丹江口水库和干渠南阳段微型生物群落的周期性变化

王晨溪，朱静亚，牛其恺，黄　进，

杜宗明4，庞振凌1，胡兰群3，李玉英1,2

(1.南阳师范学院 农业工程学院，河南 南阳　473061; 2.南阳发展战略研究院，河南 南阳　473061； 3.南阳市环境监测站，河南 南阳　473060; 4.南水北调中线渠首环境监测应急中心，河南 南阳　474475)



丹江口水库和干渠南阳段微型生物群落的周期性变化

王晨溪1,2，朱静亚1，牛其恺3，黄进4，

杜宗明4，庞振凌1，胡兰群3，李玉英1,2

(1.南阳师范学院 农业工程学院，河南 南阳473061; 2.南阳发展战略研究院，河南 南阳473061； 3.南阳市环境监测站，河南 南阳473060; 4.南水北调中线渠首环境监测应急中心，河南 南阳474475)

摘要：旨在掌握南水北调中线工程水源区丹江口水库及南阳段干渠调水前后浮游生物群落结构的动态变化和水质状况，为中线工程调水水质保护和工程管理提供科学依据.于2014年7月-2015年5月分别在中线工程取水口陶岔坝上下游6个监测站进行5次野外调查取样和室内研究.结果显示,共监测到浮游藻类9门44科94属357种(含变种)，指示藻类8门21科32属42种(含变种)， 通水前为β-中污带，调水后为寡污带，调水后硅藻比例明显增加；浮游动物4门32科38属46种；调水后香农-威勒多样性指数均大于1，呈现调水后先降低后增加.丹江口水库及南阳段干渠的水质达到Ⅰ类水质标准(总氮指标除外).综合评价水源区水体稳定，为β-中营养型，符合中线工程调水的水质要求.

关键词：南水北调中线取水口；浮游生物；理化指标监测；多样性指数；水质评价

引言

南水北调工程是我国水资源调整的一项伟大战略性基础工程，该工程是为了缓解北方地区水资源严重短缺的问题而规划实施的[1].中线水源区位于豫、鄂、陕三省交界处的汉丹两江并联的丹江口水库，界于东经111°13′22″～111°38′09″、北纬32°47′35″～33°07′24″之间[2].历时50年的论证与规划，耗时11年建设与施工的南水北调中线工程于2014年11月1日开始试验性调水，并于12月12日正式调水，使几十年的中国调水梦成为现实.丹江口水库独特的自然地理位置，使其水质较好，但丹江口水库及干渠调水过程中水源泾流使水质污染的潜在因素和隐患依然存在[1-3].水环境决定了生物的群落特征，而生物个体种群的的变化也客观反映水体质量的变化规律[4-25].Gipsi等对太平洋、大西洋、印度洋等海域313份浮游生物样本使用计算机建模来预测透光层海水中病毒、原核生物以及真核生物相互作用，发现环境因子并不能完全决定种群结构，浮游生物功能类型和进化群组在整个微生物网络结构中并不是随机分布的[4].Xiao等利用传统光学显微镜形态学方法和高通量分子生物学技术对挪威东南一个淡水湖1969年-1989年间的300个样品分析对比，两种方法检测的结果并非完全一致，用传统方法鉴定出的种类多，用分子技术鉴定出的属多、稀有种和超微型种多[5].前人就南水北调中线水源区的生态环境问题、水资源现状、水土保持、生态环境影响和水生态等方面进行了研究[1-3,13-21].建库前E.B.波鲁茨基等对该库区浮游生物、底栖生物、鱼类区系等进行调查，河流中主要以硅藻为主, 而水库、水塘以甲藻、绿藻为主, 其次蓝藻、硅藻[13]；建库后，杨干荣、邹红娟、彭建华、蔡庆华、申恒伦、包洪福、李玉英等专家在不同时间对库区生物资源进行调查[14-21]，但于中线工程调水前后对库体和调水干渠水体浮游生物群落比较的研究鲜见.2014年中国水利部水文局对全国471座主要水库进行了水质评价，其中全年水质为Ⅰ类的水库占评价水库总数的4.5%(21座)；Ⅱ类为43.1%(203座)；在进行营养状况评价的455座水库中，中营养水库有324座，富营养水库131座.南水北调中线工程的实施在一定程度上改变了库区的生态环境，并对生物多样性产生一定的影响[18].于2014年7月-2015年5月对中线工程调水前后不同时期库体和南阳段干渠水体浮游藻类、浮游动物以及水体中TN、TP、COD、叶绿素等指标进行了5次动态监测，旨在掌握调水前后浮游生物和水质理化指标的动态变化规律，为调水过程中水质生态安全保障政策制定提供科学依据.

1研究区域与研究方法

1.1监测站点

丹江口水库界于东径111°01′-111°18′、北纬32°55′-33°48′之间，处于北亚热带向暖温带的过渡带，控制流域面积9.5万km2，控制着汉江60%的流域面积，多年平均天然径流量408.5亿m3.水库建成初期规模，坝顶高程162m，正常蓄水位157m，相应库容174.5亿m3，水库面积745km2，主要库湾15个，回水线沿河道长度汉江为177km，丹江为80km.丹江口水库后期规模大坝加高至176.6m，正常蓄水位170m，总库容290.5亿m3，水库面积1050km2，回水长度汉江为194km，丹江为93km.

根据丹江口水库、中线取水口及南阳段干渠的地理位置，共设6个监测站，在丹库设丹库库心(小太平洋，S1)、全店(水库水入中线干渠前水域，S2)、陶岔(中线取水口坝上200 m，S3)，在南阳段干渠依次从中线取水口开始由近至远设镇平县马庄(S4)、卧龙区姜沟(南阳市区第一个取水口，S5)、方城县独树(干渠出南阳境，S6).

1.2采样频率

2014年7月在库心和全店采样，2014年10月在库心、全店和陶岔进行采样；2015年1月、2月和5月分别在6个监测站采样.

1.3样品采集与测定

所有样品均按照国家环保总局出版的《水和废水监测分析方法》(第4版)规定的标准采集.所采样品均于24h内带回实验室参照文献[26]做相应处理，测定浮游生物的种类和数量、水常规理化指标.

水质理化指标测定均按照参照文献[26]的方法测定.浮游生物定性和定量样品参照文献[25-30]测定和鉴定.

1.4水质评价标准

1.4.1水体营养状态评价标准按照《地表水资源质量评价技术规程》(SL395-2007)以总氮、总磷、高锰酸盐指数、叶绿素a和透明度为指标对水体富营养状态进行评价[21].营养状态评价采用指数法，即先采用线性插值法将水质项目浓度值转换为赋分值，然后按照公式计算营养状态指数EI.

式中：EI为营养状态指数，En为评价项目赋分值，N为评价项目数量.湖泊(水库)营养状态评价标准为：当0≤EI≤20为贫营养；20

1.4.2浮游藻类群落结构评价法指示性浮游藻类群落污染等级划分标准:蓝藻门>70% ，耐污种大量出现为多污带；蓝藻门约60%，藻类总数较多为α-中污带；硅藻及绿藻门各约30%为β-中污带；硅藻门>60%为寡污带[23-26].

1.4.3香农-威勒(Shannon-Weiner)多样性指数法生物种的多样性指数应用数理统计方法求得表示生物群落的种数和个体数量的数值，用以评价环境质量.采用香农-威勒(Shannon-Weiner)多样性指数对丹江口水库及南阳段干渠6个监测站的水质进行评定[25].

公式中：D=多样性指数；n=样品中藻类总个体数；ni=样品中i种的个体数.其评价标准是：D>3，清洁；2

2结果与分析

2.1丹江口水库及南阳段干渠水质理化监测及其水质评价

2014-2015年对丹江口水库及南阳段干渠进行了理化监测，主要参数结果如表1所示.根据《地表水环境质量标准》(GB38382-2002)，丹江口水库及南阳段干渠监测到总氮含量较高，其中马庄5月的总氮含量最高为1.69 mg/L，全店和独树5月的总磷含量较高均为0.05 mg/L，其余月份监测指标均达到国家Ⅰ类水质标准.

按照《地表水资源质量评价技术规程》(SL395-2007)对水库进行营养状态进行评价[19]，以总氮、总磷、高锰酸盐指数、叶绿素a和透明度5项指标作为营养状态参数，结果如表1所示.调水前后所有监测站位水体均为中营养状态，单项指标中总氮赋分值均为60多；库体调水前后营养状态指数(EI)分别为40.08和37.53，南阳段干渠EI平均为38.88.综合评价调水后水库水质有所改善，不同季节不同监测站位水体质量差异不显著.

表1　丹江口水库及南阳段干渠的水质理化参数和水体营养状态

注：-表示未测定

2.2丹江口水库及南阳段干渠浮游生物群落结构及水质评价

2.2.1丹江口水库及南阳段干渠浮游藻类种类组成及群落结构丹江口水库及南阳段干渠调水前后浮游藻类种类组成和百分组成如图1和图2所示.在丹江口水库及南阳段干渠6个监测站共监测到浮游藻类9门44科94属357种(含变种)，其中：硅藻门28属165种(含变种)，占浮游藻类的43.70%；绿藻门42属120种(含变种)，占33.61%；蓝藻门8属40种(含变种)，占11.20%.常见种类有束丝藻属(Aphanizomenon Morr)，盘星藻属(Pediastrum Meyen)，脆杆藻属(Fragilaria Lyngbye)，直链藻属(Melosira Agardh)和啮蚀隐藻属(Cryptomonas erose Ehr.).

调水前监测到浮游藻类8门32科59属125种(含变种).调水后浮游藻类9门44科84属303种(含变种).黄藻门和金藻门仅在调水后监测到.调水前蓝藻门-绿藻门-硅藻门的比率19.78%-35.90%-29.87%，调水后的比率为8.75%-27.65%-54.03%，硅藻种类数量增加.

2.2.2丹江口水库及南阳段干渠浮游藻类污染指示种及水质评价指示性浮游藻类的种类组成和数量是水体富营养化程度的主要评价标准之一.调水前后浮游藻类的指示种如表2所示.调水前后共监测出浮游藻类指示种8门21科32属42种(含变种)，其中：os寡营养型浮游藻类5属6种，占总指示种的14.29%；αm型浮游藻类4属4种，占总指示种的9.52%；αm，βm型浮游藻类5属5种，占总指示种的11.90%；αm，βm，οs 型浮游藻类2属4种，占总指示种的9.52%；βm型浮游藻类7属7种，占总指示种的16.67%；βm，os型浮游藻类11属13种，占总指示种的30.95%；β-m型浮游藻类11属13种，占总指示种的30.95%；ps，αm型浮游藻类2属2种，占总指示种的4.76%；ps，αm，βm型浮游藻类1属1种，占总指示种的2.38%.总体来说os寡营养型的比例占14.28%，α-βm中富营养型占78.57%，ps重富营养型占7.14%.

图1　丹江口水库及南阳段中线干渠调水前后浮游藻类种类组成动态变化

图2　丹江口水库及南阳段干渠调水前后各监测站浮游藻类组成百分比

采样时间监测站门科属种采样时间监测站门科属种201407库心37910渠首5899201410库心691011渠首6101314陶岔3334通水前合计6151621201501库心3334渠首6667陶岔5558马庄2344姜沟4556独树3555201502库心2223渠首1112陶岔3334马庄2333姜沟3556独树3556201505库心5101213渠首7111114陶岔68811马庄69912姜沟5101013独树4779通水后合计8212434

调水前在丹江口水库库体监测的浮游藻类指示种共6门14科17属21种(含变种).os寡营养型的比例占4.76%；α-β中富营养型的比例占90.48%；ps重富营养型的比例占4.76%.调水后在库体和南阳段干渠共监测到浮游藻类指示种8门21科24属34种(含变种)；β-中富营养型的含量最多.os寡营养型的比例占14.71%；α-β 中富营养型占83.33%；ps重富营养型占5.56%.

2.2.3丹江口水库及南阳段干渠浮游动物种类组成及水质评价调水前后丹江口水库及南阳段干渠内浮游动物组成如图3所示.共监测到浮游动物4类，原生动物门、担轮动物门、枝角类、桡足类共32科38属46种.其中以原生动物最多为15属21种，占45.65%，担轮动物12属14种，占30.43%，枝角

类4属4种，占8.70%，桡足类7属7种，占15.22%.2014年7月份监测到有担轮动物和绕足类，10月份只监测到担轮动物，2015年1月监测到全部4类浮游动物，其中原生动物门监测到10种，2月份监测到原生动物门，担轮动物和枝角类，5月份监测到4类浮游动物，数量均增加，调水后浮游动物数量种类增加.仅在1月份监测到浮游动物指示种为βm中污型指示种，全店有2属2种，放射太阳虫(Actinophrys sol Ehrenberg)和沟渠异足猛水蚤(Canthocamptus staphylinus)(Jurine)，陶岔、姜沟和独树仅监测到沟渠异足猛水蚤(Canthocamptus staphylinus)(Jurine).

图3　丹江口水库调水前后浮游动物种类组成动态变化

2.4丹江口水库及南阳段干渠浮游生物多样性指数

图4　香农-威勒(Shannon-Weiner)多样性指数动态

丹江口水库及南阳段干渠调水前后浮游生物多样性指数(D)如图4所示.调水后多样性指数先降低后增加，调水后2月份的D值最低大于1(最低为1.38)，到5月份后各监测站D值均上升，最高达3.33，水质有所好转.其原因可能是调水后加强了水源区生态保护措施，水质渐好，另外还可能与季节气候有关.

2.5丹江口水库及南阳段干渠浮游生物生物量的变化特征

丹江口水库及南阳段干渠浮游生物的生物量变化范围较大，浮游植物生物量最低在2月份的渠首(0.689mg/L)，最高是10月份的陶岔为34.53mg/L；浮游动物生物量最低出现在2月份的渠首(0.032mg/L)，最高出现1月份的姜沟(18.945mg/L).

调水前浮游植藻类的平均生物量为12.33mg/L，调水后平均生物量为6.82mg/L；浮游动物调水前的平均生物量为5.50mg/L，调水后平均生物量为2.30mg/L.调水后生物量有所下降.

3结论与讨论

调水前后对南水北调丹江口水库及南阳段干渠的浮游生物调查显示，丹江口水库及南阳段干渠共鉴定浮游生物132属403种(含变种).浮游藻类9门44科94属357种(含变种)，占浮游生物的88.59%，其中蓝藻-绿藻-硅藻比例为11.20%-33.61%-43.70%；浮游藻类指示种为8门21科32属42种(含变种)，其中，os寡营养型的比例占14.28%，α-β中营养型占78.57%，ps重富营养型占7.14%.浮游动物有4类32科38属46种，占浮游生物11.41%，其中原生动物门21种，占45.65%；担轮动物14种，占30.43%；桡足类7种占15.22%；枝角类4种占8.70%；浮游动物共监测到2种浮游指示种，均为β-中营养型.监测站点水体中多样性指数(D)均大于1，调水后先降低后升高，最高达3.33.水质理化监测指标中除总氮外符合地表水I类水质标准.综合评价，丹江口水库及南阳段干渠水体均为β-中营养型.

南水北调输送的水作为生活用水必须保证其水体的洁净，因此对丹江口水库及南阳段干渠水质的长期监测是十分必要的，不仅能准确掌握丹江口水库及南阳段干渠水质情况而且能做到防患未然.本研究对调水前后的水质进行理化监测符合国家Ⅰ类标准(除总氮含量较高，个别月份的氨氮和总磷含量较高)，对水质进行富营养化状态评价发现调水前后的水质均为中营养，根据指示性浮游植物群落划分污染等级的标准，通水前为β-中污带，调水后为寡污带，调水前后的污染指示种均是α-β 中营养型，调水后硅藻比例明显增加.包洪福[18]调查结果显示丹江口水库的浮游藻类优势种数量各季节差异显著，与本研究调水后硅藻门比例明显增加的结论相符.包洪福[18]丹江库区各采样点浮游植物平均生物量为12.2mg/L，变动范围在4.11-25.2mg/L，本研究调查结果为0.689-34.53mg/L，调水后浮游生物的生物量有所下降.调水后的生物多样性指数先减少后增加，这与水体流动性和取样时间有一定关系.综合评价调水后水质有所好转.刘远书等[21]调查中线水源区生态环境趋向调水后有变好态势，与本研究结论相符.

调水后水质有所改变的原因一方面是由于调水，改变了库体原有水的流向，且显著增加了库体面积和水量，水体含氧量等一些理化指标的改变；另一方面是政府对南水北调工程水体保护的重视和人民环保意识的提高，使南水北调水质得到改善.

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Periodic Variation of Microbial Communities in Danjiangkou Reservoir and the Water Cancel of Nanyang City Before and After the Start-Up of the Mid-Line Project of South-to-North Water Diversion

WANG Chen-xi1,2,ZHU Jing-ya1,NIU Qi-kai3,HUANG Jin4,DU Zong-ming4，PANG Zhen-ling1,HU Lan-qun3,LI Yu-ying1,2

(1. College of Agriculture and Engineering, Nanyang Normal University, Nanyang 473061,China; 2. Development Academy of Nanyang, Nanyang 473061,China; 3. Environment Monitoring Station of Nanyang, Nanyang 473000,China; 4. Emergency Centre for Environmental Monitoring of Mid-line Project of South to North Water Division, Xichuang 474475,China)

Abstract:In order to understand the dynamic changes of the plankton community structure and water quality of Danjiangkou reservoir and water channel in Nanyang before and after the water transfer of the mid-line project of south to north water division, six stations were monitored to provide scientific basis for the water quality protection and engineering management of the mid-line project during 2014.07-2015.05. Plankton and physical-chemical indexes were measured. Water samples were collected using standard methods. Saprobic system, trophic status index, and diversity index of Shannon-Weiner were used to evaluate the trophic status. There were 357 species (varieties), 94 genera and 9 divisions including 42 species (varieties), 32 genera saprobic indicators. Samples also contained 46 species (varieties), and 38 genera of zooplankton occupying 2.63%. The proportion of diatom significantly increased after water diversion. Diversity indexes of Shannon-Weiner were above 1.00 in all stations, which went down and then up after the start-up of the mid-line project. The physical-chemical indexes except total nitrogen were under the standard ofⅠtype water. All results showed that the nutrition types of the water system could be regarded as mesotrophy, and Danjiangkou reservoir is suitable for the mid-line project.

Key words:the mid-line project of south-to-north water division; plankton; monitoring of physical and chemical indicators; diversity index of Shannon-Weiner; evaluation of water quality

中图分类号:X824

文献标志码:A

文章编号：1001-2443(2016)02-0150-07

作者简介:王晨溪(1992-),男,河南南阳人,硕士研究生,研究方向水域生态学.通讯作者:李玉英(1969-),女,河南南阳人,博士,教授,研究方向水域生态学和能源工程.

基金项目：国家“十二五”科技支撑计划项目(2012BAC06B03)；河南省科技厅项目(142102310210)；河南省教育厅项目(14A180015，16A180010)；南阳发展战略研究院项目(nyzl201502).

收稿日期：2015-10-11

DOI：10.14182/J.cnki.1001-2443.2016.02.011

引用格式：王晨溪，朱静亚，牛其恺，等.丹江口水库和干渠南阳微型生物群落周期性变化[J].安徽师范大学学报：自然科学版，2016，39(2)：150-156.