三峡库区甘井河水域牧场浮游植物群落结构及水质评价

贺 蓉 蒋 礼 郑曙明 邹沈娟 周艳玲 丁 山

(西南大学荣昌校区水产系, 重庆 402460)

三峡库区甘井河水域牧场浮游植物群落结构及水质评价

贺 蓉 蒋 礼 郑曙明 邹沈娟 周艳玲 丁 山

(西南大学荣昌校区水产系, 重庆 402460)

为了解三峡库区的忠县甘井河段水域牧场生态渔业对水环境的影响, 于2013年3、6、9及12月按季度对该河段 4个站点进行了浮游植物群落结构及水体理化因子的监测, 并采用生物多样性指数法和综合营养状态指数法对水体营养状况进行了评价。结果表明, 该河段浮游植物有 7门93个属种, 其中绿藻门的物种数最多, 有37种, 占浮游植物群落总数的39.79%, 其次为硅藻门和蓝藻门, 物种数分别为26种和13种,分别占浮游植物群落总数的 27.96%和 13.98%； 浮游植物的年均丰度为 757.67×104ind./L, 变化范围(3.06—5743.99)×104ind./L, 年均生物量为4.40 mg/L, 变化范围0.03—17.67 mg/L； 水体的年平均透明度为1.18 m, 叶绿素a、总磷、总氮含量分别为8.54 μg/L、0.13 mg/L、1.95 mg/L； 浮游植物香农多样性指数(H ′)、均匀度指数(J)年均值分别为2.90和0.88, 全年综合营养状态指数值为37.59—71.86, 由此推断, 甘井河水质属于中污染—轻污染状态、中营养型—富营养型。在鱼类生长旺季的6月, 甘井河段养殖区内的水质优于非养殖区, 这可能与养殖区内放养滤食性鱼类有关, 证实了水域牧场没有带来水环境的污染, 反而能提高生物多样性, 在一定程度上改善了水体。

生态渔业； 浮游植物； 理化因子； 水质评价； 甘井河

三峡水库拥有丰富和宝贵的淡水资源, 是长江流域乃至全国重要的淡水资源战略储备库。库区蓄水175 m 后, 形成了一个从宜昌三斗坪至重庆市纵深600 km, 总库容3.93×1010m3, 面积1.08×103km2的巨型的峡谷河道型水库, 加之众多的库湾、库汊,消落带面积更是广阔, 为超大规模的生态渔业提供了可能[1—3]。2010年9月, 重庆市“十二五”渔业发展规划重点布局三峡库区天然生态渔业发展。同年10月, 重庆三峡生态渔业发展有限公司, 在甘井河库汊开展水域牧场建设和运营的试点示范。甘井河是长江的一级支流, 发源于重庆市梁平县东南部, 在距离忠县县城3 km处汇入长江。在三峡大坝建成后,在长江口和戚家沟之间形成汇水区。由于三峡水库冬春季节蓄水, 夏季放水, 在6—9月维持低水位运行, 10月到来年4月维持高水位运行, 甘井河水位与三峡水库水位变化情况基本一致。三峡生态渔业公司在甘井河上、下游设置拦网, 建成面积约8 km2的水域牧场, 放养滤食性的鲢、鳙, 不进行人工投饵施肥, 靠摄食天然饵料生长, 即进行生态养殖。此种放养模式对该河段水环境的影响如何, 还未进行过系统研究。

目前, 国内外大多采用理化指标和生物指标对水质进行评价。水生生物的生存与水环境间有着密切的联系, 水生生物的种类及其在群落中所占的比例能反映水体的质量状况[4]。作为水域生态系统中的初级生产者, 浮游植物在水域生态系统的食物链中是一个不可或缺的环节, 在物质转化、能量传递等生态过程中起着重要的作用[5]。近年来, 将浮游植物的群落结构特征和水体理化特征相结合, 对水体质量进行评价已被广泛应用[6,7]。

为掌握三峡库区的忠县甘井河段生态养殖对水环境的影响, 笔者于2013年按季度分别对甘井河的4个代表性断面进行了浮游植物和理化因子的调查,从浮游植物群落结构特征及综合营养指数角度对养殖区内外的水质进行了评价, 为水生态环境的保护及制订合理科学的渔业资源利用策略提供基础数据资料。

1 材料与方法

1.1 采样点设置

依据代表性原则, 在甘井河上、下游的拦网内外共设置 4个采样站点: 上游拦网外的佑溪河河段(1#, 30°20′16″N、108°02′10″E)、上游拦网内的戚家沟口河段(2#, 30°19′51″N、108°02′28″E)、下游拦网内的新桥河段(3#, 30°19′21″N、108°02′24″E)和下游拦网外的甘井河口(4#, 30°19′07″N、108°02′39″E)(图1)。

图1 甘井河采样点分布Fig. 1 The distribution of sampling sites in the Ganjing River

1.2 样品采集、处理与分析

2013年按季度分别于3、6、9及12月对4个站点进行采样。浮游植物的定性定量采样按照《湖泊富营养化调查规范》的基本方法进行。用25号筛绢网对浮游植物进行定性采集, 用鲁戈氏液固定。浮游植物的定量标本则取表层、1/2倍、1倍、2倍、3倍透明度水样混合后取1000 mL, 用 15‰的鲁戈氏液固定, 静置沉淀, 浓缩到30—50 mL, 在显微镜下进行镜检和计数。检测出浮游植物的种类组成、密度, 再按体积来换算生物量, 用形态相近似的几何体积公式计算浮游植物细胞体积； 细胞体积的毫升数相当于细胞重量的克数[8,9]。

表层水温和pH用德国CX-401便携式多参数水质测定仪现场测定, 溶解氧用美国HQ30D便携式溶氧仪测定, 透明度(SD)用塞氏盘测定。总氮(TN)浓度采用过硫酸钾消解—紫外分光光度法测定, 总磷(TP)浓度采用钼酸铵分光光度法测定[10], Chl. a浓度采用乙醇萃取分光光度法测定[11]。

1.3 数据分析

叶绿素 a含量计算公式为: Chl.a(μg/L) = 27.9 [(A665,A–A750,A)–(A665,B–A750,B)] V乙醇/V水样, 式中A665,A, A750,A分别为乙醇萃取液酸化前的吸光度值,A665,B, A750,B为酸化后的吸光度值, V乙醇为乙醇萃取液体积(mL), V水样为抽滤的水样体积(L)[11]。

浮游植物群落优势度指数Y =(Ni/N)×fi； 香农多样性指数H′ = –∑ (Ni/N)ln Ni/N)； 均匀度指数J = H′/lnS； 其中S为浮游生物种数； Ni为第i种的个体数, N为所有种类的总个体数, fi为第i个物种在各位点出现的频率[12]。

水体富营养化程度用安卓修正的卡尔森营养状态指数(TSIM)衡量, TSIM (Ch1.a)=10×(2.46+ln Ch1.a/ ln 2.5), TSIM (SD)=10×(2.46+(3.69－1.53 ln SD)/ln 2.5), TSIM (TP)=10×(2.46+(6.71+1.15 ln TP)/ln2.5)

综合 TSI=[ TSIM (Ch1.a)+ TSIM (SD)+ TSIM (TP)]/3[13—16]

式中, TSIM (Ch1.a)、TSIM(SD)和TSIM(TP)分别是以叶绿素 a、透明度、总磷为基准的营养状态指数, Ch1.a、SD、TP的单位分别为μg /L、m、mg /L。

2 结果

2.1 浮游植物种类组成及优势种

通过 4次采样调查, 甘井河共检测出浮游植物种类 7大门类 93个种属, 其中, 绿藻门种类最多,检出37个种, 占浮游植物群落总数的39.79%, 其次为硅藻门, 检出 26个种, 占浮游植物群落总数的27.96%； 其他依次为蓝藻门13种、裸藻门7种、金藻门 4种, 分别占浮游植物群落总数的 13.98%、7.53%和 4.30%, 甲藻门和隐藻门均为 3种, 各占3.23%。

各采样点浮游植物种类数最多的为拦网内的站点 2, 有 82种, 最少的为站点 4, 仅 73种； 站点 1和 3均为 79 种。3月各采样点的种类最少, 仅为22—29种, 9月最多, 多达53—56种。

四季共出现浮游植物优势种(优势度≥0.02)17种(属), 其中蓝藻 5种, 分别为针状蓝纤维藻Dactylococcopsis acicularis、微小平裂藻 Merismopedia minima、螺旋藻Spirulina sp.、席藻Phomidium sp.、鱼腥藻Anabaena sp.； 绿藻门4种, 分别为小球藻 Chlorella vulgaris、圆形衣藻 Chlamydomonas orbicularis、斯诺衣藻 C. snowiae、双列栅藻Scenedesmus bijugatus； 甲藻门仅佩氏拟多甲藻Peridiniopsis penardii 1种； 隐藻门2种, 分别为具尾蓝隐藻 Chroomonas caudata、卵形隐藻 Cryptomonas ovata； 硅藻门 5种, 分别为美丽星杆藻Asterionella formosa、尖针杆藻Synedra acus、变异直链藻 Melosira varians、简单舟形藻 Navicula simples、小环藻Cyclotella sp.。

2.2 浮游植物密度与生物量的时空分布

从时间上看(图 2), 3月浮游植物平均密度最高,为 1992.53×104ind./L, 12月最少, 为5.49×104ind./L, 6月和9月居中, 分别为311.93和720.75×104ind./L,总平均密度为 757.67×104ind./L。其中绿藻门占68.65%, 隐藻门占 16.02%, 硅藻门占 8.09%, 蓝藻门占5.27%, 甲藻门占1.51%, 裸藻门占0.25%, 金藻门占0.22%。从空间上看(图 2), 站点3的浮游植物密度最高, 而站点 4的最低。采样断面浮游植物平均密度由高到低依次为: 站点3＞站点1＞站点2 ＞站点4。

从拦网内外的情况看, 3月拦网外的站点1和4的浮游植物密度(×104)分别为577.03和409.28 ind./L,拦网内的站点2和3的分别为1239.81和5743.99 ind./L,表明 3月拦网外浮游植物密度 远远低于拦网内的浮游植物密度； 而6月站点1和4的浮游植物密度(×104)分别为637.74和403.32 ind./L, 站点2和3的分别为122.14和84.54 ind./L, 可知拦网内的浮游植物密度远远小于拦网外的密度； 9月站点1、2、3、4的浮游植物密度(×104)分别为 1671.47、359.68、599.11和252.73 ind./L, 表明拦网外上游 站点1的浮游植物密度最高, 下游站点 4的密度最低, 12月各站点密度变化为(3.06—8.34)×104ind./L。

9月浮游植物平均生物量最高, 为 7.72 mg/L,其次为3月, 浮游植物平均生物量为5.29 mg/L, 6月和12月分别为4.51和0.06 mg/L。总平均生物量4.40 mg/L。其中, 绿藻门占 47.51%, 隐藻门占16.68%, 硅藻门占14.88%, 甲藻门占13.33%, 蓝藻门占5.13%, 裸藻门占1.56%, 金藻门占0.89%。浮游植物的生物量以站点4最低, 站点 1最高。采样断面浮游植物平均生物量(图3)由高到低依次为: 站点1＞站点3＞站点2＞站点4。

图2 甘井河浮游植物密度的时空分布Fig. 2 The spatial and temporal distribution of the phytoplankton density in the Ganjing River

从拦网内外的情况看, 3月拦网外的站点1和4的浮游植物生物量分别为3.16和1.33 mg /L, 拦网内的站点2和3的分别为6.70和9.99 mg /L, 表明3月拦网外浮游植物生物量明显低于拦网内的浮游植物生物量； 而6月站点1和4的浮游植物生物量分别为9.78和5.64 mg/L, 站点2和3的分别为1.51和 1.16 mg /L, 可知拦网内的浮游植物生物量显著小于拦网外的生物量； 9月站点1、2、3、4的浮游生物量分别为17.67、4.05、6.73和2.44 mg/L, 这说明拦网外上游站点 1的浮游植物生物量最高, 下游站点4的生物量最低, 12月各站点生物量为0.03—0.13 mg/L。

2.3 浮游植物群落多样性

从浮游植物多样性指数的时空分布来看(表 1), 3、6、9和12月平均多样性指数(H′)为2.10、2.90、3.78和2.98, 可见3月各站点H′均为全年最低值； 6月各采样点差异大, 拦网内的站点2和3的多样性指数远远高于拦网外的1和4, 9月4个站点的值很接近, H ′均≥3.47。12月站点4多样性指数最低。全年多样性指数为 1.11—4.17, 总平均多样性指数2.90, 各采样断面浮游植物平均多样性指数由高到低依次为: 站点2＞站点3＞站点4＞站点1。

3、6、9和 12月平均均匀度指数(J)为 0.77、0.88、0.96、0.92, 总平均指数为0.88。以站点4最低, 站点1最高。由高到低依次为: 站点1＞站点2＞站点3＞站点4。6月拦网内的站点2和3的均匀度指数明显高于拦网外的站点1和4。

图3 甘井河浮游植物生物量的时空分布Fig. 3 The spatial and temporal distribution of the phytoplankton biomass in the Ganjing River

表1 甘井河浮游植物多样性与均匀度Tab. 1 The diversity index of phytoplankton in the Ganjing River

2.4 理化因子

从甘井河理化因子的时空分布来看(表2), 各站点的透明度以6月的最低, 仅0.28—0.31 m, 12月最高, 为 1.58—2.33 m, 其中站点 1断面年均值最低,其他三个断面相近； 叶绿素a 的含量12月最低, 各断面平均值仅 0.11 μg/L, 9月最高, 平均值达14.81 μg/L, 其中站点1高达33.88 μg/L, 年均值也是站点1最高； 总磷的时空变化很小, 各样点以3月的含量最高, 平均为0.244 mg/L, 9月的含量最低, 其中3月站点2和站点3的总磷明显高于站点1和站点4, 而6 月则反之； 总氮以6月最高, 平均为2.68 mg/L, 9 月最低, 平均为1.41 mg/L, 年均值来看, 站点1最低。

2.5 干井河水质总体评价

根据香农多样性指数(H′)值, 0—1属于重污染, 1—2为α中污染, 2—3为β中污染, ＞ 3为轻污或无污染[17,18], 以此标准判断, 甘井河 9月的水质各个断面均为轻污状态； 其次是12月, 除站点1为β-中污染外, 其他站点为轻污； 污染最严重出现在 3月,站点3和4均属于α-中污染, 其次是6月的站点1为 α-中污染。由此可知: 拦网内外水质在 3月、9月和12月无明显差异, 但在6月, 拦网外的站点1和4的水质均为α-中污染, 而拦网内的站点2和3的水质为轻污染。

根据综合营养状态指数 TSIM＜37为贫营养, 38＜TSIM＜53为中营养, TSIM＞54为富营养[12]。由表 3可知, 甘井河水质以12月最好, 4个采样断面的综合TSI介于37.59—41.55, 为中营养型, 而3月、6月和9月均为富营养型, 其中6月拦网内的站点2和3的水质虽然属于富营养型, 但综合TSI值明显小于拦网外两个站点的值, 表明水质优于拦网外的水质。甘井河的水质变化与香溪河相似, 香溪河库湾 2周年的营养状态变化显示, 除冬季外, 大多数月份为富营养, 在春季则为重富营养[19]。

表2 甘井河水体理化参数Tab. 2 The physyco-chemical parameters in the Ganjing River

表3 甘井河综合营养状态指数与水质评价Tab. 3 The comprehensive trophic level index and evaluation of the water quality in the Ganjing River

3 讨论

3.1 水域牧场生态渔业对浮游植物的影响

养鱼与富营养化进程之间的关系倍受各国学者的关注, 许多的研究都集中在对养殖性藻型水体的调控上。大量研究认为, 在这类水体投放食浮游生物的滤食性动物, 特别是滤食性鱼类(主要为鲢、鳙),可以有效遏制藻类滋生, 鱼类在摄食藻类增加水产品产量同时, 降低了有机物的含量, 从而改善湖水水质[20—23]； 另一些研究则认为, 一方面滤食性鱼类摄食浮游动物, 减缓了浮游动物对浮游植物的摄食压力, 导致浮游植物生物量和初级生产力上升, 另一方面鱼类对浮游植物的大量摄食并不能使浮游植物的生物量降低, 这是因为更小型的藻类得以增殖, 浮游生物食性鱼类加快了磷的释放速率或循环速度[24—26]。本研究调查结果与前一类的研究结果相近, 6、9、12月都以拦网外站点1水域的浮游植物密度和生物量为最高, 而6月拦网内站点2和3的浮游植物密度和生物量均显著低于拦网外两个站点, 这表明鲢鳙在生长旺季, 可以显著降低养殖区域内浮游植物的密度和生物量, 起到了生物净化的作用。3月由于水温不高, 尽管鱼类摄食量低, 但鱼类在水中的游动会使水体各个水层理化条件更接近, 水温测定显示水体水温未出现正分层现象, 有利于浮游植物的增殖,便出现了养殖水域的浮游植物密度远远高于非养殖区的现象。3月4个站点以绿藻门小球藻(Chlorella vulgaris)为绝对的优势种, 隐藻属(Chroomonas sp.)位居第二, 特别是站点3的浮游植物密度高达5.74×107ind./L, 其中小球藻密度达4.72×107ind./L,占了总数的82.16%, 明显高于其他3个站点, 表明浮游植物分布有明显的团块分布特征。站点4由于靠近长江, 部分长江水与甘井河水混合, 降低了河口的浮游植物密度, 使得站点4浮游植物密度低于其他站点的密度。

3.2 水域牧场生态渔业对水质的影响

依据多样性指数和综合营养状态指数两种标准来评价甘井河水质, 得到了一致的结果: 水域牧场内外的水质没有明显差别, 即放养滤食性鱼类的零投喂养殖模式没有造成水域污染, 相反的这些鱼类能在一定程度上净化水体。6月拦网内的站点2和3的多样性指数远远高于拦网外的站点1和4的多样性指数, 综合营养指数也显示水质养殖区域的水质明显优于拦网外的水质。放养滤食性鱼类能在一定程度上净化水体, 已经有很多成功的例子, 如浙江千岛湖、武汉东湖, 特别是对于水华的控制起到了很大作用[27,28]。鱼类一般含氮 2.50%—3.50%、磷0.30%—0.90%, 在不投入外来营养物质养殖的条件下, 从水中每净增重并捕捞出1 kg鱼, 相当于从水体向陆地转移约25—36 g氮和3—9 g磷[24]。因此,在围栏区进行滤食鱼类为主体的生态养殖, 可通过鱼类的食物链转移水体中氮、磷等富余营养物质,可有效提高水体的自净能力。

甘井河水域牧场4个站点的浮游植物和浮游动物现存量年平均值分别为4.40和2.35 mg/L, 以养殖区面积8 km2, 平均水深20 m来计算, 则浮游植物、浮游动物的现存量分别为 8.80×104kg/km2和4.70×104kg/km2, 如按照刘晓亮等[29]对青山水库的方法估算, 可能提供的鲢、鳙产力分别为 2.93× 104kg/km2和 4.70×104kg/km2, 整个水域牧场鲢产力估算为2.35×105kg, 鳙产力为3.77 ×105kg。甘井河水域牧场2013年共投放鲢苗种2.33×105尾、鳙苗种 1.43×105尾, 年产商品鲢 6.34×104kg, 商品鳙6.68×104kg, 即向陆上转移了3253.75—4685.40 kg氮和390.45—1171.35 kg磷, 尽管对于8 km2的水域牧场来说, 转移的氮磷很有限(鲢鳙获量仅为 1.63× 104kg/km2, 转移的氮为 406.70—585.70 kg/km2和磷为 48.80—146.40 kg/km2), 但还是在一定程度上净化了水体。如能加强渔政管理, 减少甚至杜绝偷鱼事件发生, 鱼产量能由现在的1.63×104kg/km2提高到估算的7.64×105kg/km2, 理论上来说由鲢鳙转移的氮将达到 1910—2751 kg/km2, 磷 229—688 kg/km2,从而达到更好的净化效果。

从以上2013年4次调查的初步结果来看, 在甘井河水域牧场拦网内放养滤食性的鲢鳙鱼苗, 不进行人工投饵施肥, 靠摄食天然饵料生长, 可收获了一定数量的生态有机鱼； 在鱼类生长旺季的 6月,拦网内浮游植物密度、生物量和综合营养状态指数TSI比拦网外低, 而生物多样性指数比拦网外高, 证实了水域牧场没有带来水环境的污染, 反而能提高生物多样性, 在一定程度上改善了水体。

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THE STUDY OF THE COMMUNITY STRUCTURE OF THE PHYTOPLANKTON AND THE ASSESSMENT OF THE WATER QUALITY IN THE GANJING RIVER OF THE THREE GORGE RESERVOIR

HE Rong, JIANG Li, ZHENG Shu-Ming, ZOU Shen-Juan, ZHOU Yan-Ling and DING Shan
(Department of Fisheries Southwest University, Chongqing 402460, China)

In order to reveal the impact of aqua farms on the water environment in the Ganjing River of the Three-Gorge Reservoir, we investigated the community structure of the phytoplankton and tested the physyco-chemical parameters of the water at four sampling sites in the Ganjing River in different seasons. We applied regular methods and collected water samples in March, June, September and December of 2013. We observed 93 phytoplankton species that belonged to seven phyla. The dominant phylum was Chlorophyta (37 species), followed by Bacillariophyta (26 species) and Cyanophyta (13 species), and these three phyla accounted for 39.79%, 27.96% and 13.98% of the entire sample. The average annual abundance of the phytoplankton was 7.58×106cells /L, ranging from 3.06 to 5743.99×104cells /L. The average annual biomass was 4.40 mg/L, ranging from 0.03 to 17.67 mg/L. The average annual Secchi–depth (SD), chlorophyll-a, total phosphorus (TP) and total nitrogen (TN) were 1.18 m, 8.54 μg/L, 0.127 mg/L and 1.95 mg/L respectively. The mean Shannon-Weiner diversity index was 2.90, ranging from 1.11 to 4.17. The average annual Pielou evenness index was 0.88, ranging from 0.34 to 1.49. The comprehensive trophic level index of the Ganjing River was between 37.59 and 71.86 with an average of 56.71. The water quality of the Ganjing River was evaluated to be eutrophic and mesotrophic. The water quality of the aquaculture area was better than the other areas in June when fishes grew rapidly, and in other months, there was no obvious difference in the water quality between the aquaculture area and the other areas. This suggested that the filter-feeding fishes might moderately improve the biodiversity and the water quality.

Ecological fishery； Phytoplankton； Physical and chemical factor； Water quality assess； Ganjing River

Q145

A

1000-3207(2015)05-0902-08

10.7541/2015.119

2015-02-02；

2015-04-21

中国长江三峡集团公司科研项目(CT-12-08-01)资助

贺蓉(1964—), 女, 重庆人； 硕士； 副教授； 研究方向为水生生物及环境； E-mail: rcxqhr@163.com

郑曙明(1957—), 教授, E-mail: zhsm199@163.com