北方典型小水库退役前后秋季浮游植物群落特征及其与环境因子的关系

孙文秀，吴文强，彭文启，朱长军，李步东

(1. 河北工程大学能源与环境工程学院，河北 邯郸 056038；2. 中国水利水电科学研究院，北京 100038)

0 引 言

近年来，水库、河流特别是作为饮用水来源的水体的生态健康状况及富营养化程度备受关注，通常进行化学、微生物、浮游植物等方面的监测以确保饮用水安全[1-3]。浮游植物是水生态系统中最重要的初级生产者和食物链基础[4]，与其他生物种群有着密不可分的联系，其群落结构的变化会引起系统中食物网结构的改变，从而影响水生态系统的能量流动、物质循环和信息传递[5-7]。河流、水库等水生态系统中生产和分解的紊乱及富营养化都将最终引起水质的恶化[8]。浮游植物生长受环境因子的影响较大，与pH、电导、营养盐等具有明显的相关关系，特别是氮磷营养盐[9, 10]。浮游植物群落结构的变化在水库、河流等水体监测中起极为重要的作用。我国小型病险水库约6万多座，平均病险比例达53.3%。相关研究表明，截止到2017年底，全国降等及报废水库达6 539 座，其中报废2 518 座，包括中型3座、小型2 515 座[11]。大坝拆除后，河流连续性得以恢复，其地貌、水质等条件都将因河流水文条件和泥沙运动规律的改变而改变，并进一步影响植被的分布、类别等[12]。河流生物多样性是河流生态系统健康评价的重要内容之一，也是河流生态恢复的主要目标[13]。国外学者Foley等[14]和Doyle等[15]以及国内学者王若男[16]、向衍等[17]研究了大坝拆除对生态环境的影响。

目前，国内外很少有关于水库退役前后浮游植物群落特征及其多样性调查的研究。浮游植物的群落结构和生长繁殖状况都能直接反映水体的营养化程度和污染状况[18,19]。由于生态系统复杂，拆坝对生物多样性的影响也是因地域差异而不同[20,21]，因此，有必要研究各地区不同类型水库退役前后其浮游植物群落特征变化及水质状况。本文通过对平山水库退役前后的水质及浮游植物进行监测，选取2015-2018年间秋季四次监测数据，对水库退役前后浮游植物群落特征和生物多样性指数进行研究，同时分析其水质变化，为保障和改善其水质具有非常重要的意义。

1 研究区域概况

平山水库位于辽宁省抚顺市东洲区碾盘乡丁庄村，属浑河一级支流东洲河流域，水库于1975年竣工，是一座以防洪、灌溉为主，兼顾养殖的小型水库。水库控制面积1.7 km2，坝址以上河长2.3 km。由于当时的经济条件和所处年代特殊等因素，水库施工质量不高，配套设施也很不完善，存在安全隐患，是一座病险水库，2016年5月拆除。

东洲河流域地处温带大陆性季风气候，冬季寒冷降水量少，夏季炎热降水量多。年平均气温7 ℃左右，最低极端气温-37.5 ℃，最高极端气温37 ℃。多年平均年降水量753 mm，年内分配极不均匀，降雨多集中在7、8月份，约占全年降水量的50%以上，年平均无霜期150 d，初霜最早为9月下旬，终霜最晚发生在5月上旬。

2 采样与分析方法

研究区选取平山水库入口、库中、坝前3个采样点(图1)。采样时间选取平山水库退役前 2015年9月和退役后2016年9月、2017年9月和2018年9月。

图1 平山水库采样断面Fig.1 Sampling section of Pingshan reservoir

2.1 样品采集

根据《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中规定的基本项目，本研究监测指标为：pH值、电导率(EC)、溶解氧(DO)、化学需氧量(COD)、总悬浮固体(TSS)、总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮(NH3-N)。其中pH值、EC、DO使用便携式多参数测量仪(奥立龙/ORION-520M-01A)现场测量。COD、TSS、TN、TP和NH3-N等指标使用多参数比色计(奥立龙/ORION-AQ3700)测量。

浮游植物定量样品的采集方法，用采水器采集上、中、下层浮游藻类水样等量混合，取混合水样1 L，现场加入15 mL鲁哥氏液固定，将水样带回实验室后，沉淀 24～48 h，浓缩至50 mL，贮存于棕色瓶中；将浓缩水样摇匀，用移液枪吸取0.1 mL 水样于浮游藻类计数框中，盖上盖玻片后在 10×40 倍显微镜下鉴定[22,23]并计数。浮游藻类计数需观察至少2片计数框，每片计数框观察50个视野， 取其平均值为最终结果，若2片计数结果相差 15%以上，则进行第 3 片计数，取其中个数相近 2 片的平均值[24]。

2.2 分析方法

运用 Microsoft Excel 2016软件进行数据统计分析，Arcgis 10.4作图，并用Canoco5软件进行物种数据进行除趋势对应分析( detrended correspondence analysis，DCA)，4个排序轴中梯度长度( length of gradient)最大值小于3，因此本研究采用的排序分析方法为冗余分析(RDA)。

2.3 数据处理

多样性分析[25,26]。

(1)多样性指数。

Shannon-Wieaver指数：

(1)

Margalef 指数：

D=(S-1)/lnN

(2)

Pielou(均匀度) 指数：

J=H′/lnS

(3)

式中：Ni表示第i种的藻类个体数；N为所有种类总个体数；S为物种数；H′值0～1为重污染，1～3为中污染。(其中1～2为α-中污，2～3为β-中污)，>3为轻污染或无污染；D<3为重污染，3～4为中污染，4～5为轻污染，>5为无污染；J:0～0.3为重污染，0.3～0.5为中污染，0.5～0.8为轻污染或无污染。

(2)优势度(Simpson)指数Y：

(4)

式中：ni表示样品中第i种物种的个体数；fi为第i种在各站点或月份出现的频率；当Y≥0.02时为优势种。

3 结果与分析

3.1 水库退役前后浮游植物群落结构的变化

3.1.1 水库退役前后浮游植物种类组成的变化

在2015-2018年4次秋季采样中，鉴定的浮游植物包括硅藻门(Bacillariophyta)、蓝藻门(Cyanophyta)、绿藻门(Chlorophyta)、隐藻门(Cryptophyta)、甲藻门(Pyrrophyta)、金藻门(Chrysophyta)和裸藻门(Euglenophyta)等7个门类40种。浮游植物在水库退役前后种类组成上变化较大(图2)，表现为水库退役前的2015年9月绿藻门和硅藻门的细胞密度占有较大比例(图3)，分别为42.25%和36.36%，水库退役前为绿藻-硅藻型；水库大坝拆除4个月(2016-09)，浮游植物种类组成比例发生较大变化，蓝藻增长迅速，占浮游植物总细胞密度的77.22%；与水库退役4个月(2016-09)相比，2017年9月发现了隐藻门，而且蓝藻、绿藻、硅藻的种类数均有所增加(图2)，硅藻门的细胞密度比例变化明显(图3)，达77.22%，蓝藻门的细胞密度比例减少为16.79%；与水库退役一年(2017-09)相比，2018年9月出现了甲藻门和金藻门(图2)，可以看出浮游植物的多样性逐渐增加，同时浮游植物各门类细胞密度的比例变化幅度较大(图3)，蓝藻门的比例由16.79%增长为23.63%，硅藻门所占浮游植物的细胞密度由77.22%减少为28.80%，但其密度比例依然占优势，其次是裸藻门(23.93%)和蓝藻门。

图2 平山水库退役前后秋季浮游植物组成Fig.2 Composition of phytoplankton in autumn before and after decommissioning of Pingshan Reservoir

水库退役当年，水库库底裸露，水库底泥富集的P得到了大量释放，TP的监测值达到了4次监测中的最高值；2017年库区河床被开垦利用，总P的释放减少，2017年和2018年秋季，硅藻门一直为优势种，蓝藻门也占相当大比例，绿藻门的比例逐渐减少，可能是因为本研究的监测数据为秋季，温度较低，而硅藻在温度相对较低的环境下生长较好，蓝藻比较适应低光，其细胞内特有的藻胆蛋白与Chla等结合能吸收其余藻类所不能吸收的500～600 nm波段的绿光和黄光，因此在较低的光照条件下蓝藻具有更高的生长率，而在温度较高的夏季有利于绿藻生长[27-29]。与退役前相比，蓝藻门细胞密度比例增加，说明水体趋于富营养化，特别是2016年9月水体的富营养化程度非常严重。

3.1.2 水库退役前后浮游植物群落的空间分布

平山水库退役前后浮游植物细胞密度呈现出明显的空间差异(见表1)。水库退役前(2015-09)入口和库中未发现蓝藻，3个采样点绿藻均为优势藻类。与水库退役前相比，水库退役4个月(2016-09)，原坝前蓝藻比例增加，绿藻由63.64%减少为15.38%，硅藻变为优势藻类，由20%增长到61.54%；与2015年秋季比，水库退役一年后(2017-09)原入口和原库中均出现了蓝藻，分别占浮游植物细胞密度的11.11%和15.38%，硅藻为优势藻类，原坝前绿藻和硅藻的比例均发生了较大改变，绿藻的比例减少了36.37%，硅藻的比例增加了31.81%；与水库退役4个月后(2016-09)相比，2017年9月原坝前未发现裸藻门，硅藻和绿藻仍占有相当大的比例，分别为45.45%和27.27%；与水库退役前(2015-09)相比，水库退役两年后(2018-09)3个采样点蓝藻的比例增加，最大比为40%，绿藻比例大幅度减少，最高仅5.56%；水库退役一年后(2017-09)相比，2018年9月原入口和原坝前蓝藻比例增加，分别增加了18.30%和20.71%，绿藻门比例减少，特别是原坝前，减少了22.29%，硅藻门在原坝前和原库中的比例变化不大，但在原入口处比例减少了31.7%。

图3 平山水库退役前后秋季浮游植物密度组成比例Fig.3 Proportion of phytoplankton in autumn before and after decommissioning of Pingshan Reservoir

表1 各采样点浮游植物种类组成百分比 %

由以上结果可知，退役后原库区硅藻整体上细胞密度占优势，可能是退役后水体恢复流动特性，流速变大，水温降低，适合硅藻生长[22]，原来的库底裸露形成河岸缓冲带，其中的一大半不积水的地方已经种植了农田，主要农作物是大豆和玉米。上游会有含氮、磷等营养物质的农田排水流入河流，而且河流宽度不足1m，流量较小，因此在原入口和原库中处蓝藻的比例有所增加。2018年原库区蓝藻的比例均增加，可见水体整体富营养化。

3.2 平山水库退役前后浮游植物优势种分析

优势种的物种数目和Y值对浮游植物群落结构多样性具有重要影响，其可反映研究区域浮游植物群落结构的复杂性和稳定性，平山水库退役前后秋季优势种如表2所示。水库退役前2015年9月优势种共10种，其中以卵形隐藻和小环藻为主，优势度分别为0.2和0.1；水库退役4个月后(2016-09)，优势种为6种，其中硅藻门3种，蓝藻门2种，绿藻门1种，蓝藻门的绿色微囊藻占绝对优势，优势度达0.49，微囊藻属是耐污性较强的藻类，可见此时原水库污染较为严重；2017年秋季，优势种只出现了硅藻门(5种)和蓝藻门(2种)，硅藻门的舟形藻占绝对优势，优势度为0.45；水库退役两年后(2018-09)，优势种包括硅藻门(4种)、蓝藻门(2种)、绿藻门(1种)、甲藻门(1种)和裸藻门(1种)，其中裸藻和多甲藻占绝对优势，优势度均为0.22。

由上结果可知，水库退役前优势种以卵形隐藻和小环藻为主，水库退役4个月后，优势种以蓝藻门的绿色微囊藻占绝对优势，2017、2018年9月优势种均以硅藻和蓝藻为主，原因可能为库区底泥营养盐的释放过程发生变化，另外平山水库退役后，水库转为河流，河流混合度较高，而在不稳定水体中硅藻所占比例会增加[30]。2018年多甲藻为优势种，其属于污染指示藻类，其可产生多种毒素，导致鱼类死亡。

表2 平山水库退役前后秋季优势种和优势度Tab.2 Dominant species and dominance degree of Pingshan Reservoir in autumn before and after decommissioning

3.3 平山水库退役前后坝址断面浮游植物多样性指数分析

群落结构的变化可能会导致浮游植物多样性指数、均匀度指数等产生相应的变化。平山水库退役前后坝址断面对比(图4)，除 Margalef(D) 指数外，Shannon-Wiener指数(H′)和Pielou 指数(J)变化趋势均一致，2015年9月平山水库坝前Shannon-Wiener指数(H′)、Margalef(D)和Pielo指数(J)分别为2.110、3.00和0.640，平山水库退役4个月(2016-09)，Shannon-Wiener指数(H′)和Pielou 指数(J)均减小，达到最小值，分别为1.560和0.608；平山水库退役1年后(2017.09)，Shannon-Wiener指数(H′)和Pielou指数(J)均达到最大值，依次为2.350和0.916；平山水库退役2年后(2018-09)，Shannon-Wiener指数(H′)(2.193)和Pielou指数(J)(0.759)均有减小的趋势，Margalef(D)有所增加，为3.208。

由多样性指数可看出原库区整体属于中污染，2016-2017年由α-中污染变为β-中污染，而与2016年9月相比，2018年9月Shannon-Wiener多样性指数增长了40.58%。由此表明，水库退役两年后水体中浮游植物生物多样性逐渐增加。

图4 平山水库退役前后坝前多样性指数Fig.4 Diversity index before and after decommissioning of Pingshan Reservoir

3.4 平山水库退役前后浮游植物群落与环境因子的关系分析

(1)浮游植物群落与环境因子的RDA分析结果见图5和表3。平山水库退役前(2015-09)，第一轴和第二轴的特征值分别为0.970 8和0.028 4，共解释了属种数据累计方差的99.91%，由图5可见，总体来看浮游植物群落由TP、TN、NH3-N、TSS和EC所主导，从图中物种与环境因子之间的夹角可以看出硅藻门、绿藻门与TP、TSS、pH、NH3-N和DO呈正相关，与TN呈负相关；蓝藻门与NH3-N、EC呈正相关，与TP呈负相关。

(2)2016年秋季，第一轴和第二轴的特征值分别为0.542 5和0.245 6，共解释了属种数据累计方差的78.81%(表3)，浮游植物群落主要由TN、pH和EC所主导(图5)，可知，硅藻门、裸藻门与TN、TSS、pH和EC呈正相关；蓝藻门与TN、TSS、pH和EC呈负相关；绿藻门与TP、EC呈负相关。

(3)平山水库退役1年后(2017-09)，第一轴和第二轴的特征值分别为0.8214和0.1119，共解释了属种数据累计方差的93.33%(表3)，浮游植物群落整体上由TP、EC、NH3-N和TSS所主导(图5)，从图中可以看出硅藻门与DO和EC呈正相关，与TP、NH3-N、COD和TSS呈负相关；蓝藻门、绿藻门与TP、NH3-N、COD和TSS呈正相关，与DO和EC呈负相关。

(4)平山水库退役2年后(2018-09)，第一轴和第二轴的特征值分别为0.639和0.1499，共解释了属种数据累计方差的78.90%(表3)。总体来看浮游植物群落主要由TP、NH3-N、TSS和EC主导(图5)，从图中物种与环境因子之间的夹角可以看出蓝藻门与TP、NH3-N、TSS、COD呈正相关，与pH、EC呈负相关，硅藻门、绿藻门与COD、EC呈正相关，与TN呈负相关。

图5 平山水库退役前后秋季浮游植物群落与主要环境因子的RDA排序Fig.5 RDA ordination of phytoplankton community and environmental factors before and after decommissioning of Pingshan Reservoir in autumn

表3 平山水库退役前后秋季浮游植群落结构与环境因子的RDA分析Tab.3 RDA analysis of community structure and environmental factors of phytoplankton in Pingshan Reservoir in autumn before and after decommissioning

平山水库退役前后，浮游植物主要影响因子均为TP、NH3-N、TSS和EC，这说明浮游植物的生长与氮、磷营养盐的浓度关系比较密切，而且和水中的可溶性营养盐和悬浮物也有较大关系。因此，对原平山水库富营养化的防治应该集中在水库退役第一年的控制氮、磷营养盐的输入，后续加强控制周边营养盐的汇入，以防止水质恶化，避免水华的发生。经调查，原库区土壤的含水量较高，如果要保护河流，改善水质，应保护这片湿地，避免农业开发，适当人为干扰，才能更好地发挥湿地群落的生态功能，现实中退役水库库区的生态环境保护还需要长期深入研究。

4 结 论

(1)平山水库退役前后，浮游植物在种类和数量组成上变化明显，退役前以绿藻和硅藻为主，退役后以硅藻和蓝藻为主，而且蓝藻在原坝址和原库中数量比例不断增加。

(2)平山水库退役后浮游藻类Margalef多样性指数和Shannon-Wiener多样性指数均出现上升趋势，由此表明，水库退役后水体中浮游藻类生物多样性逐渐增加，生态系统逐渐恢复。

(3)影响浮游植物生长的主要营养盐因子为TP和NH3-N，原水库要对营养盐的增加采取有效措施，以防止水质恶化，避免水华的发生。

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