張萌， 張銀烽*， 楊鴻鋒， 張真， 任桃艷， 王婷鳳

(1.西南林業(yè)大學(xué)濕地學(xué)院/云南省高原濕地保護(hù)修復(fù)與生態(tài)服務(wù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 昆明 6502242.西南林業(yè)大學(xué)國(guó)家高原濕地研究中心， 昆明 650224)

中國(guó)云南省西部毗鄰青藏高原，其獨(dú)特的地理和地質(zhì)地貌特征使得云南省水資源和水能資源十分豐富，包括瀾滄江-湄公河流域、怒江-薩爾溫江流域、金沙江-長(zhǎng)江流域等在內(nèi)的重要國(guó)際河流均流經(jīng)云南省。隨著中國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展以及對(duì)能源需求的急速增長(zhǎng)，同時(shí)也為了更好地完成碳中和的大目標(biāo)，能源轉(zhuǎn)型勢(shì)在必行，而水力發(fā)電作為重要的清潔能源方式，充分利用和開發(fā)河流水能資源已成為必然選擇[1-3]。因此，“蓄水河流”已經(jīng)成為中外河流生態(tài)系統(tǒng)的普遍現(xiàn)象和重要特征。

盡管筑壩能夠?yàn)槿祟惿a(chǎn)生活帶來(lái)巨大的能源支持，但筑壩對(duì)河流生態(tài)以及河流物質(zhì)循環(huán)的影響在中外一直存在不小爭(zhēng)議。已有研究表明水壩攔截作用對(duì)水體[2-5]、沉積物[5-7]等介質(zhì)中的元素分布及形態(tài)有一定影響。

國(guó)外對(duì)于河流筑壩的研究開始較早，主要集中在筑壩對(duì)河流水文[8]、顆粒物輸送[9]、生物多樣性(魚類、鳥類)[10-11]、物質(zhì)循環(huán)(營(yíng)養(yǎng)元素、重金屬元素)等方面的影響研究[12]；例如，筑壩使得河床河岸形態(tài)發(fā)生變化，河道受侵蝕，水質(zhì)改變[8-9]。筑壩對(duì)河流干流生物的自然棲息地造成損害，尤其是魚類生境適宜性發(fā)生變化，降低魚類產(chǎn)卵率[11]。筑壩河流系統(tǒng)與未筑壩的相比，氮輸送增加了10%[12]。大壩可以改變河水庫(kù)系統(tǒng)磷形態(tài)的組成，靠近大壩的水域存在成為溶解磷富集區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)[13]。梯級(jí)壩的形成導(dǎo)致河水中重同位素向大壩下游富集，并且筑壩易讓水庫(kù)出現(xiàn)明顯的季節(jié)性熱分層，增強(qiáng)水體的生物地球化學(xué)過程[14]。

國(guó)內(nèi)關(guān)于筑壩對(duì)河流生態(tài)及物質(zhì)循環(huán)影響的研究主要集中于金沙江-長(zhǎng)江流域(三峽大壩)。眾多學(xué)者對(duì)長(zhǎng)江流域三峽大壩對(duì)流域水質(zhì)[15]、營(yíng)養(yǎng)元素截留[16]、生物多樣性影響[17]、水文情況變化[18]等進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究。除此之外，部分學(xué)者針對(duì)中國(guó)一些重要河流的典型水壩影響進(jìn)行了研究。例如，烏江流域四座梯級(jí)水電站明顯呈現(xiàn)出從上游往下游硫元素含量逐漸下降且變化范圍逐漸變窄的分布規(guī)律，表明河流大壩攔截作用能夠顯著改變河流水體硫的生物地球化學(xué)循環(huán)過程[19]。鮑林林等[20]的研究表明筑壩影響水體中營(yíng)養(yǎng)元素分布，使得水體硅磷比例呈降低趨勢(shì)。其他一些流域在重金屬、溶解氧等水體理化指標(biāo)上均受到筑壩影響[21-24]。除此之外，筑壩對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)元素(主要N、P)的通量變化也受到廣泛關(guān)注[24-26]。

瀾滄江-湄公河流域從青藏高原源頭到云南與緬甸交界處，其海拔下降約4 700 m，這樣巨大落差使得瀾滄江流域云南段具有豐富的水能資源[3]。因此，從1950年開始在瀾滄江流域已經(jīng)建成投入使用或在建水壩已有十余座，其中就包括了小灣(2009年)、漫灣(1993年)、功果橋(2011年)、大朝山(2001年)、景洪(2008年)、糯扎渡(2012年)6座大型水電站。瀾滄江干流被這些水壩分成了若干個(gè)蓄水河段，屬于中國(guó)典型的蓄水河流。與此同時(shí)，其流域水能資源的開發(fā)利用關(guān)系到下游流域各國(guó)的利益，受到多國(guó)的廣泛關(guān)注，且下游的柬埔寨、越南等地區(qū)對(duì)瀾滄江筑壩行為一直持有爭(zhēng)議。國(guó)外學(xué)者對(duì)瀾滄江下游流域的部分研究指出由于上游水文條件的改變，使得下游生態(tài)系統(tǒng)中營(yíng)養(yǎng)元素(N、P)的輸入減少，從而影響下游部分濕地生態(tài)系統(tǒng)[27-29]。但應(yīng)該注意的是，這樣的變化是在小范圍及日均尺度上發(fā)生的，不應(yīng)將其擴(kuò)大到整個(gè)流域[30-33]。還有一些學(xué)者認(rèn)為瀾滄江筑壩對(duì)水體氮磷等營(yíng)養(yǎng)元素有阻礙作用[22-23]。國(guó)內(nèi)對(duì)于瀾滄江流域小灣等水壩的影響早已有研究，研究表明，已建成大壩對(duì)瀾滄江下游水環(huán)境變化有明顯擾動(dòng)[3,30-32]。另外，還有一些學(xué)者對(duì)瀾滄江流域不同水壩對(duì)河流形態(tài)[34]、生物棲息地[35-36]、水體徑流量[29,37]、重金屬元素輸送[38-41]、土地利用類型[40]等的影響進(jìn)行了研究。水體作為河流物質(zhì)輸送的重要介質(zhì)，筑壩對(duì)水體動(dòng)力學(xué)的改變能夠直接影響上下游水體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從而影響水體元素的遷移[42-43]。綜上所述，目前對(duì)于瀾滄江流域典型水壩對(duì)區(qū)域范圍內(nèi)水體營(yíng)養(yǎng)元素分布、形態(tài)及遷移的影響缺乏系統(tǒng)的認(rèn)知。為此，現(xiàn)選擇瀾滄江流域漫灣水電站及其上下游不受支流干擾的河段作為研究對(duì)象，分季節(jié)對(duì)比研究該區(qū)域水體營(yíng)養(yǎng)元素(N、P)流經(jīng)大壩前后的形態(tài)變化和遷移規(guī)律，探究筑壩在區(qū)域尺度上對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)元素的時(shí)空影響。為瀾滄江流域水能綜合管理及科學(xué)筑壩提供一定基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

瀾滄江(湄公河，Mekong River)起源于中國(guó)青海省玉樹藏族自治州的吉富山，藏語(yǔ)為“拉楚”，流經(jīng)我國(guó)青海、西藏、云南三省，最終從云南省西雙版納傣族自治州勐臘縣出境，流到下游成為老撾和緬甸的界河，隨后又流經(jīng)泰國(guó)、柬埔寨等國(guó)家，最后從越南胡志明市注入中國(guó)南海海域。瀾滄江干流全長(zhǎng)約為4 880 km，是亞洲的第三長(zhǎng)河，可開發(fā)的水能資源達(dá)5 800萬(wàn)kW，干流落差約5 060 m，水利能源十分豐富。漫灣水電站位于云南省西部云縣和景東縣交界處的漫灣河口下游一千米的瀾滄江中游河段上，距臨滄140 km，至大理市200 km。地理位置為24°37′N、100°26′E，是瀾滄江干流上的第一座百萬(wàn)千瓦級(jí)大型水電站。其主要由漫灣大壩、電站廠房、泄水建筑物等組成。壩址控制流域面積為11.45萬(wàn)km2，水庫(kù)面積為23.9 km2，壩高為132 m，多年平均流量為1 230 m3/s，正常蓄水位為994 m，死水位為982 m，洪水位為997.5 m，總庫(kù)容為9.2億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容為2.58億m3，流域內(nèi)徑流主要為降水補(bǔ)給，冰雪融水補(bǔ)給相對(duì)較少，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，為季節(jié)性調(diào)節(jié)水庫(kù)。

圖1 研究區(qū)采樣點(diǎn)分布示意圖Fig.1 Sampling map of study area

1.2 樣品采集方法

結(jié)合瀾滄江流域中段高分衛(wèi)星影像圖及漫灣水電站附近區(qū)域?qū)嵉乜辈烨闆r，確定從北至南沿水流方向于大壩上游布設(shè)5個(gè)采樣斷面，編號(hào)為N1～N5(圖1)，每個(gè)斷面設(shè)置3條垂線，每條垂線根據(jù)水深采集縱向水樣。大壩下游布設(shè)4個(gè)采樣點(diǎn)，編號(hào)為S1～S4(圖1)。另外，本研究選擇的上游N1斷面至下游S4斷面之間沒有任何支流匯入，這能夠避免支流匯入對(duì)水體元素分布的干擾。根據(jù)瀾滄江干流水位及當(dāng)?shù)亟涤昵闆r[42]，水體樣品采集工作分三次進(jìn)行，采集工作分別開展于2020年10月(平水期)、2021年4月(枯水期)和2021年7月(豐水期)。使用分層水樣采集器在大壩上游采集不同深度(1～6 m)的分層水樣，大壩下游采集表層水樣，將采集的樣品裝入潔凈的500 mL聚乙烯瓶中，用封口膜(Parafilm)密封后保存在4 ℃恒溫箱中，立即運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后置于4 ℃冰箱避光保存。使用多功能水質(zhì)參數(shù)分析儀(美國(guó) YSI 6600V2)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定水樣的pH、溶解氧(dissolved oxygen, DO)、電導(dǎo)率(electrical conductivity, EC)、葉綠素a(chlorophyll-a, Chl-a)、氧化還原電位(oxidation-reduction potential, ORP)等理化指標(biāo)。

1.3 水體氮磷分析方法

將采集的樣品使用0.45 μm濾膜過濾到10 mL的離心管中，在4 ℃冰箱中保存待測(cè)。所有室內(nèi)實(shí)驗(yàn)均在西南林業(yè)大學(xué)國(guó)家高原濕地研究中心進(jìn)行，分別采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法、過硫酸鉀消解-鉬藍(lán)比色-紫外可見分光光度法、納氏試劑分光光度法、紫外分光光度法(連續(xù)流動(dòng)分析儀德國(guó)SEAL Analytical AA3)測(cè)定水體中的總氮(total nitrogen, TN)、總磷(total phosphorus, TP)、氨氮(ammonia nitrogen, NH4-N)、硝氮(nitrate nitrogen, NO3-N)、有機(jī)氮含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用ArcGIS 10.2繪制研究區(qū)采樣圖。通過Excel對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；使用SPSS 24.0對(duì)水體氮磷流經(jīng)大壩前后變化進(jìn)行單因素方差分析(one-way ANOVA)以及相關(guān)性分析。采用Origin 2018繪制氮磷元素分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 漫灣大壩上下游水體氮磷時(shí)空分布

三個(gè)時(shí)期漫灣大壩上下游水體的水質(zhì)參數(shù)pH和溶解氧(dissolved oxygen, DO)季節(jié)變化基本相同(表1)。pH呈微堿性，平水期(10月)和豐水期(7月)水體pH下游明顯低于上游，枯水期(4月)水體pH下游略高于上游。大壩上下游水體中溶解氧含量均較高，最高值出現(xiàn)在豐水期下游水體(高達(dá)8.10 mg/L)。水體的電導(dǎo)率(electrical conductivity, EC)下游明顯高于上游，最高值出現(xiàn)在枯水期下游水體。大壩上下游水體的氮磷濃度存在著季節(jié)性變化。三個(gè)時(shí)期水體的TN濃度呈現(xiàn)平水期>枯水期>豐水期，TN濃度下游均明顯低于上游，差異性較為顯著(P<0.05)。漫灣大壩在平水期和枯水期對(duì)水體中氮的攔截作用較有效，氮攔截率分別為17%、16%，豐水期僅6%。平水期水體的NH4-N濃度整體高于枯水期和豐水期，三個(gè)時(shí)期下游水體的NH4-N濃度均明顯低于上游，差異性較為顯著(P<0.05)?？菟谒w的NO3-N濃度整體高于平水期和豐水期，大壩上下游水體NO3-N濃度沒有顯著差異(P>0.05)。平水期水體的有機(jī)氮濃度整體高于枯水期和豐水期，平水期和枯水期下游水體的有機(jī)氮濃度低于上游明顯(P<0.05)，豐水期大壩下游水體的有機(jī)氮濃度高于上游。三個(gè)時(shí)期水體的TP濃度呈現(xiàn)平水期>枯水期>豐水期，枯水期和豐水期大壩上下游水體TP濃度沒有顯著差異(P>0.05)，相比較而言平水期下游水體的TP濃度顯著低于上游(P<0.05)。

由圖2可以看出，三個(gè)時(shí)期漫灣大壩上游水體中TN、NO3-N濃度的最高值均出現(xiàn)在壩前N5采樣點(diǎn)，并且N5采樣點(diǎn)的TN、NH4-N、NO3-N、TP濃度較其余采樣點(diǎn)有上升趨勢(shì)。N5采樣點(diǎn)位于壩前的一個(gè)捕魚碼頭，長(zhǎng)期受當(dāng)?shù)鼐用袼a(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的干涉，養(yǎng)殖魚類多種多樣，因此排泄物、人工投放的餌料為水體提供了關(guān)鍵的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來(lái)源，導(dǎo)致氮磷等營(yíng)養(yǎng)鹽匯聚積累于此。三個(gè)時(shí)期漫灣大壩上下游水體中TN、TP濃度的最低值均出現(xiàn)在壩后S1采樣點(diǎn)，經(jīng)大壩的攔截后，N5-S1段的TN、NH4-N、NO3-N、TP濃度迅速降低，下游水體中的氮磷含量在N5-S1段呈明顯下降趨勢(shì)。由于S3采樣點(diǎn)位于云縣漫灣鎮(zhèn)中心，壩后S3采樣點(diǎn)的TN、TP濃度要高于前采樣點(diǎn)(S1、S2)，易受當(dāng)?shù)鼐用裆a(chǎn)生活的干擾。受季節(jié)因素的影響，夏季降雨豐沛，對(duì)河流水體中氮磷有一定稀釋作用，因此對(duì)于同一采樣點(diǎn)不同季節(jié)，漫灣大壩上下游水體中的磷含量在豐水期較低。

2.2 漫灣大壩上下游水體氮形態(tài)特征

圖3反映了三個(gè)時(shí)期漫灣大壩上下游水樣中不同氮形態(tài)的百分含量。由此可知，三個(gè)時(shí)期水體中氮形態(tài)含量分布表現(xiàn)總體一致，為硝氮>氨氮>有機(jī)氮。氮元素以硝態(tài)氮為主，占總含量的22%～69%，而銨態(tài)氮和有機(jī)氮的占比相對(duì)較低。表明水體里的氧化條件較充足，水和沉積物中的有機(jī)物分解得到的銨鹽大部分被氧化成硝態(tài)氮。平水期(10月)、枯水期(4月)、豐水期(7月)的硝態(tài)氮分別占總含量的38%～56%、43%～69%、22%～51%。豐水期下游水體中的硝態(tài)氮含量略低于上游，在平水期和枯水期水體中，每個(gè)采樣點(diǎn)的硝態(tài)氮含量均以最高占比存在，某種程度上對(duì)大壩下游水質(zhì)存在一定污染風(fēng)險(xiǎn)。平水期、枯水期、豐水期的銨態(tài)氮分別占總含量的26%～39%、17%～30%、28%～47%，三個(gè)時(shí)期下游水體中的銨態(tài)氮均在不同程度上低于上游，說明大壩對(duì)水體中銨態(tài)氮有一定的攔截作用。平水期、枯水期、豐水期的有機(jī)氮分別占總含量的5%～30%、5%～40%、8%～40%，平水期和枯水期下游水體中的有機(jī)氮含量顯著低于上游(P<0.05)，說明在秋季和春季大壩能夠攔截河流水體中部分有機(jī)氮，而在降水充沛的夏季大壩幾乎沒有攔截有機(jī)氮的能力。

表1 漫灣大壩上下游水體水質(zhì)參數(shù)及氮磷濃度Table 1 Water quality parameters and concentrations of nitrogen and phosphorus of the upstream and downstream area of Manwan Dam

圖2 漫灣大壩上下游水體氮磷季節(jié)性變化趨勢(shì)Fig.2 The seasonal variation trend of nitrogen and phosphorus in the upstream and downstream water of Manwan Dam

圖3 漫灣大壩上下游水體氮形態(tài)季節(jié)性分布Fig.3 Seasonal distribution of nitrogen speciations in the upstream and downstream water of Manwan Dam

2.3 漫灣大壩上游水體氮磷垂直空間分布特征

圖4 漫灣大壩上游水體pH垂直空間分布Fig.4 Vertical spatial distribution of pH in the upstream water of the Manwan Dam

圖5 漫灣大壩上游水體DO垂直空間分布Fig.5 Vertical spatial distribution of DO in the upstream water of the Manwan Dam

圖6 漫灣大壩上游水體TN垂直空間分布Fig.6 Vertical spatial distribution of TN in the upstream water of the Manwan Dam

圖7 漫灣大壩上游水體NH4-N垂直空間分布Fig.7 Vertical spatial distribution of NH4-N in the upstream water of the Manwan Dam

圖8 漫灣大壩上游水體NO3-N垂直空間分布Fig.8 Vertical spatial distribution of NO3-N in the upstream water of the Manwan Dam

圖9 漫灣大壩上游水體TP垂直空間分布Fig.9 Vertical spatial distribution of TP in the upstream water of the Manwan Dam

圖4～圖9反映了三個(gè)時(shí)期漫灣大壩上游5個(gè)采樣點(diǎn)(N1～N5)分層水樣中的pH、DO和氮磷的垂直空間分布?？芍浩剿?10月)、枯水期(4月)、豐水期(7月)的上游水體pH呈現(xiàn)豐水期>枯水期>平水期，均值分別為8.26±0.04、7.80±0.07、7.72±0.05，最小值存在于平水期N3采樣點(diǎn)的1 m深度，最大值存在于豐水期N2采樣點(diǎn)的3 m深度，三個(gè)時(shí)期的水體均呈現(xiàn)弱堿性，7月夏季河流降水補(bǔ)給較為充足，致使河流水體的pH發(fā)生較大變化。平水期(10月)、枯水期(4月)、豐水期(7月)的上游水體DO呈現(xiàn)豐水期>枯水期>平水期，均值分別為(7.65±0.15)、(7.55±0.28)、(7.25±0.18) mg/L，最小值存在于平水期N4采樣點(diǎn)的4 m深度，最大值存在于枯水期N3采樣點(diǎn)的3 m深度，在1～2 m深度水體的三個(gè)時(shí)期DO值點(diǎn)間差異較大。夏季降水充沛，雨水稀釋河流水體，致使河流水體自凈能力較強(qiáng)。平水期(10月)、枯水期(4月)、豐水期(7月)的上游水體TN濃度呈現(xiàn)平水期>枯水期>豐水期，均值分別為(1.12±0.10)、(1.00±0.09)、(0.95±0.07) mg/L，最小值存在于豐水期N1采樣點(diǎn)的3 m深度，最大值存在于平水期N4采樣點(diǎn)的1 m深度。平水期除了N1采樣點(diǎn)，其余采樣點(diǎn)水體TN濃度在1～2 m深度有著明顯的由上至下遞減規(guī)律，枯水期除了N1采樣點(diǎn)，其余采樣點(diǎn)水體在2～3 m深度有著明顯的由上至下遞增規(guī)律，豐水期除了N1采樣點(diǎn)，其余采樣點(diǎn)水體在2～3 m深度有著明顯的由上至下遞增規(guī)律。除了N2采樣點(diǎn)，其余采樣點(diǎn)水體在4～5 m深度有著由上至下遞增的波動(dòng)。平水期(10月)、枯水期(4月)、豐水期(7月)的上游水體NH4-N濃度呈現(xiàn)平水期>豐水期>枯水期，均值分別為(0.43±0.06)、(0.34±0.03)、(0.23±0.03) mg/L，最小值存在于枯水期 N3采樣點(diǎn)的5 m深度，最大值存在于平水期N1采樣點(diǎn)的5 m深度。平水期除了N4采樣點(diǎn)，其余采樣點(diǎn)水體NH4-N濃度在1～2 m深度有著明顯的由上至下遞增規(guī)律以及在2～4 m深度有著明顯的由上至下遞減規(guī)律，豐水期除了N5采樣點(diǎn)，其余采樣點(diǎn)水體在1～3 m深度有著明顯的由上至下遞增規(guī)律，枯水期除了N2采樣點(diǎn)，其余采樣點(diǎn)水體在3～4 m深度有著明顯的由上至下遞增規(guī)律。平水期(10月)、枯水期(4月)、豐水期(7月)的上游水體NO3-N濃度呈現(xiàn)枯水期>豐水期>平水期，均值分別為(0.54±0.07)、(0.49±0.04)、(0.39±0.09) mg/L，最小值存在于平水期N3采樣點(diǎn)的6 m深度，最大值存在于枯水期 N5采樣點(diǎn)的4 m深度?？菟贜2、N5采樣點(diǎn)水體NO3-N濃度在2～4 m深度有著明顯由上至下遞增規(guī)律，豐水期除了N2采樣點(diǎn)，其余采樣點(diǎn)水體在3～4 m深度有著由上至下遞增波動(dòng)，平水期N1、N2、N3采樣點(diǎn)水體在2～4 m深度有著明顯由上至下遞減規(guī)律。平水期(10月)、枯水期(4月)、豐水期(7月)的上游水體TP濃度呈現(xiàn)平水期>枯水期>豐水期，均值分別為(0.019±0.004)、(0.016±0.003)、(0.011±0.001) mg/L，最小值存在于豐水期N4采樣點(diǎn)的4 m深度，最大值存在于平水期N3采樣點(diǎn)的1 m深度，在1 m以下深度三個(gè)時(shí)期水體TP濃度平水期最高。平水期除了N4采樣點(diǎn)，其余采樣點(diǎn)水體TP濃度在2～4 m處有明顯由上至下遞增規(guī)律，枯水期除了N4采樣點(diǎn)，其余采樣點(diǎn)水體在1～2 m深度有著明顯由上至下遞減規(guī)律，除了N2采樣點(diǎn)，其余采樣點(diǎn)水體在4～5 m深度有著明顯由上至下遞增規(guī)律，豐水期 N2、N4、N5采樣點(diǎn)水體在2～4 m深度有著明顯由上至下遞減規(guī)律，除了N4采樣點(diǎn)，其余采樣點(diǎn)水體在1～2 m深度有著明顯由上至下遞增規(guī)律。

2.4 漫灣大壩上下游水體氮、磷與水體理化指標(biāo)關(guān)系

漫灣大壩上下游水體中TN與NH4-N、NO3-N、有機(jī)氮等顯著正相關(guān)(r=0.322，P<0.01；r=0.239，P<0.01；r=0.688，P<0.01)，表明氮的存在形態(tài)對(duì)水體中氮的含量有直接影響(表2)。TN與TP正相關(guān)性顯著(r=0.221，P<0.05)。TP與NH4-N有著極顯著正相關(guān)(r=0.342，P<0.01)，表明磷和氨氮輸入水體的途徑極其相似，磷的含量對(duì)水體中氮的形態(tài)產(chǎn)生顯著影響。ORP與TN、TP、NH4-N有著極顯著正相關(guān)(r=0.351，P<0.01；r=0.440，P<0.01；r=0.618，P<0.01)。NO3-N與有機(jī)氮有著極顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.364，P<0.01)。NTU與NH4-N有著極顯著正相關(guān)(r=0.294，P<0.01)。Chl-a與氮、磷營(yíng)養(yǎng)元素存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，Chl-a與NH4-N、NO3-N負(fù)相關(guān)性顯著(r=-0.211，P<0.05；r=-0.294，P<0.01)，與有機(jī)氮沒有顯著相關(guān)性，表明Chl-a含量的高低直接影響水生生物的生境，當(dāng)水體中氨氮、硝氮持續(xù)增加時(shí)，水體中的植物與藻類對(duì)氮具有一定的選擇性。DO與TN存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)水體中總氮含量上升時(shí)，水體中的溶解氧含量會(huì)顯著降低。

表2 漫灣大壩上下游水體氮、磷營(yíng)養(yǎng)元素與水體理化指標(biāo)相關(guān)性Table 2 Correlation coefficients between nitrogen and phosphorus and physicochemical factors in the upstream and downstream water of Manwan Dam

3 討論

河流筑壩不僅影響流域水資源平衡，也顯著改變著河流對(duì)N、P元素的分布與輸送。本文研究中選取的瀾滄江漫灣大壩，其下游水體總氮(TN)濃度顯著低于上游水體(P<0.05)，表明漫灣大壩總體上對(duì)TN具有一定截留作用。但應(yīng)注意，水體作為河流物質(zhì)輸送的重要載體之一會(huì)隨著水文條件的季節(jié)性變化而改變，從而對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素進(jìn)行積累、轉(zhuǎn)化和釋放。因此不同時(shí)期大壩對(duì)TN的分布和運(yùn)移會(huì)產(chǎn)生差異。具體而言，漫灣大壩平水期、枯水期和豐水期氮攔截率分別為15%、16%和6%，并且大壩對(duì)不同形態(tài)氮的攔截不同。不同季節(jié)下游水體中銨態(tài)氮均在不同程度上低于上游，枯水期和豐水期大壩能夠攔截河流水體中部分有機(jī)氮，上、下游水體中硝態(tài)氮的差異不顯著(P>0.05)。時(shí)間尺度方面，不同時(shí)期漫灣大壩對(duì)總磷(TP)的攔截作用差異不顯著(P>0.05)。具體表現(xiàn)為平水期較枯水期和豐水期，大壩下游水體TP濃度略低于上游，而枯水期和豐水期大壩上下游水體TP濃度無(wú)顯著差異(P>0.05)?？臻g尺度方面，總體而言漫灣大壩上下游水體中磷含量沒有明顯差異，表明在大部分時(shí)間內(nèi)漫灣大壩對(duì)水體中的TP沒有顯著攔截作用。這與其他地區(qū)的研究結(jié)果不同，主要原因是河流經(jīng)筑壩蓄水后，大壩上游段會(huì)形成較大面積的庫(kù)區(qū)，在增加水體滯留時(shí)間的同時(shí)也截留了大量營(yíng)養(yǎng)元素，提高了水體中磷元素的滯留力，進(jìn)而對(duì)磷元素形成一定的“滯留效應(yīng)”，使得大壩上、下游河段水體磷濃度有明顯差異。例如，法國(guó)Seine River上游流域大壩攔截了60%的入壩磷酸鹽[44]。另外，美國(guó)中西部河網(wǎng)閘控河段和自然河段進(jìn)行多年監(jiān)測(cè)，對(duì)比最終數(shù)據(jù)分析表明，閘壩出水的比無(wú)閘壩攔截河流出水的TP年輸出量減少約20%[45-47]，其中密蘇里河的Callaham水壩出流水體中磷酸鹽含量低于入流的50%[48]。還有一些本身營(yíng)養(yǎng)元素含量低的河流，如瑞典Lulealven River大壩的攔截使得河流下游水體磷含量降低，嚴(yán)重威脅下游流域的初級(jí)生產(chǎn)力[49-50]。相比之下，漫灣大壩只在平水期能夠攔截少量磷，枯水期和豐水期前后水體中磷含量沒有明顯差異。可見大壩攔截磷的能力也是受河流本身營(yíng)養(yǎng)狀況、降水季節(jié)變化等的影響。

筑壩蓄水在滿足人類能源需求的同時(shí)，也造成了自然河流的非連續(xù)化，在某種程度上擾亂了河流原本的水循環(huán)。筑壩蓄水后大壩上游水體從強(qiáng)動(dòng)力條件下的河流搬運(yùn)作用隨時(shí)間逐步演變?yōu)槿鮿?dòng)力條件下的湖泊沉積作用，存在變?yōu)楹此w的風(fēng)險(xiǎn)[3,13-14]。大壩上游水體氮磷隨著深度的增加，有著由上至下的波動(dòng)，pH和DO也有相應(yīng)變化，進(jìn)一步加劇了河流氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷[44-46]。大壩攔截作用使接近大壩上游水體(N4、N5)趨于靜止，在接近大壩下游水體(S1)處又變回自然河流流速。該過程極大地降低了水體的搬運(yùn)能力，水體中攜帶的氮磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、泥沙等易沉積，使得水體的濁度降低，溶解氧含量波動(dòng)顯著[51]。河流表層水體因陽(yáng)光透射率較高，更利于浮游植物進(jìn)行光合作用，致使表層水體DO含量相對(duì)深層水體較高[52]。除此之外，筑壩河流水體的pH與溶解氮磷密切相關(guān)。發(fā)現(xiàn)漫灣大壩上下游河流水體中氮的分布與TP、ORP具有顯著正相關(guān)，與Chl-a、DO則呈負(fù)相關(guān)(表2)。這表明水體氮元素的沉降在一定程度上促進(jìn)了水體磷元素的沉降，并且除大壩本身的攔截作用，大壩上下游水體氮的分布也受Chl-a、ORP、DO這些水體理化指標(biāo)影響。筑壩河流相較于自然河流，人類行為干預(yù)了水循環(huán)系統(tǒng)，水體動(dòng)力條件的改變直接影響著水體理化性質(zhì)的改變，大壩不僅會(huì)對(duì)水體中懸浮物起到攔截作用，同時(shí)會(huì)和河流中的一些物質(zhì)發(fā)生生化反應(yīng)，從而對(duì)水體中氮磷分布產(chǎn)生影響。

盡管中外研究發(fā)現(xiàn)筑壩對(duì)氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的攔截率估算在5%～90%范圍內(nèi)[53-54]。但應(yīng)該注意的是攔截率變化范圍十分廣泛，這就表明影響大壩對(duì)氮磷攔截遷移的因素較多，不應(yīng)一概而論。盡管研究表明漫灣大壩在不同季節(jié)均對(duì)TN具有一定攔截作用，但是一些學(xué)者認(rèn)為受河流流量、溫度等多方面的因素影響，大壩在不同季節(jié)會(huì)有不同的攔截力，這些影響因素會(huì)隨季節(jié)更替發(fā)生變化，因而導(dǎo)致大壩攔截氮磷的能力呈現(xiàn)出時(shí)間尺度上的差異[55-57]。但漫灣大壩對(duì)水體總磷沒有明顯攔截作用。由此可知諸多因素均有可能影響到大壩上下游水體氮磷分布情況。所以，一個(gè)值得探討的問題是對(duì)個(gè)別大壩的研究結(jié)論推廣到整個(gè)流域是否具有科學(xué)性。對(duì)于這一問題，文獻(xiàn)[31-33]研究指出不應(yīng)將個(gè)別放大到整個(gè)瀾滄江流域，瀾滄江流域徑流變化復(fù)雜多樣，沿途自然人文環(huán)境多變，水電大壩只是眾多驅(qū)動(dòng)力中的一個(gè)，并非唯一動(dòng)力，大壩對(duì)河流的影響主要表現(xiàn)在日平均變化的時(shí)間尺度上，并集中在較為狹窄的河段。在全球氣候變暖的趨勢(shì)下，溫度升高加速了河流水文循環(huán)的過程，因此大壩水體氮磷分布也會(huì)受全球大環(huán)境變化的影響。筑壩引起河流生態(tài)系統(tǒng)的演變是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，短時(shí)間內(nèi)無(wú)法顯現(xiàn)出大壩對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響，需要日益積累的觀測(cè)。Zhao等[58]的研究結(jié)果表明漫灣大壩的建設(shè)對(duì)河流月徑流量產(chǎn)生明顯的擾動(dòng)。尤衛(wèi)紅等[59]應(yīng)用一系列相關(guān)分析方法，研究出瀾滄江月徑流量變化的時(shí)空演變特征，指出云南縱向嶺谷地區(qū)的氣候變化是影響瀾滄江流域徑流量的一個(gè)重要因素。另外，Zhang等[60]在瀾滄江流域以砷遷移為例的研究結(jié)果表明從整個(gè)流域尺度來(lái)看，瀾滄江上游輸送的砷通量與下游其他學(xué)者的估算值是基本一致的。綜上所述，認(rèn)為在探究瀾滄江流域筑壩行為對(duì)河流生態(tài)影響時(shí)不應(yīng)一概而論，需要加強(qiáng)流域各個(gè)大壩的具體研究，并根據(jù)各個(gè)大壩的具體情況統(tǒng)籌研究數(shù)據(jù)，從而為從整個(gè)流域尺度探討筑壩對(duì)瀾滄江流域生態(tài)影響打下基礎(chǔ)。因此，積累流域不同河段水壩小范圍內(nèi)的詳細(xì)研究數(shù)據(jù)顯得尤為重要。最后，本文研究?jī)H著重對(duì)水體進(jìn)行了研究討論，后續(xù)可以結(jié)合沉積物、懸浮顆粒物等載體進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

(1)漫灣大壩不同季節(jié)下游水體總氮(TN)濃度均明顯低于上游水域，表明筑壩對(duì)河流總氮具有一定攔截作用，平水期、枯水期、豐水期氮攔截率分別為15%、16%、6%。

(2)漫灣大壩上下游水體中氮主要以溶解NO3-N形態(tài)存在，但筑壩對(duì)硝態(tài)氮的攔截不明顯，不同季節(jié)下游水體中銨態(tài)氮均在不同程度上低于上游，枯水期和豐水期大壩能夠攔截河流水體中部分有機(jī)氮。

(3)枯水期和豐水期上、下游水體總磷(TP)濃度無(wú)顯著性差異，相比較而言漫灣大壩只在平水期能夠攔截少量磷。

(4)水體TN與TP顯著正相關(guān)，表明二者具有同源性。除了大壩本身影響，大壩上下游水體總氮分布也與Chl-a、ORP、DO等水體理化指標(biāo)相關(guān)。

綜上所述，本文以瀾滄江流域漫灣大壩上下游不受支流影響的水域?yàn)檠芯繉?duì)象，探討了筑壩在小范圍內(nèi)對(duì)河流水體營(yíng)養(yǎng)元素分布，形態(tài)及遷移的影響，為瀾滄江流域綜合管理及科學(xué)筑壩提供數(shù)據(jù)支撐。