南京市方便水庫浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征及與水環(huán)境因子關(guān)系

劉 飛，李林澤，曾 瑞，楊世印

(1.長江水利委員會水文局 長江下游水文水資源勘測局，江蘇 南京210011； 2.南京市雨花臺區(qū)水政監(jiān)察大隊，江蘇 南京 210012)

0 引 言

浮游植物是生態(tài)環(huán)境的重要組成之一，對水生態(tài)環(huán)境內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換和物質(zhì)循環(huán)起著無可替代的作用[1-2]。浮游植物種類繁多、分布廣泛，群落結(jié)構(gòu)與其所在水體質(zhì)量密不可分。有研究將浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征作為水質(zhì)的重要指示指標(biāo)之一[3]。水體透明度、高錳酸鹽指數(shù)、總氮、總磷等指標(biāo)數(shù)值的變化可直接改變水體營養(yǎng)狀態(tài)，從而改變浮游植物的生存狀態(tài)[4-5]。有研究指出，利用浮游植物群落結(jié)構(gòu)等特征來評價水質(zhì)狀況具有較強(qiáng)的可操作性和實(shí)用性[6-8]。因此，浮游植物監(jiān)測是湖泊、河流和水庫水環(huán)境監(jiān)測的重要內(nèi)容，尤其是在飲用水源地。

方便水庫位于南京市溧水區(qū)，是一座以灌溉、防洪為主，兼有供水功能的中型水利工程，是南京市重要的水源性水庫。水庫總庫容約4 900萬m3，集水面積約77.1 km2，屬秦淮河流域。水庫周圍有塘泥山、東廬山、荊山等，接青龍橋河、謝家棚河、西南村河等上游來水，下游依次為二干河、溧水河、秦淮河，最終匯入長江。

2000年以來，隨著地方經(jīng)濟(jì)及水庫周邊旅游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，方便水庫水體環(huán)境遭到一定程度的破壞，水庫水質(zhì)類別處于緩慢下降的狀態(tài)。浮游植物是水體中食物鏈的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，其群落組成及多樣性可以敏感反映環(huán)境因素變化對水生態(tài)系統(tǒng)的影響，也可用以推測和預(yù)知水生態(tài)狀況的發(fā)展趨勢，對于促進(jìn)方便水庫水資源的利用和保護(hù)具有重要的科學(xué)意義。本文調(diào)查了方便水庫的浮游植物群落結(jié)構(gòu)和水質(zhì)因子指標(biāo)數(shù)值變化情況，并分析了兩者之間的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 監(jiān)測點(diǎn)和采樣時間

綜合考慮方便水庫基本特性、樣品空間代表性及取樣便利性，此次調(diào)查共布設(shè)4個浮游植物監(jiān)測點(diǎn)，并同步進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測，具體位置見圖1。對青龍橋河、謝家棚河、西南村河等3條主要入庫河流水質(zhì)進(jìn)行同步監(jiān)測。監(jiān)測頻次為3次，分別為2020年8月(豐水期)、2020年10月(平水期)和2021年1月(枯水期)。

圖1 方便水庫采樣點(diǎn)位Fig.1 Sampling points of Fangbian Reservoir

1.2 浮游植物樣品采集與分析

現(xiàn)場用分層采水器采集水樣，混合后取1 L水樣加入1%的魯哥氏液固定并帶回實(shí)驗(yàn)室，靜置48 h后，用虹吸管吸去上層清液并定容至30 mL，在顯微鏡下進(jìn)行種類鑒定和計數(shù)。用顯微鏡計數(shù)時，取0.1 mL充分搖勻后的濃縮水樣樣品，置于0.1 mL計數(shù)框中，在10×40倍的顯微鏡下進(jìn)行鑒定并計數(shù)，獲得單位體積中浮游植物的數(shù)量。由于浮游植物比重接近于1，即1 mL的細(xì)胞體積等于1 mg濕重生物量，所以實(shí)驗(yàn)中生物量的測定采用體積轉(zhuǎn)化法。細(xì)胞的平均體積根據(jù)物種的幾何形狀計算。

1.3 水質(zhì)樣品采集與分析

1.4 豐度計算

浮游植物豐度計算：

Ni=nV2/(V1V3)=nV2f/(V1V3)

式中：n為計數(shù)所得個數(shù)，cells；V1為采樣量，L；f為稀釋因子；V2為濃縮樣定容體積，mL；V3為實(shí)際計數(shù)體積，mL。

1.5 優(yōu)勢度計算

物種優(yōu)勢度指數(shù)：[9]

Y=Ni/Nfi

式中：Ni為第i種物種的豐度，N為群落中所有物種的總豐度，fi為第i種物種在各樣點(diǎn)出現(xiàn)的頻率，當(dāng)Y≥0.02 時為優(yōu)勢種。

1.6 多樣性指數(shù)計算

選用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)和Pielou均勻度指數(shù)(J)[10]來分析浮游植物群落結(jié)構(gòu)和多樣性特征，計算公式如下：

H′=-∑(Ni/N)log2(Ni/N)

J=H′/lnS

式中：S為浮游植物的種類數(shù)。

生物多樣性指數(shù)評價標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 生物多樣性指數(shù)評價標(biāo)準(zhǔn)[11]

1.7 水質(zhì)狀況評價

依據(jù)GB 3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》評價水質(zhì)狀況，采用單因子評價法，即將某水樣的水質(zhì)項(xiàng)目參數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)中具體項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)最差的類別確定為該水樣的水質(zhì)類別。

2 結(jié)果分析

2.1 浮游植物的種類

本次調(diào)查共發(fā)現(xiàn)浮游植物7門81種，其中綠藻門39種，硅藻門18種，藍(lán)藻門11種，裸藻門4種，甲藻門、金藻門和隱藻門各3種(圖2)。

(1) 豐水期浮游植物7門56種，其中綠藻門25種，硅藻門12種，藍(lán)藻門9種，裸藻門、甲藻門和隱藻門各3種，金藻門1種。

(2) 平水期浮游植物7門50種，其中綠藻門26種，硅藻門10種，藍(lán)藻門6種，裸藻門3種，金藻門和隱藻門各2種，甲藻門1種。

(3) 枯水期浮游植物7門50種，其中綠藻門26種，硅藻門10種，藍(lán)藻門6種，裸藻門3種，金藻門和隱藻門各2種，甲藻門1種。

圖2 方便水庫浮游植物種類Fig.2 Phytoplankton species of Fangbian Reservoir

2.2 浮游植物數(shù)量分布

2.2.1 浮游植物豐度

方便水庫浮游植物豐度范圍為8.67×103～4.92×107cells/L，平均值為8.69×106cells/L，浮游植物主要由藍(lán)藻門組成，平均占比為89.07%。

(1) 豐水期浮游植物豐度范圍為6.35×106～4.92×107cells/L，平均值為2.29×107cells/L，浮游植物主要由藍(lán)藻門組成，平均占比為93.89%。

(2) 平水期浮游植物豐度范圍2.31×106～3.89×106cells/L，平均值為3.10×106cells/L，浮游植物主要由藍(lán)藻門組成，平均豐度1.66×106cells/L，平均占比為53.55%。

(3) 枯水期浮游植物豐度范圍8.67×103～4.22×104cells/L，平均值為2.01×104cells/L，浮游植物數(shù)量各門類差異較小，最大值為隱藻門，平均豐度5.90×103cells/L，平均占比為29.35%。具體統(tǒng)計結(jié)果見表2。

表2 方便水庫浮游植物不同時期豐度統(tǒng)計

2.2.2 浮游植物生物量

方便水庫浮游植物生物量范圍0.015 2～13.527 9 mg/L，平均值為3.069 0 mg/L，浮游植物生物量主要由藍(lán)藻門組成，平均占比分別68.08%。

(1) 豐水期浮游植物生物量范圍2.354 5～13.527 9 mg/L，平均值為7.056 9 mg/L，生物量主要由藍(lán)藻門組成，藍(lán)藻門平均生物量為5.844 5 mg/L，平均占比為82.82%。

(2) 平水期浮游植物生物量范圍0.867 4～4.219 3 mg/L，平均值為2.013 9 mg/L，浮游植物生物量主要由隱藻門組成，平均生物量為0.589 8 mg/L，平均占比為29.29%。

(3) 枯水期浮游植物生物量范圍0.015 2～0.455 7 mg/L，平均值為0.136 2 mg/L，浮游植物生物量分布較均勻，金藻門的生物量最高，平均為0.052 9 mg/L，平均占比為38.84%。

2.3 優(yōu)勢度

不同時期方便水庫的浮游植物優(yōu)勢度有所不同。由表3可知，束絲藻(Aphanizomenonsp.)和偽魚腥藻(Pseudoanabaenasp.)優(yōu)勢度最大，3個時期均為優(yōu)勢種。豐水期方便水庫優(yōu)勢種均為藍(lán)藻門，其中偽魚腥藻優(yōu)勢度最大，束絲藻次之。平水期優(yōu)勢種主要為藍(lán)藻門和隱藻門，其中束絲藻優(yōu)勢度最大，偽魚腥藻次之?？菟趦?yōu)勢種表現(xiàn)不明顯，藍(lán)藻門、綠藻門、硅藻門、隱藻門、裸藻門和金藻門均有。具體統(tǒng)計結(jié)果見表3。

2.4 浮游植物多樣性指數(shù)

圖3為不同采樣時間浮游植物Shannon-Wiener指數(shù)和Pielou指數(shù)變化情況。方便水庫豐水期、平水期和枯水期浮游植物的Shannon-Wiener指數(shù)分別為2.21，3.88和3.20；浮游植物的 Pielou 均勻度指數(shù)分別為0.62，1.13和0.93。結(jié)果表明，浮游植物在平水期時種類最豐富，個體分布最均勻。

2.5 庫區(qū)水質(zhì)狀況

方便水庫水溫變化范圍為2.2～32.5 ℃，水溫在枯水期最低，豐水期最高；pH值變化范圍為7.21～8.25；溶解氧變化范圍為5.90～12.43 mg/L；高錳酸鹽指數(shù)變化范圍為2.7～4.5 mg/L；五日生化需氧量變化范圍為0.7～4.0 mg/L；氨氮變化范圍為0.026～0.172 mg/L；總磷變化范圍為0.02～0.05 mg/L；總氮變化范圍為0.34～0.58 mg/L。按豐水期、平水期、枯水期，分別計算各點(diǎn)位各評價指標(biāo)濃度算術(shù)平均值，按照環(huán)辦〔2011〕22號《地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法(試行)》的要求采用單因子評價法進(jìn)行水質(zhì)類別評價。結(jié)果顯示，方便水庫總體水質(zhì)狀況較好且穩(wěn)定，不同時期的水質(zhì)類別均為Ⅲ類。具體評價結(jié)果見表4。

表3 方便水庫不同時期優(yōu)勢種和優(yōu)勢度統(tǒng)計

圖3 方便水庫浮游植物多樣性指數(shù)趨勢Fig.3 Trend of phytoplankton diversity index of Fangbian Reservoir

3條入庫河流的單因子水質(zhì)評價結(jié)果如表5所示，西南村河水質(zhì)較好，豐、平、枯3個水期水質(zhì)均為Ⅲ類水；青龍橋河豐水期水質(zhì)為Ⅳ類水，主要超標(biāo)項(xiàng)目為化學(xué)需氧量，平水期和枯水期水質(zhì)為Ⅲ類水；謝家棚河豐水期為Ⅴ類水，主要超標(biāo)項(xiàng)目為高錳酸鹽指數(shù)和五日生化需氧量，平水期和枯水期水質(zhì)為Ⅲ類水。

3 討 論

浮游植物是水生生態(tài)系統(tǒng)生物資源的基礎(chǔ)，作為初級生產(chǎn)者，其種群變動和群落結(jié)構(gòu)直接影響著水生生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，水生生態(tài)系統(tǒng)浮游植物群落結(jié)構(gòu)的變化與環(huán)境因子密切相關(guān)，是其對環(huán)境適應(yīng)的結(jié)果。因此，浮游植物生物量和物種組成的變化可以反應(yīng)環(huán)境條件的變化。

表4 方便水庫水質(zhì)類別評價

表5 方便水庫主要入庫河流水質(zhì)類別評價

在時間維度上，方便水庫浮游植物數(shù)量在不同水期呈現(xiàn)非常明顯的差異。從豐水期至枯水期，豐度從2.29×107cells/L降至2.01×104cells/L，生物量從7.056 9 mg/L降至0.136 2 mg/L。這表明水溫是影響浮游植物生物量的重要因素之一[12]。在空間維度上，方便水庫浮游植物數(shù)量變化也較為明顯。從3個時期來看，4個點(diǎn)位的浮游植物數(shù)量排序均為1號>4號>2號>3號，而同步監(jiān)測的TP和TN也呈現(xiàn)同樣的變化趨勢。這也表明營養(yǎng)鹽是影響浮游植物生物量的重要因素之一。本次調(diào)查結(jié)果與相關(guān)作者的研究結(jié)果一致，即浮游植物的豐度受營養(yǎng)鹽和溫度等環(huán)境因子的驅(qū)動而處于動態(tài)變化之中[13-17]。

方便水庫浮游植物種類數(shù)量在不同水期變化較小，但種群結(jié)構(gòu)差異較大。優(yōu)勢度方面，不同水期庫區(qū)內(nèi)浮游植物優(yōu)勢度有所不同。藍(lán)藻門中的束絲藻和偽魚腥藻優(yōu)勢度最大，3個時期均為優(yōu)勢種?？菟趦?yōu)勢種表現(xiàn)不明顯且出現(xiàn)了金藻，有研究指出金藻對溫度變化感應(yīng)靈敏，一般在寒冷的晚秋和冬季生長旺盛[18]。

方便水庫浮游生物的Shannon-Wiener指數(shù)和 Pielou 均勻度指數(shù)結(jié)果表明：浮游植物在豐水期時豐富度較高，個體分布較均勻，水體存在輕度污染；平水期和枯水期物種種類豐富，個體分布均勻，水體清潔。本次調(diào)查同步監(jiān)測了主要入庫河流的水質(zhì)狀況，結(jié)果顯示青龍橋河和謝家棚河豐水期的水質(zhì)狀況較差，分別為Ⅳ類和Ⅴ類，這可能是造成豐水期方便水庫輕度污染的原因之一。

4 結(jié) 論

對南京市方便水庫的浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了調(diào)查研究。結(jié)果表明：方便水庫存在浮游植物7門81種，其中綠藻門39種，硅藻門18種，藍(lán)藻門11種，裸藻門4種，甲藻門、金藻門和隱藻門各3種；浮游植物豐度范圍8.67×103～4.92×107cells/L，生物量范圍0.015 2～13.527 9 mg/L，從豐水期至枯水期呈明顯下降趨勢。不同水期庫區(qū)內(nèi)浮游植物優(yōu)勢度有所不同，但藍(lán)藻門中的束絲藻和偽魚腥藻在3個時期均為優(yōu)勢種；生物多樣性指數(shù)和水質(zhì)評價結(jié)果均表明方便水庫總體水質(zhì)狀況較好，滿足集中式生活飲用水源地二級保護(hù)區(qū)、一般魚類保護(hù)區(qū)及游泳區(qū)等功能的要求。豐水期受入庫河流水質(zhì)影響，水質(zhì)變差。今后應(yīng)持續(xù)關(guān)注入庫河流的水質(zhì)狀況，以保證水庫水質(zhì)的持續(xù)向好。