浮游植物群落对海南小水电建设的响应

2013-08-02林彰文顾继光

生态学报 2013年4期

林彰文，林生，*，顾继光，胡超

(1.海南省环境科学研究院，海口 570206;2.暨南大学水生生物研究中心，广州 510632)

小水电建设在带来经济和社会效益的同时，也带来了生态与环境问题。由于建设的小水电对河流的阻断，干预了自然河流水流状况，水文、泥沙环境等因子，带来流域的水土流失及环境污染等问题，同时改变了河流、河口以及近海的生物地化循环，打乱了有机碳的流动，改变了营养盐的平衡，使水体溶解氧和水温发生变化［1-4］。目前，虽然了解小水电建设对生态环境会产生影响，但对其具体影响进行评价难于开展，相关研究也较少，主要是由于小水电建设的生态环境影响包括对河流阻断、对周边植被的破坏、以及开发带来的人类干扰等相互交织，难以量化评价，而且大多数小水电建设河流地处偏远，历史数据缺乏，对其影响评价难以开展。在小水电建设生态环境影响评价研究中，浮游植物的研究是经常被忽视的一环，因为与整个流域生态系统中的珍稀动植物比较，其资源价值较低。但如果作为生态环境变化的“指示生物”，其重要性不容忽视。浮游植物对环境变化极为敏感，其群落的种类数量、优势种群、污染指示种等指标在不同水环境中变化很大［5-6］。浮游植物是淡水生态系统中重要的初级生产者，浮游植物群落能对环境条件的变化做出复杂而快速的响应，其群落的变化可以被看成是对水质变化的一个很好的指示［7-8］。同时，作为水域生态系统的生产者，其群落结构的变化还会引起系统中食物网结构的改变，并影响淡水生态系统的能量流动、物质循环和信息传递［9-10］。因而浮游植物得以广泛用于湖泊、水库水环境质量评价［11］。目前，小水电建设对浮游植物群落结构影响的研究及成果均不多。本研究尝试通过对海南省多个已建、未建小水电河段浮游植物群落分析，比较已建、未建两类小水电河段的浮游植物组成结构的普遍差异，以弥补小河流历史数据缺陷，进而探讨小水电建设对对浮游植物群落结构的影响。

1 采样点设置与研究方法

1.1 采样点设置

于2008年7月8日—28日在海南省7条重点河流万泉河、南渡江、昌化江、望楼河、藤桥河、珠碧江、文澜江进行浮游植物样品采集，采样点分别设置在已建电站的蓄水水域、已建电站间河道、未建小水电河道。并在小水电分布较为集中的昌化江流域某一支流，对其依次分布的梯级水电密集采样。各采样点分布见图1，各代表点的代码见表1。

图1 小水电浮游生物调查采样点设置Fig.1 Sampling sites of phytoplankton in small rivers where SHS had been or will be built

表1 小水电浮游生物调查采样点代码Table 1 The code of Sampling sites of phytoplankton in small rivers

1.2 浮游植物的采集、保存与鉴定

定性样品采用孔径为64 μm的浮游植物网在采点位附近不同方向进行拖网，取过滤浓缩的样本，用浓度为5%的福尔马林固定;浮游植物定量计数样品则用5 L采水器取水面以下0.5—1.5 m水样20 L混合，取其中1 L用15 mL鲁哥氏液固定，样品带回实验室后，经静置沉淀24 h后浓缩。处理后的样品均在Olympus BX41生物显微镜100及400倍下进行浮游植物种类鉴定和计数，浮游植物种类鉴定主要依据胡鸿钧、韩茂森

式中，s为种数;ni为i种的个体数;N为总个体数。

2 结果与分析

2.1 浮游植物种类

本次调查鉴定出的浮游植物种类178种，隶属于7门62属，其中绿藻门最多，达到96种，硅藻47种次之，其次为蓝藻21种，其它各门藻类的种类数则较少，裸藻7种，甲藻3种，隐藻及金藻各2种。绿藻中绿球藻目(Chlorococcales)的种类数最多，多达74种，占绿藻种类数的77%，其中以栅藻属(Scenedesmus)、盘星藻属(Pediastrum)、十字藻属(Crucigenia)及四角藻属(Tetraedron)的种类最多，也是部分河流的优势种。硅藻中羽纹纲藻类的种类及数量占据了较大比例，其中以管壳缝目的菱形藻(Nitzschia)、单壳缝目的异极藻(Gomphonema)、双壳缝目的舟形藻(Navicula)的种类最多。

在本次调查中，较多的已建及规划的水电均鉴定到鼓藻(Desmids)，其中雅加二级水电站、七差与雅加三级站之间河段、七差水电站、朝阳水电站、红岭水电站、三星水电站均发现多种鼓藻，其种类有六角角星鼓藻(Staurastrum sexangulare)、具齿角星鼓藻(Staurastrum indentaium W.et G S)、圆丝鼓藻(Hyalotheca sp.)、近缘角星鼓藻(Staurastrum connatum)、项圈鼓藻(Cosmarium moniliforme)等近10种。鼓藻类是绿藻门、双星藻纲中的一大类群，主要生活在清洁的水体中，对水体的pH值、电导和营养条件变化敏感，是水环境的重要指示植物［14］。鼓藻在本次调查的大部分河道中出现，一定程度上反映了调查区域水体水质总体良好。等相关著作［12-13］，计数采用0.1 mL计数框。根据取样体积、浓缩倍数、显微计数结果等分别计算采样点各类型浮游植物绝对丰度及相对丰度。进而以Shannon-Wiener指数对各采样点生物多样性进行评价。Shannon-Wiener指数H'计算公式如下:

浮游植物种类数结果表明(图2)，南渡江光岭和望楼河三星采样点的浮游植物种数最多，分别为70种和72种;昌化江七差和万泉河红岭浮游植物种类数最低，分别为28种和23种。为比较已建及规划小水电浮游植物种数分布特点，分别计算规划及已建小水电各采样点中浮游植物种数的平均数及标准差。已建小水电类型浮游植物平均种类数为41种，其标准差为13.95，规划小水电类型浮游植物平均种类数为40种，其标准差为15.60。可见，规划及已建小水电河道分布的浮游植物种类数差别不大，但已建小水电类型不同样点间浮游植物种类数的差异性较规划小水电类型小。

图2 各采样点浮游植物种数Fig.2 Species number of phytoplankton at all sites

2.2 浮游植物各采样点优势种

从表2可以看出，曲壳藻(Achnanthaceae)、异极藻(Gomphonema)、菱形藻(Nitzschia)、颗粒直链藻(Melosira granulat)、席藻 (Phormidium)、颤藻(Oscillatoria)、小球藻 (Chlorella vulgaris)、平裂藻(Merismopedia)、舟形藻(Navicula)为主要的优势藻类，单突盘星藻(Pediastrum simplex var.clathratum)、泽丝藻(Limnothrix sp.)、华美双菱藻(Surirella robusta var.splendida)、脆杆藻(Fragilaria sp.)、色球藻、粘球藻(Gloeocapsa sp.)、假鱼腥藻(Pseudanabaena sp.)、蓝纤维藻(Dactylococcopsis acicularis)等为次优势藻。优势种的空间分布差异较大，其中10个采样点的浮游植物主要优势种属于硅藻门，占总采样点的62.5%，5个采样点主要优势种属于蓝藻门，占31.3%，绿藻为主要优势种的采样点有1个。

表2 各采样点浮游植物优势种Table 2 Dominant species of phytoplankton at all sites

已建及规划的小水电类型间浮游植物优势种也存在明显差异。已建小水电水样中，有6个点位的浮游植物优势种为硅藻门的菱形藻、曲壳藻，其余2个点位优势种分别为蓝藻门的平裂藻、绿藻门的小球藻。规划小水电水样中，5个点位的浮游植物优势种为蓝藻门的颤藻，其余点位优势种既包含硅藻门的颗粒直链藻、菱形藻，还包括部分蓝藻类型如小球藻等类型。

雅加一级站、雅加二级站、雅加三级站、七差电站为依次分布于昌化江支流上的梯级电站，这4座已建小水电河道中浮游植物优势种存在明显的相似性，曲壳藻、异极藻、菱形藻均为四座电站蓄水库内的优势藻属。

2.3 浮游植物丰度及组成

调查站位中，浮游植物丰度最高为美梅水电站163.6×104个/L，最低为雅加一级水电站5.1×104个/L(图3)。已建及规划的小水电类型间浮游植物丰度存在明显差异。已建小水电水样中，浮游植物丰度分布范围5.1—163.6×104个/L，平均丰度为55.5×104个/L，其标准差为49.5。规划小水电水样中，浮游植物丰度分布范围15.6—27.9×104个/L，平均丰度为23.4×104个/L，其标准差为4.6。可见，已建小水电河道浮游植物丰度总体高于规划小水电，且其各样点间丰度分布差异度明显大于规划类型。

从浮游植物组成来看(图4)，各样点均主要由硅藻、绿藻和蓝藻组成，但已建及规划的小水电类型间浮游植物组成特征存在明显差异。与已建小水电比较，规划小水电河道种属多样性分布更加均衡，如金江(蓝藻25.7%，绿藻36.9%，硅藻36.1%)、木棉渡槽(蓝藻41.8%，绿藻 33.2%，硅藻 23.1%)、三星(蓝藻29.1%，绿藻25.2%，硅藻38.8%)等河段中主要藻类硅藻、绿藻、蓝藻组成都相对均衡，而已建设水电站雅加一级站、雅加二级站、雅加三级站、七差电站等均以某一种藻如硅藻(少数为绿藻)占优势，如雅加一级硅藻丰度91.3%，雅加二级硅藻丰度65.9%，光岭水电站绿藻丰度56.5%。

同一河流不同梯级水电站，其浮游植物丰度虽差异较大，但浮游植物组成结构相似性较高。如梯级电站雅加一级站、雅加二级站、雅加三级站、七差电站，其浮游植物组成均为硅藻、绿藻、蓝藻，对此梯级水电浮游植物组成进行相关性分析，其小水电间浮游植物组成相关系数均超0.9，且均呈极显著相关(P＜0.01)，可见本次调查的梯级水库浮游植物组成相似度较高(表3，图4)。

图3 各采样点浮游植物丰度Fig．3 Abundance of phytoplankton at all sites

表3 梯级水电间浮游植物群落结构相关性Table 3 Correlation of phytoplankton composition among cascade SHS

2.4 浮游植物多样性

根据浮游植物多样性指数(图5)，本次各采样点浮游植物Shannon-Wiener多样性指数分布于在2.73—4.53，Shannon-Wiener多样性指数均较高。一般来说，在利用多样性指数评价水体营养状态时，浮游植物的H'值越高，其群落结构越复杂，稳定性越大，水质越好。当水体受到干扰时，敏感性种类消失，H'值减小，群落结构趋于简单，稳定性变差，水质下降。H'值在0—1之间表示重度污染;H'在1—3表示中度污染，其中在1—2为α中污染，在2—3为β中污染;H'值在大于3为轻度污染或无污染［15］。各采样点中少数采样点为β中污染，其他均为未污染或轻度污染。结果表明调查区域水体水质总体良好。

比较已建及规划小水电样品浮游植物多样性，已建小水电浮游植物多样性指数的均值为3.67，规划小水电浮游植物多样性指数的均值为3.98，规划小水电浮游植物多样性略高于已建小水电。

3 讨论

3.1 小水电建设对浮游植物种类组成的影响

根据本次调查，已建及规划的小水电类型间浮游植物优势种及组成均存在明显差异。在优势种上，已建小水电水样中，有6个点位的浮游植物优势种为硅藻门的菱形藻、曲壳藻，其余2个点位优势种分别为蓝藻门的平裂藻、绿藻门的小球藻。规划小水电中，5个样点中浮游植物优势种为蓝藻门的颤藻，其余点位优势种既包含硅藻门的颗粒直链藻、菱形藻，还包括部分蓝藻类型如小球藻等类型。在浮游植物组成上，规划小水电河道种属类别分布更加均衡，如金江、木棉渡槽、三星河段中主要藻类硅藻、绿藻、蓝藻所占比例相对均衡，而已建设水电站雅加一级站、雅加二级站、雅加三级站、七差电站等均以某一类藻占主导优势种。

图4 浮游植物组成百分数Fig.4 Composition percent of phytoplankton at all sites

浮游植物对环境变化十分敏感，影响的因素较多，包括温度、营养盐、pH值、微量元素、上游藻类种属来源、水动力学等众多因素［16-19］。处于已建、未建小水电两种不同河段的水域中，水动力学对水生生物类型影响较大［20-21］，浮游植物最重要的特点是能在水中保持悬浮状态，具有多种多样适应浮游生活的结构和能力，当流速改变后(既包括流速大小也包括流速变化频率)，直接影响浮游植物群落结构及优势种类型［22-23］。本次调查规划小水电的优势种颤藻是常见的蓝藻，主要存在于湿地或浅水中，在夏季稳态的环境条件下容易成为优势种［24］;而已建小水电优势种曲壳藻、异极藻、菱形藻均属硅藻门，形体较大、具有与运动功能相关的壳缝［25-26］，适于动态水体，在稳定水体难以成为优势种。本次调查中已建及规划的小水电类型浮游植物优势种及组成的差异可能与小水电建设后水动力学特征的改变有关，海南的小河流大多水流量较小，深度较浅，小水电未建前，河流水动力学相对稳定，适于稳定水体的蓝藻及部分硅藻成为优势种，建库蓄水后，由于水库调水，水体波动较大，适于动态水体的曲壳藻、异极藻、菱形藻等大型硅藻成为优势种。小水电的建设改变了河道水生生物多样性分布特征。

图5 浮游植物Shannon-Winner多样性指数Fig.5 Shannon-Winner Index of phytoplankton

3.2 小水电建设对浮游植物丰度、生物多样性的影响

根据本次调查结果，已建小水电河段与规则小水电河道浮游植物丰度存在明显区别，规则小水电河道浮游植物丰度均保持在15.6—27.9×104个/L内，已建小水电河段浮游植物丰度间差异较大，在5.1—163.6×104个/L大区间分布。已建小水电浮游植物平均55.5×104个/L丰度总体高于规划小水电23.4×104个/L，其各样点间丰度分布差异度也明显大于规划类型。目前的相关研究，如李芳对西藏尼洋河建库前后浮游植物丰度及组成对比研究［27］、韩耀全等对广西岩滩水电站建设前后浮游植物丰度及组成对比研究［28］等均发现建库后库区内浮游植物的种类和数量都明显增加，群落结构将趋于复杂稳定，如岩滩水电站蓄水5a和11a后，单位体积浮游植物种个数分别是蓄水前的3.9倍和2.5倍，这与本研究结果一致。

虽然小水电的建设提升了河道浮游植物的丰度，但生物多样性并未增加。相反，根据本次Shannon-Wiener多样性指数比较，已建小水电浮游植物多样性反而略低于未建小水电。结合已建及规划两种类型内各样品浮游植物丰度的标准差比较，已建小水电类型不同样点间浮游植物丰度标准差明显大于规划小水电类型，说明小水电建设削弱了浮游植物群落的稳定性、均衡性，这种差异可能直接来源于水电修筑导致的水流速度变化及生态搅动增多。

3.3 梯级水电建设对浮游植物群落的响应

雅加一级站、雅加二级站、雅加三级站、七差电站为依次分布于昌化江某一支流上的梯级电站，依次在各电站的蓄水库及电站间中央河段采集的浮游植物样品鉴定结果表明，虽然各梯级小电站浮游植物丰度存在一定差别，但优势种均为曲壳藻、异级藻、菱形藻，且浮游植物组成百分数较为相似。浮游植物的生长、繁殖、休眠都在水体中，考虑到同一河流水系连续性，虽然存在水电站阻隔，同一河流水系水生生物种属来源仍可表现一定的趋同性。

申恒伦等［29］在对三峡水库香溪河流域梯级水库浮游植物群落结构特征研究中同样发现，相邻的古洞口一级及古洞口二级水库的浮游植物组成相似度较高，古洞口二级水库又与其下的香溪河库湾有多种相同的优势种。可见，梯级水电特别是相邻水库间浮游植物群落组成存在较大的相似性。

4 结论

根据本研究，小水电建设对河流中浮游植物群落结构及数量有较大影响。小水电未建前，河流水动力学相对稳定，适于稳定水体的蓝藻及部分硅藻为主要优势种，建库蓄水后，水体波动较大，适于动态水体的曲壳藻、异极藻、菱形藻等大型硅藻成为优势种。在浮游植物组成及生物多样性上，未建小水电河道浮游植物Shannon-Wiener多样性指数略高，且种属分布更加均衡，而已建设水电站均趋向某一类藻占主导优势种。就浮游植物丰度而言，小水电建设促进了河道中浮游植物丰度的提升，但浮游植物多样性并未增加。结合已建及规划两种类型内各样品浮游植物丰度的标准差比较，已建小水电类型不同样点间浮游植物丰度差异性较规划小水电类型大，说明小水电建设削弱了浮游植物群落的稳定性、均衡性，这种差异可能直接来源于水电修筑导致的水流速度变化及生态搅动增多。虽然存在水电站阻隔，同一河流水系浮游植物种属来源仍可表现一定的趋同性，梯级水电特别是相邻水库间浮游植物群落组成相似性明显。

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