新疆某水庫浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征

祁峰 陳朋 李紅 謝春剛 陳牧霞 馬燕武

摘要 [目的]掌握新疆某水庫浮游植物群落變化特征。[方法]2016年對新疆某水庫10個采樣站位的浮游植物及水體主要理化因子進行了3次調(diào)查。[結(jié)果]共鑒定出浮游植物56種（屬），其中優(yōu)勢種（屬）10種。種類組成上，由春季的金藻-硅藻型轉(zhuǎn)變成夏季硅藻-綠藻型再到秋季藍藻-硅藻型。浮游植物總平均生物量為7.32 mg/L，生物量季節(jié)變動顯著，春季高于夏季，秋季最低。垂直分布方面，春季和夏季浮游植物生物量表層均高于中層和底層，秋季各水層間差異不顯著。PCA分析顯示庫區(qū)浮游植物群落結(jié)構(gòu)從春季到秋季的顯著梯度變化情況，入庫水流與庫區(qū)浮游植物群落結(jié)構(gòu)差異顯著。[結(jié)論]研究結(jié)果為水環(huán)境評價與保護、資源合理利用和生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展提供了參考。

關(guān)鍵詞 浮游植物；群落結(jié)構(gòu)；水體；理化因子

中圖分類號 Q948.8 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2017）13-0009-04

Community Characteristics of Phytoplankton in a Reservoir of Xinjiang

QI Feng1，2，CHEN Peng1，2，LI Hong1，MA Yan-wu1，2* et al

（1.Institute of Fishery Research of Xinjiang Uygur Autonenous Region，Urumqi，Xinjiang 830000；2.Scientific Observing and Experimental Station of Fishery Resources and Environment in Northwest China，Ministry of Agriculture，Urumqi，Xinjiang 830000）

Abstract [Objective] The aim was to study community characteristics of phytoplankton in a reservoir of Xinjiang.[Method] We carried out three investigations on phytoplankton and physical and chemical factors of 10 sites in a reservoir of Xinjiang in 2016.[Result] It was identified 56 species，10 species out of which once formed dominant populations.The specific composition shifted from chrysophyta and bacillariophyta to bacillariophyta and chlorophyta，to further establish cyanophyta and bacillariophyta.The total mean biomass of phytoplankton was 7.32 mg/L.The biomass changed significantly，and the peak biomass of spring was higher than summer with the lowest in autumn.The biomass of surface was higher than middle layer and bottom layer in spring and summer，and the differences between each layer did not represent obviously.PCA showed significant gradients changes of phytoplankton community from spring to autumn in the area of reservoir and notable differences of phytoplankton community between inflow and reservoir.[Conclusion] The results provide reference for water environment evaluation and protection，reasonable utilization of resources ecosystem sustainable development.

Key words Phytoplankton；Community structure；Water；Physical and chemical factors

浮游植物是水生態(tài)系統(tǒng)中重要的初級生產(chǎn)者，浮游植物群落能對環(huán)境條件的變化做出復(fù)雜而快速的響應(yīng)，其群落的變化可以被看成是對水質(zhì)變化的一個很好的指示[1]。同時，作為水域生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)者，其群落結(jié)構(gòu)的變化還會引起系統(tǒng)中食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)的改變，并影響水生態(tài)系統(tǒng)的能量流動、物質(zhì)循環(huán)和信息傳遞[2]，是反映河流、湖泊以及水庫環(huán)境變化的理想研究對象。

新疆維吾爾自治區(qū)地處我國干旱半干旱地區(qū)，水庫是重要的供水水源。近年隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展，污水排放量不斷增加，部分水庫水質(zhì)日趨下降，而浮游植物作為反映水質(zhì)狀況的重要類群，研究其在水庫中的動態(tài)變化對了解水質(zhì)和水庫生態(tài)系統(tǒng)健康的評估具有重要意義。鑒于此，筆者于2016年通過3次調(diào)查研究了新疆某水庫浮游植物群落變化及其與水體營養(yǎng)狀況的關(guān)系，以期為水環(huán)境評價與保護、資源合理利用和生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究水庫概況

水庫坐落在新疆天山北緣沖洪積細土平原區(qū)上，屬大陸高寒干旱地區(qū)，冬季時間長，春秋季節(jié)不明顯，夏季酷熱，晝夜溫差大。水庫是由四面筑壩而成的典型平原水庫，壩基為深厚覆蓋層軟基，提供城市、生態(tài)及農(nóng)業(yè)灌溉用水。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品布設(shè)。于2016年5、8和11月對水庫進行調(diào)查采樣，庫區(qū)共布設(shè)9個采樣站位，入庫水流設(shè)1個采樣站位。庫尾設(shè)置2個采樣站位（W1和W2），庫中設(shè)置4個監(jiān)測站位（Z1、Z2、Z3和Z4），庫首設(shè)置3個采樣站位（S1、S2和S3）。視水深情況，水深3 m以下站位浮游植物樣品采集水體表層水樣，水深3 m以上分表層、中層和底層取樣。各站位理化因子樣品取水體表層。水庫5月為豐水期，8月為平水期，11月為枯水期。入庫水流采集到5和8月，11月入庫水流非常少，此期采集的樣品主要是積存在渠道內(nèi)的水樣。

1.2.2 理化因子樣品的采集和測定?，F(xiàn)場采集浮游生物樣品的同時利用Hydrolab DS5數(shù)字化水質(zhì)分析儀測定水溫和葉綠素a，透明度用賽氏盤測定，其余水體理化參數(shù)采集水樣后實驗室測定。化學需氧量（CODMn）、總氮、總磷按照《水和廢水檢測分析方法（第四版）》（國家環(huán)境保護總局水和廢水檢測分析方法編委會，2002）進行測定[3]。

1.2.3 浮游植物樣品采集與觀察。

定性、定量標本按照章宗涉等[4]的淡水浮游生物研究方法進行采集、計數(shù)和現(xiàn)存量的計算，浮游植物種類鑒定主要參照胡鴻鈞等[5]的方法。除按上述方法進行定量外，還結(jié)合該水體的特點，用低倍鏡（10×20）數(shù)全片（0.1 mL）的方法對綠裸藻、光甲藻、角甲藻、多甲藻和個體較大的硅藻等進行計數(shù)，避免了視野計數(shù)帶來的誤差。

1.2.4 數(shù)據(jù)分析。

優(yōu)勢度（Y）[6]用來評價該湖的優(yōu)勢種，對于某一區(qū)域的優(yōu)勢度，計算公式：

式中，ni為第i種的數(shù)量；N為浮游植物總個體數(shù)；fi為該種在各站出現(xiàn)的頻率。

綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)公式[7]：

式中，TLI（）表示綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；TLI（j）代表第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；Wj為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重。

應(yīng)用PAWS Statistics 19.0軟件進行方差分析。應(yīng)用R軟件進行主成分分析（PCA），根據(jù)Legendre等[8]的方法對物種數(shù)據(jù)進行Hellinger轉(zhuǎn)化后再用于分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 水庫營養(yǎng)狀況

5、8和11月，庫區(qū)綜合營養(yǎng)指數(shù)（TLI）平均值分別為25.98、29.63和32.50，方差分析顯示5和8月TLI差異不顯著，11月TLI與5和8月TLI差異均顯著。表明5和8月水體營養(yǎng)水平變化不大，秋季有明顯升高，即5和8月水體呈貧營養(yǎng)型，11月呈中營養(yǎng)型。入庫水流5和8月TLI分別為45.99和40.72，呈中營養(yǎng)型。

2.2 浮游植物種類組成及優(yōu)勢種類

由表1可知，10站位共鑒出浮游植物56種（屬），其中綠藻門最多19種（屬），其次是硅藻門18種（屬），分別占總種（屬）數(shù)的33.9%和321%。其余依次為藍藻門9種（屬）、甲藻門4種（屬）、金藻門3種（屬）、隱藻門3種、裸藻門2種（屬），分別占總種（屬）數(shù)的16.0%、7.1%、5.3%、5.3%和3.5%。3次采樣調(diào)查形成優(yōu)勢種類（Y>0.02）的種類均為淡水習見種類（表2），共10種（屬），其中針桿藻在各次調(diào)查中均為優(yōu)勢種類，金藻在5和8月形成優(yōu)勢類群，藍藻和綠藻在8和11月形成優(yōu)勢類群。

2.3 浮游植物生物量及變動

調(diào)查期間浮游植物總平均生物量為7.32 mg/L（變幅為1.24～28.71 mg/L），5月庫區(qū)平均生物量為10.33 mg/L，8月為6.93 mg/L，11月為2.32 mg/L。方差分析表明，各月浮游植物生物量差異均顯著或極顯著，表明庫區(qū)浮游植物生物量變化顯著，5月高于8月，11月浮游植物生物量最低（圖1）。

庫區(qū)浮游植物生物量的水平分布見圖2。5月入庫渠道浮游植物生物量為3.54 mg/L，庫區(qū)浮游植物生物量變幅在8.20～20.07 mg/L，高于入庫渠道浮游植物生物量。8月，入庫渠道浮游植物生物量為28.72 mg/L，庫區(qū)生物量變幅在4.32～11.04 mg/L。11月，各采樣站位浮游植物生物量變化不大，變幅在1.24～3.76 mg/L。

庫區(qū)浮游植物生物量的垂直分布如圖3所示。方差分析表明：5和8月表層與中層和底層浮游植物生物量差異均顯著或極顯著，中層和底層差異不顯著；11月，各水層浮游植水層間差異不大。

2.4 種類組成主成分分析

浮游植物主成分分析雙序圖前兩軸能夠解釋總方差的比例是69.69%（圖4），能夠較好地表達大部分的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)信息。 雙序圖樣方之間的距離近似于多維空間內(nèi)的歐式距離，體現(xiàn)了樣方間的離散程度。平均貢獻圓的半徑代表變量的向量長度對排序的平均貢獻率，因此，如果某個變量的箭頭長度長于圓的半徑，代表它對這個排序空間的貢獻大于所有變量的平均貢獻。圖中除M9和O9外（5和8月入庫渠道樣方），各月采樣樣方可以分別歸為一組，顯示了樣方從左到右的變化梯度。5月，入庫渠道（M9）星桿藻（as）貢獻率最大，庫區(qū)各站位浮游植物群落差異不大，長錐囊藻（di）優(yōu)勢地位明顯，纖維藻（an）雖然不占優(yōu)勢但較其他樣方數(shù)量上有一定分布；8月針桿藻（sy）、小球藻（ch）和棕鞭金藻（oc）貢獻率最大，入庫渠道與8月其他樣方差異較大，脆桿藻（fr）對其有最高的貢獻率；11月各樣方距離較接近，離散程度低，各樣方浮游植物群落結(jié)構(gòu)較為近似，席藻（ps）和偽魚腥藻（ph）其次，四角藻（te）貢獻率較大。

3 結(jié)論與討論

3.1 浮游植物種類組成及變動

5月入庫水（M9）優(yōu)勢種為美麗星桿藻（as），占該樣方總豐度的94.2%，其他類群較少，長錐囊藻和針桿藻未發(fā)現(xiàn)。庫尾（W2）優(yōu)勢種類主要為長錐囊藻、美麗星桿藻和針桿藻，各占總豐度的68.0%、9.8%和9.2%。其他庫區(qū)各站位浮游植物種類組成上較接近，均以長錐囊藻和針桿藻為優(yōu)勢種，星桿藻為非優(yōu)勢種，占總豐度的比例變幅為0～6.7%。8月入庫水流優(yōu)勢種類為一種脆桿藻（fr），占該樣方總豐度的97.7%，小球藻占總豐度的2.0%，長錐囊藻和針桿藻未發(fā)現(xiàn)。庫區(qū)內(nèi)各站位優(yōu)勢種類主要是針桿藻，其次是小球藻，再次為長錐囊藻。11月進入枯水期，入庫渠道水流小，此期采集的樣品主要是積存在渠道內(nèi)的水樣，各站位浮游植物在種類組成上差異不大。PCA分析也顯示了浮游植物群落結(jié)構(gòu)5、8、11月的梯度變化情況：庫區(qū)每個月份的樣方可歸為一組，組間呈現(xiàn)一定的離散性，表明群落結(jié)構(gòu)發(fā)生演替，種類組成發(fā)生演替（di-sy-ph），入庫水流（M9和O9）與庫區(qū)浮游植物群落結(jié)構(gòu)顯著不同。水庫的建立和運行導(dǎo)致水庫與河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和動力學過程發(fā)生明顯的分離，水位的增加導(dǎo)致水庫水量的增加，入庫水流速度下降，水力學滯留時間延長，原有的河道生物群落發(fā)生了根本的變化[9]。

錐囊藻幾乎從未出現(xiàn)在高濃度磷的天然水體中，Lehman[10]研究表明，在自然界中，其他藻類在高濃度磷條件下比錐囊藻生長更快速，進而對其產(chǎn)生抑制，只有當硅藻形成春季水華或其他浮游植物的生長使磷含量降低至能抑制其自身生長時，錐囊藻才會有效生長，而并非是磷對其產(chǎn)生抑制，因為在高濃度磷培養(yǎng)條件下錐囊藻生長良好。5月庫區(qū)除Z4站位監(jiān)測出總磷含量為0.05 mg/L以外，其他站位均在監(jiān)測限值（0.01 mg/L）以下。因此，雖然入庫渠道帶入大量的硅藻（流量為15～20 m3/s），但在如此低的磷含量條件下錐囊藻反而占據(jù)主要優(yōu)勢地位。藍藻極易在夏末和秋初形成水華，其原因可能有：①當自遮蔽最大時，藍藻具有更強的光捕獲能力；②當營養(yǎng)限制最嚴重時，它們具有對氮和磷更高的親和力；③它們可以通過偽空泡調(diào)節(jié)其在水體中的位置，以實現(xiàn)對水域豐富的營養(yǎng)和（或）光照的充分利用[11]。由此可見，春季的浮游植物群落由生長迅速的r選擇物種（錐囊藻）與適應(yīng)低光照條件的硅藻組成，逐漸被生長緩慢的k選擇物種（能控制浮力的大型群體或絲狀藍藻）所替代。這種轉(zhuǎn)變可能預(yù)示著有機負荷的加劇和水質(zhì)的惡化。

3.2 浮游植物現(xiàn)存量及變動

季節(jié)變動上，水庫浮游植物生物量夏季最高（9.65 mg/L），其次是春季（8.95 mg/L），秋季（2.27 mg/L）較低。春季進入水體的太陽能迅速上升，首先從淺水區(qū)真光層比例逐漸增加，最終光照到達更深的混合區(qū)，加之水溫的快速上升，從而使藻類的光合作用和生長速率上升。5月正值豐水期，利用來自流域盆地輸入的營養(yǎng)鹽或秋冬季節(jié)（因垂直混合）在水柱中再循環(huán)的營養(yǎng)鹽，刺激了這一段時期浮游植物的迅速生長從而形成春季水華。一般認為在溫帶地區(qū)，年降水量少，浮游植物的群落動態(tài)多與光照、水溫有關(guān)，而低緯度的熱帶及亞熱帶的水體，浮游植物種類組成更多地受水文特征的影響[12-15]。如地理位置相近的新疆阿葦灘水庫[16]、福海水庫[17]和吉木乃紅山水庫[18]、新疆塘巴湖水庫[19]和新疆阿勒泰二牧水庫[20]，浮游植物現(xiàn)存量變動與水溫呈正相關(guān)，即夏季高溫季節(jié)（平水期）浮游植物現(xiàn)存量高于春季（豐水期）。該研究中水庫浮游植物呈現(xiàn)相反狀況，春季（豐水期）浮游植物現(xiàn)存量大于夏季（平水期）。這一變動特征可能與營養(yǎng)（資源）和牧食等狀況有關(guān)。夏季深水區(qū)極易形成水體分層，營養(yǎng)鹽（氮、磷和硅）從底質(zhì)和深水層進入真光層的能力相應(yīng)減弱。此外，隨著入庫水量季節(jié)性減水，流域營養(yǎng)鹽的輸入可能也會減少。因此，與春季相比，夏季營養(yǎng)元素的輸入和利用降低。這可能是水庫浮游植物群落動態(tài)與新疆其他地區(qū)水庫產(chǎn)生差異的重要原因，其他幾座水庫豐水期入庫水源主要為雪山融水，營養(yǎng)鹽含量和浮游植物現(xiàn)存量較低，同時大量的蓄水和高水容量稀釋了藻細胞密度，而該研究中入庫水流營養(yǎng)含量高（入庫水體營養(yǎng)鹽是庫區(qū)的總磷32.5倍、總氮1.8倍、活性硅7.4倍），浮游植物生物量大。牧食的影響可能也是導(dǎo)致夏季生物量較低的原因之一，因為夏季較高的水溫和充足的食物來源使得植食性浮游動物和魚類生長速率大大提高，牧食速率也因此提高，最終導(dǎo)致食用藻類數(shù)量的減少。

參考文獻

[1] SABATER S，ARTIGAS J，DURN C，et al.Longitudinal development of chlorophyll and phytoplankton assemblages in a regulated large river （the Ebro River）[J].Science of the total environment，2008，404（1）：196-206.

[2] REYNOLDS C S.The ecology of phytoplankton[M].Cambridge，UK：Cambridge University Press，2006.

[3] 國家環(huán)境保護總局水和廢水檢測分析方法編委會.水和廢水檢測分析方法[M].4版.北京：中國環(huán)境科學出版社，2002：38-47.

[4] 章宗涉，黃祥飛.淡水浮游生物研究方法[M].北京：科學出版社，1991：88-186.

[5] 胡鴻鈞，魏印心.中國淡水藻類——系統(tǒng)、分類及生態(tài)[M].北京：科學出版社，2006：27-600.

[6] AKSNES D L，WASSMANN P.Modeling the significance of zooplankton grazing for export production[J].Limnology and oceanography，1993，38（5）：978-985.