北山水庫浮游植物群落結構及水體營養狀態評價

張樂源，張 振，馬勇驥

（1.江蘇省水文水資源勘測局南通分局,江蘇 南通 226010；2.江蘇省水文水資源勘測局鎮江分局,江蘇 鎮江 212001）

浮游植物作為水生態環境中的重要參與者,對水體物質循環和能量轉換起著重要的作用[1-2]。浮游植物具有種類繁多、分布較廣泛等特點,其群落結構特征與水體質量有著密切的關系,其種類和數量隨著環境因子的變化而改變。因此,浮游植物群落結構特征可以作為水體質量的指示指標[3]。許多研究表明,將浮游植物群落結構、數量特征用作水環境評價具有很強的實用性和可操作性[4-6]。水環境因子主要包括水體pH、總氮、總磷、葉綠素等指標,其含量的變化直接影響浮游植物的生存條件,改變水體營養化狀態[7]。因此,可以利用浮游植物群落結構和環境因子含量變化進行水體營養化狀態的評價。

北山水庫位于句容市北部寧鎮山脈南側的句容河源頭,距句容城14 km,長江秦淮河水系,匯水區域為山丘區,屬丘陵山區水庫,總庫容4814.6 萬m3,屬中型水庫,是句容市北部丘陵地區工農業生產補水和城鎮居民生活供水的重要水源地；根據鎮江市水利局發布的《鎮江市水功能區水環境質量通報》,自2011 年起,北山水庫水質綜合評價一直保持在Ⅱ類左右,受人類活動影響,目前水體主要超標項目是總氮和總磷。由于缺乏系統的研究分析,以往的研究只是對單個指標進行簡單地測定,對于浮游植物、環境因子和水體營養狀態的綜合評價相對較少,不能很好地反映北山水庫浮游植物群落結構的季節性變化和水體營養狀態。因此,本文通過對北山水庫長期監測點數據進行分析,揭示2020 年浮游植物群落數量和結構變化情況,以及水體營養狀態評價。

1 材料與方法

1.1 采樣時間和監測點介紹

2020 年2 月、6 月、9 月和11 月分四次對北山水庫進行采樣,采樣點選擇北山水庫長期監測點,見圖1。

圖1 北山水庫采樣點位置

1.2 浮游植物樣品采集與分析

（1）采集浮游植物樣品時,使用采樣器在水下0.5 m處進行水樣的采集,取1000 mL水樣置于1000 mL塑料瓶中,并加入1.5%Lugol試劑進行固定,并帶回實驗室；在實驗室靜置48 h后,取0.1 mL樣品在電子顯微鏡下進行浮游植物的鑒定和計數[8]。

浮游植物密度計算方法如下：

式中：N表示1000 mL水中浮游植物的密度,個/L；Cs表示計數框的面積,mm2；Fs表示每個視野的面積,mm2；Fn表示技術視野數；V表示樣品濃縮后的體積,mL；U表示取樣體積,0.1 mL；Pn表示計數所得到的浮游植物數量。

（2）總磷測定：參照《水質 液流分析測定正磷酸鹽和總磷含量-第2 部分：連續流動分析法》（ISO 15681-2003）所述方法。

（3）總氮測定：參照《水質 紫外分解后總氮的測定——用流動分析法（CFA與FIA）和光譜檢測法》（ISO 29441-2010）所述方法。

（4）透明度測定：參照《透明度的測定 透明度計法、圓盤法》（SL 87-1994）所述方法。

（5）高錳酸鹽指數測定（CODMn）：參照《水質高錳酸鹽指數的測定 酸性高錳酸鉀法》（GB/T 11892-1989）所述方法。

1.3 多樣性指數計算

（1）Shannon-wiener指數（H指數）計算公式：

式中：S為藻類種類；Pi為第i種藻類占整個藻類個體數的比例。

（2）Pielou均勻度指數（J指數）計算：

式中：H'為Shannon-wiener指數；S為藻類種類。

1.4 營養狀態評價

參照《湖泊（水庫）富營養化評價方法及分級技術規定》所述方法,利用葉綠色a、總磷、總氮、透明度、高錳酸鹽指數計算得出。

1.5 數據分析

采用SPSS20.0對浮游植物密度、生物量及多樣性指數進行統計分析,使用Excel2007 進行作圖。

2 結果分析

2.1 浮游植物密度

表1 所示為2020 年不同采樣時間水體浮游植物群落的密度變化。由表1可知,全年北山水庫總藻密度在193.5×104個/L~348.5×104個/L。其中,2 月份時總藻密度最低,6 月份時密度達到最大值。通過鑒定分析,水山水庫水體共檢測出6 門36 屬54 種浮游植物。其中,硅藻門浮游植物數量最多,其次是綠藻門,而裸藻門和金藻門數量密度最低。

表1 不同采樣時間浮游植物的密度

2.2 浮游植物優勢度

圖2 所示為不同采樣時間浮游植物優勢度變化情況。由圖2 可知,全年硅藻門的優勢度最高,2020 年2 月、6 月、9 月和11 月的優勢度分別為65.4%、61.8%、45.3%和53.2%；其次是綠藻門,其全年優勢度為19.8%~31.8%,其中9 月時其優勢度最高；而裸藻門、隱藻門、金藻門和藍藻門的優勢度相對較低。

圖2 不同采樣時間浮游植物優勢度變化

2.3 浮游植物多樣性指數

圖3 所示為不同采樣時間浮游植物群落的多樣性指數變化。由圖3 可知,從全年數據來看,Shannon指數和Pielou均勻性指數呈現先增加后降低的趨勢,其最大值均出現在9 月,分別為4.05 和0.88。

圖3 不同采樣時間浮游植物多樣性指數變化

2.4 水體環境因子含量

表2 所示為不同采樣時間水體環境因子變化情況。由表2 可知,水體pH值全年變化不大,介于8.1~8.2；溶解氧含量在2 月份時達到最大,為11.2 mg/L,6 月和9 月時含量最低,達到7.2 mg/L；氨氮含量隨著時間的推移,呈現逐漸增加的趨勢,11月份時達到最大值,為0.12 mg/L；氟化物含量也呈現逐步增加的趨勢。

表2 不同采樣時間水體環境因子變化情況

2.5 水體營養化指數

圖4 所示為不同采樣時間水體營養狀態指數變化情況。由圖4 可知,2020 年2 月、6 月、9 月和11 月營養指數分別為52.5、49.6、49.4和50.2,根據《湖泊（水庫）營養狀態評價標準及分級方法》規定,北山水庫水體營養化已呈現輕度富營養化趨勢。

圖4 不同采樣時間水體營養狀態指數

3 討論

浮游植物作為水體生態系統的重要參與者,對物質循環和能量交換起著重要的作用,而群落結構的變化受環境因子、季節變化的影響較大[9]。本文2020 年全年北山水庫浮游植物中硅藻占絕對優勢,即北山水庫群落結構呈硅藻型；而硅藻門浮游植物在夏季（6 月）時密度達到最大值,冬季（11 月）時密度最小,呈現出明顯的季節性變化,表明溫度對浮游植物的數量和結構起到重要的作用[10]。

生物多樣性不僅是反映浮游植物群落結構變化的重要參數,也是評價水體營養化程度的依據,是對水生態系統穩定性的反映[11],但生物多樣性指數受水質變化影響較大,一般認為生物多樣性指數數值越大,表明水質環境越好,受污染的程度則較低[12]。本文浮游植物的Shonnon-wiener指數在2 月和6 月時較低,而9 月和11 月時有明顯的升高,表明浮游植物在9 月和11 月時群落結構較為豐富；而Pielou均勻度指數同樣是在9 月時達到最大值,進一步表明,浮游植物群落結構在9 月時數量最多,種類最多,且分布相對均勻。

氮磷等營養鹽是浮游植物生長的必要營養來源[13]。可以看出,水體氨氮的含量隨著時間的推移呈現不斷增加的趨勢,這有可能是經過夏秋季節的高溫,水體中死亡的浮游植物、動物等在微生物作用下進行分解,釋放大量的營養元素到水體中,提升了水體的營養鹽含量,而營養鹽含量的增加,也會對水體浮游植物數量有所提升,但不同類型浮游植物對不同營養鹽含量的相應不同,間接導致浮游植物不同群落之間數量上存在明顯的差異。而水體營養鹽含量的多少對水體營養狀態的影響較大,根據《湖泊（水庫）營養狀態評價標準及分級方法》規定,營養狀態指數大于50 時,即被列入富營養化水體,而由監測可以看出,北山水庫各階段營養狀態已經接近50,甚至有些時段已經超過50,表明該水庫已經存在富營養的風險,應當加強污染源頭把控和污染修復處理,避免進一步營養化。

4 結論

通過2020 年全年對北山水庫的監測,該水庫共有浮游植物6 門36 屬54 種,以硅藻和綠藻為主,分別約占總數的56%和26%；群落結構的Shannon-wiener和Pielou指數最大值均出現在9 月,其數值分別為4.05和0.88；水體氨氮含量呈現逐漸增加的趨勢；通過水體營養狀態指數判斷,該水庫已接近輕度富營養化狀態,應加強源頭管控和污染修復,避免進一步營養化的發生。