趙立賓，萬年新，魏 松，劉旭堂，宮立強，張 燁，劉國祥，朱 歡

(1.山東省調(diào)水工程運行維護中心，濟南 250000；2.山東省調(diào)水工程運行維護中心棘洪灘水庫管理站，山東 青島 266100；3.山東省調(diào)水工程運行維護中心博興管理站，山東 濱州 256500；4.中國科學院水生生物研究所，武漢 430072)

棘洪灘水庫位于青島市城陽區(qū)棘洪灘街道以西，地跨城陽、即墨和膠州3個區(qū)市，是引黃濟青調(diào)水工程的重要調(diào)蓄水庫。該水庫整個圍壩呈八角形，壩長約14.23 km，庫容面積約14.42 km2，興利水位6.5～14.2 m。棘洪灘水庫是青島市重要的水源供給地，因此該水庫的水質(zhì)狀況和水質(zhì)安全備受關(guān)注。浮游植物是水體生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，作為初級生產(chǎn)者，浮游植物在水體物質(zhì)循環(huán)和能量傳遞過程中有著非常重要的作用[1]。浮游植物的群落結(jié)構(gòu)不僅顯現(xiàn)了群落中各物種對環(huán)境狀態(tài)的偏好和耐受，同時也體現(xiàn)出各個物種間的相互影響與依存關(guān)系[2]。浮游植物群落結(jié)構(gòu)隨著水體理化環(huán)境的變化而發(fā)生變化，其群落分布、結(jié)構(gòu)組成等必然會直接或間接的影響或反映水體生態(tài)環(huán)境的生態(tài)平衡及水體各理化因子的變化[3]。另外，浮游植物作為一個典型的生態(tài)學概念，其分類單元組成異質(zhì)性較高，不同的類群可以在不同營養(yǎng)條件下生長，成為不同營養(yǎng)水平的指示種，進而可以根據(jù)藻類群落組成特征來評定水體營養(yǎng)狀態(tài)[4]。因此，浮游植物群落結(jié)構(gòu)組成可以作為水體營養(yǎng)狀態(tài)的指示標志，大量的研究均表明浮游植物群落結(jié)構(gòu)演替變化可用以監(jiān)測水質(zhì)。此外，浮游植物的大量增殖引起的藻華會引發(fā)諸多水質(zhì)安全隱患，而對水庫浮游植物進行長期監(jiān)測可以監(jiān)控和預防水華爆發(fā)。為了解棘洪灘水庫水體營養(yǎng)狀態(tài)的基本現(xiàn)狀，本文對棘洪灘水庫15年的浮游植物群落結(jié)構(gòu)變化進行了分析，冀以為科學管理水庫提供決策依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與處理

樣點布設在棘洪灘水庫進水口、出水口和水庫中心；其中進水口和出水口的采樣頻次為2003年至2018年間每月一次?？紤]到采樣的便利性，水庫中心樣點僅在部分月份進行了采集。采集表層水體(0.5 m深)和中下層水體(4.0 m深)處各1 L后混勻取1 L水樣，后加入1%體積比的Lugol’s固定液固定水樣。水樣沉淀48 h后濃縮至30 mL。

1.2 樣品鑒定與計數(shù)

計數(shù)使用浮游生物計數(shù)框，單次取100 μL濃縮后的樣品滴入計數(shù)框進行計數(shù)。計數(shù)方法采用視野法，每個樣品計數(shù)視野不低于100個，且至少重復兩次，兩次計數(shù)平均值之差不高于15%。密度計算公式如下：

M= (mS×104)/(sn)

(1)

式中：M為生物密度，106cells/L；m為計數(shù)的個數(shù)；S為計數(shù)框面積，μm2；n為計數(shù)的視野數(shù)量；s為顯微鏡的單個視野面積國，μm2。

2 結(jié)果與分析

2.1 浮游藻類生物量(細胞密度)及群落結(jié)構(gòu)變化

2003-2018年間每年的秋季(8-10月間)出現(xiàn)一個浮游植物生物量高峰，而其他季節(jié)的細胞密度相對較低(圖1)，即棘洪灘水庫浮游植物細胞密度變化為單峰型。從群落結(jié)構(gòu)組成來看，每次峰值期間其群落均以藍藻為優(yōu)勢類群(圖1)。棘洪灘水庫進水口多數(shù)月份浮游植物細胞密度維持在一個低水平，僅有少數(shù)峰值月份出現(xiàn)較高密度的藍藻。例如，2003年10月，進水口細胞密度達到為196.69×106cells/L。其他月份細胞密度基本保持在一個較低水平，其均值在3.17×106cells/L左右。在進水口出現(xiàn)細胞密度峰值的月份節(jié)點，其對應的出水口浮游植物細胞密度遠低于進水口，例如2003年、2013年和2018年的8月份和9月份，說明盡管引水水質(zhì)不佳，但水庫能夠稀釋或消化引入的藻類(圖1)。

圖1 棘洪灘水庫2003-2018年浮游植物群落結(jié)構(gòu)及浮游植物細胞密度月度變化Fig.1 The community composition and density of phytoplankton per month in Jihongtan Reservoir during year 2003-2018

從年度均值來看，自2003年以來棘洪灘水庫進水口浮游植物細胞密度最低值是2012年，為1.18×106cells/L；最高為2015年，為28.72×106cells/L；數(shù)值較高的還有2013年和2018年，分別為21.59×106cells/L。放水口最低值是在2016年，為1.23×106cells/L，最高為2018年，為14.77×106cells/L；數(shù)值較高的還有2017年為14.09×106cells/L、2015年為13.06×106cells/L(圖2)。2003-2004年間浮游藻類生物量較高，確定為引大沽河和峽山水庫等外源水的原因，全部改引黃河水后，情況好轉(zhuǎn)。2015年浮游植物進水口和出水口整體偏高，可能與山東半島旱情嚴重、水庫長時間維持在較低水位、同時引水水源為峽山水庫有關(guān)。近期2017-2018年藻類生物量有點偏高，可能與南水北調(diào)東線工程引長江水和長期低水位運行等因素有關(guān)。放水口藻類細胞密度低于進水口，進水口均值為7.89×106cells/L，放水口為4.58×106cells/L，顯示水庫有一定自凈能力，但也存在延遲效應，即高藻源水進入后需要一定時間消化，停止進水(或進水水質(zhì)轉(zhuǎn)好后)放水口藻類生物量會短時間高于進水口。(進水口數(shù)據(jù)平均方差明顯大于放水口313.7>67.66；去兩個除極值后72.85>63.26,n=192)。進水口受來水影響，數(shù)據(jù)波動較大。大多數(shù)年份藻類生物量并不高，表明水體處于中營養(yǎng)水平。水位低時水草茂盛，此時藻類生物量極低，尤其是在2015-2016年間。整體上，出水口和進水口群落結(jié)構(gòu)基本一致。除2015年、2017年和2018年以外，出水口近15年來基本維持在10×106cells/L以下，表明水庫供水水質(zhì)較好。

圖2 棘洪灘水庫2003-2018年年均浮游植物群落結(jié)構(gòu)及浮游植物細胞密度變化Fig.2 The community composition and density of phytoplankton per year in Jihongtan Reservoir during year 2003-2018

冬春季節(jié)浮游植物細胞密度低于其他季節(jié)，這與冬季和春季水溫較低，不利于藍藻繁殖有關(guān)。群落結(jié)構(gòu)方面，冬春季節(jié)表現(xiàn)為以硅藻有絕對優(yōu)勢，偶有個別月份金藻和綠藻為次優(yōu)勢類群。夏初季節(jié)，硅藻、藍藻和綠藻優(yōu)勢度較高，但不存在明顯的絕對優(yōu)勢類群。夏末至秋季，藍藻類是水庫的絕對優(yōu)勢類群。從2003年至2018年15年的月份均值來看，棘洪灘水庫的浮游植物群落按照每年的月份可以劃分為4個階段，即1月至5月的冬春階段、6月至7月的夏季階段、8月至11月的夏末至深秋階段、以及12月份的初冬階段(圖3)。整體來看，水庫的浮游植物群落結(jié)構(gòu)同水溫密切相關(guān)；而棘洪灘水庫浮游植物的四個階段劃分基本可以推測這是其所處位置的氣候環(huán)境決定的。即，棘洪灘水庫四季溫差明顯，導致了冬春季節(jié)以硅藻和金藻為優(yōu)勢；隨著氣溫升高，春末夏初偏好高溫的藍藻和綠藻比例開始上升；到了夏末和秋季，強烈的日照和適宜的高溫使得藍藻成為群落的絕對優(yōu)勢類群；入冬以后，隨著氣溫的降低，藍藻的比例開始逐步下降而硅藻等偏好低溫的種類比例開始上升(圖4)。

圖3 棘洪灘水庫月均浮游植物群落結(jié)構(gòu)、各類群細胞密度及群落聚類情況Fig.3 The community composition of phytoplankton per month, density of main algal group, and community cluster result

圖4 周年內(nèi)棘洪灘水庫浮游植物群落優(yōu)勢類群演變示意圖Fig.4 The variation of dominant phytoplankton group

2.2 水庫中心浮游藻類分析

由于引水口與出水口分別在水庫的兩側(cè)，外源引水進入水庫后需要流經(jīng)庫中心才能進入出水口，因此分析水庫中心的藻類對于整體了解和評價水質(zhì)也具有非常重要的意義。我們僅選取非引水時間段對庫中心、進水口和出水口進行了對比。圖5是非引水時間段2003年11月中旬水庫中心(距離岸邊500 m)的藻類群落組成，主要由硅藻和隱藻組成，表明水庫水質(zhì)基本處于中營養(yǎng)化水平。其浮游植物細胞密度為1.38×106cells/L。對比同時期其他兩個常規(guī)檢測樣點，優(yōu)勢藻類均為藍藻類，群落結(jié)構(gòu)和生物量均顯示庫中心為優(yōu)。

圖5 2003年11月水庫中心浮游藻類組成Fig.5 The algal composition of central area in Nov, 2003

2.3 外源引水對藻類的影響

作為調(diào)水工程蓄水水庫，外源引水是棘洪灘水庫的絕對水源。因此關(guān)注外源水質(zhì)對于水庫管理至關(guān)重要。此處以2004年的兩次引水為例。2004年8月，水庫從大沽河引水時，依次在前池、進水口、水庫中心、放水口4個點取樣。僅從藻類細胞密度看，差異明顯。前池的藻類細胞密度是放水口的20倍，外來水源藻類細胞密度高達22.8×106cells/L，優(yōu)勢種類為藍藻門微囊藻。2004年12月，水庫從峽山水庫引水，前池藻類細胞密度高達61.3×106cells/L，遠高于放水口的9.33×106cells/L，優(yōu)勢種類也是藍藻門微囊藻屬種類。結(jié)果表明棘洪灘水庫在引水水質(zhì)不佳時能夠?qū)ν庠丛暹M行一定程度的稀釋(圖6)。

圖6 2004年8月引水中各位點藻類細胞密度變化圖Fig.6 The algal density variation of each sampling site in Aug, 2004

3 討論與結(jié)論

一般來說，水體環(huán)境因子的改變最直接的影響就是浮游植物群落結(jié)構(gòu)及其細胞密度發(fā)生改變，因此浮游植物是衡量水體水質(zhì)的指示生物[5]。多數(shù)研究表明藍藻的大量增長是水體富營養(yǎng)化的表征，而金藻和硅藻等的增多則是水質(zhì)逐漸向好的體現(xiàn)[6]。顯然，浮游植物群落結(jié)構(gòu)組成和生物量的多寡僅是水體水質(zhì)的一個側(cè)面反映，由于不同類群的浮游植物通常有不同的最適生長條件，因此應用浮游植物群落結(jié)構(gòu)來衡量水質(zhì)情況還需要根據(jù)具體的種類和季節(jié)來確定。棘洪灘水庫作為人工水庫其水體均質(zhì)性非常高，因此其浮游植物多樣性基本取決于水溫和外源引水水質(zhì)。其中藻類群落季節(jié)演替主要驅(qū)動因素推測為水溫，水庫浮游植物的優(yōu)勢類群演變能夠明顯支持這一觀點。根據(jù)棘洪灘水庫的浮游植物群落結(jié)構(gòu)組成，我們認為絕大多數(shù)年份棘洪灘水庫基本處于中營養(yǎng)狀態(tài)至中富營養(yǎng)狀態(tài)，這一結(jié)論同之前的研究是一致的[7]。在北半球的溫帶地區(qū)，藍藻的過量繁殖多爆發(fā)于夏秋季節(jié)、而硅藻和金藻多偏好于低溫的冬春季節(jié)[8]。我們在棘洪灘水庫的監(jiān)測的結(jié)果正符合這一規(guī)律，這一方面反映棘洪灘水庫水體十分正常；另一方面說明棘洪灘在夏秋季節(jié)仍舊面臨著較嚴峻的藍藻暴發(fā)風險。作為青島市主要的飲用水水源地，棘洪灘水庫在冬春季以及夏初水質(zhì)良好、基本無高藻供水風險；然而近15年來，夏末至深秋仍舊是藍藻優(yōu)勢的集中時期。結(jié)合近年來對水庫進水口、庫中心、出水口、引水渠和前池的藻類群落結(jié)構(gòu)分析，我們認為在秋季需要嚴格監(jiān)測引水水體水質(zhì)、同時加大引水量，這能夠在一定程度上預防高藻供水風險。水庫出水口和進水口處于水庫的兩側(cè)，引水水質(zhì)進入水庫后往往在短時間內(nèi)被水庫大水體所同質(zhì)化，因此引水水質(zhì)和水庫水體水質(zhì)共同決定了供水水質(zhì)。由于棘洪灘水庫為典型的淺漏斗形水庫，因此近岸區(qū)域受風浪影響較大。風浪引起的上覆水和底泥等的再懸浮使得近岸區(qū)域的水體營養(yǎng)更為豐富，因此這部分區(qū)域的水體浮游植物生物量及豐富度可能也更高。而靠近庫區(qū)中心的水體由于較深，風浪對于底泥的再懸浮基本不存在較大作用，這部分水體的浮游植物生物量較低。這也是為何我們的研究發(fā)現(xiàn)庫中心的水質(zhì)整體好于進水口和出水口原因。因此，同時在夏秋季節(jié)將引水口向庫心位置前移也能夠適當降低高藻供水風險；另外近岸區(qū)域適當維持一定生物量的水生植物對于降低風浪影響以及抑制藍藻類的爆發(fā)性增殖可能會有一定作用。

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