海子水庫(kù)浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征與水質(zhì)關(guān)系研究

陳曉江　楊劼　杜桂森　劉波

摘要：本研究旨在分析作為旅游景點(diǎn)的海子水庫(kù)的浮游植物群落組成、多樣性與水質(zhì)關(guān)系。分別于2009年和2010年的5月、8月、10月進(jìn)行了野外生態(tài)調(diào)查。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)鏡檢的方法，共鑒定出藻類6門74種。綠藻門藻類有20屬45種，占鑒定出的藻類總種類數(shù)的60.81%，其次是藍(lán)藻門有9屬11種，占14.86%。海子水庫(kù)北湖采樣點(diǎn)與南湖采樣點(diǎn)相比具有更高的豐富度、豐度和生物量，特別是在夏季期間觀察到的更明顯。鏈絲藻（Hormidium flaccidum）、優(yōu)美裂面藻（Merismopedia elegans）、點(diǎn)形裂面藻（Merismopedia punctata）、純頂螺旋藻（Spirulina platensis）、中華尖頭藻（Merismopedia sinica）、二角盤星藻（Pediastrum duplex）、尖針桿藻（Synedra acus.）、顆粒直鏈藻極狹變種（Melosira granulata var. angustissima）、盾形多甲藻（Peridinium umbonatum）數(shù)量上占優(yōu)勢(shì)。根據(jù)藻類密度值與營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)值，海子水庫(kù)水體夏季為富營(yíng)養(yǎng)化水體。相關(guān)分析表明浮游植物生物量受限于電導(dǎo)率（P<0.05）。在水生態(tài)系統(tǒng)中的浮游植物多樣性有突出的生態(tài)作用，因此，采取保護(hù)水庫(kù)區(qū)域水生生物群落動(dòng)態(tài)平衡及減少污染的環(huán)境方案，可以盡量減少截?cái)嗨h(huán)的大壩給水生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)的負(fù)面影響。

關(guān)鍵詞：海子水庫(kù)；浮游植物；群落結(jié)構(gòu)；環(huán)境保護(hù)；富營(yíng)養(yǎng)化

中圖分類號(hào)：X826 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）22-5579-05

Abstract： This study aimed to analyze the community structure， diversity and ecological attributes of the phytoplankton in the Haizi reservoir. Fieldwork was carried out in May， August and October of 2009 and 2010. A total of 74 species belonging to 6 phyla were identified through laboratory microscopical examination method. Chlorophyta was the most group （45 species of 20 genera， 60.81% of the total identified phytoplankton）， and Cyanophyta was the second （11 species of 9 genera， 14.86% of the total identified phytoplankton）. Higher richness， abundance and biomass were observed in the Beihu of dam of Haizi reservoir when compared with the Nanhu of Haizi reservoir sampling point， especially during summer period. Hormidium flaccidum， Merismopedia elegans， Merismopedia punctata， Spirulina platensis and Merismopedia sinica， Pediastrum duplex， Synedra acus， Melosira granulata var. angustissima， Peridinium umbonatum dominated numerically. According to the density of algae and trophic level index（EI）， Haizi reservoir is eutrophic water. The correlation analysis showed that the biomass of phytoplankton is limited by electrical conductivity（P<0.05）. In aquatic ecosystem， the phytoplankton diversity has prominent ecological role. Therefore， community dynamic balance and reduction of pollution environmental protection in reservoir area could minimize the negative impact of dam in water ecosystem.

Key words： Haizi reservoir； phytoplankton； community structure； environmental protection； eutrophication

濕地是地球上最重要的自然資源和生態(tài)系統(tǒng)，對(duì)人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有不可替代的綜合功能[1]。水庫(kù)是重要的人工濕地，是為了調(diào)節(jié)水資源的時(shí)空分布而人為建造的湖泊，它和自然形成的湖泊一樣具有湖泊效應(yīng)，對(duì)水庫(kù)周邊的區(qū)域氣候環(huán)境及區(qū)域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響，并且改變?cè)搮^(qū)域環(huán)境生態(tài)狀況[2]。所以有必要對(duì)水庫(kù)水環(huán)境進(jìn)行生態(tài)監(jiān)測(cè)，而在一般意義上的水質(zhì)監(jiān)測(cè)是水質(zhì)化學(xué)指標(biāo)監(jiān)測(cè)及微生物學(xué)方面的監(jiān)測(cè)，浮游植物作為淡水生態(tài)系統(tǒng)中的初級(jí)生產(chǎn)者，群落組成的變化會(huì)影響整個(gè)水生態(tài)系統(tǒng)中食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)淡水生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)和信息傳遞也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化[3，4]。浮游植物大部分是單細(xì)胞生物，對(duì)環(huán)境條件的變化非常敏感，其組成群落結(jié)構(gòu)的變化是對(duì)水質(zhì)變化的一個(gè)很好的指示[5]，所以在水環(huán)境監(jiān)測(cè)中有著重要的作用。

位于北京市平谷區(qū)的海子水庫(kù)主要用作旅游和漁業(yè)養(yǎng)殖，多年來(lái)上游來(lái)水量減少，庫(kù)區(qū)生態(tài)補(bǔ)水量嚴(yán)重不足，水質(zhì)日益下降。鑒于海子水庫(kù)生態(tài)調(diào)查資料的稀少，項(xiàng)目組對(duì)水庫(kù)進(jìn)行了系統(tǒng)的生態(tài)調(diào)查，通過(guò)對(duì)浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析研究，并結(jié)合常規(guī)調(diào)查的水質(zhì)物理化學(xué)指標(biāo)，應(yīng)用湖泊（水庫(kù)）營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及分級(jí)方法[6]，對(duì)水庫(kù)現(xiàn)狀進(jìn)行綜合分析和生態(tài)評(píng)價(jià)，以期為海子水庫(kù)管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

海子水庫(kù)（40°10′N，117°18′E，圖1）位于北京市平谷區(qū)東部海子村，三面環(huán)山，只有南面開闊，水域面積6.5 km2，總庫(kù)容量達(dá)1.2億m3，水庫(kù)始建于上世紀(jì)50年代，大壩位于海子村東側(cè)，水庫(kù)的西面，大壩上面建有仿古長(zhǎng)廊，庫(kù)區(qū)形似海馬，在半山亭處分成北湖和南湖2個(gè)庫(kù)區(qū)[7]。水庫(kù)位于中國(guó)暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。

1.2 采樣與監(jiān)測(cè)參數(shù)設(shè)置

根據(jù)水庫(kù)生境特征以及《陸地生態(tài)系統(tǒng)水環(huán)境觀測(cè)規(guī)范》，在海子水庫(kù)的北湖與南湖設(shè)置2個(gè)采樣點(diǎn)（圖1），采樣時(shí)間根據(jù)北方氣候特點(diǎn)，分別在2009年和2010年的5月（春季）、8月（夏季）、10月（秋季）進(jìn)行了共6次采樣。

監(jiān)測(cè)參數(shù)選擇水深、T（水溫）、SD（透明度）、浮游藻類、pH、ρ（電導(dǎo)率）、DO（溶解氧）、CODCr（化學(xué)需氧量）、BOD5（生化需氧量）、TN（總氮）、TP（總磷）、NH4-N（氨氮）、CODMn（高錳酸鹽指數(shù)）、chl-a（葉綠素a）和水體感官性狀等15項(xiàng)指標(biāo)[8，9]。2009年至2010年，每季一次現(xiàn)場(chǎng)生態(tài)調(diào)查并同步進(jìn)行水樣采集，在實(shí)驗(yàn)室分別進(jìn)行定性、定量測(cè)定。

1.3 樣品采集方法、保存和鑒定

采用25#浮游生物網(wǎng)在水體表面采集定性分析水樣，加入貼有標(biāo)簽的50 mL樣品瓶中，滴入甲醛液固定，用作定性鑒定。用5 L采水器于水面下0.5 m處采集定量分析水樣1 L，加入貼有標(biāo)簽的1.2 L樣品瓶中，滴入15 mL魯哥試劑固定，在平整的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上靜置30 h后，除掉上清液，濃縮至30 mL加入到有標(biāo)簽的50 mL樣品瓶中，用作浮游植物的定量鑒定。定量鑒定時(shí)，顯微鏡計(jì)數(shù)時(shí)充分搖勻樣品水樣，用移液槍從樣品瓶中吸取0.1 mL水樣滴入計(jì)數(shù)框內(nèi)，采用視野法計(jì)數(shù)浮游植物各種（屬）的細(xì)胞數(shù)和個(gè)體數(shù)，發(fā)現(xiàn)定性鑒定中沒(méi)有的藻種，加記到定性統(tǒng)計(jì)表中。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

1.4.1 多樣性分析

（1）多樣性指數(shù)

（2）豐富度指數(shù)

Margalef指數(shù)[11]：d=（S-1）/log2N

（3）均勻度指數(shù)

Pielou指數(shù)[12]：J=H/lnS

式中，S為總種數(shù)，N為所有種個(gè)體總數(shù)，Pi第i種個(gè)體數(shù)量在總個(gè)體數(shù)量中的比例。H值0～1為重污染，1～3為中污染（其中1～2為α-中污，2～3為β-中污），>3為輕污染或無(wú)污染[13，14]。

1.4.2 統(tǒng)計(jì)分析 運(yùn)用Excel 2010和SPSS 17.0軟件對(duì)測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征與密度動(dòng)態(tài)

在海子水庫(kù)兩個(gè)樣點(diǎn)6次采樣中，鑒定的浮游植物共6門39屬74種，包括綠藻20屬45種，藍(lán)藻9屬11種，硅藻5屬8種，裸藻2屬7種，甲藻2屬2種和隱藻1屬1種。如圖2所示，綠藻種類數(shù)占所有藻類組成的60.81%，其次是藍(lán)藻（14.86%）。藍(lán)藻種類數(shù)少于綠藻種類，但是密度年均值是最高的（2009年占65.64%，2010年占57.36%）。2009年與2010年的水庫(kù)浮游植物群落構(gòu)成都是以綠藻和藍(lán)藻為優(yōu)勢(shì)，海子水庫(kù)生態(tài)類型為綠藻—藍(lán)藻型水庫(kù)。

2.2 浮游植物群落結(jié)構(gòu)時(shí)空分布特征

2.2.1 浮游植物優(yōu)勢(shì)種組成時(shí)空分布 庫(kù)區(qū)藍(lán)藻種類數(shù)在夏季最多，最高值是11種，其中有優(yōu)美裂面藻（Merismopedia elegans A. Braun）、點(diǎn)形裂面藻（Merismopedia punctata Meyen）、純頂螺旋藻（Spirulina platensis）、中華尖頭藻（Merismopedia sinica）、銅綠微囊藻（Microcystis aeruginosa Kutz.）、沼澤顫藻（Oscillatoria limnetical Lemm.）、針狀藍(lán)纖維藻（Dactylococcopsis acicularis）為優(yōu)勢(shì)種，春季種類較少（1-2種）；綠藻種類數(shù)夏、秋季節(jié)較多，峰值出現(xiàn)在2010秋季北湖采樣點(diǎn)，達(dá)25種，春季種類較少（7-18種），且浮游植物群落結(jié)構(gòu)2009與2010年差異性較顯著，2010年的物種數(shù)高于2009年。藻類組成在空間分布上也有顯著的差異性，北湖樣區(qū)藻類種類組成在2010年數(shù)量上高于南湖樣區(qū)，2009年藻類種類組成數(shù)量卻低于南湖樣區(qū)，水庫(kù)中浮游植物呈現(xiàn)空間分布的差異性，因?yàn)楸焙?kù)區(qū)水面寬闊、庫(kù)岸線短，而南湖庫(kù)區(qū)狹長(zhǎng)，支流多且?guī)彀毒€長(zhǎng)，受地表徑流帶來(lái)的外源性營(yíng)養(yǎng)面廣[15]。藻類這種顯著的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化，原因是浮游植物多為單細(xì)胞生物，對(duì)環(huán)境與氣候的變化有著特殊的敏感性，在短時(shí)間內(nèi)受影響較顯著。

2.2.2 浮游植物密度時(shí)空分布特征 分析海子水庫(kù)浮游植物密度數(shù)據(jù)，最大值為17 343.3×104 cells/L（2010年夏），最小值為670.68×104 cells/L（2010年春）（表2）。藻類總密度藍(lán)藻貢獻(xiàn)最大的是2009年夏季的北湖樣區(qū)，藍(lán)藻密度占92.57%（表2）。根據(jù)況琪軍等[16]提出的利用浮游植物細(xì)胞密度評(píng)價(jià)水質(zhì)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，海子水庫(kù)春季和秋季水質(zhì)較好，為貧-中營(yíng)養(yǎng)水體～中營(yíng)養(yǎng)水體，夏季為中營(yíng)養(yǎng)型水體～極富營(yíng)養(yǎng)型水體，水質(zhì)差。海子水庫(kù)水質(zhì)2009年為中營(yíng)養(yǎng)型，2010年為中-富營(yíng)養(yǎng)型。

海子水庫(kù)浮游植物群落總體密度季節(jié)差異顯著，藻類總密度中夏季藍(lán)藻門占較高比例，遠(yuǎn)大于硅藻和綠藻，這與藍(lán)藻生理特性有關(guān)，藍(lán)藻的DNA與光合作用系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性等形成了高溫適應(yīng)機(jī)制[17]，藍(lán)藻最適生長(zhǎng)溫度為25～35 ℃[18]高于其他藻類，同時(shí)對(duì)高溫的耐受能力強(qiáng)于其他藻類。2009 年和2010年夏季采樣期間，海子水庫(kù)水溫在28 ℃左右，適合藍(lán)藻生長(zhǎng)。同時(shí)海子水庫(kù)是旅游景點(diǎn)，在春季和秋季游客少，而夏季游客較多，對(duì)水體的干擾較大。在適宜的溫度，充足的營(yíng)養(yǎng)鹽條件下，藍(lán)藻大量繁殖，使水庫(kù)藻類密度升高。藍(lán)藻細(xì)胞密度越高，水體富營(yíng)養(yǎng)化程度也越高[19]。

2.3 水環(huán)境因子對(duì)浮游植物群落結(jié)構(gòu)的影響

對(duì)浮游植物與水質(zhì)理化指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析。海子水庫(kù)浮游植物密度（p）、葉綠素a（chl-a）及種類組成（S）與環(huán)境因子之間的關(guān)系（表3），浮游植物組成與電導(dǎo)率（ρ）呈負(fù)相關(guān)性，相關(guān)性顯著（P<0.05），而與其他調(diào)查所測(cè)環(huán)境因子有一定相關(guān)性，但相關(guān)系數(shù)值不大。其中與葉綠素a（chl-a）呈正相關(guān)性，雖然相關(guān)性不顯著，而相關(guān)系數(shù)還是比較高的（R=0.683），屬中度相關(guān)[20]，說(shuō)明生物多樣性對(duì)生物量有一定的正向作用。葉綠素a與浮游植物密度正相關(guān)性極顯著（P<0.01），藻類對(duì)水體中的生物量貢獻(xiàn)率達(dá)99%，說(shuō)明海子水庫(kù)主要生產(chǎn)者是藻類。葉綠素a和藻類密度與其他環(huán)境因子都是有一定相關(guān)性，但相關(guān)系數(shù)都不大，相關(guān)程度較低，其中與高錳酸鹽指數(shù)（R=0.660，0.664）、水溫（R=0.485，0.601）、氨氮（R=-0.489，-0.506）、總氮（R=-0.569，-0.650）顯示為中度相關(guān)，與總氮顯示為中度負(fù)相關(guān)，分析原因，海子水庫(kù)氮、磷含量較高，均達(dá)到富營(yíng)養(yǎng)水體標(biāo)準(zhǔn)（TP>0.05 mg/L，TN>0.5 mg/L）[21]，但是氮磷比例卻不在藻類生長(zhǎng)最適范圍之內(nèi)，藻類生長(zhǎng)的氮磷比值最適范圍是10～17[22，23]，海子水庫(kù)2009年氮磷比為22.0，2010年的氮磷比為9.7。海子水庫(kù)水體中的氮磷不是藻類生長(zhǎng)的限制因子。

2.4 水庫(kù)水體營(yíng)養(yǎng)級(jí)

根據(jù)中國(guó)水利部發(fā)行的《地表水資源質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程》（SL395—2007）描述的湖庫(kù)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及分級(jí)方法，對(duì)海子水庫(kù)水體進(jìn)行了評(píng)價(jià)（表4），海子水庫(kù)水體在2009年為中營(yíng)養(yǎng)型水體，2010年為富營(yíng)養(yǎng)型水體。

2.5 浮游植物的多樣性

2.5.1 多樣性指數(shù)的時(shí)空動(dòng)態(tài)及其相關(guān)性分析 2009年北湖，Shannon-Wiener指數(shù)（H）、Margalef指數(shù)（d）、Pielou指數(shù)（J）秋季都達(dá)到最大，分別為2.92、2.13和1.08；在春季值最小，依次為1.02、0.93、0.49；2009年南湖的H秋季最大為3.27，春季最小為1.17，d和J在夏秋季節(jié)數(shù)值相等，分別為1.61、1.07，都高于春季的1.27、0.49；在2010年，北湖和南湖的H、d、J值都是夏季最大，北湖樣區(qū)數(shù)值依次為3.38、2.59、1.17，南湖是3.64、2.79、1.24；秋季最小，北湖為2.79、2.30、1.06，南湖為2.55、1.98、1.03。

進(jìn)行各個(gè)指數(shù)間相關(guān)分析（表5），H、d和J的相關(guān)性極顯著（P<0.01），說(shuō)明海子水庫(kù)物種多樣性指數(shù)的變化，與群落均勻度的變化和物種豐富度的變化都有相關(guān)性。

2.5.2 多樣性指數(shù)的空間特征分析 對(duì)北湖和南湖多樣性指數(shù)年均值進(jìn)行比較分析，北湖和南湖沒(méi)有顯著差異性（圖3），所以得出結(jié)論研究區(qū)域浮游植物空間差異性不顯著，文獻(xiàn)中研究其他的水庫(kù)也有這種類似的結(jié)論[24，25]。

2.5.3 生物多樣性指數(shù)評(píng)價(jià) 浮游植物的多樣性指數(shù)是判斷湖泊水庫(kù)營(yíng)養(yǎng)狀況最常用的檢測(cè)指標(biāo)[16]。按照H值的大小劃分水體污染程度[26]，北湖和南湖在2009年春季為α-中污（H：1.02，1.17）；北湖2009年的夏季（2.69）、秋季（2.92）和2010年的秋季（2.79）為β-中污，南湖在2009年夏季（2.89）和2010年秋季（2.55）為β-中污；北湖2010年春季（3.13）夏季（3.38）為輕污染，南湖2009年秋季（3.24）、2010年春季（3.24）和夏季（3.64）為輕污染。

根據(jù)指示性浮游植物群落評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[27]，海子水庫(kù)整體上為β-中污染水體。綜合分析結(jié)果，海子水庫(kù)為β-中污染或輕度富營(yíng)養(yǎng)化水平。

3 小結(jié)

1）海子水庫(kù)浮游植物群落的優(yōu)勢(shì)種群為綠藻和藍(lán)藻，而藍(lán)藻對(duì)藻類總密度貢獻(xiàn)率是最大的，綠藻種類數(shù)在各門類中最多。浮游植物群落結(jié)構(gòu)有顯著的季節(jié)性特征，海子水庫(kù)作為旅游景觀，受人類活動(dòng)干擾影響顯著，2009年和2010年的北湖和南湖兩個(gè)樣區(qū)，都是夏季（旅游旺季）浮游植物密度達(dá)到最大，水體為極富營(yíng)養(yǎng)化水體。

2）環(huán)境與浮游植物相關(guān)分析表明，不同季節(jié)各類環(huán)境因子對(duì)浮游植物群落的影響有所不同。電導(dǎo)率是影響海子水庫(kù)浮游植物群落分布的主要驅(qū)動(dòng)因子。

3）Shannon-Wiener指數(shù)、Margalef指數(shù)、Pielou指數(shù)季節(jié)變化趨勢(shì)均一致。應(yīng)用多樣性指數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)水體，整體屬于β-中污染帶到寡污染帶之間，2009年春季為α-中污。根據(jù)細(xì)胞密度評(píng)價(jià)，夏季水庫(kù)水質(zhì)為極富營(yíng)養(yǎng)水平，春、秋季節(jié)水質(zhì)較好。

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（責(zé)任編輯 彭西甜）