三峽水庫壩前水域浮游植物群落時空動態研究

王靜雅汪志聰李 翀葉少文連玉喜劉家壽張堂林李鐘杰

(1. 中國科學院水生生物研究所, 淡水生態與生物技術國家重點實驗室, 武漢 430072； 2. 中國科學院大學, 北京 100049；3. 中國長江三峽集團公司科技環保部, 北京 100038)

三峽水庫壩前水域浮游植物群落時空動態研究

王靜雅1,2汪志聰1李 翀3葉少文1連玉喜1,2劉家壽1張堂林1李鐘杰1

(1. 中國科學院水生生物研究所, 淡水生態與生物技術國家重點實驗室, 武漢 430072； 2. 中國科學院大學, 北京 100049；3. 中國長江三峽集團公司科技環保部, 北京 100038)

于2012—2013年對三峽水庫壩前水域浮游植物組成、優勢種、密度、生物量及多樣性進行了周年季度調查, 共鑒定浮游植物151種屬, 其中綠藻門71種, 硅藻門47種, 藍藻門20種, 隱藻門和甲藻門各4種,裸藻門和金藻門各2種, 黃藻門1種。浮游植物優勢種的季節更替明顯, 夏季和秋季優勢種類為硅藻和綠藻,冬季為硅藻、藍藻和綠藻, 春季為綠藻、硅藻和隱藻。浮游植物年均密度和生物量分別為3.95×106ind./L和4.078 mg/L, 空間差異表現為支流和庫灣遠高于干流, 季節動態表現為夏季最高, 春季和冬季次之, 秋季最低。三峽水庫壩前水域浮游植物多樣性指數偏低, 水體污染類型屬于α-中污染。研究為客觀了解三峽水庫壩前水域浮游植物群落的空間分布與季節變化特征提供一定的參考依據。

三峽水庫； 浮游植物； 群落結構； 多樣性指數

三峽大壩是迄今為止世界上規模最大的水利樞紐工程, 在防洪、航運、發電等方面帶來了巨大的社會和經濟效益, 但同時也對庫區的水域環境產生一定影響。蓄水后庫區水位提高, 流速減緩, 水體擴散能力減弱, 庫灣和支流污染物的滯留時間延長,由于受回水頂托作用, 污染物易在此匯集, 水華現象頻發[1]。由于三峽水庫的重要地位, 其生態環境受到廣泛關注, 有關三峽水庫浮游植物群落生態學研究已有較多積累, 但主要集中在庫區典型支流, 如小江[2]、大寧河[3]、香溪河[4]、童莊河[5]等, 對壩前水域浮游植物調查相對缺乏, 有必要對該水域不同生境條件下浮游植物群落結構現狀及時空動態進行監測與評價。

三峽水庫壩前區域距離大壩近, 受蓄水、泄洪的影響最為強烈, 該流域干流由之前的河流類型變為過渡類型, 而支流回水區主要以湖泊類型為主[6],浮游植物群落結構可能兼具湖泊和河流的特征, 其組成與多樣性可以作為評價水體營養狀態的重要指標[7]。因此, 本研究于2012—2013年對壩前干流、支流及庫灣的浮游植物群落展開了周年季度采樣, 調查內容包括種類組成、密度、生物量及生物多樣性,在此基礎上對該區域水體營養狀態進行評價, 以期為客觀認識現階段三峽水庫浮游植物群落的空間分布與季節變化特征提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 采樣點設置與采樣時間

三峽水庫壩前區域位于宜昌市秭歸縣境內, 本研究在該區域的干流、支流及庫灣設置了10個采樣點(圖1), 其中1、2、8、9、10號采樣點分布于干流, 3、6、7號采樣點位于河口庫灣, 4、5號采樣點分布于支流(圖1), 樣點1距大壩的直線距離約7.3 km。于2012年8月(夏季)、11月(秋季)、2013年1月(冬季)、4月(春季)對浮游植物進行季度現場采樣。

圖1 三峽水庫壩前水域采樣點分布Fig. 1 Distribution of sampling sites in the head region of the Three Gorges Reservoir

1.2 樣品采集與處理

由于水體流速較大, 使用銅質加重采水器進行采樣。分別采集表層和底層(距庫底1 m左右； 若水深＞50 m, 則采集 50 m深處作為底層水樣)水樣各5 L, 分別取1 L置于樣品瓶中, 現場用魯哥氏液固定, 實驗室內靜置沉降 48h后, 用虹吸法吸去上層濃縮至30 mL[8]。浮游植物定量分析時, 用移液槍取0.1 mL均勻樣品于0.1 mL計數框中, 在光學顯微鏡40倍物鏡下采用對角線十格法計數[9]。浮游植物種類鑒定參照相關文獻[9–11]。

1.3 優勢種確定及多樣性指數計算

運用Kikvidze等[12]提出的方法計算每個季節浮游植物的優勢種數量(A)和每種浮游植物的優勢度(Y), Y值在前A位的浮游植物即為優勢種, 相關公式如下:

式中: S為浮游植種類數； vi為群落中第i物種的相對多度； Ni為第i種的個體數； N為所有種類的總個體數；fi為第i物種在各采樣點中出現的頻率。

優勢種季節更替率(R)計算公式如下:

R=(a+b–2c)/(a+b–c)×100% (3)

式中: a和b分別為相鄰兩季的優勢種數, c為相鄰兩季共同的優勢種數。

浮游植物群落多樣性度量采用Shannon-Wiener多樣性指數(H′)、Margalef豐富度指數(d)和Pielou均勻度指數(J)[13—15], 計算公式如下:

式中: S為浮游植種類數, Ni為第i種的個體數, N為所有種類的總個體數。

2 結果

2.1 浮游植物種類組成及優勢種變化

在壩前水域共采集到浮游植物 8門 151種屬,其中綠藻門71種, 占浮游植物群落總種屬數的比例為47.02%； 其他為硅藻門(47種)、藍藻門(20種)、隱藻門(4種)、甲藻門(4種)、裸藻門(2種)、金藻門(2種)、黃藻門(1種), 種屬數所占比例分別為31.13%、13.25%、2.65%、2.65%、1.32%、1.32%和0.66%。浮游植物各門類的種類比例在4個季節之間較為相近(圖2)。

常見種類包括綠藻、硅藻和隱藻的藻類, 而富營養化水體中的代表種類藍藻雖種類數較多, 但出現率不高, 不能看做是常見種類。壩前水域浮游植物常見種類見表 1。夏季和秋季優勢種類為硅藻和綠藻, 冬季為硅藻、藍藻和綠藻, 春季為綠藻、硅藻和隱藻, 其中冬季優勢種種類最多。具體各季節優勢種種類見表2。優勢種季節更替率R值在冬-春季最高(87.5%), 夏-秋季(85.7%)和秋-冬季(71.4%)次之, 春-夏季最低(66.7%)。

圖2 三峽水庫壩前水域四季的浮游植物種類組成及各門藻類組成比例Fig. 2 Composition of phytoplankton species in the head region of the Three Gorges Reservoir

表1 三峽水庫壩前水域浮游植物常見種類Tab. 1 Common phytoplankton species in the head region of the Three Gorges Reservoir

表2 三峽水庫壩前水域浮游植物優勢種Tab. 2 Dominant species of phytoplankton in the head region of the Three Gorges Reservoir

2.2 浮游植物群落密度和生物量

三峽壩前水域表層浮游植物年均密度為 3.950× 106ind./L, 變化范圍 0.285×106—31.071×106ind./L,其中夏季最高, 均值達10.232×106ind./L, 秋季最低,為0.521×106ind./L, 冬季和春季分別為1.323×106和3.727×106ind./L。另一方面, 河口和支流的浮游植物豐度高于干流, 干流藻類年均密度為 0.647×106ind./L,支流為 6.585×106ind./L, 河口為 4.629×106ind./L (圖3)。

浮游植物生物量年均值為 4.078 mg/L, 變化范圍0.201—49.159 mg/L, 夏季最高(11.899 mg/L)、春季次之(3.352 mg/L)、秋季和冬季較低(二者均為0.530 mg/L)。干流浮游植物生物量均值僅為0.662 mg/L,而支流則高達9.130 mg/L, 河口居中, 為5.499 mg/L。如圖 4所示, 壩前水域浮游植物以綠藻和硅藻為主要類群, 干流中硅藻的生物量所占比例最高(54.3%)、綠藻次之(32.5%)； 河口和支流中綠藻為絕對優勢類群, 分別占總生物量的80.6%和83.2%, 硅藻分別占14.6%和11.1%。

2.3 浮游植物垂直分布

如圖5所示, 冬季、春季和夏季無論在干流、支流還是河口, 表層浮游植物的豐度都顯著高于底層,表層浮游植物豐度均值為 5.094×106ind./L, 底層僅0.812×106ind./L。但是秋季的結果與其他三季不同,底層浮游植物豐度顯著高于表層, 表層豐度僅為0.521×106ind./L, 而底層豐度高達2.614×106ind./L。

2.4 群落多樣性指數

浮游植物群落多樣性指數的時空變化情況見表3。Shannon-wiener多樣性指數變化范圍0.89—2.05,平均值為 1.38, 方差分析顯示各季節間無顯著性差異(P＞0.05), 干流、河口和支流間也無顯著性差異(P＞0.05)； Pielou均勻度指數變化范圍 0.37—0.70,平均值為 0.54, 春季和秋季間有顯著性差異(P＜0.05), 春季低于秋季, 其他季節間無顯著性差異(P＞0.05), 干流、河口和支流間無顯著性差異(P＞0.05)；Margalef豐富度指數變化范圍 0.71—1.41, 平均值為0.92, 在四季間無顯著性差異(P＞0.05), 干流、河口和支流間也無顯著性差異(P＞0.05)。

圖3 三峽水庫壩前水域浮游植物豐度時空變化Fig. 3 The abundance of phytoplankton in head region of the Three Gorges Reservoir

圖4 三峽水庫壩前水域浮游植物種類百分比組成的空間分布Fig. 4 Spatial variation of the phytoplankton biomass in head region of the Three Gorges Reservoir

圖5 三峽水庫壩前水域浮游植物垂直分布情況Fig. 5 Vertical distribution of phytoplankton in the head region of the Three Gorges Reservoir

表3 三峽水庫壩前水域浮游植物群落多樣性指數Tab. 3 Diversity index of phytoplankton in the head region of the Three Gorges Reservoir

3 討論

3.1 壩前水域浮游植物組成特征

本研究于 2012—2013年在三峽水庫壩前水域共采集浮游植物8門151種屬(含變種) , 綠藻門和硅藻門種類最多, 占總數的 78.15%。雖然四季都以硅藻門、綠藻門種類居多, 與前人所得結論一致[2,16—18],但浮游植物優勢種、常見種、生物量及密度之間存在季節和空間差異。可能原因有: 季節變化引起的光照、水溫、溶氧、營養鹽濃度等環境變化, 對浮游植物的生長繁殖產生影響； 三峽水庫季節性蓄水、泄洪對水位、水體流速等水文狀態產生影響, 從而影響浮游植物生長繁殖等。曾輝等[19]于 2004—2005年研究結果顯示浮游植物豐度為 0.47—273.10× 104ind./L, 本次研究結果遠高于此, 干流密度 0.647× 106ind./L, 支流與河口平均密度5.607×106ind/L, 平均豐度高達3.950×106ind./L, 變化范圍0.285×106—31.071×106ind./L, 夏季百歲溪浮游植物豐度最高,有水華現象發生。張遠等[20]認為蓄水前后水動力學條件的變化與所形成的空間差異是造成浮游植物群落變化的關鍵因素。夏季支流密度高的原因可能是由于夏季氣溫高、光照強, 適宜浮游植物繁殖, 加之支流受到回水頂托, 流速緩慢, 營養物質富集, 造成浮游植物大量繁殖, 并以綠藻門植物為優勢類群。干流區域因距三峽大壩壩體近, 受到蓄水、泄洪等影響較大, 流速快, 泥沙含量高, 透明度低, 營養鹽易擴散等原因都可能抑制浮游植物的生長繁殖[21], 造成干流浮游植物豐度較低, 優勢類群為適宜中營養、高流速的硅藻門藻類。

3.2 浮游植物群落季節變化

三峽水庫壩前水域夏季浮游植物種類、現存量及生物量均最高, 秋季最低, 同期測得的葉綠素含量有同樣的季節變化, 這與其他研究中冬季最低[13,22]有所不同。夏季光照時間長、水溫高、營養鹽豐富, 有利于浮游植物的生長繁殖； 而秋季浮游植物生物量低的可能原因在于: 夏季浮游植物大量繁殖, 消耗水中大量營養鹽, 同期測得的總磷含量低于其他三季,從而限制浮游植物的生長繁殖。秋季庫區水位從145 m上升到 156 m過程中, 水流受到回流的頂托,水流方向與其他季節特別是夏季有較大不同[16]。

3.3 浮游植物垂直分布特征

本研究底層樣品采自水下50 m處, 深度已超過真光層[23], 但結果表明仍有相當數量的浮游植物存在(密度平均值為 0.812×106ind./L)。根據同時期測得的水溫數據, 水溫在垂直方向上基本一致, 說明采樣水域無溫躍層, 混合程度良好, 上層浮游植物隨水流帶到水體底層。

夏、冬、春三季干流表層浮游植物密度與底層密度相近, 河口庫灣與支流表層密度遠高于底層；但秋季干流、庫灣和支流均為表層密度均低于底層密度, 同時期測得的葉綠素含量、總氮均出現底層高于表層的現象, 推測原因有二: (1)夏季水體透明度低, 流速大, 水體中有大量懸浮泥沙, 秋季流速下降后, 泥沙沉降, 浮游植物衰退后與泥沙一起沉降到底層水體； (2)泥沙的吸附沉降作用降低了表層水體磷的生物可利用性。干流表層浮游植物密度季節間差異不大, 河口庫灣季節間差異較大, 夏季最高、冬季最低； 底層密度幾乎不隨季節和區域的變化而變化。究其原因, 底層限制因子主要是光照, 而底層采樣水層已超過真光層, 光強幾乎不隨季節和空間而改變, 因而底層浮游植物密度受季節和空間影響小。

3.4 三峽水庫壩前區域水質初步評價

根據水體營養類型評價的浮游植物群落生態學指標與標準(表 4)[24,25], 通過綜合分析浮游植物生物量和細胞密度及多樣性指數, 得出三峽水庫壩前水域的營養狀態如下: 干流四個季節的浮游植物現存量均較低, 屬于貧營養； 庫灣夏季浮游植物現存量高, 水體屬于富營養, 秋、冬、春三季屬于貧-中營養； 支流夏季和春季屬于富營養, 冬季和秋季屬于貧-中營養, 與同時期水化數據顯示的結果一致。群落物種多樣性是群落組織獨特的生物學特征, 它反映了群落特有的物種組成和個體密度特征。在本研究中Shannon-wiener多樣性指數和Margalef豐富度指數均無顯著的季節和區域差異。浮游植物群落多樣性指數反映出三峽水庫壩前水質屬于中等程度污染, 類型為α-中污染。分析可能原因有以下方面:三峽水庫蓄水后支流和庫灣的水流速降低, 污染物擴散能力減弱, 水體自凈能力下降； 蓄水后壩前水域淹沒區氮、磷等營養鹽釋放, 加快了浮游植物群落發展； 該水域位于秭歸境內, 沿岸分布較多居民和工廠, 排放的污水中含有大量無機鹽, 為藻類大量繁殖提供了營養條件； 該水域距大壩較近, 受泄洪、蓄水的影響較大, 對浮游植物的生長繁殖有較大的擾動, 不利于形成穩定的浮游植物群落。

三峽水庫水質安全直接影響當地居民的用水安全和漁業安全, 根據上述三峽水庫壩前水域浮游植物群落現狀及其表征的水體營養狀態初步評價結果,三峽水庫的富營養化問題應引起關注, 尤其要重視壩前支流及其河口區域富營養化與夏-春季藻類水華的預防控制, 建議相關部門加強流域管理, 尤其加大對工業、生活污水排放的監管, 加大在水環境保護方面的資金投入, 通過宣傳、教育等途徑提高附近居民的環保意識, 以改善水環境, 使其更好地發揮生態系統服務功能。

表4 水體營養類型和水質評價的浮游植物生態學指標及標準[23,24]Tab. 4 Algal community index and standards for evaluation of water trophic status[23,24]

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THE SPATIO-TEMPORAL DYNAMICS OF PHYTOPLANKTON COMMUNITY STRUCTURE IN THE HEAD REGION OF THE THREE GORGES RESERVOIR

WANG Jing-Ya1,2, WANG Zhi-Cong1, LI Chong3, YE Shao-Wen1, LIAN Yu-Xi1,2, LIU Jia-Shou1, ZHANG Tang-Lin1and LI Zhong-Jie1
(1. State Key Laboratory of Freshwater Ecology and Biotechnology, Institute of Hydrobiology, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430072, China； 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China； 3. Department of S & T and Enviroment Protection, China Three Goges corporation, Beijing 100038, China)

In this study, we explored the seasonal change in the structure of the phytoplankton community in the head region of the Three Gorges Reservoir (TGR). Field sampling was carried out in August (summer) and November (autumn) of 2012 and in January (winter) and April (spring) of 2013. Eight phyla and 151 genera and species were identified, including 71 species of Chlorophyta, 47 species of Bacillariophyta, 20 species of Cyanophyta, 4 species of Pyrrophyta and Cryptophyta, 2 species of Chrysophyta and Euglenophyta, and 1 species of Xanthophyta. Bacillariophyta and Chlorophyta were the most abundant phyla. There were remarkable seasonal variations in the composition of the dominant phytoplankton species. The dominant species in summer were Cyclotella sp., Pandorina morum, Chlamydomonas sp., Chlamydomonas conica, and Eudorina elegans. The dominant species in autumn were Cyclotella sp., Melosira sp., and Chlorella vulgaris. In winter, the dominant species were Cyclotella sp., Aphanizomenon sp., Phormidium sp., Merismopedia tenuissima, Pseudanabaenaceae sp., and Lyngbya sp. In spring, the dominant species were Chlamydomonas sp., Cyclotella sp. and Chroomonas acuta. The abundance of phytoplankton peaked in summer and reached the lowest in autumn. The annual density and biomass were 3.950×106ind./L and 4.078 mg/L respectively. The abundance of phytoplankton in the bay and the tributary was higher than that in the mainstream. The water body in the head of region TGR was lonsidered to be α-mesosaprobic according to the diversity index of the phytoplankton community. Our study provided insights into the spatial and temporal dynamics of the phytoplankton community structure and will helpus develop strategies to improve the water quality in the TGR.

The Three Gorges Reservoir； Phytoplankton； Community structure； Diversity index

Q145+.2

A

1000-3207(2015)05-0877-08

10.7541/2015.116

2015-02-16；

2015-04-12

公益性行業(農業)科研專項經費(201303056-1)； 中國長江三峽集團公司科研項目(CT-12-08-01)； 國家科技支撐計劃課題(2012BAD25B08)資助

王靜雅(1987—), 女, 山東濟寧人； 博士研究生； 研究方向為水生生物學。E-mail: wangjy@ihb.ac.cn

李鐘杰, E-mail: zhongjie@ihb.ac.cn