全 文 ：第 34 卷第 21 期
2014年 11月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.21
Nov.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家重点基础研究发展(973)计划项目 (2010CB429004)
收稿日期:2013鄄02鄄05; 摇 摇 网络出版日期:2014鄄03鄄13
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: qchen@ rcees.ac.cn
DOI: 10.5846 / stxb201302050242
崔彦萍,王保栋,陈求稳.三峡正常蓄水后长江口叶绿素 a和溶解氧变化及其成因.生态学报,2014,34(21):6309鄄6316.
Cui Y P, Wang B D, Chen Q W.The spatial鄄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鄄6316.
三峡正常蓄水后长江口叶绿素 a和
溶解氧变化及其成因
崔彦萍1,王保栋2,陈求稳1,3,*
(1. 中国科学院生态环境研究中心, 北京摇 100085; 2. 国家海洋局第一海洋研究所,青岛摇 266061;
3. 三峡大学, 宜昌摇 443002)
摘要:根据 2010年 8月、10月和 2011年 5月的现场监测数据,对长江口水域在三峡水库 175m试验蓄水实施后一个水文年中叶
绿素 a和溶解氧(DO)的分布特征及其影响因素进行分析。 结果表明,叶绿素 a平面分布夏季有两个高值中心,春季有一个高
值中心;在口门北缘夏季表层叶绿素浓度值最高。 垂向上,夏季叶绿素 a浓度表层和底层高;春季和秋季叶绿素 a浓度中层高。
夏季表层和底层 DO浓度相差较大,秋季和春季表、底层 DO浓度分布比较均匀;整体上秋季和春季的 DO浓度高于夏季。 工程
蓄水后 DO低值区和叶绿素 a峰值区向口门内位移,对生态系统结构将产生影响。
关键词:长江口;叶绿素 a变化;溶解氧变化;水利工程
The spatial鄄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,*
1 Research Centre for Eco鄄Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China
2 The First Institute of Oceanography, Qingdao 266061, China
3 China Three Gorges University, Yichang 443002, China
Abstract: 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鄄
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鄄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
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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.
Key Words: Yangtze estuary; chlorophyll a; dissolved oxygen; water project
摇 摇 近 30多年来,随着长江流域经济的迅猛发展和
城市化进程的加快,工农业废水和生活污水不断增
加,加之三峡水库和引江济太等工程的实施,进入长
江口及其邻近海域的水、沙、盐发生明显变化,长江
口已成为我国沿海水质恶化范围最大,富营养化最
严重、赤潮多发的水域之一[1鄄4]。 长江口是淡水与海
洋生物栖息地之间的生态交错区,该区域的环境因
子变化与河流和海洋均有差异,具有自己的特殊性,
而河口区的浮游植物是长江口水生生态系统的重要
初级生产者,也是河口生态系统中食物链的重要环
节,它们为水体和底栖的动物提供直接的食物来源。
因此,开展三峡正常蓄水后长江口及其邻近海域水
环境理化因子和浮游植物生态学研究,有利于分析
上游水利工程运行对长江口及其邻近海域生态环境
的短期效应[5]。
1摇 数据来源
本文分析所采用的数据主要来源于国家 973 课
题(2010CB429004)执行的 3 个航次调查(国家海洋
局第一海洋研究所实施),分别为:2010 年 8 月(夏
季,丰水期)、2010 年 10 月(秋季,枯水期)、2011 年
5月(春季,平水期),监测区域如图 1。
调查严格遵照国家《海洋调查规范鄄海水化学要
素观测 GB12763.4鄄91》,每个采样点采集了表层、中
层和底层 3个样,水温(T)、溶解氧(DO)、pH值等指
标采用便携仪器现场测量,其它指标如硅酸盐
图 1摇 长江口 2010—2011 年 3 个季节水环境生态调查区域站
点图
Fig.1摇 The layout of the hydro鄄environmental monitoring
stations in the Yangtze estuary in three seasons during
2010—2011
(SiO2)、总悬浮质(TSS)、叶绿素 a(Chla)等在实验
室根据规范进行测定。
2摇 研究结果
2.1摇 溶解氧时空变化
溶解氧与浮游植物的生长繁殖有密切关系,沿
海海域中生物活动、海水运动、温度、径流和降雨都
对海水中溶解氧的变化分布产生影响[6]。 若水中溶
解氧浓度低于 2 mg / L,成年鱼会死亡,孵卵生境遭到
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破坏,渔业资源将会衰退。 从图 2 可以看出:夏季长
江口及其邻近海域表、底层 DO 平均值分别为 7. 5
mg / L和 5.2 mg / L,浓度范围分别是 4.0—11.4 mg / L
和 2.0—6.6 mg / L,夏季表层 DO 浓度在口门外最大
浑浊带最低,这与长江冲淡水携带的大量悬浮有机
质主沉积区相对应;由于夏季水温高,底层悬浮有机
物质的氧化分解消耗了大量的溶解氧,同时夏季水
体比较稳定,底层溶解氧难以得到补充,使得长江口
门外外底层出现低氧区[7]。 在秋季和春季,DO浓度
垂向分布比较均匀,秋季表、底层DO平均浓度分别
图 2摇 长江口及邻近海域 2010—2011年 3个季节 DO表层和底层的分布
Fig.2摇 The concentrations of DO in the surface and bottom water of the Yangtze estuary and its adjacent area in three seasons during
2010—2011
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为 7.8 mg / L 和 7.5 mg / L,浓度范围分别为 6.8—9.0
mg / L和 6.7—8.5 mg / L;春季表、底层 DO 平均浓度
分别为 8.2 mg / L和 8.5 mg / L,浓度范围分别为 6.0—
9.3 mg / L和 7.5—10.0 mg / L。
空间上,DO浓度从近岸到外海呈现先降低再升
高的趋势,在口门中心区 DO浓度最低。
2.2摇 叶绿素 a的时空变化
与溶解氧变化密切相关的浮游植物(叶绿素 a
表征)的时空分布特征的分析结果见图 3。
图 3摇 长江口及邻近海域 2010—2011年 3个季节叶绿素 a表层和底层的分布特征
Fig.3摇 The concentration of Chla in the surface and bottom water of the Yangtze estuary and its adjacent area in tree seasons during 2010—
2011
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摇 摇 夏季,口门内表层水体叶绿素 a 浓度范围为
0郾 74—19.33 滋g / L,平均值为 4.68 滋g / L;叶绿素 a 浓
度沿入海方向逐渐升高,口门外表层水体水域叶绿
素 a 浓度为 0. 34—43. 75 滋g / L,平均浓度为 7. 46
滋g / L。 叶绿素 a浓度在口门外东北部稍外海和东南
部稍近海水域形成两个高值区,最高值中心浓度分
别是 43.75 滋g / L 和 36.32 滋g / 。 中层水体叶绿素 a
浓度范围为 0.37—18.52 滋g / L,平均为 4.45 滋g / L,空
间分布特点与表层类似,同样存在两个高值区,只是
东南区高值中心内移一些。 底层水体叶绿素 a 浓度
范围为 1.18—33.78 滋g / L,平均为 5.90 滋g / L,分布特
点与表层类似,只是在东北高值区的西侧又有一个
高值中心。
秋季,口门内表层水体叶绿素 a 浓度范围为
0郾 79—5.25 滋g / L,平均值为 2.23 滋g / L,在长江口北
支,相对其他站点存在高值密集区域;口门外水体叶
绿素 a浓度范围为 0.39—1.97 滋g / L,平均值为 0.75
滋g / L,北支出口往东有一高值中心,南槽出口外也有
一高值中心,东南角也存在一高值中心。 在中层除
了调查区域东北角有一高值中心,大部分区域叶绿
素 a浓度分布比较均匀,为 0.6—0.8 滋g / L,平均值为
0. 70 滋g / L。 底层叶绿素 a 浓度范围为 0. 41—
2.43 滋g / L,平均值为 0.77 滋g / L,从近岸向外海逐渐
降低,在调查区域东北角有一高值中心。
春季,口门内表层水体叶绿素 a 浓度为 1.38—
3郾 33 滋g / L,平均值为 2郾 35 滋g / L;出了口门叶绿素 a
浓度先减小,然后增加,再减小;口门外浓度范围为
0郾 12—5郾 56 滋g / L,平均值为 1郾 93 滋g / L,在 122郾 6毅E、
31郾 6毅N中心区域有一高值中心。 中层叶绿素 a浓度
范围为 0郾 35—5郾 76 滋g / L,平均值为 2郾 06 滋g / L,高于
口门外表层平均值,分布特点类似于表层,在 123郾 5毅
E、31郾 0毅N区有一高值中心,调查区域东北角有一低
值中心。 底层叶绿素 a 浓度范围为 0郾 39—5郾 64
滋g / L,平均值为 1郾 97 滋g / L,仍高于表层,但是低于
中层,分布特点类似于中层。
虽然用于夏季和春季分析的数据不在同一年
份,但是是在一个水文年之内,从图 3 可以明显看
出,本组数据中夏季叶绿素 a 比春季高出很多,这与
以往的结果存在差异,因为长江口一般春末夏初是
赤潮高发季节,该差异有待进一步分析。
2.3摇 叶绿素 a的剖面分布
站点 C1—C6所在的 31.0毅N剖面位于长江冲淡
水与杭州湾交界处,咸淡水混合比较好,具有代表
性。 图 4给出了 C1—C6剖面叶绿素 a的浓度分布。
图 4摇 长江口叶绿素 a浓度典型剖面分布及测点中层水深
Fig.4摇 Chla concentration of a typical cross鄄section and the depth of the middle layer
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夏季,叶绿素 a 浓度离岸方向先增加后减少,在
122郾 5毅E 表层有一高值中心,中心值达 36.32 滋g / L,
在 123.0毅E以东区域上下混合比较均匀;秋季,叶绿
素 a浓度高值区分布在 123.0毅E、水深 8 m 处,高值
中心浓度向岸方向呈增加趋势;春季,122.5毅E 以西
从表层到底层叶绿素 a 浓度逐渐减小,但是以东区
域,叶绿素 a浓度上下层分布均匀;且从西往东浓度
是逐渐增加的,最高值分布在 123.5毅E 的底层。 总
体而言,从夏季到春季,叶绿素 a 高值区朝离岸方向
发展。
2.4摇 典型站点水环境及生态因子垂直分布
选择温、盐跃层明显的 A3、A5 两个站位研究夏
季溶解氧(DO)、叶绿素 a(Chla)、温度(T)以及盐度
(Sal)的垂直分布情况(图 5)。 A3 站点叶绿素 a 在
底层处最高,表层最低,从表层到底层依次增高,而
且底层是表层的近一倍,但总体来说浓度较低;对应
的 DO含量是从表层到底层依次降低,在底层达到
低氧范围,最低含量仅为 2.00 mg / L,这与叶绿素 a
分布呈反向关系。 这可能是由于来自外海中层的低
氧水造成;另外,底层动物呼吸和有机物分解过程也
大量耗氧,而温、盐跃层的存在阻碍了上层氧向下层
扩散传递,使得下层氧量得不到及时的补充,因此底
层的 DO远远小于表层。 A5 站点 DO垂向变化趋势
与 Chla相似,都是表层出现最高值,其中 Chla 表层
达 43.75 滋g / L,为严重富营养化,中层迅速降低,但
也高达 18.52 滋g / L,底层又迅速增加至 33.78 滋g / L;
DO保持与 Chla 同步趋势,在中层出现低氧现象,低
值仅为 1.82 mg / L。
图 5摇 长江口口门附近 A3和 A5站点夏季 T、Sal、DO和 Chla垂直分布
Fig.5摇 Vertical profile of T, Sal, DO and Chla at the monitoring stations A3 and A5 near the estuary outlet
3摇 长江口海域叶绿素 a 与环境因子之间的关联性
分析
早期的研究认为,海水中营养盐浓度越高,浮游
植物生长越快,相应海区的叶绿素就越高[8],但是此
次调查发现叶绿素 a与这些营养盐基本没有显著相
关性。 考虑到叶绿素 a和营养盐之间的相关性比较
随机,但是叶绿素 a 表征的生长率和营养盐吸收率
相关性强,本研究采用 Monod 方程表征营养盐吸收
趋势。 Monod生长方程认为低浓度情况下,浮游植
物的生长随着营养盐浓度的增加而增加,但当浓度
超过一定范围时,浮游植物的生长速率将维持在一
定程度,不再随外界营养盐浓度的变化而变化[9]。
对于长江口及邻近海域而言,根据 2010—2011
年的调查数据,海水中的叶绿素和营养盐之间关系
非常复杂(图 6),研究海域的营养盐从近岸到外海
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呈逐渐降低的趋势,在营养盐浓度较低的外海,浮游
植物生长主要受营养盐限制,所以叶绿素浓度较低;
靠近近岸,营养盐浓度越高,叶绿素也随之升高,但
是叶绿素最高值没有出现在营养盐浓度最高的河口
附近的海域,而是出现在营养盐浓度处于中等水平
的海域[10],即最大浑浊带的锋面区域。 借用 Steele
方程[8](式 1)来描述叶绿素和营养盐的关系:
Chla =AN
Nutrient
NutrientOPT
e1-
Nutrient
NutrientOPT (1)
式中: AN为浮游植物生长状态参数 (N 分别代表
DIN: dissolved inorganic nitrogen, PO4鄄P, SiO3鄄Si),
Nutrient 为营养盐 ( DIN, PO4鄄P, SiO3鄄Si ) 浓度,
NutrientOPT为浮游植物生长的最适营养盐浓度。 当
实际海域营养盐浓度小于 NutrientOPT时,生物量随营
养盐浓度的增加而增加,当浓度大于最适浓度时,生
物量反而随营养盐浓度的增加而减少。 基于此次调
查数据,长江口 DIN浓度在 37 滋mol / L左右,叶绿素
浓度达到最高值,而对 SiO3鄄Si 而言,在浓度约 35
滋mol / L左右,叶绿素 a 浓度达到最高值,而 PO4鄄P
则是在浓度约 1郾 80 滋mol / L时,叶绿素 a浓度较高。
图 6摇 长江口及邻近海域叶绿素 a与营养盐和温度的关系
Fig.6摇 Relation between Chla and nutrients concentration as well as temperature in Yangtze estuary
摇 摇 温度对浮游植物的生长有重要影响,此次调查
数据显示,长江口及邻近海域的叶绿素 a 与温度呈
现峰值对应的关系(图 6),在 15—23 益左右,叶绿
素 a量变化不大,在 29 益左右的范围内出现叶绿素
a的峰值。
海水 TSS是表征海水光学特征的指标,它主要
反映了水体的浑浊程度以及水体中悬浮物的含量,
会直接影响着光线在海水中的衰减程度,进而影响
水体中浮游植物的光合作用,因此是影响海洋浮游
植物生长的一个重要因子。 根据本次调查数据,在
TSS大于 40 mg / L左右的水域,叶绿素 a都处于较低
水平(图 7)。
图 7摇 长江口及邻近海域 Chla与 TSS的关系
Fig.7摇 Relation between Chla and TSS concentration in Yangtze estuary
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摇 摇 长江入海径流是冲淡水影响范围的决定因子之
一,三峡蓄水后大通站径流和泥沙减少[11];三期
(175 m)蓄水后,水利部长江水利委员会公布的
2011年春季监测数据显示水沙通量进一步降低。 此
同时,低氧区及叶绿素 a 高值区有向口门内位移的
趋势[12],叶绿素 a峰值区从 2002年的 26 psu区向内
位移到 2006年的 22 psu区,再继续位移至目前的 18
psu区;结合作者对本调查周期硅酸盐的分析结
果[13],认为 175 m蓄水后,叶绿素 a峰值区和低氧区
可能进一步内移。
4摇 结论
通过对三峡水库正常蓄水(175 m 方案)后长江
口丰、平、枯一个完整水文年内的水环境和浮游植物
监测,以影响生态系统最关键的指标 DO 和 Chla 为
对象,分析了其时空动态,并结合前期的结果,发现:
(1)层化分析结果表明,垂向上 Chla 在表层、中
层、底层都可能出现最大值,这与不同季节水动力垂
向稳定性相关;高值区的平面位置随季节也有明显
位移,这与长江径流季节性变化相关;
(2) 叶绿素 a浓度和溶解氧浓度的耦合关系在
近岸和远岸存在明显差异,这主要由于长江口最大
浑浊带沉积区域导致;在最大浑浊带,叶绿素 a 峰值
和营养盐有很好的对应关系,借用 Steele[8]方程确定
了适宜浮游植物生长的 DIN、SiO3鄄Si和 PO4鄄P 浓度。
(3)三峡 175 m正常蓄水后,可能使长江口来水
来沙进一步减少,冲淡水的影响范围向口门内位移,
将导致叶绿素峰值区和低氧区内移,从而影响长江
口生态系统结构。
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