劍潭大壩對東江惠州河段浮游植物的影響研究

張桂華

(惠州環境科學研究所,廣東惠州 516001)

浮游植物是水體生態系統的組分之一,是水體初級生產者,其群落結構與數量對水體生態系統的演替和發展影響很大[1]。河流筑壩形成水庫之后,隨著被覆沒植被腐爛降解及土壤中有機質和營養鹽的釋放,水庫通常出現一個‘營養上升’期,然后回落[2,3]。在此期間,浮游植物群落結構和數量表現為一個動態的變化過程,且由于流域的氣候、植被、庫盆形態特征以及水庫運轉模式等的不同,不同地區水庫在蓄水初期浮游植物群落動態變化過程可能會表現出不同的特征[4,5]。

東江是廣東省四大水系之一,河道干流全長562 km,其中惠州段全長約 156 km。東江是廣東省最重要的飲用水源之一,是河源、惠州、東莞、深圳、廣州和香港約 4000萬人民的供水水源。但是,自上世紀 90年代以來,由于東江河道無序采沙嚴重,中、下游河道普遍下切,造成枯水期水位急劇下降,嚴重影響到惠州河段各供水工程的正常吸水。要根本解決上述問題,必須采取抬高水位的工程措施,而以改善水環境、發電為主、兼顧航運、供水、灌溉和旅游等綜合利用的大型水利樞紐工程——劍潭大壩正好能起到這個作用。劍潭大壩于 2005年 4月開始修建,2006年 10月 10日開始下閘蓄水。正常運行后,庫位水位維持在 10.5m左右,對應庫容為 11640萬 m3,水面面積 46km2,回水影響的河段長度約 31.7km。2006年 10月 10日至 2007年 6月 10日是水庫下閘蓄水期間,在該時期,水位逐漸上升,并于 2007年 6月 10日達到10m左右。此后,水庫水位一直維持在 10.5m左右,入庫流量與出庫流量基本上保持一致。

相關監測表明,大壩水質 2006年污染物濃度明顯比 2007和 2008年高。主要污染物為懸浮顆粒物、TN、TP、NH4-N等。總體來講,東江上游污染物濃度較高,下游污染物濃度較低。由于西枝江水質較東江差很多,距離大壩較近的污染物濃度較上游較高。劍潭大壩下閘蓄水后,由于水力滯留時間有所延長,劍潭大壩采樣點懸浮顆粒物沉降速率增加,濃度顯著低于蓄水之前,透明度相應高于蓄水之前;pH和溶解氧在蓄水前后的變化不明顯;水庫正常運行后的第一年,劍潭大壩采樣點 TP濃度增加,TN變化較不明顯,NH4-N比例增加,水庫正處于 “營養上升期”。本文根據 2006～2008年大壩蓄水后浮游植物的跟蹤調查結果,分析其結構和數量的變化,以及與富營養化要素之間存在的關系,從而掌握浮游植物群落動態變化特征,為防治水庫的富營養化以及進行生態管理提供科學依據。

1 采樣點的設置及調查方法

1.1 采樣點設置

依據東江水流方向,由上游至大壩共設 6個采樣點(見圖 1)：橫瀝東深取水口 (S1)、汝湖取水口(S2)、蝦村取水口 (S3)、譚屋角取水口 (S4)、西枝江與東江交匯處的水文站 (S5)和劍潭大壩 (S6)。其中,橫瀝東深取水口 (S1)位于水庫洄水區的上游,其他 5個采樣點均位于水庫之內。采樣時間在2006年至 2008年期間每年的 4月、8月和 12月月初進行,分別代表平水期、豐水期和枯水期。

1.2 取樣及保存

葉綠素 a水樣在水面表層以下 0.5m處取水1L,用飽和碳酸鎂固定并現場置冰箱 4℃保存;浮游植物定量樣品用采水器在表層以下 0.5m處采水1L,現場用福爾馬林固定,最終濃度為 4%,帶回實驗室濃縮計數;浮游植物定性樣品用 30μm浮游生物網于垂直方向和水平方向進行拖網,用 4%福爾馬林固定;輪蟲和甲殼類浮游動物定性樣品分別用25號(64μm)和 13號 (113μm)浮游生物網于水平及垂直方向拖網;定量樣品從表層 0.5m往下每隔1m采取 5L水到距底層0.5m處,用64μm浮游生物網當場過濾,所有樣品用 5%福爾馬林固定[6,7]。水樣用Nalgene公司生產的 0.45μm的Millipore濾膜,過濾水樣 500～1000mL,濾膜用來測定葉綠素a;將濾膜取出,用 90%的丙酮研磨提取,提取液置黑暗低溫處保存 20小時,離心,取上清液定容至10mL,在紫外可見分光光度下測定葉綠素的含量,具體方法參照林少君等人 (2005)的文章[8]。

浮游植物樣品的濃縮：固定后的樣品借助于20μm孔徑的篩選,運用細小虹吸管吸去上清液,將樣品濃縮至 30mL。然后吸取 0.1mL濃縮液,用浮游生物計數框,在 Olympus BH2顯微鏡下進行種類鑒定和計數。計數公式為：

式中：N為 L水樣中浮游植物數量,cell/mL;A為計數框面積(mm2);Ac為計數面積(mm2);Vw為1L水樣濃縮后的樣品體積 (mL),V為計數框的體積(mL);n為計數后所得的浮游植物細胞數。

多樣性指數采用 Shannon-Weaver多樣性指數(H)：H=-∑(Ni/N)×log2(Ni/N);式中 N為個體數,Ni為第 i個個體數。

圖1 東江惠州河段采樣點示意圖Fig.1 The samplingmap of Huizhou reach ofDongjiang River

2 結果與討論

2.1 浮游植物種類組成變化

2006年全年 3次采樣共檢測到 117種浮游植物,其中綠藻 72種,硅藻 26種,藍藻 12種; 2007年全年共檢測到 112種浮游植物,其中綠藻70種,硅藻 20種,藍藻 12種;2008年全年共檢測到 108種浮游植物,其中綠藻 64種,硅藻 22種,藍藻 10種(表 1)。

表1 2006～2008年浮游植物的組成變化Tab.1 The variation of phytoplankton composition during 2006～2008

由表 1可知,3年期間,總物種數呈現下降趨勢。由于是河流型水庫,檢測到的綠藻種類相對較多。2006年中有 40個物種在 2007年中沒有被檢測到,有 49種在 2008年中沒有被檢測到。

表2 各采樣點 Shannon-Weaver多樣性指數Tab.2 The Shannon-Weaver diversity index at all sampling sites

2006～2008年采樣期間,各采樣點的 Shannon-Weaver多樣性指數值均較高,在 3～5之間(表 2)。一般來說,河流水體的生物多樣性較湖泊和水庫高;劍潭水利樞紐為新建河流型水庫,水力利滯留時間較短,水體的理化特征更接近于河流,因此,生物多樣性較高。從表 2中還可以看出,各采樣點多樣性指數的季節變化不明顯。水庫蓄水運行前,S5采樣點的多樣性指數值最低,可能是由于該點位于西枝江與東江的交匯處,污染較為嚴重;水庫蓄水運行后,S5采樣點的生物多樣性增大,這是由于水庫蓄水后,水量增加,對西枝江排放出的污染物的稀釋作用增加,導致污染物濃度的相對降低。

表3 各采樣點多樣性年際差異顯著性Tab.3 The interannual difference significance of diversity at all sampling sites

由表 2可知,3年采樣期間,多樣性指數值最高出現在 S3和 S4采樣點,分別為 4.81和 4.92。2006～2008年間,年際間變化無明顯規律,差異均不顯著 (表 3)。相對來說,S5采樣點差異較為顯著 (F=2.943;P=0.129),S2采樣點差異最不顯著 (F=0.026;P=0.974)。

2.2 浮游植物優勢種群和優勢種的變化

由圖 2～圖 7可見,在 4月份,各采樣點基本上都以綠藻為第一優勢類群,硅藻為第二優勢類群,藍藻為第三優勢類群。

從空間變化看,2007和 2008年,下游的 S5(水文站)和 S6(劍潭大壩)采樣點綠藻優勢度明顯高于上游的 4個采樣點;硅藻則相反,下游 2個采樣點明顯低于上游 4個采樣點;在蓄水運行后的 2008年,下游的 S6采樣點綠藻優勢度低于上游的 S2、S3和S5采樣點,與 S1采樣點差別不大,藍藻優勢度明顯高于上游 5個采樣點,并且成為第二優勢類群。

從年際變化看,S6采樣點,在 2008年,綠藻優勢度比前兩年有所降低,但藍藻優勢度明顯上升。在 8月份,多數情況下,各采樣點以綠藻為第一優勢類群,藍藻為第二優勢類群,硅藻為第三優勢類群,藍藻優勢度明顯高于同年的 4月和 12月。在 12月份,下游的 4個采樣點 3年均以綠藻為第一優勢類群,硅藻為第二優勢類群,藍藻為第三優勢類群;上游的 2個采樣點在 2006年以綠藻為第一優勢類群,硅藻為第二優勢類群,但在 2007和2008年,以硅藻為第一優勢類群,綠藻為第二優勢類群。

總體來看,藻類種群的變化主要由于綠藻、藍藻宜生存于靜水環境,硅藻宜生存于流水環境,另外值得注意的是,壩前區和支流回水區是庫區富營養化的敏感區域,在適宜的營養鹽和水溫條件下,容易發生藻類爆發。

2006年,全年優勢種為綠藻門美麗膠網藻(D ictyosphaerium pulchellum)、十字藻 (Crucigenia)、柵藻 (Scenedesm us);硅藻門的針桿藻(Synedra)、小環藻 (Cyclotella)、舟形藻 (Navicula);藍藻門的銀灰平裂藻 (M erism opedia glauca)。水庫蓄水運行后,2007年,優勢種變為綠藻門膠網藻 (D ictyosphaerium)、衣藻 (Chlam ydom onas)、柵藻 (Scenedesm us);硅藻門的小環藻 (Cyclotella)、針桿藻 (Synedra)、舟形藻 (Navicula);藍藻中的銀灰平裂藻 (M erism opedia glauca)在豐水期時為優勢種,枯水期則隱球藻 (Aphanocapsa spp.)為優勢種。S6采樣點的優勢種變化尤為明顯 (圖 8)。蓄水前,豐水期大壩處的優勢種為膠網藻 (D ictyosphaerium ehrenbergianu)、銀灰平裂藻(M erism opedia glauca)四尾柵藻 (Scenedesm us quadricauda),與枯水期的優勢種組成基本相似,季節變化不明顯,均是由藍藻和綠藻共同占據優勢。當水庫蓄水運行后,大壩處的優勢種發生明顯變化,尤其在豐水期,全部變為藍藻:隱球藻(Aphanocapsa spp.)、銀灰平裂藻 (M erism opedia glauca)和假魚腥藻 (Pseudoanabaena spp.),且 3種藻的豐度均達到 10%以上,其中隱球藻 (Aphanocapsa spp.)在全年占據優勢;綠藻則主要以衣藻 (Chlam ydom onas)、柵藻 (Scenedesm us),實球藻 (Pandorina)為主;硅藻的優勢度下降,主要以小環藻 (Cyclotella)為主。水庫蓄水前后浮游植物群落結構發生明顯變化,比較而言,藍藻的組成及豐度變化最大,綠藻次之,硅藻的優勢種組成幾乎無明顯變化。水庫蓄水運行后,季節性變化明顯,豐水期以藍藻為優勢,枯水期以藍藻綠藻共同占據優勢。

與之相比,S2采樣點(汝湖)的優勢種變化較不明顯 (圖 9),因為其位于水庫的上游,距離大壩的位置較遠,受大壩影響較弱。2006年 S2點的優勢種為雙射盤星藻 (Pediastrum biradiatum)、四尾柵藻(Scenedesm us quadricauda)和雙對柵藻 (Scenedesm us bijuga),而在大壩蓄水運行后的 2008年,優勢種變為四尾柵藻 (Scenedesm us quadricaud)、膠網藻 (D ictyosphaerium ehrenbergianum)和銀灰平裂藻 (M erism opedia glauca),由完全的綠藻占據優勢,變成以藍藻和綠藻共同占據優勢的格局。蓄水前后的季節變化并不明顯,只是在蓄水后,豐水期以銀灰平裂藻(M erism opedia glauca)為藍藻優勢種,而在枯水期則變為隱球藻 (Aphanocapsaspp.)。

與本研究結果相似,Guadiana河Alqueva大壩的蓄水運行,使藍藻中顫藻的生物量顯著增加;飛來峽水庫在蓄水運行后,藍藻中的假魚腥藻占據優勢,Straskraba等[9,10]分析了世界各地的水庫發現,年平均滯留時間對水庫的水動力學、化學與生物過程有直接的相關性[2]。比較 S2和 S6點處優勢種的變化,可以看出,S6采樣點的變化幅度大于 S2處,這是由于 S2采樣點到大壩間的距離遠大于 S6采樣點,導致 S2采樣點的水文水動力學相對于 S6采樣點處變化較小,因此,藻類優勢種組成上變化較S6采樣點處不明顯。

2.3 浮游植物豐度與葉綠素 a

3年調查期間,浮游植物豐度變幅為 182～6267 cells/mL,最高豐度出現在 2006年 4月的 S5 (水文站)采樣點,最小豐度出現在 2006年 4月的S4(譚屋)采樣點 (圖 10)。水庫蓄水運行后,S6采樣點處的生物量顯著增加,2006年 4月份浮游植物總生物量僅為 902 cells/mL,而在 2008年 12月份達到 2110 cells/mL。相反,S5采樣點處的浮游植物豐度卻呈現下降趨勢,2006年 4月份浮游植物豐度為 6267 cells/mL,2008年 12月份豐度僅為581 cells/mL。2006年 S5采樣點的豐度是顯著高于 S6采樣點,然而水庫蓄水運行后,趨勢正好相反,S6采樣點處的豐度明顯高于 S5采樣點。從空間變化看,2008年 12月,浮游植物豐度最高值出現在 S6采樣點,且浮游植物豐度由上游向下游基本呈上升趨勢;在 2008年 4月和 12月,浮游植物豐度最高值均出現在 S5采樣點,S6采樣點浮游植物豐度也較高,明顯高于上游其它幾個采樣點。

在調查期間,葉綠素 a濃度變幅為 1.3～22.1 mg/m3,最高濃度出現在 2008年 12月的 S6(劍潭大壩)采樣點,最小濃度出現在 2008年 4月的 S3(汝湖)采樣點 (圖 11、12和 13)。從年際變化看,3年采樣期間,S6采樣點處,平水期和豐水期葉綠素 a濃度差異不顯著,但是,在枯水期葉綠素 a濃度逐年上升,尤其在 2008年,葉綠素 a濃度顯著增加。

浮游植物的群落變化很大程度上受營養鹽濃度控制,水庫浮游植物生物量明顯隨水體富營養化程度而增加[11]。藻類的生長通常由一或幾種營養鹽所限制,世界范圍內的水庫或湖泊,通常 P是最主要的限制性營養鹽。因此,在本研究中,最高生物量出現在 S5采樣點,是由于該采樣點處于西枝江與東江的交匯處,營養鹽濃度較高。2007～2008年,下游采樣點浮游植物的生物量出現下降趨勢,這是由于水庫蓄水運行后,水力滯留時間延長,水流速度減緩,造成水體中營養鹽沉降速率增加,從而導致上層水體中營養鹽濃度減少。從空間尺度上看,水庫蓄水運行后,S1到 S6采樣點的變化梯度明顯,形成一個從河流入水口到大壩處的縱向梯度。

總體上來講,各采樣點葉綠素 a濃度與營養鹽水平并不相符,呈現出高營養鹽,低葉綠素的特征。相對來講,S5和 S6 2個采樣點的水流平流損失率和光限制程度低于上游的 4個采樣點,導致了S5和 S6 2個采樣點的葉綠素 a與營養鹽的相關系數較其他 4個采樣點高,葉綠素 a與NH3-N和 TN的相關系數增加顯著。在這 2個采樣點,浮游植物生長受氮的影響程度明顯高于磷。而位于上游的 4個采樣點 (S1、S2、S3和 S4),由于平流損失率相對較高,光限制也更為嚴重,因此,這 4個采樣點浮游植物的生物量與營養鹽的相關性相對較小。相對來說,上游 4個采樣點,尤其是 S1和 S2采樣點,浮游植物生長受磷的影響程度明顯高于氮。

3 結論與建議

3.1 結論

(1)劍潭大壩下閘蓄水后,浮游植物的數量和結構發生了一定的變化。3年期間,總物種數呈現下降趨勢;藍藻種類略微增多。各采樣點多樣性指數的季節變化不明顯。水庫蓄水運行前,S5采樣點的多樣性指數值最低,水庫蓄水運行后,S5采樣點的生物多樣性增大。可能是由于蓄水使污染物濃度得到稀釋的緣故。

(2)水庫蓄水前后,S6采樣點大壩浮游植物群落結構發生明顯變化,藍藻的組成及豐度變化最大,綠藻次之,硅藻的優勢種組成無明顯變化。水庫蓄水運行后,季節性變化明顯,豐水期以藍藻為優勢,枯水期以藍藻綠藻共同占據優勢。與之相比,S2采樣點距離大壩的位置較遠,受大壩影響較弱,優勢種變化較不明顯。

(3)在劍潭大壩正常運行 1年后,劍潭大壩處葉綠素 a顯著增加,浮游植物現存量出現一個峰值。浮游植物群落結構也發生了明顯變化。蓄水前,劍潭大壩采樣點豐水期以綠藻占據優勢,枯水期以綠藻和硅藻共同占據優勢;水庫蓄水運行后,豐水期綠藻優勢度減弱,藍藻豐度增加,隱球藻取代膠網藻成為優勢種,枯水期硅藻優勢度下降,藍綠藻共同占據優勢。由此說明,偏高的營養鹽含量為浮游植物的生長創造了有利條件,然而劍潭大壩水力樞紐的水力滯留時間較短,藍藻形成水華的風險性并不大。

3.2 建議

(1)需盡可能減少污染物向水庫的輸入,在此基礎上,對水庫進行生態管理,以達到改善水質的目的。

(2)保持流域各種自然景觀,尤其是河流兩岸的濕地;提高河流兩岸及水庫庫區周圍地區森林覆蓋率。

(3)加強農業管理,減少水土流失及農藥殺蟲劑的施放,改善肥料的使用方法,提高肥料被農作物的吸收率,以減少肥料的投放量。

(4)提高生活污水中磷的去除率;改善生產工藝,減少污染物的排放。

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