江蘇省沂北地區(qū)典型水庫群浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征

顏秉龍，欒承梅，陳 翔，李敏娟，燕文明，吳挺峰

（1.連云港市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 連云港 222006；2.江蘇省水文水資源勘測(cè)局，江蘇 南京 210098；3.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；4.中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，江蘇 南京 210008）

國內(nèi)外已經(jīng)開展了大量有關(guān)水庫富營養(yǎng)化和浮游植物問題研究［1-2］。相對(duì)于湖泊，不同水庫浮游植物水華的始發(fā)水域較為固定，多為庫尾河流相區(qū)。這是庫尾水域充足的營養(yǎng)鹽供給、良好的光照和長水力停留時(shí)間等有利于浮游植物生長的環(huán)境條件所決定的。河流相區(qū)往下游，依次為過渡區(qū)和湖泊相區(qū)，水質(zhì)也逐漸改善。不過，盡管對(duì)單個(gè)水庫浮游植物時(shí)空分布特征已經(jīng)有較多的認(rèn)識(shí)，但是對(duì)位于同一水系中的由多個(gè)水庫組成的水庫群浮游植物空間分布的研究較少。而這對(duì)依賴水庫供水地區(qū)水庫空間布局和生態(tài)安全維護(hù)是非常重要的。

為此，本研究以位于江蘇省沂北地區(qū)的石梁河水庫集水區(qū)6座中型水庫所組成的水庫群為研究對(duì)象，基于枯水和豐水期的2次庫區(qū)水域富營養(yǎng)化調(diào)查，結(jié)合水庫水文特征，評(píng)估水庫群富營養(yǎng)化狀況，研究水庫群浮游植物時(shí)空分布特征及其主要影響因素。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

位于黃淮海平原的江蘇省沂北地區(qū)年均氣溫13.7 ℃、降水量869.9 mm、風(fēng)速3.1 m/s，屬于暖溫帶濕潤季風(fēng)氣候。作為著名的“洪水走廊”，沂北地區(qū)的水資源具有時(shí)空分布不均的特點(diǎn)，因此需要修建大量水庫以調(diào)節(jié)這種不均勻性。其中沂北地區(qū)的東?？h有“百庫之縣”的稱號(hào)，其境內(nèi)的大石埠水庫、賀莊水庫、昌梨水庫、羽山水庫、橫溝水庫和房山水庫相互之間有河道聯(lián)通，組成了該區(qū)域最大的水庫群。水庫群位于由龍梁河、石安河和沭新河等構(gòu)成的水系上。該水系的水流主要自西南流向東北，并最終匯入石梁河水庫及其所在的新沭河。除匯集各水庫流域所產(chǎn)水量外，大石埠水庫、賀莊水庫、昌黎水庫和羽山水庫調(diào)引流龍梁河水，橫溝水庫和房山水庫分別由上游羽山水庫和安峰山水庫供水。

該水庫群內(nèi)各水庫均為中型水庫（表1），具有防洪、灌溉和養(yǎng)殖等功能，是區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要保障。已經(jīng)開展的針對(duì)該水庫群部分水庫調(diào)查結(jié)果表明，水庫水質(zhì)指標(biāo)嚴(yán)重超標(biāo)，水體已達(dá)不同程度富營養(yǎng)化水平［3-4］。

表1 沂北地區(qū)水庫群內(nèi)各水庫水文特征要素

為了弄清水庫群內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況，本研究分別在各水庫的庫尾、庫中和壩前布設(shè)27 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)：大石埠水庫（DSB1-4）、賀莊水庫（HZ1-3）、昌梨水庫（CL1-2）、羽山水庫（YS1-2）、橫溝水庫（HG1-4）和房山水庫（FS1-3）。分別在枯水期（2021年3月早春季節(jié)第1次調(diào)查）和豐水期（2021年9月初秋季節(jié)第2 次調(diào)查）對(duì)水庫群內(nèi)每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)各開展一次水質(zhì)和浮游植物調(diào)查。

1.2 樣本的采集與處理

使用豎式采水器定量采集1~2 L水樣。采集浮游植物樣品時(shí)，需根據(jù)采樣點(diǎn)位的水深設(shè)置采樣層次。水深小于2 m時(shí)，不分層，在表層下0.5 m采集；水深為2~5 m時(shí)，分別在表層下0.5 m、底層上0.5 m各采集1次；水深大于5 m時(shí)，則在表層下0.5 m處、中層以及底層上0.5 m 處各采集1 次。不同層次采集的樣品作混合樣處理。定量樣品中加入1%~1.5%的魯哥試液進(jìn)行固定。藻類水華樣品可根據(jù)情況酌情增加固定劑。

采用虹吸法進(jìn)行前處理。在采樣瓶中直接進(jìn)行樣品的沉淀、濃縮，因?yàn)橐话愀∮卧孱惖拇笮閹孜⒚椎綆资⒚?，所以靜置沉淀時(shí)間一般需要24 h。然后使用與虹吸管連接的尖頭玻璃管以虹吸方式緩慢吸去上層的清液，不能攪動(dòng)或吸出浮在表面和沉淀的藻類。最后留下約30~40 mL時(shí)，將沉淀物轉(zhuǎn)移至容積為100 mL的樣品瓶中，用吸出的上清液及蒸餾水沖洗采樣瓶2~3 次，沖洗液一起放入樣品瓶中。

種類鑒定、計(jì)數(shù)。在生物顯微鏡下，將浮游藻類鑒定至種水平。種類鑒定參照《淡水微型生物圖譜》［5］和《中國淡水藻類—系統(tǒng)、分類及生態(tài)》［6］。鑒定分析步驟如下：①計(jì)數(shù)前將樣品充分搖勻，用移液槍吸取0.1 mL于浮游植物計(jì)數(shù)框中計(jì)算細(xì)胞數(shù)；②根據(jù)標(biāo)簽信息及其他信息確定樣品的準(zhǔn)確性；③定量計(jì)數(shù)在10×40 倍視野下進(jìn)行，并鑒定到種；④每個(gè)樣本應(yīng)重復(fù)計(jì)數(shù)2次，如2次誤差小于10%則視為有效；若大于10%則進(jìn)行第3次計(jì)數(shù)，取平均值。

1.3 水化學(xué)指標(biāo)的測(cè)定

水化學(xué)指標(biāo)測(cè)試參照《湖泊富營養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范（第二版）》［7］，其中采用流動(dòng)注射分析儀（SAN++，SKALAR，荷蘭）測(cè)定水中的TN、NO3-、NH4+、TP、PO43-，應(yīng)用總有機(jī)碳分析儀（Multi N/C 2100，Jena，德國）測(cè)定水中的總有機(jī)碳（TOC）。

1.4 浮游植物多樣性指數(shù)

Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)反映群落結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，其值越大群落越復(fù)雜，對(duì)環(huán)境的反饋功能越強(qiáng)，生態(tài)系統(tǒng)越穩(wěn)定。浮游植物密度（N1）、優(yōu)勢(shì)度（Y）、Shannon-Wiener 指數(shù)（H′）［8］的計(jì)算公式為

式中：n為計(jì)數(shù)所得的浮游植物的個(gè)體數(shù)目；A為計(jì)數(shù)框面積，mm2；Ac為計(jì)數(shù)面積，mm2；V為計(jì)數(shù)框的體積，mL；Vw為1 L水樣經(jīng)沉淀濃縮后的體積，mL；fi為第i種浮游植物在所有樣品中出現(xiàn)的頻率。優(yōu)勢(shì)度Y>0.02的物種為優(yōu)勢(shì)種。S為樣品物種數(shù)；ni為第i種生物的密度；N為樣品所有物種個(gè)數(shù)。H′數(shù)值越大，表示群落結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，群落越趨于穩(wěn)定；03，清潔。

2 結(jié)果與分析

2.1 浮游植物密度與生物量

3月和9月調(diào)查的水庫群浮游植物密度均值分別為424.4 萬cells/L和1 464.9 萬cells/L?？梢?，高溫的初秋季節(jié)浮游植物密度顯著高于低溫的早春季節(jié)。每座水庫浮游植物密度空間分布特征為，除賀莊水庫外，2次調(diào)查中直接調(diào)引龍梁河的其余3座水庫浮游植物密度庫尾大于庫首，2座由上游水庫供水的水庫藻密度庫首大于庫尾。這證明，上游來水對(duì)水庫藻密度空間分布具有決定性影響。此外，2次調(diào)查顯示羽山水庫浮游植物密度均最大（圖1）。

圖1 沂北地區(qū)水庫群內(nèi)6座水庫3月和9月浮游植物密度

3月調(diào)查和9月調(diào)查的水庫群浮游植物生物量均值分別為14.64 mg/L和5.63 mg/L。高溫的初秋季節(jié)浮游植物密度顯著小于低溫的早春季節(jié)。每座水庫浮游植物密度空間分布無明顯規(guī)律性。3月調(diào)查顯示賀莊水庫浮游植物生物量最大，9月調(diào)查顯示橫溝水庫的浮游植物生物量最大。對(duì)比浮游植物密度和生物量調(diào)查結(jié)果可知，由于9月處于汛期，該時(shí)段內(nèi)水庫群所承擔(dān)的防洪任務(wù)在下泄水量的同時(shí)，也造成了浮游植物生物量的損失，使得各水庫浮游植物生物量較非汛期（3月）顯著減少。此外，3月份賀莊水庫浮游植物生物量出現(xiàn)58.54 mg/L的異常高值（圖2），是其余5座水庫均值10倍。

圖2 沂北地區(qū)水庫群內(nèi)6座水庫3月和9月浮游植物生物量

此外，水體交換率（水力停留時(shí)間）對(duì)水庫富營養(yǎng)化和藻類水華具有重要影響［9-10］。通過計(jì)算每座水庫的浮游植物細(xì)胞平均體積與6座水庫的換水率的相關(guān)關(guān)系表明兩者具有顯著相關(guān)關(guān)系（圖3）。由此可知，隨著水力停留時(shí)間的縮短，水庫浮游植物細(xì)胞的體積呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。這可能是由于換水率大的水庫營養(yǎng)鹽補(bǔ)給更有保障，使得浮游植物群落向著大型化方向發(fā)展。

2.2 物種組成與優(yōu)勢(shì)種

3月調(diào)查結(jié)果（圖4）表明，早春季節(jié)水庫群浮游植物群落結(jié)構(gòu)變化復(fù)雜。其中房山水庫、昌黎水庫、橫溝水庫和羽山水庫的浮游植物數(shù)量最多的是藍(lán)藻門，分別占總密度的47.15%、76.02%、35.11%和90.41%；大石埠水庫的綠藻門浮游植物最多，占46.33%；賀莊水庫的裸藻門浮游植物最多，占35.19%。從生物量最大占比來看，昌黎水庫、橫溝水庫和羽山水庫為硅藻門，房山水庫為綠藻門，大石埠水庫為藍(lán)藻門，賀莊水庫為裸藻門。

圖4 沂北地區(qū)水庫群6座水庫3月和9月浮游植物生物量占比

9月調(diào)查結(jié)果表明，初秋季水庫群內(nèi)6座水庫浮游植物數(shù)量最多的均為藍(lán)藻，房山水庫、昌黎水庫、大石埠水庫、賀莊水庫、橫溝水庫和羽山水庫的藍(lán)藻門分別占總密度的83.5%、75.1%、69.6%、77.8%、42.7%和92.8%。從生物量最大占比來看，初秋季水庫群內(nèi)6座水庫生物量占比最大的均為硅藻，占比依次為43.8%、50.9%、42.6%、45.1%、50.7%和46.2%。研究表明硅藻是水庫中常見的災(zāi)害性水華物種。

水庫群浮游植物優(yōu)勢(shì)度計(jì)算結(jié)果表明，3月房山水庫、昌黎水庫、羽山水庫的第一優(yōu)勢(shì)種為浮游席藻（Phormidium planctonica）；9月各水庫浮游植物優(yōu)勢(shì)種均屬于藍(lán)藻門，共有5 種，大石埠水庫、賀莊水庫、橫溝水庫的第一優(yōu)勢(shì)種為點(diǎn)形平裂藻（Merismopedia punctata），見表2。

表2 沂北地區(qū)水庫群浮游植物優(yōu)勢(shì)種

2.3 Shannon-Wiener指數(shù)

3月水庫群內(nèi)6座水庫浮游植物的H′均值排序?yàn)榇笫核畮欤?.58）>房山水庫（2.5）>賀莊水庫（2.3）>昌黎水庫（2.26）>橫溝水庫（2.12）>羽山水庫（1.41）。6座水庫均處于中污染狀態(tài)，羽山水庫污染相對(duì)較重。從單個(gè)水庫的H′分布來看，庫首的H′值要普遍高于庫尾（圖5）。

圖5 沂北地區(qū)水庫群3月浮游植物群落Shannon-Wiener指數(shù)

9月水庫群內(nèi)6座水庫浮游植物的H′均值（1.99）低于3月。6座水庫均處于中污染狀態(tài)，羽山水庫污染相對(duì)較重。從單個(gè)水庫的H′分布來看，庫首的H′值高于庫尾的分布態(tài)勢(shì)減弱（圖6）。其中，由上游水庫供水的橫溝和房山水庫甚至出現(xiàn)了庫首H′值低于庫尾的狀況。這體現(xiàn)了汛期水庫泄洪對(duì)浮游植物群落結(jié)構(gòu)的影響。

圖6 沂北地區(qū)水庫群9月浮游植物群落Shannon-Wiener指數(shù)

此外，每座水庫年度H′均值與換水率相關(guān)關(guān)系表明，兩者具有非顯著的正相關(guān)關(guān)系（r= 0.63，p>0.05）。這表明，隨著水庫水力停留時(shí)間的縮短，水庫浮游植物多樣性增大。

水庫群內(nèi)6座水庫3月和9月浮游植物Shannon-Wiener指數(shù)與水化學(xué)指標(biāo)相關(guān)性分析表明（表3），3月Shannon-Wiener 指數(shù)和水化學(xué)指標(biāo)無顯著相關(guān)性；9月Shannon-Wiener指數(shù)和CODcr具有顯著相關(guān)性（p<0.05），與其他指標(biāo)無顯著相關(guān)性。研究結(jié)果與臨近的駱馬湖等［11-12］天然湖泊差別較大。這主要是因?yàn)樗畮焓鞘苋祟惢顒?dòng)深刻影響的水體［13］，其生態(tài)系統(tǒng)隨著人類活動(dòng)干擾（防汛調(diào)度、灌溉和養(yǎng)殖等）而不斷變化，始終處于河流相和湖泊相生態(tài)系統(tǒng)的不斷切換的過程中。

3 結(jié) 論

水庫群浮游植物密度空間分布特征為受河流補(bǔ)給的水庫的浮游植物密度庫首小于庫尾；受上游水庫補(bǔ)給的水庫浮游植物密度庫首大于庫尾。水庫水量補(bǔ)給方式對(duì)其庫區(qū)浮游植物密度空間分布具有決定性影響。

受水庫防汛調(diào)度的影響，水庫泄洪所造成的浮游植物生物量損失使得高溫多雨的9月水庫浮游植物生物量小于低溫干旱的3月。同時(shí)，相關(guān)性分析表明：隨著水力停留時(shí)間的縮短，水庫浮游植物群落有向大型化發(fā)展的趨勢(shì)。

沂北地區(qū)水庫群內(nèi)各水庫的早春季浮游植物群落結(jié)構(gòu)變化復(fù)雜，但是，初秋季浮游植物群落結(jié)構(gòu)較為一致。各水庫數(shù)量最多的是藍(lán)藻，生物量占比最大的是硅藻。Shannon-Wiener 指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果表明，水庫群內(nèi)所有水庫均處中污染狀態(tài)，其中羽山水庫污染最嚴(yán)重。早春季水庫H′值呈現(xiàn)庫首高于庫尾的分布特征，但是汛期水庫調(diào)度破壞了這種空間分布規(guī)律。相關(guān)性分析表明：水庫H′指數(shù)與化學(xué)需氧量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。