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水坝拦截极大地改变了陆地水循环和水环境状况,“蓄水河流”或河流水库化改变流域环境已成为全球普遍问题。水坝拦截不仅打乱了原生河流的连续性,也进一步改变了河流-水库体系下的物理化学条件,对于深水水库来说库区水体出现季节性“热分层”现象,使水库体系内营养元素的生物地球化学行为与河流显著不同,从而也对流域的生源要素循环过程产生了一系列的影响。水坝拦截引起的“水库效应”,尤其是全流域梯级开发对于流域生源要素的拦截以及库区内部的生物地球化学过程已经开始受到广泛的关注。
氮是生命所必需的元素,在从陆地生态系统到水生生态系统的物质和能量流动中起着关键作用,氮也是河流.水库系统重要的营养元素,近年来由于氮在生物圈层中的平衡遭到破坏,对生态环境产生了一系列的影响,如太湖,滇池,巢湖等湖泊/水库的富营养化现象,地下水污染,过量温室气体N2O的排放对O3层的破坏等等。对于全流域梯级开发河流来说,其氮的迁移和转化方式较单一水库更加复杂,受污染河流及水库更不易治理,所以系统的了解氮在梯级水库中的分布,来源,迁移转化途径和地球化学过程已经迫在眉睫。
但目前对于梯级开发下河流.水库系统的氮迁移和转化过程研究还不够,在研究深度和系统性上不足,而梯级开发很可能会加剧氮对河流-水库系统的污染。多数的研究都是基于对河口或河流主要水文监测站点观测数据的历史情势粗略估算,并且只针对单个水库或几个不同流域的独立水库,而对同一流域上经过梯级开发后的几个水库缺乏了解。已有数据并不足以全面评估由梯级水库开发引起的河流的系统变化,尤其对于氮在梯级开发中的影响了解不多。
因此,本文选择了乌江干流以及被高密度梯级开发的小流域支流猫跳河作为研究对象,以河流-水库体系下氮循环为线索,通过对河流-水库系统自2007年7月至2008年6月水文年的研究,分析水化学参数(T、DO、pH、TDS、Chla)、水化学组成(主要阴阳离子)、硝氮同位素(δ15N-NO3)、颗粒态有机氮同位素组成(δ15N-PON)以及温室气体(N2O)等手段,利用氮形态分析,同位素示踪,温室气体排放的机理和扩散通量,以及流域氮的输入输出通量等方法,探讨水电梯级开发对于河流-水库体系氮循环的影响,主要认识有以下几点:
1、研究区水体属于重碳酸盐类、钙组、Ⅲ型水,少量样品属硫酸盐Ca组Ⅱ型水和重碳酸盐-碳酸盐Ca组Ⅲ型水。乌江各水库均为深水水库,库区季节性发育热力学分层现象,在07年10月基本消失,从08年4月开始出现,在分层期间水库底层水体DO极低,其中红枫,百花和乌江渡等营养程度高的水库底部缺氧严重,并随着温度分层消失而消失,也即季节性缺氧湖泊。水库水化学性质如pH,TDS等随之具有相应的季节变化,大坝的拦截也对主离子产生一系列的影响,HCO3-在温度分层期间表层低底层较高,Ca2+则相反。水库低温,低氧,低pH的下泄水对下游河水产生影响。
2、研究区各类水体中NO3-N是DIN的主要构成形式,占到86％以上,部分营养程度低的湖泊如洪家渡和东风湖占到95％以上,NO3-N/DIN可以反映水体氮赋存形态以及输入输出的稳定状态。红枫湖,百花湖以及乌江渡水库NH4-N个别季节出现高值,说明河流工业废水及生活污水输入的影响。干流沿程TN和DIN顺水流有明显增高趋势,猫跳河则有略微减少。对于猫跳河来说,上游水库高含量氮的下泄水是造成下游两个水库氮升高的因为,干流乌江渡水库周边复杂多来源的氮输入是水体高氮含量的主要因为。对于几个水库全年平均的综合营养状态指数的计算结果可见,乌江渡具有最高的营养状态,属于重富营养程度湖泊,其次为猫跳河流域的百花湖和红枫湖。东风湖和洪家渡属于轻度中营养湖泊。
3、大坝拦截形成水库后,河流向水体中的氮输入一直被认为是造成水库库区氮负荷增加甚至富营养化的主要因为。本文对乌江干流和支流不同类型的水库和入库水体的氮输入进行了采样分析,探讨了不同河流的氮输入特征。猫跳河龙头水库红枫湖的入库河流中,桃花源河全年保持着较高的总氮和硝氮含量,年平均浓度为2.35mg·L-1,而夏季δ15N-NO3为+11.89‰,说明该河流受上游工业废水影响明显。而备受关注的羊昌河由于今年的治理及排放控制,在个别月份虽然发现了高浓度的氮含量,但其δ15N-NO3分别为+4.63‰与+4.06‰,说明该河流工业废水的污染现象有所缓解。猫跳河全流域氮浓度和δ15N-NO03保持较高水平说明对于小流域来说水库建坝后上游污染水体的排放也直接控制了下游水库的氮负荷。
干流输入河流中落脚河具有高氮含量和δ15N-NO3值,夏冬季分别为+11.43‰和+13.66‰,说明该河流受工业废水影响,但洪家渡和东风湖库区低的δ15N-NO3值,高的氮含量以及夏季表层水30℃以上的温度说明水体氮主要来自土壤有机质以及蒸发作用的影响。乌江渡δ15N-NO3值为+12.03‰,研究发现受开磷磷肥厂污染严重的息烽河并不是库区水体氮的主要来源,除干流氮的汇入外,乌江渡网箱养鱼业发达,人畜排泄物具有高的δ15N-NO3值,说明网箱养鱼对于库区水体的影响大。
乌江干流与支流猫跳河的各富营养化湖泊(乌江渡,红枫湖和百花湖)均表明受明显的人为因素影响,而这三个湖泊的建库年龄都较早。通过δ15N-NO3与氮各形态以及DO等的剖面变化说明较老水体不仅受到外源氮输入的影响,沉积物-水界面的异化还原和有机质降解过程很有可能是重要的水体氮的来源。
4、δ15N-PON以及C:N比值可以用于评价河流.水库系统有机质颗粒物的来源并有助于研究水库内部氮的转化过程。对乌江干流与支流猫跳河河流-水库的δ15N-PON以及C:N比值的研究结果显示,猫跳河支流的δ15N-PON较高,夏季各水库从上游到下游的平均值分别为+11.68％,+14.07‰,+11.08‰,+11.22‰,说明库区水体受到高无机氮同位素的工业废水和有机颗粒物的影响。而干流上游洪家渡和东风湖δ15N-PON低,而乌江渡δ15N-PON值高,为+13.64‰,结合各水库C:N比值发现对于富营养化程度高的水库表层水体,浮游植物是颗粒态有机物的主要组成部分,洪家渡和东风湖PON较低的同位素组成和较高的C:N比值说明地表径流携带的土壤颗粒物是库区颗粒态有机质的主要来源,乌江渡水体受污染水体携带的有机质颗粒物影响明显。
5、干流水库表层水体的N2O的含量春夏季高于秋冬季节,乌江渡的N2O含量要高于其他两个水库。温度分层期间,洪家渡水库底部出现高含量的N2O,秋季由于水体的混合作用N2O也在水体保持均一浓度。大坝拦截造成的库区物化条件的改变也影响着N2O的产生和释放,而水库的营养状态也是影响N2O分布的一个因素。
河流N2O的含量一般较低,接近大气平衡浓度。不论是库区水体还是河流,均是大气N2O的“释放源”。底部水体较高的N2O随着蓄水发电的运行而排放入河流时向大气释放大量的N2O,经估算,洪家渡底层水体排放过程中向大气释放的N2O量为2.32t N,东风湖为1.24t N,乌江渡为1.66t N。蓄水发电过程中,高浓度的底层水体在排出过程中释放的N2O以及下泄水体中的高于平衡浓度N2O,应当引起重视。
乌江干流三个水库N2O产生主要是由于硝化作用,在洪家渡深层水体出现的高浓度的N2O,可能是由于沉积物.水界面的反硝化作用引起的。猫跳河夏季PDL层以上N2O的释放主要是硝化作用,百花湖和红枫湖底部严重缺氧的生境具有较高的N2O含量,说明了反硝化作用的存在。猫跳河顺水流方向N20逐级降低说明高密度梯级开发的小流域对于N2O的影响明显,而干流这一现象不同季节变化各异,说明较大流域的温室气体排放影响因素较复杂,还有待进一步的研究。
水库的富营养化程度决定着水-气界面的N2O扩散通量大小,乌江渡,红枫湖和百花湖具有全流域最高的值,高的扩散通量一般出现在夏季和秋季。然而与世界其他河流及水库的比较发现,西南喀斯特地区水库的N2O释放量并不显著。
6、以全年总通量变化来说,乌江干流河流-水库体系表现为TN和NO3-N的“源”,经过水库作用后二者有升高的趋势,增加幅度为15.84％和4％；同时是NH4-N和NO2-N的“汇”,水库拦截使二者降低,下降幅度分别为13.10％和23.95％。梯级水库的开发对乌江中上游河流各形态氮的影响不同,经过梯级水库后,中上游每年向乌江渡下游输送的TN和NO3-N量分别为30.72 kt和26.26 kt,向下游输送的NH4-N和NO2-N通量分别为3.25 kt和120.17 t。由于水库各月份水量的变化和水体中氮各形态受水库内部作用的影响,不同形态氮的各月通量变化较大,富营养化湖泊(如乌江渡)由于较为复杂的氮来源和湖泊内部氮的释放造成水库氮的各赋存形态和通量较大的差异。