南水北调运行初期东平湖浮游植物群落特征分析

冷春梅，董贯仓，王亚楠，师吉华，朱士文，李秀启

（山东省淡水渔业研究院，山东 济南250016）

南水北调是缓解我国北方水资源严重短缺问题的国家重要战略工程，东平湖作为东线工程的最后一级调蓄湖泊，乃南水北调东线工程的重要节点，其水质安全是保障工程成败的关键[1]。东平湖（35°30′～36°20′N，116°00′～116°30′E） 位于山东东平县的西部，地质时期属于古大野泽的一部分，多年平均水深1～2m，湖区面积209 km2，蓄水总量40×109m3，湖区渔业资源丰富，是山东省重要的淡水渔业生产基地。南水北调通水后，调蓄湖泊的水位将有所提高，而外来水的进入也将影响到湖区水域生态环境，各类生物资源也会发生一定变化[2]。浮游植物为生态系统中的初级生产者，是其他一切生物赖以生存的关键[3]，能够灵敏而迅速地反映水环境的变化。浮游植物群落结构也决定了其在生态系统中的功能差异[4]。南水北调运行后，东平湖水质定会随着大量南水的调入而发生改变，在一定程度上影响湖区浮游植物的组成，浮游植物的群落特征则可作为自然水体评价的重要内容[5-9]。

2013年7月南水北调东线进行了试通水运行，11月19日—12月10日正式运行并调水3 400万m3,调水量约占东平湖水体容量的0.085%。虽然首次调水来水量较少，可能不会严重影响湖区的水质及渔业资源等生态状况，但经由洪泽湖、京杭大运河等水体调入的长江水，各水体水生生态系统组成的差异却可能带来东平湖水体小型、微型生物群落的变化。其中，浮游植物群落结构特征对环境反应敏感，能对水域环境做出快速响应[8]。因此，本文于2013年通过监测东平湖浮游植物的，并同期跟踪通水过程中浮游植物的变化状况，以期为南水北调东线工程通水前的东平湖提供浮游生物基础数据，并为长期跟踪研究提供基础资料。

1 材料与方法

1.1 站位设置

2013年3月、5月、8月和11月在东平湖进行4次采样调查。调查期间，依据水文特征及渔业利用情况，在东平湖内设立7个采样站位（图1），另于调水后的11月增设8#调水干渠站位一处。采样点包括出湖口、入湖口、水草保护区，主要人类活动区等重点区域。群落结构的分析主要针对湖区1#～7#站位，仅就调水影响的分析过程中专门就8#站位进行讨论。

图1 东平湖调查站位设置Fig.1 The distribution of sampling sites in Dongping Lake

1.2 浮游植物采集及计数

于水深0.5m处用有机玻璃采水器采集水样后，取1 000mL加入15mL鲁哥试剂摇匀。带回实验室静置沉淀48h后浓缩至40mL镜检，用浮游植物

式中，H′为Shannon-Wiener生物多样性指数，Y为优势度指数，S为物种数，N为某采样站位样品中浮游生物总个数（个），ni为样品中第i种的个数（个），fi为第i种生物在全部采样站位的出现频率。

根据徐兆礼等[11]浮游动物优势种的规定，Y＞0.02时该种为优势种。根据何志辉[12]和孔繁翔[13]的评价标准：H′＜1 时，为重度污染；H′=1～2，为中度污染；H′=2～3，为轻度污染；H′＞3，为清洁。计数框在10×40倍光学显微镜下进行观察计数。计数时充分摇匀后取0.1mL浓缩液放入0.1mL计数框中，观察100个视野，每样品计数两片取平均值；若两片计数结果相差15%以上，则进行第三片计数，取个数相近两片平均值，然后换算成每升水样中藻类的细胞个数，即为细胞密度。将藻体当做近似几何图形，按求积公式获得生物体积，假定比重为1而得到生物量。浮游植物种类鉴定参考《淡水生物图谱》[10]。

1.3 生物多样性分析

用生物多样性指数和优势度指数分析浮游生物群落，其计算公式如下：

2 结果与分析

2.1 种类组成

调查中，在东平湖共获得浮游植物8门99种属，其中绿藻门种类最多为46种属，其次为裸藻门和硅藻门，分别为14种属和13种属，蓝藻门、金藻门、黄藻门、隐藻门和甲藻门较少，分别为10种、7种、4种、3种和2种；浮游植物的种类组成存在显著的季节差异，不同季节（月份）浮游植物的种类数由高至低依次为：8月（66种）＞11月（56种）＞5月（45种）＞3月（25种）。

2.2 密度与生物量的时空分布

如图2（a）所示，东平湖水中浮游植物密度平均为459.0×104ind./L，时空分布差异显著：2#（694.1×104ind./L）＞3#（620.4×104ind./L）＞7#（528.8×104ind./L）＞6#（484.0×104ind./L）＞4#（449.6×104ind./L）＞5#（322.5×104ind./L）＞1#（287.3×104ind./L）；不同季节则为：8月（1 160.2×104ind./L）＞11月（418.3×104ind./L）＞5 月（213.2×104ind./L）＞3 月（44.5×104ind./L）。

浮游植物生物量平均为3.33 mg/L，时空分布差异亦显著（图2-b）：2#（5.58 mg/L）＞5#（4.59 mg/L）＞7#（4.44 mg/L）＞6#（2.96 mg/L）＞1#（2.64 mg/L）＞3#（2.34 mg/L）＞4#（2.14 mg/L）；不同季节为：8月（5.97 mg/L）＞11月（4.99mg/L）＞5月（1.56mg/L）＞3月（0.80mg/L），与密度的变化趋势基本一致。

图2 东平湖水域浮游植物密度与生物量的时空变化Fig.2 Spatiotemporal variation in phytoplankton density and biomass in Dongping Lake

2.3 生物多样性分析

2.3.1 生物多样性

由图3可知，2013年周年东平湖水域浮游植物的生物多样性指数（H′）平均为1.48，在不同采样站位为：7#（2.17）＞5#（1.71）＞6#（1.65）＞2#（1.47）＞1#（1.39）＞4（#1.23）＞3（#1.13）；不同季节为：5月（1.61）＞11月（1.54）＞8月（1.49）＞3月（1.30），其中 5月 7#的 H′最高为 2.79，3#的 H′最低仅 0.45。

图3 东平湖水域浮游植物生物多样性的时空变化Fig.3 The temporal and spatial variation in phytoplankton diversity in Dongping Lake

2.3.2 主要优势种群

东平湖浮游植物优势种群及优势度指数的变化如表1所示。由表1可知，2013年在东平湖共检出浮游植物优势种群16种属，蓝藻门、绿藻门各4种，硅藻门3种，金藻门、隐藻门各2种，黄藻门1种；3月优势种群4种，针杆藻Synedra的优势度指数最高；5月优势种群较分散共7种，蓝藻门的鞘丝藻Lyngbya的优势度指数最高；8月优势种与3月相同，均为4种，席藻Phormidium的优势度指数最高，达到了0.596；11月优势种群最为丰富，高达8种，优势度指数也相对平均，其中席藻的优势度指数最高，为0.239。

2.4 通水初期浮游植物群落特征分析

2013年11月19日—12月10日南水北调东线东平湖正式运行调水，期间增设了入湖前柳长河干渠8#站位，期间调查结果见图4。由图4可知，调水期间柳长河干渠浮游植物的密度显著高于湖区，生物量在全部站位也仅次于5#站位。8#与7#站位浮游植物种类数均为21种，低于5#（27种）、3#（24种），而高于1#（19种）、6#（13种）和4#（12种）；8#生物多样性指数H′为1.31，低于除4#（1.27）站位外的其他站位。

表1 东平湖水域浮游植物优势种群及优势度指数Tab.1 The dominant populations and dominance index of phytoplankton in Lake Dongping

图4 2013年11月东平湖不同调查站位浮游植物密度及生物量Fig.4 The density and biomass of phytoplankton in different investigation stationsofDongping Lakein November 2013

3 讨论

3.1 东平湖浮游植物群落结构的时空差异

东平湖是山东省第二大淡水湖泊，南水北调东线工程最后一级蓄水湖泊，在山东省经济发展中具有重要的生态意义。浮游植物是自然水体生态系统的主要初级生产者，在水域生态系统演替过程中，其种群组成的改变和群落的变动在一定程度上能反映出所在水域的水环境状况的变动。研究浮游植物的群落结构特征在湖泊生态学研究中具有一定的意义。1994年庞清江[14]在枯水期、丰水期和平水期的6个站位中，共检出浮游植物8门99种属；2006—2007年王志忠等[15]对东平湖5个站点7次调查中，共检出浮游植物8门85属142种；陈玺等[16]2011年8月三个断面9个采样点调查共采集浮游植物6门55属种。与上述研究相比，本调查中共获得浮游植物8门99种属，物种数低于2006—2007年,高于2011年的调查结果，与20世纪末调查结果基本一致，表明东平湖浮游植物种类数量在较长的期间处于相对稳定的状态。

浮游植物种类组成的稳定性一定程度也反映了湖泊生境的稳定性。庞清江[14]1994年的调查和陈玺等[16]2011年调查结果类似，东平湖浮游植物以绿藻门最多，硅藻门次之，再次为蓝藻门，其他种属所占比例较少；王志忠等[15]2006—2007年调查结果则为绿藻门最多，其次为蓝藻门、硅藻门和裸藻门；在本次采样中，仍然是绿藻门种类最多，其次为裸藻门、硅藻门和蓝藻门。浮游植物的时空变化特征与所处环境关系密切，水环境因子的改变直接影响浮游植物群落结构[17-19]，而浮游植物群落结构特征也在一定程度地反映水体生态环境状况[20]。东平湖浮游植物组成长期处于相对稳定的状态，均以绿藻门种类最多。但是，伴随湖泊生态环境的改变，次优势种群有一定的变化，从20世纪末的硅藻转变为蓝藻、硅藻和裸藻，且后三者的相对优势也有一定程度的变化，但其对水域环境变化的响应机制及水环境变化的预示作用尚需后续监测的验证。

浮游植物的空间分布特征可在一定程度上反映所在水域的环境状况。浮游植物的密度、生物量、种类组成、优势种群的构成，以及多样性指数等均反映水域内浮游植物的整体趋势，常作为描述群落演替方向、速度和稳定程度的指标[21]。

东平湖浮游植物优势种群共有6门16种，由蓝藻门、绿藻门、硅藻门、藻门、隐藻门、黄藻门构成。其中5月、8月和11月浮游植物优势种群均以蓝藻门为主，3月硅藻门占优势。东平湖浮游植物H′的变化范围为0.45～2.79，陈山口处最高，八里洼泵站处最低，采样站位间的差异来源较为复杂，周边人类活动的频繁程度及所在湖区的水深等条件均对其有显著的影响。周年平均值为1.48，不同采样季节间分别为：5月（1.61）＞11月（1.54）＞8月（1.49）＞3月（1.30），变化较小，差异不显著。根据浮游植物H判断，东平湖浮游植物多样性指数2＞H′＞1，整体处于中度污染状态。

东平湖浮游植物种11月最为丰富，Shannon-Wiener多样性指数最高值出现在11月，这是由于浮游植物的Shannon-Wiener多样性指数是种类丰富度和均匀度的综合反映，部分研究认为Shannon-Wiener多样性指数与均匀度呈显著的正相关，Shannon-Wiener多样性指数受群落均匀度与种类数的双重影响[22-24]。

东平湖浮游植物群落特征时空变化受多种因素影响，其中最主要的是水温和季节的变动，其次水体营养盐类及底质的影响。采样站位间的差异来源较为复杂，周边人类活动的频繁程度及所在湖区的水深等条件均对其有显著的影响。

3.2 南水北调东线工程生态影响分析

陈玺等[16]认为，浮游植物的空间分布特征可从根本上决定大型水库的生态格局，而Rodrigo等[25]对西班牙地中海海岸地区小型浅水水体研究发现，具有明显的富营养化梯度的水体浮游植物的丰富度、均匀度与多样性指数与营养状态仅表现出微弱的联系，其原因在于该区域水体大小、深度、形状、水文条件与植被覆盖状况等均明显不同，生境的异质性在一定程度上限制了多样性的损失。目前，东平湖浮游植物的密度、生物量、组成与种类丰富度等诸多方面分布较为均匀[16]，但东平湖作为南水北调东线工程的四个重要的蓄水湖之一，南水北调工程实施输水后，东平湖年承载调水量10亿m3左右，增加了供水区域内河流、湖泊、水库的水环境容量，水体交换量不断增加，每年东平湖20%以上水体将得到更换，其水位将高出现在正常水位2～3m[26]。调水实施后，湖内水位升高，春季大部分水生植物无法长出水面；水位加深，水温回升慢，使某些鱼类产卵季节推迟，虾类和底栖动物减产[26,27],同时长江及输水沿线水体中的生物势必将引入东平湖，在一定程度上使原有渔业资源和生态环境发生变化[26]。这一方面可能会引起生物多样性增加，对修复生物链和恢复生物资源起到一定作用，逐步改善和恢复生态环境[27]，另一方面由于外来物种入侵,可能造成湖区鱼类资源生态位的损坏或者缺失。这一系列生境的改变，足以对东平湖内生态格局产生影响，而这种影响将随着通水的不断进行，各种生境的相互适应或抑制，而达到一个新的生态平衡。

调水后2013年11月东平湖浮游植物密度、生物量、种类组成与香农-威纳多样性指数H′等与其他季节相比却没有发生明显的差异，表现出了一定程度的稳定性（或抗性或惯性）。这种稳定性一方面源于湖区面积较大，本次调水量仅占湖区0.85%，本身的稀释作用，调水尚不足以对整个湖区生态环境产生快速影响；另一方面，11月份华东地区已进入秋末冬初，光照减弱，气温降低，浮游植物的生长繁殖进入了缓慢季节，调水后浮游植物没有表现出较为明显的应激效应。本次调查主要跟踪监测了工程调水初期浮游植物群落情况，虽然浮游植物的种类组成和数量未呈现出显著的变化，但生态系统的变化应为一个长期的缓慢过程，且本调查中，外来水源与湖区水体浮游植物群落存在一定的差异，因而，南水北调工程调水实施后对湖区生态环境的影响仍需长期监测。