宋 劼，易雨君，周 揚(yáng)，賈文飛，高艷寧，李軍華

（1.北京師范大學(xué) 水沙科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875；2.黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003）

1 研究背景

河流作為重要的淡水資源，在生態(tài)環(huán)境演變與人類(lèi)社會(huì)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。受氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的影響，河流的水文過(guò)程和物理化學(xué)特征發(fā)生了變化，對(duì)河流棲息地和水生生態(tài)系統(tǒng)造成了影響[1]。大壩具有發(fā)電、防洪、航運(yùn)等重要作用，可促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展[2-3]，因此世界大部分河流上都已修建大壩。雖然大壩的修建可促進(jìn)人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展，但同時(shí)也成為了河流系統(tǒng)的主要擾動(dòng)之一，對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生顯著的影響，可導(dǎo)致上下游水體污染、富營(yíng)養(yǎng)化、河床淤積等[4]，這一點(diǎn)已引起了世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注。

浮游生物，包括浮游植物和浮游動(dòng)物，是水生食物網(wǎng)的重要組成部分[5]。浮游植物是水生生態(tài)系統(tǒng)的主要初級(jí)生產(chǎn)者，作為食物鏈的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，是水體可溶性有機(jī)質(zhì)的主要來(lái)源，在海洋、湖泊、河流等多種水生生態(tài)系統(tǒng)中均發(fā)揮著不可替代的作用。浮游動(dòng)物是水生生態(tài)系統(tǒng)初級(jí)消費(fèi)者的關(guān)鍵組成部分，一方面通過(guò)攝食來(lái)影響浮游植物的物種組成和種群數(shù)量，另一方面其種群數(shù)量的變化也會(huì)導(dǎo)致底棲動(dòng)物、魚(yú)類(lèi)等更高營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物個(gè)體數(shù)量的波動(dòng)[6]，因此浮游動(dòng)物通常被認(rèn)為是連接初級(jí)生產(chǎn)者與更高營(yíng)養(yǎng)層級(jí)的紐帶，其生長(zhǎng)狀況和種群變化在水生生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)中具有關(guān)鍵作用。細(xì)菌是微生物中數(shù)量最大、種類(lèi)最多、且具有廣泛功能多樣性的類(lèi)群之一，是浮游動(dòng)物的重要食物來(lái)源之一[7]，作為生態(tài)系統(tǒng)中的分解者，在河流物質(zhì)循環(huán)與能量輸移中起到至關(guān)重要的作用。

河流生態(tài)系統(tǒng)中浮游生物群落的分布易受到水體中水動(dòng)力和理化條件[8]的影響。由于不同種類(lèi)浮游生物對(duì)環(huán)境因子的反應(yīng)不同，且環(huán)境因子之間也存在較復(fù)雜的相互作用，因此難以明確浮游生物群落與環(huán)境之間的作用關(guān)系。已有學(xué)者針對(duì)不同水體環(huán)境因子變化如何影響浮游生物和細(xì)菌群落進(jìn)行了研究。例如，光照和水體溫度是導(dǎo)致浮游植物空間分布和物種結(jié)構(gòu)改變的重要條件，營(yíng)養(yǎng)鹽（包括氮，磷和硅等）對(duì)浮游生物的生長(zhǎng)起到直接的作用[9]。懸浮泥沙一方面可通過(guò)影響水體透明度對(duì)浮游生物群落產(chǎn)生影響[10]，另一方面，泥沙顆粒本身也可對(duì)浮游生物個(gè)體產(chǎn)生影響[11]。除此之外，pH值，電導(dǎo)率，濁度和氧化還原電位等環(huán)境因子，也可對(duì)浮游生物產(chǎn)生不同程度的影響[9]。與浮游生物類(lèi)似，環(huán)境因子的變化也是改變河流的微生物結(jié)構(gòu)的重要條件[12]。

黃河曾是世界上最大的河流泥沙載體[13]。然而，在過(guò)去60年中，由于氣候變化和流域內(nèi)人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度增大，黃河的徑流量顯著下降，輸沙能力下降了90%以上。自1990年代以來(lái)，黃河面臨持續(xù)的枯水系列，下游河道年均淤積量達(dá)2.2億t，水沙間不平衡關(guān)系日益凸顯，下游河道面臨嚴(yán)重的淤積問(wèn)題。為緩解上述問(wèn)題，自2000年起，基于黃河下游河道沖淤規(guī)律，通過(guò)小浪底水庫(kù)實(shí)施調(diào)水調(diào)沙[14]，塑造出利于下游河道輸沙的水沙關(guān)系，從而釋放水庫(kù)庫(kù)容降低了下游洪水風(fēng)險(xiǎn)，并使得河道淤積現(xiàn)象得到改善。但水沙關(guān)系的快速改變也對(duì)下游生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了較大影響，調(diào)水調(diào)沙過(guò)程在短時(shí)間增大了水量和水體中含沙量，改變了下游河流水體理化性質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)，對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成較大擾動(dòng)，特別是浮游植物、浮游動(dòng)物，以及體積更小且廣泛分布的細(xì)菌群落，這些生物類(lèi)群多以懸浮狀態(tài)存在于水體中，種群結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)量大而個(gè)體體積小，受環(huán)境因子的變化影響，種群結(jié)構(gòu)可快速發(fā)生改變，因而可作為研究河流水生態(tài)短期變化的指示性物種[9]。本研究對(duì)調(diào)水調(diào)沙前、中、后三個(gè)時(shí)期河道水環(huán)境因子及浮游生物和細(xì)菌群落進(jìn)行定量分析，分別采用結(jié)構(gòu)方程模型（SEM）和基于距離的冗余分析（db-RDA），探討調(diào)水調(diào)沙影響下黃河下游河段浮游生物及細(xì)菌群落對(duì)環(huán)境因子間的響應(yīng)規(guī)律。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)域概況本研究河段為黃河小浪底-利津段，地跨河南和山東兩省，全長(zhǎng)約810 km。2018年調(diào)水調(diào)沙開(kāi)始于7月3日，結(jié)束于7月23日，2019年調(diào)水調(diào)沙開(kāi)始于7月2日，結(jié)束于7月22日。于黃河中下游選取具有代表性的監(jiān)測(cè)斷面（圖1），主要包括小浪底水庫(kù)壩下（S1）、西霞院水庫(kù)（S2）、西霞院水庫(kù)壩下（S3）、寬灘區(qū)段（S4～S8）和束窄區(qū)段（S9～S10），其中，S1所受的水沙脈沖最為強(qiáng)烈，S2 由于為反調(diào)節(jié)水庫(kù)，在調(diào)水調(diào)沙期間處于排空狀態(tài)，自S3 起至S10，水沙脈沖導(dǎo)致的強(qiáng)烈的水體紊動(dòng)沿程逐漸減弱。監(jiān)測(cè)斷面中除S2和S3 外均與相應(yīng)水文站點(diǎn)匹配。在2018年調(diào)水調(diào)沙前（6月21—23日）、調(diào)水調(diào)沙期（7月5—7日）和調(diào)水調(diào)沙結(jié)束后（8月5—7日），以及2019年調(diào)水調(diào)沙前（6月23—25日）、調(diào)水調(diào)沙期（7月7—9日）和調(diào)水調(diào)沙結(jié)束后（8月15—17日）分別對(duì)研究河段進(jìn)行調(diào)查。

圖1 黃河小浪底下游河道區(qū)位及采樣斷面示意圖

2.2 數(shù)據(jù)環(huán)境因子分現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定因子與室內(nèi)測(cè)定因子兩部分。使用多參數(shù)水質(zhì)儀（YSI-EXO）對(duì)水溫（T）、溶解氧（DO）、電導(dǎo)率（COND）、總可溶固體（TDS）、pH、氧化還原電位（ORP）、濁度（NTU）和葉綠素a（Chl-a）進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定。同時(shí)用500 mL 聚乙烯瓶采集水樣并于4℃低溫保存，回到實(shí)驗(yàn)室后采用分光光度法測(cè)定水樣總氮（TN）、總磷（TP）和可溶性硅（Si）。

浮游動(dòng)物樣品采用25#浮游生物網(wǎng)對(duì)河流表層以下10 cm 處的水體進(jìn)行過(guò)濾，過(guò)濾體積為0.1 m3。浮游植物樣品用1 L 聚乙烯瓶收集水樣后，用5%甲醛溶液和魯哥試劑固定，回到實(shí)驗(yàn)室靜置48 h 后用虹吸法濃縮至30 mL，采用20 mm×20 mm 計(jì)數(shù)框配合10×20 倍顯微鏡進(jìn)行計(jì)數(shù)及鑒定。

懸浮態(tài)細(xì)菌樣品通過(guò)將水樣搖勻后，經(jīng)0.4 μm 濾膜過(guò)濾處理獲取，沉積態(tài)細(xì)菌樣品通過(guò)冷凍干燥法處理獲取。采用PCR 擴(kuò)增技術(shù)對(duì)細(xì)菌16SrRNA的V4-V5 區(qū)進(jìn)行擴(kuò)增，每個(gè)樣品進(jìn)行3次重復(fù)。使用AxyPrep DNA 凝膠回收盒回收PCR 產(chǎn)物，并使用QuantiFluor-ST 藍(lán)色熒光定量系統(tǒng)檢測(cè)，之后構(gòu)建MiSeq 文庫(kù)，采用Illumina MiSeq Platform 進(jìn)行高通量測(cè)序。

2.3 生物多樣性分析Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)：

式中：H為Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)；S為物種數(shù)；ni為第i個(gè)物種出現(xiàn)的頻率；N為觀察到的個(gè)體總數(shù)。

2.4 結(jié)構(gòu)方程模型使用可視化模塊軟件SPSS AMOS 建立結(jié)構(gòu)方程模型[15]?；趯?duì)浮游生物群落與環(huán)境因素一般關(guān)系的研究[9-11]構(gòu)建假設(shè)模型，對(duì)模型進(jìn)行違規(guī)估計(jì)檢驗(yàn)、擬合優(yōu)劣指標(biāo)檢驗(yàn)和模型修訂指標(biāo)檢驗(yàn)，選出有顯著作用的因子和路徑后，輸出模型計(jì)算結(jié)果。本研究參選因子包括：浮游植物生物量（PB）、浮游動(dòng)物生物量（ZB）、水溫（T）、溶解氧（DO）、濁度（NTU）、氧化還原電位（ORP）、pH、葉綠素a（Chl-a）、流量（Flow）、泥沙濃度（Sed）、TP、TN、可溶性硅（以SiO2計(jì)）等。結(jié)構(gòu)方程假設(shè)模型如圖2所示。

圖2 浮游生物與環(huán)境因子結(jié)構(gòu)方程假設(shè)模型

2.5 基于距離的冗余分析（db-RDA）db-RDA 廣泛用于分析微生物群落與環(huán)境因子間的作用關(guān)系[16]。本研究基于R語(yǔ)言vegan 包，首先將OTU 表格和環(huán)境因子表格進(jìn)行均一化處理，計(jì)算方差膨脹因子分析并刪除具有共線性的環(huán)境因子后，計(jì)算基于Bray-Curtis 距離的距離矩陣，創(chuàng)建虛擬變量矩陣，利用RDA 分析主坐標(biāo)（物種數(shù)據(jù)）與虛擬變量（模型數(shù)據(jù)）之間的關(guān)系。

3 結(jié)果與討論

3.1 調(diào)水調(diào)沙前后水環(huán)境因子時(shí)空特征分析表1和表2 列出了不同采樣時(shí)期中黃河水體環(huán)境因子的特征值。結(jié)果表明，相對(duì)于調(diào)水調(diào)沙前，調(diào)水調(diào)沙開(kāi)始后河流溶解氧（DO）、氧化還原電位（OTU）、濁度（NTU）等均發(fā)生了一定變化，且調(diào)水調(diào)沙過(guò)程不同程度地增大了除電導(dǎo)率和氧化還原電位外大部分環(huán)境因子沿程濃度的標(biāo)準(zhǔn)差，表明調(diào)水調(diào)沙使得環(huán)境因子發(fā)生波動(dòng)，屬于較強(qiáng)的外界脅迫。

3.2 黃河下游河道浮游生物和細(xì)菌物種組成共鑒定到浮游植物6個(gè)門(mén)類(lèi)，共計(jì)77個(gè)物種，包括：藍(lán)藻門(mén)（Cyanophyta）、甲藻門(mén)（Pyrrophyta）、裸藻門(mén)（Euglenophyta）、硅藻門(mén)（Bacillariophyta）、隱藻門(mén)（Chrysophyta）和綠藻門(mén)（Chlorophyta）。其中，以綠藻門(mén)的種類(lèi)數(shù)最多，有30種，占總物種數(shù)的38.46%；其次是硅藻門(mén)26種，占33.33%；隱藻門(mén)物種最少僅2種，占2.56%。共收集到浮游動(dòng)物3門(mén)10 科28種，其中輪蟲(chóng)（Rotifera）25種，占89.29%，橈足類(lèi)（Copepoda）2種，占7.14%，枝角類(lèi)（Cladocera）1種，占3.57%。共獲取到細(xì)菌OTU 4036個(gè)，經(jīng)物種注釋劃分為45個(gè)門(mén)、115個(gè)綱、292個(gè)目、480個(gè)科、903個(gè)屬和1778個(gè)種。優(yōu)勢(shì)物種主要為變形菌門(mén)（Proteobacteria）、酸桿菌門(mén)（Acidobacteria）、放線菌門(mén)（Actinobacteria）、綠彎菌門(mén)（Chloroflexi）等。

表1 調(diào)水調(diào)沙影響下不同時(shí)期下游河道水環(huán)境因子特征值

3.3 調(diào)水調(diào)沙不同階段浮游生物和細(xì)菌空間分布情況

3.3.1 調(diào)水調(diào)沙不同階段浮游植物空間分布情況 調(diào)水調(diào)沙前黃河下游浮游植物平均生物量為0.66 mg/L，最低點(diǎn)出現(xiàn)在S3，最高點(diǎn)出現(xiàn)在S7，總體上S1～S4 生物量較低，S5～S10 生物量較高；調(diào)水調(diào)沙期平均生物量降至0.47 mg/L，較之前降低了28.79%，最低點(diǎn)出現(xiàn)在S1，最高點(diǎn)出現(xiàn)在S9；調(diào)水調(diào)沙后浮游植物平均生物量增至0.61 mg/L，最低點(diǎn)出現(xiàn)在S2，最高點(diǎn)出現(xiàn)在S8，參見(jiàn)圖3。

調(diào)水調(diào)沙前浮游植物的Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)平均值為1.63?？臻g上，沿程最低值出現(xiàn)在S4，最高值出現(xiàn)在S6，S5～S7 段顯著高于其他河段。調(diào)水調(diào)沙期浮游植物的Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)平均值為1.49，空間上，沿程最低值出現(xiàn)在S6，最高值出現(xiàn)在S2。調(diào)水調(diào)沙結(jié)束后，浮游植物的Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)平均值為0.75，相較于前兩個(gè)時(shí)期有所降低，空間上，沿程最低值出現(xiàn)在S6，最高值出現(xiàn)在S2。

整體而言，調(diào)水調(diào)沙對(duì)于浮游植物生物量的影響范圍較大，研究表明總影響長(zhǎng)度可達(dá)540 km[17]。調(diào)水調(diào)沙期間水體紊動(dòng)加快，水環(huán)境因子發(fā)生改變，沉積物中的營(yíng)養(yǎng)鹽發(fā)生再懸浮，懸浮物中內(nèi)源營(yíng)養(yǎng)鹽的釋放、擴(kuò)散和輸移速率也得到了一定提高[18]，有利于浮游植物細(xì)胞對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的吸收，最終影響浮游植物的群落結(jié)構(gòu)。然而當(dāng)水流達(dá)到一定流速時(shí)，水體紊動(dòng)帶動(dòng)懸浮泥沙在水體中運(yùn)動(dòng)，可對(duì)浮游植物的細(xì)胞產(chǎn)生機(jī)械損傷，并抑制藻細(xì)胞的分裂增殖[19]。

圖3 調(diào)水調(diào)沙不同階段下游河道浮游植物生物量及Shannon-Wiener 生物多樣性指數(shù)沿程變化趨勢(shì)

基于門(mén)的浮游植物生物量組合百分比顯示，調(diào)水調(diào)沙前，硅藻門(mén)生物量占較大優(yōu)勢(shì)，占比58.71%，其次為綠藻門(mén)，占15.16%，藍(lán)藻門(mén)最低，僅占0.60%。調(diào)水調(diào)沙期間，綠藻門(mén)占較大優(yōu)勢(shì)，其平均值為57.52%，其次為硅藻門(mén)，占28.99%，隱藻門(mén)最低，占0.10%。調(diào)水調(diào)沙后，藍(lán)藻門(mén)生物量占較大優(yōu)勢(shì)，占45.54%，其次為硅藻門(mén)，占22.84%，裸藻門(mén)和甲藻門(mén)物種占比較近，分別為14.82%和14.61%。黃河下游河道調(diào)水調(diào)沙前、中和后期的優(yōu)勢(shì)物種分別為硅藻門(mén)、綠藻門(mén)和藍(lán)藻門(mén)，這三種藻類(lèi)均為典型的屬r 選擇的物種，該類(lèi)物種的特點(diǎn)是生長(zhǎng)繁殖速率快、對(duì)環(huán)境資源的變化響應(yīng)迅速、但無(wú)法長(zhǎng)期維持最大種群密度[20]。調(diào)水調(diào)沙前黃河的浮游植物種群以硅藻門(mén)為主，調(diào)水調(diào)沙期間原本占優(yōu)勢(shì)的硅藻門(mén)被綠藻門(mén)所取代，調(diào)水調(diào)沙結(jié)束后優(yōu)勢(shì)物種逐漸演變?yōu)樗{(lán)藻門(mén)。根據(jù)PEG 理論模型（Plankton Ecology Group Modeling）[21]，浮游植物群落優(yōu)勢(shì)物種可季節(jié)性地從硅藻門(mén)演變?yōu)榫G藻門(mén)，再演變?yōu)樗{(lán)藻門(mén)，整個(gè)過(guò)程所需的時(shí)間一般在6～9個(gè)月，黃河下游河道浮游植物的優(yōu)勢(shì)種演變僅在調(diào)水調(diào)沙前后的約60 天內(nèi)便可完成，相比模型描述的過(guò)程明顯加快。造成該現(xiàn)象的主要原因可能在于，調(diào)水調(diào)沙過(guò)程流量增大、流速加快，使得營(yíng)養(yǎng)鹽的輸送速率提高，再加上水體溫度隨季節(jié)逐漸升高，促成了局部浮游植物物種的快速演變。

3.3.2 調(diào)水調(diào)沙不同階段浮游動(dòng)物空間分布情況 黃河下游河道浮游動(dòng)物的物種豐度和生物量整體相比湖泊和水庫(kù)明顯偏低[22-23]，相比同為大型河流的長(zhǎng)江[24]、淮河[25]等也整體偏低，枝角類(lèi)在三個(gè)采樣時(shí)段均為優(yōu)勢(shì)物種。在調(diào)水調(diào)沙前和調(diào)水調(diào)沙后浮游動(dòng)物生物量沿河流方向分布較為均勻，而調(diào)水調(diào)沙期浮游動(dòng)物生物量沿河流方向快速遞減并保持較低水平，其分布規(guī)律直接受調(diào)水調(diào)沙過(guò)程影響。調(diào)水調(diào)沙前平均生物量?jī)H為0.025 mg/L，沿程分布較均勻，而調(diào)水調(diào)沙期平均生物量增長(zhǎng)至0.449 mg/L，生物量空間分布總體呈現(xiàn)自上游向下游逐漸減小的趨勢(shì)，排除S2點(diǎn)位由于水庫(kù)排空造成與河道隔離，S1～S4段減小幅度較大，達(dá)85.97%，S5～S10則呈波動(dòng)式下降；調(diào)水調(diào)沙后河道生物量回落至0.032 mg/L，但相較調(diào)水調(diào)沙前平均生物量仍有所上升。

調(diào)水調(diào)沙前浮游動(dòng)物的Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)平均值為0.528，空間上，沿程最高值出現(xiàn)在S7；調(diào)水調(diào)沙期間浮游動(dòng)物的Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)平均值為0.255，最高值出現(xiàn)在S6；調(diào)水調(diào)沙后浮游動(dòng)物的Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)變化范圍為0.00～0.83，平均值為0.313，空間上，最高值出現(xiàn)在位于花園口附近的S4，參見(jiàn)圖4。

總體而言，黃河下游浮游動(dòng)物物種多樣性較低，調(diào)水調(diào)沙期間浮游動(dòng)物生物量明顯上升而生物多樣性反而下降。造成該現(xiàn)象的主要原因在于調(diào)水調(diào)沙期間流量增大，水庫(kù)中的浮游動(dòng)物大量遷移至下游河道，流動(dòng)水體產(chǎn)生的紊動(dòng)降低了浮游動(dòng)物的捕食成功率，最終導(dǎo)致其生長(zhǎng)繁殖受到抑制[26]。除流速外，含沙量也是造成浮游動(dòng)物生長(zhǎng)受到制約的外部條件，調(diào)水調(diào)沙前小浪底下游河道懸沙濃度平均為6.28 kg/m3，調(diào)水調(diào)沙期間最高可達(dá)26 kg/m3，高濃度的泥沙一方面直接對(duì)浮游動(dòng)物的組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損害，另一方面會(huì)堵塞浮游動(dòng)物的呼吸與濾食器官，不利于浮游動(dòng)物的生存[27]。

圖4 調(diào)水調(diào)沙不同階段下游河道浮游動(dòng)物生物量及Shannon-Wiener 生物多樣性指數(shù)沿程變化趨勢(shì)

浮游動(dòng)物組合百分比顯示，調(diào)水調(diào)沙前和調(diào)水調(diào)沙期枝角類(lèi)占優(yōu)勢(shì)，其占比分別達(dá)67.67%和91.37%；其次為輪蟲(chóng)綱，分別占29.68%和6.99%；橈足類(lèi)占比最低，分別為2.65%和1.63%。調(diào)水調(diào)沙后輪蟲(chóng)綱占優(yōu)勢(shì)（62.56%）。其原因可能在于，調(diào)水調(diào)沙期間，大量枝角類(lèi)物種隨水流從水庫(kù)進(jìn)入下游河道，使得下游河道形成以枝角類(lèi)占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的浮游動(dòng)物類(lèi)群。調(diào)水調(diào)沙結(jié)束后，水流穩(wěn)定，含沙量下降，繁殖迅速的輪蟲(chóng)綱物種占優(yōu)，浮游動(dòng)物的生物量相比調(diào)水調(diào)沙前有所增長(zhǎng)，總生物量增長(zhǎng)幅度在25.18%左右。

3.3.3 調(diào)水調(diào)沙不同階段細(xì)菌空間分布情況 水沙調(diào)控前，變形菌門(mén)（Proteobacteria）、放線菌門(mén)（Actinobacteria）、擬桿菌門(mén)（Bacteroidetes）、酸桿菌門(mén)（Acidobacteria）、厚壁菌門(mén)（Firmicutes）、綠彎菌門(mén)（Chloroflexi）、和浮霉菌門(mén)（Planctomycetes）等為該時(shí)期細(xì)菌中的優(yōu)勢(shì)物種，其中占比最大的為變形菌門(mén)，在細(xì)菌群落中總體占比為47.50%。其空間分布情況如圖5（a）所示。

水沙調(diào)控期間，變形菌門(mén)（Proteobacteria），放線菌門(mén)（Actinobacteria），擬桿菌門(mén)（Bacteroidetes），厚壁菌門(mén)（Firmicutes），芽單胞菌門(mén)（Gemmatimonadetes）為該時(shí)期細(xì)菌群落中的優(yōu)勢(shì)物種，其中占比最大的為變形菌門(mén)，在細(xì)菌群落中總占比達(dá)97.88%，如圖5（b）所示。

調(diào)水調(diào)沙后，變形菌門(mén)（Proteobacteria）、放線菌門(mén)（Actinobacteria）、擬桿菌門(mén)（Bacteroidetes）、酸桿菌門(mén)（Acidobacteria）、厚壁菌門(mén)（Firmicutes）、綠桿菌門(mén)（Chloroflexi）和黑體菌門(mén)（Planctomycetes）等成為了該時(shí)期細(xì)菌群落的優(yōu)勢(shì)物種。其中，變形菌門(mén)細(xì)菌群落中所占比例為47.50%，如圖5（c）所示。

圖5 調(diào)水調(diào)沙前、中、后黃河下游河流細(xì)菌群落物種組成

3.4 調(diào)水調(diào)沙影響下浮游生物對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)關(guān)系調(diào)水調(diào)沙前浮游生物與環(huán)境因子間的結(jié)構(gòu)方程模型如圖6（a）所示，DO的上升可使浮游植物的生物量明顯增長(zhǎng)，路徑系數(shù)達(dá)0.86，主要原因在于水體濁度較大，平均達(dá)150.86NTU，在此條件下浮游植物光合作用受到嚴(yán)重干擾，此時(shí)制約浮游植物生物量的環(huán)境因子變?yōu)镈O，因此其濃度的升高有利于浮游植物種群增長(zhǎng)，pH的升高可導(dǎo)致浮游植物生物量下降，主要原因在于，此階段水體pH 處于7.53～8.35 之間，pH的增大抑制了浮游植物的生長(zhǎng)。營(yíng)養(yǎng)鹽方面，可溶性Si 對(duì)浮游植物正向影響最大，路徑系數(shù)達(dá)0.94，主要原因在于，調(diào)水調(diào)沙前硅藻門(mén)是河道優(yōu)勢(shì)物種，而可溶性Si是硅藻門(mén)生長(zhǎng)的必需營(yíng)養(yǎng)鹽，故當(dāng)可溶性Si濃度上升時(shí)，浮游植物生物量出現(xiàn)明顯增長(zhǎng)。TP 對(duì)浮游植物生物量具有正向影響，而TN 則具有負(fù)向影響，主要原因在于，下游河道在調(diào)水調(diào)沙前水體氮磷比在26.56～40.36 之間，處于寡營(yíng)養(yǎng)到中貧營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，在此狀態(tài)下水體TP的濃度為浮游植物增長(zhǎng)的制約條件[28]，其濃度上升可促進(jìn)浮游植物生長(zhǎng)，而TN濃度的上升則進(jìn)一步增大氮磷比，對(duì)浮游植物生物量的增長(zhǎng)不利。浮游動(dòng)物生物量對(duì)浮游植物生物量具有顯著的負(fù)向影響，路徑系數(shù)達(dá)-0.89，主要原因在于，硅藻門(mén)是該時(shí)期浮游植物優(yōu)勢(shì)物種，屬于浮游動(dòng)物的重要食物來(lái)源之一，盡管浮游動(dòng)物平均生物量?jī)H0.02 mg/L，卻依然能顯著抑制了浮游植物的生長(zhǎng)。除水環(huán)境因子的影響外，流量增大一定程度上促進(jìn)浮游植物生物量的增長(zhǎng)，而與浮游動(dòng)物生物量無(wú)明顯相關(guān)性。

調(diào)水調(diào)沙期間浮游生物與環(huán)境因子間的結(jié)構(gòu)方程模型如圖6（b）所示，Chl-a濃度對(duì)浮游植物生物量具有顯著的正相關(guān)關(guān)系，路徑系數(shù)為0.8，這是由于綠藻門(mén)細(xì)胞中Chl-a 含量較其他門(mén)類(lèi)更高，故而Chl-a 與浮游植物生物量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。DO濃度抑制了浮游植物的增長(zhǎng)，這一點(diǎn)與調(diào)水調(diào)沙前明顯不同，在調(diào)水調(diào)沙期間，DO的上升主要是由于壩下水體發(fā)生劇烈擾動(dòng)而導(dǎo)致，這種劇烈擾動(dòng)可能直接對(duì)浮游生物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損害[26-27]，表現(xiàn)為DO 與浮游植物生物量間出現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。營(yíng)養(yǎng)鹽方面，可溶性Si濃度對(duì)浮游植物生物量的正向作用較前一時(shí)期明顯減弱，TN和TP濃度對(duì)浮游植物生物量的作用系數(shù)均發(fā)生較大變化，TN 由前一階段的負(fù)向作用變?yōu)檎蜃饔?，TP 則由正向作用變?yōu)樨?fù)向作用，同時(shí)路徑系數(shù)由0.18 增大至0.48，主要原因在于，水庫(kù)調(diào)水調(diào)沙過(guò)程將水庫(kù)中的沉積泥沙向下游輸送，原本儲(chǔ)存在沉積物中的TP 在水流擾動(dòng)下進(jìn)入水體，平均TP濃度從調(diào)水調(diào)沙前的0.043 mg/L 上升至0.129 mg/L，而TN濃度變化相對(duì)較小，平均氮磷比從調(diào)水調(diào)沙前的30.73 下降至15.13，此時(shí)制約浮游植物生物量的營(yíng)養(yǎng)鹽要素由調(diào)水調(diào)沙前的TP 轉(zhuǎn)變?yōu)門(mén)N。水溫上升對(duì)浮游動(dòng)物生物量有顯著的抑制作用，可溶性Si濃度對(duì)浮游動(dòng)物生物量有顯著的抑制作用，浮游動(dòng)物生物量的增長(zhǎng)仍對(duì)浮游植物種群增長(zhǎng)有一定抑制作用，但該作用較調(diào)水調(diào)沙前明顯減弱，路徑系數(shù)從0.89 降至0.16。主要原因在于水體紊動(dòng)一方面降低了不具有運(yùn)動(dòng)能力和浮力調(diào)節(jié)能力藻類(lèi)（如硅藻門(mén)和綠藻門(mén)物種）的沉降損失，維持了其在上層水體中的生物量和種群優(yōu)勢(shì)，另一方面使得浮游動(dòng)物對(duì)浮游植物的捕食成功率降低[26-28]。

圖6 調(diào)水調(diào)沙不同時(shí)期浮游生物與環(huán)境因子結(jié)構(gòu)方程優(yōu)化模型

調(diào)水調(diào)沙結(jié)束后，浮游生物與環(huán)境因子間的結(jié)構(gòu)方程模型如圖6（c）所示。在較弱的水體擾動(dòng)條件下，具有偽空泡結(jié)構(gòu)的藍(lán)藻門(mén)物種得以漂浮在水體表面，遮擋其他藻類(lèi)并獲得更多的光照，同時(shí)分泌藻毒素抑制其他競(jìng)爭(zhēng)藻類(lèi)的生長(zhǎng)[29-30]，故而在調(diào)水調(diào)沙后成為優(yōu)勢(shì)藻類(lèi)。在此階段影響浮游植物生物量的主要環(huán)境因子為DO和COND，COND 升高對(duì)浮游動(dòng)物生物量有明顯抑制作用，而DO濃度的上升與浮游植物生物量的關(guān)系重新回到與調(diào)水調(diào)沙前相同的正向影響。營(yíng)養(yǎng)鹽方面，僅浮游植物隨著TN濃度升高而降低，浮游生物對(duì)TP和可溶性Si濃度的響應(yīng)均不顯著。浮游植物生物量對(duì)浮游動(dòng)物生物量起到了一定的抑制作用，二者關(guān)系相較于調(diào)水調(diào)沙前和調(diào)水調(diào)沙期間變?yōu)榉聪蜃饔?，即由浮游?dòng)物抑制浮游植物生物量增長(zhǎng)，轉(zhuǎn)變?yōu)楦∮沃参镆种聘∮蝿?dòng)物生物量增長(zhǎng)。浮游植物生物量與TP濃度變化無(wú)相關(guān)性，表明該階段TP 并非浮游植物生長(zhǎng)的主要限制因子。浮游植物對(duì)浮游動(dòng)物的生物量產(chǎn)生了一定抑制作用，路徑系數(shù)為-0.12，二者作用關(guān)系與調(diào)水調(diào)沙前和調(diào)水調(diào)沙期間明顯不同，即由浮游動(dòng)物種群增長(zhǎng)抑制浮游植物種群，轉(zhuǎn)變?yōu)楦∮沃参锓N群增長(zhǎng)抑制浮游動(dòng)物種群。

3.5 調(diào)水調(diào)沙影響下細(xì)菌對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)關(guān)系選擇各調(diào)水調(diào)沙階段對(duì)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)變化具有最高解釋率的兩個(gè)排序軸（CAP1和CAP2）分析環(huán)境因子與群落結(jié)構(gòu)間的關(guān)系，結(jié)果如圖7所示(圖中：CAP1代表排序軸1；CAP2代表排序軸2；括號(hào)內(nèi)百分比代表解釋率）。對(duì)于調(diào)水調(diào)沙前和調(diào)水調(diào)沙期間這兩個(gè)階段而言，雖存在個(gè)別離散的樣點(diǎn)，但沉積和懸浮狀態(tài)細(xì)菌群落整體分布情況均具有明顯的聚集性，而調(diào)水調(diào)沙結(jié)束后，沉積和懸浮狀態(tài)的細(xì)菌群落在樣點(diǎn)間的差異性減弱。其中，TDS為調(diào)水調(diào)沙前和調(diào)水調(diào)沙結(jié)束后與細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)相關(guān)性最強(qiáng)的因子，而Chl-a為調(diào)水調(diào)沙期間與細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)相關(guān)性最強(qiáng)的因子。同時(shí)可以觀察到，在水沙調(diào)控前和水沙調(diào)控結(jié)束后，相比于調(diào)水調(diào)沙前后兩個(gè)階段，調(diào)水調(diào)沙期間環(huán)境因子與細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)之間的相關(guān)性明顯降低，環(huán)境因子在水沙調(diào)控期間在排序軸上的貢獻(xiàn)率明顯下降，在CAP1 上僅TDS 具有較高的貢獻(xiàn)率，在CAP2 上Chl-a和COND兩個(gè)因子具有較高的貢獻(xiàn)率，其他因子在排序軸上的貢獻(xiàn)率均較弱，ORP和pH 對(duì)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)仍有一定影響，但相關(guān)性較弱。在這一階段，兩種存在狀態(tài)下的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了明顯的差異性。

圖7 調(diào)水調(diào)沙前、中、后期細(xì)菌與環(huán)境因子間的db-RDA 分析結(jié)果

4 結(jié)論

浮游生物和細(xì)菌群落在河流生態(tài)系統(tǒng)中具有重要的作用，是水生食物網(wǎng)中不可或缺的組成部分。通過(guò)對(duì)調(diào)水調(diào)沙不同階段下黃河小浪底-利津河段水環(huán)境因子、浮游生物和細(xì)菌群落進(jìn)行定量分析，得出了這些生物群落在不同調(diào)水調(diào)沙階段的沿程分布規(guī)律，并通過(guò)進(jìn)行浮游生物群落與環(huán)境因子的結(jié)構(gòu)方程模型預(yù)測(cè)，以及細(xì)菌群落與環(huán)境因子間db-RDA 分析，明確調(diào)水調(diào)沙影響下浮游生物及細(xì)菌群落對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)規(guī)律。得出以下主要結(jié)論：

（1）在2018—2019年的6次調(diào)查中，共采集到6門(mén)78種浮游植物物種、3門(mén)28種浮游動(dòng)物物種，以及45門(mén)1778種的細(xì)菌物種。浮游生物的生物量和生物多樣性總體較低，主要原因在于黃河下游水體紊動(dòng)較強(qiáng)，泥沙含量高，致使浮游生物生境趨于單一化。調(diào)水調(diào)沙過(guò)程使得下游浮游植物的平均生物量降低，而浮游動(dòng)物的生物量增高，但該過(guò)程對(duì)于浮游生物的影響均存在一定的影響范圍，在影響范圍外浮游生物生物量可逐漸恢復(fù)。

（2）細(xì)菌群落在調(diào)水調(diào)沙前和調(diào)水調(diào)沙結(jié)束后主要受水體中TDS、DO、COND和Chl-a的影響。相比于調(diào)水調(diào)沙前后兩個(gè)階段，調(diào)水調(diào)沙期間環(huán)境因子對(duì)于群落分布的影響較弱，僅ORP和pH 兩個(gè)因子對(duì)群落分布有一定影響，其他因子對(duì)群落分布的影響均較小，同時(shí)在這一階段，沉積和浮游狀態(tài)下的細(xì)菌群落分布差異最明顯。

（3）調(diào)水調(diào)沙主要通過(guò)改變水環(huán)境因子進(jìn)而影響浮游生物的生存及其空間分布。在調(diào)水調(diào)沙期間，DO、可溶性Si、TN和TP 等多種水環(huán)境因子對(duì)浮游生物的影響系數(shù)均發(fā)生較大變化。調(diào)水調(diào)沙同時(shí)也改變了浮游生物的種間競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，進(jìn)而間接對(duì)下游河道浮游生物的生物量產(chǎn)生影響。浮游動(dòng)物對(duì)浮游植物的作用關(guān)系逐漸從調(diào)水調(diào)沙前的顯著抑制浮游植物生物量，變?yōu)檎{(diào)水調(diào)沙期間的微弱抑制浮游植物生物量，再轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)水調(diào)沙后的被浮游植物生物量所抑制，表明調(diào)水調(diào)沙對(duì)河流浮游生物種間關(guān)系變化可能具有一定的影響。