桓仁水库初级生产力和限制性营养盐研究

苑俊杰，赵 文，王安璞，刘 钢，魏 杰，庞雨佳，王 哲，王圣云

( 1.大连海洋大学 水产与生命学院，辽宁省水生生物学重点实验室，辽宁 大连 116023； 2.辽宁震瀚渔业集团有限公司，辽宁 桓仁 117200 )

水体初级生产力是指单位水体在单位时间内生产有机物的能力，可估算产鱼能力、评价水体营养类型，是水生生态系统结构与功能的基础环节[1-2]和指示水域生态系统环境特征的重要指标[3-4]，对研究水生生态系统及其动态变化，评价水环境，指导渔业生产和生态保护具有重要意义。当今全球湖泊、水库的富营养化问题日益严重，其主要原因是水体中营养盐过多积累导致水中藻类和植物暴发性生长，继而影响到水体的透明度和溶解氧等指标，危害水体健康，造成生物多样性下降，影响水库功能的正常发挥。预防水体富营养化愈来愈成为关注的焦点[5-9]。调查研究表明，通常情况下，水体的氮、磷等元素循环处于一种稳定的状态，但在一些情况下会受到某种营养盐的限制，导致水体氨氮循环受阻，有害物质积累。降低水体初级生产力从而影响水体鱼产力[10-11]。当下水库的供水和生态调节等功能愈发受到关注和重视[12]。辽宁桓仁水库(又名桓龙湖)位于辽宁省东部(E 125°20′～125°50′，N 41°10′～41°36′)，是辽宁省最大的水库，库身全长81 km，横跨辽宁、吉林两省的桓仁、通化、集安3县辖区，是一座以发电为主，兼顾防洪、灌溉、养鱼的综合性水利工程。水库总库容为3.46×109m3，蓄水量约2.362×109m3，近年来还担负着省内7个城市2300万人口的饮用水供给重任。武暕等[10]对桓仁水库的总氮、总磷及其他的相关水质指标进行了调查，并对桓仁水库富营养化风险进行了预警。笔者在已有的调查资料的基础上，用现场试验的手段，通过添加限制性营养盐，对桓仁水库的初级生产力和营养盐限制性进行更进一步的研究，查明桓仁水库氮磷分布、营养盐的限制和水库初级生产力，计算P/R系数，旨在通过监测水质、调控氮、磷含量及氮磷比等手段来解决营养盐的限制性，维护水库生态结构和功能的完整性，保障饮用水的生态安全。

1 材料与方法

1.1 试验材料

2018年4月10日、6月11日、8月14日在桓仁水库的上游(江南九队)、中游(砬砬岗子)和下游(泗河大地)采水样3次，3个采样点分别标记为a、b、c采样点(图1)。在实验室，选用500 mL具塞磨口玻璃瓶酸洗后，再用蒸馏水洗净[13]，悬挂在用竹杆、浮筏、铁丝制成的三角架上，用采水器采集相应水层的原水(图2)，用移液枪加入试验设计质量浓度的氮、磷。所需药品为浓硫酸、硫酸锰溶液、淀粉溶液、硫酸钠标准溶液(0.01 mol/L)、碱性碘化钾溶液。

图1 桓仁水库采样点示意

图2 试验装置简易构造

1.2 试验设计

试验分组为：每个样点原水样组、0.3 mg/mL磷组、0.5 mg/mL氮组、以及氮磷比分别为1∶1、2∶1、4∶1、6∶1的水样组，试验组和对照组均为3个平行，分别放置于上游江南九队、中游砬砬岗子、下游泗河大地3个站位；同时用黑白瓶法测定初级生产力。晴天，采用虹吸法将所采集的水样注入到500 mL的磨口瓶中并保证溢出2～3体积的水，随后立即使用移液枪向磨口瓶中加入试验设计所需的氮、磷，经过稀释后，氮组实际添加质量浓度为1 mg/L、磷组实际添加质量浓度为0.6 mg/L。将瓶子反复摇匀后牢牢捆绑在三角架上之后放入水体中，曝光4 h，进行光合作用，在曝光结束后，打捞三角架以及磨口瓶，立即向水样中加入硫酸锰和碱性碘化钾各0.5 mL，反复摇动20次。上岸后，按照碘量法测定溶解氧含量[14-15]。试验结束后，按照公式分别计算生产力和呼吸量。

在水样中加入硫酸锰及碱性碘化钾溶液，生成氢氧化锰沉淀，此时沉淀不稳定，迅速与水中溶解氧化合成锰酸锰：

MnSO4+2NaOH=Mn(OH)2↓+Na2SO4

2Mn(OH)2+O2=2H2MnO3↓

H2MnO3+Mn(OH)2=MnMnO3↓+2H2O

加入浓硫酸使已固定的溶解氧与溶液中的碘化钾发生反应，析出碘。

2KI+H2SO4=2HI+K2SO4

MnMnO3+2H2SO4+2HI=2MnSO4+I2+3H2O

用移液管量取一定量反应结束后的水样，以淀粉溶液为指示剂，用硫代硫酸钠标准溶液滴定，计算水样中溶解氧的含量。

按照下列公式计算P/R系数：

R=IB-DB

PG=LB-DB

PN=LB-IB

式中，R为呼吸耗氧量，IB为原初溶解氧含量，DB为培养后黑瓶溶解氧含量，LB为培养后白瓶溶解氧含量，PG为毛初级生产力，PN为净初级产量。

1.3 数据分析

使用有机玻璃采水器采集表层水样，使用Excel 2017处理数据，利用SPSS 23.0进行单因素方差分析和多重比较。

2 结果与分析

2.1 桓仁水库水体主要理化指标

4月，桓仁水库水体pH为8.60～9.63，6月为8.76～9.50，8月8.75～8.98，平均为9.08，水体呈碱性。最高值和最低值分别为上游江南九队的4月9.63和中游砬砬岗子的4月8.60。

桓仁水库水体溶解氧含量随温度升高而降低，4月为8.14～8.19 mg/L，6月为5.10～6.90 mg/L,8月为5.08～6.05 mg/L，溶解氧含量的最高值和最低值分别为下游泗河大地的4月8.19 mg/L和中游砬砬岗子的8月5.08 mg/L，平均为6.65 mg/L。

桓仁水库水温度随季节变化明显(P<0.05)，各断面变化不明显，4月为2.70～5.30 ℃，6月为23.60～24.30 ℃，8月为26.90～28.00 ℃，温度最高值和最低值分别为下游泗河大地的8月28.00 ℃和4月2.70 ℃，全库平均水温为18.73 ℃。

桓仁水库的总氮和总磷含量水平分布相差较大，其中总氮4月为0.93～1.17 mg/L，6月为1.13～1.38 mg/L，8月为0.69～1.10 mg/L；总磷含量整体为0.08～0.16 mg/L，其中上游江南九队6月氮、磷值相对突出，分别为1.38 mg/L和0.16 mg/L。桓仁水库主要理化指标详细数据见表1。全库总氮平均值为1.07 mg/L、总磷平均值为0.1 mg/L。

表1 桓仁水库水体主要理化指标

2.2 氮磷比及营养盐限制因素

桓仁水库水体中氮磷比及限制性营养元素含量见表2。由表2可知，桓仁水库在上游江南九队和中游砬砬岗子的氮磷比随着月份的增长而降低，而在下游泗河大地氮磷比随着月份的增长而升高。

2.3 桓仁水库初级生产力及P/R系数比较

4、6、8月，桓仁水库上、中、下游浮游植物初级生产力及其相关参数见表3。由表3可知，4月桓仁水库水柱产量为3.91～5.60 g/(m2·d)，平均产量为4.77 g/(m2·d)，最大和最小值分别出现在中游砬砬岗子和上游江南九队；6月水柱产量为5.78～9.10 g/(m2·d)，平均产量为7.99 g/(m2·d)，最大值和最小值分别出现在中游砬砬岗子和下游泗河大地；8月水柱产量为11.22～13.9 g/(m2·d)，平均产量为12.81 g/(m2·d)，最大值和最小值分别出现在下游泗河大地和上游江南九队。桓仁水库初级生产力随季节和空间变化的趋势明显，呈现夏季>春季>秋冬季，上游>中游>下游；除6月中游砬砬岗子的P/R系数小于1以外，4、6、8月其余样点的P/R系数均大于1。4、6、8月桓仁水库水体初级生产力的垂直分布详情见图3。由图3可知，桓仁水库生产量的垂直分布极不均匀，上层水体的生产量高于中、下层，补偿深度较深。

表2 桓仁水库氮磷比及营养盐限制因素

表3 桓仁水库浮游植物初级生产力及其相关参数

2.4 限制性营养盐试验结果

试验结果显示，在0.5 mg/mL氮和0.3 mg/mL磷组中，4、6、8月，上游江南九队、中游砬砬岗子、下游泗河大地的溶解氧含量与对照组相比显著上升(P<0.05)，其中氮效果最为明显的是4月中游砬砬岗子组，磷效果最为明显的是8月下游泗河大地组(图4、5)；在氮磷比为1∶1(3 mL氮溶液，5 mL磷溶液)组中，4、6、8月下游泗河大地的溶解氧含量与对照组相比显著提高(P<0.05)，其余两点效果不明显(图6)；在氮磷比为2∶1(6 mL氮溶液，5 mL磷溶液)组中4、6、8月下游泗河大地的溶解氧含量和6、8月中游砬砬岗子的溶解氧含量与对照组相比均有显著提高(P<0.05)，其余站位不明显(图7)；在氮磷比为4∶1(12 mL氮溶液，5 mL磷溶液)组中4、6、8月上游江南九队以及下游泗河大地的溶解氧含量与对照组相比均有显著提高(P<0.05)(图8)；在氮磷比为6∶1(18 mL氮溶液，5 mL磷溶液)组中4、6、8月下游泗河大地的溶解氧含量与对照组相比均有显著提高(P<0.05)，其余采样点效果不明显(图9)。

从整体效果来看，4月桓仁水库营养盐氮加富的效果好于营养盐磷加富的效果，其余各月效果相差不明显，但溶解氧含量均高于对照组；在氮磷比营养盐加富试验中，上游江南九队在氮磷比为4∶1时溶解氧含量高于其他试验组，而中游砬砬岗子和下游泗河大地在氮磷比为2∶1时溶解氧高于其他试验组。

3 讨 论

3.1 桓仁水库水质理化指标

本次试验中，桓仁水库水质pH相对稳定，全库平均pH为8.78，整体呈弱碱性。这与谢在刚等[16]对于碧流河2013—2015年检测的碧流河水库pH相似；水体中的溶解氧含量随温度升高呈明显的递减趋势，符合饶胡敏等[17]的研究结论。试验结果表明，水体中氮、磷含量较高时，藻类细胞可通过奢侈性吸收储存氮磷营养盐，以备用来抵御外界环境的不利变化[18]；水温增高也增强了沉积物中氮、磷的释放,这些都破坏了水体中氮、磷元素的平衡。桓仁水库试验期间的总氮、总磷含量随温度变化趋势明显，整体是随温度升高而降低，基本变化趋势为：夏季>春季>秋季>冬季。4月采样期间桓仁水库当地气温在-6～13 ℃，4月总氮、总磷含量相对较低，这一现象与杨东辉等[19]的研究结论一致。

图3 4、6、8月桓仁水库初级生产力的垂直分布

图4 桓仁水库4、6、8月营养盐氮加富对溶解氧水平的影响

图5 桓仁水库4、6、8月营养盐磷加富对溶解氧水平的影响

图6 桓仁水库4、6、8月氮磷比加富 1∶1对溶解氧水平的影响

图7 桓仁水库4、6、8月氮磷比加富2∶1对溶解氧水平的影响

图8 桓仁水库4、6、8月氮磷比加富4∶1对溶解氧水平的影响

图9 桓仁水库4、6、8月氮磷比加富6∶1对溶解氧水平的影响

3.2 桓仁水库初级生产力以及P/R系数

浮游植物生产量的季节分布主要取决于水温，温度与生产量之间呈正相关。蔡后建等[20]对太湖梅梁湾口浮游植物初级生产力及其相关因素关系的研究表明，浮游植物生产力与水温有相似的变化趋势。本次试验中桓仁水库初级生产力的数据具有夏季>春季>秋、冬季的趋势，与上述研究结果一致；水平分布表明，桓仁水库浮游植物初级生产力表现为上游>中游>下游，这与张琪等[1]研究结果一致。桓仁水库水域面积宽广，上、中、下游相距较远，水文差异大，不同的水文情势主导了不同营养盐结构和传质效率，对水体的光学特性和温度结构存在显著影响[21]。P/R系数可以反映某一种群或者群落生物的代谢水平，又被称为群落代谢率；特定植物种群的P/R系数可以反映其对环境的适应。关系大致为：P/R>1，种群增长，生态系统不稳定；P/R=1，种群不增不减，生态系统稳定；P/R<1，种群数量减少，生态系统不稳定。一般P用PG表示，本试验计算过程也使用PG进行计算[2]。同时P/R<1表明生系统以异养生产为主，为异养代谢型水体；P/R>1，表明水体以自养过程为主，为自养代谢型水体。本试验结果显示，桓仁水库P/R系数平均为2.33>1，属于自养代谢型水体，这一结果也与赵文等[22]研究的“一般在贫营养和中营养湖泊中P/R<1，在富营养湖泊中P/R>1”这一规律相符。

3.3 营养盐限制性因素及加富效果

大量试验证实，水生生态系统可能会受到氮限制，磷限制或氮、磷同时限制[23]，但具体限制还需要进行分析判断；这种判断也会随季节发生变化[24]，而水库中藻类的生长和水库中氮、磷营养盐的含量有直接关系。Redifield[25]研究发现，在理想条件下，藻类生长有相对固定的元素原子比，这一概念叫做Redifield比值，即碳∶氮∶磷=106∶16∶1，即1个磷原子的植物生物量的贡献相当于16个氮原子、106个碳原子。这一结果通常被用来判定水体的营养盐限制因素。通常认为，当水体中的氮、磷摩尔浓度比超过16时，浮游植物的生长就会受到磷元素的限制；反之则为氮限制。此外，Sakomoto[26]发现，当海藻氮磷原子比为10～17，氮和磷对叶绿素生产量的作用几乎相同(氮、磷同时限制或者不限制)；当氮磷原子比<10时，叶绿素的生产量只受到氮限制；当氮磷原子比>17 时叶绿素的生产量只受到磷限制。根据Redifield等[25-26]的研究结果，确定总氮/总磷进行分析，两个临界点分别为10和17，即总氮/总磷<10时为氮限制；总氮/总磷在10～17是为氮磷双限制；总氮/总磷>17时为磷限制。这种选取方式适应于我国八大生态分区的湖库[27]。试验中添加0.5 mg/mL氮和添加0.3 mg/mL磷组中，4、6、8月上游江南九队、中游砬砬岗子、下游泗河大地3个采样点的溶解氧含量与对照组相比均有显著升高(P<0.05)；在氮、磷效果对比上，添加限制性营养元素氮的溶解氧含量均高于添加限制性营养元素磷， 4月尤为突出。4月当地气温较低，水中营养元素缺乏，添加氮、磷后的效果明显，表明有氮、磷双限制性；在氮磷比试验中下游泗河大地采样点所有设计添加的氮磷比试验组溶解氧含量均明显高于对照组，也表明了氮、磷的双限制性，在氮磷比为2∶1时效果最为明显(P<0.05)；上游江南九队和中游砬砬岗子最适宜的氮磷比分别为4∶1和2∶1。从限制性营养因素上来看，此次试验中4月时3个采样点均为氮、磷同时限制，6、8月时则上、中游为氮限制、下游为氮、磷同时限制，且总磷的含量均>0.02 mg/L，可能由于上游有入库直流污染物的输入，农业耕种的污染等原因造成上游水域缺氮，而在下游，水库水源地保护力度强，面积广阔，蓄水量丰盈，无污染物的输入，加之其自身水体的稀释和自净作用导致下游水体缺乏氮、磷。因此，必须加强对水库周边环境保护，以及对营养盐限制性因素的进一步调查分析，更好地保护珍贵的水资源，为桓仁水库能够为辽宁省人民更好地长期输送优质的水资源提供强有力的保障。