飲用水水源地水庫浮游植物分布特征與環境影響因子研究

陳穎欣，林志蓉，蘇玉萍,2*，Balaji PRASATH·BARATHAN,2，黃錦平，王 雪，馮晟霖

[1.福建師范大學環境與資源學院，福建 福州 350007；2.福建省河湖健康研究中心(福建師范大學)，福建 福州 350007]

為進一步了解東張水庫水環境現狀，本研究通過采集東張水庫2020年豐水期及2021年豐水期和枯水期的水樣，分析其浮游植物特征，采用Pearson相關性分析及冗余分析(Redundancy analysis， RDA)浮游植物群落結構與環境因子的關系，重點分析了不同形態磷對浮游植物群落結構的影響，本文還同時比較了2020和2021年豐水期浮游植物密度的變化情況，以期為東張水庫水質保護工作及水生態修復等提供基礎數據支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

東張水庫(25.704 017 74°N、119.261 710 33°E)位于福清市龍江中游石竹山麓，始建于1958年，是一座以防洪、農業灌溉及源水供應為主，同時結合發電、旅游等綜合開發利用的大型水庫[15-16]。水庫總庫容2.06×108m3，水庫正常蓄水水位54.5 m，汛期水位54.9 m，最低正常運行水位44.5 m，死水位40.5 m[11]。水庫蓄水量1.85×108m3，庫水流經15個鄉鎮、233個村和3個農場，受益面積達1.7×104hm2[17]。東張水庫有太城溪和一都溪兩個引水工程，且作為平潭、閩江口“一閘三線”工程的重要調節庫，已于2022年1月開始通水，發揮著重要的水源地作用。

1.2 采樣點的設置

根據水庫面積和水庫周邊情況,本研究選擇3個站位進行采樣(圖1)，分別為：a進口(25.699°N、119.249°E)；b庫心(25.703°N、119.263°E)；c出口(25.704°N、119.279°E)。

1.3 樣品的采集

采用有機玻璃采水器分別采集東張水庫2021年枯水期和豐水期出口站位(圖1)以及2020年豐水期進口、庫心、出口3個站位(圖1)表層0.5 m處水樣，用于浮游植物群落結構和水體理化指標分析。

1.4 水樣的分析

1.4.1 浮游植物群落結構分析

用于浮游植物群落結構分析的水樣，現場立即加入15 mL魯哥氏液固定并搖勻保存，水樣帶回實驗室靜置48 h后，用虹吸法濃縮至30 mL后，于徠卡顯微鏡(Leica BM-E，北京)下用0.1 mL(2 mm×2 mm)浮游生物計數框計數，每份樣品計數2片[18]。藻類的鑒定參考《中國內陸水域常見藻類圖譜》，根據公式(1)計算細胞密度：

(1)

式(1)中：N為細胞豐度(cells/L)；S為計數框面積(mm2)；S0為計數視野面積(mm2)；V0為濃縮后體積(mL)；V為計數體積(mL)；n為單位視野計數所得藻類個數(cells)。

1.4.2 水樣理化指標的確定

上覆水中總磷(Total phosphorus，TP)含量的測定[19]：取25 mL水樣加入4 mL 5%過硫酸鉀溶液，于120℃條件下消解30 min后，采用鉬酸銨分光光度法測得TP含量。上覆水中總溶解性磷(Total dissolved phosphorus，TDP)含量的測定：取25 mL經0.45 μm醋酸纖維濾膜過濾后的上覆水，同樣加入4 mL 5%過硫酸鉀溶液于120℃條件下消解30 min后，用鉬酸銨分光光度法測得TDP含量。上覆水中溶解性活性磷(Soluble reactive phosphorus，SRP)含量的測定：取25 mL經0.45 μm醋酸纖維濾膜過濾后的上覆水，采用鉬銻抗分光光度法直接測得SRP的含量。另外，上覆水TP和TDP的差值為總懸浮態磷(Total suspended phosphorus，TSP)，TDP與SRP的差值為溶解性有機磷(Dissolved organic phosphorus，DOP)。各磷組分之間的關系如下所示：TSP=TP-TDP，DOP=TDP-SRP。

1.4.3 其他指標的數據來源

東張水庫水位(Water level，WL)的監測數據從福建省水利信息網獲取；氣溫(T)、氣壓(P)、降雨量(RRR)和平均風速(Ff)四個氣象因子從中國氣象網站獲取。

1.5 數據統計分析方法

數據處理及圖形繪制使用Excel 2016及Origin 8.5.1軟件完成，采用SPSS 20.0進行Pearson相關性分析(以P值表示兩個變量間的顯著性，P<0.05表示顯著相關)以及采用Canoco for Windows 5.0 進行RDA分析。

2 結果與分析

2.1 東張水庫 2020—2021年浮游植物群落結構

分析2020年與2021年豐水期水樣顯微鏡鏡檢結果，發現這兩年豐水期水樣都檢出了藍藻門、綠藻門、硅藻門、隱藻門、甲藻門，且浮游植物群落結構均以藍藻門占據優勢，密度占比超過60%；2020年6—9月出口站位浮游植物總密度分別為3.18×107、2.70×107、1.64×107和1.13×107cells/L，2021年6—9月出口站位浮游植物總密度分別為2.72×107、3.35×107、5.21×107和5.24×107cells/L，對比可知，2021年豐水期東張水庫浮游植物密度有所增加。

2021年豐水期浮游植物總密度遠大于枯水期，在枯水期(1月份)時，其浮游植物群落結構以硅藻門(85.5%)為優勢(圖2)；進入豐水期后，藍藻門比例逐漸升高，在2021年豐水期期間浮游植物群落結構均以藍藻門占據優勢(圖3)；而當水庫再次進入枯水期時(10月)，藍藻門比例也逐漸降低，硅藻門的占比增加。

2.2 東張水庫水體中磷營養鹽

在2021年豐水期和枯水期，對東張水庫大壩出口站位的水樣進行每周一次的各形態磷含量的分析，結果如圖4和圖5所示。在1月與4月枯水期時，DOP含量的變化較為穩定，2個月份的DOP含量平均值分別為0.057、0.046 mg/L；TSP的含量在1月時也較低，僅0.004 mg/L，而4月的TSP則高達0.047 mg/L。TDP和TP總體均處于較高水平，其中，4月TP含量高達0.103 mg/L。進入豐水期后(圖4)，東張水庫水體中SRP的含量仍處于較低水平，月均值在0.003～0.011 mg/L之間；其余4種磷形態均處于不斷波動的狀態，TSP月均值為0.019～0.047 mg/L；DOP月均值為0.034～0.050 mg/L；TDP月均值為0.037～0.056 mg/L；TP月均值則在0.057～0.103 mg/L之間。

當水庫再一次進入枯水期時(10—12月)，SRP含量相比于1月和4月有所增加，含量為0.011～0.016 mg/L，平均值為0.014 mg/L。此時，TSP和DOP的含量相較于1月和4月有所降低，TSP含量在0.020～0.044 mg/L之間，平均值為0.025 mg/L；而DOP含量為0.028～0.036 mg/L，平均值為0.032 mg/L。TDP含量在0.041～0.050 mg/L之間，平均值為0.046 mg/L；TP含量在0.063～0.075 mg/L之間，平均值為0.070 mg/L。

從各形態磷之間的占比(表1、表2)可知，無論是枯水期還是豐水期，SRP只占TP的少部分(<20%)，DOP為TP的主要組成組分，占比均達40%以上。對于TP來說，TDP為TP的主要組分，大部分占比達50%以上。

2.3 浮游植物與不同形態磷相關性分析

為判斷環境因子對浮游植物密度及其群落結構演替的影響，對2021年浮游植物和上覆水中磷營養鹽進行Pearson相關性分析(N=21)，結果如表3所示。由表3可知，藍藻門、綠藻門、甲藻門和總藻密度與SRP呈極顯著負相關，說明SRP的消耗速率隨著東張水庫浮游植物生物量的增加而升高，綠藻門和硅藻門與DOP呈極顯著正相關，綠藻門和硅藻門與TDP也呈極顯著正相關，綠藻門與TP呈相關關系。

2.4 浮游植物與環境因子的 RDA相關性分析

與此同時，本研究從福建省水利信息網收集了東張水庫水位數據，從中國長城氣象網站收集了2021年福清的氣溫(T)、氣壓(P)、降雨量(RRR)和平均風速(Ff)4個氣象因子，結合2021年東張水庫各形態磷和浮游植物密度繪制了RDA冗余關系圖(N=21)，其結果如圖6所示。其中，排序軸第一軸和第二軸特征值分別為54.8%和74.3%。從雙軸空間上看，藍藻門、綠藻門和甲藻門與氣溫呈極顯著正相關，與氣壓呈負相關；硅藻門與水位呈顯著正相關；另外，藍藻門、綠藻門和甲藻門與SRP具有較好的負相關關系，綠藻門與TSP、DOP和TP均具有一定的正相關關系。

3 討論

3.1 水文條件對浮游植物生長的影響

2021年8月藍藻門密度的增加可能與熱帶風暴“盧碧”有較大的關系。據福清市水系聯排聯調中心提供的東張水庫水位和蓄水量數據可知，2021年8月6日至10日，熱帶風暴“盧碧”過境后，東張水庫蓄水量驟增1×108m3。此次臺風是福清市2019年年初至當時兩年半以來最大的一次降雨過程，也給匯水區帶來“刷地板”效應，即因干旱滯留在匯水區周邊陸地的大量營養鹽，隨徑流進入東張水庫。同時，臺風是一種帶有強大風場的天氣現象，對水庫有較強烈的機械能輸入，其可通過誘發上升流和垂向混合及夾卷過程，將次表層含有磷酸鹽等營養鹽的較冷水體自下而上帶入水體表層，此時兩種因素相互疊加導致水體上層得到大量營養鹽等物質，從而對浮游植物的繁殖生長帶來積極的作用[20-21]。

3.2 磷營養鹽組分變化原因及其影響分析

分析東張水庫枯水期和豐水期兩個水文期各形態磷含量可知，SRP含量在豐水期普遍較低的規律，可能的原因是該時間段氣溫高，一些藍藻大量增殖，對可利用磷的消耗較大，從而使得水體中的SRP含量降低。除SRP之外的其余4種磷形態的含量均呈現6月>7月>8月>9月的變化規律，結合當地實際情況，可能的原因包括：庫區周邊牛羊散養與農作物種植季節土地施肥等人為活動的干擾導致外源磷含量增加，在雨水沖刷下，通過徑流的方式向庫區輸入外源磷[22-23]。適宜的溫度和光照條件，使得藻類大量增殖。但是，降雨在增加外源營養鹽輸入的同時，也使得水庫水位和水量增加，污染物被稀釋后TP濃度會逐漸降低，藍藻優勢度隨之降低。有研究指出，中國東南部4個亞熱帶水庫的水位降低導致TP和藍藻的優勢度增加；當水位升高時，總氮濃度增加、TP濃度則降低，藍藻優勢度隨之降低[24]。另外，在地中海湖泊中也有類似的發現，TP升高與長期干旱和水位下降有關[25-26]，與本文研究結果相符。DOP在兩個水文期含量的占比較高，在微生物的作用下，可將其轉化為能被藻類直接吸收利用的磷形態，具體的轉化機制有待進一步研究；值得特別注意的是，TP含量持續處于較高水平，需引起重視。

浮游植物作為水生生態系統的重要組成部分[27]，其種類組成結構被認為是生態系統的自然生物指示劑，能迅速反映環境條件的改變，其豐度和多樣性能夠靈敏地反映水環境生態特征的變化[3]，本文僅結合部分環境因子對浮游植物群落結構進行相對獨立的影響分析，而其綜合影響還需進一步探究。

4 結論

1)東張水庫2020與2021年的豐水期水樣均檢出了藍藻門、綠藻門、硅藻門、隱藻門、甲藻門5門類，且浮游植物群落結構均以藍藻門占據優勢；2021年豐水期大壩出口站位的浮游植物總密度(2.3×107～5.2×107cells/L)平均值是枯水期浮游植物總密度(5.6×106～ 2.3×107cells/L)平均值的3倍多，枯水期以硅藻門、藍藻門和綠藻門為主，平均占比分別為47.5%、31.6%和14.0%，而豐水期藍藻門占據絕對優勢，平均占比為77.7%。

2)東張水庫2021年枯水期和豐水期大壩出口站位水樣的磷營養鹽分析結果顯示，無論是枯水期還是豐水期，其SRP含量均較低，豐水期SRP含量均值為0.007 mg/L，枯水期為0.011 mg/L；豐水期DOP、TDP、TSP和TP四種磷形態含量均高于枯水期相應含量。

3)東張水庫浮游植物群落結構與不同形態磷Pearson相關性表明，藍藻門、綠藻門、甲藻門和總藻密度與SRP呈極顯著負相關，說明SRP的消耗速率隨著浮游植物生物量的增加而升高；綠藻門和硅藻門與DOP、TDP呈極顯著正相關。RDA相關性分析可知，藍藻門、綠藻門和甲藻門與氣溫呈極顯著正相關，硅藻門與水位呈顯著正相關。