小浪底水库调水调沙对下游河道浮游生物的影响

宋 劼，易雨君，侯传莹，杨雨风

（北京师范大学水沙科学教育部重点实验室，北京100875）

1 引 言

水库具有蓄水、发电、防洪等功能，在人类社会经济发展中起到了重要的支撑作用。然而研究表明，大坝的建设及水库调度削弱了河流纵向连通性，阻碍了大坝上下游物质输运［1-2］，同时水库蓄水使得下游河道流量减小，自净能力降低，水体污染物浓度上升，最终导致水库下游生态系统发生退化。浮游生物是河流生态系统主要生物类群之一，也是鱼类和底栖动物种群的主要食物，在河流生态系统物质循环和能量流动中起到了至关重要的作用。但是，当前对河流生态系统生物群落的研究主要集中在具有经济效益的鱼类种群上，其次是底栖动物，对浮游生物的关注度较前二者低。与鱼类和底栖动物相比，浮游生物体积小、寿命短而繁殖能力强，随水流迁移，对水环境要素具有很高的响应能力，且不同种浮游生物的敏感性和适应性不同［3］，故可通过浮游生物种群结构的变化来直观反映水体环境状态。浮游生物身处食物链底层，其种群结构受环境因子影响发生改变时，必然会对水体中其他生物群落，如底栖动物和鱼类，产生直接或间接影响［4-5］。

20世纪80年代以来，我国学者对浮游生物在水库及河流中的分布情况进行了大量的采样调查，对浮游生物空间分布［6-7］、季节性变化［8］、主要影响因子及影响机理［9-11］等进行了深入探讨。但截至目前，在水库调度对浮游生物的影响规律方面的研究仍然较少，且主要研究对象为库区浮游生物，而非下游河道浮游生物。

黄河的生态问题一直受到多方关注，尤其是近年来小浪底水库调水调沙运用对下游河流及河岸带生态系统带来一定影响［12］，包括短期、瞬时变化，如水文、水质的改变，以及长期、潜在变化，如生态系统的结构与功能的演变。在调水调沙对浮游生物的影响方面，目前已有研究人员调查了小浪底调水调沙前后下游河道的浮游生物主要物种［13］，但在鉴定方面仍较为粗糙；另外有研究人员对壶口—三门峡河段浮游生物受调水调沙的影响进行了分析［14］。为揭示黄河小浪底以下河段浮游生物物种结构对调水调沙的响应方式，本研究调查了2018年调水调沙前后下游河道浮游植物及浮游动物的种类组成、丰度和生物多样性，探讨小浪底水库调水调沙运用对下游河道浮游生物群落影响的时空规律。

2 研究方法与数据

2．1 研究区域概况

黄河小浪底—利津段跨河南和山东两省，流域面积2．6万km2，河道全长约920 km，2018年7月3日8时开始，小浪底和西霞院水库联合调度进行调水调沙。本研究在黄河中下游选取具有代表性的监测样点（见图 1），主要包括西霞院水库（S2）、水库坝下（S1、S3）、宽滩区段（S4～S8）和束窄区段（S9～S10），监测样点中除S2和S3外均与相应水文站点匹配。在2018年调水调沙前（6月21—23日）和调水调沙期（7月5—7日）分别对黄河小浪底—利津段进行浮游生物调查。

2．2 数据测定

水环境参数测定分现场测定与室内测定两部分。现场使用多参数水质仪（YSI-EXO）测定温度（T）、溶解氧（DO）、pH值、氧化还原电位（ORP）和叶绿素 a（Chl-a），并采集水样。室内采用国标方法测定水样总氮（TN）和总磷（TP）含量。

浮游动物定量样品采用25#浮游生物网过滤，浮游植物定量样品用1 L聚乙烯瓶采集水样，用鲁哥试剂固定，回到实验室静置48 h后用虹吸法浓缩至30 mL，采用20 mm×20 mm计数框和10×20倍显微镜进行计数及鉴定。物种鉴定方法见文献［15-19］。

2．3 生物多样性分析

（1）物种优势度。其表达式为

式中：ni为第i种物种的总个体数；N为所有物种的总个体数；fi为第i种物种在各监测样点出现的频率；Y为物种优势度，以Y＞0．02的物种作为优势种。

（2）Shannon-Wiener多样性指数。其表达式为

式中：H为Shannon-Wiener多样性指数；S为物种数。

3 结果与讨论

3．1 调水调沙前后水环境要素时空特征分析

表1为调水调沙前后10个样点水体环境要素特征值。由表1可知，调水调沙前水污染水平较低，调水调沙后污染水平明显上升。根据《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）［20］，调水调沙前，TN 的浓度除位于小浪底水库附近的S1和泺口附近的S9外，整体处于Ⅲ类和Ⅳ类水标准，TP的浓度整体优于Ⅱ类水标准；调水调沙期，TN的浓度除S2和S9外均处于Ⅳ类水标准，TP的浓度除S2外均优于Ⅱ类水标准。调水调沙前、后水体叶绿素a的平均浓度分别为4．01、9．85 μg／L，根据较为通用的叶绿素a分类判别水体富营养化水平的方法［21］，黄河富营养化程度大致处于中营养水平（Ⅱ级，1．6～10 μg／L）。

3．2 黄河下游河道浮游生物物种组成

3．2．1 浮游植物物种组成

10个采样点两次调查共监测到蓝藻门（Cyanophyta）、甲藻门（Pyrrophyta）、裸藻门（Euglenophyta）、硅藻门（Bacillariophyta）、隐藻门（Chrysophyta）和绿藻门（Chlorophyta）等6个门类，共计71种（见表2），其中：绿藻的种类最多，有27种，占总物种数的38．03%；其次是硅藻，有 25种，占 35．21%；蓝藻 8种，占11．27%；裸藻 6 种，占 8．45%；甲藻 3 种，占 4．23%；隐藻 2种，占2．82%。

3．2．2 浮游动物物种组成

两次采样共收集到浮游动物3门8科25种，其中：轮虫 （Rotifera）22 种，占 88．00%；枝角类（Cladocera）1 种，占 4%；桡足类（Copepoda）2 种，占8%。物种组成见表3。

3．3 调水调沙前后浮游植物分布及时空动态变化

调水调沙前黄河下游浮游植物平均生物量为0．66 mg／L，调水调沙期平均生物量降至 0．47 mg／L。 采样时正处于夏季，气温较高，加上黄河水中泥沙含量较高，使得调水调沙前硅藻大量增殖，而藻类总生物量在调水调沙期间降低了28．79%，主要原因是调水调沙期间流量和水体含沙量短时剧增，一方面将浮游生物稀释导致总浓度降低，另一方面高含沙量使得水体透明度接近于零，导致部分浮游植物因无法获得阳光而死亡。S2位于西霞院水库库区，西霞院为小浪底的反调节水库，在调水调沙期出于防汛目的已完全放空，样点原位仅剩浅水，主流从样点对岸侧通过，样点含氧量和叶绿素a含量均较调水调沙前大幅升高，浮游植物生物量亦明显高于同期上游其他点位，甚至高于调水调沙前同一点位。

调水调沙前浮游植物的生物多样性指数变化范围为 0．06～1．24，平均值为 0．36，从空间上看，沿程最小值出现在花园口附近的S4，最大值出现在泺口附近的S6，S5～S7段显著高于其他河段。调水调沙期的生物多样性指数变化范围为 0．49～2．55，平均值为 1．14，从空间上看，沿程最低值出现在位于西霞院水库的S2，最高值出现在位于高村附近的S6，S9～S10段显著高于除S6外的其他河段（见图2）。

根据调水调沙前后小浪底下游河道浮游植物生物量及生物多样性指数沿程变化情况，S1～S7除S2外调水调沙期浮游植物的生物量均明显降低（降幅为39．56%～90．79%），而从S8起浮游植物的生物量不再降低，反而呈上升趋势，同时生物多样性指数大幅上升，升幅高于之前的河段，说明由调水调沙产生的水沙脉冲对于河道浮游植物的影响可能存在一个较为明显的影响区，而该影响区边界可能位于S7～S8之间，在S8之后的河段受调水调沙的影响逐渐减弱，影响河段长度达540 km。

表1 调水调沙前后水体环境要素特征值

表2 浮游植物物种组成

续表2

表3 浮游动物物种组成

整体而言，调水调沙使得小浪底水库下游浮游植物的生物多样性显著上升，有利于河流物质的输送，同时对下游河道生态系统具有一定的改善作用。

基于门的浮游植物生物量组合百分比见图3。调水调沙前硅藻的生物量占绝对优势，占比高达58．71%；其次为绿藻，占 15．16%；甲藻居第三，占12．13%；隐藻占 4．39%；蓝藻最低，占 0．60%。 调水调沙期绿藻占绝对优势，其平均值高达57．52%；其次为硅藻，占 28．99%；蓝藻居第三，占 9．84%；隐藻最低，占0．10%。优势物种方面，调水调沙前浮游植物优势种主要是硅藻门的大羽纹藻（Pinnularia maiar，占22．33%）、舟形藻（Navicula sp．，占 10．76%）和甲藻门的角甲藻（Ceratium hirundinella，占 9．92%），进入调水调沙期，绿藻门的二角盘星藻及其变种（Pediastrum duplex ＆ duplex v．gracillimum，占 32．44%）、小空心星藻（Coelastrum microporum，占 13．51%）和硅藻门的草鞋／椭圆形波缘藻（Cymatopleura solea＆ elliptica，共占12．88%）成为优势物种。

3．4 调水调沙前后浮游动物物种分布及时空动态变化

调水调沙前黄河下游浮游动物平均生物量为0．25 mg／L，调水调沙期浮游动物平均生物量升至4．49 mg／L。主要原因是黄河水体含沙量高，流速较大［22］，不利于浮游动物的生存，而水库中浮游动物物种丰度明显高于下游河道的，随着调水调沙的进行，小浪底水库及上游河道中的浮游动物大量进入下游河道，使得下游河道浮游动物物种丰度明显升高。但在约35 km的距离内浮游动物的生物量便降至坝下的24．88%，影响区长度较短，纵向生物量分布呈现快速下降的趋势。

调水调沙前浮游动物的Shannon-Wiener多样性指数变化范围为 0．02～0．52，平均值为 0．24。 从空间上看，沿程最小值出现在高村附近的S6，最大值出现在孙口附近的S6，S1～S5段普遍高于除S7外的S6～S10段；调水调沙期的Shannon-Wiener多样性指数变化范围为 0．00～0．35，平均值为 0．14。 从空间上看，沿程最小值出现在孙口和泺口的S7和S9，最大值出现在小浪底附近的S1，S1～S6段显著高于下游河段，具体见图4。

黄河的浮游动物物种多样性普遍较低，小浪底建库后改善了下游河道洪水期流量，库区浮游动物种类有所提升。调水调沙期间浮游动物生物量明显上升而生物多样性反而有所下降，增长的浮游动物可作为下游鱼类和底栖动物的饵料，总体而言对下游河流生态系统有正面影响。

浮游动物生物量组合百分比（见图5）显示调水调沙前后枝角类均占绝对优势，其平均值分别达67．67%和 91．37%；其次为轮虫纲，分别占 29．68%和 6．99%；桡足类占比最低，分别为2．65%和1．63%。调水调沙前浮游动物的优势物种为枝角类的长额象鼻溞（Bosmina longirosiri，67．67%）和轮虫纲的月形腔轮虫（Lecane luna，6．09%）；进入调水调沙期，仅长额象鼻溞（Bosmina longirosiri，91．37%）为优势物种。 产生以上现象的主要原因是小浪底水库建成后形成大面积的静水条件，有利于枝角类物种的繁殖，调水调沙期间大量枝角类物种随水流进入下游河道，使得下游河道形成以枝角类占绝对优势的浮游动物类群。

4 结 论

浮游生物在河流生态系统中具有重要作用，通过对调水调沙前后黄河小浪底—利津段河道浮游生物进行调查，得出了调水调沙对浮游生物群落的影响规律，主要结论如下。

（1）黄河下游河道夏季浮游生物的生物多样性总体较低，部分点位浮游动物完全消失，表明生境趋于单一化，浮游植物主要优势种为硅藻门物种，浮游动物主要优势种为枝角类中的大型种类（长额象鼻溞）。

（2）调水调沙过程将小浪底库区及上游河道的浮游生物种群冲刷至下游河道，对下游河道整体浮游植物的多样性具有正面影响，而对浮游动物的生物多样性具有负面影响。

（3）调水调沙对浮游植物的影响区最远达到艾山—泺口之间，影响河段长达540 km，而对浮游动物的影响河段长度仅为35 km左右。黄河调水调沙对下游河道生态系统的影响未来仍是值得重点关注的问题。