, 张靖天, 李小闯, 何卓识, 马春子中国环境科学研究院 环境基准与风险评估国家重点实验室, 北京 100012
收稿日期: 2018-02-25; 修回日期: 2018-03-26; 录用日期: 2018-03-26
基金项目: 国家重点研发计划课题（No.2017YFA0605003）；国家自然科学基金委重大研究计划培育项目（No.91751114）
作者简介: 张含笑(1994—), 女, E-mail: zhanghanxiao0912@126.com
通讯作者（责任作者）: 霍守亮, E-mail: huoshouliang@126.com
摘要: 通过对长潭水库沉积物柱芯剖面色素、有机质、总氮和总磷的分析，结合现状水生态监测数据和近50年气候变化数据，揭示了长潭水库营养状态演替及初级生产力变化过程，探讨了人类活动和气候变化对长潭水库初级生产力和藻类演替的驱动作用.结果表明：长潭水库营养状态经历了稳定期、缓慢增长期和快速增长期3个阶段演替过程；沉积物色素剖面浓度也呈现3个阶段上升趋势，藻类由甲藻、硅藻为优势种逐渐演化为蓝藻、绿藻为优势种.外源氮磷输入增加和建库导致的水动力条件变化驱动了长潭水库初级生产力的增加和藻类种群的演替；近50年气候变化加速了水库藻类群落的演替，藻类的优势种演变为对温度敏感的蓝藻拉式拟柱孢藻.本文研究结果可为历史水生态资料缺乏水库的水生态演替识别和生态安全评估提供可借鉴的方法支撑.
关键词:色素初级生产力气候变化水库沉积物
Profile distribution of sedimentary pigments and its environmental significance in Changtan Reservoir
ZHANG Hanxiao, HUO Shouliang
, ZHANG Jingtian, LI Xiaochuang, HE Zhuoshi, MA Chunzi State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Science, Beijing 100012
Received 25 February 2018; received in revised from 26 March 2018; accepted 26 March 2018
Supported by the National Key Research and Development Program of China(No.2017YFA0605003) and the National Natural Science Foundation of China (No. 91751114)
Biography: ZHANG Hanxiao(1994—), female, E-mail: zhanghanxiao0912@126.com
*Corresponding author: HUO Shouliang, E-mail: huoshouliang@126.com
Abstract: Profile distribution of pigments, organic matter, total nitrogen and total phosphorus were investigated in sediment cores of Changtan Reservoir. Combined with current water ecological monitoring data and climate change data for the last 50 years, the trophic state succession and primary productivity change process were revealed. The effects of human activities and climate change on primary productivity and algae succession have been discussed. The trophic state has experienced stable, slow increase and rapid increase stages. The variation trend of sediment pigments was consistent with trophic state. The predominant species of algae gradually evolved from dinoflagellates and diatoms into cyanobacteria and green algae. The change of hydrodynamic conditions due to dam construction and the growth of N and P input result in the increase of primary productivity and the succession of algae community. In the recent 50 years, climate change accelerated the succession of algae community, and dominant species of algae evolved into temperature-sensitive Cylindrospermopsis raciborskii. This study can provide a reference for the identification of water ecological succession and ecological security assessment in the reservoir without water ecological data.
Keywords: pigmentsprimary productivityclimate changereservoir sediment
1 引言(Introduction)水库具有防洪、灌溉、供水、渔业等重要功能, 保护水库水环境质量对流域饮用水安全和社会经济可持续发展至关重要(Yan et al., 2016).在人类活动和气候变化的双重影响下, 我国水库水环境质量总体形势不容乐观, 流域污染严重, 富营养化现象尤为突出(Yan et al., 2016; Shi et al., 2015; Shi et al., 2017).2017年夏季极端高温天气使长江中下游部分水库爆发蓝藻水华, 引起广泛关注.我国大部分水库历史水生态数据缺乏, 尤其是对氮磷等污染物敏感的浮游生物群落演替数据稀缺, 难以识别水库的水生态系统演替过程, 无法支撑水库的水生态保护(马千里等, 2014).沉积物中保存了湖库环境生物演变的一切过程, 光合色素作为沉积物反演湖库水生态环境一类重要的化学生物标志物, 可以用来表征特定生物来源、估计藻类的生物量、作为湖库初级生产力的代用指标指示过去水体营养状态, 可以提供藻类群落演替和初级生产力变化等重要信息(Williamson et al., 2009).
沉积物光合色素早期研究提出7种色素指标提供了水体初级生产力变化的重要信息, 包括叶绿素及其衍生物(chlorophyll derivatives, CD)、总胡萝卜素(total carotenoids, TC)、CD/TC、颤藻黄素(oscillaxanthin, Osc)、蓝藻叶黄素(myxoxanthophyll, Myx)、Osc/Myx、自然叶绿素(native chlorophyll, NC)(Swain et al., 1985).基于紫外分光光度法(UV)测定的典型的色素指标不仅被广泛用于反演历史藻类群落和湖库营养状态(Waters et al., 2005; Amann et al., 2014), 还用来模拟湖库水体历史总磷浓度变化(Guilizzoni et al., 2011).随着仪器分析的发展, 高效液相色谱法(HPLC)被用于多种色素的分离分析.Amann等(2014)研究发现了传统的UV法可以用于HPLC测定的色素数据的校准, 为实现多指标、高分辨率、长时间尺度的湖库浮游植物群落演替重建奠定了基础.近年来, 沉积物中光合色素反演湖泊初级生产力和藻类群落组成变化及其成岩过程的影响是国际上研究的重点(Szymczak-?y?a et al., 2011; Deshpande et al., 2014; Szymczak-?y?a et al., 2016), 另外, 利用沉积物中光和色素研究气候变化对湖库浮游藻类群落结构演替的影响是当前研究的热点(Reuss et al., 2005; Deshpande et al., 2014; Chen et al., 2015; Szymczak-?y?a et al., 2016).Jiménez等(2015)采用沉积物色素研究了气候变化和人类活动对高山湖泊过去200年藻类群落结构变化的影响, 表明气候变化和人类活动双重作用驱动了藻类的演替.国内关于沉积物光合色素的研究起步较晚, 主要集中在东部沿海海域(江涛等, 2012；滕德强, 2012), 只有少数关于湖泊沉积物色素的研究报道(张振克等, 2000), 而水库沉积物色素的研究鲜有报道, 对于沉积物剖面色素变化反演水体浮游藻类群落结构变化及其驱动机制方面研究较少, 特别是气候变化对水库浮游藻类结构历史变化的影响少见报道.本文以典型水库——长潭水库为研究对象, 通过解析沉积物柱芯7种色素指标、烧失量(LOI)、总氮(TN)和总磷(TP)的剖面变化, 结合现状水生态监测数据和1961—2016年气象因子变化, 探索长潭水库营养状态演替和初级生产力变化, 揭示沉积物色素和营养物指标以及气象因子之间的关系.
2 材料与方法(Materials and methods)2.1 研究区概况及样品采集长潭水库(28°30'~28°40'N, 121°00'~121°04'E)位于浙江省台州市黄岩区西部, 水面南北长约12 km, 东西宽约3 km, 流域面积约514 km2, 总库容7.32亿m3.长潭水库及8条入库河流的水质满足Ⅱ类标准, 处于中营养状态.作为台州市区唯一的一座具有供水功能的大型水库, 长潭水库承担着保障台州市区及温岭、玉环等地300多万居民饮水、100多万亩农田灌溉、数万家企业用水和防洪抗旱的重任, 在保障饮用水安全, 支撑区域经济社会发展及生态平衡方面具有重要意义.长潭水库于1958年10月动工, 1964年春开始蓄水, 是一个以供水和灌溉为主, 集防洪、养殖、发电为一体的具有代表性的多功能大型水库.
综合考虑长潭水库的地形及周围污染源分布情况, 采用重力式柱状沉积物采样器(有机玻璃管内径为8 cm, 长度为60 cm), 在CT-0和CT-8点位采集沉积物柱芯样品(图 1).采集的沉积物柱芯完整, 悬浮层未经扰动, 界面水清澈, 泥纹层界限清晰.将采集的沉积物柱用虹吸法吸出上覆水, 用上顶法将柱芯从有机玻璃内缓慢顶出, 现场按1 cm间隔切割分样.用冰盒保存运回实验室后, 将冻实的样品用FD-1A-50型冷冻干燥机干燥, 研磨过100目筛, 密封冷藏保存待分析用.
图 1(Fig. 1)
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| 图 1 长潭水库地理位置及采样点 Fig. 1The sampling sites of Reservoir Changtan |
2.2 样品分析2.2.1 理化性质分析称取0.5 g沉积物样品, 进行灰化(500 ℃下灰化2 h), 经酸提取后(1 mol·L-1 HCl提取16 h), 采用钼锑抗比色法(ECAMWWM, HJ 632—2011)测定总磷浓度, 检测限0.01 mg·L-1.称取20~30 mg沉积物样品, 经锡箔纸包样后采用元素分析仪(Vario El型, 德国Elementar公司)测定总氮浓度, 标准偏差＜0.1%abs.有机质的含量根据沉积物在500 ℃下(煅烧2 h)的烧失量计算(Murphy et al., 2001).
2.2.2 光合色素分析沉积物光合色素用90%丙酮提取CD, 并萃取TC、Osc和Myx, 使用美国Varian(Cary 500)分光光度计测定吸光度, CD、TC、Osc、Myx和NC的浓度根据文献中的公式换算为单位沉积物有机质中的含量, 即μg·g-1 (Amann et al., 2014).
2.3 数据处理流域5个时间(1988年、1995年、2000年、2008年、2014年)的1: 10万土地利用采用遥感图像解译和现场调查校准获得.气象数据采用数据集CN05.1, 基于国家气象信息中心2400余全国国家级站台的日观测数据, 使用距平逼近法, 由气候场和距平场分别插值后叠加得到(Ying et al., 2009).采用SPSS18.0 for Windows软件对CT-0和CT-8两个点各20个沉积物样品的色素和营养物数据样本进行Pearson相关分析之前采用Kolmogorov-Smirnov检验, 显著性水平值Sig.>0.05, 符合正态分布.采用Origin 8.0软件制图.
3 结果与讨论(Results and discussion)3.1 沉积物营养盐及色素剖面分布沉积物柱芯LOI、TN和TP的剖面浓度呈显著上升趋势(图 2), 可分为3个阶段：稳定期(15~20 cm)、缓慢增长期(5~15 cm)、快速增长期(0~5 cm).在柱芯CT-0中, LOI、TN和TP浓度分别在0.04~0.11 g·g-1、457.9~2032.1 mg·kg-1、392.2~778.8 mg·kg-1之间变化.柱芯CT-8中LOI、TN和TP浓度范围分别为0.07~0.09 g·g-1、876.9~1805.3 mg·kg-1、500.4~583.8 mg·kg-1.柱芯CT-0的营养物指标在第一阶段稳定, 第二、三阶段持续增加, 而CT-8的营养物在第一、二阶段稳定, 第三阶段明显增加.在下部稳定层, 柱芯CT-8的营养物浓度高于CT-0, 经过第二阶段的交互增长, 在快速增长期柱芯CT-0的营养物浓度较高.通过对两个柱芯3个阶段各指标增加的显著性检验, 各指标3个阶段变化存在显著性差异(表 1), LOI、TN和TP一致性的增长趋势反映了长潭水库营养状态的演替规律.
图 2(Fig. 2)
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| 图 2 长潭水库沉积物柱芯剖面LOI、TN和TP浓度变化 Fig. 2Vertical profiles of LOI, TN and TP concentration in sediment cores |
表 1(Table 1)
| 表 1 沉积物柱芯营养盐和色素的相关系数 Table 1 Pearson correlation matrix for pigments and nutrients from cores CT-0 and CT-8 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
表 1 沉积物柱芯营养盐和色素的相关系数 Table 1 Pearson correlation matrix for pigments and nutrients from cores CT-0 and CT-8
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沉积物色素剖面浓度呈现总体上升趋势(图 3), 3个阶段各色素指标的显著性检验结果表明各阶段浓度增加存在显著性差异(表 1).CD和TC的增长表明长潭水库藻类生物量和初级生产力的增长, 柱芯CT-8中CD/TC的增加意味着外源有机质输入的增加(Waters et al., 2005; Amann et al., 2014).Osc存在于颤藻和节旋藻中, 其中颤藻是在湖库发生富营养化时首先出现的浮游植物之一(Wright et al., 2006; Tse et al., 2015).Myx是蓝藻叶黄素和蓝溪藻黄素甲的混合, 可表征蓝藻含量(Zastepa et al., 2017).Osc/Myx在1.2附近波动(图 3), 说明颤藻的含量略高于蓝藻.NC与其他色素没有显著相关性(表 2), 表明色素的保存程度对色素的沉积和成岩作用影响不大.
图 3(Fig. 3)
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| 图 3 长潭水库沉积物柱芯剖面色素浓度变化 Fig. 3Vertical profiles of pigment concentration in Reservoir Changtan sediment cores |
CD与总色素浓度(CD、TC、Osc、Myx之和)相关系数为0.482(p＜0.05), 表明叶绿素相比胡萝卜素占主导地位(表 1).CD与Osc、Myx的显著相关性也是浮游植物种群中颤藻和蓝藻占主导地位的证据. 2016—2017年对长潭水库浮游植物的季节性变化监测表明, 年度主优势种为蓝藻拉式拟柱孢藻, 优势度最大, 达0.079；其次为蓝藻蓝旋藻sp.、湖生浮鞘丝藻和浮游泽丝藻, 优势度分别为0.076、0.072和0.065.夏季主优势种为蓝藻拉式拟柱孢藻, 优势度为0.290；秋季主优势种为蓝藻微小隐球藻, 优势度为0.243；冬季主优势种为蓝藻细小隐球藻, 优势度为0.158；春季主优势种为硅藻小头桥弯藻, 优势度为0.139.
沉积物藻类色素的绝对浓度与长潭水库的沉积体系密切相关, 影响沉积物色素记录的因素包括光化学氧化作用、水体中草食动物的摄食分解过程及沉积成岩后的降解(Reuss et al., 2005).特定因素对色素沉积的影响程度难以确定, 本研究将沉积物色素指标与沉积物有机质和营养物指标相结合, 有效反映了长潭水库营养状态演替和初级生产力变化.
3.2 人类活动对初级生产力变化的驱动分析Pearson相关分析显示LOI与TN、TP的相关系数分别为0.773和0.847(p＜0.01), TN和TP的相关系数为0.673(p＜0.01), 显著的正相关性表明有机质和营养物具有相同的来源(表 1), 水库水体TP主要来源于外源河流和面源的输入, 有机质和TN同时可能还有水体初级生产力增加产生的内源贡献.随着社会经济发展, 流域土地利用类型发生变化, 从1988—2014年长潭水库流域建设用地增加了8.58 km2, 耕地面积减少23.47 km2.耕地面积虽然减少, 但化肥的使用量逐年提升, 农业面源输入是长潭水库有机质、氮、磷负荷的主要来源, 尤其是农田径流和畜禽养殖, 2016年长潭水库流域内面源COD排放量为2721.41 t·a-1, TN排放量为524.31 t·a-1, TP排放量为90.80 t·a-1, 其中, 农田径流COD流失量为1067.63 t·a-1, TN流失量为127.42 t·a-1, TP流失量为2.81 t·a-1；畜禽散养COD排放量为871.05 t·a-1, TN排放量为176.90 t·a-1, TP排放量为64.13 t·a-1.
长潭水库1958年建成蓄水后, 水动力条件改变, 从而对藻类群落演替产生重要影响.藻类群落优势种由河流型藻类的甲藻、硅藻为优势种逐渐演化为蓝藻、绿藻为优势种(Reynolds et al., 2002).研究表明CD/TC可以作为外源有机质输入的指示指标(Waters et al., 2005; Amann et al., 2014), CD/TC和LOI、TN、TP的相关系数分别为0.726、0.793、0.709(p＜0.01), 指示外源有机质的输入占主导地位, 虽然内源有机质随着藻类生物量的增长而增加, 但外源有机质的增长率较高, 导致外源有机质占据主要贡献.
CD和TN、TP呈显著正相关, 相关系数分别为0.867、0.746(p＜0.01), 初级生产力随着氮磷负荷增加而增长, 表明氮磷协同控制长潭水库初级生产力变化.一般认为磷是限制有害藻华形成的控制因素, 而对部分湖库氮浓度对有害藻华爆发也具有重要作用, 氮磷协同作用是决定藻类生物量的关键因子(Paerl et al., 2016).从长潭水库沉积物CD和TN、TP之间显著相关性可知, 要控制水库的初级生产力、规避藻华爆发的风险, 需要平衡调控N、P负荷, 削减外源污染输入.
3.3 气候变化对初级生产力变化的影响气象条件和水体营养物浓度水平是影响水库富营养化的关键因素.长潭水库流域从1961—2016年年平均气温上升了1.41 ℃(图 4a).全球气候变暖影响水库热力特性, 改变水库水温、延长分层期、减小混合层和温跃层深度、增加热稳定性、减弱对流混合；气候变化引起流域径流变化, 影响溶解氧分层, 滞温层更易形成厌氧条件, 促进沉积物中营养盐释放, 水体表层营养水平提高, 加剧水库富营养化风险.气候变化改变浮游植物春季物候, 更易导致浮游植物繁生和有毒藻类水华(Carey et al., 2012; Ma et al., 2015; Chen et al., 2016; Robins et al., 2016).
图 4(Fig. 4)
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| 图 4 1961—2016年长潭水库流域气温(a)及降雨变化(b) Fig. 4Temperature (a) and precipitation (b) change in the Reservoir Changtan catchment from 1961 to 2016 |
温度和营养盐对蓝藻水华的贡献作用与湖库营养状态和蓝藻种类有关, 营养物质是寡营养湖库蓝藻生物量的决定性因素, 温度升高对中营养型湖泊更敏感, 富营养化湖库受营养物质和温度协同作用影响；鱼腥藻对营养物质浓度更敏感, 而微囊藻对温度变化更敏感(Rigosi et al., 2014).水温升高有利于对生境温度要求高的藻类繁殖, 并导致代谢速率增加(Reuss et al., 2010).长潭水库库区水体TLI指数年均值在30.3~44.5之间, 年度均值为34.8, 处于中营养状态, 对温度变化敏感, 藻类的优势种为对温度敏感的蓝藻拉式拟柱孢藻.沉积物剖面总叶绿素含量与年平均气温、年最高气温之间显著相关, 说明近几十年气温升高促进了水体初级生产力的明显增加(表 2).
表 2(Table 2)
| 表 2 沉积物柱芯营养盐、色素和气象因子的相关系数 Table 2 Pearson correlation for pigments, nutrients and meteorological factors from cores | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
表 2 沉积物柱芯营养盐、色素和气象因子的相关系数 Table 2 Pearson correlation for pigments, nutrients and meteorological factors from cores
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降雨量的变化对水体初级生产力及藻类色素的沉积的影响也至关重要.长潭水库年降雨量从1961—2016年降低了169 mm(图 4b), 年降雨量和沉积物色素、营养物指标在95%水平上呈显著负相关(表 2).研究表明, 降雨量通过调节流域径流变化影响水库水量, 氮、磷等可溶性物质浓度升高加剧水体污染风险(Ma et al., 2015; Wu et al., 2017).其次, 在水体表面温度升高的条件下, 径流减少, 导致溶解氧浓度下降, 水库滞温层更易形成厌氧条件, 降低了光合色素的降解速率(Chen et al., 2016; Robins et al., 2016; Reuss et al., 2005).因此, 近几十年来长潭水库气候变化(气温升高、降雨量减少)是水库初级生产力升高的关键驱动因素.
4 结论(Conclusions)长潭水库沉积物柱芯LOI、TN、TP浓度持续升高, 经历了稳定期、慢速增长期和快速增长期的3个历史阶段.沉积物柱芯CD和TC浓度的升高反映了长潭水库初级生产力的演变过程, 结合Myx和Osc剖面分布和现状浮游植物季节性变化分析发现藻类由甲藻、硅藻为优势种逐渐演化为蓝藻、绿藻为优势种.外源氮磷输入增加和建库导致的水动力条件变化驱动了长潭水库初级生产力的增加和藻类种群的演替.近50多年来气温的显著升高, 也加速了水库藻类群落的演替, 藻类的优势种为对温度敏感的蓝藻拉式拟柱孢藻, 气温升高和极端气候(极端高温、极端干旱)对水库水生态的影响应引起重视, 需要进一步深入开展研究.
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