貴州草海光合有效輻射衰減特征及影響因素研究

田 源 斌,董 繼 興,李 安 艷,黃 先 飛,夏 品 華

(1.貴州師范大學(xué) 貴州省山地環(huán)境信息系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境保護重點實驗室,貴州 貴陽 550001; 2.貴州草海濕地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站,貴州 畢節(jié) 553100)

0 引 言

湖泊是人類寶貴的自然資源,具有特殊的生態(tài)服務(wù)功能。沉水植物作為湖泊生態(tài)系統(tǒng)的重要初級生產(chǎn)者,對生態(tài)系統(tǒng)的能量流動和物質(zhì)循環(huán)起著重要調(diào)控作用,其在降低湖泊營養(yǎng)鹽含量、抑制沉積物再懸浮和浮游藻類生長等方面也起著關(guān)鍵作用[1-2]。但是在氣候變化和人類活動的共同作用下,全球范圍的湖泊生態(tài)系統(tǒng)正在發(fā)生嚴重退化[3],包括長江中下游地區(qū)[4],沉水植物覆蓋面積也顯著降低。有研究表明,沉水植物的生長發(fā)育主要受到水下光照強度的限制[5-6],光照強度可通過光合有效輻射衰減系數(shù)(Kd(PAR))表示[7],主要受到水體中有色可溶性有機物、浮游藻類和懸浮顆粒物等吸收和散射的影響。因此,探索沉水植物適宜的水下光環(huán)境,對建設(shè)以沉水植物為主要初級生產(chǎn)者的清水態(tài)湖泊具有重要意義。

隨著流域富營養(yǎng)化加劇而導(dǎo)致的湖泊光學(xué)特性退化越來越普遍,中國早期對于淺水湖泊光合有效輻射衰減特征及其真光層深度(Zeu)的研究多集中在長江中下游湖泊[8-9],且尤以張運林等[10-13]對太湖的研究居多。此后周起超等[14]又對云南省高原湖泊光衰減特征及其主導(dǎo)環(huán)境因子等進行了多次研究,并對云南高原多個湖泊不同季節(jié)光衰減特性進行比較,確定了不同湖泊間影響光衰減的因子存在差異[15]。另外,湖泊光衰減特性長時間尺度的變化特征也備受重視,并以此來預(yù)測人為影響水體透明度的時空演變。Rose等[16]對Rhode 河口1986～2014年的光衰減特征研究發(fā)現(xiàn),其Kd(PAR)隨著水中非藻類顆粒物的增加而增加,不同水質(zhì)對光衰減的貢獻不同,且Kd(PAR)具有季節(jié)變化的特征。此外,不同地理尺度的湖泊光衰減特性研究也十分必要,Zhang等[17]對中國東部和西南部湖泊的光照衰減研究發(fā)現(xiàn),有色可溶性有機物與光衰減系數(shù)顯著正相關(guān),且長期的水下光照強度也顯著降低;尚盈辛等[18]對青藏高原的多個湖泊研究也表明,不同湖泊主導(dǎo)光衰減的物質(zhì)也各不相同。然而,以往的研究多集中在對水體光衰減及其主導(dǎo)因子的研究,而少有對沉水植物生長恢復(fù)階段的適宜生境評估,并且由于不同湖泊的生態(tài)狀況不完全相同,貴州草海作為高原喀斯特巖溶湖泊,其特殊性也不言而喻,而對其光衰減特性及其主導(dǎo)因子的研究卻尚有空缺,湖底光環(huán)境狀況是否能滿足沉水植物的正常生長發(fā)育也不得而知。另外,以往對草海的研究大都是圍繞其水生植物[19]和營養(yǎng)鹽[20]等方向,所以對于草海光衰減特性的研究迫在眉睫。

貴州草海原本是一個清澈的草型湖泊,然而近年來由于人為抬升水位,致使草海長期高水位運行、魚類生態(tài)失衡、長期營養(yǎng)鹽累積等,導(dǎo)致草海水生植被大面積衰退,水體渾濁、水質(zhì)惡化,草海正由清水草型向濁水藻型穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換。因此,了解草海水體光衰減特性及其主導(dǎo)因子,有助于探索改善水體光環(huán)境的有效措施,恢復(fù)沉水植物,促進草海水生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)。為了使草海水生植被能及時自然恢復(fù),相關(guān)管理部門也采取了恢復(fù)原有自然水文節(jié)律(水位調(diào)控)等應(yīng)急處置措施。為科學(xué)評估該措施實施之后的水下光環(huán)境是否能夠有效促進草海水生植被的恢復(fù),本文于2022年3～8月沉水植物生長時期,對水下光照強度及其影響因子進行調(diào)查研究,以期為草海沉水植物生長恢復(fù)階段提供基礎(chǔ)的光學(xué)資料,并主要解決以下問題:① 探究草海春夏季Kd(PAR)的時空動態(tài);② 明確影響草海Kd(PAR)的主導(dǎo)因子;③ 探究Kd(PAR)對草海沉水植物恢復(fù)的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

草海保護區(qū)位于貴州省畢節(jié)市威寧彝族苗族回族自治縣(26°47′35″N～26°52′10″N,104°9′23″E～104°20′10″E),是天然淡水喀斯特湖泊濕地,總面積約120 km2,正常水位2 171.70 m,水域面積約22.4 km2[20],其四周分布有萬下河、東山河、白馬河及大中河等主要入湖河流,其中以大中河入湖徑流量最大,其流速為0.25 m/s,溪溝流量為225.25 L/s。草海屬于亞熱帶高原季風(fēng)氣候區(qū),年降雨量介于626.5～1 124.1 mm之間,年均降水量903.6 mm,年平均氣溫為10.9 ℃,春季多大風(fēng),占全年大風(fēng)日數(shù)的79%,日照豐富,冬暖夏涼[21]。

1.2 樣品采集與數(shù)據(jù)獲取

本研究于2022年3～8月在全湖設(shè)置14個采樣點對草海水深(WD)、透明度(SD)、光合有效輻射(PAR)、有色可溶性有機物(CDOM)、總懸浮物(TSS)、無機懸浮物(ISS)、有機懸浮物(OSS)、葉綠素a(Chl.a)、總?cè)芙庑怨腆w(TDS)和濁度(TU)等指標進行測定,采樣點位如圖1所示,采樣期間天氣晴朗,無風(fēng)或微風(fēng),采樣時間控制在09:00～16:00。

圖1 草海采樣點位分布Fig.1 Location of sample points in Caohai Lake

其中WD、SD、TDS、PAR和TU現(xiàn)場測定,WD使用測深桿進行測量,SD使用直徑為30 cm的塞氏盤進行測量,TDS和TU采用便攜式水質(zhì)分析儀進行測量,PAR采用水下光量子測量儀(MQ-510)視水位深度測量水下0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2,1.4,1.6,1.8 m 處的光照強度,每層測量5個數(shù)據(jù),取其平均值作為該層PAR的光照強度,現(xiàn)場測量過程中出現(xiàn)的異常值選擇重新測量。利用采水器在每個點位水體表面采集水樣500 mL,每個樣點重復(fù)3次,后帶回實驗室測定水體TSS、ISS、OSS、Chl.a等指標,懸浮物測定采用稱重法;Chl.a濃度采用乙醇分光光度法,所有數(shù)據(jù)測定均按照規(guī)范進行[22]。

1.3 有色可溶性有機物(CDOM)的測定

采用0.22 μm的Millipore濾膜過濾已經(jīng)過濾除去總懸浮物的水樣后,在分光光度計下測定其吸光度,根據(jù)(1)式計算得到各波長的吸收系數(shù),并以700 nm處的吸光度進行散射校正[23-24]。

αCDOM(λ′)=2.303D(λ)/r

(1)

αCDOM(λ)=αCDOM(λ′)-αCDOM(700)·λ/700

(2)

式中:αCDOM(λ′)是未校正的吸收系數(shù),m-1;D(λ)是測得的吸光度;r是光程路徑,m;λ是波長,nm;αCDOM(λ)是校正后的吸收系數(shù),m-1;αCDOM(700)是700 nm處的吸收系數(shù),m-1。由于CDOM組成極其復(fù)雜,目前尚不能確定其濃度,常用380 nm處吸收系數(shù)表示其濃度[25]。

1.4 光合有效輻射衰減系數(shù)及真光層深度計算

Kd(PAR)在水體中會隨著水深發(fā)生變化,但大部分學(xué)者均采用一種簡化的模式,即認為Kd(PAR)在觀測范圍內(nèi)不會隨著水深發(fā)生變化,而是在水體表面與觀測深度之間取Kd(PAR)的垂直平均值[24,26],即:

(3)

式中:Kd(PAR)為光合有效輻射衰減系數(shù),m-1;z是從湖面到測量處的深度,m;E(z)是深度為z處的光合有效輻射強度;E(z0)為參考水層深度處的光合有效輻射強度,以恰好在水面下的光合有效輻射強度作為參考值。本研究對不同深度處水下光合有效輻射強度進行指數(shù)擬合,當(dāng)擬合效果R2≥0.95,深度數(shù)N≥3時,Kd(PAR)值才被采用。

真光層深度定義為水柱中支持凈初級生產(chǎn)力的部分,即水柱的日凈初級生產(chǎn)力為零值的深度,該深度有時也被稱為光合層厚度[27]。真光層深度一方面取決于水體中各類物質(zhì)對光的衰減,另一方面還與到達水表面的光強有關(guān),大多數(shù)研究采用1%表面光強深度來代替真光層深度[28-29]。因此其計算可以由式(4)得到:

Zeu=4.605/Kd(PAR)

(4)

式中:Zeu為真光層深度,m。

1.5 統(tǒng)計分析

本研究中以3～5月代表春季,6～8月代表夏季。運用ArcGIS 10.6導(dǎo)入采樣點坐標和相關(guān)數(shù)據(jù),繪制草海采樣圖及Kd(PAR)和Zeu時空分布圖。采用Excel 2003進行光環(huán)境數(shù)據(jù)整理,采用One-way ANOVA對春夏季光學(xué)特性及光學(xué)影響因子進行差異性分析,采用SPSS 25.0進行多元逐步回歸分析,采用Origin 2021進行線性擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 草海春夏季水體光學(xué)影響因子狀況

春夏季平均水深為(1.32±0.45) m,透明度平均值為(0.62±0.17) m,TSS、ISS、OSS、Chl.a濃度和αCDOM(380)分別為(20.11±4.76) mg/L、(8.68±4.91) mg/L、(11.66±12.43) mg/L、(21.88±8.49) mg/m3和(3.11±0.68) m-1,且夏季Chl.a濃度和αCDOM顯著大于春季,春季TDS濃度顯著大于夏季(P<0.001),夏季W(wǎng)D顯著大于春季(P<0.05)(見表1)。

表1 草海水體光學(xué)影響因子參數(shù)Tab.1 Optical influence factor parameters in Caohai Lake

2.2 草海水體Kd(PAR)及Zeu時空分布特征

草海春季Kd(PAR)平均值為(2.77±1.12) m-1,變化范圍為(1.29～6.84) m-1,Zeu平均值為(1.85±0.55) m,變化范圍為0.67～3.56 m;夏季Kd(PAR)平均值為(2.88±0.85) m-1,變化范圍為1.54～4.68 m-1,Zeu平均值為(1.83±0.81) m,變化范圍為0.48～4.82 m(見表1)。Kd(PAR)逐月變化如圖2(a)所示:6月Kd(PAR)平均值和中位數(shù)達到最高,其平均值和中位數(shù)分別為(3.51±0.55) m-1和3.28 m-1;8月最低,其平均值和中位數(shù)分別為(2.13±0.68) m-1和1.84 m-1。Zeu逐月變化如圖2(b)所示:8月Zeu平均值和中位數(shù)最高,分別為(2.33±0.55) m和2.50 m;而6月出現(xiàn)最低值,其平均值和中位數(shù)分別為(1.34±1.95) m和1.40 m。

圖2 草海Kd(PAR)和Zeu逐月變化箱型圖Fig.2 Box chart of monthly variation of Kd(PAR)and Zeuin Caohai Lake

空間分布上,分別以春夏兩季Kd(PAR)和Zeu平均值做插值分析,春季草海Kd(PAR)以西部和東北部最高,其次是草海北部較高,中部深水區(qū)和南部水域相對較低(見圖3(a)),相應(yīng)的Zeu以中部及南部水域相對較高(見圖3(b))。夏季Kd(PAR)以草海北部最高,其次是西部及東部水域(見圖4(a)),相應(yīng)的夏季Zeu以西南部及中部深水水域較高(見圖4(b))。

圖3 春季Kd(PAR)和Zeu空間分布特征Fig.3 Spatial distribution of Kd(PAR) and Zeu in spring

圖4 夏季Kd(PAR)和Zeu空間分布特征Fig.4 Spatial distribution of Kd(PAR) and Zeu in summer

2.3 Kd(PAR)的影響因子分析

春夏季Kd(PAR)與其影響因子的線性擬合結(jié)果見圖5和圖6。春季草海水體Kd(PAR)與ISS(P<0.01)、TSS(P<0.01)有顯著線性關(guān)系,而與OSS、Chl.a和αCDOM(380)沒有顯著線性關(guān)系。夏季草海水體Kd(PAR)與αCDOM(380)(P<0.01)、TSS(P<0.01)和ISS(P<0.000 01)均有顯著線性關(guān)系,而與Chl.a沒有顯著線性關(guān)系。濁度(TU)作為綜合反映光衰減程度的光學(xué)指標,其與Kd(PAR)在春季與夏季均表現(xiàn)出顯著的線性關(guān)系(P<0.001)。

圖5 春季Kd(PAR)與ISS、OSS、Chl.a、αCDOM(380)、TSS和TU的線性擬合Fig.5 Linear fitting between Kd(PAR) and ISS,OSS,Chl.a,αCDOM(380),TSS and turbidity in spring

為了更好地確定草海春夏季影響Kd(PAR)的主導(dǎo)因子,通過步進法對4種影響因子進行多元線性回歸,結(jié)果如表2 所列:春季線性回歸模型先后剔除了αCDOM(380)、OSS和Chl.a濃度,只保留了ISS濃度,說明草海春季光照衰減主要由ISS濃度主導(dǎo);夏季線性回歸模型先后剔除了OSS和Chl.a濃度,保留了ISS和αCDOM(380)濃度,說明草海夏季光照衰減主要由ISS和αCDOM(380)濃度共同主導(dǎo)。若以春夏季整體分析,線性回歸模型先后剔除了αCDOM(380)和OSS濃度,保留了ISS和Chl.a濃度,說明草海春夏季光照衰減主要由ISS和Chl.a濃度共同主導(dǎo)。

表2 Kd(PAR)與其主導(dǎo)因子的多元逐步回歸Tab.2 Multiple stepwise regression of Kd(PAR)and their dominant factors

3 討 論

草海近年水生植被大面積衰退消亡,研究草海Kd(PAR)及其影響因子可為草海生態(tài)修復(fù)與保護提供依據(jù)。草海春夏季Kd(PAR)平均值為(2.90±1.12) m-1,變化范圍為1.29～6.84 m-1。Zhang等[30]研究發(fā)現(xiàn)太湖藍藻水華期間Kd(PAR)平均值達到了(4.51±1.05) m-1,其變化范圍為3.06～8.65 m-1,而在清澈型的撫仙湖全年Kd(PAR)平均值僅為(0.34±0.13) m-1,變化范圍為0.30～0.38 m-1[14],可見草海水體光合有效輻射衰減相對較大。

草海春夏季Zeu平均值為(1.84±0.69) m,變化范圍為0.67～4.82 m。Patagonian的Morenito湖Zeu年平均值為(13.18±2.06) m,變化范圍為9.63～15.77 m[41];云南高原湖泊程海Zeu年平均值為(4.64±1.27) m,變化范圍為2.71～10.71 m[42],可見草海平均真光層深度相對較小,但草海本身就是一個淺水湖泊,其平均水深僅為(1.32±0.45) m。Zeu大于水深有利于沉水植物的生長發(fā)育,沉水植物無法定居在水下光強小于入射光強1%的水體中,主要原因是隨著藻類和懸浮物的增加,導(dǎo)致沉水植物長期處于光補償點以下的環(huán)境中,光合作用產(chǎn)物不能滿足其自身生長,進而造成沉水植物的衰竭[43]。近幾年草海沉水植物的逐漸消亡也表明草海正處在穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵階段,且本研究發(fā)現(xiàn),Chl.a濃度也是主導(dǎo)草海春夏季光照衰減的主要影響因子之一。

草?？傮wZeu的平均值大于水深平均值,表明草海大部分區(qū)域沉水植物易于獲得足夠的光照進行光合作用和生長繁殖。但是草海懸浮物質(zhì)濃度較高,大量懸浮物質(zhì)也會附著在植物體上,且Zeu/WD值較小區(qū)域沉水植物抵御環(huán)境變化能力較差,易受懸浮物質(zhì)和藻類等光衰減影響因子的制約,極有可能阻礙沉水植物的正常生長發(fā)育。這也許就是目前降低草海水位后,盡管Zeu達到了植物生長需求,但沉水植物恢復(fù)還比較差的一個重要因素。因此,要想促進草海水生植被的恢復(fù),還需要在沉水植物萌發(fā)季節(jié)保持較低的水位條件,同時采取措施降低懸浮物質(zhì)和藻類濃度,并加強入湖河流的保護與監(jiān)管。

4 結(jié) 論

草海春夏季Kd(PAR)平均值為(2.90±1.12) m-1,光衰減系數(shù)較高,引起光照衰減的主要物質(zhì)是ISS,這主要是由于草海水深較淺,水生植被衰退后風(fēng)浪導(dǎo)致沉積物再懸浮,致使水體渾濁,其他因素如魚類擾動沉積物、入湖河流輸入泥沙等也有影響,此外,CDOM和Chl.a濃度的增加也是引起光照衰減的關(guān)鍵因子。草海北岸Kd(PAR)高于南岸,Zeu高值主要分布在南岸及中部深水區(qū)域。水位調(diào)控后草海Zeu均值大于水深均值,說明草海沉水植物易于獲得其生長發(fā)育所需的光照,但是由于水體懸浮物濃度較高,不利于沉水植物的恢復(fù),這也許是降低水位后草海沉水植物恢復(fù)不理想的一個重要因素。