北京金海湖浮游生物群落結(jié)構(gòu)及富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)

王 哲, 趙 文, 魏 杰, 李 博, 時(shí) 曉, 王天宇, 董成浩, 尹東鵬

(1. 大連海洋大學(xué) 水產(chǎn)與生命學(xué)院 遼寧省水生生物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 大連 116023； 2. 北京市水生野生動(dòng)植物救護(hù)中心， 北京 102100)

金海湖又名海子水庫(kù)，位于北京市平谷區(qū)東部的海子村附近，距市中心約100 km，主要用于蓄水和養(yǎng)殖，水庫(kù)總庫(kù)容達(dá)1.21×108m3，控制流域面積443 km2，是北京市4座大型水庫(kù)之一[1]。自南水北調(diào)一期中段北京段通水后鮮有關(guān)于金海湖浮游生物群落結(jié)構(gòu)的報(bào)道，此工程對(duì)水域生態(tài)的影響尚不可知。

近年，我國(guó) 66%以上的湖泊、水庫(kù)處于富營(yíng)養(yǎng)化的狀態(tài)[2]，富營(yíng)養(yǎng)化已成為十分嚴(yán)峻的水環(huán)境問題。由此，對(duì)南水北調(diào)后金海湖進(jìn)行富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)顯得尤為重要。水生生物(包括浮游生物)的群落結(jié)構(gòu)特征與水體環(huán)境的關(guān)系密切相關(guān)[2-4]，特別是光照、溫度、水體的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度、溶氧量等因子[5]，其中光照以及營(yíng)養(yǎng)鹽濃度為最主要的決定性因素[6-7]。氮是浮游生物生長(zhǎng)的控制因子[8]，光照和溫度的變化對(duì)浮游生物生理和種群所產(chǎn)生的影響，直接反映在群落的周年變化上。浮游生物不僅對(duì)水質(zhì)狀況反應(yīng)靈敏，其群落結(jié)構(gòu)也與水環(huán)境生態(tài)因子之間有著密切的關(guān)系，浮游生物的種類和數(shù)量變化以及生物指數(shù)等，可以一定程度地反映水體富營(yíng)養(yǎng)化程度，因此群落結(jié)構(gòu)特征是評(píng)價(jià)水體營(yíng)養(yǎng)化程度和生物生產(chǎn)力的重要指標(biāo)[9-10]。本文研究金海湖浮游生物群落結(jié)構(gòu)，旨在為控制金海湖富營(yíng)養(yǎng)化和保障水域生態(tài)安全提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣站設(shè)置

共設(shè)置3個(gè)樣站，分別于2017年5月9日、9月23日，2018年5月7日以及9月18日進(jìn)行了綜合調(diào)查。

1.2 樣品采集與處理

浮游植物、浮游動(dòng)物、浮游細(xì)菌、水化學(xué)等樣品的采集和處理參照文獻(xiàn)[11]完成。鏡檢使用顯微鏡型號(hào)：Motic BA210。按照文獻(xiàn)[12-14]鑒定浮游生物；按照文獻(xiàn)[15]劃分浮游植物分類地位；按照文獻(xiàn)[16-17]劃分規(guī)則(FG功能組)劃分浮游植物功能群。

1.3 數(shù)據(jù)分析

分別選用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB 3838—2002》判定水質(zhì)狀況、使用O.A.阿列金分類法對(duì)水型進(jìn)行劃分、采用《湖庫(kù)(水庫(kù))富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)方法及分級(jí)技術(shù)規(guī)定》綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)判斷水體營(yíng)養(yǎng)情況。

浮游生物的多樣性指數(shù)采用Shannon-Wiener指數(shù)(H′)、Pielou均勻度指數(shù)(J)，優(yōu)勢(shì)種利用優(yōu)勢(shì)度(Y)確定，根據(jù)文獻(xiàn)[18-19]并分別采用H′和J指數(shù)[20]判定水質(zhì)狀況。根據(jù)餌料基礎(chǔ)法計(jì)算初級(jí)魚產(chǎn)力[11]。

使用Excel 2019、Spss 20.0及Canoco 4.5等軟件處理數(shù)據(jù)并繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 水質(zhì)理化狀況

金海湖水庫(kù)綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI平均值為43.57，屬于中營(yíng)養(yǎng)水平(圖1)。

2.2 金海湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)

2.2.1 金海湖浮游植物種類組成及優(yōu)勢(shì)種

金海湖浮游植物種類組成如圖2所示。檢出浮游植物8門10綱19目31科62屬111種，其中綠藻門54種(48.6%)、硅藻門22種(19.8%)、藍(lán)藻門17種(15.3%)、甲藻門8種(7.2%)、金藻門3種(2.7%)、裸藻門3種(2.7%)、黃藻門2種(1.8%)和隱藻門2種(1.8%)。各次調(diào)查物種種類最多的均為綠藻，硅藻門次之，然后是藍(lán)藻門和甲藻門。

表1 金海湖湖水的理化指標(biāo)

圖1 金海湖綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)

圖2 金海湖浮游植物物種組成

金海湖浮游植物的優(yōu)勢(shì)種見表2。4次調(diào)查均為優(yōu)勢(shì)種的浮游植物只有尖脆桿藻(Fragilariaacus)。

2.2.2 金海湖浮游植物密度

金海湖浮游植物密度，4次調(diào)查平均密度為4.10×106ind/L，其組成百分比依次為硅藻門(27.04%)、黃藻門(25.65%)、藍(lán)藻門(22.09%)、綠藻門(20.19%)、隱藻門(2.44%)、金藻門(1.07%)、甲藻門(1.04%)和裸藻門(0.48%)。硅藻、黃藻、藍(lán)藻和綠藻占全部浮游植物94.97%(圖3)。從各門浮游植物密度來看，秋季的浮游植物密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于春季的密度，季節(jié)變化明顯。除了金藻外，其他7個(gè)門類的浮游植物的密度均屬于秋季大于當(dāng)年春季。

表2 浮游植物優(yōu)勢(shì)物種優(yōu)勢(shì)度

2.2.3 金海湖浮游植物生物量

金海湖浮游植物生物量見圖4。4次采樣平均生物量為6.68 mg/L，其百分比依次為硅藻門(68.40%)、黃藻門(15.46%)、綠藻門(4.58%)、藍(lán)藻門(3.72%)、甲藻門(3.04%)、隱藻門(2.99%)、裸藻門(1.36%)、金藻門(0.46%)。

圖3 金海湖浮游植物密度和密度百分比

圖4 金海湖浮游植物生物量和生物量百分比

圖5 金海湖浮游植物多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)

2.2.4 金海湖浮游植物多樣性和均勻度

浮游植物多樣性指數(shù)H′和均勻度J測(cè)定結(jié)果(圖5)顯示，2017年春季至2018年秋季各樣站浮游植物H′平均值為2.93±0.53，J平均值為0.73±0.09，2018年較2017年浮游植物H′和J有所下降。

2.2.5 浮游植物功能群劃分

按照FG功能分組劃分規(guī)則，將金海湖浮游植物劃分為27個(gè)功能群(Phytoplankton functional group)：T/D/S1/NA/J/LO/TC/N/LM/X2/P/Y/MP/C/X3/X1/F/W2/E/B/TD/G/W1/SN/M/S2/TB。Colin等提出代表性功能群的定義：相對(duì)豐度大于 5%的功能群[16-17]。總的來看金海湖代表性功能群為D/T/S1/NA/J，浮游植物功能群相對(duì)密度見表3。

將相對(duì)生物量大于5%的功能群定為優(yōu)勢(shì)功能群(表4)，其中D功能類群在每次采樣中的相對(duì)生物量都是最多的，2018年5月采樣中相對(duì)生物量占比達(dá)93.67%，金海湖功能群D包括長(zhǎng)菱形藻、彎端長(zhǎng)菱形藻、谷皮菱形藻、池生菱形藻、尖脆桿藻、雙頭脆桿藻和肘狀脆桿藻，全部都是硅藻。

表3 金海湖浮游植物功能群相對(duì)密度

2.3 金海湖浮游動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)

2.3.1 金海湖浮游動(dòng)物物種組成及優(yōu)勢(shì)種

金海湖浮游動(dòng)物種類組成見圖6。檢出浮游動(dòng)物56屬97種，其中原生動(dòng)物43種(44.33%)、輪蟲動(dòng)物44種(45.36%)、枝角類8種(8.25%)和橈足類6種(6.19%)。

表4 金海湖浮游植物優(yōu)勢(shì)功能群生物量百分比

圖6 金海湖浮游動(dòng)物物種類組成

金海湖浮游動(dòng)物優(yōu)勢(shì)種如表5所示。4次調(diào)查均為優(yōu)勢(shì)種的有小單環(huán)櫛毛蟲(Didiniumbalbianiinanum)、螺形龜甲輪蟲(Keratellacochlearis)和簡(jiǎn)單前翼輪蟲(Proalessimplex)。

表5 金海湖浮游動(dòng)物優(yōu)勢(shì)物種優(yōu)勢(shì)度

2.3.2 金海湖浮游動(dòng)物密度

金海湖浮游動(dòng)物密度見圖7。4次調(diào)查浮游動(dòng)物平均密度為1453 ind/L，其中輪蟲和原生動(dòng)物占優(yōu)，分別占55.05%和42.82%，橈足類和枝角類僅占2.13%。除枝角類外，其他3類浮游動(dòng)物均屬于秋季大于春季。

圖7 金海湖浮游動(dòng)物密度和相對(duì)密度

2.3.3 金海湖浮游動(dòng)物生物量

由金海湖浮游動(dòng)物生物量結(jié)果(圖8)可見，4次調(diào)查平均生物量為0.70 mg/L。仍以輪蟲占優(yōu)，為34.42%；其次是枝角類，為27.72%；橈足類和原生動(dòng)物分別占21.59%和16.28%。

圖8 金海湖浮游動(dòng)物生物量及生物量百分比

2.3.4 金海湖浮游動(dòng)物多樣性和均勻度

浮游動(dòng)物多樣性指數(shù)H′和均勻度J如圖9所示。H′平均值為3.07±0.37、J平均值為0.64±0.08。2018年較2017年H′和J都有所下降。

圖9 金海湖浮游動(dòng)物多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)

2.4 浮游細(xì)菌密度

4次調(diào)查浮游細(xì)菌平均密度分別為3.54×104、3.23×104、2.21×104和38.67×104cell/mL。

2.5 典型浮游動(dòng)物、植物與水質(zhì)理化指標(biāo)相關(guān)性分析

分別選擇浮游動(dòng)物和浮游植物優(yōu)勢(shì)種中前十的物種作為典范對(duì)應(yīng)分析中的代表物種，物種及其編號(hào)如表6所示。

表6 CCA分析浮游生物種類編號(hào)

DCA驗(yàn)證Lengths of gradient 的第一軸分別為1.630和1.462，表明可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行CCA分析。

金海湖典型浮游動(dòng)植物生物量與環(huán)境因子做典范對(duì)應(yīng)分析，結(jié)果如圖10(a)所示：TN與Z1呈顯著正相關(guān)(r=-0.660，P=0.020)，與Z2呈顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.899，P=0)；TP與Z2呈顯著正相關(guān)(r=-0.60，P=0.02)；Chl-a與P8呈顯著正相關(guān)(r=0.737，P=0.006)，與Z3呈顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.772，P=0.003)；DO與Z10呈顯著正相關(guān)(r=0.945，P=0)；TA與P8呈顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.812，P=0.001)。P6、P3、P10和Z7等位于坐標(biāo)中心位置，表明受各理化因子綜合影響。

圖10 金海湖典型浮游生物生物量(a)和密度(b)與環(huán)境因子的CCA分析

2.6 魚產(chǎn)力評(píng)估

按照浮游生物、底棲動(dòng)物的供餌能力，腐質(zhì)鏈按牧食鏈提供魚產(chǎn)力的一半計(jì)算，水庫(kù)面積為650 hm2，平均透明度為1.49 m，有效水深按兩倍透明度即2.98 m。2017和2018年浮游植物、浮游動(dòng)物、底棲動(dòng)物平均生物量分別為6.68 mg/L、0.70 mg/L和2.45 g/m2，計(jì)算得出金海湖浮游生物和底棲動(dòng)物提供的魚產(chǎn)力約為350.5 kg/hm2。金海湖魚類年產(chǎn)量可達(dá)2.27×105kg，即227.2 t (表7)。

3 討論

3.1 金海湖水質(zhì)安全評(píng)價(jià)

金海湖TLI指數(shù)為43.57，屬于中營(yíng)養(yǎng)水平，相比南水北調(diào)前的48.84[21]已有大幅下降。2018年TLI指數(shù)較2017年有明顯增加，主要原因?yàn)門N、TP、Chl-a增加，同時(shí)2018年浮游植物和浮游動(dòng)物H′指數(shù)和J指數(shù)較2017年均有所下降，這兩種結(jié)果都表明富營(yíng)養(yǎng)化程度增加、污染程度上升，但是它們的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)有一定差別。金海湖南水北調(diào)前后水質(zhì)數(shù)據(jù)對(duì)比見表8。

表7 金海湖的魚產(chǎn)力估計(jì)

表8金海湖南水北調(diào)前后水質(zhì)數(shù)據(jù)

3.2 金海湖生物學(xué)特征狀況

金海湖2017年至2018年代表性功能群季節(jié)變化：2017年春(D/LM/LO/P/E)→2017年秋(D/T/J/TC/NA)→2018年春(D/P/J/NA)→2018年秋(D/T/NA/S1/N)，金海湖2010年浮游植物功能群為：春季(J/Xph/P/C) →夏季(TC/S2/P/C)→秋季(X1/C)[22]。以上數(shù)據(jù)與本研究的差異較大，金海湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)在此期間發(fā)生變化。

南水北調(diào)前浮游植物密度[21]：6.71×106ind/L (2010年春)、173.43×106ind/L (2010年夏)，南水北調(diào)后：1.03×106ind/L(2017年春)、6.30×106ind/L(2017年秋)、1.03×106ind/L(2018年春)和8.05×106ind/L(2018年秋)。

南水北調(diào)前藍(lán)藻密度年均值在所有浮游植物中占比[21]：65.64%(2009年)，57.36%(2010年)，南水北調(diào)后，17.27%(2017年)25.99% (2018年)，藍(lán)藻占比下降，這與總磷下降有關(guān)。

4 結(jié)論

綜上所述，金海湖為中營(yíng)養(yǎng)性水庫(kù)，南水北調(diào)后富營(yíng)養(yǎng)指數(shù)下降，但2018年富營(yíng)養(yǎng)化程度較2017年升高。南水北調(diào)后金海湖浮游植物密度下降，水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)程度下降，金海湖由南水北調(diào)前的藍(lán)藻綠藻型水庫(kù)變成藍(lán)藻硅藻型水庫(kù)，浮游植物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化，可見南水北調(diào)工程改變了金海湖浮游生物的群落結(jié)構(gòu)。