剑潭大坝对东江惠州河段浮游植物的影响研究

张桂华

(惠州环境科学研究所,广东惠州 516001)

浮游植物是水体生态系统的组分之一,是水体初级生产者,其群落结构与数量对水体生态系统的演替和发展影响很大[1]。河流筑坝形成水库之后,随着被覆没植被腐烂降解及土壤中有机质和营养盐的释放,水库通常出现一个‘营养上升’期,然后回落[2,3]。在此期间,浮游植物群落结构和数量表现为一个动态的变化过程,且由于流域的气候、植被、库盆形态特征以及水库运转模式等的不同,不同地区水库在蓄水初期浮游植物群落动态变化过程可能会表现出不同的特征[4,5]。

东江是广东省四大水系之一,河道干流全长562 km,其中惠州段全长约 156 km。东江是广东省最重要的饮用水源之一,是河源、惠州、东莞、深圳、广州和香港约 4000万人民的供水水源。但是,自上世纪 90年代以来,由于东江河道无序采沙严重,中、下游河道普遍下切,造成枯水期水位急剧下降,严重影响到惠州河段各供水工程的正常吸水。要根本解决上述问题,必须采取抬高水位的工程措施,而以改善水环境、发电为主、兼顾航运、供水、灌溉和旅游等综合利用的大型水利枢纽工程——剑潭大坝正好能起到这个作用。剑潭大坝于 2005年 4月开始修建,2006年 10月 10日开始下闸蓄水。正常运行后,库位水位维持在 10.5m左右,对应库容为 11640万 m3,水面面积 46km2,回水影响的河段长度约 31.7km。2006年 10月 10日至 2007年 6月 10日是水库下闸蓄水期间,在该时期,水位逐渐上升,并于 2007年 6月 10日达到10m左右。此后,水库水位一直维持在 10.5m左右,入库流量与出库流量基本上保持一致。

相关监测表明,大坝水质 2006年污染物浓度明显比 2007和 2008年高。主要污染物为悬浮颗粒物、TN、TP、NH4-N等。总体来讲,东江上游污染物浓度较高,下游污染物浓度较低。由于西枝江水质较东江差很多,距离大坝较近的污染物浓度较上游较高。剑潭大坝下闸蓄水后,由于水力滞留时间有所延长,剑潭大坝采样点悬浮颗粒物沉降速率增加,浓度显著低于蓄水之前,透明度相应高于蓄水之前;pH和溶解氧在蓄水前后的变化不明显;水库正常运行后的第一年,剑潭大坝采样点 TP浓度增加,TN变化较不明显,NH4-N比例增加,水库正处于 “营养上升期”。本文根据 2006～2008年大坝蓄水后浮游植物的跟踪调查结果,分析其结构和数量的变化,以及与富营养化要素之间存在的关系,从而掌握浮游植物群落动态变化特征,为防治水库的富营养化以及进行生态管理提供科学依据。

1 采样点的设置及调查方法

1.1 采样点设置

依据东江水流方向,由上游至大坝共设 6个采样点(见图 1)：横沥东深取水口 (S1)、汝湖取水口(S2)、虾村取水口 (S3)、谭屋角取水口 (S4)、西枝江与东江交汇处的水文站 (S5)和剑潭大坝 (S6)。其中,横沥东深取水口 (S1)位于水库洄水区的上游,其他 5个采样点均位于水库之内。采样时间在2006年至 2008年期间每年的 4月、8月和 12月月初进行,分别代表平水期、丰水期和枯水期。

1.2 取样及保存

叶绿素 a水样在水面表层以下 0.5m处取水1L,用饱和碳酸镁固定并现场置冰箱 4℃保存;浮游植物定量样品用采水器在表层以下 0.5m处采水1L,现场用福尔马林固定,最终浓度为 4%,带回实验室浓缩计数;浮游植物定性样品用 30μm浮游生物网于垂直方向和水平方向进行拖网,用 4%福尔马林固定;轮虫和甲壳类浮游动物定性样品分别用25号(64μm)和 13号 (113μm)浮游生物网于水平及垂直方向拖网;定量样品从表层 0.5m往下每隔1m采取 5L水到距底层0.5m处,用64μm浮游生物网当场过滤,所有样品用 5%福尔马林固定[6,7]。水样用Nalgene公司生产的 0.45μm的Millipore滤膜,过滤水样 500～1000mL,滤膜用来测定叶绿素a;将滤膜取出,用 90%的丙酮研磨提取,提取液置黑暗低温处保存 20小时,离心,取上清液定容至10mL,在紫外可见分光光度下测定叶绿素的含量,具体方法参照林少君等人 (2005)的文章[8]。

浮游植物样品的浓缩：固定后的样品借助于20μm孔径的筛选,运用细小虹吸管吸去上清液,将样品浓缩至 30mL。然后吸取 0.1mL浓缩液,用浮游生物计数框,在 Olympus BH2显微镜下进行种类鉴定和计数。计数公式为：

式中：N为 L水样中浮游植物数量,cell/mL;A为计数框面积(mm2);Ac为计数面积(mm2);Vw为1L水样浓缩后的样品体积 (mL),V为计数框的体积(mL);n为计数后所得的浮游植物细胞数。

多样性指数采用 Shannon-Weaver多样性指数(H)：H=-∑(Ni/N)×log2(Ni/N);式中 N为个体数,Ni为第 i个个体数。

图1 东江惠州河段采样点示意图Fig.1 The samplingmap of Huizhou reach ofDongjiang River

2 结果与讨论

2.1 浮游植物种类组成变化

2006年全年 3次采样共检测到 117种浮游植物,其中绿藻 72种,硅藻 26种,蓝藻 12种; 2007年全年共检测到 112种浮游植物,其中绿藻70种,硅藻 20种,蓝藻 12种;2008年全年共检测到 108种浮游植物,其中绿藻 64种,硅藻 22种,蓝藻 10种(表 1)。

表1 2006～2008年浮游植物的组成变化Tab.1 The variation of phytoplankton composition during 2006～2008

由表 1可知,3年期间,总物种数呈现下降趋势。由于是河流型水库,检测到的绿藻种类相对较多。2006年中有 40个物种在 2007年中没有被检测到,有 49种在 2008年中没有被检测到。

表2 各采样点 Shannon-Weaver多样性指数Tab.2 The Shannon-Weaver diversity index at all sampling sites

2006～2008年采样期间,各采样点的 Shannon-Weaver多样性指数值均较高,在 3～5之间(表 2)。一般来说,河流水体的生物多样性较湖泊和水库高;剑潭水利枢纽为新建河流型水库,水力利滞留时间较短,水体的理化特征更接近于河流,因此,生物多样性较高。从表 2中还可以看出,各采样点多样性指数的季节变化不明显。水库蓄水运行前,S5采样点的多样性指数值最低,可能是由于该点位于西枝江与东江的交汇处,污染较为严重;水库蓄水运行后,S5采样点的生物多样性增大,这是由于水库蓄水后,水量增加,对西枝江排放出的污染物的稀释作用增加,导致污染物浓度的相对降低。

表3 各采样点多样性年际差异显著性Tab.3 The interannual difference significance of diversity at all sampling sites

由表 2可知,3年采样期间,多样性指数值最高出现在 S3和 S4采样点,分别为 4.81和 4.92。2006～2008年间,年际间变化无明显规律,差异均不显著 (表 3)。相对来说,S5采样点差异较为显著 (F=2.943;P=0.129),S2采样点差异最不显著 (F=0.026;P=0.974)。

2.2 浮游植物优势种群和优势种的变化

由图 2～图 7可见,在 4月份,各采样点基本上都以绿藻为第一优势类群,硅藻为第二优势类群,蓝藻为第三优势类群。

从空间变化看,2007和 2008年,下游的 S5(水文站)和 S6(剑潭大坝)采样点绿藻优势度明显高于上游的 4个采样点;硅藻则相反,下游 2个采样点明显低于上游 4个采样点;在蓄水运行后的 2008年,下游的 S6采样点绿藻优势度低于上游的 S2、S3和S5采样点,与 S1采样点差别不大,蓝藻优势度明显高于上游 5个采样点,并且成为第二优势类群。

从年际变化看,S6采样点,在 2008年,绿藻优势度比前两年有所降低,但蓝藻优势度明显上升。在 8月份,多数情况下,各采样点以绿藻为第一优势类群,蓝藻为第二优势类群,硅藻为第三优势类群,蓝藻优势度明显高于同年的 4月和 12月。在 12月份,下游的 4个采样点 3年均以绿藻为第一优势类群,硅藻为第二优势类群,蓝藻为第三优势类群;上游的 2个采样点在 2006年以绿藻为第一优势类群,硅藻为第二优势类群,但在 2007和2008年,以硅藻为第一优势类群,绿藻为第二优势类群。

总体来看,藻类种群的变化主要由于绿藻、蓝藻宜生存于静水环境,硅藻宜生存于流水环境,另外值得注意的是,坝前区和支流回水区是库区富营养化的敏感区域,在适宜的营养盐和水温条件下,容易发生藻类爆发。

2006年,全年优势种为绿藻门美丽胶网藻(D ictyosphaerium pulchellum)、十字藻 (Crucigenia)、栅藻 (Scenedesm us);硅藻门的针杆藻(Synedra)、小环藻 (Cyclotella)、舟形藻 (Navicula);蓝藻门的银灰平裂藻 (M erism opedia glauca)。水库蓄水运行后,2007年,优势种变为绿藻门胶网藻 (D ictyosphaerium)、衣藻 (Chlam ydom onas)、栅藻 (Scenedesm us);硅藻门的小环藻 (Cyclotella)、针杆藻 (Synedra)、舟形藻 (Navicula);蓝藻中的银灰平裂藻 (M erism opedia glauca)在丰水期时为优势种,枯水期则隐球藻 (Aphanocapsa spp.)为优势种。S6采样点的优势种变化尤为明显 (图 8)。蓄水前,丰水期大坝处的优势种为胶网藻 (D ictyosphaerium ehrenbergianu)、银灰平裂藻(M erism opedia glauca)四尾栅藻 (Scenedesm us quadricauda),与枯水期的优势种组成基本相似,季节变化不明显,均是由蓝藻和绿藻共同占据优势。当水库蓄水运行后,大坝处的优势种发生明显变化,尤其在丰水期,全部变为蓝藻:隐球藻(Aphanocapsa spp.)、银灰平裂藻 (M erism opedia glauca)和假鱼腥藻 (Pseudoanabaena spp.),且 3种藻的丰度均达到 10%以上,其中隐球藻 (Aphanocapsa spp.)在全年占据优势;绿藻则主要以衣藻 (Chlam ydom onas)、栅藻 (Scenedesm us),实球藻 (Pandorina)为主;硅藻的优势度下降,主要以小环藻 (Cyclotella)为主。水库蓄水前后浮游植物群落结构发生明显变化,比较而言,蓝藻的组成及丰度变化最大,绿藻次之,硅藻的优势种组成几乎无明显变化。水库蓄水运行后,季节性变化明显,丰水期以蓝藻为优势,枯水期以蓝藻绿藻共同占据优势。

与之相比,S2采样点(汝湖)的优势种变化较不明显 (图 9),因为其位于水库的上游,距离大坝的位置较远,受大坝影响较弱。2006年 S2点的优势种为双射盘星藻 (Pediastrum biradiatum)、四尾栅藻(Scenedesm us quadricauda)和双对栅藻 (Scenedesm us bijuga),而在大坝蓄水运行后的 2008年,优势种变为四尾栅藻 (Scenedesm us quadricaud)、胶网藻 (D ictyosphaerium ehrenbergianum)和银灰平裂藻 (M erism opedia glauca),由完全的绿藻占据优势,变成以蓝藻和绿藻共同占据优势的格局。蓄水前后的季节变化并不明显,只是在蓄水后,丰水期以银灰平裂藻(M erism opedia glauca)为蓝藻优势种,而在枯水期则变为隐球藻 (Aphanocapsaspp.)。

与本研究结果相似,Guadiana河Alqueva大坝的蓄水运行,使蓝藻中颤藻的生物量显著增加;飞来峡水库在蓄水运行后,蓝藻中的假鱼腥藻占据优势,Straskraba等[9,10]分析了世界各地的水库发现,年平均滞留时间对水库的水动力学、化学与生物过程有直接的相关性[2]。比较 S2和 S6点处优势种的变化,可以看出,S6采样点的变化幅度大于 S2处,这是由于 S2采样点到大坝间的距离远大于 S6采样点,导致 S2采样点的水文水动力学相对于 S6采样点处变化较小,因此,藻类优势种组成上变化较S6采样点处不明显。

2.3 浮游植物丰度与叶绿素 a

3年调查期间,浮游植物丰度变幅为 182～6267 cells/mL,最高丰度出现在 2006年 4月的 S5 (水文站)采样点,最小丰度出现在 2006年 4月的S4(谭屋)采样点 (图 10)。水库蓄水运行后,S6采样点处的生物量显著增加,2006年 4月份浮游植物总生物量仅为 902 cells/mL,而在 2008年 12月份达到 2110 cells/mL。相反,S5采样点处的浮游植物丰度却呈现下降趋势,2006年 4月份浮游植物丰度为 6267 cells/mL,2008年 12月份丰度仅为581 cells/mL。2006年 S5采样点的丰度是显著高于 S6采样点,然而水库蓄水运行后,趋势正好相反,S6采样点处的丰度明显高于 S5采样点。从空间变化看,2008年 12月,浮游植物丰度最高值出现在 S6采样点,且浮游植物丰度由上游向下游基本呈上升趋势;在 2008年 4月和 12月,浮游植物丰度最高值均出现在 S5采样点,S6采样点浮游植物丰度也较高,明显高于上游其它几个采样点。

在调查期间,叶绿素 a浓度变幅为 1.3～22.1 mg/m3,最高浓度出现在 2008年 12月的 S6(剑潭大坝)采样点,最小浓度出现在 2008年 4月的 S3(汝湖)采样点 (图 11、12和 13)。从年际变化看,3年采样期间,S6采样点处,平水期和丰水期叶绿素 a浓度差异不显著,但是,在枯水期叶绿素 a浓度逐年上升,尤其在 2008年,叶绿素 a浓度显著增加。

浮游植物的群落变化很大程度上受营养盐浓度控制,水库浮游植物生物量明显随水体富营养化程度而增加[11]。藻类的生长通常由一或几种营养盐所限制,世界范围内的水库或湖泊,通常 P是最主要的限制性营养盐。因此,在本研究中,最高生物量出现在 S5采样点,是由于该采样点处于西枝江与东江的交汇处,营养盐浓度较高。2007～2008年,下游采样点浮游植物的生物量出现下降趋势,这是由于水库蓄水运行后,水力滞留时间延长,水流速度减缓,造成水体中营养盐沉降速率增加,从而导致上层水体中营养盐浓度减少。从空间尺度上看,水库蓄水运行后,S1到 S6采样点的变化梯度明显,形成一个从河流入水口到大坝处的纵向梯度。

总体上来讲,各采样点叶绿素 a浓度与营养盐水平并不相符,呈现出高营养盐,低叶绿素的特征。相对来讲,S5和 S6 2个采样点的水流平流损失率和光限制程度低于上游的 4个采样点,导致了S5和 S6 2个采样点的叶绿素 a与营养盐的相关系数较其他 4个采样点高,叶绿素 a与NH3-N和 TN的相关系数增加显著。在这 2个采样点,浮游植物生长受氮的影响程度明显高于磷。而位于上游的 4个采样点 (S1、S2、S3和 S4),由于平流损失率相对较高,光限制也更为严重,因此,这 4个采样点浮游植物的生物量与营养盐的相关性相对较小。相对来说,上游 4个采样点,尤其是 S1和 S2采样点,浮游植物生长受磷的影响程度明显高于氮。

3 结论与建议

3.1 结论

(1)剑潭大坝下闸蓄水后,浮游植物的数量和结构发生了一定的变化。3年期间,总物种数呈现下降趋势;蓝藻种类略微增多。各采样点多样性指数的季节变化不明显。水库蓄水运行前,S5采样点的多样性指数值最低,水库蓄水运行后,S5采样点的生物多样性增大。可能是由于蓄水使污染物浓度得到稀释的缘故。

(2)水库蓄水前后,S6采样点大坝浮游植物群落结构发生明显变化,蓝藻的组成及丰度变化最大,绿藻次之,硅藻的优势种组成无明显变化。水库蓄水运行后,季节性变化明显,丰水期以蓝藻为优势,枯水期以蓝藻绿藻共同占据优势。与之相比,S2采样点距离大坝的位置较远,受大坝影响较弱,优势种变化较不明显。

(3)在剑潭大坝正常运行 1年后,剑潭大坝处叶绿素 a显著增加,浮游植物现存量出现一个峰值。浮游植物群落结构也发生了明显变化。蓄水前,剑潭大坝采样点丰水期以绿藻占据优势,枯水期以绿藻和硅藻共同占据优势;水库蓄水运行后,丰水期绿藻优势度减弱,蓝藻丰度增加,隐球藻取代胶网藻成为优势种,枯水期硅藻优势度下降,蓝绿藻共同占据优势。由此说明,偏高的营养盐含量为浮游植物的生长创造了有利条件,然而剑潭大坝水力枢纽的水力滞留时间较短,蓝藻形成水华的风险性并不大。

3.2 建议

(1)需尽可能减少污染物向水库的输入,在此基础上,对水库进行生态管理,以达到改善水质的目的。

(2)保持流域各种自然景观,尤其是河流两岸的湿地;提高河流两岸及水库库区周围地区森林覆盖率。

(3)加强农业管理,减少水土流失及农药杀虫剂的施放,改善肥料的使用方法,提高肥料被农作物的吸收率,以减少肥料的投放量。

(4)提高生活污水中磷的去除率;改善生产工艺,减少污染物的排放。

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