沙河水庫(kù)浮游植物季節(jié)變化特征

馬 玲， 紀(jì)海婷， 吳榮榮， 莊 敏， 賈文慧

(江蘇省水文水資源勘測(cè)局常州分局， 江蘇 常州 213022)

浮游植物作為水域重要的初級(jí)生產(chǎn)者，是水生生物的重要組分，是整個(gè)水生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的基礎(chǔ)，水生態(tài)系統(tǒng)健康與否的重要生物指示，也是預(yù)測(cè)水環(huán)境發(fā)展趨勢(shì)的重要依據(jù)。浮游植物對(duì)環(huán)境變量的響應(yīng)問(wèn)題已引起世界范圍內(nèi)的研究和關(guān)注，浮游植物種類(lèi)組成、數(shù)量分布等生態(tài)學(xué)特征是水生生態(tài)系統(tǒng)的重要研究?jī)?nèi)容，水環(huán)境因子直接影響浮游植物的種群或群落結(jié)構(gòu)特征，通過(guò)研究浮游植物群落結(jié)構(gòu)的季節(jié)變化可以客觀(guān)反映出水體質(zhì)量的變化規(guī)律[1]。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

沙河水庫(kù)位于溧陽(yáng)市南部低山丘陵區(qū)，屬太湖流域南溪水系，是一座以防洪、供水、灌溉為主，結(jié)合涵養(yǎng)水源、生態(tài)保護(hù)，兼顧水產(chǎn)養(yǎng)殖的大(二)型水庫(kù)，是江蘇省第一批核準(zhǔn)的集中式飲用水水源地。

沙河水庫(kù)集水面積148.5 km2，汛期限制水位21.00 m(吳淞高程)，總庫(kù)容1.09億m3，興利庫(kù)容0.4635億m3，死庫(kù)容0.1335億m3。沙河水庫(kù)始建于1958年，1961年初步建成，后經(jīng)1964年、1972年、1981年3次較大規(guī)模續(xù)建。2008—2011年進(jìn)行除險(xiǎn)加固后，沙河水庫(kù)達(dá)到100年一遇設(shè)計(jì)、2000年一遇校核的防洪標(biāo)準(zhǔn)。

沙河水庫(kù)上游主要入庫(kù)河道有楊村河、楊莊澗河、平橋澗河、橫塘澗河、徐家園澗河、中田澗河，下游主要出庫(kù)排水河(渠)道有沙溪河、沙河水庫(kù)溢洪河、中干渠、西干渠、東干渠。

1.2 采樣點(diǎn)設(shè)置

從2020年1月開(kāi)始，每月上旬采樣一次，全年共采集12次。采樣點(diǎn)設(shè)置在庫(kù)區(qū)取水口附近、容易撈取藻類(lèi)處。

1.3 樣品采集及鑒定

浮游植物樣品選用直立式有機(jī)玻璃取樣器沿表層以下0.5 m處定量采集，所取水樣采用棕色硬質(zhì)玻璃瓶避光密封保存，一部分水樣(1L)加魯哥試劑固定，帶回室內(nèi)沉淀48 h，采用虹吸法除去上清液，再移至100 mL燒杯中靜置沉淀48 h，最后濃縮至10 mL，裝在試管瓶中做好標(biāo)簽記號(hào)，避光冷藏保存。采用浮游植物計(jì)數(shù)框(0.1 mL)計(jì)數(shù)，充分搖勻，取0.1 mL樣品置于計(jì)數(shù)框內(nèi)，在10×40倍顯微鏡下鏡檢分類(lèi)、計(jì)數(shù)。密度計(jì)算公式如下：

M=(mS×104)/sn

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

浮游植物鑒定參照《中國(guó)淡水藻類(lèi)》[2]和萬(wàn)深浮游植物鑒定軟件。另一部分水樣用于總氮、總磷、氨氮等指標(biāo)的分析測(cè)試，方法依據(jù)相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法和國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局《水與廢水監(jiān)測(cè)分析方法(第四版)》[3-4]，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)選用美國(guó)哈希HQ40D型現(xiàn)場(chǎng)多功能水質(zhì)測(cè)定儀、塞氏圓盤(pán)，項(xiàng)目涉及水溫、溶解氧、pH值、透明度(SD)等指標(biāo)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

生物方面：浮游植物多樣性指數(shù)是描述生物群落結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)，反映了組成生物群落的種類(lèi)與其個(gè)數(shù)的函數(shù)關(guān)系，是水體理化性質(zhì)及生物等多種生態(tài)因子綜合反映的結(jié)果。在清潔或良好環(huán)境中，生物種類(lèi)多樣，物種豐富度高，種間個(gè)體數(shù)分布較均勻；在環(huán)境惡化或污染條件下，敏感種類(lèi)消失、耐污種類(lèi)發(fā)展，種類(lèi)單純，但數(shù)量可能很大，物種豐富度低，種間個(gè)體數(shù)分布欠均勻,見(jiàn)表1。評(píng)價(jià)應(yīng)用較普遍的是香農(nóng)-威納(H′，Shannon-Wiener index)多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)(J，Pielou)、Margalef物種豐富度指數(shù)(D，Margalef)和優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(Y)[5-6]。

計(jì)算公式如下：

Pi=Ni/N

J=H′/log2S

D= (S-1)/ln

Y=ni/N×fi

(1)

式中：H′為物種多樣性指數(shù)；J為群落均勻度；D為物種豐富度指數(shù)；Ni為站位中第i種的個(gè)數(shù)；N為站位中浮游藻類(lèi)總個(gè)數(shù)；S為站位中浮游藻類(lèi)總種數(shù)；fi為第i種藻類(lèi)在各樣點(diǎn)出現(xiàn)的頻率。本文將優(yōu)勢(shì)度Y>0.02的藻類(lèi)定為優(yōu)勢(shì)種。

表1 浮游植物多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)、豐富度指數(shù)與水環(huán)境狀況的關(guān)系

水質(zhì)方面：通過(guò)對(duì)TP、TN、Chl-a、CODMn和透明度(SD)項(xiàng)目的評(píng)價(jià)，按照SL 395的相關(guān)規(guī)定，計(jì)算水庫(kù)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù),見(jiàn)表2。

表2 湖泊(水庫(kù))營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及分級(jí)方法

2 結(jié)果分析

2.1 浮游植物種類(lèi)組成、優(yōu)勢(shì)種及季節(jié)變化

2.1.1 種類(lèi)組成及季節(jié)變化

沙河水庫(kù)共檢出浮游植物7門(mén)49屬68種，其中藍(lán)藻門(mén)13屬17種，占總種數(shù)的25.0%；綠藻門(mén)15屬20種，占29.5%；硅藻門(mén)13屬19種，占27.9%；甲藻門(mén)1屬1種，占1.5%；金藻門(mén)2屬2種，占2.9%；隱藻門(mén)2屬3種，占4.4%；裸藻門(mén)3屬6種，占8.8%。沙河水庫(kù)浮游植物的物種組成和豐富度季節(jié)差異顯著。浮游植物總種數(shù)以綠藻、硅藻為主，春季(3月份)最高，為30種；夏、冬季(6月份、12月份)較少，為17種。其中11月份綠藻種類(lèi)最多，為13種； 8月份藍(lán)藻種類(lèi)最多，為10種； 3月份硅藻種類(lèi)最多，為10種。2020年沙河水庫(kù)各月的浮游植物物種數(shù)組成分布，見(jiàn)圖1。

圖1 2020年沙河水庫(kù)各月的浮游植物物種數(shù)組成

2.1.2 密度及優(yōu)勢(shì)種

沙河水庫(kù)浮游植物密度季度性差異也較為明顯，夏季藻密度最大、春秋季次之、冬季最小。由圖2～3可知，沙河水庫(kù)總藻密度在1～1 165萬(wàn)個(gè)/L之間,其中8月份最高，達(dá)1 165萬(wàn)個(gè)/L，1—2月份密度僅1.0萬(wàn)個(gè)/L。種類(lèi)組成均呈現(xiàn)冬、春兩季硅藻門(mén)占優(yōu)勢(shì)，夏、秋兩季藍(lán)藻門(mén)占優(yōu)勢(shì)。藍(lán)藻門(mén)密度8月份最高，達(dá)1 051.7萬(wàn)個(gè)/L，占當(dāng)月總藻密度的90.3%，1—2月份最低，各月份均值為345.74萬(wàn)個(gè)/L；各月份硅藻門(mén)密度介于0.78～327.3萬(wàn)個(gè)/L，均值為125.18萬(wàn)個(gè)/L，硅藻門(mén)密度4月份急劇升高，占比從39.4%驟升至 87.3%，并在6月份達(dá)到峰值；藍(lán)藻門(mén)密度5月份急劇升高，8月份達(dá)到峰值；綠藻門(mén)僅在秋、冬兩季占比較高，2月份最高可達(dá)34.7%；金藻門(mén)密度2—3月份占比較高，分別為22.1%、30.2%。

圖2 2020年沙河水庫(kù)各季度浮游植物密度占比

圖3 2020年沙河水庫(kù)各月份浮游植物密度

初春水溫較低，太陽(yáng)照射較弱，適合喜低溫的硅藻生長(zhǎng)，此時(shí)硅藻占藻類(lèi)種數(shù)的46.0%，隨著溫度逐漸升高至春末，藍(lán)藻種數(shù)占比逐漸升高至43.6%，綠藻、甲藻、裸藻、隱藻、金藻皆有出現(xiàn)，但比例很小。春季水庫(kù)的優(yōu)勢(shì)種為廣緣小環(huán)藻，硅藻門(mén)的短小曲殼藻、金藻門(mén)的華美色金藻、綠藻門(mén)的狹形纖維藻等種類(lèi)占比也較大。春末夏初裸藻出現(xiàn)較多，進(jìn)入夏季后，水溫逐漸升高，6月份之后硅藻數(shù)量急劇減少，藍(lán)藻比例逐漸升高，成為優(yōu)勢(shì)種群。夏季藍(lán)藻種數(shù)占比高達(dá)71.73%，而硅藻銳減至19.21%。秋季藍(lán)藻所占比例仍較高，綠藻比例逐漸增長(zhǎng)。冬季水溫較低，水體中藻類(lèi)數(shù)量較少，種類(lèi)以硅藻為主[7]。

一般認(rèn)為，硅藻型的浮游植物群落是水質(zhì)污染較輕水體的典型特征，而藍(lán)藻型則意味著水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化程度較高。可見(jiàn)，沙河水庫(kù)冬季水質(zhì)好于其余3個(gè)季節(jié)。

沙河水庫(kù)的優(yōu)勢(shì)種為湖泊偽魚(yú)腥藻，優(yōu)勢(shì)度高達(dá)43.3%。另外，藍(lán)藻門(mén)的擬柱胞藻(優(yōu)勢(shì)度13.6%)，硅藻門(mén)的短小曲殼藻(優(yōu)勢(shì)度10.4%)、雙頭針桿藻(優(yōu)勢(shì)度10.0%)、廣緣小環(huán)藻(優(yōu)勢(shì)度6.6%)，綠藻門(mén)的狹形纖維藻(優(yōu)勢(shì)度3.6%)、卷曲纖維藻(優(yōu)勢(shì)度2.2%)，隱藻門(mén)的尖尾藍(lán)隱藻(優(yōu)勢(shì)度1.2%)，金藻門(mén)的華美色金藻優(yōu)勢(shì)度1.1%)，甲藻門(mén)的擬多甲藻(優(yōu)勢(shì)度0.5%)占比也較高。

總體上，沙河水庫(kù)的浮游植物種類(lèi)較為豐富，作為集中式飲用水水源地，夏秋季水體藍(lán)藻較多，雖未形成水華，但應(yīng)引起足夠重視。

2.2 多樣性指數(shù)、均勻指數(shù)和豐富度指數(shù)

沙河水庫(kù)Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、群落均勻度指數(shù)和豐富度指數(shù)基本保持一致。全年來(lái)看，沙河水庫(kù)物種多樣性、豐富度高，均勻度稍欠均勻。冬春季(1—3月份、11—12月份)水體相對(duì)較清潔或良好，浮游植物種類(lèi)多樣，物種豐富度高，種間個(gè)體數(shù)分布較均勻；4—10月份水體環(huán)境改變或受到污染，浮游植物種類(lèi)單純，個(gè)別優(yōu)勢(shì)種數(shù)量很大，物種豐富度低，種間個(gè)體數(shù)分布欠均勻，見(jiàn)表3。

表3 各月Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、群落均勻度指數(shù)和豐富度指數(shù)

2.3 水質(zhì)結(jié)果分析

根據(jù)TP、TN、Chl-a、CODMn和透明度(SD)數(shù)據(jù)計(jì)算出沙河水庫(kù)2020年1—12月份營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)介于50.3～52.9(圖4)，年內(nèi)變化幅度較小，營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)年均值為51.0，屬輕度富營(yíng)養(yǎng)。

圖4 2020年沙河水庫(kù)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)逐月變化情況

3 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)沙河水庫(kù)浮游植物和水質(zhì)調(diào)查結(jié)果，分析了浮游植物的群落組成和變化特征，運(yùn)用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、群落均勻度指數(shù)和豐富度指數(shù)進(jìn)行了水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)。結(jié)論如下：

(1)沙河水庫(kù)浮游植物以藍(lán)藻、綠藻和硅藻三大門(mén)類(lèi)為主。三門(mén)藻類(lèi)種數(shù)占總種數(shù)的83.6%。浮游植物種類(lèi)季節(jié)變化明顯，春季種數(shù)最多，夏季相對(duì)較少。夏秋季藍(lán)藻門(mén)為優(yōu)勢(shì)種群，冬春季硅藻門(mén)為優(yōu)勢(shì)種群。浮游植物物種組成的季節(jié)性變化，受水環(huán)境因素影響，不同季節(jié)水體的光照、溫度、溶解氧和營(yíng)養(yǎng)鹽等均有差異。

(2)沙河水庫(kù)屬輕度富營(yíng)養(yǎng)，浮游植物多樣性指數(shù)和物種豐富度指數(shù)較高，沙河水庫(kù)水體相對(duì)清潔、生態(tài)環(huán)境良好，個(gè)別月份可能存在輕污染。