基于浮游植物群落的青島世園會天水水庫水體評價

張曉紅，劉旭東，孫立娥，趙 璐，MUHAMMAD Shafi

1.青島市環境監測中心站，山東 青島 266003

2.Lasbela University of Agriculture,Water and Marine Sciences,Balochistan Pakistan

基于浮游植物群落的青島世園會天水水庫水體評價

張曉紅1，劉旭東1，孫立娥1，趙 璐1，MUHAMMAD Shafi2

1.青島市環境監測中心站，山東 青島 266003

2.Lasbela University of Agriculture,Water and Marine Sciences,Balochistan Pakistan

于2014年5—9月逐月對青島世園會園區內的天水水庫進行了浮游植物群落結構研究，共發現浮游植物7門42屬66 種，密度變化范圍為18.48×104～427.00×104個/L，優勢種為克羅脆桿藻(Fragilariacrotonensis)、銅綠微囊藻(Microcystisaeruginosa)和尖尾藍隱藻(Chroomonasacuta)，監測期間浮游植物密度逐漸升高，均勻度和多樣性指數呈下降趨勢。聚類結果顯示，監測區域大致可按月分為3個浮游植物群落，分別為綠藻型、硅藻-隱藻型、藍藻型。冗余分析表明，氨氮、CODMn及總氮與水庫浮游植物的群落結構關系最為密切。水質評價顯示，天水水庫水質處于中度污染，營養水平為中營養。

青島世園會；天水水庫；浮游植物群落；水質評價

浮游植物是水域中的初級生產者，是食物鏈的基礎環節，在生態系統的平衡中起著重要的作用。浮游植物是評價水體營養等級的重要環境指示生物，浮游植物群落的種類組成和數量結構變化具有一定規律，主要受相關的物理、化學和生物等環境因子的影響,其群落結構特征也被作為水環境評價的重要指標[1-4]。

2014年青島世界園藝博覽會(簡稱青島世園會) 屬A2+B1級別的國際性園藝博覽會，于2014年4月25日—10月25日在青島市李滄區東部百果山腳下舉辦。青島世園會規劃總占地面積為241 hm，場址匯集了北側嶗山余脈的匯水(李村河的發源地之一)。園區內分布著畢家上流水庫、上流水庫和鞍子溝水庫，世園會會址以庫容82萬m3的畢家上流水庫為核心，形成“天水”景區[5]。

研究于2014年5—9月青島世園會期間逐月對園區內的天水水庫進行浮游植物群落與水環境質量監測，由于未有歷史資料，特結合地理位置相近的嶗山水庫[6]、棘洪灘水庫[7]、產芝水庫[8]和鐵山水庫[9]進行對比，為掌握世園會園區內水庫浮游植物的群落結構，摸清水庫水質狀況提供基礎資料，同時為青島世園會園區的后續利用與發展提供理論依據。

1 實驗部分

1.1 采樣點位和頻率

在水庫布設1個采樣點位(圖1)，采樣點盡量避開景觀噴泉區。于2014年5—9月下旬進行5次采樣。

圖1 水庫采樣點位示意圖

1.2 標本處理與種類鑒定

定性樣品用25號浮游生物網采集，在水深0.5 m處以0.5 m/s的速度呈“∞”型拖拉5 min，用魯哥試劑固定，另采1個樣品作活體觀察。2個樣品帶回實驗室在10×40倍光學顯微鏡下觀察分類。定量樣品于水深0.5 m處采集水樣1 L，用酸化的魯哥試劑進行現場固定，實驗室內沉淀48 h后，將樣品濃縮至30 mL，搖勻后取0.1 mL于計數框中，在顯微鏡(Olympus-BX41)下對浮游植物進行鑒定和計數[10]。浮游植物的分類鑒定參照文獻[11-13]。

1.3 水質監測項目及方法

水質監測項目包括水溫、透明度(SD)、pH、溶解氧、氨氮、總氮(TN)、總磷(TP)、高錳酸鹽指數( CODMn)、葉綠素a(Chla)。上述化學項目的測定方法按照水和廢水監測等常規分析方法[14]，Chla的測定參照《湖泊富營養化調查規范》[15]。

1.4 數據處理及分析

采用種類多樣性指數(H′)、種類均勻度指數(J)和種類豐富度指數(M)，對浮游植物群落結構進行分析[16]，計算公式為

H′=-∑Pilog2Pi

(1)

(2)

(3)

式中：S為總物種數，Pi為種i的個體數占總個體數的比例，N是全部物種的個體數。

優勢度的計算公式為

(4)

式中：ni為第i種的個體數；fi為該種在各點位出現的頻率；當Y>0.02時,該種認為是監測水域的優勢種。

采用PRIMER 5軟件根據物種密度4次方根轉換計算Bray-Curtis相似性系數矩陣，采用軟件包中等級聚類分析進行群落結構分析。利用CANOCO 4.5軟件對浮游植物群落和環境因子進行冗余分析。

采用綜合營養狀態指數法來評價水庫營養狀態[17]，參數為Chla、TP、TN、SD和CODMn。計算公式為

(5)

式中：TLI(∑)為綜合營養狀態指數；Wj為第j種參數的營養狀態指數的相關權重；TLI(j)為代表第j種參數的營養狀態指數。以Chla作為基準參數，則第j種參數的歸一化的相關權重計算公式為

(6)

式中：rij為j種參數與基準參數(Chla)的相關系數；m為參數的個數。

湖泊(水庫)的Chla與其他參數之間的相關關系(rij)見表1。

表1 湖泊(水庫)的Chla與其他參數之間的rij

各項目的TLI(j)計算公式為

TLI(Chla)=10×(2.5+1.086lnChla)

TLI(TP)=10×(9.436+1.624lnTP)

TLI(TN)=10×(5.453+1.694lnTN)

TLI(SD)=10×(5.118-1.94lnSD)

TLI(CODMn)=10×(0.109+2.661lnCODMn)

式中：Chla的質量濃度單位為mg/m3，SD單位為m，其他指標的質量濃度單位均為mg/L。

2 結果與分析

2.1 浮游植物種類組成及密度分布

歷次監測共獲浮游植物7門42屬66種，其中硅藻門共計9屬17 種，甲藻門4屬5 種，綠藻門19屬25 種，藍藻門5屬13 種，金藻門1屬1種，裸藻門2屬3種，隱藻門2屬2種，種類組成詳見表2，監測區域浮游植物密度見表3。統計的種類數包含定性和定量分析結果，即9月種類較多，5、8月種類數量基本一致(圖2、圖3)。

表2 天水水庫藻類名錄

注：“√”表示該種藻類出現。

表3 不同月份浮游植物門類密度 104個/L

由表2可見，5—9月逐月的優勢門類分別為綠藻門、綠藻門、硅藻門、硅藻門、藍藻門?？肆_脆桿藻、銅綠微囊藻和尖尾藍隱藻為監測區域的優勢種，優勢度分別為0.14、0.10和0.09。

由表3可見，監測區域浮游植物密度變化范圍為18.48×104～427.00×104個/L，平均為145.49×104個/L，浮游植物密度逐月增加。

圖2 天水水庫浮游植物總種類組成

圖3 各月份浮游植物種類組成

2.2 浮游植物多樣性指數的變化

監測區域M指數的變化范圍為0.97～1.26，平均值為1.12；J指數的變化范圍為0.26～0.62，平均值為0.39；H′指數變化范圍為1.11～2.40，平均值為1.55；可見，豐富度變化不大，而均勻度與多樣性則有下降的趨勢(圖4)。

圖4 天水水庫浮游植物多樣性指數月變化

2.3 生物群落及環境因子分析

群落結構的聚類分析見圖5。

圖5 群落結構聚類分析

由圖5可以看出，根據月份大致可分為3個浮游植物群落，其中5、6月是以并聯藻為主的群落I，7、8月是以克羅脆桿藻和尖尾藍隱藻為主的群落II，9月是以銅綠微囊藻、類顫藻魚腥藻為主的群落III。門類的變化順序為綠藻→硅藻、隱藻→藍藻。

以浮游植物密度4次方根為響應變量，以除水溫外的7個環境因子的平均測量值作為解釋變量(由于采樣時間并不是每日同一時刻，水溫變化幅度較大，故剔除掉水溫因素)，進行冗余分析，對環境變量進行前向性選擇和Monte Carlo 檢驗，以簡化模型。結果顯示：氨氮、CODMn和TN 3個環境因子的組合共能解釋85.5%的不同月份之間群落變化的原因(這3個因子的逐月變化趨勢見圖6)。其中，氨氮的變化在群落劃分中起顯著作用，也是影響群落結構分布的最主要因素。

圖6 氨氮、CODMn和TN逐月變化圖

選擇浮游植物優勢度較高，且物種適合度在排序軸上的變化大于70%的種類作圖(共7種，詳見圖7)。

圖7 基于冗余分析的浮游植物群落隨環境梯度的變化分布圖(圖中代號所代表浮游植物名稱見表2)

由圖7可以看出，以銅綠微囊藻、類顫藻魚腥藻為代表的浮游植物與氨氮的變化呈正相關，代表了9月的浮游植物群落主體特征，而5、6月—7、8月的變化主要是隨著TN含量增加，克羅脆桿藻與科曼小環藻大量增殖，并聯藻、隱頭舟形藻、梅尼小環藻逐漸減少至消失。

2.4 TLI指數

Chla、TP、TN、SD、CODMn作為水體綜合營養狀態評價指標，通過TLI指數對水庫的水質進行富營養化評價，詳見表4。

表4 天水水庫各月TLI指數變化

從表4可見，水體中TN 和SD 2項指標對TLI貢獻率相對較大，TLI指數逐月升高，整體屬于中營養水體，并有向富營養水體變化的趨勢。

3 討論

3.1 浮游植物群落結構特征

水庫是一類受人為調節的水生態系統，不同類型水庫的浮游植物群落結構各具特點。低營養水平水庫的浮游植物以硅藻-甲藻、硅藻-綠藻或金藻-硅藻為主，高營養水平水庫以藍藻-硅藻、藍藻-綠藻為主[18-20]。

研究共采集到浮游植物7 門66種，種類組成以綠藻、硅藻和藍藻為主，在監測期間綠藻屬數和種類數始終占首位，硅藻位居第二。與其相鄰近的嶗山水庫、棘洪灘水庫、產芝水庫種類組成基本一致，優勢種逐月變化組成上與鐵山水庫基本一致，而與嶗山水庫、棘洪灘水庫、產芝水庫相比，夏季和秋季時均為藍藻高速增長，主要不同點為春季綠藻與硅藻的優勢水平各地不一致，這也與各地的水庫富營養化水平、水庫保護情況有關。

生物多樣性指數是反映生物群落組成特征的重要參數，監測區域內J指數與H′指數5月最高，9月最低，而M指數基本不變。由此可以推測，水庫物種多樣性指數的變動，可能更多的是M由于群落均勻度的變動而不是種類數的變化。這與夏季和秋季藍藻、隱藻的部分優勢種大量增殖有關，造成群落均勻度下降，這也與部分水庫以往的研究一致[21-22]。一般認為生物種群直接的關系(如競爭、捕食、演替等)都能夠通過改變J指數來改變H′指數,而不會改變物種的M指數[23]。

群落結構聚類分析與冗余分析均顯示，可把監測區域的浮游植物分為3個群落，綠藻、硅藻、藍藻以及隱藻的種類組成、密度變化是引起浮游植物群落結構變化的主要原因。克羅脆桿藻、銅綠微囊藻則是造成群落結構變化的主要種類。聚類分析還顯示，天水水庫不同門類浮游植物細胞密度變化明顯:從5、6月的綠藻優勢過渡到7、8月的硅藻-隱藻共同優勢，最終到9月的藍藻優勢。

3.2 影響浮游植物群落的環境因子

環境因子對浮游植物群落結構有著十分重要的影響，天水水庫的水體TN含量較高，超出《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅴ 類水標準，而TP處于較低的水平，這也與其相近的水庫監測結果一致[24]。不同種類的浮游植物適宜生長的溫度不同，硅藻適應在較低溫度的水體中生長，最適溫度為20 ℃左右; 藍綠藻適宜在較高溫度水體中生長，溫度為25～35 ℃[19，25]。鑒于此，監測顯示，在不同的季節，水體中不同的環境因子變化造成了各門類浮游植物分別在各自適宜的生長增殖溫度下，顯示出不同的增殖特征。

在監測初期的5、6月水溫較低，水庫中浮游植物處于復蘇狀態，群落均勻度高，植物種類豐富，生物多樣性高；7、8月水庫的水溫逐漸升高，水體中的TN含量持續增加，以克羅脆桿藻與科曼小環藻為代表的部分藻類大量增殖，同時隱頭舟形藻、梅尼小環藻逐漸減少至消失；進入9月，水溫仍處于較高狀態，此時氨氮的含量顯著增高，形成以銅綠微囊藻、類顫藻魚腥藻為代表的藍藻群落主體。對于9月天水水庫藍藻伴隨著氨氮的含量增高而大量增殖的現象，有學者利用15N穩定同位素示蹤技術對浮游植物群落對不同形態氮的吸收研究也得到一致的結果[26]。水庫SD指標很低(基本未超過3 m)，由于藍藻具備特殊的抗紫外損傷能力和調節沉浮的偽空泡結構，比其他藻類更能適應低透明度環境，因此低透明度環境使得藍藻具有競爭優勢，為其優勢地位確立提供了條件。

3.3 基于水質和多樣性指數的綜合評價

由于水域環境、計數方法等多方面的因素都可能對多樣性指數產生影響，一般采用2 種或2 種以上的指標來評價水環境狀況。據TLI分類標準[17]，TLI(∑) <30為貧營養，30≤TLI(∑) ≤50 為中營養，TLI(∑) >50為富營養，天水水庫處于中營養水平。這也與地理位置相近的其他水庫已有研究結果一致[6-8]。

生物多樣性指數是反映生物群落組成特征的重要參數。多樣性指數越高表明其浮游植物群落內物種越豐富且種類間比例越均勻，越有利于整個生態系統的穩定。根據M指數和H′指數顯示，天水水庫水質屬于中度污染[27]。

盡管庫區水質總的營養程度為中營養，但是夏季藍藻數量大的現象也不容忽視，應當引起政府管理部門的高度重視，并應積極采取相應措施，如在春季藻類復蘇期間，采取有效方法清除水華藍藻的種源，減輕夏季藍藻水華壓力，同時控制水體中TN和氨氮的含量，從而達到預防藍藻水華大規模發生和防止水質惡化的目的。

4 結論

研究共發現浮游植物7門42屬66 種，密度變化范圍為18.48×104～427.00×104個/L。監測區域大致可按月分為3個浮游植物群落，分別為綠藻型、硅藻-隱藻型、藍藻型。冗余分析表明，氨氮、CODMn、TN與水庫浮游植物的群落結構關系最為密切。水質評價顯示，天水水庫水質處于中度污染，營養水平為中營養。

[1] REYNOLDS C S．What factors influence the species composition of phytoplankton in lakes of different trophic status?[J]．Hydrobiologia，1998，369:11-26．

[2] 蘭佳，吳志旭，李俊，等．新安江水庫浮游植物群落特征及影響因素分析[J]．中國環境監測，2014，30(2):40-46．

[3] 李秋華，韓博平．基于CCA的典型調水水庫浮游植物群落動態特征分析[J]．生態學報，2007，27(6):2 355-2 364．

[4] 黃旭光，李順興，曾憲興．九龍江西溪漳州段浮游植物組成與環境因子的關系[J]．生態學雜志，2012，31(5):1 097-1 103．

[5] 劉建華，梁春，孟廣明，等．青島世界園藝博覽會園區雨水利用可行性分析及對策[J]．水資源保護，2013，29(1):65-68．

[6] 王艷玲，曹正梅，劉峰．嶗山水庫浮游植物的季節變化及水體營養狀態[J]．水資源保護，2011，27(1):42-45．

[7] 趙先富，于軍，葛建華，等．青島棘洪灘水庫浮游藻類狀況及水質評價[J]．水生生物學報，2005，29(6):41-46．

[8] 王艷玲，馮靜，李建國，等．產芝水庫的浮游植物與水體水質評價[J]．海洋湖沼通報，2008(4):85-90．

[9] 盧敬讓，李德尚，周春生．山東省大中型水庫浮游生物研究─Ⅱ．浮游植物構成及其特點[J]．青島海洋大學學報，1994，24(3):349-356．

[10] 章宗涉，黃祥飛．淡水浮游生物研究方法[M]．北京：科學出版社，1995．

[11] 胡鴻鈞，魏印心．中國淡水藻類—系統、分類及生態[M]．北京：科學出版社，2006．

[12] 齊雨藻，李家英．中國淡水藻志(第十卷)[M]．北京：科學出版社，2004．

[13] 施之新．中國淡水藻志(第十六卷)[M]．北京：科學出版社，2013．

[14] 國家環境保護總局《水和廢水監測分析方法》編委會．水和廢水監測分析方法(第四版增補版)[M]．北京:中國環境科學出版社，2002．

[15] 金相燦，屠清瑛．湖泊富營養化調查規范[M] ．北京：中國環境科學出版社，1990．

[16] 馬克平，劉玉明．生物群落多樣性的測度方法I α多樣性的測定方法(下)[J]．生物多樣性，1994，2(4)：231-239．

[17] 王明翠，劉雪芹．湖泊富營養化評價方法及分級標準[J]．中國環境監測，2002，18(5)：47-49．

[18] 林秋奇，胡韌，段舜山，等．廣東省大中型供水水庫營養現狀及浮游生物的響應[J]．生態學報，2003，23(6):1 101-1 108．

[19] 楊亮杰，余鵬飛，竺俊全，等．浙江橫山水庫浮游植物群落結構特征及其影響因子[J]．應用生態學報，2014，25(2):569-576．

[20] KANGRO K，LAUGASTE R，NGES P，et al．Long-term changes and seasonal development of phytoplankton in a strongly stratified，hypertrophic lake[C]//Lake Verevi.Estonia—A Highly Stratified Hypertrophic Lake．Springer Netherlands，2005:91-103．

[21] 譚香，夏小玲，程曉莉，等．丹江口水庫浮游植物群落時空動態及其多樣性指數[J]．環境科學，2011，32(10):2 875-2 882．

[22] 張婷，李林，宋立榮．熊河水庫浮游植物群落結構的周年變化[J]．生態學報，2009，29(6):2 971-2 979．

[23] 郭勁松，陳杰，李哲，等．156 m蓄水后三峽水庫小江回水區春季浮游植物監測及多樣性評價[J]．環境科學，2008，29(10):2 710-2 715．

[24] 芮翠杰，馬繼平，劉玉華，等．青島棘洪灘水庫氮磷營養鹽分析[J]．水資源保護，2012，28(3):51-54．

[25] 田永強，俞超超，王磊，等．福建九龍江北溪浮游植物群落分布特征及其影響因子[J]．應用生態學報，2012，23(9):2 559-2 565．

[26] 楊柳，章銘，劉正文．太湖春季浮游植物群落對不同形態氮的吸收[J]．湖泊科學，2011，23(4):605-611．

[27] 況琪軍，馬沛明，胡征宇，等．湖泊富營養化的藻類生物學評價與治理研究進展[J]．安全與環境學報，2005，5(2):87-91．

Phytoplankton and Water Quality of Tianshui Reservoir at Qingdao International Horticultural Exposition 2014

ZHANG Xiaohong1,LIU Xudong1,SUN Li’e1,ZHAO Lu1,MUHAMMAD Shafi2

1.Environmental Protection and Monitoring Centre Station of Qingdao,Qingdao 266003,China

2.Lasbela University of Agriculture,Water and Marine Sciences,Balochistan Pakistan

Investigations were made on the Phytoplankton diversity in the Tianshui reservoir at Qingdao International Horticultural Exposition 2014 from May to September in 2014. A total of 66 phytoplankton species were collected,the range of density was 18.48×104-427.00×104ind/L. The composition of dominant species wereFragilariacrotonensisKitton，MicrocystisaeruginosaandChroomonasacutaUterm. Phytoplankton density increased monthly during the investigation，when Species evenness index and Shannon's diversity index showed a downward trend. The hierarchical clustering of between groups linkage showed that the phytoplankton community could be divided into chlorophyta type，bacillariophyta-cryptophyta type，and cyanophyta type. Redundancy analysis showed that ammonia nitrogen,total nitrogen,chemical oxygen demand had the closest relationships with the phytoplankton community structure in the reservoir．Water quality evaluation showed that reservoir was in secondary pollution with a meso-trophic level．

Qingdao International Horticultural Exposition；Tianshui reservoir；phytoplankton community structure；water quality evaluation

2015-03-27;

2015-06-24

張曉紅(1986-)，女，山東臨沂人，碩士，助理工程師。

劉旭東

X824

A

1002-6002(2016)02- 0064- 07