丹江口水庫葉綠素a濃度的時空特征及影響因子分析*

郭詩君，王小軍，韓品磊，鄭保海，蔣葉青，郭 坤，3，韓雪梅，李百煉，4，高肖飛，李玉英**

(1:南陽師范學院水資源與環(huán)境工程學院，河南省南水北調中線水源區(qū)流域生態(tài)安全國際聯(lián)合實驗室，南水北調中線水源區(qū)水安全河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，南陽 473061)(2:南水北調中線干線工程建設管理局渠首分局，南陽 473000)(3:奧爾胡斯大學生物科學系，奧爾胡斯 8000，丹麥)(4:加州大學河濱分校環(huán)境科學系，河濱CA 92521，美國)(5:中國科學院城市環(huán)境研究所，城市環(huán)境與健康重點實驗室，水生態(tài)健康研究組，廈門 361021)

湖泊、水庫等水體資源是社會和經濟可持續(xù)發(fā)展的重要保障. 隨著經濟快速的發(fā)展及城鎮(zhèn)化的推進,水資源供需矛盾突出,水體“水華”現(xiàn)象頻發(fā),水庫生態(tài)系統(tǒng)健康、水質管理及水體富營養(yǎng)化防治逐漸受到重視[1-5]. 國內外學者通過對分層型湖庫藻類分布規(guī)律研究發(fā)現(xiàn),藻類數(shù)量及群落結構主要受水溫、光照強度、透明度、水位波動和水質營養(yǎng)因子等因素影響,藻類多樣性和水質因子均存在時空差異性[6-10]. 浮游藻類是水生態(tài)系統(tǒng)的初級生產者,葉綠素a(Chl.a)是衡量水體初級生產力的重要指標,也是反映水體富營養(yǎng)化程度的主要指標,是湖沼學和水環(huán)境科學中的一項關鍵的水環(huán)境參數(shù)[11-16]. 因此,研究Chl.a濃度的時空分布規(guī)律及其與藻類以及環(huán)境因子的關系,更能全面地了解水庫不同生態(tài)區(qū)的生態(tài)特征,對防控水體富營養(yǎng)化具有重要意義.

南水北調中線工程有效緩解了我國北方水資源嚴重短缺的局面,其水源地丹江口水庫水質安全事關沿線1.2億人飲水安全問題. 丹江口水庫是一個功能全面的水利樞紐工程,因各種自然和人為因素影響,其水生態(tài)安全風險仍然存在[6]. 自丹江口水庫建成后,學者們從水文、水環(huán)境和水生生物等不同角度對丹江口水庫進行水生態(tài)學調查研究[15-19],但以往研究側重于水域表層空間尺度,在垂向分布上關注較少,尤其在動態(tài)調水的持續(xù)擾動下[20-24]. 中線工程從水庫調出的水是通過從渠首位點(Q)開始的引水渠(2.2 km)經渠首大壩底層水調出,基于調出水的特性從庫區(qū)不同生態(tài)水域垂向尺度研究影響水庫水質的關鍵因子尤為重要. 本研究于2017年5月-2019年10月對丹江口水庫漢庫和丹庫2個庫區(qū)的7個水平監(jiān)測位點,水面下0.5、5、10和20 m的4個垂向水層Chl.a濃度和常規(guī)水質因子按季度進行了連續(xù)3年監(jiān)測,采用相關分析、偏門特檢驗和多元回歸分析探討水庫不同水層水質因子間的相關性以及影響不同水層Chl.a濃度的關鍵驅動因子,旨在為丹江口水庫生態(tài)環(huán)境保護和水質科學管理提供數(shù)據(jù)支持,同時為中線工程生態(tài)調度和我國水庫生態(tài)學研究積累重要的資料.

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域

表1 丹江口水庫分層監(jiān)測位點位置特征

丹江口水庫是由丹庫和漢庫組成的并聯(lián)式水庫(32°32′～33°22′N,111°22′～112°01′E),以供水、防洪和發(fā)電為主,兼具灌溉和旅游等功能. 庫區(qū)屬北亞熱帶向暖溫帶過渡的季風性氣候,氣候溫和,四季分明,年均日照時間2046 h,年均降水量804 mm,年均氣溫15.8℃,無霜期229 d. 2014年中線工程運行后水庫正常蓄水位為170 m,蓄水量為290.5億m3,水域面積為1022.75 km2,最深達80多米,水面最寬處20多千米,最窄處不足300 m. 漢江來水量占總來水量的90%.

本研究基于研究目標和水庫的地理位置特征選擇丹江口水庫2個庫區(qū)7個水平監(jiān)測位點作為研究位點,丹庫設4個監(jiān)測位點: 渠首(Q)、宋崗(S)、庫心(K)和黑雞嘴(H); 漢庫設2個監(jiān)測位點: 壩上(B)和浪河口(L); 湖北和河南兩省的交界處設1個監(jiān)測位點:臺子山(T) (表1); H和L為匯水區(qū). 研究區(qū)域底質均為淤泥. 漢江和丹江水庫的入庫區(qū)分別為站點L和大壩站點B與H,庫區(qū)站點為S、K與T,出水引水區(qū)為站點Q.

1.2 水層設置

屈月明等研究發(fā)現(xiàn)丹江口水庫真光層深度的變化范圍為1.036～15.350 m[23]. 基于Chl.a濃度垂向不均一性分布[25]、丹江口水庫水域季節(jié)分層特征[24]和丹江口水庫浮游藻類在水層20 m以上分布特征[13],本研究將Chl.a樣品采集深度為20 m以上,分別為水面下0.5 m (表層)、5 m、10 m和20 m的4個水層.

1.3 樣品采集

2017年5月至2019年10月間1月、5月、7月和10月上旬,在7個監(jiān)測位點按照《水與廢水監(jiān)測分析方法(第四版)》[26]采集Chl.a樣品和水質理化因子樣品. 水溫(WT,℃)、電導率(EC,μS/cm)、pH和溶解氧(DO,mg/L)用YSI Pro Plus 多參數(shù)水質分析儀測定.

1.4 樣品分析方法

1.5 水質營養(yǎng)狀態(tài)評價

本文采用營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(trophic state index,TSI)來評價丹江口水庫水體營養(yǎng)狀態(tài),該指標基于Chl.a、塞氏盤透明度(SD,m)、CODMn、TN和TP計算得到[26]. 當30

1.6 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Excel 2017 進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析,所有數(shù)據(jù)分析及可視化均在Origin 9.0和R 3.5.0中完成. 使用vegan包進行偏Mantel分析.

2 結果

2.1 丹江口水庫不同分層Chl.a濃度時空動態(tài)變化及營養(yǎng)狀態(tài)評價

由圖1可見,所有4個水層的Chl.a濃度以及4個水層該指標的多年平均值皆表現(xiàn)出大壩處最高的現(xiàn)象. 各層規(guī)律分別為: 0.5 m水層,總趨勢是東北向西南遞增,庫心和渠首為特殊低值區(qū); 5 m水層,總趨勢仍是東北向西南遞增,靠近西庫岸處為特殊低值區(qū); 10 m水層,總趨勢為從北向南遞減后再遞增,低值區(qū)在東庫岸附近; 20 m水層,本指標的水平分布規(guī)律性不強(所以沒有為之構建等值線);就各層平均值來看,表現(xiàn)為東北向西南遞增的趨勢,庫心偏東的部位為低值區(qū),渠首與其他部位相比處于中等水平.

圖1 丹江口水庫不同水層葉綠素a濃度等值線圖(B：壩上; H：黑雞嘴; K：庫心; L：浪河口; Q：渠首; S：宋崗; T：臺子山; 下同)

2017年5月至2019年5月間分布于2個庫區(qū)的7個監(jiān)測位點營養(yǎng)狀態(tài)、透明度和分層Chl.a在不同位點之間存在較大差異(圖2). 漢江庫區(qū)大壩處(B)TSI最高,而且漢江入庫站點L和大壩站點B的TSI大于丹庫和出水水體,丹庫庫心位點K的TSI最低,但是庫區(qū)內的丹江入庫(H)、臺子山(T)以及碼頭庫灣位點(S)的TSI并沒有表現(xiàn)出明顯差異,說明丹庫水體TSI可能并沒有太多受到漢江來水高營養(yǎng)的影響,這可能與水體的引水位置一般位于深層水體位置有關. 而引水區(qū)Q站點的TSI是略小于丹庫庫區(qū)以及入庫區(qū)水體,但高于丹庫庫心. 盡管如此,所有庫區(qū)位點的TSI均在50～60區(qū)間,表明丹江口水庫水體均處于中富營養(yǎng)狀態(tài). 此外,丹庫庫心位點K具有最高的平均透明度(4.9 m),透明度較高的則是漢江入庫區(qū)(L)和壩上站點(B),而丹江入庫處位點H以及庫區(qū)位點Q和位點S具有最低的平均透明度(3.4 m左右),這可能與丹江庫入?yún)^(qū)流速及庫區(qū)水深有關. 圖2展示了垂直分層上Chl.a濃度在不同位點之間具有一定的差異性和波動性(圖2),可以看出隨著深度的增加Chl.a濃度逐漸減小,0.5 m深度具有最高的平均Chl.a濃度. 研究期間在漢庫庫體位點B觀察到了最高的Chl.a濃度(6.56 μg/L). 在0.5 m和5 m深度上,漢庫庫體位點B具有最高的平均Chl.a濃度(分別為2.6和1.8 μg/L),其次是漢江入庫處位點L(分別為2.1和1.8 μg/L),且具有較大的波動范圍,丹庫庫體及引水區(qū)Chl.a濃度均在1.5 μg/L或更低濃度范圍波動. 而在10 m的水深,壩上B、漢江入庫L及丹江入庫區(qū)H的Chl.a濃度是略高于庫區(qū)及引水區(qū)的. 在20 m的水深處,除漢庫庫體位點B外,其他站點Chl.a濃度均小于1.5 μg/L. 綜合分析,Chl.a濃度從高到低依次為漢江來源>丹江來源≥出水區(qū). 漢江來源水體具有較高的TSI和表層Chl.a濃度,且各位點Chl.a濃度存在垂直分層上的差異,而且除漢江來源水體外,丹江入庫區(qū)在10 m水深具有較高Chl.a濃度,由于20 m水深光照少的原因,光合作用較弱,Chl.a濃度較低,且許多時間濃度接近0. 另外,值得注意的是,丹庫庫心在各個分層水體中均具有較低的Chl.a濃度,這可能與中線水源區(qū)庫區(qū)周邊生態(tài)環(huán)境有關.

圖2 丹江口水庫不同位點的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)、透明度及不同水層葉綠素a濃度

Chl.a濃度的時間動態(tài)如圖3所示,2017-2019年丹江口水庫Chl.a濃度存在年際差異,Chl.a濃度呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(圖3). 在垂直水體中,2019年7月,在漢庫入庫區(qū)L和漢江庫區(qū)壩上位點B各水層均觀察到了Chl.a濃度極高值. 在0.5 m表層水體中,2017年和2018年具有相似的變化趨勢,且除位點L和B外,其他位點的濃度略高于2019年. 而在5 m深水體中,2018年和2019年Chl.a濃度高于2017年. 在深層水體(10 m和20 m)中,除了位點L和B外,2018年Chl.a濃度均高于其他年份. 因此,隨著城鎮(zhèn)化的進程,建議應該更多地監(jiān)測水體中Chl.a濃度的動態(tài)變化. 2017年9-10月中線水源區(qū)漢江流域發(fā)生明顯秋汛,平均降雨量達393 mm,9-10月水庫累計來水量高達235億m3; 在丹江口水庫及上游水庫群聯(lián)合調度情況下,丹江口水庫進行了大壩加高后第二次高水位蓄水(最高到167.00 m),并穩(wěn)定運行一定時期,庫區(qū)水體與上游來水以及庫區(qū)周邊生態(tài)環(huán)境的綜合作用,由于水域生態(tài)過程滯后性,致使2018年的Chl.a濃度高于2017年和2019年. 漢庫B與匯水區(qū)H直到2019年仍然高于前2年,同時也明顯高于丹庫與渠首; 渠首出水質量明顯優(yōu)于2018年和2017年. 連續(xù)三年的監(jiān)測結果說明上游來水和高水位的蓄水未影響到中線調水水質.

由圖3可知,丹江口水庫Chl.a濃度四季變化明顯,從高到低依次為夏季>秋季>春季>冬季,與夏季相比,秋、春、冬季的降幅分別為63.91%、122.36%和136.83%. 夏季Chl.a濃度在漢庫壩上和漢江入庫區(qū)2個監(jiān)測位點明顯高于其他季節(jié)和其他位點,丹庫中入庫匯區(qū)黑雞嘴位點為第三. 各位點在2017年Chl.a濃度時間上變化并無太大差異,而在2018年,丹江入庫區(qū)H和漢江壩上B在夏季明顯高于其他位點,而且2018年之后,漢江壩上B和漢江入庫區(qū)L在夏季均出現(xiàn)了Chl.a濃度的極高值,雖然出水位點Q僅在2018年表現(xiàn)出較高Chl.a濃度,但漢江Chl.a濃度的逐年增加應該引起關注. 另外,所有水層的Chl.a濃度的極高值有逐年增加的趨勢,而且2019年漢江入庫和壩上位點的極值最為突出.

圖3 2017年5月-2019年10月丹江口水庫葉綠素a濃度時空動態(tài)

2.2 丹江口水庫水質因子動態(tài)變化

圖4 丹江口水庫不同位點不同水層營養(yǎng)鹽濃度差異

2.3 丹江口水庫葉綠素a與水質因子的偏Mantel分析

表2 丹江口水庫不同水層葉綠素a濃度與水質因子的偏Mantel檢驗

3 討論與結論

3.1 討論

水庫富營養(yǎng)化的加劇導致水體水質惡化,有害藻類增加,給飲用水水源區(qū)造成了極大的威脅[1,27]. 本研究結果表明,丹江口水庫Chl.a濃度有逐年增加的趨勢,雖然在庫區(qū)引水區(qū)并無發(fā)現(xiàn)較高的Chl.a濃度,但在庫區(qū)表層及引水區(qū)的5 m水層均發(fā)現(xiàn)了較高的NH3-N濃度和波動,而NH3-N作為藻類主要的氮源,為藻類提供了生長的機會；另外,NH3-N多來自于人類活動排放. 因此,對庫區(qū)Chl.a濃度和營養(yǎng)鹽的長期監(jiān)測,這將促進學者對丹江口水庫污染源及其潛在生態(tài)威脅的認識和理解. 而且，大壩靜水區(qū)位點更有利于藻類的生長及Chl.a濃度的升高. 研究發(fā)現(xiàn),丹江口水庫水體Chl.a濃度在不同年份間有差異,這可能與2017年9月開始丹江口水庫第二次水位提升有關[21]. 另外,發(fā)現(xiàn)Chl.a濃度隨著年份有增加的趨勢,其中2019年的多個極值均發(fā)生在丹江和漢江入庫區(qū)及其壩上位點,這可能與丹江和漢江較高濃度TP和NH3-N的輸入有關. 因此,庫區(qū)各支流輸入的管理是需要重點關注的區(qū)域[28]. 深層水庫通常具有季節(jié)性分層的特點,而溫度是驅動水體分層和分層時間長短的重要因子[31]. Chl.a濃度在大壩處最高的現(xiàn)象可歸因于大壩處流速低,且營養(yǎng)鹽滯留,從而造成Chl.a富集[20,29-30]; 在0.5 m水層所表現(xiàn)出的渠首為特殊低值區(qū)的現(xiàn)象可能與調水有關[12-13,15];Chl.a濃度水平分布規(guī)律在20 m層已不復存在,并且深層的葉綠素a濃度變異系數(shù)也明顯低于0.5 m層,意味著造成Chl.a水平分布格局的原因來自水面以上和周邊地表的因素和過程,而非來自水體深處[23,25,30]. 而隨著氣候變暖,分層期延長及用水量的改變,都將改變水體浮游藻類群落的動態(tài)變化[2,5]. 另外,已有研究表明,湖泊夏季浮游藻類最大值多出現(xiàn)在水面以上10 m左右,且存在分層之間較大的差異[30]. 在丹江口水庫深水的庫區(qū)同樣發(fā)現(xiàn)類似的情況. 而引水口通常設置在較深水層,因此,對丹江口水庫垂向上的Chl.a濃度及其主要驅動因子的研究,對于下游的水體供應具有重要的意義.

3.2 結論

1) 丹江口水庫處于中營養(yǎng)化水平,Chl.a濃度具有逐年增加的趨勢,且極高值有逐漸增加的趨勢.

2)丹江口水庫營養(yǎng)鹽和Chl.a濃度均存在較大的空間異質性,入庫區(qū)具有較高營養(yǎng)鹽和Chl.a濃度,表明源頭污染源控制和監(jiān)測對于丹江口水庫管理的重要性.

3)不同位點Chl.a濃度的重要驅動因子存在較大差異,對丹江口水庫各位點的管理應該區(qū)分，不同生態(tài)區(qū)采取針對性的管理措施.