棘洪滩水库2003-2018年浮游植物群落结构变化研究

赵立宾，万年新，魏 松，刘旭堂，宫立强，张 烨，刘国祥，朱 欢

(1.山东省调水工程运行维护中心，济南 250000；2.山东省调水工程运行维护中心棘洪滩水库管理站，山东 青岛 266100；3.山东省调水工程运行维护中心博兴管理站，山东 滨州 256500；4.中国科学院水生生物研究所，武汉 430072)

棘洪滩水库位于青岛市城阳区棘洪滩街道以西，地跨城阳、即墨和胶州3个区市，是引黄济青调水工程的重要调蓄水库。该水库整个围坝呈八角形，坝长约14.23 km，库容面积约14.42 km2，兴利水位6.5～14.2 m。棘洪滩水库是青岛市重要的水源供给地，因此该水库的水质状况和水质安全备受关注。浮游植物是水体生态系统的重要组成部分，作为初级生产者，浮游植物在水体物质循环和能量传递过程中有着非常重要的作用[1]。浮游植物的群落结构不仅显现了群落中各物种对环境状态的偏好和耐受，同时也体现出各个物种间的相互影响与依存关系[2]。浮游植物群落结构随着水体理化环境的变化而发生变化，其群落分布、结构组成等必然会直接或间接的影响或反映水体生态环境的生态平衡及水体各理化因子的变化[3]。另外，浮游植物作为一个典型的生态学概念，其分类单元组成异质性较高，不同的类群可以在不同营养条件下生长，成为不同营养水平的指示种，进而可以根据藻类群落组成特征来评定水体营养状态[4]。因此，浮游植物群落结构组成可以作为水体营养状态的指示标志，大量的研究均表明浮游植物群落结构演替变化可用以监测水质。此外，浮游植物的大量增殖引起的藻华会引发诸多水质安全隐患，而对水库浮游植物进行长期监测可以监控和预防水华爆发。为了解棘洪滩水库水体营养状态的基本现状，本文对棘洪滩水库15年的浮游植物群落结构变化进行了分析，冀以为科学管理水库提供决策依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集与处理

样点布设在棘洪滩水库进水口、出水口和水库中心；其中进水口和出水口的采样频次为2003年至2018年间每月一次。考虑到采样的便利性，水库中心样点仅在部分月份进行了采集。采集表层水体(0.5 m深)和中下层水体(4.0 m深)处各1 L后混匀取1 L水样，后加入1%体积比的Lugol’s固定液固定水样。水样沉淀48 h后浓缩至30 mL。

1.2 样品鉴定与计数

计数使用浮游生物计数框，单次取100 μL浓缩后的样品滴入计数框进行计数。计数方法采用视野法，每个样品计数视野不低于100个，且至少重复两次，两次计数平均值之差不高于15%。密度计算公式如下：

M= (mS×104)/(sn)

(1)

式中：M为生物密度，106cells/L；m为计数的个数；S为计数框面积，μm2；n为计数的视野数量；s为显微镜的单个视野面积国，μm2。

2 结果与分析

2.1 浮游藻类生物量(细胞密度)及群落结构变化

2003-2018年间每年的秋季(8-10月间)出现一个浮游植物生物量高峰，而其他季节的细胞密度相对较低(图1)，即棘洪滩水库浮游植物细胞密度变化为单峰型。从群落结构组成来看，每次峰值期间其群落均以蓝藻为优势类群(图1)。棘洪滩水库进水口多数月份浮游植物细胞密度维持在一个低水平，仅有少数峰值月份出现较高密度的蓝藻。例如，2003年10月，进水口细胞密度达到为196.69×106cells/L。其他月份细胞密度基本保持在一个较低水平，其均值在3.17×106cells/L左右。在进水口出现细胞密度峰值的月份节点，其对应的出水口浮游植物细胞密度远低于进水口，例如2003年、2013年和2018年的8月份和9月份，说明尽管引水水质不佳，但水库能够稀释或消化引入的藻类(图1)。

图1 棘洪滩水库2003-2018年浮游植物群落结构及浮游植物细胞密度月度变化Fig.1 The community composition and density of phytoplankton per month in Jihongtan Reservoir during year 2003-2018

从年度均值来看，自2003年以来棘洪滩水库进水口浮游植物细胞密度最低值是2012年，为1.18×106cells/L；最高为2015年，为28.72×106cells/L；数值较高的还有2013年和2018年，分别为21.59×106cells/L。放水口最低值是在2016年，为1.23×106cells/L，最高为2018年，为14.77×106cells/L；数值较高的还有2017年为14.09×106cells/L、2015年为13.06×106cells/L(图2)。2003-2004年间浮游藻类生物量较高，确定为引大沽河和峡山水库等外源水的原因，全部改引黄河水后，情况好转。2015年浮游植物进水口和出水口整体偏高，可能与山东半岛旱情严重、水库长时间维持在较低水位、同时引水水源为峡山水库有关。近期2017-2018年藻类生物量有点偏高，可能与南水北调东线工程引长江水和长期低水位运行等因素有关。放水口藻类细胞密度低于进水口，进水口均值为7.89×106cells/L，放水口为4.58×106cells/L，显示水库有一定自净能力，但也存在延迟效应，即高藻源水进入后需要一定时间消化，停止进水(或进水水质转好后)放水口藻类生物量会短时间高于进水口。(进水口数据平均方差明显大于放水口313.7>67.66；去两个除极值后72.85>63.26,n=192)。进水口受来水影响，数据波动较大。大多数年份藻类生物量并不高，表明水体处于中营养水平。水位低时水草茂盛，此时藻类生物量极低，尤其是在2015-2016年间。整体上，出水口和进水口群落结构基本一致。除2015年、2017年和2018年以外，出水口近15年来基本维持在10×106cells/L以下，表明水库供水水质较好。

图2 棘洪滩水库2003-2018年年均浮游植物群落结构及浮游植物细胞密度变化Fig.2 The community composition and density of phytoplankton per year in Jihongtan Reservoir during year 2003-2018

冬春季节浮游植物细胞密度低于其他季节，这与冬季和春季水温较低，不利于蓝藻繁殖有关。群落结构方面，冬春季节表现为以硅藻有绝对优势，偶有个别月份金藻和绿藻为次优势类群。夏初季节，硅藻、蓝藻和绿藻优势度较高，但不存在明显的绝对优势类群。夏末至秋季，蓝藻类是水库的绝对优势类群。从2003年至2018年15年的月份均值来看，棘洪滩水库的浮游植物群落按照每年的月份可以划分为4个阶段，即1月至5月的冬春阶段、6月至7月的夏季阶段、8月至11月的夏末至深秋阶段、以及12月份的初冬阶段(图3)。整体来看，水库的浮游植物群落结构同水温密切相关；而棘洪滩水库浮游植物的四个阶段划分基本可以推测这是其所处位置的气候环境决定的。即，棘洪滩水库四季温差明显，导致了冬春季节以硅藻和金藻为优势；随着气温升高，春末夏初偏好高温的蓝藻和绿藻比例开始上升；到了夏末和秋季，强烈的日照和适宜的高温使得蓝藻成为群落的绝对优势类群；入冬以后，随着气温的降低，蓝藻的比例开始逐步下降而硅藻等偏好低温的种类比例开始上升(图4)。

图3 棘洪滩水库月均浮游植物群落结构、各类群细胞密度及群落聚类情况Fig.3 The community composition of phytoplankton per month, density of main algal group, and community cluster result

图4 周年内棘洪滩水库浮游植物群落优势类群演变示意图Fig.4 The variation of dominant phytoplankton group

2.2 水库中心浮游藻类分析

由于引水口与出水口分别在水库的两侧，外源引水进入水库后需要流经库中心才能进入出水口，因此分析水库中心的藻类对于整体了解和评价水质也具有非常重要的意义。我们仅选取非引水时间段对库中心、进水口和出水口进行了对比。图5是非引水时间段2003年11月中旬水库中心(距离岸边500 m)的藻类群落组成，主要由硅藻和隐藻组成，表明水库水质基本处于中营养化水平。其浮游植物细胞密度为1.38×106cells/L。对比同时期其他两个常规检测样点，优势藻类均为蓝藻类，群落结构和生物量均显示库中心为优。

图5 2003年11月水库中心浮游藻类组成Fig.5 The algal composition of central area in Nov, 2003

2.3 外源引水对藻类的影响

作为调水工程蓄水水库，外源引水是棘洪滩水库的绝对水源。因此关注外源水质对于水库管理至关重要。此处以2004年的两次引水为例。2004年8月，水库从大沽河引水时，依次在前池、进水口、水库中心、放水口4个点取样。仅从藻类细胞密度看，差异明显。前池的藻类细胞密度是放水口的20倍，外来水源藻类细胞密度高达22.8×106cells/L，优势种类为蓝藻门微囊藻。2004年12月，水库从峡山水库引水，前池藻类细胞密度高达61.3×106cells/L，远高于放水口的9.33×106cells/L，优势种类也是蓝藻门微囊藻属种类。结果表明棘洪滩水库在引水水质不佳时能够对外源藻进行一定程度的稀释(图6)。

图6 2004年8月引水中各位点藻类细胞密度变化图Fig.6 The algal density variation of each sampling site in Aug, 2004

3 讨论与结论

一般来说，水体环境因子的改变最直接的影响就是浮游植物群落结构及其细胞密度发生改变，因此浮游植物是衡量水体水质的指示生物[5]。多数研究表明蓝藻的大量增长是水体富营养化的表征，而金藻和硅藻等的增多则是水质逐渐向好的体现[6]。显然，浮游植物群落结构组成和生物量的多寡仅是水体水质的一个侧面反映，由于不同类群的浮游植物通常有不同的最适生长条件，因此应用浮游植物群落结构来衡量水质情况还需要根据具体的种类和季节来确定。棘洪滩水库作为人工水库其水体均质性非常高，因此其浮游植物多样性基本取决于水温和外源引水水质。其中藻类群落季节演替主要驱动因素推测为水温，水库浮游植物的优势类群演变能够明显支持这一观点。根据棘洪滩水库的浮游植物群落结构组成，我们认为绝大多数年份棘洪滩水库基本处于中营养状态至中富营养状态，这一结论同之前的研究是一致的[7]。在北半球的温带地区，蓝藻的过量繁殖多爆发于夏秋季节、而硅藻和金藻多偏好于低温的冬春季节[8]。我们在棘洪滩水库的监测的结果正符合这一规律，这一方面反映棘洪滩水库水体十分正常；另一方面说明棘洪滩在夏秋季节仍旧面临着较严峻的蓝藻暴发风险。作为青岛市主要的饮用水水源地，棘洪滩水库在冬春季以及夏初水质良好、基本无高藻供水风险；然而近15年来，夏末至深秋仍旧是蓝藻优势的集中时期。结合近年来对水库进水口、库中心、出水口、引水渠和前池的藻类群落结构分析，我们认为在秋季需要严格监测引水水体水质、同时加大引水量，这能够在一定程度上预防高藻供水风险。水库出水口和进水口处于水库的两侧，引水水质进入水库后往往在短时间内被水库大水体所同质化，因此引水水质和水库水体水质共同决定了供水水质。由于棘洪滩水库为典型的浅漏斗形水库，因此近岸区域受风浪影响较大。风浪引起的上覆水和底泥等的再悬浮使得近岸区域的水体营养更为丰富，因此这部分区域的水体浮游植物生物量及丰富度可能也更高。而靠近库区中心的水体由于较深，风浪对于底泥的再悬浮基本不存在较大作用，这部分水体的浮游植物生物量较低。这也是为何我们的研究发现库中心的水质整体好于进水口和出水口原因。因此，同时在夏秋季节将引水口向库心位置前移也能够适当降低高藻供水风险；另外近岸区域适当维持一定生物量的水生植物对于降低风浪影响以及抑制蓝藻类的爆发性增殖可能会有一定作用。

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