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(2: 南水北调中线干线工程建设管理局渠首分局, 南阳 473000)
(3: 奥尔胡斯大学生物科学系, 奥尔胡斯 8000, 丹麦)
(4: 加州大学河滨分校环境科学系, 河滨CA 92521, 美国)
(5: 中国科学院城市环境研究所, 城市环境与健康重点实验室, 水生态健康研究组, 厦门 361021)
(2: Qushou Branch Bureau of Construction and Administration Bureau of Middle Route Project of South-North Water Division, Nanyang 473000, P. R. China)
(3: Department of Bioscience, Aarhus University, Aarhus 8000, Denmark)
(4: Department of Environmental Sciences, University of California, Riverside, Riverside CA 92521, USA)
(5: Aquatic Ecohealth Group, Key Laboratory of Urban Environment and Health, Institute of Urban Environment, Chinese Academy of Sciences, Xiamen 361021, P. R. China)
湖泊、水库等水体资源是社会和经济可持续发展的重要保障.随着经济快速的发展及城镇化的推进, 水资源供需矛盾突出, 水体“水华”现象频发, 水库生态系统健康、水质管理及水体富营养化防治逐渐受到重视[1-5].国内外学者通过对分层型湖库藻类分布规律研究发现, 藻类数量及群落结构主要受水温、光照强度、透明度、水位波动和水质营养因子等因素影响, 藻类多样性和水质因子均存在时空差异性[6-10].浮游藻类是水生态系统的初级生产者, 叶绿素a(Chl.a)是衡量水体初级生产力的重要指标, 也是反映水体富营养化程度的主要指标, 是湖沼学和水环境科学中的一项关键的水环境参数[11-16].因此, 研究Chl.a浓度的时空分布规律及其与藻类以及环境因子的关系, 更能全面地了解水库不同生态区的生态特征, 对防控水体富营养化具有重要意义.
南水北调中线工程有效缓解了我国北方水资源严重短缺的局面, 其水源地丹江口水库水质安全事关沿线1.2亿人饮水安全问题.丹江口水库是一个功能全面的水利枢纽工程, 因各种自然和人为因素影响, 其水生态安全风险仍然存在[6].自丹江口水库建成后, 学者们从水文、水环境和水生生物等不同角度对丹江口水库进行水生态学调查研究[15-19], 但以往研究侧重于水域表层空间尺度, 在垂向分布上关注较少, 尤其在动态调水的持续扰动下[20-24].中线工程从水库调出的水是通过从渠首位点(Q)开始的引水渠(2.2 km)经渠首大坝底层水调出, 基于调出水的特性从库区不同生态水域垂向尺度研究影响水库水质的关键因子尤为重要.本研究于2017年5月-2019年10月对丹江口水库汉库和丹库2个库区的7个水平监测位点, 水面下0.5、5、10和20 m的4个垂向水层Chl.a浓度和常规水质因子按季度进行了连续3年监测, 采用相关分析、偏门特检验和多元回归分析探讨水库不同水层水质因子间的相关性以及影响不同水层Chl.a浓度的关键驱动因子, 旨在为丹江口水库生态环境保护和水质科学管理提供数据支持, 同时为中线工程生态调度和我国水库生态学研究积累重要的资料.
1 研究区域与研究方法 1.1 研究区域丹江口水库是由丹库和汉库组成的并联式水库(32°32′~33°22′N, 111°22′~112°01′E), 以供水、防洪和发电为主, 兼具灌溉和旅游等功能.库区属北亚热带向暖温带过渡的季风性气候, 气候温和, 四季分明, 年均日照时间2046 h, 年均降水量804 mm, 年均气温15.8℃, 无霜期229 d. 2014年中线工程运行后水库正常蓄水位为170 m, 蓄水量为290.5亿m3, 水域面积为1022.75 km2, 最深达80多米, 水面最宽处20多千米, 最窄处不足300 m.汉江来水量占总来水量的90 %.
本研究基于研究目标和水库的地理位置特征选择丹江口水库2个库区7个水平监测位点作为研究位点, 丹库设4个监测位点:渠首(Q)、宋岗(S)、库心(K)和黑鸡嘴(H); 汉库设2个监测位点:坝上(B)和浪河口(L); 湖北和河南两省的交界处设1个监测位点:台子山(T) (表 1); H和L为汇水区.研究区域底质均为淤泥.汉江和丹江水库的入库区分别为站点L和大坝站点B与H, 库区站点为S、K与T, 出水引水区为站点Q.
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表 1 丹江口水库分层监测位点位置特征 Tab. 1 Location characteristics of monitoring sites in Danjiangkou Reservoir |
屈月明等研究发现丹江口水库真光层深度的变化范围为1.036~15.350 m[23].基于Chl.a浓度垂向不均一性分布[25]、丹江口水库水域季节分层特征[24]和丹江口水库浮游藻类在水层20 m以上分布特征[13], 本研究将Chl.a样品采集深度为20 m以上, 分别为水面下0.5 m (表层)、5 m、10 m和20 m的4个水层.
1.3 样品采集2017年5月至2019年10月间1月、5月、7月和10月上旬, 在7个监测位点按照《水与废水监测分析方法(第四版)》[26]采集Chl.a样品和水质理化因子样品.水温(WT, ℃)、电导率(EC, μS/cm)、pH和溶解氧(DO, mg/L)用YSI Pro Plus多参数水质分析仪测定.
1.4 样品分析方法叶绿素a(Chl.a, μg/L)、总磷(TP, mg/L)、总氮(TN, mg/L)、氨氮(NH3-N, mg/L)、硝态氮(NO3--N, mg/L)和高锰酸盐指数(CODMn, mg/L)参考《水和废水监测分析方法(第四版)》进行测定和分析[26].
1.5 水质营养状态评价本文采用营养状态指数(trophic state index, TSI)来评价丹江口水库水体营养状态, 该指标基于Chl.a、塞氏盘透明度(SD, m)、CODMn、TN和TP计算得到[26].当30＜TSI≤50时, 水体处于中营养状态; 当50＜TSI≤70时, 水体处于富营养状态.
1.6 数据处理用Microsoft Excel 2017进行数据统计与分析, 所有数据分析及可视化均在Origin 9.0和R 3.5.0中完成.使用vegan包进行偏Mantel分析.
2 结果 2.1 丹江口水库不同分层Chl.a浓度时空动态变化及营养状态评价由图 1可见, 所有4个水层的Chl.a浓度以及4个水层该指标的多年平均值皆表现出大坝处最高的现象.各层规律分别为: 0.5 m水层, 总趋势是东北向西南递增, 库心和渠首为特殊低值区; 5 m水层, 总趋势仍是东北向西南递增, 靠近西库岸处为特殊低值区; 10 m水层, 总趋势为从北向南递减后再递增, 低值区在东库岸附近; 20 m水层, 本指标的水平分布规律性不强(所以没有为之构建等值线); 就各层平均值来看, 表现为东北向西南递增的趋势, 库心偏东的部位为低值区, 渠首与其他部位相比处于中等水平.
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图 1 丹江口水库不同水层叶绿素a浓度等值线图(B：坝上; H：黑鸡嘴; K：库心; L：浪河口; Q：渠首; S：宋岗; T：台子山; 下同) Fig.1 The counter map of chlorophyll-a concentration of different water levels in Danjiangkou Reservoir (B: Bashang; H: Heijizui; K: Kuxin; L: Langhekou; Q: Canal head; S: Songgang; T: Taizishan; The same below) |
2017年5月至2019年5月间分布于2个库区的7个监测位点营养状态、透明度和分层Chl.a在不同位点之间存在较大差异(图 2).汉江库区大坝处(B)TSI最高, 而且汉江入库站点L和大坝站点B的TSI大于丹库和出水水体, 丹库库心位点K的TSI最低, 但是库区内的丹江入库(H)、台子山(T)以及码头库湾位点(S)的TSI并没有表现出明显差异, 说明丹库水体TSI可能并没有太多受到汉江来水高营养的影响, 这可能与水体的引水位置一般位于深层水体位置有关.而引水区Q站点的TSI是略小于丹库库区以及入库区水体, 但高于丹库库心.尽管如此, 所有库区位点的TSI均在50~60区间, 表明丹江口水库水体均处于中富营养状态.此外, 丹库库心位点K具有最高的平均透明度(4.9 m), 透明度较高的则是汉江入库区(L)和坝上站点(B), 而丹江入库处位点H以及库区位点Q和位点S具有最低的平均透明度(3.4 m左右), 这可能与丹江库入区流速及库区水深有关.图 2展示了垂直分层上Chl.a浓度在不同位点之间具有一定的差异性和波动性(图 2), 可以看出随着深度的增加Chl.a浓度逐渐减小, 0.5 m深度具有最高的平均Chl.a浓度.研究期间在汉库库体位点B观察到了最高的Chl.a浓度(6.56 μg/L).在0.5 m和5 m深度上, 汉库库体位点B具有最高的平均Chl.a浓度(分别为2.6和1.8 μg/L), 其次是汉江入库处位点L(分别为2.1和1.8 μg/L), 且具有较大的波动范围, 丹库库体及引水区Chl.a浓度均在1.5 μg/L或更低浓度范围波动.而在10 m的水深, 坝上B、汉江入库L及丹江入库区H的Chl.a浓度是略高于库区及引水区的.在20 m的水深处, 除汉库库体位点B外, 其他站点Chl.a浓度均小于1.5 μg/L.综合分析, Chl.a浓度从高到低依次为汉江来源＞丹江来源≥出水区.汉江来源水体具有较高的TSI和表层Chl.a浓度, 且各位点Chl.a浓度存在垂直分层上的差异, 而且除汉江来源水体外, 丹江入库区在10 m水深具有较高Chl.a浓度, 由于20 m水深光照少的原因, 光合作用较弱, Chl.a浓度较低, 且许多时间浓度接近0.另外, 值得注意的是, 丹库库心在各个分层水体中均具有较低的Chl.a浓度, 这可能与中线水源区库区周边生态环境有关.
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图 2 丹江口水库不同位点的营养状态指数、透明度及不同水层叶绿素a浓度 Fig.2 The trophic state index (TSI), transparency and chlorophyll-a concentration of different water levels in different sites of Danjiangkou Reservoir |
Chl.a浓度的时间动态如图 3所示, 2017—2019年丹江口水库Chl.a浓度存在年际差异, Chl.a浓度呈现逐年增加的趋势(图 3).在垂直水体中, 2019年7月, 在汉库入库区L和汉江库区坝上位点B各水层均观察到了Chl.a浓度极高值.在0.5 m表层水体中, 2017年和2018年具有相似的变化趋势, 且除位点L和B外, 其他位点的浓度略高于2019年.而在5 m深水体中, 2018年和2019年Chl.a浓度高于2017年.在深层水体(10 m和20 m)中, 除了位点L和B外, 2018年Chl.a浓度均高于其他年份.因此, 随着城镇化的进程, 建议应该更多地监测水体中Chl.a浓度的动态变化. 2017年9—10月中线水源区汉江流域发生明显秋汛, 平均降雨量达393 mm, 9—10月水库累计来水量高达235亿m3; 在丹江口水库及上游水库群联合调度情况下, 丹江口水库进行了大坝加高后第二次高水位蓄水(最高到167.00 m), 并稳定运行一定时期, 库区水体与上游来水以及库区周边生态环境的综合作用, 由于水域生态过程滞后性, 致使2018年的Chl.a浓度高于2017年和2019年.汉库B与汇水区H直到2019年仍然高于前2年, 同时也明显高于丹库与渠首; 渠首出水质量明显优于2018年和2017年.连续三年的监测结果说明上游来水和高水位的蓄水未影响到中线调水水质.
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图 3 2017年5月-2019年10月丹江口水库叶绿素a浓度时空动态 Fig.3 Temporal and spatial dynamic changes of chlorophyll-a concentrations in Danjiangkou Reservoir during May 2017 and October 2019 |
由图 3可知, 丹江口水库Chl.a浓度四季变化明显, 从高到低依次为夏季>秋季>春季>冬季, 与夏季相比, 秋、春、冬季的降幅分别为63.91 %、122.36 %和136.83 %.夏季Chl.a浓度在汉库坝上和汉江入库区2个监测位点明显高于其他季节和其他位点, 丹库中入库汇区黑鸡嘴位点为第三.各位点在2017年Chl.a浓度时间上变化并无太大差异, 而在2018年, 丹江入库区H和汉江坝上B在夏季明显高于其他位点, 而且2018年之后, 汉江坝上B和汉江入库区L在夏季均出现了Chl.a浓度的极高值, 虽然出水位点Q仅在2018年表现出较高Chl.a浓度, 但汉江Chl.a浓度的逐年增加应该引起关注.另外, 所有水层的Chl.a浓度的极高值有逐年增加的趋势, 而且2019年汉江入库和坝上位点的极值最为突出.
2.2 丹江口水库水质因子动态变化各位点之间的营养盐浓度的差异如图 4所示, 位点之间的营养盐浓度存在较大差异.在所有分层水体中, 丹库库心K站点具有最低的平均TP浓度.除丹江口水库库体位点S和T在0.5 m和10 m水深较大波动外, 汉江入库区L和坝上位点B的TP浓度始终要高于其他位点.在表层水体中, 库体码头库湾位点S具有最高的TP浓度(0.027 mg/L)和波动范围, 其次是汉江入库区L位点(0.022 mg/L).而在10 m水层处, 湖北河南交界处位点T具有最高的平均TP浓度, 同时由于受支流汇水及汉江水源注入的原因, 该位点的波动也是最大的.位点S在所有水体中具有最低的TN浓度, 而除了位点S之外, 其他位点上层水体(0.5 m和5 m)的TN浓度在位点之间差异较小.而NO3--N浓度与TN浓度表现出相同的趋势, 说明NO3--N是水库各分层一个重要氮盐形式.各位点的NH3-N浓度存在较大差异, 如表层水体中, 其浓度高低分别为位点B > H > K > L > Q > S > T, 这可能与人类活动及水体的有机质降解有关.在5 m水深水体中, 最高NH3-N浓度出现在引水区位点Q处, 且其波动较大, 其次为入库处位点L和码头库湾位点S.在10 m水深水体中, 汉库库体位点B和湖北河南交接位点T具有最高的NH3-N浓度和波动范围.而20 m水深水体的NH3-N浓度差异并不明显.
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图 4 丹江口水库不同位点不同水层营养盐浓度差异 Fig.4 The difference between the nutrient concentrations in different water levels of different sampling sites in Danjiangkou Reservoir |
利用偏Mantel分析对10 m以上的水体分层Chl.a的显著影响因子进行分析.通过控制协变量, 研究了其他因子对Chl.a浓度的显著性影响, 结果发现Chl.a浓度的显著影响因子在位点和分层上具有明显的不同(表 2).对整个水柱Chl.a浓度的Mantel分析结果表明, 汉江入库区位点L的Chl.a浓度受到NO3--N的驱动(R=0.121, P < 0.05), 而汉库坝上位点B的Chl.a浓度主要受到pH的显著性影响(R=0.164, P < 0.05), 在引水区位点Q, 水深、NH3-N和水温(WT)则变成Chl.a浓度主要显著驱动因子.而丹库入库区位点H的Chl.a浓度受水深、TP、NO3--N、TN和WT的显著性影响, 丹库库心位点K和码头库湾位点S的Chl.a浓度受到水深的显著性影响(R=0.325, P < 0.01; R=0.301, P < 0.01).在0.5 m的表层水体中, 尽管在汉江入库区L, 并未发现显著影响Chl.a的因子, 但是NO3--N和透明度对Chl.a浓度有相对较大的影响.同样的, 在出水区Q, 未发现影响Chl.a浓度的显著因子.而汉库库区坝上位点B的Chl.a浓度受到了pH的显著影响.而在丹库库心位点K和码头库湾位点S的Chl.a浓度均受到了CODMn的显著影响.丹库汇水区位点T的Chl.a浓度分别受到水温的显著影响.在5 m水体中, Chl.a浓度主要受到含氮营养盐的影响, 如丹库入库区位点H的Chl.a浓度受到TN和NO3--N浓度的显著影响, 而出水区位点Q的Chl.a浓度受到NH3-N浓度的显著影响.更深水层的10 m, 位点Q的Chl.a浓度受到WT和NO3--N浓度的显著影响, 而其他位点并没有发现显著的影响因子.由于20 m深水体中, 许多位点的的Chl.a浓度低于检测限, 而且, 该水层光照强度低, 不足以支撑藻类的光合作用, 因此, 本研究并未对其Chl.a浓度进行显著性分析.另外, 尽管TN/TP也是驱动Chl.a浓度变化的重要因子, 但因其与TN和TP具有严重的共线性, 因此, 在此分析中并没有采用TN/TP.
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表 2 丹江口水库不同水层叶绿素a浓度与水质因子的偏Mantel检验 Tab. 2 Mantel tests for the correlation between chlorophyll-a concentration and environmental factors of different water levels in Danjiangkou Reservoir |
水库富营养化的加剧导致水体水质恶化, 有害藻类增加, 给饮用水水源区造成了极大的威胁[1, 27].本研究结果表明, 丹江口水库Chl.a浓度有逐年增加的趋势, 虽然在库区引水区并无发现较高的Chl.a浓度, 但在库区表层及引水区的5 m水层均发现了较高的NH3-N浓度和波动, 而NH3-N作为藻类主要的氮源, 为藻类提供了生长的机会；另外, NH3-N多来自于人类活动排放.因此, 对库区Chl.a浓度和营养盐的长期监测, 这将促进学者对丹江口水库污染源及其潜在生态威胁的认识和理解.而且，大坝静水区位点更有利于藻类的生长及Chl.a浓度的升高.研究发现, 丹江口水库水体Chl.a浓度在不同年份间有差异, 这可能与2017年9月开始丹江口水库第二次水位提升有关[21].另外, 发现Chl.a浓度随着年份有增加的趋势, 其中2019年的多个极值均发生在丹江和汉江入库区及其坝上位点, 这可能与丹江和汉江较高浓度TP和NH3-N的输入有关.因此, 库区各支流输入的管理是需要重点关注的区域[28].深层水库通常具有季节性分层的特点, 而温度是驱动水体分层和分层时间长短的重要因子[31]. Chl.a浓度在大坝处最高的现象可归因于大坝处流速低, 且营养盐滞留, 从而造成Chl.a富集[20, 29-30]; 在0.5 m水层所表现出的渠首为特殊低值区的现象可能与调水有关[12-13, 15]; Chl.a浓度水平分布规律在20 m层已不复存在, 并且深层的叶绿素a浓度变异系数也明显低于0.5 m层, 意味着造成Chl.a水平分布格局的原因来自水面以上和周边地表的因素和过程, 而非来自水体深处[23, 25, 30].而随着气候变暖, 分层期延长及用水量的改变, 都将改变水体浮游藻类群落的动态变化[2, 5].另外, 已有研究表明, 湖泊夏季浮游藻类最大值多出现在水面以上10 m左右, 且存在分层之间较大的差异[30].在丹江口水库深水的库区同样发现类似的情况.而引水口通常设置在较深水层, 因此, 对丹江口水库垂向上的Chl.a浓度及其主要驱动因子的研究, 对于下游的水体供应具有重要的意义.
虽然已有学者对分层水体Chl.a浓度和藻类生物量进行了研究, 发现了表层和温跃层浮游藻类生物量主要受水深变化引起的一系列环境变量如水温和光照等变化的影响[29, 31].而Chl.a浓度影响因子空间异质性仍然认知不足, 这限制了对库区生态系统功能和服务的理解和有效管理.本研究结果显示, 除了pH、水深和水温等物理因子外, TN、TP、NH3-N和NO3--N浓度对丹江口水库Chl.a浓度的动态变化都具有显著的影响, 而且不同位点Chl.a浓度的重要驱动因子存在较大差异.比如, 汉江入库区Chl.a浓度受到NO3--N浓度的影响, 汉江库区大坝位点Chl.a浓度主要受到pH变化的影响, 而出水口大坝位点主要受到了水深、水温和NH3-N的影响.丹江入库区Chl.a浓度受到了水深、氮盐、总磷和水温的影响.但库区表现出了与其他生态区较大的区别, 库区Chl.a浓度主要与水深有较强的关联, 另外, 库区有机质输入对其表层Chl.a浓度的变化具有显著的影响, 因此, 库区需要源头控制等措施以控制Chl.a和藻类的增加.通过对不同位点Chl.a浓度重要驱动因子的研究, 有利于对丹江口水库不同生态区区域采取更加科学的管理措施.而且汉江带来的较高浓度的TP和NH3-N为丹江口水库库区提供了更多生物利用性的氮源和磷源, 这将加剧库区水库富营养化和藻类水华的风险[31].丹江口水库处于北亚热带和暖温带地区, 气候温和, 受到亚热带季风气候影响四季分明, 不同季节的温度差异明显.夏秋降雨多, 温度高, 导致的入库径流季节性变化显著, 上游来水量对整个库体扰动增大.因此, 温度相对较高的夏季、秋季丹江口水库Chl.a浓度和营养状态较高[32-33], 而且, 这可能也是导致入库区及汉库库体NH3-N浓度较高的一个重要原因.因此, 夏季是藻类控制的关键季节, 需要更多的监测上游有机质及可能的污染来源.除营养盐外, 水位波动和气象条件是水库中藻类和Chl.a浓度变化的重要驱动因子[34].而且, 偏Mantel分析表明, 目前表层水体的Chl.a浓度并不受到透明度和营养盐的影响.因此, 对于丹江口水库Chl.a浓度重要驱动的研究可能需要更多地考虑水文和气象因子.
3.2 结论1) 丹江口水库处于中营养化水平, Chl.a浓度具有逐年增加的趋势, 且极高值有逐渐增加的趋势.
2) 丹江口水库营养盐和Chl.a浓度均存在较大的空间异质性, 入库区具有较高营养盐和Chl.a浓度, 表明源头污染源控制和监测对于丹江口水库管理的重要性.
3) 不同位点Chl.a浓度的重要驱动因子存在较大差异, 对丹江口水库各位点的管理应该区分，不同生态区采取针对性的管理措施.
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