三峡水库香溪河库湾浮游植物功能群对水位变化的响应.pdf
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1、 (湖泊科学),():三峡水库香溪河库湾浮游植物功能群对水位变化的响应方灵超,任玉峰,毕永红,许萍萍,张春梅,宋高飞,米武娟(:中国科学院水生生物研究所,淡水生态与生物技术国家重点实验室,武汉)(:中国科学院大学,北京)(:中国长江电力股份有限公司,宜昌)(:智慧长江与水电科学湖北省重点实验室,宜昌)摘 要:三峡水库每年经历“水位下降(月)低水位(月)蓄水(月)高水位(月次年 月)”的季节波动,年水位落差达 。为探究香溪河库湾浮游植物功能群对三峡水库水位变化的响应,于 年对浮游植物群落和主要环境因子开展逐月调查。共检出浮游植物 门 属 种,隶属于 个功能群,其中优势功能群 个,分别为、。适应营
2、养丰富环境的、功能群在全年维持优势,指示香溪河库湾为中富营养水体。消落期偏好水体扰动较弱、中富营养水体的功能群(、)成为优势类群;汛期偏好稳定富营养、耐受高光强且对冲刷敏感的功能群(、)成为优势类群;蓄水期和高水位运行期偏好混合的中富营养水体,耐受低光强且对水体分层敏感的功能群(、)是优势类群;浮游植物功能类群组成结构随水位变化明显改变。综合营养状态指数表明香溪河库湾在消落期和高水位运行期处于中营养状态,另外两个时期处于富营养状态();指数表明香溪河库湾整体水质为“好”(指数);且两者均随着水位下降而降低,表明了水质变差的趋势。分析表明水位不仅直接影响浮游植物功能群,且通过影响总氮、透明度、高
3、锰酸盐指数、电导率、值等因子对浮游植物优势功能群及其生物量产生显著影响。本研究证实水位变化对香溪河库湾浮游植物功能群具有显著影响,显示通过水库调度实现对浮游植物调节的可能性。关键词:三峡水库;香溪河库湾;水位变化;浮游植物;功能群;环境因子 ,(:,)(:,)(:,)(:,):(),(),(),()()(),收稿;收修改稿。国家自然科学基金长江水科学研究联合基金项目()资助。通信作者;:。方灵超等:三峡水库香溪河库湾浮游植物功能群对水位变化的响应 ,(,);(,),;(,),()“”,:;浮游植物群落结构特征和演替过程一直是水域生态学研究中的重要内容。浮游植物群落对水环境物理、化学和生物因子的
4、变化响应敏感,但主要影响因素具有系统的特殊性和时空差异,因此,水生态系统中影响浮游植物群落因子的研究对水生态系统管理有重要意义。香溪河是三峡水库湖北省境内最大的支流,位于三峡大坝上游 处,三峡水库蓄水后,香溪河下游河段水位随之升高,流速减缓,成为三峡水库的重要组成部分。近年来,由于水力滞留时间增加,富营养程度加剧,该区域几乎每年暴发水华,严重影响水体景观和生态服务功能。显然,水动力的改变对浮游植物群落有重要的作用,但目前对该作用的理解还有待加深。水动力过程一方面影响水域生态系统中悬浮物质和溶解物质的运动过程来影响浮游植物的分布;另一方面改变营养盐浓度和循环过程,影响浮游植物的生长和生物量。水位
5、变化是水动力过程改变最主要的表征,对水域生态系统有重要影响。等研究表明水位升高会稀释营养盐,使蓝藻生物量降低。频繁的水位变动能改变水体营养盐循环过程,如:沉积物磷的吸附 解吸过程,从而影响水体中磷的浓度,进而影响浮游植物。此外,水位变动还会影响水体混合状态,改变水下光照条件,影响浮游植物群落。等对三峡库区支流大宁河的研究结果表明,由于稳定的水位和高温,低水位的汛期形成热分层,浮游植物以隐藻、甲藻为代表的 和 功能群为主;水库蓄水打破热分层,高水位枯水期水体混合增强、光可利用性降低,群落以适应低光的硅藻(和 功能群)为主。可见,水位变动对浮游植物的影响分为直接影响和间接影响,直接影响表现为水位变
6、动对浮游植物分布和密度的直接稀释作用和冲刷作用;间接影响表现为水位变动通过影响营养盐浓度、水下光照条件等影响浮游植物生长和群落组成。本文认为水位变动是影响香溪河库湾浮游植物生物量和组成的主要驱动力,三峡水库周期性的水位变动是导致浮游植物功能群季节变化的重要原因。为探究香溪河库湾不同水文时期浮游植物功能群特征以及水位变动对浮游植物功能群组成的作用,于 年 月在香溪河库湾开展逐月调查,探究 个水位时期:水位下降的消落期(月)、低水位的汛期(月)、水位逐渐升高的蓄水期(月)、高水位运行期(月 次年 月)的浮游植物群落功能群动态及其环境影响因子,识别水位变化对功能群结构和季节动态的作用。相关结果可为保
7、护三峡支流水环境提供基础数据,为探究水库调度调控藻类群落和预防水华的技术方法提供理论依据。材料与方法 采样点与采样时间本研究选取三峡支流香溪河为研究对象,在香溪河沿线共设置 个采样点,分别位于库湾下游(湖泊科学),()、中游()和上游()(图),中下游受回水区影响较大,中游有丰富的磷矿资源。自 年 月至 年 月,每月采样一次。香溪河 采样点在夏季的水深小于 ,无法行船,在 月和 月没有样品。图 香溪河库湾采样点分布示意 样品采集与分析方法采集 水样,现场用鲁哥氏液固定,并沉淀浓缩至 ,充分摇匀后吸取 至浮游生物计数框,在 显微镜下计数。藻类鉴定方法参照文献。依据 等和 等进行功能群划分。浮游植
8、物生物量利用体积公式将浮游植物丰度转换成生物量,其计算公式为:生物量浮游植物生物学密度体积丰度,此处假定浮游植物生物学密度为 ,体积单位为,丰度单位为,生物量单位为 。用 有机玻璃采水器采集表层(水下 处)用于水体物理化学指标分析。参照水和废水监测分析方法测定总磷()、总氮()、磷酸盐()、硝酸盐()、氨氮()和高锰酸盐指数()。用美国产多参数水质测定仪 现场测定水温()、溶解氧()、值、电导率()、氧化还原电位()。用塞氏盘现场测定塞氏透明度()。水位()数据由中国长江三峡集团公司梯调中心提供。数据处理与分析浮游植物功能群优势度()根据浮游植物功能群在监测期间的出现频率及相对生物量来确定,即
9、:()式中,为第 种功能群出现的频率,为第 种功能群生物量占总生物量的比例,当,该功能群被定义为优势功能群,当 时,该功能群被定义为重要功能群。本文浮游植物相对丰度 相对生物量计算过程为:时间上,第 月浮游植物相对丰度(或相对生物量)第 月某浮游植物总丰度(或总生物量)第 月所有浮游植物总丰度(或总生物量)(,);空间上,第 采样点浮游植物相对丰度(或相对生物量)第 采样点某浮游植物总丰度(或总生物量)第 采样点所有浮游植物总丰度(或总生物量)(,)。采用 提出的营养状态指数法评价香溪河的富营养化状态,经 修订后采用加权平均法计算,其计算公式分别为:方灵超等:三峡水库香溪河库湾浮游植物功能群对
10、水位变化的响应()()()()()()()()()()()()()()()()式中,为综合营养状态指数,()为 个参数的权重,(),(),(),。评价标准为:为贫营养,为中营养,为富营养。指数(浮游植物群落指数,)由 等推广,用于评估水体生态健康状态,计算方法如下:()式中,为浮游植物功能群的数量,为第 个功能群生物量占总生物量的比例,为第 个功能群的赋值(表)。指数为 时分别表示:差;耐受;中等;好;极好。采用 软件绘制采样点图;利用 和 软件进行数据分析、统计和绘图;差异显著性采用 单因素 多重比较;冗余分析()采用 软件分析浮游植物优势种与环境因子的关系,分析前对物种数据以及环境变量(除
11、 值外)进行()转换。结果 水位和环境因子变化 水位变化情况 根据水位变化过程,三峡运行阶段主要分为消落期、汛期、蓄水期、高水位运行期 个阶段(图)。月为消落期,水位由 降至 ,降幅 ,水位日变幅较小,变化范围在在 ;月为汛期,通过调节水库将水位控制在 之间,因防洪要求,此阶段水位日变幅有所增大,最大日变幅达到 ;月开始进入蓄水期,月 日水位升高到 ,升幅,水位日变动幅度较大,变动范围在 之间;月和 月为高水位运行期,月的水位介于 之间,水位变幅为 ,高水位运行期一直保持在高水位,水位日变幅很小()。图 年香溪河库湾水位及其日变幅 (湖泊科学),()环境因子 调查期间,香溪河库湾的环境因子变化
12、如图 所示。时间上,汛期水温(图 个水位时期香溪河库湾环境因子的空间变化 方灵超等:三峡水库香溪河库湾浮游植物功能群对水位变化的响应)显著高于消落期和高水位运行期(),总氮总磷浓度高(),()但透明度较低,表现为高温、富营养、低透明度。高水位运行期水温()显著低于其他 个时期(),总氮总磷浓度低(),()但透明度()显著高于其他 个时期(),特征为低温、低营养、高透明度。消落期和蓄水期的水温、总氮总磷浓度和透明度介于汛期和高水位运行期之间。空间上,磷浓度、透明度和电导率有明显的空间梯度,且各因子的空间梯度具有时期差异性:汛期表现为总磷和磷酸盐从上游到下游逐渐降低;消落期和汛期的透明度和电导率从
13、上游到下游逐渐升高。浮游植物特征 浮游植物群落结构 研究期间共检测出浮游植物 门 属 种,其中绿藻 属,占;其次是硅藻 属,占;蓝藻 属,占;甲藻 属、金藻 属、隐藻 属和裸藻 属。浮游植物丰度以硅藻、蓝藻、绿藻为主(图),消落期硅藻相对丰度最大(),其次为甲藻()和绿藻();汛期蓝藻相对丰度()最大,硅藻相对丰度下降();蓄水期硅藻相对丰度增大(),蓝藻()和绿藻()减少;高水位运行期主要是硅藻()。说明香溪河水位升高时以硅藻为主,随着水位下降,蓝藻和绿藻占比增大。从空间上看,下游表现为硅藻相对丰度大,蓝藻相对丰度小;而中游和上游蓝藻逐渐增多,硅藻相对丰度逐渐减小(除),绿藻相对丰度在样点间
14、差别不大。图 香溪河库湾浮游植物相对丰度的时空格局 浮游植物功能群划分 调查期间香溪河库湾共检出 个功能类群(表),分别是、。优势功能群 个(),分别为、,均为适应中富营养环境类群。优势功能群组成随时间的变化为、(消落期:月)、(汛期:月)、(蓄水期:月)、(高水位运行期:月)(图)。、功能群是 个时期的共有优势功能群,说明香溪河库湾 个时期均处于中富营养状态。消落期优势功能群生活在偏扰动较弱、中富营养水体;汛期的优势功能群偏好稳定富营养高温水体、耐受高光强且对水体冲刷敏感;蓄水期和高水位运行期的优势功能群偏好混合的中富营养水体中,耐受低光强且对水体分层敏感。水位由高到低,功能群从偏好混合状态
15、水体转为偏好静止、富含营养盐的水体。从空间上看,优势功能群有 种,分别为、。沿线变化为、(库湾下游:)、(库湾中游:)、(库湾上游:)。下游的优势功能群为偏好混合水体、耐受冲刷,对分层敏感的类群;中游和上游的优势功能群偏好营养盐丰富、稳定、分层的水体。(湖泊科学),()表 香溪河库湾浮游植物功能群分组 功能群代表性种(属)生境特征赋值 小环藻 混合、富营养、中小型水体脆杆藻 含有富营养盐、透明度低锥囊藻 贫中营养型水体月牙藻 ,球囊藻 混合、中富营养型湖泊实球藻 ,空球藻 富营养、停滞水体拟鱼腥藻 富营养、分层、含氮低、浅水栅藻 ,四星藻 中到富营养、分层蓝纤维藻 富到超营养、中小型水体色球藻
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