烏東德水電站施工期浮游植物群落特征變化及影響因子分析

王 寧，王英偉，包洪福，丁少波

(1.東北林業大學林學院，黑龍江 哈爾濱 150040；2.生態環境部環境工程評估中心，北京 100012)

0 引 言

烏東德水電站地處東經101°14′～103°3′、北緯25°20′～27°12′范圍內，位于云南省昆明市祿勸縣和四川省涼山州會東縣界河的金沙江干流上，是金沙江下游河段規劃建設的4個水電梯級的第一個梯級，正常蓄水位975 m，相應水庫回水長度202.1 km，水庫面積127.1 km2，總庫容74.08億m3，具有季調節性能[1]。烏東德水電站的開發任務以發電為主，兼顧防洪及航運，并促進地方經濟社會發展，具有巨大的水資源配置綜合效益[2]。水電站建成后，庫區水域面積增大，庫區各典型斷面水位變化總體呈自上游往下水位增幅逐漸變大，壩址處水位抬高最為明顯，庫尾水位變化相對較小。水流減緩、水體中污染物滯留時間延長，水文、水環境發生了極大變化，隨之也帶來了一些諸如水體富營養化、藻類水華等負面的生態環境問題[3- 6]，但有關水電站施工前后浮游植物群落結構特征變化的報道仍不多見。

為保護和修復烏東德水電站金沙江下游的生態環境，本課題組于2018年9月和2019年6月對烏東德水電站施工期的金沙江下游浮游植物進行了調查，并對其種類組成、現存量、生物多樣性等參數進行分析，結合施工期(2015年～2017年)的浮游植物(年平均值)現狀數據，并與施工前(2010年～2014年)的浮游植物(年平均值)進行對比分析，研究浮游植物的演變趨勢，可為其他同類型水電站建設提供參考，也可為水庫生態調度及河流生態保護提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 監測斷面設置

從烏東德水電站施工期調查水域水流以及工程建設布置等方面考慮，監測斷面從攀枝花至宜賓縣布置，共設置7個監測斷面，見圖1。

圖1 金沙江下游浮游植物監測斷面設置

1.2 浮游植物采集與檢測

(1)定性采集使用25號浮游生物網，網口在水面下0.5 m處作“∞”形運動，大約1 min，并立即加入魯哥試劑固定液固定。浮游植物種類鑒別參考《中國淡水藻類——系統、分類及生態》；定量樣品的數量統計及指標計算參考《淡水浮游生物研究方法》。

(2)定量采集使用1 L有機玻璃采水器在水下50 cm 處采集浮游植物并裝入聚乙烯瓶中，立即加入15 mL魯哥試劑混勻，帶回試驗室靜置沉淀24 h后，將溶液濃縮并定容至50 mL以備鏡檢。檢測時充分搖勻后使用移液槍吸取0.1 mL樣品注入計數框(0.1 mL)內，在10×40倍顯微鏡下隨機抽取100個視野進行計數(對量小且個體大的種類在10×10倍下全片計數)。每個樣品設2個平行樣，若2片計數結果相差15%以上，則進行第3片計數，最終結果取相近個數的平均值，再換算為每升水體中浮游植物的密度[8]。

1.3 分析方法

試驗數據采用SPSS22.0軟件進行Pearson相關性分析，得到浮游植物與環境因子間的關系。利用Canoco5.0軟件對浮游植物數據進行降趨勢對應分析(Decentred Correspondence Analysis，DCA)，根據分析結果的排序軸長度，判斷后續浮游植物群落結構與環境因子的分析方法。由于本研究中排序軸的梯度長度為1.1<3.0，因而對浮游植物與環境因子進行冗余分析(Redundancy Analysis，RDA)，進而判別影響浮游植物群落的主要環境因子。其他圖利用Oringin9.6制作，表利用Excel制作。

1.4 數據處理

每升水中的浮游植物的數量可用下式計算

(1)

式中，N為1 L水中浮游植物的數量；CS為計數框的面積；FS為視野面積；Fn為每片計數過的視野數；Pn為計數所得個數；v為計數框的容積；V為1升水樣經濃縮后的體積。生物計數后，利用香農-威納(Shannon-Wiener)指數H′表征生物多樣性，即

(2)

式中，S為種數；Ni為第i種個體數；N為總體個數。

2 結果分析

2.1 種類組成

金沙江下游水生生態調查浮游植物各類群百分比見圖2。從圖2可知：

圖2 金沙江下游水生生態調查浮游植物各類群百分比

(1)通過2018年9月及2019年6月2次采樣調查，共檢出浮游植物115種，其中硅藻門69種，占總物種數的60%；綠藻門28種，占總物種數的24.35%；藍藻門12種，占總物種數的10.43%；甲藻門3種，占總種數的2.61%；隱藻門2種，占總種數的1.74%；金藻門1種，占總種數的0.87%。其中，綠藻、硅藻、藍藻較為常見。

(2)2018年9月采集到的浮游植物樣品鑒定出浮游植物92種。其中硅藻門的種類最多，有56種(占總數的60.87%)；其次為綠藻門，有21種(占總數的22.83%)；另外，藍藻門9種，甲藻門3種，隱藻門2種，金藻門1種。

(3)2019年6月的監測中共在樣品中鑒定出浮游植物66種。其中硅藻門的種類最多，有41種(占總數的62.12%)；其次為綠藻門，有14種(占總數的21.21%)；另外，藍藻門8種，隱藻2種，甲藻門為1種。

查閱《金沙江下游流域水生生態監測年度報告》和《金沙江烏東德水電站環境影響報告書》(調查時間為全年，數據為年平均值)，調查到工程施工前浮游植物平均值(2010年～2014年)，涉及區域內共有浮游植物7門63屬148種，種類變化范圍為39～148種。其中，以硅藻門的種類為最多，占總種數的71.63%；綠藻門次之，占總種數的15.90%；藍藻門占總種數的9.05%；其他種類的數目均較少；施工期(2015年～2017年)浮游植物種類變化范圍為61～109種。其中，硅藻門種類最多，占總種數的40.84%，其次是綠藻門，占總種數的32.82%；藍藻門占11.83%。

2.2 現存量

水生生態現狀調查水域各監測斷面浮游植物監測結果見表2。從表2可知，浮游植物密度和生物量隨時間變化，2018年9月浮游植物密度平均值為1.348×106cells/L，浮游植物生物量平均值為0.168 1 mg/L。2019年6月浮游植物平均密度為0.317 1×106cells/L，浮游植物生物量平均值為0.137 3 mg/L。對比之下，浮游植物密度、生物量秋季大于春季。通過對同一斷面春秋兩季的浮游植物密度進行對比得出，最大值出現在普渡河河口區(8.175 5×106cells/L)，最小值出現在小江河口區(0.007 5×106cells/L)；通過對同一斷面春秋兩季的浮游植物生物量進行對比，最大值同樣出現在普渡河河口區(0.340 3 mg/L)，最小值出現在小江河口區(0.001 mg/L)。除普渡河河口區外，其他斷面浮游植物密度和生物量春秋兩季變化不大。

表2 金沙江下游水生生態現狀調查各斷面浮游植物現存量

浮游植物密度和生物量隨空間變化，浮游植物密度從雅礱江河口區到烏東德壩前有逐漸增多的趨勢，烏東德壩前浮游植物密度小于壩后，生物量烏東德壩前高于壩后；浮游植物密度最大值出現在普渡河河口區(8.175 5×106cells/L)，最小值出現在小江河口區(0.007 5 mg/L)。烏東德水電站附近斷面，壩前、壩后和普渡河河口區，浮游植物密度和生物量都高于其他斷面。

2018年9月水生生態現狀調查監測中，浮游植物密度和生物量的平均值分別為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區，分別為8.175 5×106cells/L、0.3403 mg/L。2019年6月在水生生態現狀調查監測中，浮游植物密度和生物量的平均值分別為0.317 1×106cells/L和0.137 3 mg/L，其中浮游植物密度最高的是烏東德壩后(1.072 0×106cells/L)，其次為烏東德壩前(0.528 4×106cells/L)；生物量最高的是普渡河河口區(0.300 0 mg/L)，其次為烏東德壩前(0.275 3 mg/L)。

查閱《金沙江下游流域水生生態監測年度報告》得到，工程施工前(2010年～2014年)浮游植物年平均值密度變化范圍為0.005 6×106～0.510 0×106cells/L，生物量變化范為0.020 9～0.545 7 mg/L；施工期(2015年～2017年)浮游植物密度變化范圍為0.760 0×106～1.335 1×106cells/L，生物量變化范圍為0.023 0～0.256 3 mg/L。

2.3 生物多樣性

基于式(2)進行的水生生態現狀調查結果見表3。從表3可知：

表3 各斷面浮游植物香農-威納指數H′

(1)浮游植物生物多樣性隨時間變化。2018年9月浮游植物香農-威納指數H′平均值為1.453 4，2019年6月為1.298 1。對比之下，浮游植物生物多樣性秋季大于春季，但春秋兩季變化不大。其中，浮游植物香農-威納指數H′最大值出現在2018年9月的雅礱江河口區，為2.346 3，最小值出現在2018年9月和2019年6月的小江河口區，為0。

(2)浮游植物生物多樣性隨空間變化。浮游植物生物多樣性上游監測斷面生物多樣性高于下游斷面。其中，香農-威納指數H′最大值出現在雅礱江河口區，為2.346 3，最小值出現在小江河口區，為0。烏東德壩前和烏東德壩后監測斷面生物多樣性高于其他斷面。

(3)水生生態現狀。2018年9月調查中各斷面的浮游植物群落的香農-威納指數H′平均值為1.457 4，雅礱江河口區的H′最高，為2.346 4；其次為烏東德壩前，為2.334 1；除了小江河口區外，其他斷面H′平均值均在1以上。2019年6月調查各斷面浮游植物香農-威納指數H′平均值為1.251 4，最大值出現在烏東德壩前，為2.224 5，其次為烏東德壩后斷面，為1.969 1。黑水河河口區H′平均值均在1以下，小江河口為0。查閱《金沙江烏東德水電站環境影響報告書》得到，工程建設前(2010年～2014年)浮游植物香農-威納指數H′年平均值為0.502 9。

2.4 浮游植物與環境因子之間的相關性

表4 2018年9月金沙江下游環境因子Pearson相關性系數

金沙江下游2019年6月Person相關性分析結果見表5。從表5可知，水體酸堿度(pH)與浮游植物的密度變化及種類組成也有密切的關系，pH與浮游植物密度呈顯著負相關(P<0.05)，浮游植物生物量與SD呈顯著正相關(P<0.05)。

表5 2019年6月金沙江下游環境因子Pearson相關性系數

2.5 浮游植物群落結構與環境因子的線性模型分析

在進行浮游植物群落結構和環境因子相關性分析前，需判斷采用的模型屬于線形模型還是單峰模型。首先對浮游植物數據建立數據矩陣，并進行數據的標準化處理(log函數轉換)；其次將種類數據矩陣進行去趨勢對應(DCA)分析，根據DCA排序的長度梯度(Length sofgradient)結果判定選用的排序模型[9]。DCA分析統計信息見表6。根據DCA排序結果顯示，長度梯度最大值為1.1<3，因此采用線性模型(RDA)分析可以較好地解釋物種數據與環境變量之間的關系。

表6 浮游植物群落結構DCA分析

金沙江下游浮游植物群落結構與環境變量間RDA統計分析結果見表7。從表7可知，在RDA排序軸中，軸1的特征值為0.495 8，種類-環境相關系數為0.790 5；軸2特征值為0.162 3，種類-環境相關系數為0.931 9。前2個軸共解釋了97.77%的種類-環境相關性百分比，說明排序結果可靠，排序軸能較好地反應金沙江下游浮游植物群落結構與環境變量間的生態關系。

表7 浮游植物群落結構與環境變量間RDA統計分析結果

圖3 浮游植物組成和環境指標的RDA分析

3 討 論

3.1 浮游植物種類組成的時空分布規律

通過對烏東德水電站浮游植物施工前后種數進行對比分析發現，各年度間浮游植物組成結構無明顯差異，均以硅藻門、藍藻門和綠藻門為主，本次調查與天然浮游植物以硅藻門為主的理論相符合[10]，但硅藻門隨時間比例下降，藍藻門隨時間比例上升。施工前硅藻門占總種數的71.63%，藍藻門占總種數的9.05%；施工前硅藻門占總種數的48.6%，藍藻門占總種數的25%。其主要原因是庫區的水流速度明顯降低，導致顆粒物的沉降速率增加，減弱了上下游之間的物質交換，以硅藻為代表的被動擴散單細胞藻類很容易受沉降的影響[11]。浮游植物種類數量呈下降趨勢。其主要原因可能是施工期產生的生產廢水和生活污水造成水體透明度降低，抑制了浮游植物的生長[12]。金沙江下游浮游植物種數年際變化見圖4。

圖4 金沙江下游浮游植物種數年際變化

2018年9月及2019年6月采樣調查共檢出污染物指示物種3門13種。其中，壩址上游的斷面烏東德壩前和壩址下游的烏東德壩后出現污染物指示物種頻率高于其他斷面，烏東德壩后斷面檢測出普通等片藻線形變種(Diatomavulgarevar.lineare)和肘狀針桿藻(Synedraulna)等污染物指示物種，烏東德壩前斷面檢測出厚壁細鞘絲藻(Le-ptolyngbyalaminosa)、普通等片藻(Diatomavu-lagare)、肘狀針桿藻(Synedraulna)等污染物指示物種。其主要原因可能是施工開挖、填筑圍堰、沖洗骨料、灌漿等產生的生產廢水以及施工人員日常生活產生的生活污水對水環境造成的污染[13]。水污染在壩址附近斷面表現更加明顯，因此壩址附近斷面更容易出現污染物指示物種，與調查結果相一致。

3.2 浮游植物密度和生物量的時空分布規律

調查顯示，浮游植物密度和生物量水平總體較低，藍藻門、綠藻門和硅藻門占主要地位。2019年6月調查中，對浮游植物密度和生物量貢獻最大的均為硅藻門；2018年9月調查中，密度貢獻最大的是藍藻門，生物量貢獻最大的是硅藻門。各斷面間浮游植物密度和生物量差異都較大，普渡河河口區的浮游植物密度和生物量水平相對較高，其次為烏東德壩后，其他斷面的浮游植物密度和生物量都處于較低水平。密度和生物量較高水平的斷面都在壩址附近，其主要原因是修壩產生外來營養物質，促進浮游植物密度和生物量增長。浮游植物密度、生物量年際變化見圖5。

圖5 金沙江下游浮游植物密度、生物量年際變化

通過對施工前后浮游植物生物量進行對比分析，浮游植物密度從整體上看呈上升趨勢，施工前平均密度為0.185×106cells/L，施工期平均密度為0.993×106cells/L。其主要原因是水電站建成前水流湍急，河網密布，修建大壩使水體流速變慢，形成一定庫容，流速陡減，透明度增加，有利于浮游植物光合作用，水體含氧量增加，有利于植物生長繁殖，因此浮游植物密度整體呈上升趨勢[14]。

通過對施工前后浮游植物生物量進行對比分析，浮游植物生物量從整體上看呈下降趨勢，施工前生物量年平均值為0.216 mg/L，施工期生物量年平均值為0.154 mg/L。其主要原因是浮游植物群落結構發生了改變，施工前硅藻門占總種數的71.63%，藍藻門占總種數的9.05%；施工期硅藻門占總種數的48.6%，藍藻門占總種數的25%。藍藻門在群體中占的比例增大，硅藻門減少，藍藻門普遍生物量較小，而硅藻門生物量較大。由于施工造成浮游植物中藍藻門所占比例增加，硅藻門所占比例相對減少，所以最后呈現為生物量減少的現象[15]。

3.3 浮游植物生物多樣性變化規律

水生生態現狀調查結果顯示，香農-威納指數最大值出現在烏東德壩前，為2.2793，其次為雅礱江河口區，為2.1184。其主要原因是生物群落在不穩定的環境條件下不容易形成單一優勢種群，此時的生物多樣性一般比較高[16]。其中，烏東德壩前、雅礱江河口區屬于河流匯合處，生物群落不穩定，因此生物多樣性高。

施工前后對比分析發現，調查期間浮游植物生物多樣性大于施工前，生物多樣性呈上升趨勢。施工前浮游植物香農-威納指數年平均值為0.502 9。施工后為1.375 8。其主要原因是斷面原有生物多樣性就很低，修建大壩使水體流速變慢，形成一定庫容，水體營養物質滯流時間延長，因此生物多樣性呈增長趨勢[17]。

3.4 環境因子與不同浮游植物的相關性關系

2019年6月浮游植物密度與pH呈顯著負相關(P<0.05)。浮游植物與水體的pH值具有密切關系，弱堿性水體有利于藻類吸收大氣中的CO2，促進光合作用[24]；隨著水體堿性增強，不利于藻類吸收大氣中的CO2，從而使浮游植物密度下降[25]。浮游植物生物量與SD呈顯著正相關(P<0.05)。良好的透明度能促進水體對光照的吸收，使水溫升高，有利于浮游植物獲取營養鹽的生理活動，因而在一定范圍內SD上升，有利于浮游植物生物量上升[26]。

4 結 語

本文基于2018年9月和2019年6月對金沙江下游浮游植物現狀調查結果，結合施工期的浮游植物數據，并與施工前的浮游植物數據進行對比分析，對烏東德水電站施工期浮游植物群落特征進行研究，得出以下結論：

(1)2018年9月和2019年6月2次采樣調查，共檢出浮游植物115種。其中，硅藻門69種，占總物種數的60%；綠藻門28種，占總物種數24.35%；藍藻門12種，占總物種數10.43%，優勢門為硅藻門。浮游植物密度變化范圍為0.007 5×106～8.175 5×106cells/L，平均密度為0.832 6×106cells/L；浮游植物生物量變化范圍為0.001～0.340 3 mg/L，平均生物量為0.152 7 mg/L。浮游植物香農-威納指數H′變化范圍為1.298 1～1.453 4，平均值為1.375 8。

(3)烏東德庫區浮游植物受施工影響變化不明顯，施工前后浮游植物種類數均以硅藻門、綠藻門和藍藻門為主，種類數目上有一定下降，綠藻門和藍藻門比例有所增加。

鑒于生態環境影響的長期性、時滯性等特點，建議持續開展水生生態監測工作，尤其是在水生生物劇烈變化的庫區蓄水初期，應強化蓄水初期水生生態專項監測，后期跟進監測結果完善水生生態保護科研工作，為烏東德水電站后續運行及管理提供決策支持。