南水北調(diào)運行初期東平湖浮游植物群落特征分析

冷春梅，董貫倉，王亞楠，師吉華，朱士文，李秀啟

（山東省淡水漁業(yè)研究院，山東 濟南250016）

南水北調(diào)是緩解我國北方水資源嚴重短缺問題的國家重要戰(zhàn)略工程，東平湖作為東線工程的最后一級調(diào)蓄湖泊，乃南水北調(diào)東線工程的重要節(jié)點，其水質(zhì)安全是保障工程成敗的關(guān)鍵[1]。東平湖（35°30′～36°20′N，116°00′～116°30′E） 位于山東東平縣的西部，地質(zhì)時期屬于古大野澤的一部分，多年平均水深1～2m，湖區(qū)面積209 km2，蓄水總量40×109m3，湖區(qū)漁業(yè)資源豐富，是山東省重要的淡水漁業(yè)生產(chǎn)基地。南水北調(diào)通水后，調(diào)蓄湖泊的水位將有所提高，而外來水的進入也將影響到湖區(qū)水域生態(tài)環(huán)境，各類生物資源也會發(fā)生一定變化[2]。浮游植物為生態(tài)系統(tǒng)中的初級生產(chǎn)者，是其他一切生物賴以生存的關(guān)鍵[3]，能夠靈敏而迅速地反映水環(huán)境的變化。浮游植物群落結(jié)構(gòu)也決定了其在生態(tài)系統(tǒng)中的功能差異[4]。南水北調(diào)運行后，東平湖水質(zhì)定會隨著大量南水的調(diào)入而發(fā)生改變，在一定程度上影響湖區(qū)浮游植物的組成，浮游植物的群落特征則可作為自然水體評價的重要內(nèi)容[5-9]。

2013年7月南水北調(diào)東線進行了試通水運行，11月19日—12月10日正式運行并調(diào)水3 400萬m3,調(diào)水量約占東平湖水體容量的0.085%。雖然首次調(diào)水來水量較少，可能不會嚴重影響湖區(qū)的水質(zhì)及漁業(yè)資源等生態(tài)狀況，但經(jīng)由洪澤湖、京杭大運河等水體調(diào)入的長江水，各水體水生生態(tài)系統(tǒng)組成的差異卻可能帶來東平湖水體小型、微型生物群落的變化。其中，浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征對環(huán)境反應(yīng)敏感，能對水域環(huán)境做出快速響應(yīng)[8]。因此，本文于2013年通過監(jiān)測東平湖浮游植物的，并同期跟蹤通水過程中浮游植物的變化狀況，以期為南水北調(diào)東線工程通水前的東平湖提供浮游生物基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并為長期跟蹤研究提供基礎(chǔ)資料。

1 材料與方法

1.1 站位設(shè)置

2013年3月、5月、8月和11月在東平湖進行4次采樣調(diào)查。調(diào)查期間，依據(jù)水文特征及漁業(yè)利用情況，在東平湖內(nèi)設(shè)立7個采樣站位（圖1），另于調(diào)水后的11月增設(shè)8#調(diào)水干渠站位一處。采樣點包括出湖口、入湖口、水草保護區(qū)，主要人類活動區(qū)等重點區(qū)域。群落結(jié)構(gòu)的分析主要針對湖區(qū)1#～7#站位，僅就調(diào)水影響的分析過程中專門就8#站位進行討論。

圖1 東平湖調(diào)查站位設(shè)置Fig.1 The distribution of sampling sites in Dongping Lake

1.2 浮游植物采集及計數(shù)

于水深0.5m處用有機玻璃采水器采集水樣后，取1 000mL加入15mL魯哥試劑搖勻。帶回實驗室靜置沉淀48h后濃縮至40mL鏡檢，用浮游植物

式中，H′為Shannon-Wiener生物多樣性指數(shù)，Y為優(yōu)勢度指數(shù)，S為物種數(shù)，N為某采樣站位樣品中浮游生物總個數(shù)（個），ni為樣品中第i種的個數(shù)（個），fi為第i種生物在全部采樣站位的出現(xiàn)頻率。

根據(jù)徐兆禮等[11]浮游動物優(yōu)勢種的規(guī)定，Y＞0.02時該種為優(yōu)勢種。根據(jù)何志輝[12]和孔繁翔[13]的評價標準：H′＜1 時，為重度污染；H′=1～2，為中度污染；H′=2～3，為輕度污染；H′＞3，為清潔。計數(shù)框在10×40倍光學顯微鏡下進行觀察計數(shù)。計數(shù)時充分搖勻后取0.1mL濃縮液放入0.1mL計數(shù)框中，觀察100個視野，每樣品計數(shù)兩片取平均值；若兩片計數(shù)結(jié)果相差15%以上，則進行第三片計數(shù)，取個數(shù)相近兩片平均值，然后換算成每升水樣中藻類的細胞個數(shù)，即為細胞密度。將藻體當做近似幾何圖形，按求積公式獲得生物體積，假定比重為1而得到生物量。浮游植物種類鑒定參考《淡水生物圖譜》[10]。

1.3 生物多樣性分析

用生物多樣性指數(shù)和優(yōu)勢度指數(shù)分析浮游生物群落，其計算公式如下：

2 結(jié)果與分析

2.1 種類組成

調(diào)查中，在東平湖共獲得浮游植物8門99種屬，其中綠藻門種類最多為46種屬，其次為裸藻門和硅藻門，分別為14種屬和13種屬，藍藻門、金藻門、黃藻門、隱藻門和甲藻門較少，分別為10種、7種、4種、3種和2種；浮游植物的種類組成存在顯著的季節(jié)差異，不同季節(jié)（月份）浮游植物的種類數(shù)由高至低依次為：8月（66種）＞11月（56種）＞5月（45種）＞3月（25種）。

2.2 密度與生物量的時空分布

如圖2（a）所示，東平湖水中浮游植物密度平均為459.0×104ind./L，時空分布差異顯著：2#（694.1×104ind./L）＞3#（620.4×104ind./L）＞7#（528.8×104ind./L）＞6#（484.0×104ind./L）＞4#（449.6×104ind./L）＞5#（322.5×104ind./L）＞1#（287.3×104ind./L）；不同季節(jié)則為：8月（1 160.2×104ind./L）＞11月（418.3×104ind./L）＞5 月（213.2×104ind./L）＞3 月（44.5×104ind./L）。

浮游植物生物量平均為3.33 mg/L，時空分布差異亦顯著（圖2-b）：2#（5.58 mg/L）＞5#（4.59 mg/L）＞7#（4.44 mg/L）＞6#（2.96 mg/L）＞1#（2.64 mg/L）＞3#（2.34 mg/L）＞4#（2.14 mg/L）；不同季節(jié)為：8月（5.97 mg/L）＞11月（4.99mg/L）＞5月（1.56mg/L）＞3月（0.80mg/L），與密度的變化趨勢基本一致。

圖2 東平湖水域浮游植物密度與生物量的時空變化Fig.2 Spatiotemporal variation in phytoplankton density and biomass in Dongping Lake

2.3 生物多樣性分析

2.3.1 生物多樣性

由圖3可知，2013年周年東平湖水域浮游植物的生物多樣性指數(shù)（H′）平均為1.48，在不同采樣站位為：7#（2.17）＞5#（1.71）＞6#（1.65）＞2#（1.47）＞1#（1.39）＞4（#1.23）＞3（#1.13）；不同季節(jié)為：5月（1.61）＞11月（1.54）＞8月（1.49）＞3月（1.30），其中 5月 7#的 H′最高為 2.79，3#的 H′最低僅 0.45。

圖3 東平湖水域浮游植物生物多樣性的時空變化Fig.3 The temporal and spatial variation in phytoplankton diversity in Dongping Lake

2.3.2 主要優(yōu)勢種群

東平湖浮游植物優(yōu)勢種群及優(yōu)勢度指數(shù)的變化如表1所示。由表1可知，2013年在東平湖共檢出浮游植物優(yōu)勢種群16種屬，藍藻門、綠藻門各4種，硅藻門3種，金藻門、隱藻門各2種，黃藻門1種；3月優(yōu)勢種群4種，針桿藻Synedra的優(yōu)勢度指數(shù)最高；5月優(yōu)勢種群較分散共7種，藍藻門的鞘絲藻Lyngbya的優(yōu)勢度指數(shù)最高；8月優(yōu)勢種與3月相同，均為4種，席藻Phormidium的優(yōu)勢度指數(shù)最高，達到了0.596；11月優(yōu)勢種群最為豐富，高達8種，優(yōu)勢度指數(shù)也相對平均，其中席藻的優(yōu)勢度指數(shù)最高，為0.239。

2.4 通水初期浮游植物群落特征分析

2013年11月19日—12月10日南水北調(diào)東線東平湖正式運行調(diào)水，期間增設(shè)了入湖前柳長河干渠8#站位，期間調(diào)查結(jié)果見圖4。由圖4可知，調(diào)水期間柳長河干渠浮游植物的密度顯著高于湖區(qū)，生物量在全部站位也僅次于5#站位。8#與7#站位浮游植物種類數(shù)均為21種，低于5#（27種）、3#（24種），而高于1#（19種）、6#（13種）和4#（12種）；8#生物多樣性指數(shù)H′為1.31，低于除4#（1.27）站位外的其他站位。

表1 東平湖水域浮游植物優(yōu)勢種群及優(yōu)勢度指數(shù)Tab.1 The dominant populations and dominance index of phytoplankton in Lake Dongping

圖4 2013年11月東平湖不同調(diào)查站位浮游植物密度及生物量Fig.4 The density and biomass of phytoplankton in different investigation stationsofDongping Lakein November 2013

3 討論

3.1 東平湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)的時空差異

東平湖是山東省第二大淡水湖泊，南水北調(diào)東線工程最后一級蓄水湖泊，在山東省經(jīng)濟發(fā)展中具有重要的生態(tài)意義。浮游植物是自然水體生態(tài)系統(tǒng)的主要初級生產(chǎn)者，在水域生態(tài)系統(tǒng)演替過程中，其種群組成的改變和群落的變動在一定程度上能反映出所在水域的水環(huán)境狀況的變動。研究浮游植物的群落結(jié)構(gòu)特征在湖泊生態(tài)學研究中具有一定的意義。1994年龐清江[14]在枯水期、豐水期和平水期的6個站位中，共檢出浮游植物8門99種屬；2006—2007年王志忠等[15]對東平湖5個站點7次調(diào)查中，共檢出浮游植物8門85屬142種；陳璽等[16]2011年8月三個斷面9個采樣點調(diào)查共采集浮游植物6門55屬種。與上述研究相比，本調(diào)查中共獲得浮游植物8門99種屬，物種數(shù)低于2006—2007年,高于2011年的調(diào)查結(jié)果，與20世紀末調(diào)查結(jié)果基本一致，表明東平湖浮游植物種類數(shù)量在較長的期間處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

浮游植物種類組成的穩(wěn)定性一定程度也反映了湖泊生境的穩(wěn)定性。龐清江[14]1994年的調(diào)查和陳璽等[16]2011年調(diào)查結(jié)果類似，東平湖浮游植物以綠藻門最多，硅藻門次之，再次為藍藻門，其他種屬所占比例較少；王志忠等[15]2006—2007年調(diào)查結(jié)果則為綠藻門最多，其次為藍藻門、硅藻門和裸藻門；在本次采樣中，仍然是綠藻門種類最多，其次為裸藻門、硅藻門和藍藻門。浮游植物的時空變化特征與所處環(huán)境關(guān)系密切，水環(huán)境因子的改變直接影響浮游植物群落結(jié)構(gòu)[17-19]，而浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征也在一定程度地反映水體生態(tài)環(huán)境狀況[20]。東平湖浮游植物組成長期處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，均以綠藻門種類最多。但是，伴隨湖泊生態(tài)環(huán)境的改變，次優(yōu)勢種群有一定的變化，從20世紀末的硅藻轉(zhuǎn)變?yōu)樗{藻、硅藻和裸藻，且后三者的相對優(yōu)勢也有一定程度的變化，但其對水域環(huán)境變化的響應(yīng)機制及水環(huán)境變化的預(yù)示作用尚需后續(xù)監(jiān)測的驗證。

浮游植物的空間分布特征可在一定程度上反映所在水域的環(huán)境狀況。浮游植物的密度、生物量、種類組成、優(yōu)勢種群的構(gòu)成，以及多樣性指數(shù)等均反映水域內(nèi)浮游植物的整體趨勢，常作為描述群落演替方向、速度和穩(wěn)定程度的指標[21]。

東平湖浮游植物優(yōu)勢種群共有6門16種，由藍藻門、綠藻門、硅藻門、藻門、隱藻門、黃藻門構(gòu)成。其中5月、8月和11月浮游植物優(yōu)勢種群均以藍藻門為主，3月硅藻門占優(yōu)勢。東平湖浮游植物H′的變化范圍為0.45～2.79，陳山口處最高，八里洼泵站處最低，采樣站位間的差異來源較為復雜，周邊人類活動的頻繁程度及所在湖區(qū)的水深等條件均對其有顯著的影響。周年平均值為1.48，不同采樣季節(jié)間分別為：5月（1.61）＞11月（1.54）＞8月（1.49）＞3月（1.30），變化較小，差異不顯著。根據(jù)浮游植物H判斷，東平湖浮游植物多樣性指數(shù)2＞H′＞1，整體處于中度污染狀態(tài)。

東平湖浮游植物種11月最為豐富，Shannon-Wiener多樣性指數(shù)最高值出現(xiàn)在11月，這是由于浮游植物的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)是種類豐富度和均勻度的綜合反映，部分研究認為Shannon-Wiener多樣性指數(shù)與均勻度呈顯著的正相關(guān)，Shannon-Wiener多樣性指數(shù)受群落均勻度與種類數(shù)的雙重影響[22-24]。

東平湖浮游植物群落特征時空變化受多種因素影響，其中最主要的是水溫和季節(jié)的變動，其次水體營養(yǎng)鹽類及底質(zhì)的影響。采樣站位間的差異來源較為復雜，周邊人類活動的頻繁程度及所在湖區(qū)的水深等條件均對其有顯著的影響。

3.2 南水北調(diào)東線工程生態(tài)影響分析

陳璽等[16]認為，浮游植物的空間分布特征可從根本上決定大型水庫的生態(tài)格局，而Rodrigo等[25]對西班牙地中海海岸地區(qū)小型淺水水體研究發(fā)現(xiàn)，具有明顯的富營養(yǎng)化梯度的水體浮游植物的豐富度、均勻度與多樣性指數(shù)與營養(yǎng)狀態(tài)僅表現(xiàn)出微弱的聯(lián)系，其原因在于該區(qū)域水體大小、深度、形狀、水文條件與植被覆蓋狀況等均明顯不同，生境的異質(zhì)性在一定程度上限制了多樣性的損失。目前，東平湖浮游植物的密度、生物量、組成與種類豐富度等諸多方面分布較為均勻[16]，但東平湖作為南水北調(diào)東線工程的四個重要的蓄水湖之一，南水北調(diào)工程實施輸水后，東平湖年承載調(diào)水量10億m3左右，增加了供水區(qū)域內(nèi)河流、湖泊、水庫的水環(huán)境容量，水體交換量不斷增加，每年東平湖20%以上水體將得到更換，其水位將高出現(xiàn)在正常水位2～3m[26]。調(diào)水實施后，湖內(nèi)水位升高，春季大部分水生植物無法長出水面；水位加深，水溫回升慢，使某些魚類產(chǎn)卵季節(jié)推遲，蝦類和底棲動物減產(chǎn)[26,27],同時長江及輸水沿線水體中的生物勢必將引入東平湖，在一定程度上使原有漁業(yè)資源和生態(tài)環(huán)境發(fā)生變化[26]。這一方面可能會引起生物多樣性增加，對修復生物鏈和恢復生物資源起到一定作用，逐步改善和恢復生態(tài)環(huán)境[27]，另一方面由于外來物種入侵,可能造成湖區(qū)魚類資源生態(tài)位的損壞或者缺失。這一系列生境的改變，足以對東平湖內(nèi)生態(tài)格局產(chǎn)生影響，而這種影響將隨著通水的不斷進行，各種生境的相互適應(yīng)或抑制，而達到一個新的生態(tài)平衡。

調(diào)水后2013年11月東平湖浮游植物密度、生物量、種類組成與香農(nóng)-威納多樣性指數(shù)H′等與其他季節(jié)相比卻沒有發(fā)生明顯的差異，表現(xiàn)出了一定程度的穩(wěn)定性（或抗性或慣性）。這種穩(wěn)定性一方面源于湖區(qū)面積較大，本次調(diào)水量僅占湖區(qū)0.85%，本身的稀釋作用，調(diào)水尚不足以對整個湖區(qū)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生快速影響；另一方面，11月份華東地區(qū)已進入秋末冬初，光照減弱，氣溫降低，浮游植物的生長繁殖進入了緩慢季節(jié)，調(diào)水后浮游植物沒有表現(xiàn)出較為明顯的應(yīng)激效應(yīng)。本次調(diào)查主要跟蹤監(jiān)測了工程調(diào)水初期浮游植物群落情況，雖然浮游植物的種類組成和數(shù)量未呈現(xiàn)出顯著的變化，但生態(tài)系統(tǒng)的變化應(yīng)為一個長期的緩慢過程，且本調(diào)查中，外來水源與湖區(qū)水體浮游植物群落存在一定的差異，因而，南水北調(diào)工程調(diào)水實施后對湖區(qū)生態(tài)環(huán)境的影響仍需長期監(jiān)測。