王 寧,王英偉,包洪福,丁少波
(1.東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150040;2.生態(tài)環(huán)境部環(huán)境工程評(píng)估中心,北京 100012)
烏東德水電站地處東經(jīng)101°14′~103°3′、北緯25°20′~27°12′范圍內(nèi),位于云南省昆明市祿勸縣和四川省涼山州會(huì)東縣界河的金沙江干流上,是金沙江下游河段規(guī)劃建設(shè)的4個(gè)水電梯級(jí)的第一個(gè)梯級(jí),正常蓄水位975 m,相應(yīng)水庫回水長(zhǎng)度202.1 km,水庫面積127.1 km2,總庫容74.08億m3,具有季調(diào)節(jié)性能[1]。烏東德水電站的開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主,兼顧防洪及航運(yùn),并促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展,具有巨大的水資源配置綜合效益[2]。水電站建成后,庫區(qū)水域面積增大,庫區(qū)各典型斷面水位變化總體呈自上游往下水位增幅逐漸變大,壩址處水位抬高最為明顯,庫尾水位變化相對(duì)較小。水流減緩、水體中污染物滯留時(shí)間延長(zhǎng),水文、水環(huán)境發(fā)生了極大變化,隨之也帶來了一些諸如水體富營(yíng)養(yǎng)化、藻類水華等負(fù)面的生態(tài)環(huán)境問題[3- 6],但有關(guān)水電站施工前后浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征變化的報(bào)道仍不多見。
為保護(hù)和修復(fù)烏東德水電站金沙江下游的生態(tài)環(huán)境,本課題組于2018年9月和2019年6月對(duì)烏東德水電站施工期的金沙江下游浮游植物進(jìn)行了調(diào)查,并對(duì)其種類組成、現(xiàn)存量、生物多樣性等參數(shù)進(jìn)行分析,結(jié)合施工期(2015年~2017年)的浮游植物(年平均值)現(xiàn)狀數(shù)據(jù),并與施工前(2010年~2014年)的浮游植物(年平均值)進(jìn)行對(duì)比分析,研究浮游植物的演變趨勢(shì),可為其他同類型水電站建設(shè)提供參考,也可為水庫生態(tài)調(diào)度及河流生態(tài)保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。
從烏東德水電站施工期調(diào)查水域水流以及工程建設(shè)布置等方面考慮,監(jiān)測(cè)斷面從攀枝花至宜賓縣布置,共設(shè)置7個(gè)監(jiān)測(cè)斷面,見圖1。
圖1 金沙江下游浮游植物監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置
(1)定性采集使用25號(hào)浮游生物網(wǎng),網(wǎng)口在水面下0.5 m處作“∞”形運(yùn)動(dòng),大約1 min,并立即加入魯哥試劑固定液固定。浮游植物種類鑒別參考《中國(guó)淡水藻類——系統(tǒng)、分類及生態(tài)》;定量樣品的數(shù)量統(tǒng)計(jì)及指標(biāo)計(jì)算參考《淡水浮游生物研究方法》。
(2)定量采集使用1 L有機(jī)玻璃采水器在水下50 cm 處采集浮游植物并裝入聚乙烯瓶中,立即加入15 mL魯哥試劑混勻,帶回試驗(yàn)室靜置沉淀24 h后,將溶液濃縮并定容至50 mL以備鏡檢。檢測(cè)時(shí)充分搖勻后使用移液槍吸取0.1 mL樣品注入計(jì)數(shù)框(0.1 mL)內(nèi),在10×40倍顯微鏡下隨機(jī)抽取100個(gè)視野進(jìn)行計(jì)數(shù)(對(duì)量小且個(gè)體大的種類在10×10倍下全片計(jì)數(shù))。每個(gè)樣品設(shè)2個(gè)平行樣,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),最終結(jié)果取相近個(gè)數(shù)的平均值,再換算為每升水體中浮游植物的密度[8]。
試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS22.0軟件進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析,得到浮游植物與環(huán)境因子間的關(guān)系。利用Canoco5.0軟件對(duì)浮游植物數(shù)據(jù)進(jìn)行降趨勢(shì)對(duì)應(yīng)分析(Decentred Correspondence Analysis,DCA),根據(jù)分析結(jié)果的排序軸長(zhǎng)度,判斷后續(xù)浮游植物群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子的分析方法。由于本研究中排序軸的梯度長(zhǎng)度為1.1<3.0,因而對(duì)浮游植物與環(huán)境因子進(jìn)行冗余分析(Redundancy Analysis,RDA),進(jìn)而判別影響浮游植物群落的主要環(huán)境因子。其他圖利用Oringin9.6制作,表利用Excel制作。
每升水中的浮游植物的數(shù)量可用下式計(jì)算
(1)
式中,N為1 L水中浮游植物的數(shù)量;CS為計(jì)數(shù)框的面積;FS為視野面積;Fn為每片計(jì)數(shù)過的視野數(shù);Pn為計(jì)數(shù)所得個(gè)數(shù);v為計(jì)數(shù)框的容積;V為1升水樣經(jīng)濃縮后的體積。生物計(jì)數(shù)后,利用香農(nóng)-威納(Shannon-Wiener)指數(shù)H′表征生物多樣性,即
(2)
式中,S為種數(shù);Ni為第i種個(gè)體數(shù);N為總體個(gè)數(shù)。
金沙江下游水生生態(tài)調(diào)查浮游植物各類群百分比見圖2。從圖2可知:
圖2 金沙江下游水生生態(tài)調(diào)查浮游植物各類群百分比
(1)通過2018年9月及2019年6月2次采樣調(diào)查,共檢出浮游植物115種,其中硅藻門69種,占總物種數(shù)的60%;綠藻門28種,占總物種數(shù)的24.35%;藍(lán)藻門12種,占總物種數(shù)的10.43%;甲藻門3種,占總種數(shù)的2.61%;隱藻門2種,占總種數(shù)的1.74%;金藻門1種,占總種數(shù)的0.87%。其中,綠藻、硅藻、藍(lán)藻較為常見。
(2)2018年9月采集到的浮游植物樣品鑒定出浮游植物92種。其中硅藻門的種類最多,有56種(占總數(shù)的60.87%);其次為綠藻門,有21種(占總數(shù)的22.83%);另外,藍(lán)藻門9種,甲藻門3種,隱藻門2種,金藻門1種。
(3)2019年6月的監(jiān)測(cè)中共在樣品中鑒定出浮游植物66種。其中硅藻門的種類最多,有41種(占總數(shù)的62.12%);其次為綠藻門,有14種(占總數(shù)的21.21%);另外,藍(lán)藻門8種,隱藻2種,甲藻門為1種。
查閱《金沙江下游流域水生生態(tài)監(jiān)測(cè)年度報(bào)告》和《金沙江烏東德水電站環(huán)境影響報(bào)告書》(調(diào)查時(shí)間為全年,數(shù)據(jù)為年平均值),調(diào)查到工程施工前浮游植物平均值(2010年~2014年),涉及區(qū)域內(nèi)共有浮游植物7門63屬148種,種類變化范圍為39~148種。其中,以硅藻門的種類為最多,占總種數(shù)的71.63%;綠藻門次之,占總種數(shù)的15.90%;藍(lán)藻門占總種數(shù)的9.05%;其他種類的數(shù)目均較少;施工期(2015年~2017年)浮游植物種類變化范圍為61~109種。其中,硅藻門種類最多,占總種數(shù)的40.84%,其次是綠藻門,占總種數(shù)的32.82%;藍(lán)藻門占11.83%。
水生生態(tài)現(xiàn)狀調(diào)查水域各監(jiān)測(cè)斷面浮游植物監(jiān)測(cè)結(jié)果見表2。從表2可知,浮游植物密度和生物量隨時(shí)間變化,2018年9月浮游植物密度平均值為1.348×106cells/L,浮游植物生物量平均值為0.168 1 mg/L。2019年6月浮游植物平均密度為0.317 1×106cells/L,浮游植物生物量平均值為0.137 3 mg/L。對(duì)比之下,浮游植物密度、生物量秋季大于春季。通過對(duì)同一斷面春秋兩季的浮游植物密度進(jìn)行對(duì)比得出,最大值出現(xiàn)在普渡河河口區(qū)(8.175 5×106cells/L),最小值出現(xiàn)在小江河口區(qū)(0.007 5×106cells/L);通過對(duì)同一斷面春秋兩季的浮游植物生物量進(jìn)行對(duì)比,最大值同樣出現(xiàn)在普渡河河口區(qū)(0.340 3 mg/L),最小值出現(xiàn)在小江河口區(qū)(0.001 mg/L)。除普渡河河口區(qū)外,其他斷面浮游植物密度和生物量春秋兩季變化不大。
表2 金沙江下游水生生態(tài)現(xiàn)狀調(diào)查各斷面浮游植物現(xiàn)存量
浮游植物密度和生物量隨空間變化,浮游植物密度從雅礱江河口區(qū)到烏東德壩前有逐漸增多的趨勢(shì),烏東德壩前浮游植物密度小于壩后,生物量烏東德壩前高于壩后;浮游植物密度最大值出現(xiàn)在普渡河河口區(qū)(8.175 5×106cells/L),最小值出現(xiàn)在小江河口區(qū)(0.007 5 mg/L)。烏東德水電站附近斷面,壩前、壩后和普渡河河口區(qū),浮游植物密度和生物量都高于其他斷面。
2018年9月水生生態(tài)現(xiàn)狀調(diào)查監(jiān)測(cè)中,浮游植物密度和生物量的平均值分別為1.348 0×106cells/L和0.168 1 mg/L,其中浮游植物密度、生物量最高的均是普渡河河口區(qū),分別為8.175 5×106cells/L、0.3403 mg/L。2019年6月在水生生態(tài)現(xiàn)狀調(diào)查監(jiān)測(cè)中,浮游植物密度和生物量的平均值分別為0.317 1×106cells/L和0.137 3 mg/L,其中浮游植物密度最高的是烏東德壩后(1.072 0×106cells/L),其次為烏東德壩前(0.528 4×106cells/L);生物量最高的是普渡河河口區(qū)(0.300 0 mg/L),其次為烏東德壩前(0.275 3 mg/L)。
查閱《金沙江下游流域水生生態(tài)監(jiān)測(cè)年度報(bào)告》得到,工程施工前(2010年~2014年)浮游植物年平均值密度變化范圍為0.005 6×106~0.510 0×106cells/L,生物量變化范為0.020 9~0.545 7 mg/L;施工期(2015年~2017年)浮游植物密度變化范圍為0.760 0×106~1.335 1×106cells/L,生物量變化范圍為0.023 0~0.256 3 mg/L。
基于式(2)進(jìn)行的水生生態(tài)現(xiàn)狀調(diào)查結(jié)果見表3。從表3可知:
表3 各斷面浮游植物香農(nóng)-威納指數(shù)H′
(1)浮游植物生物多樣性隨時(shí)間變化。2018年9月浮游植物香農(nóng)-威納指數(shù)H′平均值為1.453 4,2019年6月為1.298 1。對(duì)比之下,浮游植物生物多樣性秋季大于春季,但春秋兩季變化不大。其中,浮游植物香農(nóng)-威納指數(shù)H′最大值出現(xiàn)在2018年9月的雅礱江河口區(qū),為2.346 3,最小值出現(xiàn)在2018年9月和2019年6月的小江河口區(qū),為0。
(2)浮游植物生物多樣性隨空間變化。浮游植物生物多樣性上游監(jiān)測(cè)斷面生物多樣性高于下游斷面。其中,香農(nóng)-威納指數(shù)H′最大值出現(xiàn)在雅礱江河口區(qū),為2.346 3,最小值出現(xiàn)在小江河口區(qū),為0。烏東德壩前和烏東德壩后監(jiān)測(cè)斷面生物多樣性高于其他斷面。
(3)水生生態(tài)現(xiàn)狀。2018年9月調(diào)查中各斷面的浮游植物群落的香農(nóng)-威納指數(shù)H′平均值為1.457 4,雅礱江河口區(qū)的H′最高,為2.346 4;其次為烏東德壩前,為2.334 1;除了小江河口區(qū)外,其他斷面H′平均值均在1以上。2019年6月調(diào)查各斷面浮游植物香農(nóng)-威納指數(shù)H′平均值為1.251 4,最大值出現(xiàn)在烏東德壩前,為2.224 5,其次為烏東德壩后斷面,為1.969 1。黑水河河口區(qū)H′平均值均在1以下,小江河口為0。查閱《金沙江烏東德水電站環(huán)境影響報(bào)告書》得到,工程建設(shè)前(2010年~2014年)浮游植物香農(nóng)-威納指數(shù)H′年平均值為0.502 9。
表4 2018年9月金沙江下游環(huán)境因子Pearson相關(guān)性系數(shù)
金沙江下游2019年6月Person相關(guān)性分析結(jié)果見表5。從表5可知,水體酸堿度(pH)與浮游植物的密度變化及種類組成也有密切的關(guān)系,pH與浮游植物密度呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),浮游植物生物量與SD呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。
表5 2019年6月金沙江下游環(huán)境因子Pearson相關(guān)性系數(shù)
在進(jìn)行浮游植物群落結(jié)構(gòu)和環(huán)境因子相關(guān)性分析前,需判斷采用的模型屬于線形模型還是單峰模型。首先對(duì)浮游植物數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)矩陣,并進(jìn)行數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理(log函數(shù)轉(zhuǎn)換);其次將種類數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行去趨勢(shì)對(duì)應(yīng)(DCA)分析,根據(jù)DCA排序的長(zhǎng)度梯度(Length sofgradient)結(jié)果判定選用的排序模型[9]。DCA分析統(tǒng)計(jì)信息見表6。根據(jù)DCA排序結(jié)果顯示,長(zhǎng)度梯度最大值為1.1<3,因此采用線性模型(RDA)分析可以較好地解釋物種數(shù)據(jù)與環(huán)境變量之間的關(guān)系。
表6 浮游植物群落結(jié)構(gòu)DCA分析
金沙江下游浮游植物群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境變量間RDA統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見表7。從表7可知,在RDA排序軸中,軸1的特征值為0.495 8,種類-環(huán)境相關(guān)系數(shù)為0.790 5;軸2特征值為0.162 3,種類-環(huán)境相關(guān)系數(shù)為0.931 9。前2個(gè)軸共解釋了97.77%的種類-環(huán)境相關(guān)性百分比,說明排序結(jié)果可靠,排序軸能較好地反應(yīng)金沙江下游浮游植物群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境變量間的生態(tài)關(guān)系。
表7 浮游植物群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境變量間RDA統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果
圖3 浮游植物組成和環(huán)境指標(biāo)的RDA分析
通過對(duì)烏東德水電站浮游植物施工前后種數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),各年度間浮游植物組成結(jié)構(gòu)無明顯差異,均以硅藻門、藍(lán)藻門和綠藻門為主,本次調(diào)查與天然浮游植物以硅藻門為主的理論相符合[10],但硅藻門隨時(shí)間比例下降,藍(lán)藻門隨時(shí)間比例上升。施工前硅藻門占總種數(shù)的71.63%,藍(lán)藻門占總種數(shù)的9.05%;施工前硅藻門占總種數(shù)的48.6%,藍(lán)藻門占總種數(shù)的25%。其主要原因是庫區(qū)的水流速度明顯降低,導(dǎo)致顆粒物的沉降速率增加,減弱了上下游之間的物質(zhì)交換,以硅藻為代表的被動(dòng)擴(kuò)散單細(xì)胞藻類很容易受沉降的影響[11]。浮游植物種類數(shù)量呈下降趨勢(shì)。其主要原因可能是施工期產(chǎn)生的生產(chǎn)廢水和生活污水造成水體透明度降低,抑制了浮游植物的生長(zhǎng)[12]。金沙江下游浮游植物種數(shù)年際變化見圖4。
圖4 金沙江下游浮游植物種數(shù)年際變化
2018年9月及2019年6月采樣調(diào)查共檢出污染物指示物種3門13種。其中,壩址上游的斷面烏東德壩前和壩址下游的烏東德壩后出現(xiàn)污染物指示物種頻率高于其他斷面,烏東德壩后斷面檢測(cè)出普通等片藻線形變種(Diatomavulgarevar.lineare)和肘狀針桿藻(Synedraulna)等污染物指示物種,烏東德壩前斷面檢測(cè)出厚壁細(xì)鞘絲藻(Le-ptolyngbyalaminosa)、普通等片藻(Diatomavu-lagare)、肘狀針桿藻(Synedraulna)等污染物指示物種。其主要原因可能是施工開挖、填筑圍堰、沖洗骨料、灌漿等產(chǎn)生的生產(chǎn)廢水以及施工人員日常生活產(chǎn)生的生活污水對(duì)水環(huán)境造成的污染[13]。水污染在壩址附近斷面表現(xiàn)更加明顯,因此壩址附近斷面更容易出現(xiàn)污染物指示物種,與調(diào)查結(jié)果相一致。
調(diào)查顯示,浮游植物密度和生物量水平總體較低,藍(lán)藻門、綠藻門和硅藻門占主要地位。2019年6月調(diào)查中,對(duì)浮游植物密度和生物量貢獻(xiàn)最大的均為硅藻門;2018年9月調(diào)查中,密度貢獻(xiàn)最大的是藍(lán)藻門,生物量貢獻(xiàn)最大的是硅藻門。各斷面間浮游植物密度和生物量差異都較大,普渡河河口區(qū)的浮游植物密度和生物量水平相對(duì)較高,其次為烏東德壩后,其他斷面的浮游植物密度和生物量都處于較低水平。密度和生物量較高水平的斷面都在壩址附近,其主要原因是修壩產(chǎn)生外來營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),促進(jìn)浮游植物密度和生物量增長(zhǎng)。浮游植物密度、生物量年際變化見圖5。
圖5 金沙江下游浮游植物密度、生物量年際變化
通過對(duì)施工前后浮游植物生物量進(jìn)行對(duì)比分析,浮游植物密度從整體上看呈上升趨勢(shì),施工前平均密度為0.185×106cells/L,施工期平均密度為0.993×106cells/L。其主要原因是水電站建成前水流湍急,河網(wǎng)密布,修建大壩使水體流速變慢,形成一定庫容,流速陡減,透明度增加,有利于浮游植物光合作用,水體含氧量增加,有利于植物生長(zhǎng)繁殖,因此浮游植物密度整體呈上升趨勢(shì)[14]。
通過對(duì)施工前后浮游植物生物量進(jìn)行對(duì)比分析,浮游植物生物量從整體上看呈下降趨勢(shì),施工前生物量年平均值為0.216 mg/L,施工期生物量年平均值為0.154 mg/L。其主要原因是浮游植物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變,施工前硅藻門占總種數(shù)的71.63%,藍(lán)藻門占總種數(shù)的9.05%;施工期硅藻門占總種數(shù)的48.6%,藍(lán)藻門占總種數(shù)的25%。藍(lán)藻門在群體中占的比例增大,硅藻門減少,藍(lán)藻門普遍生物量較小,而硅藻門生物量較大。由于施工造成浮游植物中藍(lán)藻門所占比例增加,硅藻門所占比例相對(duì)減少,所以最后呈現(xiàn)為生物量減少的現(xiàn)象[15]。
水生生態(tài)現(xiàn)狀調(diào)查結(jié)果顯示,香農(nóng)-威納指數(shù)最大值出現(xiàn)在烏東德壩前,為2.2793,其次為雅礱江河口區(qū),為2.1184。其主要原因是生物群落在不穩(wěn)定的環(huán)境條件下不容易形成單一優(yōu)勢(shì)種群,此時(shí)的生物多樣性一般比較高[16]。其中,烏東德壩前、雅礱江河口區(qū)屬于河流匯合處,生物群落不穩(wěn)定,因此生物多樣性高。
施工前后對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),調(diào)查期間浮游植物生物多樣性大于施工前,生物多樣性呈上升趨勢(shì)。施工前浮游植物香農(nóng)-威納指數(shù)年平均值為0.502 9。施工后為1.375 8。其主要原因是斷面原有生物多樣性就很低,修建大壩使水體流速變慢,形成一定庫容,水體營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)滯流時(shí)間延長(zhǎng),因此生物多樣性呈增長(zhǎng)趨勢(shì)[17]。
2019年6月浮游植物密度與pH呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。浮游植物與水體的pH值具有密切關(guān)系,弱堿性水體有利于藻類吸收大氣中的CO2,促進(jìn)光合作用[24];隨著水體堿性增強(qiáng),不利于藻類吸收大氣中的CO2,從而使浮游植物密度下降[25]。浮游植物生物量與SD呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。良好的透明度能促進(jìn)水體對(duì)光照的吸收,使水溫升高,有利于浮游植物獲取營(yíng)養(yǎng)鹽的生理活動(dòng),因而在一定范圍內(nèi)SD上升,有利于浮游植物生物量上升[26]。
本文基于2018年9月和2019年6月對(duì)金沙江下游浮游植物現(xiàn)狀調(diào)查結(jié)果,結(jié)合施工期的浮游植物數(shù)據(jù),并與施工前的浮游植物數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,對(duì)烏東德水電站施工期浮游植物群落特征進(jìn)行研究,得出以下結(jié)論:
(1)2018年9月和2019年6月2次采樣調(diào)查,共檢出浮游植物115種。其中,硅藻門69種,占總物種數(shù)的60%;綠藻門28種,占總物種數(shù)24.35%;藍(lán)藻門12種,占總物種數(shù)10.43%,優(yōu)勢(shì)門為硅藻門。浮游植物密度變化范圍為0.007 5×106~8.175 5×106cells/L,平均密度為0.832 6×106cells/L;浮游植物生物量變化范圍為0.001~0.340 3 mg/L,平均生物量為0.152 7 mg/L。浮游植物香農(nóng)-威納指數(shù)H′變化范圍為1.298 1~1.453 4,平均值為1.375 8。
(3)烏東德庫區(qū)浮游植物受施工影響變化不明顯,施工前后浮游植物種類數(shù)均以硅藻門、綠藻門和藍(lán)藻門為主,種類數(shù)目上有一定下降,綠藻門和藍(lán)藻門比例有所增加。
鑒于生態(tài)環(huán)境影響的長(zhǎng)期性、時(shí)滯性等特點(diǎn),建議持續(xù)開展水生生態(tài)監(jiān)測(cè)工作,尤其是在水生生物劇烈變化的庫區(qū)蓄水初期,應(yīng)強(qiáng)化蓄水初期水生生態(tài)專項(xiàng)監(jiān)測(cè),后期跟進(jìn)監(jiān)測(cè)結(jié)果完善水生生態(tài)保護(hù)科研工作,為烏東德水電站后續(xù)運(yùn)行及管理提供決策支持。