2019—2023年向家坝水库叶绿素a时空分布特征及其与环境因子的关系*
doi: 10.18307/2025.0413
刘芳枝 , 赵明亮 , 黄宇波 , 潘增 , 张勇 , 周凌
中国长江三峡集团有限公司流域枢纽运行管理中心,宜昌 443000
基金项目: 中国长江三峡集团有限公司技术服务项目(0711541,0711556,0711572)和中国长江三峡集团有限公司自主科研项目(NBYG202200449、NBYG202200579)联合资助
Spatiotemporal characteristics of chlorophyll-a and its influencing factors in Xiangjiaba Reservoir from 2019 to 2023*
Liu Fangzhi , Zhao Mingliang , Huang Yubo , Pan Zeng , Zhang Yong , Zhou Ling
River Basin Complex Administration Center, China Three Gorges Corporation, Yichang 443000 , P.R.China
摘要
基于2019—2023年金沙江向家坝水库干、支流20个断面的叶绿素a(Chl.a)及相关环境因子的月度数据,运用数理统计、相关性分析、逐步回归、通径分析等方法,探究了向家坝水库Chl.a的时空分布特征及其与环境因子的关系。研究表明,向家坝水库Chl.a 5年平均浓度为3.91 μg/L,年际间Chl.a浓度呈波动变化但无明显规律,季节方面,春、夏、秋三季Chl.a浓度均显著高于冬季;空间分布上,支流库湾Chl.a浓度高于干流,干流年均Chl.a浓度沿程呈现上升趋势,且干流坝前江段Chl.a浓度高于坝后江段,支流库湾人口相对集中的断面Chl.a年均浓度较高。Pearson相关分析、逐步回归分析、通径分析结果均表明,不同年份、不同季节、不同断面影响Chl.a浓度的环境因子不尽相同,存在时间及空间差异。Pearson相关分析表明,研究期间向家坝水库全库Chl.a与总磷(TP)、正磷酸盐(PO3-4-P)、氨氮(NH3-N)、硝态氮(NO-3-N)、总氮(TN)、高锰酸盐指数(CODMn)、气温(T)、水温(WT)、溶解氧(DO)、pH呈极显著正相关,与透明度(SD)、电导率(Cond)、水速(V)呈极显著负相关。逐步回归分析筛选出对库区整体Chl.a浓度影响显著的8个环境因子分别为TN、PO3-4-P、TP、pH、DO、CODMn、SD、T,除SD与Chl.a浓度呈极显著负相关外,其余环境因子均与Chl.a浓度呈正相关;而通径分析决策系数则表明CODMn、TN、SD是影响向家坝水库Chl.a浓度最主要的环境因子。分析表明,pH、DO、CODMn、SD为影响向家坝水库Chl.a浓度的被动因子,TN、PO3-4-P、TP为限制性因子,温度则为关键因子。本研究对掌握向家坝水库浮游植物生长情况、了解水体营养状态具有重要意义,同时也可为金沙江下游巨型梯级水库水环境研究提供一定的参考依据。
Abstract
Spatio-temporal characteristics of chlorophyll-a (Chl.a) concentration and its influencing factors in Xiangjiaba Reservoir, Jinsha River during 2019-2023 were investigated using mathematical statistics, correlation analysis, stepwise regression and path analysis. The results showed that the annual average of Chl.a in Xiangjiaba Reservoir was 3.91 μg/L, and the annual variation of Chl.a was irregular. According to seasons, Chl.a was significanty higher in spring, summer and autumn than in winter. The Chl.a in the tributary was higher than that in the main stream. The annual average of Chl.a increased gradually from the upstream to the downstream of the main stream. The section with more population in the tributary had higher Chl.a. Pearson correlation analysis, stepwise regression analysis and path analysis showed that there were spatio-temporal variations in environmental factors affecting Chl.a in different years, seasons and sections. Pearson correlation analysis showed that Chl.a was extremely significant positively correlated with total phosphorus(TP), orthophosphate(PO3-4-P), ammonia nitrogen(NH3-N), nitrate nitrogen(NO-3-N), total nitrogen(TN), permanganate index(CODMn), air temperature(T), water temperature(WT), dissolved oxygen(DO), pH, and extremely significant negatively correlated with transparency(SD), conductivity(Cond) and current velocity(V). Stepwise regression analysis showed that eight environmental factors (i.e., TN, PO3-4-P, TP, pH, DO, CODMn, SD and T) had significant impacts on Chl.a in the reservoir area. These environmental factors were positively correlated with Chl.a except SD. The path analysis decision coefficient showed that CODMn, TN and SD were the most important environmental factors affecting Chl.a. The final analysis showed that pH, DO, CODMn and SD were the passive factors affecting Chl.a, while TN, PO3-4-P, TP and other nutrients were the limiting factors, and temperature was the key factor. These results can improve our understanding of phytoplankton growth and nutrient status, and can provide a reference for studying the water environment of the Jinsha River cascade reservoirs.
浮游植物是河流、湖库等水域生态系统的主要初级生产者,是食物链的重要组成部分,对维持生态系统的物质循环、能量流动以及平衡健康具有重要意义[1-3]。而存在于所有浮游植物细胞中的叶绿素a(Chl.a[4-5],是浮游植物进行光合作用的重要色素,其浓度能够反映出水体中浮游植物生物量的高低[6-7],是水体营养状态评价的重要指标之一[8]。故开展湖库Chl.a调查监测,研究其时空分布及变化特征,对掌握湖库浮游植物生长情况、了解湖库水体营养状态具有重要意义。
向家坝水电站位于云南省昭通市水富市与四川省宜宾市叙州区交界的金沙江下游河段,是金沙江下游水电基地(乌东德-白鹤滩-溪洛渡-向家坝)最后一级水电站[9],于2012年10月下闸蓄水,上游溪洛渡水电站则于2013年5月下闸蓄水,蓄水使得金沙江下游干流江段形成了首尾相连的梯级水库[10]。目前,向家坝水库已经蓄水成库十余年,长156.6 km,面积达95.6 km2,控制流域面积45.88万km2,占金沙江流域面积的97%。
近年来许多学者对湖库中Chl.a浓度的分布特点及其与各类环境因子的关系进行了深入的研究,主要集中在太湖[511-12]、三峡水库[13-15]、丹江口水库[16-17],对不同年份、不同季节、表层及垂向的Chl.a开展了相关研究;就研究区域而言,太湖及丹江口水库主要针对不同的湖区开展相关研究,而三峡水库则集中在小江、香溪河等多个支流;在影响因子方面,丹江口水库及三峡水库主要关注营养盐、水温、透明度等水体理化指标,而太湖还关注了降雨量、水位、风速等水文气象因子。目前,向家坝水库水环境、水生态方面的研究主要集中在水质[18-21]、水温[22-24]、沉积物[25-27]、鱼类[28-30]等领域,而针对向家坝水库全库范围内、较长时间序列的Chl.a浓度分布特征及其与环境因子的关系研究较少,本研究可丰富此方面的研究。同时大坝蓄水成库改变了河道原有的水文情势进而可能对其水域生态系统的结构、功能产生一定影响,本研究有助于了解向家坝水库浮游植物的时空动态变化情况,在研判库区水环境质量、水体营养状态演变趋势等方面具有重要意义。
本文以向家坝水库为研究区域,基于2019—2023年库区干、支流20个断面的月度数据,分析了向家坝水库Chl.a浓度的时空分布特征,运用Pearson相关性分析、逐步回归分析、通径分析等,探究了不同时间尺度(年份、季节)、不同空间尺度(干支流典型断面、全库区)下Chl.a浓度与各环境因子的关系,旨在为向家坝水库富营养化防治提供理论基础,也可为金沙江下游梯级水库研究提供一定的参考依据。
1 研究区域与方法
1.1 研究区域
本次研究区域为向家坝坝前至库尾新洋丰码头干流约130 km水域(包含区间支流库湾),涉及四川、云南两省三市州,其中左岸为四川宜宾市的叙州区、屏山县以及凉山州的雷波县,右岸为云南昭通市的水富市、绥江县、永善县。因向家坝水库为河道型水库[27],在坝前、库尾以及区间人口集中的城镇设置了8个干流监测断面,以了解水库干流Chl.a浓度沿程变化情况;同时考虑支流及回水库湾(水库库叉回水,长度1~5 km不等)藻类繁殖增长风险,在坝前至云南绥江南岸镇上游约70 km支流库湾集中分布的江段内,设置了12个支流库湾监测断面;研究区干、支流累计20个断面,采样点具体分布情况如图1所示。
1.2 样品采集与测定
2019—2023年,逐月对20个断面表层水体(0.5 m)Chl.a及水质主要理化因子进行监测,其中2020年2—3月受新冠疫情等不可抗力影响,未开展采样。
1向家坝水库研究区采样点位置
Fig.1Location of sampling sites in Xiangjiaba Reservoir
监测指标包括气温(T)、水温(WT)、pH、溶解氧(DO)、电导率(Cond)、氧化还原电位(ORP)、透明度(SD)、浊度(Turb)、水速(V)、总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮(NH3-N)、硝态氮(NO-3-N)、正磷酸盐(PO3-4-P)、高锰酸盐指数(CODMn)、叶绿素a(Chl.a)16项。WT、pH、DO、Cond、ORP采用YSI多参数水质测量仪现场测定,T采用手持式气象站测定,SD采用赛氏盘现场测定,采用便携式流速仪和浊度计测定V和Turb。其余指标均在实验室测定,其中TN浓度采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定,TP浓度采用钼酸铵分光光度法测定,NH3-N浓度采用纳氏试剂分光光度法测定,NO-3-N浓度采用紫外分光光度法测定,PO3-4-P浓度采用钼酸铵分光光度法测定,CODMn采用酸性高锰酸钾氧化法测定,Chl.a浓度采用丙酮萃取分光光度法测定,采样方法满足《水质采样技术指导》(HJ 494—2009)、《地表水环境质量监测技术规范》(HJ 91.2—2022)等相关规定,具体检测方法严格按照相关国标(详见附表Ⅰ)、《水和废水监测分析方法》(第四版)执行。
1.3 数据处理方法
本文数据整理、统计及分析在WPS表格、SPSS 26中完成,运用ArcGIS 10.2及Origin Pro 8.5绘制了相关图件。采用Pearson系数分析WT、DO、TN、TP等环境因子与Chl.a之间的关系并检验其双侧显著性;以Chl.a浓度为因变量,其余环境因子为自变量,采用逐步回归筛选向家坝水库不同时间尺度(年份、季节)、不同空间尺度(干支流典型断面、全库区)影响Chl.a浓度的重要环境因子,构建回归方程;同时采用通径分析进一步解析各个重要环境因子在不同时间尺度(年份、季节)、不同空间尺度(干支流典型断面、全库区)对Chl.a浓度的影响。
2 结果与分析
2.1 叶绿素a时空分布特征
2019—2023年,向家坝水库Chl.a浓度在0.01~186.40 μg/L之间,10%、50%、90%分位数分别为0.28、1.28、9.12 μg/L,最大值出现在个别支流库湾水华期间,库区5年平均浓度为3.91 μg/L,干流平均浓度为1.36 μg/L,支流库湾平均浓度为5.60 μg/L。Chl.a浓度逐年年均变化情况如图2所示,整体呈波动上升趋势,2021年Chl.a年均浓度最低,2023年最高;干、支流分布方面,支流库湾Chl.a逐年年均浓度明显高于干流,干流Chl.a逐年年均浓度均在2.00 μg/L以下,支流库湾Chl.a逐年年均浓度在5.00 μg/L左右,2023年因部分支流月度监测时发生短期小规模水华,Chl.a年均浓度较高,达8.41 μg/L。同时干、支流以及库区整体逐年Chl.a浓度标准差较大,表明Chl.a离散程度较大,特别是支流库湾以及2023年,可能与个别支流库湾出现短期水华,藻类生物量增加有关。
2向家坝水库叶绿素a年度变化情况
Fig.2Annual variation of chlorophyll-a in Xiangjiaba Reservoir
季节方面,2019—2023年逐年干、支流Chl.a浓度随季节变化情况如图3所示,可以看出每年春、夏、秋三季Chl.a浓度均显著高于冬季。除2023年外,其余4年夏季Chl.a浓度最高,春、秋季次之;2023年春季受部分支流库湾短期小规模水华的影响,Chl.a平均浓度达15.21 μg/L,显著高于其他年份春季Chl.a浓度。干、支流方面,2019—2023年每年各个季节支流库湾Chl.a平均浓度均高于干流,冬季干、支流浓度差别最小,其余季节干、支流浓度差别较大。Chl.a逐年不同季节的标准差也表明,冬季Chl.a离散程度最小,支流库湾Chl.a离散程度高于干流。
3向家坝水库叶绿素a季节变化情况
Fig.3Seasonal variation of chlorophyll-a in Xiangjiaba Reservoir
不同断面逐年Chl.a浓度变化情况如图4所示。可以看出2019—2023年期间,干流回龙场至南岸镇上游江段的4个断面年均Chl.a浓度均维持在较低水平,均低于1 μg/L;而从南岸镇至向家坝坝前的干流江段,4个断面逐年Chl.a浓度均高于上游断面;向家坝水库干流断面年均Chl.a浓度从上游到下游基本呈现上升趋势。2019—2023年向家坝水库干流Chl.a年均浓度最大断面分别为向家坝坝前断面(2.83 μg/L,2019年)、向家坝坝前断面(1.97 μg/L,2020年)、新滩镇断面(2.03 μg/L,2021年)、绥江县城断面(3.35 μg/L,2022年)、南岸镇断面(4.51 μg/L,2023年)。而较于干流断面,2019—2023年支流断面逐年Chl.a浓度相对较高。从空间分布情况来看,人口相对集中的绥江县城附近支流小汶溪、大汶溪、聚福沟以及中都镇附近的支流中都河Chl.a年均浓度较高。2019、2020年向家坝水库支流库湾Chl.a年均浓度最大断面分别为聚福沟断面(6.80 μg/L)、中都河断面(12.88 μg/L),2021—2023年向家坝水库支流库湾Chl.a年均浓度最大断面均为小汶溪断面,年均Chl.a浓度分别为10.20、16.32、29.52 μg/L。从2019—2023年各断面Chl.a浓度箱图可发现(图4),Chl.a浓度中位数总体较低且呈波动变化,但各断面的中位数均低于均值,且波动幅度较小,表明数据中低值占比较多,但高值的离散程度较大。因本研究更关注高浓度Chl.a的变化情况,故采用均值比中位数更符合实际,异常值也未剔除。
2.2 各环境因子分布特征
2019—2023年向家坝水库干、支流断面各环境因子多年平均浓度变化情况如图5所示。营养盐方面,研究期间向家坝水库TP、PO3-4-P、TN、NH3-N、NO-3-N浓度分别在0~1.27、0~0.08、0.52~4.29、0~0.53、0.40~3.78 mg/L之间;从上游库尾回龙场断面到下游坝前断面,干流各营养盐指标浓度沿程均呈缓慢上升状态,且均在经过南岸镇附近浓度开始升高;支流库湾断面各营养盐均值总体高于干流,从上游到下游波动变化,其中小汶溪TP、PO3-4-P、TN、NH3-N、NO-3-N浓度均显著高于其他断面。各断面CODMn变化与营养盐类似,干流沿程波动上升,支流波动变化且均值高于干流。向家坝水库研究期间气温在3.0~39.5℃之间,均值为19.5℃,水温在6.9~32.0℃之间,均值为19.8℃;但在空间变化有所不同,气温波动更大,可能与局地气候、采样时间有关,干流水温则沿程上升,并在坝前达到最大值,支流各断面水温略高于干流且呈波动变化。库区干、支流SD均呈波动变化趋势,干流高于支流,最大值出现在向家坝坝前,最小值则位于小汶溪。2019—2023年向家坝水库pH在7.32~9.69之间,均值为8.39,90%分位数为8.77,干支流各断面多年pH均值也基本在8.40左右,呈弱碱性。库区水速在0~1.56 m/s之间,干、支流均值分别为0.16、0.07 m/s;干、支流各断面多年水速均值变化也表明,干流水速高于支流且沿程下降,库尾回龙场断面水速显著高于其他断面,流至南岸镇附近变缓,到坝前降至最低,而支流各断面水速均比较缓,均在0.10 m/s以下。受时间跨度影响,各断面大部分环境因子标准差较大,离散程度较大;除西宁河、小汶溪、碳溪沟等断面外,TP离散程度较小;而水速除库尾两个断面受上游溪洛渡水库调度影响离散程度较大外,其余断面离散程度均相对较小。
4向家坝水库叶绿素a空间分布情况
Fig.4Spatial distribution of chlorophyll-a in Xiangjiaba Reservoir
2.3 叶绿素a与环境因子的相关性分析
由Pearson相关分析可知,向家坝水库不同时间尺度下Chl.a浓度与各环境因子的相关性有所差异(表1)。2019—2023年,Chl.a浓度与TP、SD相关性较强,每年Chl.a浓度均与TP呈正相关关系、与SD呈负相关关系;除个别年份外,其余4年TN、CODMn、T、WT、pH均与Chl.a浓度呈极显著正相关(P<0.01)。季节方面,冬季Chl.a浓度与各环境因子相关性相对较差,仅仅与NO-3-N、Cond呈极显著正相关(P<0.01),与PO3-4-P呈显著负相关(P<0.05)。
5向家坝水库监测断面各环境因子年均变化
Fig.5Annual variation of environmental factors at the sections of Xiangjiaba Reservoir
1不同时间尺度下叶绿素a与环境因子的Pearson相关分析
Tab.1 Pearson correlation analysis of chlorophyll-a and environmental factors under different time scales
**表示极显著相关,P<0.01;*表示显著相关,P<0.05。各年度、各季节分析断面均为研究区所有断面。
选取向家坝水库上、中、下游3个干流断面(即回龙场、绥江县城、向家坝坝前断面),藻类增长敏感区域(即大汶溪、小汶溪、新滩溪3条支流库湾)以及水库整体等不同空间尺度,研究2019—2023年Chl.a浓度与各环境因子的相关关系。由表2可知,向家坝水库干流回龙场断面Chl.a浓度仅与pH呈显著正相关(P<0.05);绥江县城断面Chl.a浓度与CODMn、T、pH均呈正相关关系,向家坝坝前断面Chl.a浓度与TP、NH3-N、CODMn、T、pH均呈正相关关系。支流库湾方面,大汶溪Chl.a浓度与TP、NO-3-N、TN、CODMn、T、WT、pH均呈正相关关系,与SD呈负相关关系;小汶溪Chl.a浓度与TP、PO3-4-P、TN、CODMn、DO均呈极显著正相关(P<0.01),与SD呈极显著负相关(P<0.01);新滩溪Chl.a浓度与NH3-N、NO-3-N、DO、pH均呈正相关关系,与Cond呈负相关关系。水库全库区整体Chl.a浓度与各环境因子相关性均比较强,与TP、PO3-4-P、NH3-N、NO-3-N、TN、CODMn、T、WT、DO、pH均呈极显著正相关(P<0.01),与SD、Cond、V均呈极显著负相关(P<0.01)。
2不同空间尺度下叶绿素a与环境因子的Pearson相关分析
Tab.2 Pearson correlation analysis of chlorophyll-a and environmental factors under different spatial scales
**表示极显著相关,P<0.01;*表示显著相关,P<0.05。干支流6个典型断面、全库区20个断面分析时段均为2019—2023年。
2.4 叶绿素a与环境因子的逐步回归分析
为进一步分析向家坝水库Chl.a浓度与各环境因子之间的定量关系及其主要影响因子,以Chl.a浓度为因变量,其余环境因子为自变量进行多元线性回归分析。采用逐步回归分析,剔除对Chl.a影响较弱的环境因子,建立不同时间尺度(年份、季节)/不同空间尺度(干支流典型断面、全库区)Chl.a浓度与环境因子的回归数学模型,得到逐步回归最优方程(表3表4)。
逐步回归分析结果表明,不同时间尺度下影响Chl.a浓度的环境因子差异较为明显。整体而言,2019—2023年,有3年筛选出TN、TP、CODMn、DO、pH、Turb对向家坝水库Chl.a浓度影响较大,其中Turb与Chl.a浓度呈极显著负相关,其余环境因子均与Chl.a浓度呈正相关。不同季节对Chl.a浓度影响较大的因子筛选,春、秋季最多,夏季次之,冬季最少,其中春季为CODMn、TN、NO-3-N、NH3-N、SD、PO3-4-P,夏季为TN、NO-3-N、pH、Cond,秋季为NO-3-N、DO、pH、WT、Cond、V,冬季为NO-3-N。
不同空间尺度下由逐步回归分析筛选出的对Chl.a浓度影响显著的环境因子也差异较大。干、支流6个典型断面筛选出的影响因子相对较少,但均与Chl.a浓度呈极显著正相关,其中有4个断面筛选出pH对Chl.a浓度影响较大,3个断面筛选出CODMn对Chl.a浓度影响较大。库区整体筛选出8个影响因子,分别为pH、DO、CODMn、TN、SD、PO3-4-P、T、TP,除SD与Chl.a浓度呈极显著负相关外,其余环境因子均与Chl.a浓度呈正相关。
3不同时间尺度下叶绿素a与环境因子的逐步回归方程*
Tab.3 Stepwise regression equation between chlorophyll-a and environmental factors under different time scales
*各年度、各季节分析断面均为研究区所有断面。
4不同空间尺度下叶绿素a与环境因子的逐步回归方程*
Tab.4 Stepwise regression equation between chlorophyll-a and environmental factors under different spatial scales
*干支流6个典型断面、全库区20个断面分析时段均为2019—2023年。
2.5 叶绿素a与环境因子的通径分析
在逐步回归分析结果的基础上,剔除对Chl.a浓度影响不显著的环境因子,对其余环境因子进行通径分析(附表Ⅱ~Ⅲ),以了解Chl.a与各环境因子的相互影响(相关系数)为直接影响(通径系数)还是间接影响(间接通径系数)。时间上,2019—2023年有3年对库区Chl.a浓度间接作用最大的环境因子均为Turb(2020年∑rijPj=0.349、2021年∑rijPj =0.139、2023年∑rijPj =0.407)且都为正向影响,而对Chl.a浓度间接作用最大的环境因子多为营养盐,其中2020年为TN(Pi=0.453),2021年为TP(Pi=0.373),2022年为NO-3-N(Pi=-0.612)。季节层面,冬季只有NO-3-N对Chl.a浓度有正向影响;春、夏两季对库区Chl.a浓度间接作用最大的环境因子均为NO-3-N,直接作用最大的环境因子均为TN,而秋季间接及直接作用最大的环境因子均为pH。
空间上,干、支流6个典型断面对Chl.a浓度间接作用与直接作用最大的环境因子不尽相同;对Chl.a浓度间接作用最大的环境因子多为营养盐,其中回龙场断面为NO-3-N(∑rijPj =-0.166),坝前断面为NH3-N(∑rijPj =0.185),小汶溪为TN(∑rijPj =0.333),新滩溪断面为NH3-N(∑rijPj =0.132);而对Chl.a浓度直接作用最大的环境因子,干流回龙场及坝前断面均为pH,支流库湾大汶溪、新滩溪为NO-3-N、NH3-N等营养盐。向家坝水库全库区对Chl.a浓度间接作用最大的环境因子为TP(∑rijPj =0.118),直接作用最大的环境因子为CODMnPi=0.307),均为正向影响。
决策系数是通径分析中的决策指标,其排序结果能够反映各自变量对因变量的综合作用大小,以确定主要决策变量和限制变量[31];计算公式为R2i)=2Piriy-Pi2,其中R2i)为决策系数,Pi为自变量的直接通径系数,riy为自变量i与因变量y的相关系数。由附表Ⅲ的决策系数可以看出,向家坝全库区影响Chl.a浓度的环境因子综合作用排序为CODMn>TN>SD>DO>pH>PO3-4-P>TP>T,其中CODMn、TN、SD的决策系数分别为0.140、0.057、0.042,三者占决策系数之和的64%,可见CODMn、TN、SD是影响向家坝水库Chl.a浓度最主要的环境因子。
3 讨论
3.1 叶绿素a时空分布特征
2019—2023年,向家坝水库Chl.a平均浓度为3.91 μg/L,干流平均浓度为1.36 μg/L,支流库湾平均浓度5.60 μg/L,均未超过水体富营养化的阈值(10 μg/L)[32],相较于三峡库区小江[15](2008—2020年Chl.a平均浓度20.69 μg/L)、深圳石岩水库[33](2013—2014年Chl.a平均浓度为52.03 μg/L),向家坝库区Chl.a浓度处于较低水平。不同年份向家坝水库Chl.a年均浓度不尽相同,年际间基本呈波动变化,无明显规律。季节层面,2019—2023年向家坝库区每年春、夏、秋三季Chl.a浓度均显著高于冬季,这与三峡库区小江Chl.a浓度在季节上表现一致[15],这可能与冬季水温偏低有关。相关研究表明,温度是影响浮游植物生长的关键因子,水温升高,光合作用增强,浮游植物生长速度加快,故冬季Chl.a浓度往往较低[34]
在空间方面,支流库湾Chl.a的平均浓度均明显高于干流,这可能与向家坝水库支流库湾沿岸地势较低、人口集中、农作物及果树等经济作物种植较多有关。人类活动会使水体中的营养水平升高,营养盐已成为影响湖泊浮游植物群落结构和生物量的重要驱动因子[35-36],研究表明,氮、磷营养元素的升高显著促进了洪湖、斧头湖、梁子湖等湖泊Chl.a浓度的升高[37]。前述各断面环境因子分布特征表明,支流库湾TP、TN等营养盐浓度高于干流(图5),同时不同空间尺度下Pearson相关性也表明(表2),3个典型支流断面Chl.a与各营养盐的正相关性好于3个典型干流断面,支流沿岸人类活动输入的营养盐为浮游植物的生长与繁殖提供了充足的物质基础。虽然不同断面Pearson相关分析、逐步回归分析没有筛选出水速作为影响Chl.a浓度的环境因子,但在个别年份和部分季节,水速也与Chl.a呈正相关关系,而支流库湾水速缓于干流,水体交换速率较慢,在一定程度上也促进了藻类的繁殖,故水速是导致支流库湾Chl.a浓度较高的次要原因之一。同时水体的层化结构[38]、浮游动物的捕食[39-40]也可能是影响藻类生长繁殖的重要因素,有待进一步研究。具体到相关断面,可以看出向家坝水库干流年均Chl.a浓度沿程呈现上升趋势,库尾回龙场至南岸镇上游江段4个断面年均Chl.a浓度均明显低于南岸镇至向家坝坝前江段4个断面,这与禤颖敏在2018年枯水期对向家坝水库的研究结果一致,坝前河段Chl.a浓度显著高于坝后河段[41]。南岸镇至向家坝坝前江段有南岸镇、绥江县城、新滩镇、会仪镇等多个人口密集村镇,而南岸镇上游至库尾回龙场江段仅有人口较为集中的桧溪镇,营养输入相对较少;同时库尾溪洛渡水电站下泻水流较快,河道狭窄,流经南岸镇后河道变宽,下游段水速较上游有所减缓,至坝前水深加大,更加利于营养富集及藻类生长。支流断面Chl.a浓度也类似,人口相对集中的支流库湾Chl.a年均浓度较高。
3.2 叶绿素a与环境因子的关系
不同季节、不同采样点影响Chl.a浓度的环境因子往往存在差异[42],向家坝水库Chl.a浓度与各环境因子的关系也类似。Pearson相关分析、逐步回归分析、通径分析结果均表明,不同年份、不同季节、不同断面影响向家坝水库Chl.a浓度的环境因子不尽相同,存在时间及空间差异。总体而言,2019—2023年库区整体Chl.a浓度与各环境因子的Pearson相关分析表明,Chl.a与TN、PO3-4-P、TP、pH、DO、CODMn、T、NH3-N、NO-3-N、WT均呈极显著正相关(P<0.01),与SD、Cond、V均呈极显著负相关(P<0.01)。逐步回归分析筛选出对库区整体Chl.a浓度影响显著的8个环境因子,分别为TN、PO3-4-P、TP、pH、DO、CODMn、SD、T,除SD与Chl.a浓度呈极显著负相关外,其余环境因子均与Chl.a浓度呈正相关。通径分析决策系数则对8个环境因子综合作用进行排序,表明CODMn、TN、SD是影响向家坝水库Chl.a浓度最主要的环境因子。可见,逐步回归分析所建立的最优模型在相关性分析筛选的环境因子基础上,剔除了NH3-N、NO-3-N、WT、Cond、V等因子,而通径分析则在逐步回归的基础上进一步区分其因子的影响情况(直接或间接),并对逐步回归筛选的8个环境因子综合作用进行了排序:CODMn>TN>SD>DO>pH>PO3-4-P>TP>T,即影响向家坝水库Chl.a浓度的环境因子主要为营养元素(TN、PO3-4-P、TP)、pH、DO、CODMn、SD、T。
营养元素是浮游植物生长必需的物质,是浮游植物重要的生长限制性因素[43],目前大量研究表明,水中的营养盐是直接或间接影响浮游植物生物量的重要因子,且营养盐浓度变化趋势与浮游植物生物量的变化趋势基本一致[44]。本研究水域Chl.a浓度也与TN、PO3-4-P、TP等营养盐浓度呈正相关关系,而通径分析表明,TN对向家坝水库整体Chl.a浓度影响更大,这与孟爽等在岱海的研究一致,相比TP,Chl.a与TN相关性更强[45]。同时与丹江口水库[16]研究类似,向家坝水库不同位置、不同形态的氮、磷营养盐对Chl.a浓度的影响存在差异。张浏等[46]研究认为藻类生长的适宜pH值为7~9,前述分析可知向家坝水库水质偏碱性,适宜藻类生长;但浮游植物生长旺盛也能吸收水中的CO2,使得水中pH升高,因此pH是Chl.a的被动因子,不是其限制性因子[47]。DO是反映浮游植物代谢活动的重要指标,DO浓度变化会影响浮游植物的生理活动,两者存在动态相互作用[15]。向家坝水库Chl.a浓度与DO呈正相关关系,表明Chl.a浓度越高,浮游植物生物量越多,在光合作用中释放的氧分子增多,从而使得水体中的DO浓度升高,可见DO也是Chl.a的被动因子。与三峡库区小江Chl.a长序列的研究类似[15],CODMn也是通径分析筛选出的影响向家坝水库Chl.a浓度的主要环境因子,且二者呈正相关关系,这表明有机物的存在有利于浮游藻类的生长,但同时浮游藻类生消期间也会生成大量的有机体,从而使水中CODMn升高,可见CODMn也是Chl.a浓度变化的被动因子[48-49],在后续向家坝水库水华预警监测研究中可增加对CODMn的同步监测。国内大量湖泊研究表明,Chl.a浓度往往与SD呈负相关[4],本研究也表明向家坝水库Chl.a浓度与SD呈极显著负相关(P<0.01)。至于温度影响因子,其他研究多引入水温,而本研究同时引入了气温和水温,两者间存在较强的相关性,都是影响浮游植物生长的关键因子。综上,本研究所筛选出的对向家坝水库Chl.a浓度影响显著的8个环境因子中,pH、DO、CODMn、SD均为被动因子,TN、PO3-4-P、TP为限制性因子,温度则是影响Chl.a浓度的关键因子。
本研究表明,Chl.a与各环境因子的关系较为复杂,后期可继续开展相关人工监测或自动监测,积累长序列数据,进一步揭示其驱动机制和变化规律。此外,水库流量及水位波动等水动力因素也是影响藻类时空差异的重要因素[50],对向家坝库区Chl.a浓度的影响也有待进一步研究。研究表明,溪洛渡、向家坝水库蓄水对出库TN浓度与通量无明显影响,但TP浓度与通量较蓄水前明显降低,其中通量年均滞留率约为67.0%[20],而随着乌东德、白鹤滩水电站的投运,向家坝出库对三峡入库TP通量的贡献率由2座电站(溪洛渡、向家坝)运行阶段的31%降至4座电站(乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝)运行阶段的26%[51],表明梯级电站对TP的滞留效应进一步增强,上游乌东德、白鹤滩等梯级电站的投运可能对向家坝水库入库TP通量有一定削减,但具体如何影响有待进一步研究讨论。目前向家坝水库Chl.a浓度偏低,水体富营养化状况也基本处于贫营养-中营养水平(综合营养状态指数≤50),而在今后的水库管理中,应进一步强化对库区沿岸(特别是支流库湾区域)氮、磷营养盐等外源输入的管控,以缓解库区水体富营养化进程。同时,目前向家坝水库水华仅发生在支流库湾内,主要为甲藻、隐藻及绿藻水华,具有优势藻种无毒性(未检出藻毒素)、持续时间较短(≤7 d)等特点,仅引起小范围的水体变色,对周围及下游水环境生态无明显影响,可通过梯级水库联合调度改变库区水动力条件,探索支流库湾水华防治的可能性。
4 结论
1)向家坝水库Chl.a浓度存在季节波动和空间差异;其中,春、夏、秋三季Chl.a浓度均显著高于冬季;空间方面,干、支流沿岸人口相对集中的断面Chl.a年均浓度都比较高,而支流库湾Chl.a浓度普遍高于干流,干流Chl.a浓度从上游到下游整体呈上升趋势。
2)库区Chl.a与各环境因子的关系较为复杂,不同年份、不同季节、不同断面影响Chl.a浓度的环境因子不尽相同。在研究时段内,对库区整体Chl.a浓度影响显著的环境因子有8个,其中pH、DO、CODMn、SD为影响向家坝水库Chl.a浓度的被动因子,TN、PO3-4-P、TP为限制性因子,温度则为关键因子。
3)本研究尚未考虑水位、流量等水动力因素,降雨、风速等气象因子以及水体分层对库区Chl.a的影响,后续有待深化分析;同时研究期间上游梯级电站陆续投运,其对向家坝库区Chl.a及其水环境因子的影响,以及向家坝水库自身的滞留作用和变化都有待进一步研究。
5 附录
附表Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ见电子版(DOI: 10.18307/2025.0413)。
1向家坝水库研究区采样点位置
Fig.1Location of sampling sites in Xiangjiaba Reservoir
2向家坝水库叶绿素a年度变化情况
Fig.2Annual variation of chlorophyll-a in Xiangjiaba Reservoir
3向家坝水库叶绿素a季节变化情况
Fig.3Seasonal variation of chlorophyll-a in Xiangjiaba Reservoir
4向家坝水库叶绿素a空间分布情况
Fig.4Spatial distribution of chlorophyll-a in Xiangjiaba Reservoir
5向家坝水库监测断面各环境因子年均变化
Fig.5Annual variation of environmental factors at the sections of Xiangjiaba Reservoir
1不同时间尺度下叶绿素a与环境因子的Pearson相关分析
2不同空间尺度下叶绿素a与环境因子的Pearson相关分析
3不同时间尺度下叶绿素a与环境因子的逐步回归方程*
4不同空间尺度下叶绿素a与环境因子的逐步回归方程*
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