丹江口庫灣浮游植物群落與環境因子關系研究

賈 海 燕，徐 建 鋒，雷 俊 山

(長江水資源保護科學研究所，湖北 武漢 430051)

庫灣作為湖庫的重要組成部分，在水體與外界的物質、能量和信息交換中發揮著舉足輕重的作用。隨著自然和人為因素導致的污染物不斷積累，庫灣水體富營養化程度不斷加劇，進而導致湖庫水質的持續惡化[1]。浮游植物作為水體富營養化水平的重要指示生物，其群落結構、種類組成等能有效地反映水環境現狀及變化[2-3]。目前，應用浮游植物對水環境進行評價的方法主要有：① 根據藻類物種組成對水環境因子的耐受能力指示環境污染[4]；② 利用藻類群落結構參數評價[5]；③ 將群落結構與功能(主要為物種組成、多樣性和豐富度等)及耐受指數等參數相結合的生物指數法[6]。由于浮游植物種類眾多，特定的庫灣水環境條件決定了誘導水華暴發的浮游植物難以明確，現階段的研究更加關注多種環境因子與浮游植物的耦聯作用[7]。

丹江口水庫作為南水北調中線工程的水源地，是京津冀豫地區的重要飲用水水源，其水質安全與否決定了工程成敗。隨著丹江口水庫水位的持續抬升，庫周生態環境的改變導致部分庫灣富營養化的潛在風險增加，進而影響到丹江口庫區水質。前期研究更多關注于丹江口庫體和部分支流的水質狀況[8-10]，對于庫灣水質和水生態研究需要進一步加強。本次研究是在前期研究的基礎上，通過庫灣的采樣調查，分析浮游植物群落結構及其與水環境因子的關系，明確其主要影響因子，以期為南水北調中線工程丹江口水庫的環境保護與管理提供生物學支撐。

1 研究背景

1.1 研究區域與樣點布設

丹江口水庫(32°14′N～33°48′N，109°25′E～111°52′E)位于漢江中上游，分布于湖北省丹江口市和河南省淅川縣，由漢江庫區和丹江庫區組成，屬北亞熱帶季風氣候，年均氣溫15.9℃，降雨量為800～1 000 mm，其中5～10月份降雨量占全年降雨量的80%左右，年均蒸發量為800～900 mm左右。自然狀態下，5～10月為豐水期，11月至次年4月為枯水期。

水庫內庫灣眾多，根據庫灣形狀可分為閉合型和開放型庫灣。其中，閉合型庫灣由于水體交換緩慢，發生富營養化的風險較高。因此，依據典型性、代表性等原則，選取丹江口庫區11個閉合型庫灣，根據所在位置將它們分別命名為：老城鄉庫灣(S1)、盛灣鄉庫灣(S2)、馬蹬庫灣(S3)、倉房庫灣(S4)、九重鎮庫灣(S5)、安陽龍門庫灣(S6)、習家店庫灣(S7)、泗河庫灣(S8)、浪河庫灣(S9)、涼水河庫灣(S10)、柳陂鎮庫灣(S11)等(如圖1所示)。

圖1 丹江口庫區位置及庫灣采樣點(2017年)Fig.1 Locations and sampling sites of Danjiangkou Reservoir bays

1.2 樣品采集與實驗分析

浮游植物采樣時間為2017年4月(春季)、2017年7月(夏季)，2017年10月(秋季)和2018年1月(冬季)。

參照《水環境監測規范》(SL219-2013)進行浮游植物定性分析。依據聯合國教科文組織推薦的《浮游植物手冊》[11]和《中國淡水藻類：系統、分類及生態》[12]進行浮游植物種類鑒定。浮游植物計數方法為目鏡視野法，用0.1 mL浮游植物計數框在10×40倍的光學顯微鏡下進行。計數時充分搖勻濃縮液后，立即取0.1 mL樣品放入計數框中全片計數，細胞數在300以上，每個樣品至少計數2片，取其平均值作為最終結果。根據濃縮倍數換算為每升水樣中的細胞數(cells/L)，該細胞數即為浮游植物的豐度[13]。

2 研究方法

浮游植物群落多樣性指數采用Shannon-Wiener多樣性指數(H′)、Margalef豐富度指數(Dm)和Pielou 均勻度指數(J)描述，并通過優勢度確定樣本的優勢種群(Y)。

(1)

(2)

(3)

Y=(Ni/N)×fi

(4)

式中，Ni為第i個種群的個數，N為同一樣品中所有種群的總個數，fi為第i種群的出現頻率，S為樣品中浮游植物種群類別總數。Y≥0.02為優勢種群[15]。

水體富營養化程度采用綜合營養狀態指數法[16]，計算公式如下：

(5)

式中，TSI(∑)表示綜合營養狀態指數；TSI(j)表示第j種參數的營養狀態指數。Wj為第j種參數的營養狀態指數的相關權重，采用葉綠素a(Chla)、總磷(TP)、總氮(TN)、透明度(SD)、高錳酸鹽指數(CODMn)作為水體的綜合營養狀態指數的權重因素。按照下述方法進行加權。

Chla是浮游植物的重要組成部分，是表征其現存量的重要指標之一[17]。以Chla作為基準參數，則第j種參數的歸一化相關權重計算公式為：

(6)

式中，rij為第j種參數與基準參數Chla的相關系數；m為評價參數的個數。

利用CANOCO 4.5軟件分析浮游植物與環境因子的關系；對各評價指數及其與環境因子的關系進行Pearson相關性分析。為了消除極值影響并使數據滿足正態分布，在進行統計分析之前，先對變量進行log(x+1)轉換。

3 結果和討論

3.1 水體理化特征

由于各環境因子單位不統一，對數據標準化處理后進行相關性分析，具體見表2。結果顯示，Chla與WT、pH值、DO和BOD5呈顯著正相關(p<0.01)，與SiO2呈負相關關系(p<0.05)，而與其它環境因子無顯著相關關系(p>0.05)。其他環境因子相互關系中，pH值與DO和BOD5呈顯著正相關(p<0.01)；CODMn與BOD5和NH3-N顯著正相關(p<0.01)；TN與DO顯著負相關(p<0.01)；TP與BOD5和TN顯著正相關(p<0.01)； SiO2與WT、pH、CT等顯著負相關(p<0.01)。

3.2 浮游植物特征

(1) 種類組成及優勢種。在丹江口庫灣檢測出的浮游植物，包括硅藻門、綠藻門、隱藻門、甲藻門、裸藻門、藍藻門和金藻門等共7門57屬。其中，春季檢測出7門29屬，綠藻門種類最多，占同期藻類總數的15%～60%，S1庫灣種類最多，S9庫灣最少；夏季檢測出6門42屬，未發現裸藻門，各庫灣綠藻門種類最多，占同期藻類總數的27%～62%，S2庫灣種類最多，S9庫灣最少；秋季檢測出6門28屬，未檢測出金藻門，各庫灣硅藻門種類最多，占同期藻類總數的29%～60%，S11庫灣種類最多，S5庫灣最少；冬季檢測出6門24屬，未檢測出金藻門，硅藻門種類最多，占同期藻類總數的25%～67%，S5、S10和S11庫灣種類最多，最少的為S1和S2庫灣。

浮游植物優勢種能夠反映水環境的營養狀況。丹江口庫灣共有優勢種9種，包括：綠藻門的弓形藻(Schroederia)、卵囊藻(Oocystis)、柵藻(Scenedesmus)，硅藻門的小環藻(Cyclotella)、曲殼藻(Achnanthes)，藍藻門的束絲藻(Aphanizomenon)、魚腥藻(Anabaena)以及隱藻門的隱藻(Cryptophyceae)等，具體見表3。其中，硅藻門的曲殼藻(Achnanthes)，藍藻門的束絲藻(Aphanizomenon)、魚腥藻(Anabaena)為春季優勢種；綠藻門的卵囊藻(Oocystis)、柵藻(Scenedesmus)、弓形藻(Schroederia)、絲藻(Ulothrix)，隱藻門的隱藻(Cryptophyceae)和藍藻門的束絲藻(Aphanizomenon)為夏季優勢種；硅藻門的小環藻(Cyclotella)，隱藻門的隱藻(Cryptophyceae)和藍藻門的束絲藻(Aphanizomenon)為秋季優勢種；硅藻門的小環藻(Cyclotella)，隱藻門的隱藻(Cryptophyceae)和藍藻門的束絲藻(Aphanizomenon)為冬季優勢種。

丹江口庫灣浮游植物群落變化規律為春季的硅藻、藍藻向夏季的綠藻、藍藻和隱藻，以及秋、冬季的硅藻、隱藻和藍藻轉變。通常認為，金藻等為貧營養型水體的優勢種，甲藻、隱藻和硅藻為中營養型水體的優勢種，而綠藻、藍藻為富營養型水體的優勢種[18]。通過調查發現，藍藻門的束絲藻(Aphanizomenon)和隱藻門的隱藻(Cryptophyceae)為丹江口庫灣四季的優勢種。可推測出庫灣富營養化程度介于中營養型和富營養型水體之間，這與汪朝輝等[9]關于丹江口典型庫灣和支流的研究結論相似。

表1 丹江口庫灣環境因子年平均值Tab.1 Values of aquatic environmental factors in Danjiangkou Reservoir bays

表2 丹江口庫灣環境因子的Pearson相關系數矩陣(n=44)Tab.2 Person correlation coefficient Matrix of environmental index in typical bays of Danjiangkou Reservoir

注：*表示p<0.05(雙尾檢驗)；**表示p<0.01(雙尾檢驗)

表3 丹江口庫灣浮游植物優勢屬及優勢度Tab.3 Dominant genera and the abundance of phytoplankton in Danjiangkou Reservoir bays

(2)浮游植物豐度及空間分布。丹江口庫灣浮游植物數量時空變化見表4。由表可知，水體浮游植物數量在各庫灣和不同季節均存在差異。春季各庫灣浮游植物數量在0.46×106～10.44×106cells/L之間，夏季浮游植物數量在0.86×106～18.30×106cells/L之間，秋季浮游植物數量在0.39×106～10.03×106cells/L之間，冬季浮游植物數量在0.49×106～61.10×106cells/L之間。4次檢測的浮游植物均值在2.73×106～6.87×106cells/L之間，年平均數量在4.89×106cells/L。4次檢測最低數量值出現在秋季的S6庫灣，為0.39×106cells/L，最高數量值出現在冬季的S2庫灣，為61.10×106cells/L。浮游植物數量的空間變化為0.71×106～23.96×106cells/L。

基于水庫壩前、肖川、香花3個主要監測斷面的連續報道，從20世紀60年代至90年代水庫藻類由硅藻型逐步轉變為硅藻-綠藻-甲藻型，藻類密度范圍在0.07×106～7.58×106cells/L[19-20]。近10 a水體浮游藻類的群落結構仍以硅藻、綠藻為主，藻類數量在0.23×106～1.76×106cells/L之間[21-22]，低于本研究中庫灣浮游藻類數量。總體而言，水庫建成運行后藻類組成結構逐漸穩定為硅藻、綠藻為主的群落結構，庫灣藻類密度明顯高于水庫常規水環境監測斷面。

表4 丹江口庫灣浮游植物時空變化Tab.4 Seasonal and spatial variation of phytoplankton quantity in Danjiangkou Reservoir bays

(3) 浮游植物多樣性及富營養化評價。群落物種多樣性是群落組織獨特的生物學特征，它反映了群落特有的物種組成和個體密度特征，是用來判斷湖庫富營養狀況最常用的指標[23]。丹江口庫灣浮游植物多樣性指數見圖2。Shannon多樣性指數(H′)介于0.22～2.22之間，均值分別為夏季(1.81)>春季(1.40)>秋季(1.22)>冬季(0.94)，最高值出現在夏季的S5庫灣和春季的S2庫灣，最低值出現在冬季的S2庫灣，參照水質評價標準[24]，丹江口庫灣為重污染至中污染；Margalef豐富度指數(Dm)介于0.32～3.98之間，均值分別為夏季(2.90)>秋季(2.38)>春季(1.93)>冬季(1.54)，最高值為夏季的S5庫灣，最低值為冬季的S1庫灣，根據浮游植物群落評價標準[25]，丹江口庫灣為β-中污帶，該結論與譚香等[21]關于丹江口水庫的評價結果相似；Pielou 均勻度指數(J)介于0.16～0.95之間，均值分別為夏季(0.63)>春季(0.59)>秋季(0.49)>冬季(0.48)，最高值為冬季的S1庫灣，最低值為冬季的S2庫灣。

H′和Dm指數值越大，水質越好，即浮游植物種類多樣性指數越大，其群落結構越復雜，穩定性越高，水質越好；相反，多樣性指數減少，群落結構趨于簡單，穩定性變差，水質下降。通過分析發現，丹江口庫灣多樣性指數夏季達到最大值，冬季最低，可以判斷出夏季庫灣浮游植物群落結構穩定，水質狀況較好，而冬季水質較差。

綜合營養狀態指數TSI(∑)分級標準是：TSI(∑)<30為貧營養，30≤TSI(∑) ≤50為中營養，TSI(∑)>50為富營養，5070為重度富營養[9]。丹江口庫灣綜合營養狀態指數值處于27～53之間，水質基本為中營養狀態，少數庫灣為貧營養和輕度富營養化狀態。春季和夏季的S4庫灣，為貧營養狀態；春季的S8庫灣，則處于輕度富營養化狀態(表5)。

圖2 丹江口庫灣浮游植物多樣性指數Fig.2 Phytoplankton diversity index in Danjiangkou Reservoir bays

時間S1S2S3S4S5S6S7S8S9S10S11春季4044372731464353323336夏季3942382830463640333442秋季464445323044-48393745冬季3844353530353236353340

3.3 環境因子與浮游植物關系

將篩選的環境因子與浮游植物進行RDA分析，分析結果見表6和圖3。

表6 浮游植物與環境因子的相關關系Tab.6 Correlation between phytoplankton and environmental factors

第1和第2排序軸分別解釋了浮游植物的51.0%和12.4%，所有典范軸累計貢獻達76.0%。對浮游植物群落結構影響顯著的環境因子，箭頭長度從大到小依次為WT、SiO2、CT、CODMn、NH3-N、Chla、pH、BOD5、SD、DO、DP、TP、TN，也相應代表了對浮游植物群落影響的重要程度。溫度能通過控制光合作用的酶促反應或呼吸作用的強度直接影響藻類的生長[26]。丹江口庫灣溫度(WT)與綠藻門呈正相關，表明水溫升高，庫灣綠藻等生物量增加，在水溫較高的夏季生長較為旺盛；而硅藻與水溫呈負相關，冬季和春季，丹江口庫灣溫度較低，耐受低溫的硅藻則生長較為活躍。Habib等[27]認為硅酸鹽作為重要環境因子對硅藻等浮游植物的影響較大。通過分析發現，丹江口庫灣SiO2與硅藻呈正相關，該結論與前期的研究基本一致。電導率(CT)是反映水體富營養化程度的重要水質指標，其大小與水體中氮磷營養鹽含量呈正相關[28]。RDA分析結果表明，綠藻和藍藻與電導率呈顯著正相關關系，來自庫灣周邊地區的氮、磷等營養鹽隨地表徑流進入庫灣，可能是其電導率升高的重要原因。

氮、磷作為構成水體初級生產力的主要生源要素，直接影響了浮游植物的生產力水平，是水體富營養化的關鍵限制因子[29]。對比不同時期水體中TN和TP濃度可以發現，2017年丹江口庫灣TN平均濃度為1.47 mg/L，TP平均濃度為0.014 mg/L(見表1)，與李運賢等[20]2004年對丹江口庫區營養鹽調查的數據(TN濃度為0.614～0.835 mg/L，TP濃度為0.005 mg/L)相比，TN和TP濃度增高明顯。依據Redfield定律，丹江口庫灣TN/TP值范圍在124～299之間(見表1)，磷可被考慮為限制性因素[30-31]。

圖3 基于RDA分析物種與環境變量雙序圖Fig.3 RDA double sequence analysis of species and environment variables

4 結 論

(1) 2017年丹江口庫灣共檢測出浮游植物7門57屬，春、夏季的綠藻門和秋、冬季的硅藻門種類最多。藍藻門的束絲藻和隱藻門的隱藻為庫灣四季的優勢種。水庫建成運行后藻類組成逐漸穩定為硅藻、綠藻為主的群落結構，庫灣藻類密度明顯高于水庫水環境常規監測斷面。

(2) 庫灣富營養化程度處于中營養和富營養水平，總體上為β-中污染水平。2017年丹江口庫灣TN平均濃度為1.47 mg/L，TP平均濃度為0.014 mg/L，TN/TP值范圍在124～299之間，磷為丹江口庫灣富營養化限制因子。

(3) 除溫度外，二氧化硅、電導率和氮、磷等營養物質都是影響庫灣浮游植物群落結構的重要環境因子。綠藻和藍藻與電導率、水溫呈顯著正相關關系；硅藻與水溫呈負相關關系，與SiO2呈正相關關系。