南水北調運行初期東平湖浮游植物群落特征分析

冷春梅，董貫倉，王亞楠，師吉華，朱士文，李秀啟

（山東省淡水漁業研究院，山東 濟南250016）

南水北調是緩解我國北方水資源嚴重短缺問題的國家重要戰略工程，東平湖作為東線工程的最后一級調蓄湖泊，乃南水北調東線工程的重要節點，其水質安全是保障工程成敗的關鍵[1]。東平湖（35°30′～36°20′N，116°00′～116°30′E） 位于山東東平縣的西部，地質時期屬于古大野澤的一部分，多年平均水深1～2m，湖區面積209 km2，蓄水總量40×109m3，湖區漁業資源豐富，是山東省重要的淡水漁業生產基地。南水北調通水后，調蓄湖泊的水位將有所提高，而外來水的進入也將影響到湖區水域生態環境，各類生物資源也會發生一定變化[2]。浮游植物為生態系統中的初級生產者，是其他一切生物賴以生存的關鍵[3]，能夠靈敏而迅速地反映水環境的變化。浮游植物群落結構也決定了其在生態系統中的功能差異[4]。南水北調運行后，東平湖水質定會隨著大量南水的調入而發生改變，在一定程度上影響湖區浮游植物的組成，浮游植物的群落特征則可作為自然水體評價的重要內容[5-9]。

2013年7月南水北調東線進行了試通水運行，11月19日—12月10日正式運行并調水3 400萬m3,調水量約占東平湖水體容量的0.085%。雖然首次調水來水量較少，可能不會嚴重影響湖區的水質及漁業資源等生態狀況，但經由洪澤湖、京杭大運河等水體調入的長江水，各水體水生生態系統組成的差異卻可能帶來東平湖水體小型、微型生物群落的變化。其中，浮游植物群落結構特征對環境反應敏感，能對水域環境做出快速響應[8]。因此，本文于2013年通過監測東平湖浮游植物的，并同期跟蹤通水過程中浮游植物的變化狀況，以期為南水北調東線工程通水前的東平湖提供浮游生物基礎數據，并為長期跟蹤研究提供基礎資料。

1 材料與方法

1.1 站位設置

2013年3月、5月、8月和11月在東平湖進行4次采樣調查。調查期間，依據水文特征及漁業利用情況，在東平湖內設立7個采樣站位（圖1），另于調水后的11月增設8#調水干渠站位一處。采樣點包括出湖口、入湖口、水草保護區，主要人類活動區等重點區域。群落結構的分析主要針對湖區1#～7#站位，僅就調水影響的分析過程中專門就8#站位進行討論。

圖1 東平湖調查站位設置Fig.1 The distribution of sampling sites in Dongping Lake

1.2 浮游植物采集及計數

于水深0.5m處用有機玻璃采水器采集水樣后，取1 000mL加入15mL魯哥試劑搖勻。帶回實驗室靜置沉淀48h后濃縮至40mL鏡檢，用浮游植物

式中，H′為Shannon-Wiener生物多樣性指數，Y為優勢度指數，S為物種數，N為某采樣站位樣品中浮游生物總個數（個），ni為樣品中第i種的個數（個），fi為第i種生物在全部采樣站位的出現頻率。

根據徐兆禮等[11]浮游動物優勢種的規定，Y＞0.02時該種為優勢種。根據何志輝[12]和孔繁翔[13]的評價標準：H′＜1 時，為重度污染；H′=1～2，為中度污染；H′=2～3，為輕度污染；H′＞3，為清潔。計數框在10×40倍光學顯微鏡下進行觀察計數。計數時充分搖勻后取0.1mL濃縮液放入0.1mL計數框中，觀察100個視野，每樣品計數兩片取平均值；若兩片計數結果相差15%以上，則進行第三片計數，取個數相近兩片平均值，然后換算成每升水樣中藻類的細胞個數，即為細胞密度。將藻體當做近似幾何圖形，按求積公式獲得生物體積，假定比重為1而得到生物量。浮游植物種類鑒定參考《淡水生物圖譜》[10]。

1.3 生物多樣性分析

用生物多樣性指數和優勢度指數分析浮游生物群落，其計算公式如下：

2 結果與分析

2.1 種類組成

調查中，在東平湖共獲得浮游植物8門99種屬，其中綠藻門種類最多為46種屬，其次為裸藻門和硅藻門，分別為14種屬和13種屬，藍藻門、金藻門、黃藻門、隱藻門和甲藻門較少，分別為10種、7種、4種、3種和2種；浮游植物的種類組成存在顯著的季節差異，不同季節（月份）浮游植物的種類數由高至低依次為：8月（66種）＞11月（56種）＞5月（45種）＞3月（25種）。

2.2 密度與生物量的時空分布

如圖2（a）所示，東平湖水中浮游植物密度平均為459.0×104ind./L，時空分布差異顯著：2#（694.1×104ind./L）＞3#（620.4×104ind./L）＞7#（528.8×104ind./L）＞6#（484.0×104ind./L）＞4#（449.6×104ind./L）＞5#（322.5×104ind./L）＞1#（287.3×104ind./L）；不同季節則為：8月（1 160.2×104ind./L）＞11月（418.3×104ind./L）＞5 月（213.2×104ind./L）＞3 月（44.5×104ind./L）。

浮游植物生物量平均為3.33 mg/L，時空分布差異亦顯著（圖2-b）：2#（5.58 mg/L）＞5#（4.59 mg/L）＞7#（4.44 mg/L）＞6#（2.96 mg/L）＞1#（2.64 mg/L）＞3#（2.34 mg/L）＞4#（2.14 mg/L）；不同季節為：8月（5.97 mg/L）＞11月（4.99mg/L）＞5月（1.56mg/L）＞3月（0.80mg/L），與密度的變化趨勢基本一致。

圖2 東平湖水域浮游植物密度與生物量的時空變化Fig.2 Spatiotemporal variation in phytoplankton density and biomass in Dongping Lake

2.3 生物多樣性分析

2.3.1 生物多樣性

由圖3可知，2013年周年東平湖水域浮游植物的生物多樣性指數（H′）平均為1.48，在不同采樣站位為：7#（2.17）＞5#（1.71）＞6#（1.65）＞2#（1.47）＞1#（1.39）＞4（#1.23）＞3（#1.13）；不同季節為：5月（1.61）＞11月（1.54）＞8月（1.49）＞3月（1.30），其中 5月 7#的 H′最高為 2.79，3#的 H′最低僅 0.45。

圖3 東平湖水域浮游植物生物多樣性的時空變化Fig.3 The temporal and spatial variation in phytoplankton diversity in Dongping Lake

2.3.2 主要優勢種群

東平湖浮游植物優勢種群及優勢度指數的變化如表1所示。由表1可知，2013年在東平湖共檢出浮游植物優勢種群16種屬，藍藻門、綠藻門各4種，硅藻門3種，金藻門、隱藻門各2種，黃藻門1種；3月優勢種群4種，針桿藻Synedra的優勢度指數最高；5月優勢種群較分散共7種，藍藻門的鞘絲藻Lyngbya的優勢度指數最高；8月優勢種與3月相同，均為4種，席藻Phormidium的優勢度指數最高，達到了0.596；11月優勢種群最為豐富，高達8種，優勢度指數也相對平均，其中席藻的優勢度指數最高，為0.239。

2.4 通水初期浮游植物群落特征分析

2013年11月19日—12月10日南水北調東線東平湖正式運行調水，期間增設了入湖前柳長河干渠8#站位，期間調查結果見圖4。由圖4可知，調水期間柳長河干渠浮游植物的密度顯著高于湖區，生物量在全部站位也僅次于5#站位。8#與7#站位浮游植物種類數均為21種，低于5#（27種）、3#（24種），而高于1#（19種）、6#（13種）和4#（12種）；8#生物多樣性指數H′為1.31，低于除4#（1.27）站位外的其他站位。

表1 東平湖水域浮游植物優勢種群及優勢度指數Tab.1 The dominant populations and dominance index of phytoplankton in Lake Dongping

圖4 2013年11月東平湖不同調查站位浮游植物密度及生物量Fig.4 The density and biomass of phytoplankton in different investigation stationsofDongping Lakein November 2013

3 討論

3.1 東平湖浮游植物群落結構的時空差異

東平湖是山東省第二大淡水湖泊，南水北調東線工程最后一級蓄水湖泊，在山東省經濟發展中具有重要的生態意義。浮游植物是自然水體生態系統的主要初級生產者，在水域生態系統演替過程中，其種群組成的改變和群落的變動在一定程度上能反映出所在水域的水環境狀況的變動。研究浮游植物的群落結構特征在湖泊生態學研究中具有一定的意義。1994年龐清江[14]在枯水期、豐水期和平水期的6個站位中，共檢出浮游植物8門99種屬；2006—2007年王志忠等[15]對東平湖5個站點7次調查中，共檢出浮游植物8門85屬142種；陳璽等[16]2011年8月三個斷面9個采樣點調查共采集浮游植物6門55屬種。與上述研究相比，本調查中共獲得浮游植物8門99種屬，物種數低于2006—2007年,高于2011年的調查結果，與20世紀末調查結果基本一致，表明東平湖浮游植物種類數量在較長的期間處于相對穩定的狀態。

浮游植物種類組成的穩定性一定程度也反映了湖泊生境的穩定性。龐清江[14]1994年的調查和陳璽等[16]2011年調查結果類似，東平湖浮游植物以綠藻門最多，硅藻門次之，再次為藍藻門，其他種屬所占比例較少；王志忠等[15]2006—2007年調查結果則為綠藻門最多，其次為藍藻門、硅藻門和裸藻門；在本次采樣中，仍然是綠藻門種類最多，其次為裸藻門、硅藻門和藍藻門。浮游植物的時空變化特征與所處環境關系密切，水環境因子的改變直接影響浮游植物群落結構[17-19]，而浮游植物群落結構特征也在一定程度地反映水體生態環境狀況[20]。東平湖浮游植物組成長期處于相對穩定的狀態，均以綠藻門種類最多。但是，伴隨湖泊生態環境的改變，次優勢種群有一定的變化，從20世紀末的硅藻轉變為藍藻、硅藻和裸藻，且后三者的相對優勢也有一定程度的變化，但其對水域環境變化的響應機制及水環境變化的預示作用尚需后續監測的驗證。

浮游植物的空間分布特征可在一定程度上反映所在水域的環境狀況。浮游植物的密度、生物量、種類組成、優勢種群的構成，以及多樣性指數等均反映水域內浮游植物的整體趨勢，常作為描述群落演替方向、速度和穩定程度的指標[21]。

東平湖浮游植物優勢種群共有6門16種，由藍藻門、綠藻門、硅藻門、藻門、隱藻門、黃藻門構成。其中5月、8月和11月浮游植物優勢種群均以藍藻門為主，3月硅藻門占優勢。東平湖浮游植物H′的變化范圍為0.45～2.79，陳山口處最高，八里洼泵站處最低，采樣站位間的差異來源較為復雜，周邊人類活動的頻繁程度及所在湖區的水深等條件均對其有顯著的影響。周年平均值為1.48，不同采樣季節間分別為：5月（1.61）＞11月（1.54）＞8月（1.49）＞3月（1.30），變化較小，差異不顯著。根據浮游植物H判斷，東平湖浮游植物多樣性指數2＞H′＞1，整體處于中度污染狀態。

東平湖浮游植物種11月最為豐富，Shannon-Wiener多樣性指數最高值出現在11月，這是由于浮游植物的Shannon-Wiener多樣性指數是種類豐富度和均勻度的綜合反映，部分研究認為Shannon-Wiener多樣性指數與均勻度呈顯著的正相關，Shannon-Wiener多樣性指數受群落均勻度與種類數的雙重影響[22-24]。

東平湖浮游植物群落特征時空變化受多種因素影響，其中最主要的是水溫和季節的變動，其次水體營養鹽類及底質的影響。采樣站位間的差異來源較為復雜，周邊人類活動的頻繁程度及所在湖區的水深等條件均對其有顯著的影響。

3.2 南水北調東線工程生態影響分析

陳璽等[16]認為，浮游植物的空間分布特征可從根本上決定大型水庫的生態格局，而Rodrigo等[25]對西班牙地中海海岸地區小型淺水水體研究發現，具有明顯的富營養化梯度的水體浮游植物的豐富度、均勻度與多樣性指數與營養狀態僅表現出微弱的聯系，其原因在于該區域水體大小、深度、形狀、水文條件與植被覆蓋狀況等均明顯不同，生境的異質性在一定程度上限制了多樣性的損失。目前，東平湖浮游植物的密度、生物量、組成與種類豐富度等諸多方面分布較為均勻[16]，但東平湖作為南水北調東線工程的四個重要的蓄水湖之一，南水北調工程實施輸水后，東平湖年承載調水量10億m3左右，增加了供水區域內河流、湖泊、水庫的水環境容量，水體交換量不斷增加，每年東平湖20%以上水體將得到更換，其水位將高出現在正常水位2～3m[26]。調水實施后，湖內水位升高，春季大部分水生植物無法長出水面；水位加深，水溫回升慢，使某些魚類產卵季節推遲，蝦類和底棲動物減產[26,27],同時長江及輸水沿線水體中的生物勢必將引入東平湖，在一定程度上使原有漁業資源和生態環境發生變化[26]。這一方面可能會引起生物多樣性增加，對修復生物鏈和恢復生物資源起到一定作用，逐步改善和恢復生態環境[27]，另一方面由于外來物種入侵,可能造成湖區魚類資源生態位的損壞或者缺失。這一系列生境的改變，足以對東平湖內生態格局產生影響，而這種影響將隨著通水的不斷進行，各種生境的相互適應或抑制，而達到一個新的生態平衡。

調水后2013年11月東平湖浮游植物密度、生物量、種類組成與香農-威納多樣性指數H′等與其他季節相比卻沒有發生明顯的差異，表現出了一定程度的穩定性（或抗性或慣性）。這種穩定性一方面源于湖區面積較大，本次調水量僅占湖區0.85%，本身的稀釋作用，調水尚不足以對整個湖區生態環境產生快速影響；另一方面，11月份華東地區已進入秋末冬初，光照減弱，氣溫降低，浮游植物的生長繁殖進入了緩慢季節，調水后浮游植物沒有表現出較為明顯的應激效應。本次調查主要跟蹤監測了工程調水初期浮游植物群落情況，雖然浮游植物的種類組成和數量未呈現出顯著的變化，但生態系統的變化應為一個長期的緩慢過程，且本調查中，外來水源與湖區水體浮游植物群落存在一定的差異，因而，南水北調工程調水實施后對湖區生態環境的影響仍需長期監測。