汪伯倫　陳然　羅毅　胡軍　錢麗萍

摘要：文章以橫江流域pH值為研究對象，分析了pH值的時空變化特征，以及浮游植物群落對pH值的影響，探討了pH值變化的影響因素以及內(nèi)在的機(jī)理。研究結(jié)果表明：橫江流域pH值從上游到下游逐漸升高的趨勢，7、8月份pH值最高為9.1，4-6月份最低為7.5。影響pH值變化主要因素是溶解氧、葉綠素a、水溫。橫江流域主要的浮游植物的種屬7門60屬，其中硅藻門最為豐富，優(yōu)勢種也是以硅藻門為主；春季以硅藻為主，夏季以藍(lán)藻為主，秋季以綠藻、硅藻為主，可以看出浮游植物群落變化導(dǎo)致了水體pH值的季節(jié)性的變化，因此，生物作用是橫江流域pH值變化的主要因素。

關(guān)鍵詞：橫江流域；河流pH值；浮游植物；相關(guān)性研究

中圖分類號：X832 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

前言

河流pH值決定了水體中化學(xué)元素的遷移轉(zhuǎn)化，當(dāng)水體pH值低于6，會導(dǎo)致地表水酸化，水生生物死亡、群落結(jié)構(gòu)改變；pH值高于9，存在藍(lán)藻爆發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。pH值過高或過低都會影響水質(zhì)中有機(jī)質(zhì)的離子化作用，從而間接影響藻類生長，因此，研究河流pH值具有重要的水生態(tài)學(xué)意義。

馮澤波通過對滇池及其支流的研究認(rèn)為pH值變化和周邊的土地利用情況密切相關(guān)，楊琛等認(rèn)為河流pH值升高與藻類植物的光合作用具有密切關(guān)系。He等通過研究發(fā)現(xiàn)光合作用和反硝化作用是河中pH值含量增加的主要原因；通過以上研究說明藻類的大量生長繁殖導(dǎo)致水質(zhì)pH值異常波動，因此生物作用是水質(zhì)pH值變化主要原因。

山區(qū)河流的流速、流量、水環(huán)境容量、污染物的稀釋和降解能力和其他大型河流相比，很容易受到人類活動的干擾，pH值升高河段更容易引起水體的藻華現(xiàn)象。此次研究區(qū)域橫江流域?qū)儆谏絽^(qū)河流，近年來，pH值波動較為明顯，主要是pH值在每天一些時段升高超過9，每個月超過pH值大于9的天數(shù)在增加，具有在適合的條件下爆發(fā)藍(lán)藻的潛在性趨勢，因此，文章通過實(shí)地調(diào)查、采樣測試分析，并建立水質(zhì)數(shù)據(jù)與藻類數(shù)據(jù)相關(guān)性，進(jìn)一步探尋pH值升高的影響因素，為水質(zhì)改善和河流生態(tài)系統(tǒng)管理的發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域

研究區(qū)域?yàn)闄M江流域，為新安江的主要支流，橫江又名吉陽水、東港、白鶴溪，源于黟縣漳嶺的白頂山，經(jīng)黟縣漁亭鎮(zhèn)東流入休寧境，在川湖萬全山與夾溪河匯合，經(jīng)休寧縣城繼續(xù)東流過萬安鎮(zhèn)，在屯溪區(qū)黎陽鎮(zhèn)與率水匯合，注入新安江，流域面積997 km2，河道長70 km、坡度2.7‰，沿岸主要有夾溪河、東亭河、渠口河、龍?jiān)春?、柳州河、福寺河、嶺觀河、霞塘河等10 km以上溪流匯入。占新安江流域（安徽省境內(nèi)）面積15. 4％。主河道上游經(jīng)過齊云山脈，水流湍急，河面較窄；中下游兩岸地勢開闊，大型水壩萬安壩位于中下游。是休屯盆地的主要組成部分，河道平順，匯集各支流水量后，水量增大，河面變寬，流速相對較緩，水生挺水和沉水植物茂盛，河漫灘較發(fā)育。

自然條件：平均年降雨量1 613.7 mm，降雨年際年內(nèi)分配不均，年降水量的78%集中在春夏兩季，年降水日數(shù)149天。常年6月中旬進(jìn)入梅雨季節(jié)，7月上旬出梅，歷時20多天，梅雨量為250 mm左右。日照、蒸發(fā)：年平均日照時數(shù)為1 931小時，日照率44%，年輻射總量為122.6 kcal/cm2；年蒸發(fā)量1 180 mm，比年降水量少433.7 mm；年平均無霜期231天。

根據(jù)研究區(qū)域河流的地形地貌，從上游到下游布設(shè)了5個監(jiān)測斷面。

1.2 樣品采集和分析方法

2022年的3、4、6、7、8、9、10、11月采集了5個監(jiān)測斷面的表層水樣，同時使用25號浮游生物網(wǎng)過濾表層0.5米處水體數(shù)次，過濾后將網(wǎng)中的浮游植物濃縮液注入100 mL采樣瓶中，加入4%的甲醛溶液現(xiàn)場固定，在顯微鏡下鑒定浮游植物種屬。采集表層水樣1 L，滴入2 ml魯氏液保存。在顯微鏡下鑒定浮游植物生物量。浮游植物鑒定主要參考《淡水微型生物與底柄動物圖譜（第二版）》和《中國淡水藻類-系統(tǒng)、分類及生態(tài)》。

采集的水樣測定水質(zhì)指標(biāo)10項(xiàng)，包括溫度、pH值、電導(dǎo)率、溶解氧、高錳酸鉀指數(shù)、透明度、總磷、總氮、氨氮，水質(zhì)采樣和測定參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》。

1.3 數(shù)據(jù)分析

使用Microsoft Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)整理匯總，使用IBM SPSS 25.0進(jìn)行單因素方差分析（OnewayANOVA）和Pearson相關(guān)性分析。使用OriginPr02018進(jìn)行圖幅的繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 橫江流域水質(zhì)pH值空間分異特征

橫江流域pH值年均值為8.10 -8.45，從上游的漳水?dāng)嗝娴较掠蔚臋M江大橋斷面總體呈現(xiàn)出上升的趨勢，典口斷面位于橫江的中游，河漫灘發(fā)育，水生植物茂盛，pH值有所下降，但是仍然高于上游（如圖1所示）。橫江流域從漳水?dāng)嗝骈_始3/4的河段為橫江國家級濕地公園范圍，水生植物茂盛，水質(zhì)為Ⅲ類水以上。

現(xiàn)場調(diào)查檢測了上游支流東亭河、漳水等支流水質(zhì)pH值都是小于8，說明橫江流域水質(zhì)pH值升高不是支流水質(zhì)帶來的污染物質(zhì)。橫江流域兩岸以村莊和耕地為主，河水受人類活動影響較大，橫江大橋斷面為進(jìn)入城鎮(zhèn)的斷面，水面變寬，流速變小，兩岸都是居民，pH日均值常年處于8.45的高位，pH日值大于9的天數(shù)在逐年增加。

2.2 橫江流域水質(zhì)pH值時間變化特征

利用各個采樣點(diǎn)與表層水樣pH值數(shù)據(jù)所做趨勢圖如圖2所示，可以看出pH日均值超過9的時間段在7、8月份，從上游到下游所有點(diǎn)位都處在最高值，最低值位于4 -6月末。典口斷面的pH值波動較大，說明受河漫灘水生植物的影響，水位較淺、流速較緩，pH日均值受日照和水溫影響較大。橫江大橋的斷面的pH值變化比較平緩，但是變化趨勢也是和橫江流域整體變化趨勢一致。

橫江流域pH值的變化特征是7、8月份pH日均值最高，最低值位于4-6月份。

2.3 橫江流域水質(zhì)浮游植物群落結(jié)構(gòu)及其優(yōu)勢種特征

2022年不同月份的生物鑒定數(shù)據(jù)經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，橫江流域共鑒定出7門60屬，其中硅藻門最為豐富，共計(jì)25種，其次為綠藻門，共計(jì)16種，藍(lán)藻門共計(jì)15種。數(shù)據(jù)表明，橫江流域浮游植物種屬數(shù)在夏秋季大于冬季，萬安壩上斷面的數(shù)量多于其他斷面，尤其是夏季藍(lán)藻門較多。其中浮游植物相對占比前兩位的是硅藻門、綠藻門，合計(jì)貢獻(xiàn)率超過87%。

以優(yōu)勢度指數(shù)大于10%定義為優(yōu)勢種，可以看到橫江流域的主要的優(yōu)勢種為雙菱藻（Surirellasp.）、菱形藻（Nitzschia sp.）、小環(huán)藻（Cyclotellasp）、裸藻（Euglena sp.）、扁形卵形藻（Cocconeis pla-centula）、囊裸藻（Euglenophyta sp.）。隨著春季-夏季-秋季時間的變化，主要群落變化從硅藻門-綠藻門-硅藻門，主要是以硅藻門為主。

2.4 橫江流域水質(zhì)因子與浮游植物群落相關(guān)性

為了了解橫江流域水質(zhì)因子與浮游植物群落之間的關(guān)系，尤其是浮游植物群落的變化對pH值變化影響，篩選各采樣點(diǎn)豐度占比不小于1%，且出現(xiàn)頻率不低于25%的浮游植物，結(jié)合環(huán)境水質(zhì)因子進(jìn)行消除趨勢對應(yīng)分析，選擇冗余分析（RDA），排序軸1和排序軸2解釋率為79.7%、16. 8%，如圖3所示，可以看出水質(zhì)中總磷、水溫、溶解氧、總氮對浮游植物群落變化的貢獻(xiàn)率較大。裸藻門、綠藻門、隱藻門、甲藻門受水溫、溶解氧影響較大。

3 討論

3.1 橫江流域水質(zhì)pH值時空變化機(jī)理分析

影響水質(zhì)pH值升高的因素很多，比如地質(zhì)背景、氣候因素、富營養(yǎng)化元素的匯入、浮游植物大量繁殖等。本次調(diào)查了解橫江流域水質(zhì)pH月值從上游到下游逐漸升高，變化趨勢是7、8月份的pH值>9 - 12月份、3月份的pH值>4-6月份的pH值。

利用2022年不同月份采集的各個監(jiān)測斷面的表層水樣pH值與水質(zhì)因子以及離子因子，采用Pearson相關(guān)性分析，如圖4所示?？梢钥闯鰌H值與溶解氧相關(guān)系數(shù)為0. 66，顯著正相關(guān)；pH值與葉綠素a顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0. 57；葉綠素a與水溫顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0. 53。可以看出導(dǎo)致pH值升高的因素是溶解氧、葉綠素a、水溫。為了進(jìn)一步探究橫江流域水質(zhì)pH值變化機(jī)理，文章對影響pH值變化的因素進(jìn)行分析。

天然水體中，H+濃度主要取決于CO2 - HCO3-- CO-3緩沖體系各組分的相對變化，在整個碳酸鹽緩沖體系中，各種形式的離子保持著平衡狀態(tài)，如式（1）所示：

CO2、HCO3 -、CO-3是水中無機(jī)碳的主要存在形式，能夠被浮游植物利用轉(zhuǎn)化成有機(jī)質(zhì)維持浮游植物生長所需要。水中藻類通過光合作用攝取水體中的CO2或者HCO-3，同時浮游植物通過呼吸作用向水體中釋放CO2，增加水中的CO2含量，因此，當(dāng)水體中的CO2含量減少，式（1）向左偏移，H+減少，導(dǎo)致pH值增加，而水中的HCO-3含量減少，式（1）向右偏移，H+增加，pH值降低。

橫江流域pH值與葉綠素a顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0. 57，葉綠素a的含量反映了藻類細(xì)胞生物量的變化，因此，當(dāng)橫江流域pH值升高，葉綠素a的濃度也變高了，變化趨勢一致，說明浮游植物的快速生長導(dǎo)致水體pH值升高。初步分析認(rèn)為橫江流域的pH值升高和浮游植物的光合作用密切相關(guān)。

河流水溫對橫江流域pH值的影響，主要是通過水溫影響葉綠素a變化，從而間接的影響了流域pH值。水溫變化會影響碳酸鹽CO2 - HCO3- - CO3-緩沖體系，當(dāng)溫度升高時，大氣壓降低，大氣中CO2就會通過水一氣界面進(jìn)入到水體中，導(dǎo)致溶解在水中的CO2增加，研究表明，CO2濃度增加會促進(jìn)水生植物和浮游植物的生長速度。水溫升高也提高了浮游植物的光合作用，式（1）向左偏移，H+減少，pH值增加，說明水體二氧化碳碳酸鹽CO2 - HCO3-- CO3-緩沖體系平衡是影響橫江流域水體pH值升高的原因。

氮、磷營養(yǎng)因素是浮游植物生長的主要養(yǎng)分，氮磷含量的變化，主要是N/P比的數(shù)值，影響了浮游植物的生物量的數(shù)量，最終影響水體pH值的變化。如圖5所示，橫江流域水體N/P比的數(shù)值與總氮顯著正相關(guān)，氮的消化和反硝化作用會對水體的pH值產(chǎn)生影響，是由于氨氮在硝化菌的作用下，可以轉(zhuǎn)化硝酸鹽，釋放H+導(dǎo)致水體pH值降低。研究表明橫江流域pH值與總磷、總氮、氨氮沒有相關(guān)性，說明硝化作用和反硝化作用不是導(dǎo)致橫江流域pH值變化的主要因素。

3.2 橫江流域浮游植物對水質(zhì)pH值的影響分析

浮游植物群落與水環(huán)境因子關(guān)系密切，直接影響著水生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。此次研究發(fā)現(xiàn)橫江流域主要浮游植物群落以硅藻、綠藻、藍(lán)藻為主。根據(jù)浮游植物生物量和水質(zhì)指標(biāo)主成分分析，如圖5所示，橫江流域硅藻、藍(lán)藻受水溫、總磷影響較大，綠藻門和水溫、pH關(guān)系較密切，綠藻和總磷負(fù)相關(guān)。

研究表明硅藻易成為大型河流中的常見類群，其密度和生物量可達(dá)藻類總數(shù)的60%以上。硅藻門喜歡低溫，春季和秋季能夠快速生長成為優(yōu)勢種，藍(lán)藻門、綠藻門喜歡高溫，在夏季成為優(yōu)勢種，橫江流域的研究也體現(xiàn)了浮游植物的這種分布趨勢。由于藻類體表通常帶有負(fù)電荷，非離子態(tài)化合物比離子態(tài)化合物更容易滲入藻類細(xì)胞，pH值過高或過低都會影響水體中有機(jī)質(zhì)的離子化作用，從而間接影響藻類生長，因此，pH值是決定藻類密度分布的重要因素。

另外溫度也影響了藻類種屬的變化，譚嘯等室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)表明，綠藻門在12.5℃- 16℃占據(jù)優(yōu)勢，19℃以上藍(lán)藻門增多，25℃- 30℃是藻類最適宜的溫度，溫度過高也限制藻類的生長。橫江流域的pH值的變化有明顯的季節(jié)性，和藻類的種屬的分布密切相關(guān)，夏秋季流域pH值較高，冬季較低，春季以硅藻為主，夏季以藍(lán)藻為主，秋季綠藻、硅藻為主?？梢钥闯鲈孱惙N屬的變化導(dǎo)致了水體pH值的變化，與水體中的浮游植物的光合作用和呼吸作用密切相關(guān)。

水體pH值過高，藍(lán)藻種屬數(shù)量越多，目前橫江流域在夏季藻類種屬較多，藍(lán)藻門、綠藻門都有，但是優(yōu)勢種主要還是以硅藻門、綠藻門為主，為了防止藻類的群落結(jié)構(gòu)向藍(lán)藻轉(zhuǎn)變，就要控制pH值升高，減少氮磷等營養(yǎng)因素的入河量，可以在河岸種植高等水生植物，抑制藻類的生長。

為了減少表層藻類的數(shù)量，通過增殖放流以浮游植物為食的魚類，減少食浮游植物的動物和食底柄動物的魚類，保證河流具有一定數(shù)量的浮游動物。生物作用是橫江流域pH值升高的主要影響因素，因此要持續(xù)的開展水污染治理，降低人河的磷素，不僅要治理岸邊的生活污水，還要防治土壤中的磷素進(jìn)入河流，進(jìn)一步控制和減少農(nóng)業(yè)面源污染。

4 結(jié)論

橫江流域基巖為石灰?guī)r地區(qū)，本底值較高，由于從漳水人橫江處河面變寬，流速相對較緩，水生挺水和沉水植物茂盛，以沉水植物苦草、金魚藻等為主，河漫灘較發(fā)育，挺水植物種類較多，沿河兩岸居民較多，部分生活污水匯入河流，因此，生活污水、浮游植物、沉水植物都會對河流的pH值產(chǎn)生影響。文章研究表明，橫江流域的pH值有明顯的季節(jié)性變化，冬季浮游植物的光合作用減弱，pH日均值低于9；在春、夏、秋季pH值有明顯的升高和降低的趨勢，并在夏季達(dá)到最高值。從上游的漳水?dāng)嗝娴较掠蔚臋M江大橋斷面pH值總體呈現(xiàn)出上升的趨勢。由于橫江流域水體的浮游植物的光合作用活躍，改變了水體的二氧化碳碳酸鹽平衡，使得水體偏堿性，因此，橫江流域的高pH值的產(chǎn)生機(jī)理主要是受高密度的浮游植物的光合作用影響。

基金項(xiàng)目：安徽省高校自然科學(xué)研究重大項(xiàng)目（2022AH040266）；黃山市重點(diǎn)流域水體pH變化特征及其影響因素研究（HJACG2021C131A）；黃山學(xué)院人才啟動項(xiàng)目（202lxkjq007）