调水后东平湖浮游植物群落结构及水质生物评价

辛 未,高雯琪,2,夏文彤,2,屈 霄,2,刘 晗,2,陈宇顺,2

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,湖北 武汉 430072

2.中国科学院大学,北京 100049

南水北调是缓解我国北方水资源严重短缺局面的重大战略性工程。 东平湖作为东线输水线路上的最后一个调蓄湖泊,其水质健康状况将直接影响受水地区的用水安全,也关乎着调水工程的成败。 东平湖地处山东省泰安市东平县的西部,位于35°30′～36°20′N、116°00′～116°30′E,多年平均水深1 ～ 3 m,为浅水型湖泊。 湖区面积209 km2,总库容40 亿 m3[1],是山东省第二大淡水湖,在防洪、灌溉、休闲旅游、渔业生产等方面均发挥着重要作用。 南水北调东线工程正式运行后,东平湖湖区水域的生态环境受调水影响而发生变化,各类水生生物资源的群落结构及数量也随之改变[2]。 浮游植物作为淡水生态系统中的初级生产者,是整个水生态系统物质循环及能量流动的基础,能够灵敏、迅速地反映出水环境的变化[3]。 因此,浮游植物的群落结构特征可作为自然水体水质评价的重要指标[4-6]。

已有研究表明,南水北调工程会对沿线水体的水生态系统产生影响[7-10]。 其中:包洪福[10]预测,南水北调中线工程的实施将导致丹江口库区浮游植物群落结构发生变化;张春梅等[11]对南水北调中线干渠的研究也表明,其浮游植物细胞密度在穿黄工程运行后显著增加。 然而,关于东平湖水生生物群落的现有研究多集中于南水北调工程调水前的浮游生物群落结构及多样性分析[12-14],有关调水后的东平湖浮游植物群落变化情况的调查却相对较少。 另外,虽然已有研究者基于浮游植物群落结构特征及多样性对南水北调工程沿线水体进行了水质生物评价[15-17],但前期主要是通过对水化学指标的分析来评价东平湖水质状况[18-19]及水体营养等级[20-22],采用浮游植物多样性指标对调水工程运行后的东平湖水质状况进行综合评价的研究却鲜有报道。

鉴于以上原因,本研究于2016 年4 月、7 月、10 月及2017 年1 月对东平湖浮游植物群落结构进行了调查研究,并利用浮游植物多样性指标综合评价了东平湖水质健康状况。 同时,与前期相关研究结果进行比较,分析了南水北调东线工程调水后的东平湖浮游植物群落及水质变化趋势,旨在为东平湖长期跟踪研究提供基础资料,为调水水质安全保障工作提供数据支持,为东平湖生态环境保护提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域

通过对东平湖水域环境及调水情况的综合分析,在全湖较为典型的点位布设了14 个采样点(图1),分别进行浮游植物采样。 东平湖14 个采样点可分为3 个湖区,即:出水区(1#、2#、3#、4#)、湖中区(5#、6#、7#、8#、9#、10#)及进水区(11#、12#、13#、14#)。

图1 东平湖采样点位分布Fig.1 Distribution of sampling sites in Dongping Lake

1.2 浮游植物采样及计数

1.2.1 浮游植物定性样品采集

用25 号浮游生物网在水面下做“∞”形循环,缓慢拖动约3～5 min。 待水沥去后,将采集到的浮游植物样品收集至50 mL 样品瓶中,加入福尔马林溶液固定,带回实验室鉴定种类。

1.2.2 浮游植物定量样品采集

在每个点位用有机玻璃采水器于0.5 m 水深处采集表层水样1 000 mL,置于样品瓶内,加入鲁哥试剂固定并摇匀。

1.2.3 浮游植物鉴定与计数

浮游植物的种类鉴定参考《中国淡水藻类——系统、分类及生态》《中国淡水生物图谱》等文献进行[23-24]。 定量样品的计数方法依据《淡水浮游生物研究方法》[25],将样品静置48 h 后,浓缩、定容至50 mL 并充分摇匀,取0.1 mL 浓缩液置于浮游植物计数框内,采用目镜视野法在10×40 倍光学显微镜下观察计数。 每个样品计数两片,取平均值。 若两片的计数结果相差超过15%,则取第三片进行计数,取个数相近的两片的均值。 然后根据浓缩倍数换算得出每升水样中的藻类细胞个数,即为细胞密度(cells/L)。 采样时间为2016 年4 月(春季)、7 月(夏季)、10 月(秋季)及2017 年1 月(冬季)。

1.3 数据处理与分析方法

为避免因采用单一物种多样性指数进行分析而造成的评价偏差,本研究采用Shannon-Wiener多样性指数[26]、Pielou 均匀度指数[27]和Marglef丰富度指数[28]3 个指数,从不同方面对东平湖浮游植物多样性进行综合分析。 基于以上浮游植物多样性指数评价水质的具体标准[29-31]如表1 所示。

表1 Shannon-Wiener 指数、Pielou 指数、Marglef 指数的评价标准Table 1 Evaluation criteria of Shannon-Wiener index,Pielou index and Margalef index

浮游植物主要优势种群通过物种优势度指数(Y)进行分析。 当Y>0.02 时,该物种为群落中的优势种[32]。

通过双因素方差分析判断区域及季节因素对浮游植物密度及生物多样性是否有显著影响,以及两个因素之间是否存在交互作用。 若无交互作用,则采用单因素方差分析对各区域及各季节的浮游植物差异性进行比较分析。 所有统计分析的显著性水平均定为0.05。 数据处理、分析及绘图在SPSS 18.0 和Excel 2016 软件中完成。

2 结果与分析

对东平湖浮游植物的密度及生物多样性指数做区域和季节的双因素方差分析,结果显示:东平湖浮游植物的密度、Shannon-Wiener 多样性指数及Marglef 丰富度指数在不同季节间差异显著(P<0.05),在不同区域间差异不显著(P>0.05),且区域和季节因素对密度及Marglef 丰富度指数的影响均不存在交互作用(表2);浮游植物的Pielou 均匀度指数受季节和区域的交互影响,且不同季节和区域间的差异均不显著。

表2 区域及季节对浮游植物各参数影响的双因素方差分析结果Table 2 Results of two-way ANOVA of regional and seasonal effects on phytoplankton indicators

2.1 浮游植物种类组成及优势种

本研究共检出浮游植物8 门143 种(属),其中:绿藻门种类数最多,共计69 种(属);其次为蓝藻门和硅藻门,分别为30 种(属) 和27 种(属);裸藻门、甲藻门、金藻门、隐藻门、黄藻门种类数较少,分别为6 种、4 种、4 种、2 种、1 种。 浮游植物的种类数在不同季节之间存在差异,如图2 所示,不同季节的浮游植物种类数由高至低依次为夏季(100 种)、春季(84 种)、冬季(66种)、秋季(65 种)。 各季节的浮游植物种类组成中,均为绿藻门种类数最多,且绿藻、硅藻、蓝藻3个门类的浮游植物种类数之和超过浮游植物种类总数的80%。 进水区及湖中区浮游植物种类数的季节变化规律基本一致,均为夏季最多,春季次之,冬季最少;而在出水区,春季和夏季的种类数相同且为最多,秋季次之,冬季最少。

图2 东平湖浮游植物种类组成的季节变化Fig.2 Seasonal dynamics of phytoplankton genera in Dongping Lake

东平湖浮游植物优势种群的组成及优势度指数变化情况如表3 所示。 2016 年4 月—2017 年1月,在东平湖共检出浮游植物优势种群14 种(属),均为蓝藻门和绿藻门种类,其中,蓝藻门11种(属),绿藻门3 种(属)。 优势种群中的伪鱼腥藻及拟浮丝藻在4 个采样季节均为优势种群,且在除春季之外的其他采样季节,伪鱼腥藻均为优势度最大的种群。 由表3 可知,冬季的优势种群较为集中,共有4 种;春季共计5 种,以拟浮丝藻的优势度为最大;夏季有5 种,秋季有7 种,夏季及秋季的优势种群全部为蓝藻门种类,且均为伪鱼腥藻占绝对优势。

参考污染指示种及其污染指示等级相关文献[33-35],东平湖14 种浮游植物优势种中,有9 种为污染指示种(表3)。 蓝纤维藻、鱼腥藻、细小平裂藻、四尾栅藻及湖生卵囊藻所指示的水体污染等级为β-中污染,平裂藻、巨颤藻及纤维藻为β-中污染～α-中污染,席藻为寡污染～β-中污染。

表3 东平湖浮游植物优势度指数Table 3 Species dominance index of phytoplankton in Dongping Lake

2.2 浮游植物密度的时空分布

东平湖全年平均浮游植物密度为4.96×107cells/L,同一区域的浮游植物密度在不同季节之间差异显著,各湖区秋季的浮游植物密度均显著高于其他季节(表4)。 进水区及出水区均以冬季的浮游植物密度为最小,而湖中区以春季的浮游植物密度为最小。 出水区冬季的浮游植物密度显著低于夏、秋两季,而与春季无明显差异。 东平湖同一季节不同区域间的浮游植物密度分布有所不同,但差异并不显著(P>0.05)。 在夏季及冬季,出水区浮游植物密度最大,湖中区次之,进水区最小;在春季及秋季,进水区浮游植物密度最大,但春季以湖中区的密度为最小,而秋季以出水区的密度为最小。

表4 浮游植物密度的单因素(季节)方差分析及多重比较结果Table 4 One way (season) ANOVA and multi-comparisons of phytoplankton abundance

东平湖各季节浮游植物的平均密度主要由蓝藻门贡献,且各个季节的蓝藻门和绿藻门密度之和均占该季节总密度的90%以上(图3)。 蓝藻门的相对密度从春季到秋季逐渐升高,在秋季达到最高值后下降。 而绿藻门的季节变化趋势与蓝藻门相反,当蓝藻门的相对优势下降时,绿藻门占比上升。 在各区域浮游植物密度组成中,蓝藻门均占据绝对优势。 进水区与湖中区蓝藻门的相对密度在95%以上,其次为绿藻和硅藻;出水区蓝藻门的相对密度为84.47%,其次为绿藻和隐藻。

图3 东平湖各门类浮游植物相对密度的季节变化Fig.3 Seasonal dynamics of relative abundance of all phytoplankton phyla in Dongping Lake

2.3 浮游植物多样性及水质评价

2016 年4 月—2017 年1 月,东平湖的浮游植物Shannon-Wiener 多样性指数平均值为2.77。各湖区在空间尺度上的差异并不显著(表2),除进水区夏季及出水区春季大于3,指示其水体处于轻污染状态外,全年大多介于2～3,表明各区域整体处于β-中污染状态。 从时间尺度上看,各季节的Shannon-Wiener 多样性指数表现出一定的差异性(图4)。 全湖春季均值最高,冬季最低,各季节平均值排序为春季(2.98)>夏季(2.87)>秋季(2.73)>冬季(2.48)。 出水区的季节变化差异显著,春季(3.84±0.51)最高,夏季和秋季明显低于春季,冬季(2.13±0.40)最低。

图4 东平湖浮游植物Shannon-Wiener多样性指数季节变化Fig.4 Seasonal dynamics of phytoplankton Shannon-Wiener diversity index in Dongping Lake

东平湖的浮游植物Marglef 丰富度指数平均值为1.88。 各湖区在空间尺度上的差异并不显著(P>0.05),出水区(2.00)最佳,进水区和湖中区相近,分别为1.81 和1.84,均指示其水体为中度污染状态(图5)。 单因素方差分析结果显示,同一区域不同季节的Marglef 丰富度指数差异显著(P<0.05)。 进水区夏季的丰富度指数(2.33±0.34)显著高于其他季节(F=7.045,P=0.005),秋季(1.57±0.20)最低;湖中区夏季丰富度指数(2.17±0.38)最高,春季次之,冬季(1.66±0.29)最低;出水区春季和夏季的丰富度指数显著高于秋季和冬季(F=5.95,P=0.01)。 各季节浮游植物丰富度指数均介于1.5 ～ 2.0,排序为夏季(2.27)>春季(1.96)>秋季(1.66)>冬季(1.62),均指示其水体污染程度为中度污染。

图5 东平湖浮游植物Marglef 丰富度指数季节变化Fig.5 Seasonal dynamics of Marglef richness index of phytoplankton in Dongping Lake

东平湖的浮游植物Pielou 均匀度指数平均值为0.56,说明东平湖水域整体水质为寡污型。 均匀度指数在空间尺度上无明显差异,出水区、湖中区、进水区的平均Pielou 均匀度指数分别为0.58、0.57、0.55,说明各区域水质均属于寡污型。东平湖春季的Pielou 均匀度指数平均值最大(0.62),夏季、秋季及冬季相近,但各季节的均匀度指数所指示的水质情况并无明显差异,均为寡污型。

根据浮游植物群落Shannon-Wiener 多样性指数、Pielou 均匀度指数及Marglef 丰富度指数的水质评价标准(表1),对东平湖进行水质生物学评价。 基于Shannon-Wiener 多样性指数和Marglef丰富度指数得出的水质评价结果具有高度的一致性,均显示东平湖水质基本处于中度污染状态(表5)。 部分评价结果的不一致可能是因为以上3 个指数各有侧重且计算方式不同,分析结果受到浮游植物种类和数量的双重影响。 而污染指示种的评价结果显示,东平湖优势种大多为β-中污染指示种,仅少数为β-中污染～α-中污染或寡污染～β-中污染指示种。 综合各评价结果可得出,2016 年4 月—2017 年1 月东平湖水质总体处于中度污染状态。

表5 东平湖水质生物学评价结果Table 5 Results of biological evaluation of water quality in Dongping Lake

3 讨论

3.1 调水对东平湖浮游植物时空变化的影响

本次调查共获得浮游植物8 门143 种(属),浮游植物物种总数与2006—2007 年[17]调查结果基本一致,而明显高于其他各年度调查结果。 浮游植物的群落结构可能会随水环境的改变而发生变化,而在不同研究中,采样时间、采样点位及调查方法的差异也可能导致调查结果的不同。 从浮游植物群落的种类组成上看,本次调查检出的绿藻门种类最多,共69 种(属),占浮游植物种类总数的48.25%;其次为蓝藻门,共30 种(属),占浮游植物种类总数的20.98%;再次为硅藻门,共27种(属),占18.88%。 此结果与王志忠等[14]、师吉华等[21]等2006—2009 年调查结果一致,且各优势种群的种类数占比也基本接近(表6)。 综合本次调查结果及历史文献可知,东平湖浮游植物群落组成长期以来处于相对稳定的状态,均以绿藻门浮游植物的种类数为最多,仅种类数为次丰富的种群在不同年度的调查结果中略有变化,从早期的硅藻[12,36-37]转变为蓝藻、硅藻和裸藻。 浮游植物的群落变化与水环境密切相关,水环境因子的改变会直接影响浮游植物的群落结构[38],而调水过程中的湖泊水体交换以及注入水的水质状况,都可能成为东平湖水环境因子发生改变的驱动因素[39]。 另外,随着东平湖的开发建设,诸如湖区水产养殖、湖区周边工农业发展等人类活动也会对水质产生一定程度的影响[40],进而导致浮游植物群落结构的变化和演替。 但关于东平湖浮游植物群落对水环境变化的响应机制,还需要进一步研究。

表6 东平湖浮游植物群落结构对比Table 6 Comparison of phytoplankton community structure in Dongping Lake

浮游植物群落的种类组成、密度、优势种群以及多样性指数等指标均可作为描述群落演替趋势、速度和稳定程度的指标[43]。 本次调查结果表明,东平湖浮游植物优势种群由蓝藻门、绿藻门构成,以蓝藻门的伪鱼腥藻和拟浮丝藻为主要优势种群。 东平湖浮游植物平均密度为4.96×107cells/L,各湖区密度差异不显著,但不同季节的密度差异较大。 浮游植物表现出的季节演替现象可能与温度有关,缘于浮游植物的生长受温度调控明显[44]。 东平湖浮游植物密度在夏季、秋季高,而在春季、冬季较低,这一趋势与温度变化较为一致。 经过春季的繁殖,夏季蓝藻、绿藻的密度显著增加,到秋季时达到顶峰,而秋季过后,温度明显降低,蓝藻、绿藻密度也大幅下降。 另外,2016 年4 月(春季)及2017 年1 月(冬季)均为东平湖调水期,水体交换的增强有利于污染物的扩散和水体自净能力的提升,可能导致水体营养盐含量的减少,进而导致浮游植物密度下降。 浮游植物平均密度空间差异较小亦可能是因为调水使得原本相对静止的湖泊水体的流动性加强,浮游植物的分布受水流影响而趋向均匀化。

3.2 应用浮游植物评价水质

自20 世纪80 年代以来,我国研究人员对东平湖的水环境质量进行了一系列研究,对东平湖的多项水质数据进行了为期多年的调查和分析。 调查结果显示,南水北调东线工程通水前,东平湖水体营养等级大多处于中-富营养化状态,且呈现恶化趋势,东平湖水质整体处于中度污染水平,部分时间和区域甚至出现了重度污染情况(表7)。

表7 东平湖水质评价对比Table 7 Comparison of evaluation of water quality in Dongping Lake

此外,近30 年来的研究结果表明,东平湖浮游植物的多样性呈明显下降趋势。 20 世纪80 年代[32],东平湖浮游植物多样性指数的变化范围为2.34～3.08,平均值为2.84;而2006—2007 年[14]的调查结果显示,其浮游植物多样性指数已降至1.55～2.84,丰富度指数为1.43～3.13,均匀度指数为0.36～0.77;在2013 年[35]的调查中,浮游植物多样性指数的下降更为明显,平均值已降至1.48。 在本研究中,东平湖浮游植物多样性指数的变化范围为2.13～3.84,平均值为2.77;丰富度指数的变化范围为1.61 ～ 2.27,平均值为1.88;均匀度指数的变化范围为0.54～0.62,平均值为0.56。 与南水北调东线调水前的数据相比,东平湖浮游植物群落的丰富度指数和均匀度指数基本不变,但多样性指数出现了明显的增加,并且空间分布更为均匀。 本研究利用浮游植物多样性指数及污染指示种进行的综合水质生物学评价结果也显示,东平湖水质出现了一定程度的改善,总体上已由调水前的中度至重度污染转变为中度污染状态。 有研究认为,南水北调工程通水后,长江及输水沿线水体中的浮游植物会随之进入东平湖,引起湖区生物多样性的增加[48]。 另外,所调取的水为扬州段的长江水,其水质较好,注入东平湖后会对原有污染起到一定的稀释作用[49]。 同时,大量优质水体的汇入也能让东平湖的水体交换能力变强,有利于污染物的扩散和水体自净能力的提升。 综合以上因素,东平湖浮游植物多样性的提升可能与调水引入了新物种以及调水后的东平湖水质状况得到了改善有关[8]。 但本次调查仅持续了一年,若需阐明浮游植物多样性与湖区水质及调水的关系,则需要通过长期的监测予以进一步论证。

东平湖整体水质情况虽有所好转,但秋季浮游植物密度高达1.65×108cells/L 且以蓝藻门藻类占绝对优势的情况仍需引起必要的关注。 根据浮游植物密度指示的水体营养类型评价标准[50]分析可知,东平湖大部分采样位点的水质情况在10 月(秋季)处于中-富营养化水平,部分位点处于富-重富营养化水平。 东平湖水深较浅、水体透光性较好,南水北调工程通水前的水体流通性差,污染物难以扩散,而在经济快速发展的大环境下,东平湖周边的点源、面源污染排放加剧[51],导致东平湖水体富营养化风险较大。 通过文献调查可知,8—9 月为东平湖丰水期,降雨量的增加可能导致大量地表径流携带湖区周边人类生活及生产活动产生的污水(如工业废水、生活污水及农业灌溉退水等)进入东平湖水体[52];而10 月为非调水期,湖内水体流动缓慢,不利于污染物的扩散,湖泊自净能力相对较弱。 水体内污染物的增加及湖泊自净能力的受限可能导致湖内污染物及营养盐的蓄积,而且东平湖10 月的湖水温度依然较高,以上多重因素的综合作用可能就是秋季蓝藻迅速生长繁衍、种群密度激增的原因。

由此可见,虽然很多研究表明,多样性指数评价法的适用性较好[31,53],能较为综合地评价水质状况及水体健康程度,但采用单一的评价方法仍然可能导致评价结果的片面性。 有研究发现,在一些污染较重的区域却出现了浮游植物多样性指数较高的现象[54]。 这可能是因为在水温适宜且营养盐丰富的情况下,浮游植物大量生长,多样性增加,致使水质生物学评价结果偏乐观[55]。 因此,以多样性指数来评价水体质量时,应结合多个多样性指数和多种评价方法进行综合评估,才能得到更加客观、有效和全面的评估结果。

综上,东平湖在南水北调工程调水后的水质较调水前有所改善,污染情况及富营养化情况均呈现好转趋势,说明为保障南水北调东线输水沿线水质安全而采取的东平湖流域综合治理措施已初见成效。 但目前东平湖仍处于中度污染状态,且部分季节仍有较大的富营养化风险,因此,对东平湖水污染及富营养化的防控仍需要进一步加强。 一方面,应继续加强政府监管,从源头上控制和规范东平湖湖区的点源(工业废水、生活污水等)、面源(农业灌溉退水等)污染排放,避免湖区内高强度水产养殖及过度旅游开发等人类活动造成的水体污染;另一方面,东平湖85%以上的水量由大汶河输入[56],因此,控制大汶河流域的污染负荷,减少氮、磷等营养元素的输入,防止调水带来的外源性污染,也是加强东平湖水污染防治的重要途径。

4 结论

本研究在东平湖共鉴定出浮游植物8 门143种(属)。 在种类组成上,各季节均以绿藻为主。在数量上,浮游植物年平均密度为4.96×107cells/L,季节间的密度差异显著,秋季达到最大值;各季节平均密度主要由蓝藻门贡献,主要优势类群由蓝藻和绿藻构成。 浮游植物Shannon-Wiener 多样性指数、Marglef 丰富度指数、Pielou均匀度指数的变化范围分别为2.13 ～ 3.84、1.61～2.27、0.54～0.62,前两者得出的水质评价结果具有高度的一致性,均指示东平湖水质为中度污染状态。 另外,优势种群中的9 种污染指示种大多为β-中污染指示种。 与历史数据相比,东平湖在南水北调东线工程通水后的浮游植物群落组成相对稳定,多样性指数较前期有明显增加,水质得到了一定程度的改善。 尽管东平湖水质综合评价结果为中度污染状态,但秋季浮游植物密度升高且蓝藻占绝对优势的情况仍需引起必要的关注。 应进一步加强对东平湖水污染及富营养化的防控,以避免蓝藻水华的出现,切实改善东平湖的水生态环境质量。