2008-2020年三峡库区小江叶绿素a的时空演变特征及驱动因子*

唐海滨,郑志伟,胡 莲,潘晓洁,史 方,邹 曦,万成炎

(水利部中国科学院水工程生态研究所,水利部水工程生态效应与生态修复重点实验室,武汉 430072)

随着社会经济的快速发展,水体富营养化已成为全球最突出的水环境问题之一。近年来,我国太湖、巢湖、洞庭湖等重要湖泊富营养化状况依然不容乐观[1-3]。叶绿素是浮游植物重要成分,而叶绿素a是植物光合作用重要色素,广泛存在于各种浮游植物体内,其含量和动态变化能够反映水中藻类生长状况和变化规律[4-5]。故叶绿素a常被用于表征水体浮游植物生物量,也是水体富营养化评价的重要因子[6]。因此,开展水体叶绿素a监测调查,研究叶绿素a的时空变化及其与环境因子的相互关系,能够更全面地掌握水体浮游植物动态变化及形成机制,更加准确地研判水生态环境的演变趋势。

三峡大坝建成运行后,水文形势、水动力条件发生着显著变化,库区支流水系由此产生了新的水环境问题,尤其是库区水体富营养化受到广大学者的关注[7]。据统计,三峡水库蓄水后入库支流富营养化状况日趋严重,发生水华的支流数量逐年增加,2004年有6条支流暴发水华,而2013年已上升至20余条[8]。大坝阻隔导致支流流速变缓,水体滞留时间增加,是导致支流水华的主要原因[9]。三峡水库蓄水已有10余年,库区支流逐渐由河流生境向湖库生境转换,这一过程水生态系统结构也发生了一系列变化。浮游植物作为水体重要的初级生产者,全面认识三峡库区入库支流浮游植物的时空动态变化特征,对于研判水环境的演变趋势、水华发生机制等具有重要意义。但是,针对入库支流基于长时间序列下叶绿素a的时空变化特征以及与环境因子相互关系的系统性研究相对较少。

小江是三峡库区消落区面积最大、变动回水区较长以及常年流量较大的一条支流,具有典型性。本研究以小江为研究对象,在2008-2020年间对小江5个监测断面进行4个季度Chl.a的定期监测调查,分析小江Chl.a的时空演变特征,研究小江Chl.a不同断面及季节与水体主要理化因子的相关性,通过逐步回归分析,筛选出时空上影响Chl.a相对重要的环境因子,采用通径分析解析不同季节、不同断面小江Chl.a主要的驱动因子,旨为小江及三峡库区其它支流富营养化治理提供理论参考。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域

小江,也称澎溪河,位于三峡库区北岸(30°49′～31°42′N,107°56′～108°54′E),为一级主流,全长184.2 km,流域面积5173 km2。小江上游共南河和北河两条支流,于开县汇合,三峡水库蓄水后,在开县新城下游4.5 km处修建了汉丰湖大坝,至此形成了小江。根据小江地形地貌特征、水文水力特征、水系分布特点及重要闸坝分布等情况,研究区域主要为汉丰湖大坝以下至入三峡水库口,总长约72 km。本研究共设置5个监测断面,分别为渠口(31°08′11″N,108°29′12″E)、养鹿(31°04′56″N,108°33′57″E)、高阳(31°05′48″N,108°40′22″E)、黄石(30°59′44″N,108°42′58″E)和双江(30°57′53″N,108°42′03″E)(图1)。

图1 小江研究区域采样点位置Fig.1 Location of sampling sites in Xiaojiang River

1.2 样品采集

1.3 样品测定

1.4 数据处理

数据整理采用WPS Office中的WPS表格软件,作图使用Origin 8.0,统计分析使用R 4.2.1。本文对Chl.a与水体环境因子进行Pearson相关分析和和双侧显著性检验,采用逐步线性回归筛选对小江Chl.a影响相对重要的环境因子,采用通径分析解析各个重要环境因子在不同季节、不同断面对Chl.a浓度的作用大小,采用线性及非线性拟合构建小江全段Chl.a与其主要环境因子的回归方程。

2 结果与分析

2.1 小江叶绿素a时空动态变化分析

2008-2020年期间,研究区域内小江Chl.a年平均浓度为(20.69±9.41) μg/L,变幅范围在5.96～33.90 μg/L 之间,最小值出现在2008年,最大值出现在2019年(图2)。整体趋势表现为上下波动,波动周期大约为3年。同时发现,Chl.a浓度中位数也呈上下波动变化,但波动幅度较均值小。两者比较可知,各年中Chl.a浓度的均值高于中位数,表明数据中较低值的数量相对较多,而较大值的数值比较小值的数值大得多。实际中,本研究更加关注叶绿素a在高浓度的变化情况,故采用均值比中位数更符合实际需要。此外,异常值数值有所增加。

图2 小江叶绿素a的年度变化Fig.2 Annual variation of chlorophyll-a in Xiaojiang River

小江5个监测断面Chl.a浓度时空变化如图3所示。在季节上,整体表现为春季、夏季、秋季3个季节远高于冬季的变化规律,Chl.a浓度由高到低依次为,春季(34.48 μg/L)、秋季(27.61 μg/L)、夏季(20.21 μg/L)、冬季(2.01 μg/L)。其中,春季、夏季Chl.a浓度均在黄石断面最高,分别为59.11、31.98 μg/L;秋季Chl.a浓度在高阳断面最高,为37.95 μg/L;冬季Chl.a浓度在渠口断面最高,为3.24 μg/L。Chl.a浓度除了随季节变化外,还呈现出不同的空间差异性,即在空间上呈倒“N”型分布特征,Chl.a年平均浓度最高值出现在黄石断面(29.55 μg/L),最低值出现在养鹿断面(15.23 μg/L)。

图3 小江各监测断面叶绿素a的时空变化Fig.3 Spatiotemporal variation of chlorophyll-a in different monitoring sections of Xiaojiang River

2.2 小江叶绿素 a与环境因子的相关分析

表1 小江各监测断面叶绿素a与环境因子的Pearson相关分析Tab.1 Pearson correlation analysis of chlorophyll-a and environmental factors in sections of Xiaojiang River

2.3 小江叶绿素a与环境因子的逐步回归分析

表2 小江不同季节叶绿素a与环境因子的回归方程Tab.2 Stepwise multiple regression equation between chlorophyll-a and environmental factors in different seasons in Xiaojiang River

表3 小江不同监测断面叶绿素a与环境因子的回归方程Tab.3 Stepwise multiple regression equation between chlorophyll-a and environmental factors at different sampling sites in Xiaojiang River

2.4 小江叶绿素a与环境因子的通径分析

在逐步回归分析结果上,采用通径分析计算各重要环境因子对小江不同季节Chl.a浓度的作用大小,(附表Ⅰ和图4)。不同季节,各环境因子对水体Chl.a浓度的影响有明显差异。春季时,对小江Chl.a间接作用最大的环境因子为NH3-N(∑rijPj=0.266),直接作用最大的环境因子为Turb(Pi=0.753),均为正向影响;夏季时,对小江Chl.a间接作用最大的环境因子为SD(∑rijPj=0.083),直接作用最大的因子为DO(Pi=0.415),均为正向影响;秋季时,对小江Chl.a间接作用最大的环境因子为pH(∑rijPj=-0.131),为负向影响,而直接作用最大的因子为NH3-N(Pi=0.413),为正向影响;冬季时,对小江Chl.a间接作用最大的环境因子为TP(∑rijPj=-0.787),为负向影响,而直接作用最大的因子为TP(Pi=0.727),为正向影响。总体上,对水体Chl.a浓度影响最显著的环境因子分别为:Turb(春季,通径系数Pij=0.76)、DO(夏季,Pij=0.49)、NH3-N(秋季,Pij=0.34)和WT(冬季,Pij=-0.30)。

图4 小江不同季节叶绿素a与环境因子的通径分析图Fig.4 Path analysis model of chlorophyll-a and environmental factors in different seasons in Xiaojiang River

图5 小江不同监测断面叶绿素a与环境因子的通径分析图Fig.5 Path analysis model of chlorophyll-a and environmental factors at different sampling sites in Xiaojiang River

2.5 小江叶绿素a与关键环境因子的拟合分析

进一步,采用线性函数、幂函数、指数函数3种常用函数拟合分析小江Chl.a与最主要环境因子(DO、CODMn)的关系。如图6所示,Chl.a与DO、Chl.a与CODMn的拟合结果均表现为:指数函数的拟合效果最好,其次是幂函数,最后是线性函数。其中,Chl.a浓度与DO呈极显著正相关(P<0.01),相关系数R2为0.38,构建的指数函数方程为y=1.062e0.369x+0.707;Chl.a浓度与CODMn呈极显著正相关(P<0.01),相关系数R2为0.35,构建的指数函数方程为y=3.185e0.460x+3.406。

图6 小江叶绿素a与DO、CODMn的拟合结果Fig.6 Fitting results of chlorophyll-a with DO and CODMn in Xiaojiang River

3 讨论

3.1 叶绿素a的时空变化特征

3.2 水体理化因子对叶绿素a的影响

4 附录

附表Ⅰ～Ⅱ见电子版(DOI: 10.18307/2023.0512)。