九曲灣水庫浮游生物群落結構及水質相關性分析

嚴 黎，羅 歡，陳華香，吳 瓊，張苑龍

(1.珠江水利委員會珠江水利科學研究院，廣州 510611；2.水利部珠江河口動力學及伴生過程調控重點實驗室，廣州 510610；3. 尋烏縣環保局，江西 贛州 342200)

九曲灣水庫位于東江上游尋烏水馬蹄河中游，是尋烏縣城區居民的唯一供水水源地。水庫除供水外，兼有防洪、發電等綜合利用效益。水庫總庫容415 萬m3，可調節庫容231 萬m3，水庫集雨面積為71 km2，設計日供水能力近期為1.5 萬m3(中遠期為3.0 萬m3)，設計灌溉面積320 hm2，設計裝機容量1 000 kW[1, 2]。工程的開發促進了當地經濟社會發展，同時也導致了原有河道的自然流量情勢和水質發生改變，造成浮游植物、浮游動物等生物群落的組成、結構和功能發生改變。為了實現水資源利用的可持續發展，迫切需要對九曲灣水庫生物群落結構進行監測和評估，同時量化水質對其影響，提出切實可行的生態保護方案。

然而，現有關于九曲灣水庫的研究主要集中在藍藻水華成因及治理措施[3,4]、供水水源工程規劃與分析[5]等，針對水庫建設下，量化的水環境生物監測、水生生物群落結構組成、水質相關性分析等方面尚屬空白。本研究在實地調查的基礎上，以九曲灣水庫段的水生態系統為對象，結合浮游植物、浮游動物的實際情況，對該水庫水質與不同生物類群開展Pearson相關系數分析法，以期為九曲灣水庫的生物多樣性保護及生態監測等提供理論基礎和科學依據。

1 采樣與方法

1.1 研究區概況

九曲灣水庫位于尋烏縣城以北9 km，距離東江源頭發源地----椏髻缽山28 km。流域內涉及三標、文峰兩個鄉7個行政村1.5萬余人口。隨著果業的發展，庫區上游已種植果樹0.247 萬hm2以上，造成植被破壞、水土流失、水源涵養功能下降，特別是果業面源污染對庫區水質帶來威脅。由于果業開發造成的植被破壞、水源涵養功能下降和水土流失、農業面源污染問題比較突出。九曲灣水庫流域內水土流失面積11.95 km2，占流域總面積的18.64%。其中，強度流失面積0.21 km2，中度流失面積1.24 km2，輕度流失面積10.5 km2。

九曲灣水庫庫區內無工業企業，森林覆蓋率較高，無規模化的養殖場或養殖企業。近年來，水庫水面不斷暴發藍藻水華現象，藻類暴發的時間一般在4-10月之間，7、8、9三月為全庫區覆蓋，對水庫水源影響比較顯著。為此，縣委縣政府十分重視水庫生態保護與修復、治理工作，先后采取了退果還林、滴灌節水和庫區禁漁，放養鰱魚、鳙魚，以及農村生活垃圾收集外排、生活污水經過化糞池和沼氣池處理后外排等工程措施，控制水庫水質污染和水體富營養化。為了保障居民飲水安全，尋烏縣委、縣政府將九曲灣正常高水面線以下一定范圍的水域，和正常高水面線以上一定范圍的陸域，確定水庫飲用水水源地一級保護區，將飲用水源一級保護區以上，環庫3 km的陸域定為二級保護區。

1.2 采樣斷面的設置

采樣范圍為水庫高水位線以下的水域和水位消落區。依據水庫形態特征和調查規范要求，自上而下分別在水庫壩前、庫中(浮島)、庫尾分別設置了生物檢測點或檢測斷面(見圖1)。分別于2016年8月-2018年7月，進行了13期采樣和調查工作。調查的生物類型包括：浮游植物、浮游動物、水質，共3類。調查方法和鑒定、評價標準，采用了國家相關標準和國際、國內通用的方法。

圖1 九曲灣水庫生物調查測點布置圖Fig.1 The position of biological survey

1.3 調查方法

1.3.1 浮游植物采樣及測定方法

樣品采集與處理方法[6,7]。定性樣品：在每個采樣點，用浮游植物網取樣，加甲醛固定，用于定性鑒定。定量樣品：在每個調查采樣點水面下和底層上0.5 m處用有機玻璃采水器采集水樣，取水樣1 L，加甲醛固定，靜置48 h后用吸管虹吸緩緩吸去上清液，再靜置24 h以上，濃縮至30 mL后用于定量分析。

物種檢測與鑒別方法[8,9]。定性分析采用德國ZEISS 公司生產的Zeiss AxioScope A1型號的生物顯微鏡鏡檢，確定監測水體中浮游植物的種類。浮游植物種類的鑒定主要采用檢索表和圖鑒相結合的方法鑒定。定量分析時，取0.1 mL置于浮游生物計數框中，在10×40倍生物顯微鏡下計數。

浮游植物鏡檢計數完畢后，換算成單位體積水體中浮游植物密度。每升水樣中浮游植物密度按照如下公式計算：

(1)

式中：N為1 L水樣中浮游植物的個體數，個；C為計數框的面積，mm2；Fs為每個視野的面積，mm2)；Fn為視野數；V為每升水樣濃縮后的體，mL；U為計數框的體積，mL；P為每個計數框計數到的浮游植物個體數，個。

浮游植物由于個體極小，無法直接稱重，一般按體積來換算，根據浮游植物的體形，按最近似的幾何形狀測量其體積，其他形狀分可為幾個部分計算。由于浮游植物大都懸浮于水中生活，其比重近似于所在水體的比重，即近似以密度1.0 g/mL換算成生物量。

1.3.2 浮游動物采樣及測定方法

樣品采集與處理方法[10-13]。原生動物與輪蟲的采集：在各采樣點用有機玻璃采水器采集水樣，取水樣1 L，靜置48 h后用吸管虹吸緩緩吸去上清液，再靜置24 h以上，濃縮至30 mL。枝角類和橈足類等后生浮游動物的采集：參照《淡水浮游動物研究方法》和《水環境監測規范》，在各采樣點用采水器定量采集30 L水樣，用25號浮游生物網過濾、甲醛固定后帶回實驗室分析。定性樣品的采集：浮游生物網呈“∞”形在水面下0.5 m處收集樣品，用于種類的定性研究。

物種檢測與鑒別方法[14-17]。浮游動物的鑒定主要利用德國ZEISS 公司生產的Zeiss AxioScope A1型號的生物顯微鏡進行。浮游動物種類的鑒定主要采用檢索表和圖鑒相結合的方法，對部分橈足類物種進行解剖，并參照圖譜鑒定。

原生動物和輪蟲計數方法[18]：對原生動物，將樣品搖勻，重復取0.1 mL樣品于浮游生物計數框中，光鏡下對各種原生動物(10×20)進行統計，取平均值，所得結果換算成單位體積密度。對輪蟲，將樣品搖勻，重復取1 mL樣品于1 mL浮游生物計數框中，光鏡下對輪蟲(10×10)進行統計，取平均值，所得結果換算成單位體積密度。

枝角類和橈足類計數方法[19]：用1 mL浮游生物計數框計數，并換算成單位體積密度。

種群密度與生物量計算。單位體積浮游動物的數量按下式計算：

N=Vsn/VVa

(2)

式中：N為1 L水樣中浮游動物的數量；V為采樣體積，mL；Vs為樣品濃縮后的體積，mL；Va為計數樣品體積，mL；n為計數所獲得的個數，個。

監測枝角類和橈足類的計數采取將濃縮后的樣品全部過數，將其上述單位體積浮游動物的數量公式調整為：N=n/V。

1.3.3 水質采樣及測定方法

水庫特性指標與庫區水質和生物的關系密切。根據國內外已建水庫情況，水庫淹沒陸地會導致流速減緩、水溫分層、溶解氧減少，以及礦化度、電導率、總氮、總磷含量增加或上升，以及pH值降低和水體浮游植物、水生植物暴發或增加等。本文中水質監測與測定方法參照《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)。

1.4 相關性指數分析

浮游植物、浮游動物與庫區水質之間的相關性可以反映水利工程建設對水生生物群落的影響。Pearson相關系數已被證明是一種有效的相關性分析工具，并已應用于許多領域[20,21]。Pearson相關系數計算公式如下式所示：

(3)

式中：Ri是浮游植物或浮游動物指標單次監測值；Rav是多次監測值的均值；Gi和Gav分別是水質指標單次監測值及多次監測值的均值。r的取值范圍為+1到-1。r=+1表示完全正相關，r=-1表示完全負相關，r=0表示不相關。

2 結果與分析

2.1 九曲灣水庫水體環境狀況

檢測結果表明，整個九曲灣水庫河段水體偏弱堿性，均值為7.51。從水質綜合指數可以看出，DO、BOD5、CODMn、氨氮、總磷均可達到地表水II類水質標準，而總氮濃度的超標。可以看出，九曲灣水庫是氮元素主導型水庫，在進行水質調控及治理時應多關注于總氮的控制和治理。

2.2 浮游植物區系組成與分布、密度與生物量

根據調查結果表1可知，共檢測出浮游植物6門81種，其中綠藻門的物種最為豐富，有34種，占總種數的41.98%；其次為硅藻門，共有28種、占總種數的34.57%；而隱藻門數量最少，只有2種、僅占2.47%。就不同藻種的空間分布而言，水庫庫中監測點的藻種數目檢出值最高，為69種，占總檢出藻類種數的85.19%；其次是壩前監測點，藻種數目檢出值為64種，占總種數目的79.01%；庫尾監測點的藻種數目為57種，占總檢出藻種數目的70.37%。

表1 九曲灣水庫浮游植物檢出結果分類統計表 種

藻類屬于生命周期很短的植物，其種屬變化往往隨著陽光、溫度和水體營養鹽濃度等條件變化而迅速改變，因而本研究于2016年6月至2018年7月共計13次檢測采樣來分析藻類浮游植物的時間及空間變化情況。檢測成果表明，九曲灣水庫不同監測點藻細胞密度總數(合計數)在4.81～1001.67 萬個/L之間，平均值為25.335 萬個/L。表3中可以看出壩前、庫中和庫尾的差值不大。從優勢類群的組成來看，壩前監測點以藍藻門和硅藻門兩大類別為優勢類群，藍藻門、硅藻門的細胞密度占比分別為62.65%和8.36%；庫中監測點以藍藻門和裸藻門兩大類別為優勢類群，細胞濃度占比分別為49.38%和23.35%；庫尾監測點以藍藻門和裸藻門兩大類別為優勢類群，細胞濃度占比分別為30.91%和23.66%。

由圖2可見2016年8月到2018年7月期間，九曲灣水庫的藻類密度值和藻類種群門類均會發生比較大的和快速的變化，尤其是藍藻門藻類的增長速度，會隨著水溫、氣溫和光照時間的改變而發生快速的或急劇的變化。通常情況下，藍藻水華多發生在夏季6-9月，有明顯的季節性。受陽光、溫度和水體營養物質的影響，水溫達到20 ℃以上、光照度較強且持續時間較久的條件下，藍藻易形成氣囊浮出水面并且迅速繁殖，以至形成藍藻水華現象。

圖2 不同藻門細胞密度在不同點位、采樣時間的變化情況對比Fig.2 The compare of algal cell density

圖3 不同藻門細胞生物量在不同點位、采樣時間的變化情況對比Fig.3 The compare of algal cell biomass

從圖3可見，依據藻類生物量計算成果可見，不同的采樣時間獲取樣品的生物量間差異顯著，平均生物量為109.11 mg/L。以種生物量的大小將13個采樣時間分為3個區間。第一區間2016年8月至2017年2月，藍藻、隱澡、綠藻、硅藻、甲藻和裸藻等6個藻門生物量的lg值維持在1左右；第二區間2017年4月至2017年10月，6個藻門生物量的處于一個高值區間，從生物量的大小也可以反映出此階段的藻類數量大已發生水華等現象；第三區間2017年12月至2018年7月，此區間內內生物量與第一區間生物量大小一致。此外，可以看出壩前、庫中、庫尾的生物量相差不多，這也表明九曲灣水庫的藍藻水華發生在空間的概率基本是相似的，治理藍藻水華等問題需要全河段上下游同時考慮。

2.3 浮游動物區系組成與分布、密度與生物量

13次采樣共檢出浮游動物4類53種。其中，種類數最多的是輪蟲，檢出29種，占到總種數的55%；其次為原生動物，15種，占到總種數的28%；橈足類，6種，占到總種數的11%；此外，還檢出了其他類群的浮游動物5種，分別為線蟲(Nematoda)、多毛類幼體(Polychaeta larva)和水熊(Water Bear)。

九曲灣水庫浮游動物種群檢測成果見圖4、5。可見，水庫不同測點的浮游動物總密度在3 368.45～5 710.30 個/L之間，平均值為4 732.21 個/L。其中，輪蟲密度最高，庫尾、庫中、壩前三個測點平均值分別為155.93、148.77、179 365 個/L，占各類群浮游動物總密度的60.18%、37.79%和40.90%；其次為橈足動物門，庫尾、庫中、壩前三個測點的平均密度值為76.21、183.71和178.59 個/L，占各類群浮游動物總密度的29.41%、46.67%和40.66%；其他種類的浮游動物甚少。

圖4 不同浮游動物密度在不同點位、采樣時間的變化情況對比Fig.4 The compare of density of zooplankton

從物種密度分布來看(圖4)，整個河段平均物種密度為91.00 個/L。庫尾、庫中、壩前各監測點的浮游動物生物量有一定差異，其中壩前的浮游動物密度明顯低于庫尾與庫中。這一現象出現的原因是由于在壩前存在水庫取水口或溢洪、泄洪工程等，水流流速較大，導致上層或中層的浮游動物大量流失，故而生物量低于另外兩個監測點。對比圖2和圖4，可以看出浮游植物和浮游動物的生物量隨時間變化趨勢近似反向的，這說明浮游植物的生物量在適宜的溫度與降水條件增加以后，以浮游植物為食物的浮游動物亦隨后增加。

從圖5可見，依據浮游動物生物量計算成果可見，九曲灣水庫的浮游動物以輪蟲和原生動物為主，平均生物量為1.16 mg/L。由圖可見，九曲灣水庫的大型浮游動物甚少，并且在多次檢測的時段內呈嚴重或快速下降趨勢。這也許是該水庫多年來連續暴發藍藻水華的原因之一。浮游動物是水生態系統中非常重要的生態類群。浮游動物通過捕食作用控制浮游植物的數量，從而可以直接控制水體富營養化；同時浮游動物作為魚類等高層生物的餌料，可以直接影響魚類等的資源量和結構，在水生態系統的結構和功能中起著重要的調控作用。

圖5 不同浮游動物生物量在不同點位、采樣時間的變化情況對比Fig.5 The compare of biomass of zooplankton

3 相關性分析

運用公式(3)Pearson 相關性分析方法對2016年8月到2018年7月期間檢測的水質指標分別浮游植物和浮游動物的生物密度進行相關性分析，統計結果如圖6與圖7所示。

圖6 不同浮游植物與相應水質指標的相關性分析結果圖Fig.6 The correlation analysis about different phytoplankton and water quality indicators

圖7 不同浮游動物與相應水質指標的相關性分析結果圖Fig.7 The correlation analysis about different zooplankton and water quality indicators

從圖6中可以看出，浮游植物與水質指標的正、負相關系數占比分別為52.38%和47.62%，正、負相關性系數占比非常接近。其中，藍藻門生物密度與pH值相關性最強；綠藻門、裸藻門生物密度與DO值相關性最強；隱藻門生物密度與BOD5值負相關性最強；硅藻門、甲藻門生物密度與水質指標的相關性表現不太明顯。在淡水中，能夠產生水華的藻類有：藍藻、綠藻和硅藻。其中以藍藻水華最為嚴重和難以治理。基于圖6的分析結果可以知道，九曲灣水庫水華防治過程應更加關注水質指標pH、DO的控制。

從圖7中可以看出，原生、輪蟲、枝角和橈足4類浮游動物與pH、BOD5、氨氮呈完全負相關關系，與DO、總氮呈現完全正相關關系。相關系數最大是原生類浮游動物與DO為0.75、相關系數最小的是原生類浮游動物與CODMn為0.01。浮游動物是水生態系統中非常重要的生態類群。浮游動物通過捕食作用控制浮游植物的數量，從而可以直接控制水體富營養化；同時浮游動物作為魚類等高層生物的餌料，可以直接影響魚類等的資源量和結構，在水生態系統的結構和功能中起著重要的調控作用。因此，為了協調九曲灣水庫浮游動物種群結構穩定，可以從相關性較強的水質指標進行調控來實現。

4 結 論

(1)藻種豐富，氣溫、水溫和氣候條件適宜。九曲灣水庫共檢測出6門81種藻類，可見，九曲灣水庫藻種種源十分豐富。尤其是藍藻門，在不同檢測時間，檢測結果增長近10倍。同時，隨著溫度升高，九曲灣水庫的藍藻種源復蘇速度和藻種密度都呈現出了快速增長趨勢。除了藻種之外，九曲灣水庫地處亞熱帶地區，溫暖濕潤，雨量充沛，這些情況是九曲灣水庫極易暴發藍藻水華的基本成因和機制。

(2)九曲灣水庫的浮游動物相對比較豐富，但具有濾食和捕食藍藻種群與藻種的大型浮游動物的檢出量過少。例如，在浮游動物中，枝角類的檢出為3，橈足類的檢出只有6種，種群密度占比僅有2.3%～4.9%，生物量占比也僅有8.7%～9.7%；且缺少能夠捕食和濾食藍藻水華的大型蚤和大型溞類浮游動物。如：能夠牧食、濾食、消化藍藻細胞與細胞群的長刺溞、哲水蚤、劍水蚤等為未檢出。

(3)九曲灣水庫河段水質整體屬輕度污染，其中總氮濃度超標2.33倍。在水質與浮游植物相關性結果可知，九曲灣水庫水華防治過程應更加關注水質指標pH、DO的控制。此外，為了協調九曲灣水庫浮游動物種群結構穩定，可以從相關性較強的水質指標進行調控來實現。隨著電站的建設和運營，九曲灣水庫河段的水環境已存在一定的污染，但只要措施得當、管理到位，水電項目的建設會促進當地經濟發展，也是響應綠色經濟發展潮流的舉措。

□