三峡水库坝前水域浮游植物群落时空动态研究

王静雅汪志聪李 翀叶少文连玉喜刘家寿张堂林李钟杰

(1. 中国科学院水生生物研究所, 淡水生态与生物技术国家重点实验室, 武汉 430072； 2. 中国科学院大学, 北京 100049；3. 中国长江三峡集团公司科技环保部, 北京 100038)

三峡水库坝前水域浮游植物群落时空动态研究

王静雅1,2汪志聪1李 翀3叶少文1连玉喜1,2刘家寿1张堂林1李钟杰1

(1. 中国科学院水生生物研究所, 淡水生态与生物技术国家重点实验室, 武汉 430072； 2. 中国科学院大学, 北京 100049；3. 中国长江三峡集团公司科技环保部, 北京 100038)

于2012—2013年对三峡水库坝前水域浮游植物组成、优势种、密度、生物量及多样性进行了周年季度调查, 共鉴定浮游植物151种属, 其中绿藻门71种, 硅藻门47种, 蓝藻门20种, 隐藻门和甲藻门各4种,裸藻门和金藻门各2种, 黄藻门1种。浮游植物优势种的季节更替明显, 夏季和秋季优势种类为硅藻和绿藻,冬季为硅藻、蓝藻和绿藻, 春季为绿藻、硅藻和隐藻。浮游植物年均密度和生物量分别为3.95×106ind./L和4.078 mg/L, 空间差异表现为支流和库湾远高于干流, 季节动态表现为夏季最高, 春季和冬季次之, 秋季最低。三峡水库坝前水域浮游植物多样性指数偏低, 水体污染类型属于α-中污染。研究为客观了解三峡水库坝前水域浮游植物群落的空间分布与季节变化特征提供一定的参考依据。

三峡水库； 浮游植物； 群落结构； 多样性指数

三峡大坝是迄今为止世界上规模最大的水利枢纽工程, 在防洪、航运、发电等方面带来了巨大的社会和经济效益, 但同时也对库区的水域环境产生一定影响。蓄水后库区水位提高, 流速减缓, 水体扩散能力减弱, 库湾和支流污染物的滞留时间延长,由于受回水顶托作用, 污染物易在此汇集, 水华现象频发[1]。由于三峡水库的重要地位, 其生态环境受到广泛关注, 有关三峡水库浮游植物群落生态学研究已有较多积累, 但主要集中在库区典型支流, 如小江[2]、大宁河[3]、香溪河[4]、童庄河[5]等, 对坝前水域浮游植物调查相对缺乏, 有必要对该水域不同生境条件下浮游植物群落结构现状及时空动态进行监测与评价。

三峡水库坝前区域距离大坝近, 受蓄水、泄洪的影响最为强烈, 该流域干流由之前的河流类型变为过渡类型, 而支流回水区主要以湖泊类型为主[6],浮游植物群落结构可能兼具湖泊和河流的特征, 其组成与多样性可以作为评价水体营养状态的重要指标[7]。因此, 本研究于2012—2013年对坝前干流、支流及库湾的浮游植物群落展开了周年季度采样, 调查内容包括种类组成、密度、生物量及生物多样性,在此基础上对该区域水体营养状态进行评价, 以期为客观认识现阶段三峡水库浮游植物群落的空间分布与季节变化特征提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 采样点设置与采样时间

三峡水库坝前区域位于宜昌市秭归县境内, 本研究在该区域的干流、支流及库湾设置了10个采样点(图1), 其中1、2、8、9、10号采样点分布于干流, 3、6、7号采样点位于河口库湾, 4、5号采样点分布于支流(图1), 样点1距大坝的直线距离约7.3 km。于2012年8月(夏季)、11月(秋季)、2013年1月(冬季)、4月(春季)对浮游植物进行季度现场采样。

图1 三峡水库坝前水域采样点分布Fig. 1 Distribution of sampling sites in the head region of the Three Gorges Reservoir

1.2 样品采集与处理

由于水体流速较大, 使用铜质加重采水器进行采样。分别采集表层和底层(距库底1 m左右； 若水深＞50 m, 则采集 50 m深处作为底层水样)水样各5 L, 分别取1 L置于样品瓶中, 现场用鲁哥氏液固定, 实验室内静置沉降 48h后, 用虹吸法吸去上层浓缩至30 mL[8]。浮游植物定量分析时, 用移液枪取0.1 mL均匀样品于0.1 mL计数框中, 在光学显微镜40倍物镜下采用对角线十格法计数[9]。浮游植物种类鉴定参照相关文献[9–11]。

1.3 优势种确定及多样性指数计算

运用Kikvidze等[12]提出的方法计算每个季节浮游植物的优势种数量(A)和每种浮游植物的优势度(Y), Y值在前A位的浮游植物即为优势种, 相关公式如下:

式中: S为浮游植种类数； vi为群落中第i物种的相对多度； Ni为第i种的个体数； N为所有种类的总个体数；fi为第i物种在各采样点中出现的频率。

优势种季节更替率(R)计算公式如下:

R=(a+b–2c)/(a+b–c)×100% (3)

式中: a和b分别为相邻两季的优势种数, c为相邻两季共同的优势种数。

浮游植物群落多样性度量采用Shannon-Wiener多样性指数(H′)、Margalef丰富度指数(d)和Pielou均匀度指数(J)[13—15], 计算公式如下:

式中: S为浮游植种类数, Ni为第i种的个体数, N为所有种类的总个体数。

2 结果

2.1 浮游植物种类组成及优势种变化

在坝前水域共采集到浮游植物 8门 151种属,其中绿藻门71种, 占浮游植物群落总种属数的比例为47.02%； 其他为硅藻门(47种)、蓝藻门(20种)、隐藻门(4种)、甲藻门(4种)、裸藻门(2种)、金藻门(2种)、黄藻门(1种), 种属数所占比例分别为31.13%、13.25%、2.65%、2.65%、1.32%、1.32%和0.66%。浮游植物各门类的种类比例在4个季节之间较为相近(图2)。

常见种类包括绿藻、硅藻和隐藻的藻类, 而富营养化水体中的代表种类蓝藻虽种类数较多, 但出现率不高, 不能看做是常见种类。坝前水域浮游植物常见种类见表 1。夏季和秋季优势种类为硅藻和绿藻, 冬季为硅藻、蓝藻和绿藻, 春季为绿藻、硅藻和隐藻, 其中冬季优势种种类最多。具体各季节优势种种类见表2。优势种季节更替率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%)。

图2 三峡水库坝前水域四季的浮游植物种类组成及各门藻类组成比例Fig. 2 Composition of phytoplankton species in the head region of the Three Gorges Reservoir

表1 三峡水库坝前水域浮游植物常见种类Tab. 1 Common phytoplankton species in the head region of the Three Gorges Reservoir

表2 三峡水库坝前水域浮游植物优势种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

三峡坝前水域表层浮游植物年均密度为 3.950× 106ind./L, 变化范围 0.285×106—31.071×106ind./L,其中夏季最高, 均值达10.232×106ind./L, 秋季最低,为0.521×106ind./L, 冬季和春季分别为1.323×106和3.727×106ind./L。另一方面, 河口和支流的浮游植物丰度高于干流, 干流藻类年均密度为 0.647×106ind./L,支流为 6.585×106ind./L, 河口为 4.629×106ind./L (图3)。

浮游植物生物量年均值为 4.078 mg/L, 变化范围0.201—49.159 mg/L, 夏季最高(11.899 mg/L)、春季次之(3.352 mg/L)、秋季和冬季较低(二者均为0.530 mg/L)。干流浮游植物生物量均值仅为0.662 mg/L,而支流则高达9.130 mg/L, 河口居中, 为5.499 mg/L。如图 4所示, 坝前水域浮游植物以绿藻和硅藻为主要类群, 干流中硅藻的生物量所占比例最高(54.3%)、绿藻次之(32.5%)； 河口和支流中绿藻为绝对优势类群, 分别占总生物量的80.6%和83.2%, 硅藻分别占14.6%和11.1%。

2.3 浮游植物垂直分布

如图5所示, 冬季、春季和夏季无论在干流、支流还是河口, 表层浮游植物的丰度都显著高于底层,表层浮游植物丰度均值为 5.094×106ind./L, 底层仅0.812×106ind./L。但是秋季的结果与其他三季不同,底层浮游植物丰度显著高于表层, 表层丰度仅为0.521×106ind./L, 而底层丰度高达2.614×106ind./L。

2.4 群落多样性指数

浮游植物群落多样性指数的时空变化情况见表3。Shannon-wiener多样性指数变化范围0.89—2.05,平均值为 1.38, 方差分析显示各季节间无显著性差异(P＞0.05), 干流、河口和支流间也无显著性差异(P＞0.05)； Pielou均匀度指数变化范围 0.37—0.70,平均值为 0.54, 春季和秋季间有显著性差异(P＜0.05), 春季低于秋季, 其他季节间无显著性差异(P＞0.05), 干流、河口和支流间无显著性差异(P＞0.05)；Margalef丰富度指数变化范围 0.71—1.41, 平均值为0.92, 在四季间无显著性差异(P＞0.05), 干流、河口和支流间也无显著性差异(P＞0.05)。

图3 三峡水库坝前水域浮游植物丰度时空变化Fig. 3 The abundance of phytoplankton in head region of the Three Gorges Reservoir

图4 三峡水库坝前水域浮游植物种类百分比组成的空间分布Fig. 4 Spatial variation of the phytoplankton biomass in head region of the Three Gorges Reservoir

图5 三峡水库坝前水域浮游植物垂直分布情况Fig. 5 Vertical distribution of phytoplankton in the head region of the Three Gorges Reservoir

表3 三峡水库坝前水域浮游植物群落多样性指数Tab. 3 Diversity index of phytoplankton in the head region of the Three Gorges Reservoir

3 讨论

3.1 坝前水域浮游植物组成特征

本研究于 2012—2013年在三峡水库坝前水域共采集浮游植物8门151种属(含变种) , 绿藻门和硅藻门种类最多, 占总数的 78.15%。虽然四季都以硅藻门、绿藻门种类居多, 与前人所得结论一致[2,16—18],但浮游植物优势种、常见种、生物量及密度之间存在季节和空间差异。可能原因有: 季节变化引起的光照、水温、溶氧、营养盐浓度等环境变化, 对浮游植物的生长繁殖产生影响； 三峡水库季节性蓄水、泄洪对水位、水体流速等水文状态产生影响, 从而影响浮游植物生长繁殖等。曾辉等[19]于 2004—2005年研究结果显示浮游植物丰度为 0.47—273.10× 104ind./L, 本次研究结果远高于此, 干流密度 0.647× 106ind./L, 支流与河口平均密度5.607×106ind/L, 平均丰度高达3.950×106ind./L, 变化范围0.285×106—31.071×106ind./L, 夏季百岁溪浮游植物丰度最高,有水华现象发生。张远等[20]认为蓄水前后水动力学条件的变化与所形成的空间差异是造成浮游植物群落变化的关键因素。夏季支流密度高的原因可能是由于夏季气温高、光照强, 适宜浮游植物繁殖, 加之支流受到回水顶托, 流速缓慢, 营养物质富集, 造成浮游植物大量繁殖, 并以绿藻门植物为优势类群。干流区域因距三峡大坝坝体近, 受到蓄水、泄洪等影响较大, 流速快, 泥沙含量高, 透明度低, 营养盐易扩散等原因都可能抑制浮游植物的生长繁殖[21], 造成干流浮游植物丰度较低, 优势类群为适宜中营养、高流速的硅藻门藻类。

3.2 浮游植物群落季节变化

三峡水库坝前水域夏季浮游植物种类、现存量及生物量均最高, 秋季最低, 同期测得的叶绿素含量有同样的季节变化, 这与其他研究中冬季最低[13,22]有所不同。夏季光照时间长、水温高、营养盐丰富, 有利于浮游植物的生长繁殖； 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, 消耗水中大量营养盐, 同期测得的总磷含量低于其他三季,从而限制浮游植物的生长繁殖。秋季库区水位从145 m上升到 156 m过程中, 水流受到回流的顶托,水流方向与其他季节特别是夏季有较大不同[16]。

3.3 浮游植物垂直分布特征

本研究底层样品采自水下50 m处, 深度已超过真光层[23], 但结果表明仍有相当数量的浮游植物存在(密度平均值为 0.812×106ind./L)。根据同时期测得的水温数据, 水温在垂直方向上基本一致, 说明采样水域无温跃层, 混合程度良好, 上层浮游植物随水流带到水体底层。

夏、冬、春三季干流表层浮游植物密度与底层密度相近, 河口库湾与支流表层密度远高于底层；但秋季干流、库湾和支流均为表层密度均低于底层密度, 同时期测得的叶绿素含量、总氮均出现底层高于表层的现象, 推测原因有二: (1)夏季水体透明度低, 流速大, 水体中有大量悬浮泥沙, 秋季流速下降后, 泥沙沉降, 浮游植物衰退后与泥沙一起沉降到底层水体； (2)泥沙的吸附沉降作用降低了表层水体磷的生物可利用性。干流表层浮游植物密度季节间差异不大, 河口库湾季节间差异较大, 夏季最高、冬季最低； 底层密度几乎不随季节和区域的变化而变化。究其原因, 底层限制因子主要是光照, 而底层采样水层已超过真光层, 光强几乎不随季节和空间而改变, 因而底层浮游植物密度受季节和空间影响小。

3.4 三峡水库坝前区域水质初步评价

根据水体营养类型评价的浮游植物群落生态学指标与标准(表 4)[24,25], 通过综合分析浮游植物生物量和细胞密度及多样性指数, 得出三峡水库坝前水域的营养状态如下: 干流四个季节的浮游植物现存量均较低, 属于贫营养； 库湾夏季浮游植物现存量高, 水体属于富营养, 秋、冬、春三季属于贫-中营养； 支流夏季和春季属于富营养, 冬季和秋季属于贫-中营养, 与同时期水化数据显示的结果一致。群落物种多样性是群落组织独特的生物学特征, 它反映了群落特有的物种组成和个体密度特征。在本研究中Shannon-wiener多样性指数和Margalef丰富度指数均无显著的季节和区域差异。浮游植物群落多样性指数反映出三峡水库坝前水质属于中等程度污染, 类型为α-中污染。分析可能原因有以下方面:三峡水库蓄水后支流和库湾的水流速降低, 污染物扩散能力减弱, 水体自净能力下降； 蓄水后坝前水域淹没区氮、磷等营养盐释放, 加快了浮游植物群落发展； 该水域位于秭归境内, 沿岸分布较多居民和工厂, 排放的污水中含有大量无机盐, 为藻类大量繁殖提供了营养条件； 该水域距大坝较近, 受泄洪、蓄水的影响较大, 对浮游植物的生长繁殖有较大的扰动, 不利于形成稳定的浮游植物群落。

三峡水库水质安全直接影响当地居民的用水安全和渔业安全, 根据上述三峡水库坝前水域浮游植物群落现状及其表征的水体营养状态初步评价结果,三峡水库的富营养化问题应引起关注, 尤其要重视坝前支流及其河口区域富营养化与夏-春季藻类水华的预防控制, 建议相关部门加强流域管理, 尤其加大对工业、生活污水排放的监管, 加大在水环境保护方面的资金投入, 通过宣传、教育等途径提高附近居民的环保意识, 以改善水环境, 使其更好地发挥生态系统服务功能。

表4 水体营养类型和水质评价的浮游植物生态学指标及标准[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

公益性行业(农业)科研专项经费(201303056-1)； 中国长江三峡集团公司科研项目(CT-12-08-01)； 国家科技支撑计划课题(2012BAD25B08)资助

王静雅(1987—), 女, 山东济宁人； 博士研究生； 研究方向为水生生物学。E-mail: wangjy@ihb.ac.cn

李钟杰, E-mail: zhongjie@ihb.ac.cn