三組包括XX02～XX05和屈原河（QY），第四組包括XX06～XX10和高嵐河（GL），第五組包括 XX11，平邑口（PY）為第六組.從樣點(diǎn)分布聚類圖可以看出，各分組在空間上保持較好的連續(xù)性.第三組和第四組較其他組距離較大，組內(nèi)各參數(shù)的相似性較高，而接近河口的河段以及接近河流態(tài)的河段由于受到的擾動(dòng)較大，各自成組.

圖2 香溪河庫灣各樣點(diǎn)聚類分析結(jié)果

各組葉綠素a濃度變化如圖3所示，從圖中可以看出，香溪河葉綠素a分布具有較顯著的空間差異，且75%分布概率水平在20mg／m3左右，說明香溪河庫灣在監(jiān)測(cè)期間，葉綠素a平均水平并不高.同時(shí)，Group2～Group4葉綠素a在監(jiān)測(cè)期間變化較顯著.

圖3 葉綠素a濃度沿香溪河的空間分布圖

由圖4可知，總磷和正磷酸鹽濃度的分布趨勢(shì)相同，從河口到回水末端逐漸增加，在香溪河的一個(gè)小支流PY出現(xiàn)最大均值.Group1和Group2總磷、正磷酸鹽濃度較其他河段變化不顯著.總氮和硝氮濃度的分布趨勢(shì)一致，表現(xiàn)為從河口到回水末端逐漸減小，最大值分別出現(xiàn)在PY和Group1.從25%～75%分布概率看，硝氮的變化較總氮顯著.而可溶性硅酸鹽和氨氮的空間變化不是很顯著.從50%的分布概率與各均值比較看，所監(jiān)測(cè)的6種營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)在絕大多數(shù)范圍內(nèi)表現(xiàn)為50%概率濃度大于均值，充分說明香溪河的營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)一直保持較高水平.

圖4 營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)濃度沿香溪河空間分布圖

圖5反映了各因子沿香溪河的空間分布規(guī)律，由圖知，水溫在空間上差異不顯著，在河口Group1和回水末端Group5稍低，分別受長(zhǎng)江和上游天然來水的影響所致.濁度則表現(xiàn)出離河口越近，值越小，25%～75%的分布概率也有同樣趨勢(shì)，足以說明濁度主要受上游來水的影響較大.其它指標(biāo)（電導(dǎo)率、溶解氧、pH）受葉綠素a的影響較大，有明顯變化.流速以Group5和Group6較小，即庫灣上游區(qū)域流速較小.

圖5 環(huán)境因子及水動(dòng)力因子沿香溪河空間分布圖

3 討 論

3.1 香溪河庫灣春季水華暴發(fā)期環(huán)境因子與藻類生長(zhǎng)的關(guān)系

3.1.1 香溪河庫灣環(huán)境因子對(duì)藻類生物量的影響

根據(jù)聚類的結(jié)果將各組內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行算數(shù)平均，采用Kendall相關(guān)系數(shù)計(jì)算因子間相關(guān)系數(shù).

表3反映了香溪河庫灣主要環(huán)境因子與藻類生物量的相關(guān)關(guān)系.香溪河庫灣水體的環(huán)境因子對(duì)葉綠素a有著間接或直接的影響.葉綠素a與NO3－N顯著負(fù)相關(guān)，與DO和pH顯著正相關(guān).營(yíng)養(yǎng)鹽往往是藻類生長(zhǎng)的限制因子，而從表3中可以看出，總磷和正磷酸鹽與藻類生物量之間沒有顯著的相關(guān)關(guān)系，進(jìn)一步表明，香溪河庫灣磷營(yíng)養(yǎng)鹽是充足的，不是藻類生長(zhǎng)的限制因子.

表3 香溪河庫灣環(huán)境因子與葉綠素a的秩相關(guān)關(guān)系

3.1.2 香溪河庫灣藻類葉綠素a與環(huán)境因子的逐步回歸統(tǒng)計(jì)

在特定的水體中，環(huán)境因子對(duì)藻類的影響作用各不相同［15]，多元逐步回歸統(tǒng)計(jì)可以篩選出相對(duì)重要的因子，建立多元線性回歸方程，并可進(jìn)行方程顯著性檢驗(yàn).表4是香溪河庫灣葉綠素與環(huán)境因子的逐步回歸統(tǒng)計(jì)結(jié)果.結(jié)果表明，各樣點(diǎn)篩選出的對(duì)藻類生長(zhǎng)有顯著影響的因子各不相同.溶解氧在能建立回歸方程的3個(gè)分區(qū) Gorup2（XX01）、Group4（XX06～XX10）以及庫灣平均值都入選為顯著因子且都為正相關(guān).由于藻類等光合作用釋放氧而影響水體溶解氧的變化［16]，所以溶解氧與葉綠素a相關(guān)關(guān)系顯著.Group3（XX02～XX05）中有3個(gè)因子入選，分別是TP、PO4－P和 NH4－N，其中 TP和 NH4－N為正相關(guān)，PO4－P為負(fù)相關(guān).Group4有兩個(gè)因子入選，分別是DO和pH，pH為正相關(guān)，而庫灣平均值則有4個(gè)因子入選，分別是DO、pH、NO3－N和SiO3－Si，均為正相關(guān).其中，DO和pH指標(biāo)與藻類生理特性相關(guān)［16]，不作為影響葉綠素a濃度變化的控制因子，則香溪河庫灣藻類生長(zhǎng)可能主要受NO3－N和SiO3－Si的影響.

表4 香溪河庫灣葉綠素a與環(huán)境因子的逐步回歸統(tǒng)計(jì)結(jié)果

續(xù)表4 香溪河庫灣葉綠素a與環(huán)境因子的逐步回歸統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3.2 香溪河庫灣春季水華暴發(fā)期水動(dòng)力特性及與藻類生長(zhǎng)的關(guān)系

藻類生長(zhǎng)所必須的環(huán)境條件包括：富足的營(yíng)養(yǎng)條件，緩慢的水流流態(tài)和適宜的氣候條件［17].有研究認(rèn)為三峽水庫支流庫灣富營(yíng)養(yǎng)化，主要是由于水庫蓄水后，其水環(huán)境條件尤其是水動(dòng)力條件發(fā)生顯著變化，從而在一些支流出現(xiàn)藻類瘋長(zhǎng)以至發(fā)生水華現(xiàn)象［11，18].所以有必要探討水動(dòng)力條件對(duì)藻類生長(zhǎng)的影響特點(diǎn)以及藻類的時(shí)空分布對(duì)水文水動(dòng)力的響應(yīng)規(guī)律.

采用SPSS 13.0軟件對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，以線性相關(guān)系數(shù)和秩相關(guān)系數(shù)衡量流速（V）與藻類生物量（Chl.a）之間的相關(guān)關(guān)系（表5）.經(jīng)分析，兩種秩相關(guān)分析結(jié)果是一致的.0.5m和10m的流速和Chl.a相關(guān)關(guān)系不顯著，而2m和5m的流速（V）和葉綠素（Chl.a）均存在顯著的相關(guān)關(guān)系，且2m的流速和葉綠素的相關(guān)關(guān)系更為顯著，故選擇各斷面2m深度的流速代表該斷面的流速分析與藻類生長(zhǎng)之間的關(guān)系.

表5 葉綠素a與分層流速的相關(guān)關(guān)系

根據(jù)各樣點(diǎn)2m、5m、10m深度的平均流速大小的相似性可將所有采樣點(diǎn)分成4組，如圖7所示（注：為了作圖的方便，圖中XX00～XX11簡(jiǎn)寫成X00～X11）.其中第1組包括 XX01、XX02、XX03、XX06、XX08、XX09和 XX10，流速范圍為0.05～0.1m／s；第2組包括XX04、XX05、XX07、GL、PY和QY，流速范圍為V＜0.5m／s；第3組包括XX00，第4組包括XX11，流速V＞0.1m／s.對(duì)照?qǐng)D6空間分布圖中可以看出，XX00樣點(diǎn)靠近香溪河河口，與長(zhǎng)江干流水體交換頻繁，受到的擾動(dòng)較大，故測(cè)得的流速較大.XX11樣點(diǎn)處于香溪河庫灣上游，上游來水的匯入致使該點(diǎn)的流速也較大.而香溪河的小支流來水都不大，受到香溪河主干流的頂托，流速都較小，處于準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài).而香溪河庫灣在XX05和XX07兩樣點(diǎn)斷面突然變寬，故流速也較相鄰斷面變小.其它斷面流速基本處于相同水平.

根據(jù)各樣點(diǎn)的葉綠素和平均流速的相似性可將所有樣點(diǎn)分成5組，如圖9所示，將所分結(jié)果與圖7比較，發(fā)現(xiàn)考慮葉綠素和流速雙因子的聚類圖與平均流速聚類圖有著較好的重合性.結(jié)合圖8發(fā)現(xiàn)，在干流XX00～XX11以及支流PY、QY流速與葉綠素a均有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，流速增大，葉綠素a有減小的趨勢(shì)，而在支流GL兩者關(guān)系并不明顯.

4 結(jié) 論

1）2007年3～5月連續(xù)監(jiān)測(cè)資料表明，香溪河葉綠素a含量時(shí)空分布差異較大.各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的葉綠素a濃度變化也較大，以Group3（XX02～XX05）最大.

2）葉綠素與環(huán)境因子的逐步回歸分析，各分區(qū)篩選的對(duì)藻類生長(zhǎng)有顯著影響的因子各不相同.在篩選出的環(huán)境因子中，DO，pH，NO3－N，SiO3－Si表現(xiàn)為正相關(guān)；秩相關(guān)分析中，總磷和正磷酸鹽與藻類生物量之間沒有顯著的相關(guān)關(guān)系，表明了香溪河庫灣磷營(yíng)養(yǎng)鹽是充足的，不是藻類生長(zhǎng)的限制因子.

3）香溪河庫灣的水動(dòng)力特征表現(xiàn)為：河口以及庫尾流速較大，平均流速在0.1m／s以上；香溪河的支流由于受到主干流的頂托，流速較小，基本上成為較封閉的靜水區(qū)；香溪河主干流除了部分突然變寬的河段流速較小外，其它大部分河段流速在0.05～0.1 m／s之間.

4）藻類在香溪河的生長(zhǎng)體現(xiàn)出較大的空間異質(zhì)性，而這種空間異質(zhì)性與流速的空間的差異性有著較顯著的關(guān)系，即流速增大，葉綠素a有減小的趨勢(shì).

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