北方典型小水庫退役前后秋季浮游植物群落特征及其與環(huán)境因子的關(guān)系

孫文秀，吳文強(qiáng)，彭文啟，朱長軍，李步東

(1. 河北工程大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2. 中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038)

0 引 言

近年來，水庫、河流特別是作為飲用水來源的水體的生態(tài)健康狀況及富營養(yǎng)化程度備受關(guān)注，通常進(jìn)行化學(xué)、微生物、浮游植物等方面的監(jiān)測(cè)以確保飲用水安全[1-3]。浮游植物是水生態(tài)系統(tǒng)中最重要的初級(jí)生產(chǎn)者和食物鏈基礎(chǔ)[4]，與其他生物種群有著密不可分的聯(lián)系，其群落結(jié)構(gòu)的變化會(huì)引起系統(tǒng)中食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)的改變，從而影響水生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)、物質(zhì)循環(huán)和信息傳遞[5-7]。河流、水庫等水生態(tài)系統(tǒng)中生產(chǎn)和分解的紊亂及富營養(yǎng)化都將最終引起水質(zhì)的惡化[8]。浮游植物生長受環(huán)境因子的影響較大，與pH、電導(dǎo)、營養(yǎng)鹽等具有明顯的相關(guān)關(guān)系，特別是氮磷營養(yǎng)鹽[9, 10]。浮游植物群落結(jié)構(gòu)的變化在水庫、河流等水體監(jiān)測(cè)中起極為重要的作用。我國小型病險(xiǎn)水庫約6萬多座，平均病險(xiǎn)比例達(dá)53.3%。相關(guān)研究表明，截止到2017年底，全國降等及報(bào)廢水庫達(dá)6 539 座，其中報(bào)廢2 518 座，包括中型3座、小型2 515 座[11]。大壩拆除后，河流連續(xù)性得以恢復(fù)，其地貌、水質(zhì)等條件都將因河流水文條件和泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律的改變而改變，并進(jìn)一步影響植被的分布、類別等[12]。河流生物多樣性是河流生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容之一，也是河流生態(tài)恢復(fù)的主要目標(biāo)[13]。國外學(xué)者Foley等[14]和Doyle等[15]以及國內(nèi)學(xué)者王若男[16]、向衍等[17]研究了大壩拆除對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。

目前，國內(nèi)外很少有關(guān)于水庫退役前后浮游植物群落特征及其多樣性調(diào)查的研究。浮游植物的群落結(jié)構(gòu)和生長繁殖狀況都能直接反映水體的營養(yǎng)化程度和污染狀況[18,19]。由于生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜，拆壩對(duì)生物多樣性的影響也是因地域差異而不同[20,21]，因此，有必要研究各地區(qū)不同類型水庫退役前后其浮游植物群落特征變化及水質(zhì)狀況。本文通過對(duì)平山水庫退役前后的水質(zhì)及浮游植物進(jìn)行監(jiān)測(cè)，選取2015-2018年間秋季四次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)水庫退役前后浮游植物群落特征和生物多樣性指數(shù)進(jìn)行研究，同時(shí)分析其水質(zhì)變化，為保障和改善其水質(zhì)具有非常重要的意義。

1 研究區(qū)域概況

平山水庫位于遼寧省撫順市東洲區(qū)碾盤鄉(xiāng)丁莊村，屬渾河一級(jí)支流東洲河流域，水庫于1975年竣工，是一座以防洪、灌溉為主，兼顧養(yǎng)殖的小型水庫。水庫控制面積1.7 km2，壩址以上河長2.3 km。由于當(dāng)時(shí)的經(jīng)濟(jì)條件和所處年代特殊等因素，水庫施工質(zhì)量不高，配套設(shè)施也很不完善，存在安全隱患，是一座病險(xiǎn)水庫，2016年5月拆除。

東洲河流域地處溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季寒冷降水量少，夏季炎熱降水量多。年平均氣溫7 ℃左右，最低極端氣溫-37.5 ℃，最高極端氣溫37 ℃。多年平均年降水量753 mm，年內(nèi)分配極不均勻，降雨多集中在7、8月份，約占全年降水量的50%以上，年平均無霜期150 d，初霜最早為9月下旬，終霜最晚發(fā)生在5月上旬。

2 采樣與分析方法

研究區(qū)選取平山水庫入口、庫中、壩前3個(gè)采樣點(diǎn)(圖1)。采樣時(shí)間選取平山水庫退役前 2015年9月和退役后2016年9月、2017年9月和2018年9月。

圖1 平山水庫采樣斷面Fig.1 Sampling section of Pingshan reservoir

2.1 樣品采集

根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)中規(guī)定的基本項(xiàng)目，本研究監(jiān)測(cè)指標(biāo)為：pH值、電導(dǎo)率(EC)、溶解氧(DO)、化學(xué)需氧量(COD)、總懸浮固體(TSS)、總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮(NH3-N)。其中pH值、EC、DO使用便攜式多參數(shù)測(cè)量儀(奧立龍/ORION-520M-01A)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。COD、TSS、TN、TP和NH3-N等指標(biāo)使用多參數(shù)比色計(jì)(奧立龍/ORION-AQ3700)測(cè)量。

浮游植物定量樣品的采集方法，用采水器采集上、中、下層浮游藻類水樣等量混合，取混合水樣1 L，現(xiàn)場(chǎng)加入15 mL魯哥氏液固定，將水樣帶回實(shí)驗(yàn)室后，沉淀 24～48 h，濃縮至50 mL，貯存于棕色瓶中；將濃縮水樣搖勻，用移液槍吸取0.1 mL 水樣于浮游藻類計(jì)數(shù)框中，蓋上蓋玻片后在 10×40 倍顯微鏡下鑒定[22,23]并計(jì)數(shù)。浮游藻類計(jì)數(shù)需觀察至少2片計(jì)數(shù)框，每片計(jì)數(shù)框觀察50個(gè)視野， 取其平均值為最終結(jié)果，若2片計(jì)數(shù)結(jié)果相差 15%以上，則進(jìn)行第 3 片計(jì)數(shù)，取其中個(gè)數(shù)相近 2 片的平均值[24]。

2.2 分析方法

運(yùn)用 Microsoft Excel 2016軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，Arcgis 10.4作圖，并用Canoco5軟件進(jìn)行物種數(shù)據(jù)進(jìn)行除趨勢(shì)對(duì)應(yīng)分析( detrended correspondence analysis，DCA)，4個(gè)排序軸中梯度長度( length of gradient)最大值小于3，因此本研究采用的排序分析方法為冗余分析(RDA)。

2.3 數(shù)據(jù)處理

多樣性分析[25,26]。

(1)多樣性指數(shù)。

Shannon-Wieaver指數(shù)：

(1)

Margalef 指數(shù)：

D=(S-1)/lnN

(2)

Pielou(均勻度) 指數(shù)：

J=H′/lnS

(3)

式中：Ni表示第i種的藻類個(gè)體數(shù)；N為所有種類總個(gè)體數(shù)；S為物種數(shù)；H′值0～1為重污染，1～3為中污染。(其中1～2為α-中污，2～3為β-中污)，>3為輕污染或無污染；D<3為重污染，3～4為中污染，4～5為輕污染，>5為無污染；J:0～0.3為重污染，0.3～0.5為中污染，0.5～0.8為輕污染或無污染。

(2)優(yōu)勢(shì)度(Simpson)指數(shù)Y：

(4)

式中：ni表示樣品中第i種物種的個(gè)體數(shù)；fi為第i種在各站點(diǎn)或月份出現(xiàn)的頻率；當(dāng)Y≥0.02時(shí)為優(yōu)勢(shì)種。

3 結(jié)果與分析

3.1 水庫退役前后浮游植物群落結(jié)構(gòu)的變化

3.1.1 水庫退役前后浮游植物種類組成的變化

在2015-2018年4次秋季采樣中，鑒定的浮游植物包括硅藻門(Bacillariophyta)、藍(lán)藻門(Cyanophyta)、綠藻門(Chlorophyta)、隱藻門(Cryptophyta)、甲藻門(Pyrrophyta)、金藻門(Chrysophyta)和裸藻門(Euglenophyta)等7個(gè)門類40種。浮游植物在水庫退役前后種類組成上變化較大(圖2)，表現(xiàn)為水庫退役前的2015年9月綠藻門和硅藻門的細(xì)胞密度占有較大比例(圖3)，分別為42.25%和36.36%，水庫退役前為綠藻-硅藻型；水庫大壩拆除4個(gè)月(2016-09)，浮游植物種類組成比例發(fā)生較大變化，藍(lán)藻增長迅速，占浮游植物總細(xì)胞密度的77.22%；與水庫退役4個(gè)月(2016-09)相比，2017年9月發(fā)現(xiàn)了隱藻門，而且藍(lán)藻、綠藻、硅藻的種類數(shù)均有所增加(圖2)，硅藻門的細(xì)胞密度比例變化明顯(圖3)，達(dá)77.22%，藍(lán)藻門的細(xì)胞密度比例減少為16.79%；與水庫退役一年(2017-09)相比，2018年9月出現(xiàn)了甲藻門和金藻門(圖2)，可以看出浮游植物的多樣性逐漸增加，同時(shí)浮游植物各門類細(xì)胞密度的比例變化幅度較大(圖3)，藍(lán)藻門的比例由16.79%增長為23.63%，硅藻門所占浮游植物的細(xì)胞密度由77.22%減少為28.80%，但其密度比例依然占優(yōu)勢(shì)，其次是裸藻門(23.93%)和藍(lán)藻門。

圖2 平山水庫退役前后秋季浮游植物組成Fig.2 Composition of phytoplankton in autumn before and after decommissioning of Pingshan Reservoir

水庫退役當(dāng)年，水庫庫底裸露，水庫底泥富集的P得到了大量釋放，TP的監(jiān)測(cè)值達(dá)到了4次監(jiān)測(cè)中的最高值；2017年庫區(qū)河床被開墾利用，總P的釋放減少，2017年和2018年秋季，硅藻門一直為優(yōu)勢(shì)種，藍(lán)藻門也占相當(dāng)大比例，綠藻門的比例逐漸減少，可能是因?yàn)楸狙芯康谋O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為秋季，溫度較低，而硅藻在溫度相對(duì)較低的環(huán)境下生長較好，藍(lán)藻比較適應(yīng)低光，其細(xì)胞內(nèi)特有的藻膽蛋白與Chla等結(jié)合能吸收其余藻類所不能吸收的500～600 nm波段的綠光和黃光，因此在較低的光照條件下藍(lán)藻具有更高的生長率，而在溫度較高的夏季有利于綠藻生長[27-29]。與退役前相比，藍(lán)藻門細(xì)胞密度比例增加，說明水體趨于富營養(yǎng)化，特別是2016年9月水體的富營養(yǎng)化程度非常嚴(yán)重。

3.1.2 水庫退役前后浮游植物群落的空間分布

平山水庫退役前后浮游植物細(xì)胞密度呈現(xiàn)出明顯的空間差異(見表1)。水庫退役前(2015-09)入口和庫中未發(fā)現(xiàn)藍(lán)藻，3個(gè)采樣點(diǎn)綠藻均為優(yōu)勢(shì)藻類。與水庫退役前相比，水庫退役4個(gè)月(2016-09)，原壩前藍(lán)藻比例增加，綠藻由63.64%減少為15.38%，硅藻變?yōu)閮?yōu)勢(shì)藻類，由20%增長到61.54%；與2015年秋季比，水庫退役一年后(2017-09)原入口和原庫中均出現(xiàn)了藍(lán)藻，分別占浮游植物細(xì)胞密度的11.11%和15.38%，硅藻為優(yōu)勢(shì)藻類，原壩前綠藻和硅藻的比例均發(fā)生了較大改變，綠藻的比例減少了36.37%，硅藻的比例增加了31.81%；與水庫退役4個(gè)月后(2016-09)相比，2017年9月原壩前未發(fā)現(xiàn)裸藻門，硅藻和綠藻仍占有相當(dāng)大的比例，分別為45.45%和27.27%；與水庫退役前(2015-09)相比，水庫退役兩年后(2018-09)3個(gè)采樣點(diǎn)藍(lán)藻的比例增加，最大比為40%，綠藻比例大幅度減少，最高僅5.56%；水庫退役一年后(2017-09)相比，2018年9月原入口和原壩前藍(lán)藻比例增加，分別增加了18.30%和20.71%，綠藻門比例減少，特別是原壩前，減少了22.29%，硅藻門在原壩前和原庫中的比例變化不大，但在原入口處比例減少了31.7%。

圖3 平山水庫退役前后秋季浮游植物密度組成比例Fig.3 Proportion of phytoplankton in autumn before and after decommissioning of Pingshan Reservoir

表1 各采樣點(diǎn)浮游植物種類組成百分比 %

由以上結(jié)果可知，退役后原庫區(qū)硅藻整體上細(xì)胞密度占優(yōu)勢(shì)，可能是退役后水體恢復(fù)流動(dòng)特性，流速變大，水溫降低，適合硅藻生長[22]，原來的庫底裸露形成河岸緩沖帶，其中的一大半不積水的地方已經(jīng)種植了農(nóng)田，主要農(nóng)作物是大豆和玉米。上游會(huì)有含氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)的農(nóng)田排水流入河流，而且河流寬度不足1m，流量較小，因此在原入口和原庫中處藍(lán)藻的比例有所增加。2018年原庫區(qū)藍(lán)藻的比例均增加，可見水體整體富營養(yǎng)化。

3.2 平山水庫退役前后浮游植物優(yōu)勢(shì)種分析

優(yōu)勢(shì)種的物種數(shù)目和Y值對(duì)浮游植物群落結(jié)構(gòu)多樣性具有重要影響，其可反映研究區(qū)域浮游植物群落結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和穩(wěn)定性，平山水庫退役前后秋季優(yōu)勢(shì)種如表2所示。水庫退役前2015年9月優(yōu)勢(shì)種共10種，其中以卵形隱藻和小環(huán)藻為主，優(yōu)勢(shì)度分別為0.2和0.1；水庫退役4個(gè)月后(2016-09)，優(yōu)勢(shì)種為6種，其中硅藻門3種，藍(lán)藻門2種，綠藻門1種，藍(lán)藻門的綠色微囊藻占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，優(yōu)勢(shì)度達(dá)0.49，微囊藻屬是耐污性較強(qiáng)的藻類，可見此時(shí)原水庫污染較為嚴(yán)重；2017年秋季，優(yōu)勢(shì)種只出現(xiàn)了硅藻門(5種)和藍(lán)藻門(2種)，硅藻門的舟形藻占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，優(yōu)勢(shì)度為0.45；水庫退役兩年后(2018-09)，優(yōu)勢(shì)種包括硅藻門(4種)、藍(lán)藻門(2種)、綠藻門(1種)、甲藻門(1種)和裸藻門(1種)，其中裸藻和多甲藻占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，優(yōu)勢(shì)度均為0.22。

由上結(jié)果可知，水庫退役前優(yōu)勢(shì)種以卵形隱藻和小環(huán)藻為主，水庫退役4個(gè)月后，優(yōu)勢(shì)種以藍(lán)藻門的綠色微囊藻占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，2017、2018年9月優(yōu)勢(shì)種均以硅藻和藍(lán)藻為主，原因可能為庫區(qū)底泥營養(yǎng)鹽的釋放過程發(fā)生變化，另外平山水庫退役后，水庫轉(zhuǎn)為河流，河流混合度較高，而在不穩(wěn)定水體中硅藻所占比例會(huì)增加[30]。2018年多甲藻為優(yōu)勢(shì)種，其屬于污染指示藻類，其可產(chǎn)生多種毒素，導(dǎo)致魚類死亡。

表2 平山水庫退役前后秋季優(yōu)勢(shì)種和優(yōu)勢(shì)度Tab.2 Dominant species and dominance degree of Pingshan Reservoir in autumn before and after decommissioning

3.3 平山水庫退役前后壩址斷面浮游植物多樣性指數(shù)分析

群落結(jié)構(gòu)的變化可能會(huì)導(dǎo)致浮游植物多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)等產(chǎn)生相應(yīng)的變化。平山水庫退役前后壩址斷面對(duì)比(圖4)，除 Margalef(D) 指數(shù)外，Shannon-Wiener指數(shù)(H′)和Pielou 指數(shù)(J)變化趨勢(shì)均一致，2015年9月平山水庫壩前Shannon-Wiener指數(shù)(H′)、Margalef(D)和Pielo指數(shù)(J)分別為2.110、3.00和0.640，平山水庫退役4個(gè)月(2016-09)，Shannon-Wiener指數(shù)(H′)和Pielou 指數(shù)(J)均減小，達(dá)到最小值，分別為1.560和0.608；平山水庫退役1年后(2017.09)，Shannon-Wiener指數(shù)(H′)和Pielou指數(shù)(J)均達(dá)到最大值，依次為2.350和0.916；平山水庫退役2年后(2018-09)，Shannon-Wiener指數(shù)(H′)(2.193)和Pielou指數(shù)(J)(0.759)均有減小的趨勢(shì)，Margalef(D)有所增加，為3.208。

由多樣性指數(shù)可看出原庫區(qū)整體屬于中污染，2016-2017年由α-中污染變?yōu)棣?中污染，而與2016年9月相比，2018年9月Shannon-Wiener多樣性指數(shù)增長了40.58%。由此表明，水庫退役兩年后水體中浮游植物生物多樣性逐漸增加。

圖4 平山水庫退役前后壩前多樣性指數(shù)Fig.4 Diversity index before and after decommissioning of Pingshan Reservoir

3.4 平山水庫退役前后浮游植物群落與環(huán)境因子的關(guān)系分析

(1)浮游植物群落與環(huán)境因子的RDA分析結(jié)果見圖5和表3。平山水庫退役前(2015-09)，第一軸和第二軸的特征值分別為0.970 8和0.028 4，共解釋了屬種數(shù)據(jù)累計(jì)方差的99.91%，由圖5可見，總體來看浮游植物群落由TP、TN、NH3-N、TSS和EC所主導(dǎo)，從圖中物種與環(huán)境因子之間的夾角可以看出硅藻門、綠藻門與TP、TSS、pH、NH3-N和DO呈正相關(guān)，與TN呈負(fù)相關(guān)；藍(lán)藻門與NH3-N、EC呈正相關(guān)，與TP呈負(fù)相關(guān)。

(2)2016年秋季，第一軸和第二軸的特征值分別為0.542 5和0.245 6，共解釋了屬種數(shù)據(jù)累計(jì)方差的78.81%(表3)，浮游植物群落主要由TN、pH和EC所主導(dǎo)(圖5)，可知，硅藻門、裸藻門與TN、TSS、pH和EC呈正相關(guān)；藍(lán)藻門與TN、TSS、pH和EC呈負(fù)相關(guān)；綠藻門與TP、EC呈負(fù)相關(guān)。

(3)平山水庫退役1年后(2017-09)，第一軸和第二軸的特征值分別為0.8214和0.1119，共解釋了屬種數(shù)據(jù)累計(jì)方差的93.33%(表3)，浮游植物群落整體上由TP、EC、NH3-N和TSS所主導(dǎo)(圖5)，從圖中可以看出硅藻門與DO和EC呈正相關(guān)，與TP、NH3-N、COD和TSS呈負(fù)相關(guān)；藍(lán)藻門、綠藻門與TP、NH3-N、COD和TSS呈正相關(guān)，與DO和EC呈負(fù)相關(guān)。

(4)平山水庫退役2年后(2018-09)，第一軸和第二軸的特征值分別為0.639和0.1499，共解釋了屬種數(shù)據(jù)累計(jì)方差的78.90%(表3)?？傮w來看浮游植物群落主要由TP、NH3-N、TSS和EC主導(dǎo)(圖5)，從圖中物種與環(huán)境因子之間的夾角可以看出藍(lán)藻門與TP、NH3-N、TSS、COD呈正相關(guān)，與pH、EC呈負(fù)相關(guān)，硅藻門、綠藻門與COD、EC呈正相關(guān)，與TN呈負(fù)相關(guān)。

圖5 平山水庫退役前后秋季浮游植物群落與主要環(huán)境因子的RDA排序Fig.5 RDA ordination of phytoplankton community and environmental factors before and after decommissioning of Pingshan Reservoir in autumn

表3 平山水庫退役前后秋季浮游植群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子的RDA分析Tab.3 RDA analysis of community structure and environmental factors of phytoplankton in Pingshan Reservoir in autumn before and after decommissioning

平山水庫退役前后，浮游植物主要影響因子均為TP、NH3-N、TSS和EC，這說明浮游植物的生長與氮、磷營養(yǎng)鹽的濃度關(guān)系比較密切，而且和水中的可溶性營養(yǎng)鹽和懸浮物也有較大關(guān)系。因此，對(duì)原平山水庫富營養(yǎng)化的防治應(yīng)該集中在水庫退役第一年的控制氮、磷營養(yǎng)鹽的輸入，后續(xù)加強(qiáng)控制周邊營養(yǎng)鹽的匯入，以防止水質(zhì)惡化，避免水華的發(fā)生。經(jīng)調(diào)查，原庫區(qū)土壤的含水量較高，如果要保護(hù)河流，改善水質(zhì)，應(yīng)保護(hù)這片濕地，避免農(nóng)業(yè)開發(fā)，適當(dāng)人為干擾，才能更好地發(fā)揮濕地群落的生態(tài)功能，現(xiàn)實(shí)中退役水庫庫區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)還需要長期深入研究。

4 結(jié) 論

(1)平山水庫退役前后，浮游植物在種類和數(shù)量組成上變化明顯，退役前以綠藻和硅藻為主，退役后以硅藻和藍(lán)藻為主，而且藍(lán)藻在原壩址和原庫中數(shù)量比例不斷增加。

(2)平山水庫退役后浮游藻類Margalef多樣性指數(shù)和Shannon-Wiener多樣性指數(shù)均出現(xiàn)上升趨勢(shì)，由此表明，水庫退役后水體中浮游藻類生物多樣性逐漸增加，生態(tài)系統(tǒng)逐漸恢復(fù)。

(3)影響浮游植物生長的主要營養(yǎng)鹽因子為TP和NH3-N，原水庫要對(duì)營養(yǎng)鹽的增加采取有效措施，以防止水質(zhì)惡化，避免水華的發(fā)生。

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