乌东德水电站施工期浮游植物群落特征变化及影响因子分析

王 宁，王英伟，包洪福，丁少波

(1.东北林业大学林学院，黑龙江 哈尔滨 150040；2.生态环境部环境工程评估中心，北京 100012)

0 引 言

乌东德水电站地处东经101°14′～103°3′、北纬25°20′～27°12′范围内，位于云南省昆明市禄劝县和四川省凉山州会东县界河的金沙江干流上，是金沙江下游河段规划建设的4个水电梯级的第一个梯级，正常蓄水位975 m，相应水库回水长度202.1 km，水库面积127.1 km2，总库容74.08亿m3，具有季调节性能[1]。乌东德水电站的开发任务以发电为主，兼顾防洪及航运，并促进地方经济社会发展，具有巨大的水资源配置综合效益[2]。水电站建成后，库区水域面积增大，库区各典型断面水位变化总体呈自上游往下水位增幅逐渐变大，坝址处水位抬高最为明显，库尾水位变化相对较小。水流减缓、水体中污染物滞留时间延长，水文、水环境发生了极大变化，随之也带来了一些诸如水体富营养化、藻类水华等负面的生态环境问题[3- 6]，但有关水电站施工前后浮游植物群落结构特征变化的报道仍不多见。

为保护和修复乌东德水电站金沙江下游的生态环境，本课题组于2018年9月和2019年6月对乌东德水电站施工期的金沙江下游浮游植物进行了调查，并对其种类组成、现存量、生物多样性等参数进行分析，结合施工期(2015年～2017年)的浮游植物(年平均值)现状数据，并与施工前(2010年～2014年)的浮游植物(年平均值)进行对比分析，研究浮游植物的演变趋势，可为其他同类型水电站建设提供参考，也可为水库生态调度及河流生态保护提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 监测断面设置

从乌东德水电站施工期调查水域水流以及工程建设布置等方面考虑，监测断面从攀枝花至宜宾县布置，共设置7个监测断面，见图1。

图1 金沙江下游浮游植物监测断面设置

1.2 浮游植物采集与检测

(1)定性采集使用25号浮游生物网，网口在水面下0.5 m处作“∞”形运动，大约1 min，并立即加入鲁哥试剂固定液固定。浮游植物种类鉴别参考《中国淡水藻类——系统、分类及生态》；定量样品的数量统计及指标计算参考《淡水浮游生物研究方法》。

(2)定量采集使用1 L有机玻璃采水器在水下50 cm 处采集浮游植物并装入聚乙烯瓶中，立即加入15 mL鲁哥试剂混匀，带回试验室静置沉淀24 h后，将溶液浓缩并定容至50 mL以备镜检。检测时充分摇匀后使用移液枪吸取0.1 mL样品注入计数框(0.1 mL)内，在10×40倍显微镜下随机抽取100个视野进行计数(对量小且个体大的种类在10×10倍下全片计数)。每个样品设2个平行样，若2片计数结果相差15%以上，则进行第3片计数，最终结果取相近个数的平均值，再换算为每升水体中浮游植物的密度[8]。

1.3 分析方法

试验数据采用SPSS22.0软件进行Pearson相关性分析，得到浮游植物与环境因子间的关系。利用Canoco5.0软件对浮游植物数据进行降趋势对应分析(Decentred Correspondence Analysis，DCA)，根据分析结果的排序轴长度，判断后续浮游植物群落结构与环境因子的分析方法。由于本研究中排序轴的梯度长度为1.1<3.0，因而对浮游植物与环境因子进行冗余分析(Redundancy Analysis，RDA)，进而判别影响浮游植物群落的主要环境因子。其他图利用Oringin9.6制作，表利用Excel制作。

1.4 数据处理

每升水中的浮游植物的数量可用下式计算

(1)

式中，N为1 L水中浮游植物的数量；CS为计数框的面积；FS为视野面积；Fn为每片计数过的视野数；Pn为计数所得个数；v为计数框的容积；V为1升水样经浓缩后的体积。生物计数后，利用香农-威纳(Shannon-Wiener)指数H′表征生物多样性，即

(2)

式中，S为种数；Ni为第i种个体数；N为总体个数。

2 结果分析

2.1 种类组成

金沙江下游水生生态调查浮游植物各类群百分比见图2。从图2可知：

图2 金沙江下游水生生态调查浮游植物各类群百分比

(1)通过2018年9月及2019年6月2次采样调查，共检出浮游植物115种，其中硅藻门69种，占总物种数的60%；绿藻门28种，占总物种数的24.35%；蓝藻门12种，占总物种数的10.43%；甲藻门3种，占总种数的2.61%；隐藻门2种，占总种数的1.74%；金藻门1种，占总种数的0.87%。其中，绿藻、硅藻、蓝藻较为常见。

(2)2018年9月采集到的浮游植物样品鉴定出浮游植物92种。其中硅藻门的种类最多，有56种(占总数的60.87%)；其次为绿藻门，有21种(占总数的22.83%)；另外，蓝藻门9种，甲藻门3种，隐藻门2种，金藻门1种。

(3)2019年6月的监测中共在样品中鉴定出浮游植物66种。其中硅藻门的种类最多，有41种(占总数的62.12%)；其次为绿藻门，有14种(占总数的21.21%)；另外，蓝藻门8种，隐藻2种，甲藻门为1种。

查阅《金沙江下游流域水生生态监测年度报告》和《金沙江乌东德水电站环境影响报告书》(调查时间为全年，数据为年平均值)，调查到工程施工前浮游植物平均值(2010年～2014年)，涉及区域内共有浮游植物7门63属148种，种类变化范围为39～148种。其中，以硅藻门的种类为最多，占总种数的71.63%；绿藻门次之，占总种数的15.90%；蓝藻门占总种数的9.05%；其他种类的数目均较少；施工期(2015年～2017年)浮游植物种类变化范围为61～109种。其中，硅藻门种类最多，占总种数的40.84%，其次是绿藻门，占总种数的32.82%；蓝藻门占11.83%。

2.2 现存量

水生生态现状调查水域各监测断面浮游植物监测结果见表2。从表2可知，浮游植物密度和生物量随时间变化，2018年9月浮游植物密度平均值为1.348×106cells/L，浮游植物生物量平均值为0.168 1 mg/L。2019年6月浮游植物平均密度为0.317 1×106cells/L，浮游植物生物量平均值为0.137 3 mg/L。对比之下，浮游植物密度、生物量秋季大于春季。通过对同一断面春秋两季的浮游植物密度进行对比得出，最大值出现在普渡河河口区(8.175 5×106cells/L)，最小值出现在小江河口区(0.007 5×106cells/L)；通过对同一断面春秋两季的浮游植物生物量进行对比，最大值同样出现在普渡河河口区(0.340 3 mg/L)，最小值出现在小江河口区(0.001 mg/L)。除普渡河河口区外，其他断面浮游植物密度和生物量春秋两季变化不大。

表2 金沙江下游水生生态现状调查各断面浮游植物现存量

浮游植物密度和生物量随空间变化，浮游植物密度从雅砻江河口区到乌东德坝前有逐渐增多的趋势，乌东德坝前浮游植物密度小于坝后，生物量乌东德坝前高于坝后；浮游植物密度最大值出现在普渡河河口区(8.175 5×106cells/L)，最小值出现在小江河口区(0.007 5 mg/L)。乌东德水电站附近断面，坝前、坝后和普渡河河口区，浮游植物密度和生物量都高于其他断面。

2018年9月水生生态现状调查监测中，浮游植物密度和生物量的平均值分别为1.348 0×106cells/L和0.168 1 mg/L，其中浮游植物密度、生物量最高的均是普渡河河口区，分别为8.175 5×106cells/L、0.3403 mg/L。2019年6月在水生生态现状调查监测中，浮游植物密度和生物量的平均值分别为0.317 1×106cells/L和0.137 3 mg/L，其中浮游植物密度最高的是乌东德坝后(1.072 0×106cells/L)，其次为乌东德坝前(0.528 4×106cells/L)；生物量最高的是普渡河河口区(0.300 0 mg/L)，其次为乌东德坝前(0.275 3 mg/L)。

查阅《金沙江下游流域水生生态监测年度报告》得到，工程施工前(2010年～2014年)浮游植物年平均值密度变化范围为0.005 6×106～0.510 0×106cells/L，生物量变化范为0.020 9～0.545 7 mg/L；施工期(2015年～2017年)浮游植物密度变化范围为0.760 0×106～1.335 1×106cells/L，生物量变化范围为0.023 0～0.256 3 mg/L。

2.3 生物多样性

基于式(2)进行的水生生态现状调查结果见表3。从表3可知：

表3 各断面浮游植物香农-威纳指数H′

(1)浮游植物生物多样性随时间变化。2018年9月浮游植物香农-威纳指数H′平均值为1.453 4，2019年6月为1.298 1。对比之下，浮游植物生物多样性秋季大于春季，但春秋两季变化不大。其中，浮游植物香农-威纳指数H′最大值出现在2018年9月的雅砻江河口区，为2.346 3，最小值出现在2018年9月和2019年6月的小江河口区，为0。

(2)浮游植物生物多样性随空间变化。浮游植物生物多样性上游监测断面生物多样性高于下游断面。其中，香农-威纳指数H′最大值出现在雅砻江河口区，为2.346 3，最小值出现在小江河口区，为0。乌东德坝前和乌东德坝后监测断面生物多样性高于其他断面。

(3)水生生态现状。2018年9月调查中各断面的浮游植物群落的香农-威纳指数H′平均值为1.457 4，雅砻江河口区的H′最高，为2.346 4；其次为乌东德坝前，为2.334 1；除了小江河口区外，其他断面H′平均值均在1以上。2019年6月调查各断面浮游植物香农-威纳指数H′平均值为1.251 4，最大值出现在乌东德坝前，为2.224 5，其次为乌东德坝后断面，为1.969 1。黑水河河口区H′平均值均在1以下，小江河口为0。查阅《金沙江乌东德水电站环境影响报告书》得到，工程建设前(2010年～2014年)浮游植物香农-威纳指数H′年平均值为0.502 9。

2.4 浮游植物与环境因子之间的相关性

表4 2018年9月金沙江下游环境因子Pearson相关性系数

金沙江下游2019年6月Person相关性分析结果见表5。从表5可知，水体酸碱度(pH)与浮游植物的密度变化及种类组成也有密切的关系，pH与浮游植物密度呈显著负相关(P<0.05)，浮游植物生物量与SD呈显著正相关(P<0.05)。

表5 2019年6月金沙江下游环境因子Pearson相关性系数

2.5 浮游植物群落结构与环境因子的线性模型分析

在进行浮游植物群落结构和环境因子相关性分析前，需判断采用的模型属于线形模型还是单峰模型。首先对浮游植物数据建立数据矩阵，并进行数据的标准化处理(log函数转换)；其次将种类数据矩阵进行去趋势对应(DCA)分析，根据DCA排序的长度梯度(Length sofgradient)结果判定选用的排序模型[9]。DCA分析统计信息见表6。根据DCA排序结果显示，长度梯度最大值为1.1<3，因此采用线性模型(RDA)分析可以较好地解释物种数据与环境变量之间的关系。

表6 浮游植物群落结构DCA分析

金沙江下游浮游植物群落结构与环境变量间RDA统计分析结果见表7。从表7可知，在RDA排序轴中，轴1的特征值为0.495 8，种类-环境相关系数为0.790 5；轴2特征值为0.162 3，种类-环境相关系数为0.931 9。前2个轴共解释了97.77%的种类-环境相关性百分比，说明排序结果可靠，排序轴能较好地反应金沙江下游浮游植物群落结构与环境变量间的生态关系。

表7 浮游植物群落结构与环境变量间RDA统计分析结果

图3 浮游植物组成和环境指标的RDA分析

3 讨 论

3.1 浮游植物种类组成的时空分布规律

通过对乌东德水电站浮游植物施工前后种数进行对比分析发现，各年度间浮游植物组成结构无明显差异，均以硅藻门、蓝藻门和绿藻门为主，本次调查与天然浮游植物以硅藻门为主的理论相符合[10]，但硅藻门随时间比例下降，蓝藻门随时间比例上升。施工前硅藻门占总种数的71.63%，蓝藻门占总种数的9.05%；施工前硅藻门占总种数的48.6%，蓝藻门占总种数的25%。其主要原因是库区的水流速度明显降低，导致颗粒物的沉降速率增加，减弱了上下游之间的物质交换，以硅藻为代表的被动扩散单细胞藻类很容易受沉降的影响[11]。浮游植物种类数量呈下降趋势。其主要原因可能是施工期产生的生产废水和生活污水造成水体透明度降低，抑制了浮游植物的生长[12]。金沙江下游浮游植物种数年际变化见图4。

图4 金沙江下游浮游植物种数年际变化

2018年9月及2019年6月采样调查共检出污染物指示物种3门13种。其中，坝址上游的断面乌东德坝前和坝址下游的乌东德坝后出现污染物指示物种频率高于其他断面，乌东德坝后断面检测出普通等片藻线形变种(Diatomavulgarevar.lineare)和肘状针杆藻(Synedraulna)等污染物指示物种，乌东德坝前断面检测出厚壁细鞘丝藻(Le-ptolyngbyalaminosa)、普通等片藻(Diatomavu-lagare)、肘状针杆藻(Synedraulna)等污染物指示物种。其主要原因可能是施工开挖、填筑围堰、冲洗骨料、灌浆等产生的生产废水以及施工人员日常生活产生的生活污水对水环境造成的污染[13]。水污染在坝址附近断面表现更加明显，因此坝址附近断面更容易出现污染物指示物种，与调查结果相一致。

3.2 浮游植物密度和生物量的时空分布规律

调查显示，浮游植物密度和生物量水平总体较低，蓝藻门、绿藻门和硅藻门占主要地位。2019年6月调查中，对浮游植物密度和生物量贡献最大的均为硅藻门；2018年9月调查中，密度贡献最大的是蓝藻门，生物量贡献最大的是硅藻门。各断面间浮游植物密度和生物量差异都较大，普渡河河口区的浮游植物密度和生物量水平相对较高，其次为乌东德坝后，其他断面的浮游植物密度和生物量都处于较低水平。密度和生物量较高水平的断面都在坝址附近，其主要原因是修坝产生外来营养物质，促进浮游植物密度和生物量增长。浮游植物密度、生物量年际变化见图5。

图5 金沙江下游浮游植物密度、生物量年际变化

通过对施工前后浮游植物生物量进行对比分析，浮游植物密度从整体上看呈上升趋势，施工前平均密度为0.185×106cells/L，施工期平均密度为0.993×106cells/L。其主要原因是水电站建成前水流湍急，河网密布，修建大坝使水体流速变慢，形成一定库容，流速陡减，透明度增加，有利于浮游植物光合作用，水体含氧量增加，有利于植物生长繁殖，因此浮游植物密度整体呈上升趋势[14]。

通过对施工前后浮游植物生物量进行对比分析，浮游植物生物量从整体上看呈下降趋势，施工前生物量年平均值为0.216 mg/L，施工期生物量年平均值为0.154 mg/L。其主要原因是浮游植物群落结构发生了改变，施工前硅藻门占总种数的71.63%，蓝藻门占总种数的9.05%；施工期硅藻门占总种数的48.6%，蓝藻门占总种数的25%。蓝藻门在群体中占的比例增大，硅藻门减少，蓝藻门普遍生物量较小，而硅藻门生物量较大。由于施工造成浮游植物中蓝藻门所占比例增加，硅藻门所占比例相对减少，所以最后呈现为生物量减少的现象[15]。

3.3 浮游植物生物多样性变化规律

水生生态现状调查结果显示，香农-威纳指数最大值出现在乌东德坝前，为2.2793，其次为雅砻江河口区，为2.1184。其主要原因是生物群落在不稳定的环境条件下不容易形成单一优势种群，此时的生物多样性一般比较高[16]。其中，乌东德坝前、雅砻江河口区属于河流汇合处，生物群落不稳定，因此生物多样性高。

施工前后对比分析发现，调查期间浮游植物生物多样性大于施工前，生物多样性呈上升趋势。施工前浮游植物香农-威纳指数年平均值为0.502 9。施工后为1.375 8。其主要原因是断面原有生物多样性就很低，修建大坝使水体流速变慢，形成一定库容，水体营养物质滞流时间延长，因此生物多样性呈增长趋势[17]。

3.4 环境因子与不同浮游植物的相关性关系

2019年6月浮游植物密度与pH呈显著负相关(P<0.05)。浮游植物与水体的pH值具有密切关系，弱碱性水体有利于藻类吸收大气中的CO2，促进光合作用[24]；随着水体碱性增强，不利于藻类吸收大气中的CO2，从而使浮游植物密度下降[25]。浮游植物生物量与SD呈显著正相关(P<0.05)。良好的透明度能促进水体对光照的吸收，使水温升高，有利于浮游植物获取营养盐的生理活动，因而在一定范围内SD上升，有利于浮游植物生物量上升[26]。

4 结 语

本文基于2018年9月和2019年6月对金沙江下游浮游植物现状调查结果，结合施工期的浮游植物数据，并与施工前的浮游植物数据进行对比分析，对乌东德水电站施工期浮游植物群落特征进行研究，得出以下结论：

(1)2018年9月和2019年6月2次采样调查，共检出浮游植物115种。其中，硅藻门69种，占总物种数的60%；绿藻门28种，占总物种数24.35%；蓝藻门12种，占总物种数10.43%，优势门为硅藻门。浮游植物密度变化范围为0.007 5×106～8.175 5×106cells/L，平均密度为0.832 6×106cells/L；浮游植物生物量变化范围为0.001～0.340 3 mg/L，平均生物量为0.152 7 mg/L。浮游植物香农-威纳指数H′变化范围为1.298 1～1.453 4，平均值为1.375 8。

(3)乌东德库区浮游植物受施工影响变化不明显，施工前后浮游植物种类数均以硅藻门、绿藻门和蓝藻门为主，种类数目上有一定下降，绿藻门和蓝藻门比例有所增加。

鉴于生态环境影响的长期性、时滞性等特点，建议持续开展水生生态监测工作，尤其是在水生生物剧烈变化的库区蓄水初期，应强化蓄水初期水生生态专项监测，后期跟进监测结果完善水生生态保护科研工作，为乌东德水电站后续运行及管理提供决策支持。