金沙江上游蘇洼龍水電站建設期影響區(qū)域浮游植物群落結構與水質現狀分析

陳儉勇，孫婷婷，李紅濤，李妮婭，張俊華，張 亞，陶 敏，湯 婷，陳 征,胡江軍

(1.武漢中科瑞華生態(tài)科技股份有限公司，武漢 430080；2.華電金沙江上游水電開發(fā)有限公司，成都 610000)

金沙江是長江的上游河段，一般將玉樹直門達至云南石鼓河段稱為金沙江上游。上游流域處于昌都地區(qū)與川西地槽之間，復式褶皺和斜沖斷層發(fā)育；流域徑流主要來自降雨及融雪補給，年內分配與降水的季節(jié)變化基本一致[1,2]。鑒于其地理位置獨特、水力資源豐富的特點以及“西電東送”的需求，早期流域內的水電開發(fā)規(guī)劃在近些年逐步進入項目施工期。蘇洼龍水電站為金沙江上游流域水電開發(fā)規(guī)劃的13個梯級中的第10級，上游為巴塘水電站，下游為昌波水電站。電站壩址位于四川省巴塘縣蘇洼龍鄉(xiāng)蘇洼龍村上游約1 km，壩址左岸為四川省巴塘縣，右岸為西藏自治區(qū)芒康縣。預計形成庫區(qū)后水庫正常蓄水位2 475 m，控制流域面積18.3萬km2，庫容6.38億m3，調節(jié)庫容0.72億m3，裝機容量1 200 MW，電站保證出力306 MW，多年平均發(fā)電量54.29億kW·h[3]。

浮游植物不僅是水域生態(tài)系統(tǒng)中重要的初級生產者和食物鏈的基礎環(huán)節(jié)，而且是水中溶解氧的主要供應者；此外，浮游植物對水環(huán)境的變化響應明顯，水體水質的變化等直接影響浮游植物的種類組成、群落結構及物種豐富[4,5]。金沙江上游流域地質條件惡劣，公開的水生態(tài)環(huán)境本底調查資料十分匱乏，加之流域內近些年的水電開發(fā)建設逐步落實，從水生生態(tài)大保護的角度出發(fā)，掌握蘇洼龍水電站建設期水生態(tài)現狀十分必要。本研究通過探究工程建設期影響區(qū)域浮游植物群落結構與水質的綜合狀況，以期為流域水生生態(tài)環(huán)境和水生生物多樣性的保護提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 調查范圍及采樣點位設置

鑒于電站已于2017年11月實現大江截流，導流洞開始導流，河流自然連通性依舊存在；故根據后期庫區(qū)形成后的回水長度分析，本階段的調查范圍確定為下起壩址下游3.5 km至庫尾上游共約60 km的江段。調查小組分別于2019年5月和8月根據代表性原則，在該調查范圍內設置5個采樣點，由上至下依次為蘇洼龍庫尾上游6 km(S1，N 29°54′07.00″；E 99°03′11.98″)、蘇洼龍庫尾(S2，N 29°51′02.65″；E 99°01′26.72″)、蘇洼龍庫中(S3，N 29°46′07.47″；E 99°00′39.39″)、蘇洼龍壩前(S4，N 29°27′24.71″；E 99°03′28.32″)和蘇洼龍壩下(S5，N 29°25′06.23″；E 99°03′29.00″)，點位詳情見圖1。

1.2 樣品采集及實驗室處理方法

根據《水庫漁業(yè)資源調查規(guī)范》(SL167-2014)[6]及《淡水浮游生物研究方法》[7]等相關技術要求及規(guī)范進行樣品的采集及處理。

浮游植物定性采集采用25號篩絹制成的浮游生物網在水中順江向拖曳2～3 min收集；定量采集則采用2 500 mL采水器取上、中、下層水樣，經充分混合后，保留1 000 mL水樣。定性、定量樣品均加入1.5%魯哥氏液固定，經過48 h靜置沉淀，濃縮至約30 mL，后期于實驗室進行藻細胞密度計數及藻種類鑒定。

水質相關參數的調查方法如下：采用常規(guī)的水溫計測量水溫；LJD-10流速儀測量流速；多參數水質監(jiān)測儀(YSI 6600)測量pH、電導率、鹽度及溶解氧；總氮、氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮和磷酸鹽的檢測水樣均采集1 000 mL并加濃硫酸調至pH為2.0左右后帶回實驗室按照標準方法進行檢測。總氮采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(GB11894-89)測定；氨氮采用納氏試劑分光光度法(GB7479-87)測定；亞硝酸鹽氮采用分光光度法(GB7498-87)測定；硝酸鹽氮采用酚二磺酸分光光度法(GB7480-87)測定；磷酸鹽采用鉬酸銨分光光度法(GB11893-89)測定。

1.3 浮游植物密度法評價水質

根據況琪軍等[8]的評價方法：當浮游植物細胞密度小于或等于0.5×106cells/L，為極貧營養(yǎng)型；0.5×106～1.0×106cells/L，為貧營養(yǎng)型；1.0×106～9.0×106cells/L，為貧中營養(yǎng)型；10.0×106～40.0×106cells/L，為中營養(yǎng)型；41.0×106～80.0×106cells/L，為中富養(yǎng)型；81.0×106～99.0×106cells/L，為富營養(yǎng)型；大于100.0×106cells/L，為極富營養(yǎng)型。

1.4 浮游植物多樣性指數法評價水質

浮游植物調查數據的多樣性指數計算處理預分析采用Shannon-wiener物種多樣性指數、Margalef物種豐富度指數、Pielou均勻度指數和優(yōu)勢度來分析[9,10,11]。

1)Shannon-wiener多樣性指數

式中：S為樣品中生物的種類總數；pi為第i種的生物量(Wi)與總生物量(W)的比值(Wi/W)。H與水質的關系為：H≥3.0，清潔；1≥H>3.0，中度污染；H<1，重度污染[12]。

2)Margalef物種豐富度指數

Dma=(S-1)/lnN

式中：S為樣品中生物種類數；N為樣品中個體總數。Dma與水質的關系為：Dma≥3.0，清潔；1≥Dma>3.0，輕度污染；Dma<1，較重污染[12]。

3)Pielou均勻度指數

J=H/Hmax

式中：H為多樣性指數值；Hmax為log2S，表示多樣性指數的最大值，S為樣品中總種類數。

J與水質的關系為：0J≥0.5，輕度或無污染[12]。

4)優(yōu)勢度(Y)

Y=(ni/N)fi

式中：ni為第i種藻類的個體數，N為所有藻類總個體數；fi為第i種藻類出現的頻率。

將優(yōu)勢度Y>0.02的藻類定為優(yōu)勢種[12]。

1.5 數據處理分析

運用SPSS19.0統(tǒng)計學軟件進行數據統(tǒng)計分析；采用獨立樣本t檢驗分析兩個不同時間點多樣性指數之間的差異性；采用Pearson相關性分析法分析水質相關參數與浮游植物密度、各門類藻種數的相關性。

2 結果與分析

2.1 浮游植物種類組成

2次調查共采集到浮游植物88種(包括變種)，隸屬于4門31屬。硅藻門為調查水域浮游植物的絕對的優(yōu)勢類群，共79種，占種類總數的89.77%；藍藻門5種，占種類總數的5.68%；綠藻門3種，占種類總數的5.68%；裸藻門僅1種，占種類總數的1.14%。其中，2019年5月共采集到浮游植物52種，占2次采集浮游植物總種數的59.09%；其中，藍藻門4種，硅藻門47種，裸藻門1種，未采集到綠藻門。2019年8月共采集到浮游植物70種，占2次采集浮游植物總種數的79.55%；其中，藍藻門2種，綠藻門3種，硅藻門65種，未采集到裸藻門(圖2)。2019年8月浮游植物種類數量顯著大于2019年5月；同時，兩時期浮游植物種類組成差異較大。

圖2 浮游植物的時間分布Fig.2 Temporal distribution of phytoplankton community composition

2019年5月和8月的2次調查中，S1～S5點位依次共調查到浮游植物39種、44種、51種、46種和45種，其中，S1點位和S2點位2次均未采集到綠藻門和裸藻門；S3點位2次均未采集到藍藻門和裸藻門，S4點位2次均未采集到裸藻門。由圖4可看出，5個點位2次調查到的浮游植物總數差異不大，種類組成均以硅藻門為主，藍藻門和綠藻門次之，裸藻門極少(圖3)。浮游植物名錄見表1。

圖3 浮游植物的空間分布Fig.3 Spatial distribution of phytoplankton community composition

表1 浮游植物名錄Tab.1 Species list of phytoplankton community

續(xù)表1

續(xù)表1

2.2 浮游植物密度

不同月份各點位中藍藻細胞密度在0～0.03×106cells/L變化，平均值為0.003×106cells/L；綠藻細胞密度在0～0.02×106cells/L變化，平均值為0.002×106cells/L；硅藻細胞密度在0.05×106～0.20×106cells/L變化，平均值為0.11×106cells/L。由此可得，在浮游植物細胞密度中，硅藻占主要優(yōu)勢，所占比例為96.19%；其次為藍藻，所占比例為2.41%；綠藻占比最小，為1.40%。從時間來看，5月份各點位浮游植物細胞密度均低于8月。而從采樣點位來看，5月份，S3和S4采樣點位浮游植物密度最高，S2點位最低；8月份，S3點位浮游植物密度最高，S4點位最低。不同月份各采樣點位浮游植物密度見圖4。

圖4 浮游植物密度變化Fig.4 Temporal and spatial changes of phytoplankton density

2.3 浮游植物多樣性分析

根據調查結果，對采集數據進行Shannon-wiener多樣性、Margalef豐富度和Pielou均勻度分析(表2)。結果顯示，2019年5月Shannon-wiener指數顯著小于8月(t=-3.66，P=0.006)，說明8月份金沙江蘇洼龍段浮游植物物種多樣性高于5月份；2019年5月Margalef豐富度指數明顯小于8月(t=-3.93，P=0.004)，說明8月金沙江蘇洼龍段浮游植物整體分布較5月要豐富；2019年8月Pielou指數調查結果與5月相比，總體差異不大(t=0.371，P=0.720)，說明5月和8月浮游植物分布均較均勻。

表2 各采樣點位浮游植物生物多樣性指數Tab.2 Phytoplankton biodiversity indices at each sampling site

2.4 優(yōu)勢種

統(tǒng)計分析得，金沙江蘇洼龍段調查期間的浮游植物優(yōu)勢種共10種，2019年5月調查的優(yōu)勢種有6種，均為硅藻門類；2019年8月調查的優(yōu)勢種有8種，均為硅藻門類；其中纖細等片藻、念珠等片藻、極細微曲殼藻和小內絲藻在兩次調查期間均表現為優(yōu)勢種。具體結果見表3。

2.5 水質狀況

兩次調查5個點位的水質相關指標變化如表4。結果可知，各點位8月水溫均高于5月水溫，兩月份水溫平均值分別為13.1 ℃和15.9 ℃；同時，各調查點位水溫差異不大，在±3.5 ℃范圍內波動。S1～S3點位8月份的溶解氧均略低于5月份，而S4和S5點位8月份的溶解氧均略高于5月份。同點位不同時間點的電導率及鹽度稍有變化，8月電導率及鹽度均低于5月份。除S4點位外，其余點位pH隨時間波動不大。各點位硝態(tài)氮和氨氮水平均表現為8月份高于5月份，各監(jiān)測點位的氨氮濃度變化波動較大，范圍在0.009～0.329 mg/L之間。總氮濃度變化波動不大，范圍在0.494～1.114 mg/L之間。

表4 不同調查時間5個點位的水質相關指標變化Tab.4 Water quality-related indicators at each sampling site during different survey period

2.6 浮游植物群落結構與水質指標的相關性分析

運用SPSS19.0對金沙江蘇洼龍段浮游植物密度及種類與水質指標進行了Pearson相關性分析(表5)，結果顯示，在一定范圍內，浮游植物密度與水溫、氨氮、總氮和磷酸鹽濃度呈顯著正相關，與電導率和鹽度呈顯著負相關。受水質影響較大的為硅藻門，硅藻門藻類種數與水溫、流速、硝態(tài)氮、氨氮、總氮及磷酸鹽呈顯著正相關，而與電導率、鹽度和亞硝態(tài)氮呈顯著負相關。綠藻門受水質影響次之，綠藻門藻類種數僅與總氮和磷酸鹽呈顯著正相關，而與電導率和鹽度呈顯著負相關。藍藻門和裸藻門藻類種數與水質各指標無顯著相關性。

表5 水質指標與浮游植物密度及種數的Pearson相關性分析Tab.5 Pearson correlation analysis of water quality indicators with phytoplankton density and species number

3 討論

3.1 浮游植物群落特征分析

本研究結果顯示，不同季節(jié)金沙江上游蘇洼龍段浮游植物無論從種類組成還是優(yōu)勢種組成上，硅藻門均呈現絕對優(yōu)勢，可初步判斷該河段屬典型的硅藻型。與現有的金沙江下游流域數據對比發(fā)現，其與金沙江下游水富段硅藻占絕大多數的特征類似[13]，分析呈現這一特征的主要原因可能是水溫變化影響水體營養(yǎng)鹽溶解度、離解度以及藻類對營養(yǎng)鹽的吸收率進而間接影響藻類的生長[14]。一般認為，藻類生長存在一定的水溫閾值，當水溫在20 ℃左右時，水體中以硅藻門為主，當水溫在30 ℃左右時，水體中以綠藻門為主，當水溫在40 ℃左右時，水體中以藍藻門為主[15]。本研究中，調查區(qū)域水溫最高為16.1 ℃，這與水體中以硅藻門為主相符合。

藻類細胞密度研究結果顯示，不同月份浮游植物細胞密度平均值均小于0.5×106cells/L，初步判定其水質營養(yǎng)水平屬于極貧營養(yǎng)級[8]。此外，藍藻和綠藻細胞密度平均值分別為0.003×106cells/L和0.002×106cells/L，而硅藻細胞密度平均值為0.11×106cells/L，高出藍藻和綠藻兩個數量級，且8月份豐水期各點位藻類密度均高于5月份平水期，分析這可能與硅藻占藻類種類的絕大多數以及豐水期帶來的營養(yǎng)鹽物質稍加豐富，且氣溫較高更適合藻類生長繁殖有關。浮游硅藻群落被認為是湍流期或在低光照、低溫和非極度貧營養(yǎng)的水體中的有利競爭者[16]。而兩次調查的優(yōu)勢種均為硅藻門類，因此，本研究中優(yōu)勢種的表現與金沙江上游河段水體及流態(tài)特征相符。金沙江中下游(石鼓-宜賓)典型河段的浮游植物群落分析結果顯示，硅藻是優(yōu)勢門類，從細胞密度和生物量來看，優(yōu)勢種均為硅藻門類的曲殼藻、尖針桿藻和小環(huán)藻等[17]，這與本研究具有一定相似性，說明金沙江的硅藻群落在河流生態(tài)系統(tǒng)中占有重要地位。綜上所述，金沙江上游低溫低營養(yǎng)鹽水質直接促進了水體中的硅藻型浮游植物群落。

3.2 金沙江蘇洼龍段水質特征分析

一般來講，浮游植物多樣性指數是常用的水質評價指標，水質較好的水體擁有較為穩(wěn)定的浮游植物群落，且這些浮游植物均具有較高的生物多樣性指數及均勻度指數[18]。相反地，當水質受到污染時，敏感種大量消失，抗性種取代其成為優(yōu)勢種，群落結構趨于單一化，穩(wěn)定性降低，多樣性指數明顯減小[19]。Pielou均勻度指數反映了各物種個體數目分配的均勻程度，每種的個體數越接近，則各種個體數分布的均勻度就越高，反之則越低；而Margalef指數通常反映一個群落或環(huán)境中物種數目的多寡，亦表示生物群聚中種類豐富度程度[20]。本研究Shannon-wiener指數、Margalef豐富度指數比較說明8月份豐水期金沙江蘇洼龍段浮游植物群落結構及豐富度均優(yōu)于5月份平水期；Pielou指數說明2季節(jié)浮游植物均勻度總體差異不大。按各類指數與水質關系的評價標準得出，1≥Shannon-Weiner指數>3.0，中度污染；1≥Margalef指數>3.0，輕度污染；1>Pielou指數≥0.5，輕度或無污染；結合浮游植物細胞密度分析，綜合評價說明金沙江蘇洼龍段水質目前為輕污染極貧營養(yǎng)型。而根據水質調查現狀分析可得，各點位的氨氮濃度在0.009～0.329 mg/L波動，波動較大，但符合《地表水環(huán)境質量標準》中的Ⅱ類水標準。各監(jiān)測點位的總氮濃度在0.494～1.114 mg/L波動，波動不大，符合《地表水環(huán)境質量標準》中的Ⅳ類水標準。整體來看，水質基本滿足Ⅲ類水標準，存在較輕污染，這與浮游植物多樣性指數評價水質的結果基本吻合。

3.3 浮游植物與環(huán)境因子的關系分析

研究表明，浮游硅藻的主要生長調節(jié)因子是湍流、小氣候、溫度、營養(yǎng)物質(硅、磷、氮和鐵)和生物相互作用等[21]。本研究中浮游植物以硅藻門為絕對優(yōu)勢種，結果顯示硅藻門藻類種數與水溫、流速、硝態(tài)氮、氨氮、總氮及磷酸鹽呈顯著正相關，而與電導率、鹽度和亞硝態(tài)氮呈顯著負相關。在大渡河相關調查研究中，Pearson相關性分析顯示，影響浮游植物密度的主要因子是水溫、流速和透明度[22]。對三峽水庫干流的底棲硅藻進行研究時發(fā)現，非蓄水期顯著影響長江干流底棲硅藻群落組成的環(huán)境因子是pH、流速和正磷酸鹽[23]。本研究與這些結果具有一定相似性。溫度是藻類生長和光合作用等生命活動的重要影響因素，且水的比熱容大，對氣溫的響應迅速，所以在高海拔、低氣溫的高原地區(qū)，適應性較強的硅藻能發(fā)揮絕對優(yōu)勢。流速作為重要的水動力學指標之一，其對水體溶解氧及營養(yǎng)鹽的帶動作用十分明顯。在不同水動力條件下的河流硅藻群落分布的相關研究中發(fā)現，流速是影響硅藻群落分布最主要的水動力學因素之一[24]，這與本研究中流速與硅藻種類數呈正相關具有一定相似性。氮磷營養(yǎng)鹽會影響藻類群落構建，對鄱陽湖浮游植物群落的研究發(fā)現，藻類群落的分布主要受總磷、硝氮、氨氮的影響[25]。而在貴州三板溪水庫的相關研究發(fā)現，氮磷營養(yǎng)鹽主要通過促進硅藻及抑制藍藻來影響浮游植物群落動態(tài)[26]。而本研究發(fā)現浮游植物密度與氨氮和總氮呈正相關，而硅藻種類數則與硝態(tài)氮、氨氮、總氮及磷酸鹽均呈顯著正相關。一般來講，水體鹽度和電導率呈正比，鹽度越高電導率越大。在研究長江口浮游植物群落特征時發(fā)現，浮游植物物種數和總細胞豐富度與鹽度呈負相關，對調查水域浮游植物種類和密度的分布影響較為顯著的環(huán)境因子為鹽度、電導率、溶氧量、溫度和葉綠素a[27]，這與本研究中浮游植物密度以及硅藻種類數與鹽度和電導率呈負相關的結論具有一定的一致性。

此外，浮游植物群落結構不僅受水溫、流速以及氮磷營養(yǎng)鹽等因素的限制，還受水文條件的影響較大。比如，在研究三峽水庫175 m蓄水前后香溪河庫灣浮游植物的群落結構時發(fā)現，蓄水前后浮游植物密度隨時間變化呈降低趨勢；浮游植物時間差異顯著，由綠藻向硅藻演替；營養(yǎng)物質、光熱條件等環(huán)境因子時間差異明顯[28]。在研究壩式水電站蓄水前后對浮游植物的影響時發(fā)現，蓄水后浮游植物的種類數量和種類組成發(fā)生較大變化，優(yōu)勢種群發(fā)生變化，庫區(qū)具有向湖泊化演化的趨勢，樞紐建設營運后浮游植物種類顯著增加，浮游植物中適應靜水生活的小型種類增加[29]。蘇洼龍水電站屬于典型的壩式水電站，工程完工蓄水運行時，河流連通性遭到破壞，蓄水將導致庫區(qū)河道水面明顯變寬，水域面積大幅度增加，水位抬高，庫區(qū)水流變緩，天然河流變成了有大壩阻隔的不連續(xù)水體，屆時浮游植物的群落結構勢必會發(fā)生改變，庫區(qū)浮游植物群落將逐漸由適應流水類型向適應靜水類型轉變。此外，水庫蓄水后，流速減小，使污染物擴散能力降低，水體復氧能力減弱，深層水體溶解氧含量偏低。蓄水初期，由于庫底殘留的有機物分解，土壤中氮、磷、有機質等進入水體，短期內營養(yǎng)物質含量可能會有所增加，進而影響浮游植物群落結構。因此本研究是在金沙江上游河流連通性尚完整的情況下對局部河段浮游植物群落現狀進行的簡要描述分析，對后期研究庫區(qū)浮游植物群落演變具有參考意義。但影響該區(qū)域浮游植物群落結構及水質的因素較多，如何客觀地評價二者之間的關系還應從數據的周年性變化及整個流域的生態(tài)層面出發(fā)進行進一步有效調查研究。