崔彥萍，王保棟，陳求穩(wěn),3,*

(1. 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心， 北京 100085； 2. 國家海洋局第一海洋研究所，青島 266061；3. 三峽大學(xué)， 宜昌 443002)

三峽正常蓄水后長江口葉綠素a和溶解氧變化及其成因

崔彥萍1，王保棟2，陳求穩(wěn)1,3,*

(1. 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心， 北京 100085； 2. 國家海洋局第一海洋研究所，青島 266061；3. 三峽大學(xué)， 宜昌 443002)

根據(jù)2010年8月、10月和2011年5月的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，對(duì)長江口水域在三峽水庫175m試驗(yàn)蓄水實(shí)施后一個(gè)水文年中葉綠素a和溶解氧(DO)的分布特征及其影響因素進(jìn)行分析。結(jié)果表明，葉綠素a平面分布夏季有兩個(gè)高值中心，春季有一個(gè)高值中心；在口門北緣夏季表層葉綠素濃度值最高。垂向上，夏季葉綠素a濃度表層和底層高；春季和秋季葉綠素a濃度中層高。 夏季表層和底層DO濃度相差較大，秋季和春季表、底層DO濃度分布比較均勻；整體上秋季和春季的DO濃度高于夏季。工程蓄水后DO低值區(qū)和葉綠素a峰值區(qū)向口門內(nèi)位移，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生影響。

長江口；葉綠素a變化；溶解氧變化；水利工程

近30多年來，隨著長江流域經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，工農(nóng)業(yè)廢水和生活污水不斷增加，加之三峽水庫和引江濟(jì)太等工程的實(shí)施，進(jìn)入長江口及其鄰近海域的水、沙、鹽發(fā)生明顯變化，長江口已成為我國沿海水質(zhì)惡化范圍最大，富營養(yǎng)化最嚴(yán)重、赤潮多發(fā)的水域之一[1- 4]。長江口是淡水與海洋生物棲息地之間的生態(tài)交錯(cuò)區(qū)，該區(qū)域的環(huán)境因子變化與河流和海洋均有差異，具有自己的特殊性，而河口區(qū)的浮游植物是長江口水生生態(tài)系統(tǒng)的重要初級(jí)生產(chǎn)者，也是河口生態(tài)系統(tǒng)中食物鏈的重要環(huán)節(jié)，它們?yōu)樗w和底棲的動(dòng)物提供直接的食物來源。因此，開展三峽正常蓄水后長江口及其鄰近海域水環(huán)境理化因子和浮游植物生態(tài)學(xué)研究，有利于分析上游水利工程運(yùn)行對(duì)長江口及其鄰近海域生態(tài)環(huán)境的短期效應(yīng)[5]。

1 數(shù)據(jù)來源

本文分析所采用的數(shù)據(jù)主要來源于國家973課題(2010CB429004)執(zhí)行的3個(gè)航次調(diào)查(國家海洋局第一海洋研究所實(shí)施)，分別為：2010年8月(夏季，豐水期)、2010年10月(秋季，枯水期)、2011年5月(春季，平水期)，監(jiān)測區(qū)域如圖1。

圖1 長江口2010—2011年3個(gè)季節(jié)水環(huán)境生態(tài)調(diào)查區(qū)域站點(diǎn)圖Fig.1 The layout of the hydro-environmental monitoring stations in the Yangtze estuary in three seasons during 2010—2011

調(diào)查嚴(yán)格遵照國家《海洋調(diào)查規(guī)范-海水化學(xué)要素觀測GB12763.4- 91》，每個(gè)采樣點(diǎn)采集了表層、中層和底層3個(gè)樣，水溫(T)、溶解氧(DO)、pH值等指標(biāo)采用便攜儀器現(xiàn)場測量，其它指標(biāo)如硅酸鹽(SiO2)、總懸浮質(zhì)(TSS)、葉綠素a(Chla)等在實(shí)驗(yàn)室根據(jù)規(guī)范進(jìn)行測定。

2 研究結(jié)果

2.1 溶解氧時(shí)空變化

溶解氧與浮游植物的生長繁殖有密切關(guān)系，沿海海域中生物活動(dòng)、海水運(yùn)動(dòng)、溫度、徑流和降雨都對(duì)海水中溶解氧的變化分布產(chǎn)生影響[6]。若水中溶解氧濃度低于2 mg/L，成年魚會(huì)死亡，孵卵生境遭到破壞，漁業(yè)資源將會(huì)衰退。從圖2可以看出：夏季長江口及其鄰近海域表、底層DO平均值分別為7.5 mg/L和5.2 mg/L，濃度范圍分別是4.0—11.4 mg/L和2.0—6.6 mg/L，夏季表層DO濃度在口門外最大渾濁帶最低，這與長江沖淡水?dāng)y帶的大量懸浮有機(jī)質(zhì)主沉積區(qū)相對(duì)應(yīng)；由于夏季水溫高，底層懸浮有機(jī)物質(zhì)的氧化分解消耗了大量的溶解氧，同時(shí)夏季水體比較穩(wěn)定，底層溶解氧難以得到補(bǔ)充，使得長江口門外外底層出現(xiàn)低氧區(qū)[7]。在秋季和春季，DO濃度垂向分布比較均勻，秋季表、底層DO平均濃度分別為7.8 mg/L和7.5 mg/L，濃度范圍分別為6.8—9.0 mg/L和6.7—8.5 mg/L；春季表、底層DO平均濃度分別為8.2 mg/L和8.5 mg/L，濃度范圍分別為6.0—9.3 mg/L和7.5—10.0 mg/L。

圖2 長江口及鄰近海域2010—2011年3個(gè)季節(jié)DO表層和底層的分布Fig.2 The concentrations of DO in the surface and bottom water of the Yangtze estuary and its adjacent area in three seasons during 2010—2011

空間上，DO濃度從近岸到外海呈現(xiàn)先降低再升高的趨勢，在口門中心區(qū)DO濃度最低。

2.2 葉綠素a的時(shí)空變化

與溶解氧變化密切相關(guān)的浮游植物(葉綠素a表征)的時(shí)空分布特征的分析結(jié)果見圖3。

圖3 長江口及鄰近海域2010—2011年3個(gè)季節(jié)葉綠素a表層和底層的分布特征Fig.3 The concentration of Chla in the surface and bottom water of the Yangtze estuary and its adjacent area in tree seasons during 2010—2011

夏季，口門內(nèi)表層水體葉綠素a濃度范圍為0.74—19.33 μg/L,平均值為4.68 μg/L；葉綠素a濃度沿入海方向逐漸升高，口門外表層水體水域葉綠素a濃度為0.34—43.75 μg/L，平均濃度為7.46 μg/L。葉綠素a濃度在口門外東北部稍外海和東南部稍近海水域形成兩個(gè)高值區(qū)，最高值中心濃度分別是43.75 μg/L和36.32 μg/。中層水體葉綠素a濃度范圍為0.37—18.52 μg/L，平均為4.45 μg/L，空間分布特點(diǎn)與表層類似，同樣存在兩個(gè)高值區(qū)，只是東南區(qū)高值中心內(nèi)移一些。底層水體葉綠素a濃度范圍為1.18—33.78 μg/L，平均為5.90 μg/L，分布特點(diǎn)與表層類似，只是在東北高值區(qū)的西側(cè)又有一個(gè)高值中心。

秋季，口門內(nèi)表層水體葉綠素a濃度范圍為0.79—5.25 μg/L，平均值為2.23 μg/L，在長江口北支，相對(duì)其他站點(diǎn)存在高值密集區(qū)域；口門外水體葉綠素a濃度范圍為0.39—1.97 μg/L，平均值為0.75 μg/L，北支出口往東有一高值中心，南槽出口外也有一高值中心，東南角也存在一高值中心。在中層除了調(diào)查區(qū)域東北角有一高值中心，大部分區(qū)域葉綠素a濃度分布比較均勻，為0.6—0.8 μg/L，平均值為0.70 μg/L。底層葉綠素a濃度范圍為0.41—2.43 μg/L，平均值為0.77 μg/L，從近岸向外海逐漸降低，在調(diào)查區(qū)域東北角有一高值中心。

春季，口門內(nèi)表層水體葉綠素a濃度為1.38—3.33 μg/L，平均值為2.35 μg/L；出了口門葉綠素a濃度先減小，然后增加，再減??；口門外濃度范圍為0.12—5.56 μg/L，平均值為1.93 μg/L，在122.6°E、31.6°N中心區(qū)域有一高值中心。中層葉綠素a濃度范圍為0.35—5.76 μg/L，平均值為2.06 μg/L，高于口門外表層平均值，分布特點(diǎn)類似于表層，在123.5°E、31.0°N區(qū)有一高值中心，調(diào)查區(qū)域東北角有一低值中心。底層葉綠素a濃度范圍為0.39—5.64 μg/L，平均值為1.97 μg/L，仍高于表層，但是低于中層，分布特點(diǎn)類似于中層。

雖然用于夏季和春季分析的數(shù)據(jù)不在同一年份，但是是在一個(gè)水文年之內(nèi)，從圖3可以明顯看出，本組數(shù)據(jù)中夏季葉綠素a比春季高出很多，這與以往的結(jié)果存在差異，因?yàn)殚L江口一般春末夏初是赤潮高發(fā)季節(jié)，該差異有待進(jìn)一步分析。

2.3 葉綠素a的剖面分布

站點(diǎn)C1—C6所在的31.0°N剖面位于長江沖淡水與杭州灣交界處，咸淡水混合比較好，具有代表性。圖4給出了C1—C6剖面葉綠素a的濃度分布。

圖4 長江口葉綠素a濃度典型剖面分布及測點(diǎn)中層水深Fig.4 Chla concentration of a typical cross-section and the depth of the middle layer

夏季，葉綠素a濃度離岸方向先增加后減少，在122.5°E表層有一高值中心，中心值達(dá)36.32 μg/L，在123.0°E以東區(qū)域上下混合比較均勻；秋季，葉綠素a濃度高值區(qū)分布在123.0°E、水深8 m處，高值中心濃度向岸方向呈增加趨勢；春季，122.5°E以西從表層到底層葉綠素a濃度逐漸減小，但是以東區(qū)域，葉綠素a濃度上下層分布均勻；且從西往東濃度是逐漸增加的，最高值分布在123.5°E的底層。總體而言，從夏季到春季，葉綠素a高值區(qū)朝離岸方向發(fā)展。

2.4 典型站點(diǎn)水環(huán)境及生態(tài)因子垂直分布

選擇溫、鹽躍層明顯的A3、A5兩個(gè)站位研究夏季溶解氧(DO)、葉綠素a(Chla)、溫度(T)以及鹽度(Sal)的垂直分布情況(圖5)。A3站點(diǎn)葉綠素a在底層處最高，表層最低，從表層到底層依次增高，而且底層是表層的近一倍,但總體來說濃度較低；對(duì)應(yīng)的DO含量是從表層到底層依次降低，在底層達(dá)到低氧范圍，最低含量僅為2.00 mg/L，這與葉綠素a分布呈反向關(guān)系。這可能是由于來自外海中層的低氧水造成；另外，底層動(dòng)物呼吸和有機(jī)物分解過程也大量耗氧，而溫、鹽躍層的存在阻礙了上層氧向下層擴(kuò)散傳遞，使得下層氧量得不到及時(shí)的補(bǔ)充，因此底層的DO遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于表層。A5站點(diǎn)DO垂向變化趨勢與Chla相似，都是表層出現(xiàn)最高值，其中Chla表層達(dá)43.75 μg/L，為嚴(yán)重富營養(yǎng)化，中層迅速降低，但也高達(dá)18.52 μg/L，底層又迅速增加至33.78 μg/L；DO保持與Chla同步趨勢，在中層出現(xiàn)低氧現(xiàn)象，低值僅為1.82 mg/L。

圖5 長江口口門附近 A3和A5站點(diǎn)夏季T、Sal、DO和Chla垂直分布Fig.5 Vertical profile of T, Sal, DO and Chla at the monitoring stations A3 and A5 near the estuary outlet

3 長江口海域葉綠素a與環(huán)境因子之間的關(guān)聯(lián)性分析

早期的研究認(rèn)為，海水中營養(yǎng)鹽濃度越高，浮游植物生長越快，相應(yīng)海區(qū)的葉綠素就越高[8]，但是此次調(diào)查發(fā)現(xiàn)葉綠素a與這些營養(yǎng)鹽基本沒有顯著相關(guān)性?？紤]到葉綠素a和營養(yǎng)鹽之間的相關(guān)性比較隨機(jī)，但是葉綠素a表征的生長率和營養(yǎng)鹽吸收率相關(guān)性強(qiáng)，本研究采用Monod方程表征營養(yǎng)鹽吸收趨勢。Monod生長方程認(rèn)為低濃度情況下，浮游植物的生長隨著營養(yǎng)鹽濃度的增加而增加，但當(dāng)濃度超過一定范圍時(shí)，浮游植物的生長速率將維持在一定程度，不再隨外界營養(yǎng)鹽濃度的變化而變化[9]。

對(duì)于長江口及鄰近海域而言，根據(jù)2010—2011年的調(diào)查數(shù)據(jù)，海水中的葉綠素和營養(yǎng)鹽之間關(guān)系非常復(fù)雜(圖6)，研究海域的營養(yǎng)鹽從近岸到外海呈逐漸降低的趨勢，在營養(yǎng)鹽濃度較低的外海，浮游植物生長主要受營養(yǎng)鹽限制，所以葉綠素濃度較低；靠近近岸，營養(yǎng)鹽濃度越高，葉綠素也隨之升高，但是葉綠素最高值沒有出現(xiàn)在營養(yǎng)鹽濃度最高的河口附近的海域，而是出現(xiàn)在營養(yǎng)鹽濃度處于中等水平的海域[10]，即最大渾濁帶的鋒面區(qū)域。借用Steele方程[8](式1)來描述葉綠素和營養(yǎng)鹽的關(guān)系:

(1)

式中: AN為浮游植物生長狀態(tài)參數(shù)(N分別代表DIN: dissolved inorganic nitrogen, PO4-P，SiO3-Si)，Nutrient為營養(yǎng)鹽(DIN，PO4-P，SiO3-Si)濃度，NutrientOPT為浮游植物生長的最適營養(yǎng)鹽濃度。當(dāng)實(shí)際海域營養(yǎng)鹽濃度小于NutrientOPT時(shí)，生物量隨營養(yǎng)鹽濃度的增加而增加，當(dāng)濃度大于最適濃度時(shí)，生物量反而隨營養(yǎng)鹽濃度的增加而減少?；诖舜握{(diào)查數(shù)據(jù)，長江口DIN濃度在37 μmol/L左右，葉綠素濃度達(dá)到最高值，而對(duì)SiO3-Si而言，在濃度約35 μmol/L左右，葉綠素a 濃度達(dá)到最高值，而PO4-P則是在濃度約1.80 μmol/L時(shí)，葉綠素a濃度較高。

圖6 長江口及鄰近海域葉綠素a與營養(yǎng)鹽和溫度的關(guān)系Fig.6 Relation between Chla and nutrients concentration as well as temperature in Yangtze estuary

溫度對(duì)浮游植物的生長有重要影響，此次調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，長江口及鄰近海域的葉綠素a與溫度呈現(xiàn)峰值對(duì)應(yīng)的關(guān)系(圖6)，在15—23 ℃左右，葉綠素a量變化不大，在29 ℃左右的范圍內(nèi)出現(xiàn)葉綠素a的峰值。

海水TSS是表征海水光學(xué)特征的指標(biāo)，它主要反映了水體的渾濁程度以及水體中懸浮物的含量，會(huì)直接影響著光線在海水中的衰減程度，進(jìn)而影響水體中浮游植物的光合作用，因此是影響海洋浮游植物生長的一個(gè)重要因子。根據(jù)本次調(diào)查數(shù)據(jù)，在TSS大于40 mg/L左右的水域，葉綠素a都處于較低水平(圖7)。

圖7 長江口及鄰近海域Chla與TSS的關(guān)系Fig.7 Relation between Chla and TSS concentration in Yangtze estuary

長江入海徑流是沖淡水影響范圍的決定因子之一，三峽蓄水后大通站徑流和泥沙減少[11]；三期(175 m)蓄水后，水利部長江水利委員會(huì)公布的2011年春季監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示水沙通量進(jìn)一步降低。此同時(shí)，低氧區(qū)及葉綠素a高值區(qū)有向口門內(nèi)位移的趨勢[12]，葉綠素a峰值區(qū)從2002年的26 psu區(qū)向內(nèi)位移到2006年的22 psu區(qū)，再繼續(xù)位移至目前的18 psu區(qū)；結(jié)合作者對(duì)本調(diào)查周期硅酸鹽的分析結(jié)果[13]，認(rèn)為175 m蓄水后，葉綠素a峰值區(qū)和低氧區(qū)可能進(jìn)一步內(nèi)移。

4 結(jié)論

通過對(duì)三峽水庫正常蓄水(175 m方案)后長江口豐、平、枯一個(gè)完整水文年內(nèi)的水環(huán)境和浮游植物監(jiān)測，以影響生態(tài)系統(tǒng)最關(guān)鍵的指標(biāo)DO和Chla為對(duì)象，分析了其時(shí)空動(dòng)態(tài)，并結(jié)合前期的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)：

(1)層化分析結(jié)果表明，垂向上Chla在表層、中層、底層都可能出現(xiàn)最大值，這與不同季節(jié)水動(dòng)力垂向穩(wěn)定性相關(guān)；高值區(qū)的平面位置隨季節(jié)也有明顯位移，這與長江徑流季節(jié)性變化相關(guān);

(2) 葉綠素a濃度和溶解氧濃度的耦合關(guān)系在近岸和遠(yuǎn)岸存在明顯差異，這主要由于長江口最大渾濁帶沉積區(qū)域?qū)е?；在最大渾濁帶，葉綠素a峰值和營養(yǎng)鹽有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，借用Steele[8]方程確定了適宜浮游植物生長的DIN、SiO3-Si和PO4-P濃度。

(3)三峽175 m正常蓄水后，可能使長江口來水來沙進(jìn)一步減少，沖淡水的影響范圍向口門內(nèi)位移，將導(dǎo)致葉綠素峰值區(qū)和低氧區(qū)內(nèi)移，從而影響長江口生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

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The spatial-temporal dynamics of chlorophyll a and DO in the Yangtze estuary after normal impoundment of the Three Gorges Reservoir

CUI Yanping1, WANG Baodong2, CHEN Qiuwen1,3,*

1ResearchCentreforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China2TheFirstInstituteofOceanography,Qingdao266061,China3ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443002,China

Following the rapid development and urbanization in Yangtze River basin, in particular the operation of the Three Gorges Reservoir, the hydrological regime, sediment transport and water quality at the Yangtze outlet have changed dramatically, which significantly affected the estuarine ecosystem. Water quality deterioration, eutrophication and algal bloom become serious problems of the Yangtze estuary. The impoundment of the Three Gorges Reservoir has three stages: the first stage is 135 m in 2003, and the second stage is 156 m in 2006 and the final stage is 175 m in 2010. The impoundment of 175 m in 2010 makes the operation of the reservoir reach to the designed level. It is therefore valuable to investigate the consequent effects on the ecosystem of the downstream, especially the estuary. Based on the survey of hydro-environmental and phytoplankton data in the Yangtze estuary and its adjacent areas in August and November 2010 and May 2011, the paper analyzed the spatial-temporal features of dissolved oxygen (DO) and chlorophyll a (Chla), as well as the affecting mechanism after the impoundment level of the Three Gorges Reservoir reached to the final stage of 175 m. The results showed that in summer, the low DO area is in the turbid belt in surface layer, and the bottom layer exists oxygen depletion zone. In autumn and spring, the vertical profile of DO concentration is rather uniform from surface to bottom. To investigate the effect of stratification in summer, two typical points A3 and A5 are selected. In A3, DO and temperature decreases monotonically with the depth and Chla increases with depth; in A5 station, DO and Chla first decrease sharply with depth and then gradually increase after 20m depth. The difference of vertical profile between A3 and A5 is because of the stable stratification in A5. For Chla, there are two high value zones in summer and one in spring. In particular, in the north edge of the estuary outlet, the Chla concentration in the surface layer is very high, reaching to eutrophic level. With respect to vertical profile of Chla, the concentration in surface and bottom layers are higher than middle layer (thermocline) in summer, while in spring and autumn the concentration in surface layer is lower. In combining with previous studies, it is found that the low DO zone and the peak Chla contour line are moving toward inshore, which will affect the estuarine ecosystem. From the study, it can be concluded: (1) the maximum concentration of Chla can be in surface, middle or bottom, depending on the vertical stability of the water. The horizontal change of the hotpot is governed by the inflow discharge. (2) in the mixing zone, the peak of Chla concentration is closely correlated with nutrients. (3) near the outlet, the vertical profiles of Chla and DO are opposite, but in offshore area they are consistent. (4) after the impoundment of 175 m, the discharge and sediment as well as nutrients are further reduced, which will intensify the effects on Chla and DO features of the estuary.

Yangtze estuary; chlorophyll a; dissolved oxygen; water project

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展(973)計(jì)劃項(xiàng)目 (2010CB429004)

2013- 02- 05; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2014- 03- 13

10.5846/stxb201302050242

*通訊作者Corresponding author.E-mail: qchen@rcees.ac.cn

崔彥萍，王保棟，陳求穩(wěn).三峽正常蓄水后長江口葉綠素a和溶解氧變化及其成因.生態(tài)學(xué)報(bào),2014,34(21):6309- 6316.

Cui Y P, Wang B D, Chen Q W.The spatial-temporal dynamics of chlorophyll a and DO in the Yangtze estuary after normal impoundment of the Three Gorges Reservoir.Acta Ecologica Sinica,2014,34(21):6309- 6316.