黃河干流全河段浮游植物群落特征與水質(zhì)生物評(píng)價(jià)

丁一桐,潘保柱,趙耿楠,韓 谞,劉智琦 (西安理工大學(xué),西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710048)

黃河是我國(guó)第二大河流,是中華民族的母親河,其流域幅員遼闊,山脈眾多,橫貫我國(guó)生態(tài)最脆弱的青藏高原、黃土高原、內(nèi)蒙古高原和華北平原,且是嚴(yán)重缺水的西北、華北地區(qū)重要水資源庫(kù)[1].作為北方地區(qū)的“生態(tài)廊道”,黃河以僅占全國(guó)2%的河川徑流量,承擔(dān)了全國(guó)15%的耕地面積和12%的人口供水重任[2].黃河中游穿越黃土高原,導(dǎo)致黃河含沙量極高,河道淤積嚴(yán)重、游蕩多變,因此該流域生態(tài)環(huán)境具有較強(qiáng)的敏感性和脆弱性[3].黃河作為我國(guó)重要的水電基地之一,其上游梯級(jí)電站的修建導(dǎo)致了河流生態(tài)系統(tǒng)的破碎化,改變了水資源的分布,同時(shí)庫(kù)區(qū)內(nèi)水溫的升高、保水時(shí)間的延長(zhǎng),均對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)完整性和多樣性產(chǎn)生影響.近年來(lái),黃河自然條件復(fù)雜多變、資源開發(fā)快速增長(zhǎng)、環(huán)境污染逐漸加劇、生物多樣性嚴(yán)重受損等問題較為突出[4-5],流域生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重影響.因此實(shí)施黃河生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略,創(chuàng)建一個(gè)近自然、良性循環(huán)、生物鏈完整的水生態(tài)系統(tǒng)迫在眉睫[6].

浮游植物作為水生態(tài)系統(tǒng)重要的初級(jí)生產(chǎn)者,是食物鏈的基礎(chǔ),可將無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)元素轉(zhuǎn)至更高的有機(jī)生命體,在物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)中起到至關(guān)重要的作用[8].浮游植物群落結(jié)構(gòu)是研究河流生態(tài)平衡的基礎(chǔ),可直觀、全面的反映河流狀態(tài),其種類組成及優(yōu)勢(shì)種可指示水環(huán)境變化,生物量可反映水環(huán)境質(zhì)量,多樣性指標(biāo)可影響水生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能.已有研究表明,利用Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)、Pielou 均勻度指數(shù)、Margalef 豐富度指數(shù)及浮游植物生物完整性等指標(biāo)可進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)[8],這是因?yàn)楦∮沃参飳?duì)低濃度污染物進(jìn)入河流時(shí)可以及時(shí)做出反映,體現(xiàn)了浮游植物群落特征進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)的敏感性和預(yù)警性[9].因此,在國(guó)內(nèi)關(guān)于水體監(jiān)測(cè)與水生態(tài)健康的研究中,浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征已作為重要指標(biāo)被廣泛應(yīng)用[7,10].目前我國(guó)針對(duì)河流浮游植物的研究已在多個(gè)流域普遍開展,韓谞等[11]對(duì)2018年3 月和10 月的長(zhǎng)江源區(qū)10 個(gè)典型河段的浮游植物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)查,兩次結(jié)果均表明其群落結(jié)構(gòu)以硅藻占比最大,綠藻、藍(lán)藻占比次之;邱陽(yáng)凌等[12]于2015 年夏季對(duì)淮河干支流浮游植物進(jìn)行調(diào)查,發(fā)現(xiàn)其分布在不同河段空間差異性顯著;張俊逸等[13]對(duì)珠江廣州段浮游植物進(jìn)行了連續(xù)兩年(2008～2010)的逐月調(diào)查,并以其作為水質(zhì)的評(píng)價(jià)指標(biāo),發(fā)現(xiàn)珠江廣州段水體富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重,需加大對(duì)生活污水的治理力度.因此,通過對(duì)河流中浮游植物群落結(jié)構(gòu)變化趨勢(shì)的研究并進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià),可為研究區(qū)域水環(huán)境管理提供理論依據(jù).

近年來(lái),對(duì)黃河浮游植物的研究區(qū)域主要集中在下游河段和黃河口臨近水域[14-15],其他河段及其主要支流也有一定報(bào)道[16-17],但并未有針對(duì)黃河干流全河段(包括典型水庫(kù))的浮游植物研究.而研究?jī)?nèi)容也多側(cè)重于對(duì)各河段受不同自然及人為因素影響而產(chǎn)生的群落結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行分析,其中Qiu 等[18]對(duì)龍羊峽水庫(kù)修建近30 年以來(lái)浮游植物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)其浮游植物呈現(xiàn)出不同于河流的群落結(jié)構(gòu),如庫(kù)區(qū)中浮游植物密度和生物量遠(yuǎn)高于河流;胡俊等[19]于2015 年7 月對(duì)黃河內(nèi)蒙段浮游植物進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)濁度、懸浮物、化學(xué)需氧量是影響其群落結(jié)構(gòu)的重要水環(huán)境因子;Yang 等[20]對(duì)2010 年黃河河口各月流量與其環(huán)境流量進(jìn)行對(duì)比研究,發(fā)現(xiàn)洪水脈沖對(duì)河口浮游植物生物量產(chǎn)生負(fù)面影響.由此可見,以往的研究在以浮游植物為指示生物進(jìn)行黃河干流全河段水質(zhì)評(píng)價(jià)、受水庫(kù)影響斷面與自然河道斷面間水質(zhì)關(guān)系方面仍處于空白.黃河流域較廣且處于干旱半干旱地區(qū),致使其干流自源區(qū)至河口水文、泥沙、環(huán)境差異較大,因此以浮游植物為指示生物開展全河段生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)對(duì)水資源合理開發(fā)利用及水生態(tài)環(huán)境保護(hù)與修復(fù)有重要意義.

鑒于以往的研究不能全面反映黃河干流全河段生態(tài)環(huán)境狀況,故開展黃河干流源區(qū)至河口全河段浮游植物群落特征與水質(zhì)生物評(píng)價(jià).本文對(duì)2019年春秋兩季黃河干流源區(qū)至河口浮游植物的時(shí)空分布進(jìn)行了初步研究,主要包括種類組成、密度及生物量、優(yōu)勢(shì)種、多樣性指數(shù)等群落特征,并利用多樣性指數(shù)對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行水質(zhì)生物評(píng)價(jià),旨在進(jìn)一步全面掌握黃河干流自源區(qū)至河口浮游植物群落結(jié)構(gòu)受自然與人為干擾后的現(xiàn)狀及其變化趨勢(shì),同時(shí)為黃河干流全河段生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)與保護(hù)提供科學(xué)依據(jù),以期為黃河高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展提出合理有效的意見與建議.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域及樣點(diǎn)設(shè)置

黃河發(fā)源于青藏高原巴顏喀拉山,位于32°N～42°N、96°E～119°E,自西向東流經(jīng)青海、四川、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、陜西、山西、河南、山東共九個(gè)省區(qū),最終注入渤海,干流全長(zhǎng)5464km,落差4480m,流域面積75.24 萬(wàn) km2.其流域以大陸性季風(fēng)氣候?yàn)橹?受北半球的副熱帶高壓和歐亞極地大陸氣團(tuán)影響,水資源呈現(xiàn)年降水量較少、地區(qū)分布不均、年內(nèi)及年際變化大等特點(diǎn)[21].

本研究于2019 年4～5 月(春季)和9～10 月(秋季)對(duì)黃河干流源區(qū)至河口進(jìn)行2 次現(xiàn)場(chǎng)采樣.根據(jù)《淡水浮游生物調(diào)查技術(shù)規(guī)范》[22]對(duì)設(shè)置采樣斷面的要求,同時(shí)考慮其河道地形情況、水文環(huán)境等因素,本研究在黃河干流共設(shè)置了44 個(gè)斷面(圖1),其中龍羊峽、劉家峽、青銅峽、萬(wàn)家寨、三門峽、小浪底6 個(gè)水庫(kù)庫(kù)區(qū)分別取庫(kù)首、庫(kù)中、庫(kù)尾3個(gè)斷面進(jìn)行調(diào)查;并依據(jù)不同的水體環(huán)境,將水庫(kù)庫(kù)區(qū)斷面(湖泊型水體)及臨近壩址的壩下斷面(過渡型水體)設(shè)為受水庫(kù)影響斷面,本研究中受水庫(kù)影響的壩下斷面包括小川(劉家峽壩下)、青銅峽壩下、三門峽壩下和小浪底壩下,以上4 個(gè)壩下斷面均距離壩址10km 以內(nèi),符合過渡型水體特征,而龍羊峽水庫(kù)和萬(wàn)家寨水庫(kù)的壩下斷面因距壩址較遠(yuǎn)(30km 以上),則與其他采樣斷面同為自然河道斷面(河流型水體).目前,對(duì)于黃河干流河段劃分最常用的是黃委會(huì)根據(jù)水文特征將其河源至河口鎮(zhèn)劃分為上游,河口鎮(zhèn)至桃花峪為中游,桃花峪以下為下游[23].由于上游河段較長(zhǎng)(3472km)、落差較大(3496m),且通常將唐乃亥水文站上游地區(qū)定義為黃河源,因此為更科學(xué)體現(xiàn)黃河干流浮游植物群落特征,本文將黃河干流調(diào)查河段劃分為源區(qū)(即本研究中的瑪多-唐乃亥段)、上游甘寧蒙段(即本研究中的龍羊峽-頭道拐段)、中游(即本研究中的萬(wàn)家寨-小浪底段)、下游(即本研究中的花園口-利津段)4 部分,具體采樣斷面信息見表1.

圖1 黃河干流源區(qū)至河口采樣斷面分布Fig.1 Distribution of sampling sections from source region to estuary of the Yellow River mainstem

1.2 樣品采集與處理

水樣采集時(shí)在每個(gè)斷面設(shè)置5 個(gè)采樣點(diǎn),各樣點(diǎn)均取1L 水樣,現(xiàn)場(chǎng)加入15mL 魯哥氏液進(jìn)行固定后放回實(shí)驗(yàn)室靜置48h,用虹吸管吸去上清液至留下含沉淀物的水樣30mL.進(jìn)行浮游植物定量分析時(shí),將樣品瓶搖勻后用移液槍吸取0.1mL 樣品,滴于0.1mL 計(jì)數(shù)框中,使用光學(xué)顯微鏡40 倍物鏡進(jìn)行浮游植物物種鑒定與細(xì)胞計(jì)數(shù)工作.各斷面所取的5 瓶水樣均做以上處理,每次觀察100 個(gè)視野,進(jìn)行視野法計(jì)數(shù)并主要依據(jù)《中國(guó)淡水藻類-系統(tǒng)、分類及生態(tài)》[24]、《藻類名詞及名稱》[25]和《中國(guó)常見淡水浮游藻類圖譜》[26]鑒定浮游植物種類,取計(jì)數(shù)平均值計(jì)算細(xì)胞密度,并采用體積測(cè)量換算生物量.

表1 黃河干流源區(qū)至河口采樣斷面信息Table 1 Sampling sections information from source region to estuary of the Yellow River mainstem

續(xù)表1

1.3 數(shù)據(jù)分析

1.3.1 優(yōu)勢(shì)度分析 依據(jù)優(yōu)勢(shì)度(Y)確定浮游植物優(yōu)勢(shì)種:

式中:ni為第i 種浮游植物的個(gè)數(shù),N 為同一樣品中所有物種的總個(gè)數(shù),fi為第i 個(gè)種群的出現(xiàn)頻率,其中優(yōu)勢(shì)度Y≥0.02 的物種即定為優(yōu)勢(shì)種[27].

1.3.2 多樣性指數(shù) Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)(H')計(jì)算公式:

Margalef 豐富度指數(shù)(D)計(jì)算公式:

Pielou 均勻度指數(shù)(J)計(jì)算公式:

式中:iP 為第i 個(gè)物種占總個(gè)體數(shù)的百分比,N 為同一樣品中所有物種的總個(gè)數(shù),S 為樣品中所有物種的種類數(shù)[28-30].應(yīng)用生物多樣性指數(shù)進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表2.

表2 多樣性指數(shù)水質(zhì)生物評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Water quality bioassessment criteria of diversity indexes

2 結(jié)果

2.1 浮游植物種類組成

兩次調(diào)查共鑒定出浮游植物350 種,隸屬于8 門130 屬.其中硅藻門33 屬140 種,占40%;綠藻門63屬129 種,占36.86%;藍(lán)藻門16 屬39 種,占11.14%;裸藻門4 屬22 種,占6.29%;此外甲藻門6 屬8 種,隱藻門2 屬5 種,金藻門3 屬4 種,黃藻門3 屬3 種,共占5.71%.

從時(shí)間上看,2019 年春季共鑒定浮游植物8 門100 屬229 種,其中硅藻門101 種占44.10%,綠藻門80 種占34.93%,藍(lán)藻門18 種占7.86%,裸藻門16 種占6.99%,其余藻類共占6.12%;秋季共鑒定浮游植物8 門117 屬307 種,其中硅藻126 種占41.02%,綠藻門109 種占35.50%,藍(lán)藻門34 種占11.07%,裸藻門20 種占6.51%,其余藻類共占5.90%.由此可見,秋季浮游植物總種類數(shù)大于春季,但硅藻門、綠藻門在兩季度中的占比差距不大.從空間分布上看,各采樣斷面兩季度浮游植物種類數(shù)差異較大(圖2).浮游植物種類數(shù)最高值和最低值均出現(xiàn)在龍羊峽-頭道拐段,其最高值為三湖河口斷面,共87 種;最低值為貴德斷面,共19 種.

此外,受水庫(kù)影響斷面浮游植物種類組成和分布在時(shí)間尺度上體現(xiàn)的規(guī)律與上述全河段斷面的規(guī)律相同,秋季總物種數(shù)為232 種高于春季168 種,硅藻門、綠藻門秋季分別占比38.69%、39.88%,春季分別占比 38.79%、36.21%,在兩季度中的占比均無(wú)太大變化.在空間尺度上,各水庫(kù)兩季度浮游植物種類數(shù)平均值除龍羊峽水庫(kù)(32 種)和劉家峽水庫(kù)(28 種)較低外,其他水庫(kù)相差不大,均在40～50 種之間;且受水庫(kù)影響的斷面與自然河段斷面中各門類占比則存在一定差異性,其中受水庫(kù)影響的斷面的硅藻門物種數(shù)占比(38.74%)低于自然河段斷面(46.78%),而綠藻門物種數(shù)占比(38.04%)要高于自然河段斷面(33.29%).

圖2 黃河干流源區(qū)至河口采樣斷面浮游植物種類數(shù)Fig.2 The number of phytoplankton species at different sampling sections from source region to estuary of the Yellow River mainstem

2.2 浮游植物密度和生物量

黃河干流兩次調(diào)查的各斷面浮游植物密度(圖3)處于7.90×104～1037.28×104cells/L 之間,其春季平均密度 162.39×104cells/L 略高于秋季平均密度141.12×104cells/L,兩季度浮游植物密度平均值最高為青銅峽壩下斷面(577.95×104cells/L),最低為貴德斷面(19.57×104cells/L).兩次調(diào)查的各斷面生物量(圖4)在0.13～28.23mg/L之間變動(dòng),秋季平均生物量3.04mg/L 略高于春季2.53mg/L,其極值規(guī)律與密度相似,兩季度浮游植物生物量平均值最大為青銅峽壩下斷面(15.02mg/L), 最小為貴德斷面(0.27mg/L).

圖3 黃河干流源區(qū)至河口采樣斷浮游植物細(xì)胞密度(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Fig.3 Phytoplankton density at different sampling sections from source region to estuary of the Yellow River mainstem (mean ± SE)

從時(shí)間上看,浮游植物現(xiàn)存量有較明顯的季節(jié) 差異性,其中各調(diào)查斷面兩季度均為硅藻門占比最高,其密度在總量中的占比變化幅度僅由春季65.95%下降至秋季59.06%,但生物量占比卻由春季55.66%上升至秋季78.07%;藍(lán)藻門密度和生物量占比均為春季低于秋季;綠藻門等其余門類密度和生物量均呈現(xiàn)出春季高于秋季的普遍規(guī)律.從空間上看,全河段浮游植物密度和生物量的兩季度平均值體現(xiàn)為萬(wàn)家寨-小浪底段＞龍羊峽-頭道拐段＞瑪多-唐乃亥段＞花園口-利津段的分布規(guī)律.

對(duì)于不同季節(jié)受水庫(kù)影響斷面的浮游植物密度和生物量,除硅藻門、藍(lán)藻門、金藻門在總量中占比秋季高于春季外,其他藻類均為春季高于秋季;且呈現(xiàn)出受水庫(kù)影響斷面浮游植物密度和生物量大于臨近自然河道斷面的規(guī)律.對(duì)于水庫(kù)庫(kù)區(qū)斷面我們發(fā)現(xiàn)多年調(diào)節(jié)水庫(kù)和年調(diào)節(jié)水庫(kù)密度與生物量為庫(kù)尾＜庫(kù)中＜庫(kù)首逐漸增加的趨勢(shì),不完全年調(diào)節(jié)水庫(kù)則與之相反,而日調(diào)節(jié)水庫(kù)各斷面變化不大;同時(shí)將水庫(kù)庫(kù)區(qū)斷面的兩季度浮游植物密度和生物量平均值進(jìn)行排序:三門峽水庫(kù)＞小浪底水庫(kù)＞龍羊峽水庫(kù)＞青銅峽水庫(kù)＞劉家峽水庫(kù)＞萬(wàn)家寨水庫(kù),由于青銅峽和劉家峽兩水庫(kù)的密度與生物量極為相近,因此依照水庫(kù)調(diào)節(jié)性能排序?yàn)椴煌耆暾{(diào)節(jié)水庫(kù)＞多年調(diào)節(jié)水庫(kù)和年調(diào)節(jié)水庫(kù)＞日調(diào)節(jié)水庫(kù).此外,多年調(diào)節(jié)水庫(kù)和年調(diào)節(jié)水庫(kù)的壩下斷面浮游植物密度及生物量低于庫(kù)區(qū),但日調(diào)節(jié)水庫(kù)和不完全年調(diào)節(jié)水庫(kù)壩下浮游植物現(xiàn)存量高于庫(kù)區(qū).

圖4 黃河干流源區(qū)至河口采樣斷面浮游植物生物量(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Fig.4 Phytoplankton biomass at different sampling sections from source region to estuary of the Yellow River mainstem (mean ± SE)

2.3 浮游植物優(yōu)勢(shì)種變化

黃河源區(qū)至河口段全河段兩次調(diào)查浮游植物優(yōu)勢(shì)種共7 門44 屬96 種(附表1),隸屬于硅藻門15屬52 種,占優(yōu)勢(shì)種類的54.17%;綠藻門15 屬23 種,占23.96%;藍(lán)藻門6 屬7 種,占7.29%;此外還有甲藻門4 屬5 種,隱藻門1 屬4 種,裸藻門2 屬4 種,金藻門1 屬1 種,共占14.58%.

調(diào)查河段春季優(yōu)勢(shì)種67 種,秋季優(yōu)勢(shì)種70 種,硅藻門在兩季優(yōu)勢(shì)種占比上有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì),尤其是小環(huán)藻和針桿藻,幾乎各采樣斷面均有出現(xiàn),具體采樣斷面浮游植物優(yōu)勢(shì)種及優(yōu)勢(shì)度見附表2.其中綠藻門和藍(lán)藻門中優(yōu)勢(shì)種多出現(xiàn)在中下游的萬(wàn)家寨-小浪底段和花園口-利津段,而甲藻門、隱藻門、裸藻門、金藻門中優(yōu)勢(shì)種則多出現(xiàn)于受水庫(kù)影響斷面.

2.4 浮游植物群落多樣性指數(shù)及水質(zhì)生物評(píng)價(jià)

黃河干流源區(qū)至河口全河段浮游植物多樣性指數(shù)見圖5,其中各斷面兩次調(diào)查的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)在0.42～5.65,平均值為3.54;Margalef 豐富度指數(shù)在0.78～8.31,平均值為3.12;Pielou 均勻度指數(shù)在0.12～0.91,平均值為0.66.

依照多樣性指數(shù)水質(zhì)評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)確定研究斷面的水質(zhì)等級(jí)(圖5),其中Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示44 個(gè)采樣斷面中春季水質(zhì)為Ⅰ級(jí)(無(wú)污染)共23 個(gè)斷面占52.27%,Ⅱ級(jí)(輕度污染)12 個(gè)斷面占27.27%,Ⅲ級(jí)(中度污染)5 個(gè)斷面占11.36%,Ⅳ級(jí)(重度污染)4 個(gè)斷面占9.09%;秋季水質(zhì)為Ⅰ級(jí)占88.64%,Ⅱ級(jí)占6.82%,Ⅲ級(jí)占4.55%,無(wú)Ⅳ級(jí)水體,呈現(xiàn)由Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ向Ⅰ級(jí)水質(zhì)轉(zhuǎn)化的趨勢(shì).Margalef 豐富度指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示春季水質(zhì)Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)占比較大,分別為27.27%、59.09%;秋季整體水質(zhì)有所好轉(zhuǎn),呈現(xiàn)由Ⅳ級(jí)水轉(zhuǎn)為Ⅲ級(jí)水的趨勢(shì),但Ⅳ級(jí)水質(zhì)仍占比較大,為36.36%.Pielou 均勻度指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示春季水質(zhì)為Ⅰ級(jí)占22.73%,Ⅱ級(jí)占45.45%,Ⅲ級(jí)占22.73%;秋季水質(zhì)為Ⅰ級(jí)占50.0%,Ⅱ級(jí)占43.18%,Ⅲ級(jí)占6.82%,各斷面Ⅰ級(jí)水質(zhì)秋季占比較春季明顯增加.從空間尺度看,將兩季度多樣性指數(shù)平均后進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià),自然河道斷面水質(zhì)狀態(tài)呈現(xiàn):青海段為無(wú)-輕度污染,甘寧蒙段為輕-中度污染,山西-陜西段均為輕度污染,河南-山東段水質(zhì)為中度污染.

圖5 黃河干流浮游植物采樣斷面多樣性指數(shù)及水質(zhì)生物評(píng)價(jià)Fig.5 Diversity indexes and water quality bioassessment at different sampling sections from source region to estuary of the Yellow River mainstem

3 討論

3.1 黃河干流全河段浮游植物群結(jié)構(gòu)特征

浮游植物對(duì)環(huán)境的敏感性使其群落結(jié)構(gòu)受河流生態(tài)環(huán)境變化影響[31],通過對(duì)黃河干流自然河道斷面和受水庫(kù)影響斷面的不同季度浮游植物調(diào)查顯示,無(wú)論從其物種組成還是密度、優(yōu)勢(shì)種及多樣性來(lái)看,其浮游植物群落特征和水質(zhì)狀態(tài)均表現(xiàn)出明顯的時(shí)空差異性.本研究調(diào)查發(fā)現(xiàn),黃河干流浮游植物的物種組成自源區(qū)至河口呈現(xiàn)由硅藻-綠藻型向硅藻-綠藻-藍(lán)藻型轉(zhuǎn)變的趨勢(shì).從時(shí)間尺度上看,黃河干流秋季浮游植物種類數(shù)高于春季,以內(nèi)蒙河段最為明顯.其中三湖河口和昭君墳斷面秋季物種數(shù)遠(yuǎn)大于春季,可能是受內(nèi)蒙古河套灌溉退水效應(yīng)的影響,退水?dāng)y帶了較多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)為浮游植物生長(zhǎng)提供了有利的生長(zhǎng)環(huán)境[19].在密度和生物量上,黃河干流自源區(qū)至河口大多數(shù)采樣斷面浮游植物現(xiàn)存量為春季高于秋季,這是因?yàn)榇杭緸楦∮沃参锷L(zhǎng)周期的復(fù)蘇期,隨著溫度的升高,水體環(huán)境更適宜浮游植物生長(zhǎng)[32];但仍有部分?jǐn)嗝鏋榇杭靖∮沃参锩芏雀哂谇锛?生物量卻呈現(xiàn)春季低于秋季的情況,主要是由于硅藻門種群結(jié)構(gòu)的變化,如硅藻門中沙生直鏈藻、尖布紋藻等體積較大的物種在秋季數(shù)量明顯增加,導(dǎo)致生物量的大幅度增加.從優(yōu)勢(shì)種上,龍羊峽-頭道拐段秋季優(yōu)勢(shì)種數(shù)多于春季,可見其群落結(jié)構(gòu)秋季復(fù)雜度優(yōu)于春季.

除時(shí)間尺度外,全河段浮游植物群落結(jié)構(gòu)在空間尺度上也體現(xiàn)了較大的差異性,主要受采樣斷面局部環(huán)境變化影響.其中,瑪多-唐乃亥段為牧區(qū),海拔較高且人口稀少,屬于狹冷性物種的硅藻門在此段物種組成占比較高,且該段優(yōu)勢(shì)種種數(shù)較多、優(yōu)勢(shì)度大小相近,說明其群落結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定[33];龍羊峽-頭道拐段中的內(nèi)蒙段河道物種數(shù)較多,密度和生物量相對(duì)于其他自然河道斷面偏高但優(yōu)勢(shì)種單一,尤其美麗星桿藻占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),主要受“十大孔兌”影響含沙量較高,因懸浮顆粒的表面會(huì)對(duì)河流中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)產(chǎn)生吸附作用,改變了水體的理化性質(zhì),進(jìn)而對(duì)其群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響[34];萬(wàn)家寨-小浪底段和花園口-利津段中適宜在湖泊中生長(zhǎng)的藍(lán)藻門在密度、生物量及優(yōu)勢(shì)種中占比均增大,主要由于該河段大量水壩工程的修建,使得水溫升高、水流變得平緩以及大壩運(yùn)行時(shí)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)富集,均導(dǎo)致湖泊藻類的大量繁殖[36].本次調(diào)查結(jié)果所發(fā)現(xiàn)的黃河全河段浮游植物群落特征變化規(guī)律與國(guó)內(nèi)大多數(shù)河流浮游植物群落特征一致[35-36],也與已有的黃河部分河段浮游植物群落特征研究一致[37-38].

黃河干流自源區(qū)至河口全河段浮游植物群落特征除以上變化趨勢(shì)外,因修建水庫(kù)造成了河流生態(tài)系統(tǒng)的破碎化[18],導(dǎo)致受水庫(kù)影響斷面表現(xiàn)出不同于自然河道斷面的獨(dú)特群落特征.因此,本次受6個(gè)水庫(kù)影響的調(diào)查斷面中浮游植物物種組成雖與自然河道斷面一樣均以硅藻門為主,但其硅藻門物種數(shù)占比低于自然河段斷面,主要因?yàn)楹恿髦懈∮沃参锒酁樯嫌嗡鲾y帶、固著藻類沖刷或回水區(qū)藻類生長(zhǎng)等來(lái)源.由于河流的沖刷作用強(qiáng),且固著藻類多以硅藻門為主,導(dǎo)致河流中硅藻門占比較高;而綠藻門物種數(shù)占比要略高于自然河段斷面,主要因?yàn)樗髌骄忂M(jìn)入庫(kù)區(qū)時(shí),浮游植物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化;同時(shí)甲藻門、裸藻門占比明顯增大,主要由于水庫(kù)水溫恒定的靜水環(huán)境適宜裸藻的生長(zhǎng),且其水體自凈能力低,營(yíng)養(yǎng)鹽難以循環(huán)并在水中累積使甲藻門大量繁殖[39].由此可見,受水庫(kù)影響斷面水體環(huán)境更適宜浮游植物生長(zhǎng),因此其現(xiàn)存量高于自然河道斷面.也正是由于上述原因,受水庫(kù)影響斷面群落結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜.其中多年調(diào)節(jié)水庫(kù)(龍羊峽水庫(kù))和年調(diào)節(jié)水庫(kù)(劉家峽水庫(kù))庫(kù)區(qū)斷面的密度和生物量均表現(xiàn)為從庫(kù)尾到庫(kù)首呈遞增的趨勢(shì),主要是因?yàn)樗畮?kù)水體長(zhǎng)時(shí)間流動(dòng)緩慢甚至靜止,越靠近庫(kù)首水體越深越接近湖泊生境,其現(xiàn)存量也自然呈現(xiàn)為庫(kù)首最高,庫(kù)尾最低的情況,同時(shí)因其水體透明度較高促進(jìn)了藻類繁殖,使其庫(kù)區(qū)浮游植物現(xiàn)存量較大;而不完全年調(diào)節(jié)水庫(kù)(三門峽水庫(kù)和小浪底水庫(kù))各庫(kù)區(qū)斷面密度及生物量則表現(xiàn)與之相反的遞減趨勢(shì),可能是因?yàn)樗w環(huán)境的不穩(wěn)定性導(dǎo)致的,不定時(shí)、不定量的水庫(kù)調(diào)節(jié)致使庫(kù)首及庫(kù)中水體很難達(dá)到浮游植物群落穩(wěn)定的時(shí)間限制,唯有直接匯入上游來(lái)水的庫(kù)尾水體中浮游植物現(xiàn)存量最高;日調(diào)節(jié)水庫(kù)(青銅峽水庫(kù)和萬(wàn)家寨水庫(kù))由于水滯留時(shí)間短,水交換率大,庫(kù)尾、庫(kù)中及庫(kù)首的水環(huán)境特征差異不大,故庫(kù)區(qū)內(nèi)各斷面浮游植物密度和生物量并無(wú)太大差異,且與臨近自然河道斷面相近.因此,受水體交換率、營(yíng)養(yǎng)鹽含量和水體環(huán)境穩(wěn)定性等因素影響,不同調(diào)節(jié)性能的水庫(kù)庫(kù)區(qū)斷面浮游植物現(xiàn)存量呈現(xiàn)出不完全年調(diào)節(jié)水庫(kù)＞多年調(diào)節(jié)水庫(kù)和年調(diào)節(jié)水庫(kù)＞日調(diào)節(jié)水庫(kù)的規(guī)律.此外,日調(diào)節(jié)水庫(kù)和不完全年調(diào)節(jié)水庫(kù)的壩下斷面水文條件較為穩(wěn)定,且作為過渡型水體同時(shí)存在適宜生長(zhǎng)于湖泊與河流性浮游植物,因此其現(xiàn)存量高于庫(kù)區(qū)斷面;而多年調(diào)節(jié)水庫(kù)和年調(diào)節(jié)水庫(kù)壩后水體水量少且含沙量高,其中劉家峽壩下斷面總固體懸浮物(TSS)含量在1000mg/L 左右,因此其現(xiàn)存量低于庫(kù)區(qū)斷面可能是因?yàn)門SS 含量較高導(dǎo)致水體透明度降低,且促進(jìn)了浮游植物的絮凝沉降,不利于浮游植物生長(zhǎng)繁殖.

3.2 黃河干流浮游植物多樣性與水質(zhì)評(píng)價(jià)

物種多樣性是衡量一定區(qū)域內(nèi)群落演替方向和穩(wěn)定程度的客觀指標(biāo),能夠有效地反映水生態(tài)環(huán)境的改變,是常用的水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[40].為更科學(xué)合理確定河流生態(tài)環(huán)境狀況,本文中物種多樣性由Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)、Margalef 豐富度指數(shù)和Pielou 均勻度指數(shù)共同表示.分析各多樣性指數(shù)發(fā)現(xiàn)其兩季均值普遍較高,反映了黃河干流源區(qū)至河口浮游植物群落結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,有較強(qiáng)的抵抗外部環(huán)境改變和內(nèi)部群落變動(dòng)的能力[41],且群落中物種較為豐富且數(shù)目分配較均勻,說明其群落結(jié)構(gòu)向復(fù)雜、穩(wěn)定的方向發(fā)展并處于較完整狀態(tài)[42].根據(jù)水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行分析,時(shí)間尺度上各河段物種多樣性指數(shù)多為秋季大于春季,可能是由于秋季為豐水期,較大的來(lái)水量提高了水體的自凈能力,因此秋季水體質(zhì)量整體優(yōu)于春季.空間尺度上,人類活動(dòng)干擾的不斷加劇導(dǎo)致自然河道斷面中懸浮物、氮、磷等水環(huán)境因子含量發(fā)生變化,對(duì)浮游植物多樣性產(chǎn)生影響,進(jìn)而改變其水質(zhì)狀況[43].

根據(jù)近五年《黃河水資源公報(bào)》(下文簡(jiǎn)稱《公報(bào)》)中對(duì)干流水資源質(zhì)量評(píng)價(jià),其水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果均顯示為Ⅰ類、Ⅱ類水占總評(píng)價(jià)河段的一半以上,整體水質(zhì)良好,這與本文采用以浮游植物為指示生物的水質(zhì)生物評(píng)價(jià)結(jié)果一致.其中,《公報(bào)》水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示青海段多為Ⅰ-Ⅱ類水,本文水質(zhì)生物評(píng)價(jià)結(jié)果則為無(wú)-輕度污染,兩種結(jié)果均說明黃河干流青海段水質(zhì)狀況良好,主要因其地處高寒地帶,受人類活動(dòng)影響較小.而甘寧蒙段因兩岸分布著大面積引黃灌溉區(qū),農(nóng)業(yè)面源污染加劇了水質(zhì)污染,因此Ⅲ類水在該區(qū)域的占比增加,其水質(zhì)生物評(píng)價(jià)結(jié)果也顯示為輕-中度污染.對(duì)于黃河干流的中下游區(qū)域,《公報(bào)》中對(duì)其水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)明顯較差,大部分河段長(zhǎng)為Ⅲ-Ⅳ類水,同樣在水質(zhì)生物評(píng)價(jià)中其結(jié)果較其他河段水質(zhì)也呈現(xiàn)為污染加劇的狀態(tài),其中山西-陜西段因水土保持生態(tài)工程的實(shí)施,減少了水中泥沙及其他懸浮物的含量,水質(zhì)產(chǎn)生較大改善作用,但目前仍為輕度污染;而河南-山東段水質(zhì)因受工農(nóng)業(yè)污染和水壩建設(shè)影響較大,呈現(xiàn)中度污染狀態(tài).由此看出,黃河干流中自然河道斷面水質(zhì)狀態(tài)具有明顯的空間異質(zhì)性.

受水庫(kù)影響斷面的多樣性指數(shù)均在不同程度上低于其臨近自然河道斷面,且各多樣性指數(shù)最低值均出現(xiàn)在受水庫(kù)影響斷面.通過Li 等[44]對(duì)瀾滄江-湄公河中游梯級(jí)水電站建壩前后浮游植物群落的研究發(fā)現(xiàn),水庫(kù)蓄水區(qū)流速減緩、懸浮物沉積、水溫升高以及透明度增大等環(huán)境條件變化,對(duì)蓄水區(qū)浮游植物群落組成與現(xiàn)存量產(chǎn)生巨大影響,而單一的生物多樣性指數(shù)無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)估其水質(zhì)狀態(tài).由此可見,基于生物多樣性指數(shù)的水質(zhì)評(píng)價(jià)更適用于湖泊、河流等淺水水體,而在進(jìn)行深水水庫(kù)的水質(zhì)評(píng)價(jià)時(shí)存在局限性,因此各水庫(kù)多樣性指數(shù)降低并不能代表其水質(zhì)惡化.從總體上看,黃河全段受海拔、含沙量、水資源利用率等多方面的影響,雖具有較高連通性,但不同區(qū)域的浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征仍存在差異,表明其水域生態(tài)環(huán)境情況也不盡相同,因此在進(jìn)行黃河生態(tài)環(huán)境保護(hù)時(shí)不僅要注重整體性,同時(shí)要做到因地制宜.

近年來(lái),針對(duì)黃河流域日益突出的生態(tài)環(huán)境問題,開展了增殖放流、調(diào)水調(diào)沙、水土保持等一系列生態(tài)保護(hù)工作并取得了一定成效.但若要根本上實(shí)現(xiàn)生態(tài)的保護(hù)與修復(fù),還原真實(shí)生態(tài)現(xiàn)狀、明確生態(tài)結(jié)構(gòu)至關(guān)重要.浮游植物作為水生態(tài)系統(tǒng)中重要的初級(jí)生產(chǎn)者之一,其群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)將影響其他較高營(yíng)養(yǎng)級(jí)水生生物發(fā)生相應(yīng)變化,且可直接反映水生態(tài)環(huán)境的健康狀況.本文通過對(duì)黃河干流源區(qū)至河口浮游植物群落的調(diào)查,從時(shí)間和空間尺度上分別對(duì)自然河道斷面和受水庫(kù)影響斷面進(jìn)行了浮游植物物種數(shù)、密度、生物量、優(yōu)勢(shì)種及多樣性指數(shù)變化趨勢(shì)的分析,明確了其非自然徑流模式下的群落結(jié)構(gòu)特征,并利用多樣性指數(shù)對(duì)黃河干流水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià),為修復(fù)黃河流域生態(tài)系統(tǒng)功能與保護(hù)結(jié)構(gòu)的完整性提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)支撐,為黃河流域的水生態(tài)管理與保護(hù)提供科學(xué)依據(jù).

4 結(jié)論

4.1 黃河干流浮游植物種類較為而豐富,全河段共鑒定8 門130 屬350 種,其中秋季(307 種)物種數(shù)高于春季(229 種),硅藻和綠藻門均占比較大,且自源區(qū)至河口呈現(xiàn)由硅藻-綠藻型向硅藻-綠藻-藍(lán)藻型轉(zhuǎn)變的趨勢(shì).

4.2 調(diào)查結(jié)果顯示受水庫(kù)影響斷面浮游植物的現(xiàn)存量大于臨近自然河道斷面;且水庫(kù)中浮游植物的現(xiàn)存量主要受調(diào)節(jié)性能的影響,本研究中呈現(xiàn)為不完全調(diào)節(jié)水庫(kù)＞多年調(diào)節(jié)水庫(kù)和年調(diào)節(jié)水庫(kù)＞日調(diào)節(jié)水庫(kù)的規(guī)律.此外,多年調(diào)節(jié)水庫(kù)和年調(diào)節(jié)水庫(kù)壩下斷面浮游植物現(xiàn)存量低于庫(kù)區(qū),而日調(diào)節(jié)水庫(kù)和不完全年調(diào)節(jié)水庫(kù)壩下浮游植物現(xiàn)存量高于庫(kù)區(qū).

4.3 黃河干流浮游植物多樣性在各采樣斷面中呈現(xiàn)顯著差異性.因此,其水質(zhì)生物評(píng)價(jià)結(jié)果也存在一定空間異質(zhì)性,其中青海段水質(zhì)為無(wú)-輕度污染,甘寧蒙段為輕-中度污染,山西-陜西段為輕度污染,河南-山東段為中度污染.