小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙對下游河道浮游生物的影響

宋 劼，易雨君，侯傳瑩，楊雨風

（北京師范大學水沙科學教育部重點實驗室，北京100875）

1 引 言

水庫具有蓄水、發(fā)電、防洪等功能，在人類社會經(jīng)濟發(fā)展中起到了重要的支撐作用。然而研究表明，大壩的建設(shè)及水庫調(diào)度削弱了河流縱向連通性，阻礙了大壩上下游物質(zhì)輸運［1-2］，同時水庫蓄水使得下游河道流量減小，自凈能力降低，水體污染物濃度上升，最終導致水庫下游生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生退化。浮游生物是河流生態(tài)系統(tǒng)主要生物類群之一，也是魚類和底棲動物種群的主要食物，在河流生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動中起到了至關(guān)重要的作用。但是，當前對河流生態(tài)系統(tǒng)生物群落的研究主要集中在具有經(jīng)濟效益的魚類種群上，其次是底棲動物，對浮游生物的關(guān)注度較前二者低。與魚類和底棲動物相比，浮游生物體積小、壽命短而繁殖能力強，隨水流遷移，對水環(huán)境要素具有很高的響應(yīng)能力，且不同種浮游生物的敏感性和適應(yīng)性不同［3］，故可通過浮游生物種群結(jié)構(gòu)的變化來直觀反映水體環(huán)境狀態(tài)。浮游生物身處食物鏈底層，其種群結(jié)構(gòu)受環(huán)境因子影響發(fā)生改變時，必然會對水體中其他生物群落，如底棲動物和魚類，產(chǎn)生直接或間接影響［4-5］。

20世紀80年代以來，我國學者對浮游生物在水庫及河流中的分布情況進行了大量的采樣調(diào)查，對浮游生物空間分布［6-7］、季節(jié)性變化［8］、主要影響因子及影響機理［9-11］等進行了深入探討。但截至目前，在水庫調(diào)度對浮游生物的影響規(guī)律方面的研究仍然較少，且主要研究對象為庫區(qū)浮游生物，而非下游河道浮游生物。

黃河的生態(tài)問題一直受到多方關(guān)注，尤其是近年來小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙運用對下游河流及河岸帶生態(tài)系統(tǒng)帶來一定影響［12］，包括短期、瞬時變化，如水文、水質(zhì)的改變，以及長期、潛在變化，如生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能的演變。在調(diào)水調(diào)沙對浮游生物的影響方面，目前已有研究人員調(diào)查了小浪底調(diào)水調(diào)沙前后下游河道的浮游生物主要物種［13］，但在鑒定方面仍較為粗糙；另外有研究人員對壺口—三門峽河段浮游生物受調(diào)水調(diào)沙的影響進行了分析［14］。為揭示黃河小浪底以下河段浮游生物物種結(jié)構(gòu)對調(diào)水調(diào)沙的響應(yīng)方式，本研究調(diào)查了2018年調(diào)水調(diào)沙前后下游河道浮游植物及浮游動物的種類組成、豐度和生物多樣性，探討小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙運用對下游河道浮游生物群落影響的時空規(guī)律。

2 研究方法與數(shù)據(jù)

2．1 研究區(qū)域概況

黃河小浪底—利津段跨河南和山東兩省，流域面積2．6萬km2，河道全長約920 km，2018年7月3日8時開始，小浪底和西霞院水庫聯(lián)合調(diào)度進行調(diào)水調(diào)沙。本研究在黃河中下游選取具有代表性的監(jiān)測樣點（見圖 1），主要包括西霞院水庫（S2）、水庫壩下（S1、S3）、寬灘區(qū)段（S4～S8）和束窄區(qū)段（S9～S10），監(jiān)測樣點中除S2和S3外均與相應(yīng)水文站點匹配。在2018年調(diào)水調(diào)沙前（6月21—23日）和調(diào)水調(diào)沙期（7月5—7日）分別對黃河小浪底—利津段進行浮游生物調(diào)查。

2．2 數(shù)據(jù)測定

水環(huán)境參數(shù)測定分現(xiàn)場測定與室內(nèi)測定兩部分?，F(xiàn)場使用多參數(shù)水質(zhì)儀（YSI-EXO）測定溫度（T）、溶解氧（DO）、pH值、氧化還原電位（ORP）和葉綠素 a（Chl-a），并采集水樣。室內(nèi)采用國標方法測定水樣總氮（TN）和總磷（TP）含量。

浮游動物定量樣品采用25#浮游生物網(wǎng)過濾，浮游植物定量樣品用1 L聚乙烯瓶采集水樣，用魯哥試劑固定，回到實驗室靜置48 h后用虹吸法濃縮至30 mL，采用20 mm×20 mm計數(shù)框和10×20倍顯微鏡進行計數(shù)及鑒定。物種鑒定方法見文獻［15-19］。

2．3 生物多樣性分析

（1）物種優(yōu)勢度。其表達式為

式中：ni為第i種物種的總個體數(shù)；N為所有物種的總個體數(shù)；fi為第i種物種在各監(jiān)測樣點出現(xiàn)的頻率；Y為物種優(yōu)勢度，以Y＞0．02的物種作為優(yōu)勢種。

（2）Shannon-Wiener多樣性指數(shù)。其表達式為

式中：H為Shannon-Wiener多樣性指數(shù)；S為物種數(shù)。

3 結(jié)果與討論

3．1 調(diào)水調(diào)沙前后水環(huán)境要素時空特征分析

表1為調(diào)水調(diào)沙前后10個樣點水體環(huán)境要素特征值。由表1可知，調(diào)水調(diào)沙前水污染水平較低，調(diào)水調(diào)沙后污染水平明顯上升。根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838—2002）［20］，調(diào)水調(diào)沙前，TN 的濃度除位于小浪底水庫附近的S1和濼口附近的S9外，整體處于Ⅲ類和Ⅳ類水標準，TP的濃度整體優(yōu)于Ⅱ類水標準；調(diào)水調(diào)沙期，TN的濃度除S2和S9外均處于Ⅳ類水標準，TP的濃度除S2外均優(yōu)于Ⅱ類水標準。調(diào)水調(diào)沙前、后水體葉綠素a的平均濃度分別為4．01、9．85 μg／L，根據(jù)較為通用的葉綠素a分類判別水體富營養(yǎng)化水平的方法［21］，黃河富營養(yǎng)化程度大致處于中營養(yǎng)水平（Ⅱ級，1．6～10 μg／L）。

3．2 黃河下游河道浮游生物物種組成

3．2．1 浮游植物物種組成

10個采樣點兩次調(diào)查共監(jiān)測到藍藻門（Cyanophyta）、甲藻門（Pyrrophyta）、裸藻門（Euglenophyta）、硅藻門（Bacillariophyta）、隱藻門（Chrysophyta）和綠藻門（Chlorophyta）等6個門類，共計71種（見表2），其中：綠藻的種類最多，有27種，占總物種數(shù)的38．03%；其次是硅藻，有 25種，占 35．21%；藍藻 8種，占11．27%；裸藻 6 種，占 8．45%；甲藻 3 種，占 4．23%；隱藻 2種，占2．82%。

3．2．2 浮游動物物種組成

兩次采樣共收集到浮游動物3門8科25種，其中：輪蟲 （Rotifera）22 種，占 88．00%；枝角類（Cladocera）1 種，占 4%；橈足類（Copepoda）2 種，占8%。物種組成見表3。

3．3 調(diào)水調(diào)沙前后浮游植物分布及時空動態(tài)變化

調(diào)水調(diào)沙前黃河下游浮游植物平均生物量為0．66 mg／L，調(diào)水調(diào)沙期平均生物量降至 0．47 mg／L。 采樣時正處于夏季，氣溫較高，加上黃河水中泥沙含量較高，使得調(diào)水調(diào)沙前硅藻大量增殖，而藻類總生物量在調(diào)水調(diào)沙期間降低了28．79%，主要原因是調(diào)水調(diào)沙期間流量和水體含沙量短時劇增，一方面將浮游生物稀釋導致總濃度降低，另一方面高含沙量使得水體透明度接近于零，導致部分浮游植物因無法獲得陽光而死亡。S2位于西霞院水庫庫區(qū)，西霞院為小浪底的反調(diào)節(jié)水庫，在調(diào)水調(diào)沙期出于防汛目的已完全放空，樣點原位僅剩淺水，主流從樣點對岸側(cè)通過，樣點含氧量和葉綠素a含量均較調(diào)水調(diào)沙前大幅升高，浮游植物生物量亦明顯高于同期上游其他點位，甚至高于調(diào)水調(diào)沙前同一點位。

調(diào)水調(diào)沙前浮游植物的生物多樣性指數(shù)變化范圍為 0．06～1．24，平均值為 0．36，從空間上看，沿程最小值出現(xiàn)在花園口附近的S4，最大值出現(xiàn)在濼口附近的S6，S5～S7段顯著高于其他河段。調(diào)水調(diào)沙期的生物多樣性指數(shù)變化范圍為 0．49～2．55，平均值為 1．14，從空間上看，沿程最低值出現(xiàn)在位于西霞院水庫的S2，最高值出現(xiàn)在位于高村附近的S6，S9～S10段顯著高于除S6外的其他河段（見圖2）。

根據(jù)調(diào)水調(diào)沙前后小浪底下游河道浮游植物生物量及生物多樣性指數(shù)沿程變化情況，S1～S7除S2外調(diào)水調(diào)沙期浮游植物的生物量均明顯降低（降幅為39．56%～90．79%），而從S8起浮游植物的生物量不再降低，反而呈上升趨勢，同時生物多樣性指數(shù)大幅上升，升幅高于之前的河段，說明由調(diào)水調(diào)沙產(chǎn)生的水沙脈沖對于河道浮游植物的影響可能存在一個較為明顯的影響區(qū)，而該影響區(qū)邊界可能位于S7～S8之間，在S8之后的河段受調(diào)水調(diào)沙的影響逐漸減弱，影響河段長度達540 km。

表1 調(diào)水調(diào)沙前后水體環(huán)境要素特征值

表2 浮游植物物種組成

續(xù)表2

表3 浮游動物物種組成

整體而言，調(diào)水調(diào)沙使得小浪底水庫下游浮游植物的生物多樣性顯著上升，有利于河流物質(zhì)的輸送，同時對下游河道生態(tài)系統(tǒng)具有一定的改善作用。

基于門的浮游植物生物量組合百分比見圖3。調(diào)水調(diào)沙前硅藻的生物量占絕對優(yōu)勢，占比高達58．71%；其次為綠藻，占 15．16%；甲藻居第三，占12．13%；隱藻占 4．39%；藍藻最低，占 0．60%。 調(diào)水調(diào)沙期綠藻占絕對優(yōu)勢，其平均值高達57．52%；其次為硅藻，占 28．99%；藍藻居第三，占 9．84%；隱藻最低，占0．10%。優(yōu)勢物種方面，調(diào)水調(diào)沙前浮游植物優(yōu)勢種主要是硅藻門的大羽紋藻（Pinnularia maiar，占22．33%）、舟形藻（Navicula sp．，占 10．76%）和甲藻門的角甲藻（Ceratium hirundinella，占 9．92%），進入調(diào)水調(diào)沙期，綠藻門的二角盤星藻及其變種（Pediastrum duplex ＆ duplex v．gracillimum，占 32．44%）、小空心星藻（Coelastrum microporum，占 13．51%）和硅藻門的草鞋／橢圓形波緣藻（Cymatopleura solea＆ elliptica，共占12．88%）成為優(yōu)勢物種。

3．4 調(diào)水調(diào)沙前后浮游動物物種分布及時空動態(tài)變化

調(diào)水調(diào)沙前黃河下游浮游動物平均生物量為0．25 mg／L，調(diào)水調(diào)沙期浮游動物平均生物量升至4．49 mg／L。主要原因是黃河水體含沙量高，流速較大［22］，不利于浮游動物的生存，而水庫中浮游動物物種豐度明顯高于下游河道的，隨著調(diào)水調(diào)沙的進行，小浪底水庫及上游河道中的浮游動物大量進入下游河道，使得下游河道浮游動物物種豐度明顯升高。但在約35 km的距離內(nèi)浮游動物的生物量便降至壩下的24．88%，影響區(qū)長度較短，縱向生物量分布呈現(xiàn)快速下降的趨勢。

調(diào)水調(diào)沙前浮游動物的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)變化范圍為 0．02～0．52，平均值為 0．24。 從空間上看，沿程最小值出現(xiàn)在高村附近的S6，最大值出現(xiàn)在孫口附近的S6，S1～S5段普遍高于除S7外的S6～S10段；調(diào)水調(diào)沙期的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)變化范圍為 0．00～0．35，平均值為 0．14。 從空間上看，沿程最小值出現(xiàn)在孫口和濼口的S7和S9，最大值出現(xiàn)在小浪底附近的S1，S1～S6段顯著高于下游河段，具體見圖4。

黃河的浮游動物物種多樣性普遍較低，小浪底建庫后改善了下游河道洪水期流量，庫區(qū)浮游動物種類有所提升。調(diào)水調(diào)沙期間浮游動物生物量明顯上升而生物多樣性反而有所下降，增長的浮游動物可作為下游魚類和底棲動物的餌料，總體而言對下游河流生態(tài)系統(tǒng)有正面影響。

浮游動物生物量組合百分比（見圖5）顯示調(diào)水調(diào)沙前后枝角類均占絕對優(yōu)勢，其平均值分別達67．67%和 91．37%；其次為輪蟲綱，分別占 29．68%和 6．99%；橈足類占比最低，分別為2．65%和1．63%。調(diào)水調(diào)沙前浮游動物的優(yōu)勢物種為枝角類的長額象鼻溞（Bosmina longirosiri，67．67%）和輪蟲綱的月形腔輪蟲（Lecane luna，6．09%）；進入調(diào)水調(diào)沙期，僅長額象鼻溞（Bosmina longirosiri，91．37%）為優(yōu)勢物種。 產(chǎn)生以上現(xiàn)象的主要原因是小浪底水庫建成后形成大面積的靜水條件，有利于枝角類物種的繁殖，調(diào)水調(diào)沙期間大量枝角類物種隨水流進入下游河道，使得下游河道形成以枝角類占絕對優(yōu)勢的浮游動物類群。

4 結(jié) 論

浮游生物在河流生態(tài)系統(tǒng)中具有重要作用，通過對調(diào)水調(diào)沙前后黃河小浪底—利津段河道浮游生物進行調(diào)查，得出了調(diào)水調(diào)沙對浮游生物群落的影響規(guī)律，主要結(jié)論如下。

（1）黃河下游河道夏季浮游生物的生物多樣性總體較低，部分點位浮游動物完全消失，表明生境趨于單一化，浮游植物主要優(yōu)勢種為硅藻門物種，浮游動物主要優(yōu)勢種為枝角類中的大型種類（長額象鼻溞）。

（2）調(diào)水調(diào)沙過程將小浪底庫區(qū)及上游河道的浮游生物種群沖刷至下游河道，對下游河道整體浮游植物的多樣性具有正面影響，而對浮游動物的生物多樣性具有負面影響。

（3）調(diào)水調(diào)沙對浮游植物的影響區(qū)最遠達到艾山—濼口之間，影響河段長達540 km，而對浮游動物的影響河段長度僅為35 km左右。黃河調(diào)水調(diào)沙對下游河道生態(tài)系統(tǒng)的影響未來仍是值得重點關(guān)注的問題。