吉林省興隆水庫浮游植物群落結構特征及其與環境因子的關系

金香琴，胡國宏

(吉林省水產科學研究院，吉林 長春 130033)

浮游植物是水生生態系統中物質代謝和能量循環的初級生產者，具有體積小、代謝快、數量多、分布廣、對環境敏感等特點.浮游植物是浮游動物和一些魚蝦類的天然攝食來源，是食物鏈中的重要環節[1]，其群落結構對穩定水生態系統平衡具有重要作用.浮游植物的生長受環境因子的影響較大，與水溫、溶解氧、pH、電導率、氮磷營養鹽、硅酸鹽具有明顯的相關關系，特別是氮磷營養鹽[2-7].有研究表明，在有機物充足的條件下，氮磷營養鹽的結構(N/P)直接影響浮游植物生長的限制因子[8].水體中的氮、磷含量直接決定浮游植物的增值速率，反映水體富營養化進程.也有研究發現，比起總氮、總磷含量大小，氮磷營養鹽的不同存在形態對水華藻類的生長起著關鍵作用[9].由于水生態系統的差異性和復雜性，環境因子對浮游植物生長的影響還存在較大的爭議，因此有必要對不同地區湖泊類型環境因子進行深入的研究.

興隆水庫位于吉林省通榆縣城西北45 km處，是坐落在松花江流域霍林河北股河道上的一個平原中型水庫，是吉林西部鹽堿地區比較典型的湖泊類型.興隆水庫校核洪水位162.35 m，正常需水量為3 100萬m3，以防洪、生態養殖為主.興隆水庫是吉林省河湖連通工程中連接向海自然保護區和霍林河的重要節點.自工程實施以來，原本干涸的興隆水庫得以補水，水庫濕地面積逐漸增加，生物多樣性也逐漸提高，生態環境逐漸恢復.目前對興隆水庫水質狀況以及浮游植物多樣性方面的研究基本空白，對漁業綜合利用方面不能提供有效數據.為此，筆者于2016年春、夏、秋季對興隆水庫的浮游植物種類組成、優勢種、現存量以及生物多樣性進行了詳細調查，同時進行了水環境因子的檢測，探究了浮游植物與環境因子的關系，以為水環境保護和河湖連通工程生態修復效果提供有效的基礎資料.

1 材料與方法

1.1 采樣點設置

圖1 興隆水庫采樣點分布

2016年5月(春季)、7月(夏季)和9月(秋季)，分別對興隆水庫進行了3次采樣，根據庫區狀況設置了5個采樣點，分別記為1#—5#，見圖1.

1.2 樣品的采集與處理

用多參數水質分析儀(SEBA MPS16，德國)現場原位測定水溫(Tem)、pH、電導率(Cond)、總溶解固體(TDS)、溶解氧(DO)、氧化還原電位(ORP)、濁度(Turb)、總懸浮物(TSS).透明度(SD)用塞氏盤現場測定.5日生化需氧量(BOD5)、總氮(TN)、總磷(TP)、高錳酸鹽指數(CODMn)、銨氮(NH4-N)、亞硝酸鹽氮(NO2-N)的測定參考《水和廢水監測分析方法》(第四版)[10].

浮游植物分為定性樣品和定量樣品的采集.定性樣品采用網撈法，即用25號浮游生物網在水下0.5～1.0 m處呈“∞”字形拖曳3～5 min，撈取的樣品加甲醛溶液固定.定量樣品利用采水器采取1 L水樣，用15 mL魯格氏液固定后沉淀48 h濃縮至30 mL，利用目視法鑒定并計數.樣品鑒定參考相關文獻[11-13]進行.

1.3 優勢度及多樣性指數的計算

(1) 優勢度(Y).計算公式為

Y=Pi×fi.

式中：Pi為第i種浮游植物的個體數占總個體數的比例；fi為第i種浮游植物出現的頻率.當Y≥ 0.02時為優勢種.

(2) 多樣性指數.選擇Shannon-Wiener多樣性指數(H′)、Simpson豐富度指數(D)、均勻度指數(J)三種，計算公式為

式中：S為浮游植物的種類數；Pi為第i種浮游植物的個體數占總個體數的比例.

1.4 數據統計

運用Microsoft Excel 2007軟件進行數據統計分析，并用SPSS 22.0軟件進行單因素方差分析(One-way ANOVA)和Pearson相關性分析.

2 結果與分析

2.1 水質理化指標

興隆水庫水質調查結果見表1.由表1可見，興隆水庫水溫具有明顯的季節性變化，7月份平均水溫達到26.46℃；電導率在不同月份依次發生變化，9月>7月>5月，變化范圍不大，但電導率整體偏高；總溶解固體(TDS)質量濃度變化范圍為0.376～0.431 mg/L，9月>7月>5月，與電導率變化趨勢相同；氧化還原電位(OPR)變化范圍為176.2～303.0 mV；整個水域pH值較高，偏堿性，平均值為9.65，5月份顯著高于9月份；整個水域透明度較高，均超過50 cm；溶解氧變化在5.131～8.898 mg/L.興隆水庫BOD5變化范圍為1.19～3.06 mg/L，9月>7月>5月.CODMn變化范圍為27.24～44.44 mg/L，5月份平均為30.73 mg/L，7月份平均為40.80 mg/L，9月份為40.68 mg/L，7月和9月明顯高于5月份.5—9月總氮質量濃度變化范圍為0.887～2.230 mg/L，7月份總氮質量濃度要高于5月和9月，7月份平均為2.05 mg/L，9月份平均為1.606 mg/L，5月份平均為0.987 mg/L.5—9月氨氮質量濃度的變化范圍為0.348～0.77 mg/L，9月>7月>5月，9月份氨氮平均質量濃度為0.676 mg/L，7月份為0.528 mg/L，5月份為0.446 mg/L，各采樣點之間無明顯差異.興隆水庫5—9月亞硝酸鹽氮質量濃度變化范圍為0.027～0.089 mg/L，9月>7月>5月，9月份亞硝酸鹽氮平均質量濃度為0.082 mg/L，7月份平均為0.062 mg/L，5月份平均為0.035 mg/L，各采樣點之間無明顯差異.5—9月總磷質量濃度變化范圍為0.084～0.168 mg/L，7月>9月>5月，7月份總磷平均質量濃度為0.148 mg/L，9月份平均為0.135 mg/L，5月份平均為0.116 mg/L，7月和9月份明顯高于5月份.

2.2 浮游植物群落結構

2.2.1 浮游植物種類組成及優勢種

調查期間共采集到浮游植物171種，隸屬于6門86屬，其中：硅藻門22屬42種，甲藻門4屬6種，裸藻門6屬18種，綠藻門41屬83種，隱藻門1屬2種.研究調查得出的優勢種共8種，綠藻門3種，藍藻門5種.優勢種在不同季節表現出不同的優勢度：5月份優勢種主要為綠藻門，而7月份優勢種全部都是藍藻門，9月份綠藻門和藍藻門各占一半(見圖2、表2).

圖2 興隆水庫浮游植物種類組成

門 類種 類5月7月9月綠藻門小空星藻Coelastrum microporum0.020狹形纖維藻Ankistrodesmus angustus0.0230.059小球藻Chlorella vulgaris0.0280.556藍藻門狹小顫藻Oscillatoria angustissima0.0250.336簡單顫藻Oscillatoria simplicissima0.025點型平裂藻Merismopedia punctata0.057微小平裂藻Merismopedia tenuissima0.048柔細束絲藻Aphanizomenon gracile0.1330.150

2.2.2 浮游植物密度及生物量

興隆水庫各采樣點5月份浮游植物細胞密度為6.28×106～13.82×106個/L，平均值為9.83×106個/L；7月份浮游植物細胞密度為35.68×106～152.93×106個/L，平均值為78.73×106個/L；9月份浮游植物細胞密度為84.89×106～153.98×106個/L，平均值為119.51×106個/L.不同月份各浮游植物類群對細胞密度的貢獻率不同(見圖3)，5月份綠藻門密度占總密度的85.29%，藍藻門占8.20%；7月份藍藻門占74.07%，綠藻門占22.58%；9月份藍藻門占67.46%，綠藻門占29.88%.不同月份浮游植物密度存在差異，單因素方差分析表明，5月份與7月份差異顯著(P<0.05)，5月份與9月份差異為極顯著(P<0.01).

興隆水庫各采樣點5月份浮游植物生物量為1.208～3.520 mg/L，平均值為2.495 mg/L；7月份浮游植物生物量為5.281～25.894 mg/L，平均值為10.002 mg/L；9月份浮游植物生物量為5.925～13.432 mg/L，平均值為8.659 mg/L.不同月份各浮游植物類群對生物量的貢獻率不同(見圖3)，5月份綠藻門生物量占總生物量的61.81%，硅藻門占35.43%；7月份裸藻門占54.07%，綠藻門占15.70%，藍藻門占13.34%；9月份綠藻門生物量占總生物量的33.79%，裸藻門占27.51%，藍藻門占25.80%.不同月份浮游植物生物量之間不存在顯著性差異.

圖3 浮游植物各類群的貢獻率

2.2.3 多樣性指數

興隆水庫浮游植物物種多樣性指數結果見表3.Simpson物種豐富度指數依次為5月(0.912)>7月(0.836)>9月(0.576)；Shannon-Wiener多樣性指數依次為7月(3.834)>5月(3.794)>9月(3.536)；Pielou均勻度指數依次為5月(0.746)>9月(0.675)>9月(0.654).

表3 浮游植物物種多樣性指數

2.3 興隆水庫浮游植物種群與環境因子之間的關系

對不同月份各項環境因子均值及其與浮游植物細胞密度的關系進行相關性分析，結果見表4.結果顯示，浮游植物密度與TDS、BOD5、CODMn、銨態氮、亞硝酸鹽氮、總氮含量呈正相關，與DO含量呈負相關.各環境因子中銨態氮與TDS、BOD5、CODMn含量呈正相關，而與DO含量呈顯著負相關；亞硝酸鹽氮與TDS、CODMn、銨態氮含量呈顯著正相關，與DO含量呈負相關.

表4 興隆水庫各樣點理化指標與浮游植物細胞密度相關性分析

注：*表示在0.05水平(雙側)上顯著相關；**表示在0.01水平(雙側)上顯著相關

3 討論

興隆水庫水體pH值普遍較高，這是由當地土壤的鹽堿性質和水體中生物的呼吸作用所致.興隆水庫水體中總氮、總磷質量濃度常年較高，特別是在7月份，根據環境因子進行評價，興隆水庫處于富營養水平.此外，監測到的浮游植物優勢種主要為綠藻門的空星藻屬(Coelastrum)、小球藻屬(Chlorella)，藍藻門的顫藻屬(Oscillatoria)、平列藻屬(Merismopidia)、尖頭藻屬(Raphidiopsis)，這些均屬于富營養水體的優勢物種，也說明興隆水庫受到一定的污染，富營養化水平正在加劇.根據《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)，興隆水庫調查水域水質處于Ⅱ—Ⅴ類、甚至超Ⅴ類.由此可見，興隆水庫水質惡化的驅動因子是營養鹽，這主要是由于大范圍的漁業養殖活動，以及興隆水庫水域長年封閉沒有流水交換營養鹽在水庫內積累導致的.

浮游植物群落結構組成與水環境變化息息相關.本次調查表明，興隆水庫浮游植物群落結構具有明顯的季節性差異.春季主要以綠藻為優勢種，而且綠藻門在細胞密度和生物量貢獻率上占主要部分，這可能是由于春季浮游動物生長緩慢，對藻類的捕食壓力較小，利于個體小、能夠迅速吸收營養鹽并進行繁殖的種類生長.夏季主要以藍藻門為優勢種，藍藻門在總細胞密度中占較大比例，這是由于夏季水溫升高、光照增強，促進了藻類生長引起的.有研究表明，優勢種的大量生長會導致種群間競爭作用降低，群落結構不穩定，增加水體發生水華的風險[12].

對興隆水庫浮游植物密度與環境因子的相關性分析顯示，浮游植物密度與銨態氮、亞硝酸鹽氮、總氮含量呈顯著正相關，這說明浮游植物的生長與氮營養鹽濃度關系密切.因此，對興隆水庫富營養化的防治應集中在控制氮營養鹽的輸入.各環境因子中，銨態氮、亞硝酸鹽氮、總氮含量與溶解氧含量呈負相關，這與其他學者的研究結果[3]相同.在有氧條件下，銨態氮經亞硝酸細菌作用轉化為亞硝酸，之后經硝酸細菌的作用轉化為硝酸鹽.亞硝酸細菌和硝酸菌都是好氧菌，適宜在中性和偏堿性的環境中生長[13].而藻類及其他微生物將硝酸鹽作為氮源進行利用.這也說明，溶解氧濃度高時，硝化作用增強，銨態氮和亞硝酸含量降低，硝酸鹽含量增加，藻類可利用的氮源增加其生長也加快.

4 結論

興隆水庫浮游植物物種組成豐富，生物量較高，而且具有明顯的季節性，優勢種主要為藍藻門和綠藻門.浮游植物Shannon-Wiener多樣性指數較高，群落結構穩定性較強，而影響浮游植物生長的主要營養鹽因子為銨態氮、亞硝酸鹽氮、總氮含量.興隆水庫水質處于《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)Ⅱ—Ⅴ類甚至超Ⅴ類，造成水質惡化的驅動因子是營養鹽.因此，興隆水庫要應對營養鹽的增加采取有效措施，以防止水質繼續惡化，避免水華的發生.