桓仁水庫(kù)初級(jí)生產(chǎn)力和限制性營(yíng)養(yǎng)鹽研究

苑俊杰，趙 文，王安璞，劉 鋼，魏 杰，龐雨佳，王 哲，王圣云

( 1.大連海洋大學(xué) 水產(chǎn)與生命學(xué)院，遼寧省水生生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116023； 2.遼寧震瀚漁業(yè)集團(tuán)有限公司，遼寧 桓仁 117200 )

水體初級(jí)生產(chǎn)力是指單位水體在單位時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)有機(jī)物的能力，可估算產(chǎn)魚(yú)能力、評(píng)價(jià)水體營(yíng)養(yǎng)類(lèi)型，是水生生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)[1-2]和指示水域生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境特征的重要指標(biāo)[3-4]，對(duì)研究水生生態(tài)系統(tǒng)及其動(dòng)態(tài)變化，評(píng)價(jià)水環(huán)境，指導(dǎo)漁業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)保護(hù)具有重要意義。當(dāng)今全球湖泊、水庫(kù)的富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題日益嚴(yán)重，其主要原因是水體中營(yíng)養(yǎng)鹽過(guò)多積累導(dǎo)致水中藻類(lèi)和植物暴發(fā)性生長(zhǎng)，繼而影響到水體的透明度和溶解氧等指標(biāo)，危害水體健康，造成生物多樣性下降，影響水庫(kù)功能的正常發(fā)揮。預(yù)防水體富營(yíng)養(yǎng)化愈來(lái)愈成為關(guān)注的焦點(diǎn)[5-9]。調(diào)查研究表明，通常情況下，水體的氮、磷等元素循環(huán)處于一種穩(wěn)定的狀態(tài)，但在一些情況下會(huì)受到某種營(yíng)養(yǎng)鹽的限制，導(dǎo)致水體氨氮循環(huán)受阻，有害物質(zhì)積累。降低水體初級(jí)生產(chǎn)力從而影響水體魚(yú)產(chǎn)力[10-11]。當(dāng)下水庫(kù)的供水和生態(tài)調(diào)節(jié)等功能愈發(fā)受到關(guān)注和重視[12]。遼寧桓仁水庫(kù)(又名桓龍湖)位于遼寧省東部(E 125°20′～125°50′，N 41°10′～41°36′)，是遼寧省最大的水庫(kù)，庫(kù)身全長(zhǎng)81 km，橫跨遼寧、吉林兩省的桓仁、通化、集安3縣轄區(qū)，是一座以發(fā)電為主，兼顧防洪、灌溉、養(yǎng)魚(yú)的綜合性水利工程。水庫(kù)總庫(kù)容為3.46×109m3，蓄水量約2.362×109m3，近年來(lái)還擔(dān)負(fù)著省內(nèi)7個(gè)城市2300萬(wàn)人口的飲用水供給重任。武暕等[10]對(duì)桓仁水庫(kù)的總氮、總磷及其他的相關(guān)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行了調(diào)查，并對(duì)桓仁水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了預(yù)警。筆者在已有的調(diào)查資料的基礎(chǔ)上，用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的手段，通過(guò)添加限制性營(yíng)養(yǎng)鹽，對(duì)桓仁水庫(kù)的初級(jí)生產(chǎn)力和營(yíng)養(yǎng)鹽限制性進(jìn)行更進(jìn)一步的研究，查明桓仁水庫(kù)氮磷分布、營(yíng)養(yǎng)鹽的限制和水庫(kù)初級(jí)生產(chǎn)力，計(jì)算P/R系數(shù)，旨在通過(guò)監(jiān)測(cè)水質(zhì)、調(diào)控氮、磷含量及氮磷比等手段來(lái)解決營(yíng)養(yǎng)鹽的限制性，維護(hù)水庫(kù)生態(tài)結(jié)構(gòu)和功能的完整性，保障飲用水的生態(tài)安全。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

2018年4月10日、6月11日、8月14日在桓仁水庫(kù)的上游(江南九隊(duì))、中游(砬砬崗子)和下游(泗河大地)采水樣3次，3個(gè)采樣點(diǎn)分別標(biāo)記為a、b、c采樣點(diǎn)(圖1)。在實(shí)驗(yàn)室，選用500 mL具塞磨口玻璃瓶酸洗后，再用蒸餾水洗凈[13]，懸掛在用竹桿、浮筏、鐵絲制成的三角架上，用采水器采集相應(yīng)水層的原水(圖2)，用移液槍加入試驗(yàn)設(shè)計(jì)質(zhì)量濃度的氮、磷。所需藥品為濃硫酸、硫酸錳溶液、淀粉溶液、硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液(0.01 mol/L)、堿性碘化鉀溶液。

圖1 桓仁水庫(kù)采樣點(diǎn)示意

圖2 試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)易構(gòu)造

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)分組為：每個(gè)樣點(diǎn)原水樣組、0.3 mg/mL磷組、0.5 mg/mL氮組、以及氮磷比分別為1∶1、2∶1、4∶1、6∶1的水樣組，試驗(yàn)組和對(duì)照組均為3個(gè)平行，分別放置于上游江南九隊(duì)、中游砬砬崗子、下游泗河大地3個(gè)站位；同時(shí)用黑白瓶法測(cè)定初級(jí)生產(chǎn)力。晴天，采用虹吸法將所采集的水樣注入到500 mL的磨口瓶中并保證溢出2～3體積的水，隨后立即使用移液槍向磨口瓶中加入試驗(yàn)設(shè)計(jì)所需的氮、磷，經(jīng)過(guò)稀釋后，氮組實(shí)際添加質(zhì)量濃度為1 mg/L、磷組實(shí)際添加質(zhì)量濃度為0.6 mg/L。將瓶子反復(fù)搖勻后牢牢捆綁在三角架上之后放入水體中，曝光4 h，進(jìn)行光合作用，在曝光結(jié)束后，打撈三角架以及磨口瓶，立即向水樣中加入硫酸錳和堿性碘化鉀各0.5 mL，反復(fù)搖動(dòng)20次。上岸后，按照碘量法測(cè)定溶解氧含量[14-15]。試驗(yàn)結(jié)束后，按照公式分別計(jì)算生產(chǎn)力和呼吸量。

在水樣中加入硫酸錳及堿性碘化鉀溶液，生成氫氧化錳沉淀，此時(shí)沉淀不穩(wěn)定，迅速與水中溶解氧化合成錳酸錳：

MnSO4+2NaOH=Mn(OH)2↓+Na2SO4

2Mn(OH)2+O2=2H2MnO3↓

H2MnO3+Mn(OH)2=MnMnO3↓+2H2O

加入濃硫酸使已固定的溶解氧與溶液中的碘化鉀發(fā)生反應(yīng)，析出碘。

2KI+H2SO4=2HI+K2SO4

MnMnO3+2H2SO4+2HI=2MnSO4+I2+3H2O

用移液管量取一定量反應(yīng)結(jié)束后的水樣，以淀粉溶液為指示劑，用硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，計(jì)算水樣中溶解氧的含量。

按照下列公式計(jì)算P/R系數(shù)：

R=IB-DB

PG=LB-DB

PN=LB-IB

式中，R為呼吸耗氧量，IB為原初溶解氧含量，DB為培養(yǎng)后黑瓶溶解氧含量，LB為培養(yǎng)后白瓶溶解氧含量，PG為毛初級(jí)生產(chǎn)力，PN為凈初級(jí)產(chǎn)量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

使用有機(jī)玻璃采水器采集表層水樣，使用Excel 2017處理數(shù)據(jù)，利用SPSS 23.0進(jìn)行單因素方差分析和多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 桓仁水庫(kù)水體主要理化指標(biāo)

4月，桓仁水庫(kù)水體pH為8.60～9.63，6月為8.76～9.50，8月8.75～8.98，平均為9.08，水體呈堿性。最高值和最低值分別為上游江南九隊(duì)的4月9.63和中游砬砬崗子的4月8.60。

桓仁水庫(kù)水體溶解氧含量隨溫度升高而降低，4月為8.14～8.19 mg/L，6月為5.10～6.90 mg/L,8月為5.08～6.05 mg/L，溶解氧含量的最高值和最低值分別為下游泗河大地的4月8.19 mg/L和中游砬砬崗子的8月5.08 mg/L，平均為6.65 mg/L。

桓仁水庫(kù)水溫度隨季節(jié)變化明顯(P<0.05)，各斷面變化不明顯，4月為2.70～5.30 ℃，6月為23.60～24.30 ℃，8月為26.90～28.00 ℃，溫度最高值和最低值分別為下游泗河大地的8月28.00 ℃和4月2.70 ℃，全庫(kù)平均水溫為18.73 ℃。

桓仁水庫(kù)的總氮和總磷含量水平分布相差較大，其中總氮4月為0.93～1.17 mg/L，6月為1.13～1.38 mg/L，8月為0.69～1.10 mg/L；總磷含量整體為0.08～0.16 mg/L，其中上游江南九隊(duì)6月氮、磷值相對(duì)突出，分別為1.38 mg/L和0.16 mg/L?；溉仕畮?kù)主要理化指標(biāo)詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。全庫(kù)總氮平均值為1.07 mg/L、總磷平均值為0.1 mg/L。

表1 桓仁水庫(kù)水體主要理化指標(biāo)

2.2 氮磷比及營(yíng)養(yǎng)鹽限制因素

桓仁水庫(kù)水體中氮磷比及限制性營(yíng)養(yǎng)元素含量見(jiàn)表2。由表2可知，桓仁水庫(kù)在上游江南九隊(duì)和中游砬砬崗子的氮磷比隨著月份的增長(zhǎng)而降低，而在下游泗河大地氮磷比隨著月份的增長(zhǎng)而升高。

2.3 桓仁水庫(kù)初級(jí)生產(chǎn)力及P/R系數(shù)比較

4、6、8月，桓仁水庫(kù)上、中、下游浮游植物初級(jí)生產(chǎn)力及其相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表3。由表3可知，4月桓仁水庫(kù)水柱產(chǎn)量為3.91～5.60 g/(m2·d)，平均產(chǎn)量為4.77 g/(m2·d)，最大和最小值分別出現(xiàn)在中游砬砬崗子和上游江南九隊(duì)；6月水柱產(chǎn)量為5.78～9.10 g/(m2·d)，平均產(chǎn)量為7.99 g/(m2·d)，最大值和最小值分別出現(xiàn)在中游砬砬崗子和下游泗河大地；8月水柱產(chǎn)量為11.22～13.9 g/(m2·d)，平均產(chǎn)量為12.81 g/(m2·d)，最大值和最小值分別出現(xiàn)在下游泗河大地和上游江南九隊(duì)?；溉仕畮?kù)初級(jí)生產(chǎn)力隨季節(jié)和空間變化的趨勢(shì)明顯，呈現(xiàn)夏季>春季>秋冬季，上游>中游>下游；除6月中游砬砬崗子的P/R系數(shù)小于1以外，4、6、8月其余樣點(diǎn)的P/R系數(shù)均大于1。4、6、8月桓仁水庫(kù)水體初級(jí)生產(chǎn)力的垂直分布詳情見(jiàn)圖3。由圖3可知，桓仁水庫(kù)生產(chǎn)量的垂直分布極不均勻，上層水體的生產(chǎn)量高于中、下層，補(bǔ)償深度較深。

表2 桓仁水庫(kù)氮磷比及營(yíng)養(yǎng)鹽限制因素

表3 桓仁水庫(kù)浮游植物初級(jí)生產(chǎn)力及其相關(guān)參數(shù)

2.4 限制性營(yíng)養(yǎng)鹽試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果顯示，在0.5 mg/mL氮和0.3 mg/mL磷組中，4、6、8月，上游江南九隊(duì)、中游砬砬崗子、下游泗河大地的溶解氧含量與對(duì)照組相比顯著上升(P<0.05)，其中氮效果最為明顯的是4月中游砬砬崗子組，磷效果最為明顯的是8月下游泗河大地組(圖4、5)；在氮磷比為1∶1(3 mL氮溶液，5 mL磷溶液)組中，4、6、8月下游泗河大地的溶解氧含量與對(duì)照組相比顯著提高(P<0.05)，其余兩點(diǎn)效果不明顯(圖6)；在氮磷比為2∶1(6 mL氮溶液，5 mL磷溶液)組中4、6、8月下游泗河大地的溶解氧含量和6、8月中游砬砬崗子的溶解氧含量與對(duì)照組相比均有顯著提高(P<0.05)，其余站位不明顯(圖7)；在氮磷比為4∶1(12 mL氮溶液，5 mL磷溶液)組中4、6、8月上游江南九隊(duì)以及下游泗河大地的溶解氧含量與對(duì)照組相比均有顯著提高(P<0.05)(圖8)；在氮磷比為6∶1(18 mL氮溶液，5 mL磷溶液)組中4、6、8月下游泗河大地的溶解氧含量與對(duì)照組相比均有顯著提高(P<0.05)，其余采樣點(diǎn)效果不明顯(圖9)。

從整體效果來(lái)看，4月桓仁水庫(kù)營(yíng)養(yǎng)鹽氮加富的效果好于營(yíng)養(yǎng)鹽磷加富的效果，其余各月效果相差不明顯，但溶解氧含量均高于對(duì)照組；在氮磷比營(yíng)養(yǎng)鹽加富試驗(yàn)中，上游江南九隊(duì)在氮磷比為4∶1時(shí)溶解氧含量高于其他試驗(yàn)組，而中游砬砬崗子和下游泗河大地在氮磷比為2∶1時(shí)溶解氧高于其他試驗(yàn)組。

3 討 論

3.1 桓仁水庫(kù)水質(zhì)理化指標(biāo)

本次試驗(yàn)中，桓仁水庫(kù)水質(zhì)pH相對(duì)穩(wěn)定，全庫(kù)平均pH為8.78，整體呈弱堿性。這與謝在剛等[16]對(duì)于碧流河2013—2015年檢測(cè)的碧流河水庫(kù)pH相似；水體中的溶解氧含量隨溫度升高呈明顯的遞減趨勢(shì)，符合饒胡敏等[17]的研究結(jié)論。試驗(yàn)結(jié)果表明，水體中氮、磷含量較高時(shí)，藻類(lèi)細(xì)胞可通過(guò)奢侈性吸收儲(chǔ)存氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽，以備用來(lái)抵御外界環(huán)境的不利變化[18]；水溫增高也增強(qiáng)了沉積物中氮、磷的釋放,這些都破壞了水體中氮、磷元素的平衡。桓仁水庫(kù)試驗(yàn)期間的總氮、總磷含量隨溫度變化趨勢(shì)明顯，整體是隨溫度升高而降低，基本變化趨勢(shì)為：夏季>春季>秋季>冬季。4月采樣期間桓仁水庫(kù)當(dāng)?shù)貧鉁卦?6～13 ℃，4月總氮、總磷含量相對(duì)較低，這一現(xiàn)象與楊東輝等[19]的研究結(jié)論一致。

圖3 4、6、8月桓仁水庫(kù)初級(jí)生產(chǎn)力的垂直分布

圖4 桓仁水庫(kù)4、6、8月?tīng)I(yíng)養(yǎng)鹽氮加富對(duì)溶解氧水平的影響

圖5 桓仁水庫(kù)4、6、8月?tīng)I(yíng)養(yǎng)鹽磷加富對(duì)溶解氧水平的影響

圖6 桓仁水庫(kù)4、6、8月氮磷比加富 1∶1對(duì)溶解氧水平的影響

圖7 桓仁水庫(kù)4、6、8月氮磷比加富2∶1對(duì)溶解氧水平的影響

圖8 桓仁水庫(kù)4、6、8月氮磷比加富4∶1對(duì)溶解氧水平的影響

圖9 桓仁水庫(kù)4、6、8月氮磷比加富6∶1對(duì)溶解氧水平的影響

3.2 桓仁水庫(kù)初級(jí)生產(chǎn)力以及P/R系數(shù)

浮游植物生產(chǎn)量的季節(jié)分布主要取決于水溫，溫度與生產(chǎn)量之間呈正相關(guān)。蔡后建等[20]對(duì)太湖梅梁灣口浮游植物初級(jí)生產(chǎn)力及其相關(guān)因素關(guān)系的研究表明，浮游植物生產(chǎn)力與水溫有相似的變化趨勢(shì)。本次試驗(yàn)中桓仁水庫(kù)初級(jí)生產(chǎn)力的數(shù)據(jù)具有夏季>春季>秋、冬季的趨勢(shì)，與上述研究結(jié)果一致；水平分布表明，桓仁水庫(kù)浮游植物初級(jí)生產(chǎn)力表現(xiàn)為上游>中游>下游，這與張琪等[1]研究結(jié)果一致?；溉仕畮?kù)水域面積寬廣，上、中、下游相距較遠(yuǎn)，水文差異大，不同的水文情勢(shì)主導(dǎo)了不同營(yíng)養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)和傳質(zhì)效率，對(duì)水體的光學(xué)特性和溫度結(jié)構(gòu)存在顯著影響[21]。P/R系數(shù)可以反映某一種群或者群落生物的代謝水平，又被稱(chēng)為群落代謝率；特定植物種群的P/R系數(shù)可以反映其對(duì)環(huán)境的適應(yīng)。關(guān)系大致為：P/R>1，種群增長(zhǎng)，生態(tài)系統(tǒng)不穩(wěn)定；P/R=1，種群不增不減，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定；P/R<1，種群數(shù)量減少，生態(tài)系統(tǒng)不穩(wěn)定。一般P用PG表示，本試驗(yàn)計(jì)算過(guò)程也使用PG進(jìn)行計(jì)算[2]。同時(shí)P/R<1表明生系統(tǒng)以異養(yǎng)生產(chǎn)為主，為異養(yǎng)代謝型水體；P/R>1，表明水體以自養(yǎng)過(guò)程為主，為自養(yǎng)代謝型水體。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，桓仁水庫(kù)P/R系數(shù)平均為2.33>1，屬于自養(yǎng)代謝型水體，這一結(jié)果也與趙文等[22]研究的“一般在貧營(yíng)養(yǎng)和中營(yíng)養(yǎng)湖泊中P/R<1，在富營(yíng)養(yǎng)湖泊中P/R>1”這一規(guī)律相符。

3.3 營(yíng)養(yǎng)鹽限制性因素及加富效果

大量試驗(yàn)證實(shí)，水生生態(tài)系統(tǒng)可能會(huì)受到氮限制，磷限制或氮、磷同時(shí)限制[23]，但具體限制還需要進(jìn)行分析判斷；這種判斷也會(huì)隨季節(jié)發(fā)生變化[24]，而水庫(kù)中藻類(lèi)的生長(zhǎng)和水庫(kù)中氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽的含量有直接關(guān)系。Redifield[25]研究發(fā)現(xiàn)，在理想條件下，藻類(lèi)生長(zhǎng)有相對(duì)固定的元素原子比，這一概念叫做Redifield比值，即碳∶氮∶磷=106∶16∶1，即1個(gè)磷原子的植物生物量的貢獻(xiàn)相當(dāng)于16個(gè)氮原子、106個(gè)碳原子。這一結(jié)果通常被用來(lái)判定水體的營(yíng)養(yǎng)鹽限制因素。通常認(rèn)為，當(dāng)水體中的氮、磷摩爾濃度比超過(guò)16時(shí)，浮游植物的生長(zhǎng)就會(huì)受到磷元素的限制；反之則為氮限制。此外，Sakomoto[26]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)海藻氮磷原子比為10～17，氮和磷對(duì)葉綠素生產(chǎn)量的作用幾乎相同(氮、磷同時(shí)限制或者不限制)；當(dāng)?shù)自颖?10時(shí)，葉綠素的生產(chǎn)量只受到氮限制；當(dāng)?shù)自颖?17 時(shí)葉綠素的生產(chǎn)量只受到磷限制。根據(jù)Redifield等[25-26]的研究結(jié)果，確定總氮/總磷進(jìn)行分析，兩個(gè)臨界點(diǎn)分別為10和17，即總氮/總磷<10時(shí)為氮限制；總氮/總磷在10～17是為氮磷雙限制；總氮/總磷>17時(shí)為磷限制。這種選取方式適應(yīng)于我國(guó)八大生態(tài)分區(qū)的湖庫(kù)[27]。試驗(yàn)中添加0.5 mg/mL氮和添加0.3 mg/mL磷組中，4、6、8月上游江南九隊(duì)、中游砬砬崗子、下游泗河大地3個(gè)采樣點(diǎn)的溶解氧含量與對(duì)照組相比均有顯著升高(P<0.05)；在氮、磷效果對(duì)比上，添加限制性營(yíng)養(yǎng)元素氮的溶解氧含量均高于添加限制性營(yíng)養(yǎng)元素磷， 4月尤為突出。4月當(dāng)?shù)貧鉁剌^低，水中營(yíng)養(yǎng)元素缺乏，添加氮、磷后的效果明顯，表明有氮、磷雙限制性；在氮磷比試驗(yàn)中下游泗河大地采樣點(diǎn)所有設(shè)計(jì)添加的氮磷比試驗(yàn)組溶解氧含量均明顯高于對(duì)照組，也表明了氮、磷的雙限制性，在氮磷比為2∶1時(shí)效果最為明顯(P<0.05)；上游江南九隊(duì)和中游砬砬崗子最適宜的氮磷比分別為4∶1和2∶1。從限制性營(yíng)養(yǎng)因素上來(lái)看，此次試驗(yàn)中4月時(shí)3個(gè)采樣點(diǎn)均為氮、磷同時(shí)限制，6、8月時(shí)則上、中游為氮限制、下游為氮、磷同時(shí)限制，且總磷的含量均>0.02 mg/L，可能由于上游有入庫(kù)直流污染物的輸入，農(nóng)業(yè)耕種的污染等原因造成上游水域缺氮，而在下游，水庫(kù)水源地保護(hù)力度強(qiáng)，面積廣闊，蓄水量豐盈，無(wú)污染物的輸入，加之其自身水體的稀釋和自?xún)糇饔脤?dǎo)致下游水體缺乏氮、磷。因此，必須加強(qiáng)對(duì)水庫(kù)周邊環(huán)境保護(hù)，以及對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽限制性因素的進(jìn)一步調(diào)查分析，更好地保護(hù)珍貴的水資源，為桓仁水庫(kù)能夠?yàn)檫|寧省人民更好地長(zhǎng)期輸送優(yōu)質(zhì)的水資源提供強(qiáng)有力的保障。