錦凌水庫浮游植物群落結構及多樣性調查與分析

趙 冬

（遼寧省錦州水文局，遼寧 錦州 121000）

錦凌水庫承擔錦州市的供水與防洪任務，兼具改善區域生態環境的作用，也為錦州市區提供一處集度假、觀光、休閑于一體的綜合生態景觀。隨著經濟的不斷發展，農業面源污染、禽畜養殖和生活污染等加劇了錦凌水庫水體富營養化程度。有學者認為，蓄水初期水庫水質主要受入庫河流水質的影響，藍藻暴發及水體富營養化大多是由總磷超標引起的，而正式供水后往往會暴發硅藻水化[1-2]。

浮游植物的多樣性及群落組成結構變化，對水生態功能具有顯著影響，這也是指示系統穩定性及健康狀況的重要參數；另外，由于各環境因子對不同浮游植物的影響具有一定差異，許多學者深入探究了環境因子與浮游植物群落特征的關系，運用多樣性指數評價了湖庫水體水質[3-5]。然而，基于浮游植物群落多樣性指數及葉綠素a、總磷、總氮等理化指標的水質生物學評價和綜合營養狀態指數評價都存在指標體系過于單一的局限性。鑒于此，文章通過全面調查2021 年錦凌水庫水生態狀況系統分析其浮游植物群落結構，綜合使用熵權法、營養指數法及水質生物評價法評判錦凌水庫健康狀態，旨在為該水庫水生態管理和修復提供參考[6-8]。

1 調查方法

1.1 布設采樣點

錦凌水庫控制水域面積3 029km2，總庫容8.80 億m3，凈調節水量1.61 億m3，正常蓄水面積52.71km2，正常蓄水位60m，向錦州市每年供水量達到0.98 億m3，對小凌河徑流也具有一定的調節作用。由于地下水資源豐富，有利于生態環境建設項目的實施。

本研究于2021 年2 月、5 月和8 月對錦凌水庫布設的M1～M5 五個采樣點實施水生態系統調查，采集水質理化指標、浮游動植物物樣品。

1.2 樣品處理

依據《水和廢水監測分析方法》對懸浮物SS、總氮TN、葉綠素a、總磷TP、氨氮NH3-N、高錳酸鹽指數CODMn、透明度SD、溶解氧DO、pH 值和水溫T 等10 項常規環境因子進行樣品采集分析。

浮游植物的采集流程如下：首先利用采水器在每個采樣點分別提取底、中和表層水樣，經均勻混合后定容至1L，并加入15mL 魯哥氏液進行固定。然后將水樣濃縮到30mL，將其帶回實驗室鏡檢。根據《淡水浮游生物研究方法》中的方法，按照以下步驟計算相關指標：對于生物量，將濃縮水樣中的浮游動植物數量進行統計，并根據已知的濃度因子計算出單位體積的生物量；對于豐度，根據固定體積中的浮游動植物數量計算出單位體積中的豐度。

1.3 評價方法

1）水質生物學評價。本研究選用物種優勢度（Y）、均勻度指數（J）和多樣性指數（H'）進行評價，其計算方法為：

式中：N、S表示物種個體數和物種數；ni、fi表示物種i的個體數及其出現頻率，將Y≥0.02 作為優勢種的判斷標準，按照表1 中的標準劃分浮游植物多樣性等級。

表1 多樣性分級標準

2）綜合營養狀態指數。根據錦凌水庫CODMn、SD、TN、TP、葉綠素a 等水質指標值，對水庫水生態健康狀況利用綜合營養狀態指數（TLI）進行分析，計算方法如下：

式中：TLI（j）、ωj為指標j的營養指標及其權重，文章直接引用《中國湖泊環境》中的計算結果確定CODMn、SD、TN、TP、葉綠素a指標權重分別為0.1834、0.1834、0.1790、0.1879、0.2663。通常將營養狀態分為重度、中度、輕度富營養和中、貧營養5 級，相應TLI 取值區間為≥70、60～70、50～60、30～50、＜50[9-11]。

3）水生態健康評價。根據錦凌水庫特征，選擇浮游植物多樣性指數、底棲動物生物量、葉綠素a、浮游動植物生物量等水生態指標和SS、TP、NH3-N、TN、CODMn、DO、SD 等物理化學指標構建綜合評價體系。錦凌水庫的水生態健康狀況考慮利用綜合指數EHCI 進行評估，其數學表達式為：

式中：ωi、Ii為參評指標i的權重及其歸一化值，取值區間均為0～1，詳細計算公式見文獻[12]。采用等間隔的方式可將EHCI 指數劃分成很差、較差、中等、好、很好5 個等級，對應的取值范圍為0～20、20～40、40～60、60～80、80～100。

1.4 數據處理

采用Origin9.0、Excel2012、Arc Gis10.2和SPSS20.0等軟件，完成數據的統計分析、制圖、底圖繪制以及相關性分析。考慮到群落中的偶見屬、多種屬情況，按照設定要求將優勢度Y≥0.02的浮游植物作為優勢種。在分析前應合理選擇單峰或線性模型，一般利用除趨勢對應分析來確定。結果表明，排序軸的最大長度梯度超過4宜選取CCA典型對應分析法。

2 結果與分析

2.1 水質指標及綜合營養狀態指數

2021 年錦凌水庫TLI 指數和水體理化因子如表2，結果表明5 月份CODMn和葉綠素a 濃度達到最大，而總氮和透明度最小，季節變化與其它指標的相關性較低。根據DS、TN、TP、葉綠素a和CODMn計算TLI 指數，其平均值為44.7，錦凌水庫整體達到中營養狀態。具體而言，2 月和8 月的TLI 指數處于30～50 的中營養狀態，5 月較高達到輕度營養水平，營養狀態相同時指數越大則營養程度越高。從小到大，不同季節TLI 指數排序為春季＞冬季＞夏季。

表2 錦凌水庫TLI 指數及水質指標 mg/L

2.2 浮游植物群落結構

2.2.1 物種組成

根據錦凌水庫浮游植物調查結果，共發現7 門、48 屬，其中綠藻門、硅藻門和藍藻門數量較多分別為26、10、6 個屬類，而裸藻門、隱藻門、甲藻門和金藻門各有2 個或1 個屬類，黃藻門在調查中未被發現。不同季節的優勢種屬如表3 所示，進一步分析表明不同季節浮游植物的優勢種類存在差異，在冬季硅藻門和藍藻門是優勢種類，春季硅藻門成為主導門類，而在夏季綠藻門則占據主導地位。

表3 浮游植物優勢度及優勢種

2.2.2 生物量時空分布與浮游植物豐度

月尺度上，錦凌水庫生物量和浮游植物豐度處于0.80～38.12mg/L、（4.5～104）×106cell/L 范圍。另外，浮游植物的生物量和豐度在同一時間段內呈現出相似的變化趨勢，特別是在5 月份達到了峰值，這可能是由于5 月是春季過渡到夏季的時段，氣溫上升，光照和養分供應增加，為浮游植物的生長和繁殖提供了有利條件，因此導致了豐度的增加。在2月、5 月、8 月硅藻門所占比率為45.1%、73.2%、和18.0%，藍藻門所占比例為41.2%、26.0%和23.6%，綠藻門所占比例為12.8%、0.5%、44.2%，表明不同季節的浮游植物群落組成存在明顯差異。此外，由于硅藻的暴發致使錦凌水庫5 月浮游植物生物量及豐度明顯高于其它時段。總體而言，2 月份浮游植物主要為硅藻門-藍藻門，優勢屬為直鏈藻屬和偽魚腥藻屬，這與表2 中的優勢度保持一致；5 月份以硅藻門為絕對優勢，優勢屬為針桿藻屬和曲殼藻屬；8 月份以綠藻門為優勢種屬，該分布特征與表3 保持一致。

浮游植物生物量與豐度空間分布，如圖1 所示。

圖1 浮游植物生物量與豐度空間分布

由圖1 可知，各站點的春季浮游植物生物量與豐度未表現出顯著差異（P＞0.05），夏季和冬季則表現出顯著差異性（P＜0.05），冬季和夏季時M3、M4 站點的浮游植物生物量與豐度達到最大值。

2.2.3 環境因子與浮游植物群落關系

對浮游植物優勢屬生物量與環境因子應用Canoco5.0 軟件排序分析，結果表明排序軸的前兩個特征值為0.9 221 和0.6 318，經調整群落變異對環境因子的響應都大道82.1%。結果顯示，錦凌水庫浮游植物群落變化主要受TN、DS、DO、CODMn和葉綠素a 等因子的影響。CODMn與葉綠素a 的箭頭連線最長，表明這些因子對群落分布影響最大，其次是TN 和SD，NH3-N 的影響最小。不同環境因子對各月浮游植物群落的影響具有明顯差異，如2 月以直鏈藻屬和偽魚腥藻屬為優勢屬，主要受TN 因子的影響；5 月以針桿藻書、席藻屬和曲殼藻屬為優勢屬，主要受CODMn和葉綠素a 因子的影響[13-15]。

2.3 水質生物學評價

采用均勻度和多樣性指數來反映水庫水質情況，結果如圖2 所示。結果表明，多樣性指數介于2.1～3.2 之間，月均值2.57，在5 月份呈現出最低值，為β-中污型；而8 月達到最高值，為清潔-寡污型。均勻度指數介于0.52～0.77 之間，月均值0.64，總體上為清潔-寡污型。對于不同季節的比較，各采樣點并未顯示出較大的差異，即水庫水質相對穩定，無明顯的波動，從小到大排序為春季＜冬季＜夏季，該變化趨勢與營養狀態指數相反。

圖2 浮游植物多樣性指數

2.4 水生態健康評價

研究選擇5 個站點2 月、5 月、8 月共15 個樣本數據的12項指標評價錦凌水庫水生態健康狀況，各參評指標的熵權及熵值計算結果如表4 所示。然后利用公式（3）計算5 個站點在時間時段內的綜合健康指數，如表5 所示。

表4 評價指標熵權及熵值

表5 水生態健康綜合指數

結果表明，生態健康指數隨季節的變化表現出明顯差異，其中2 月達到中等健康等級，EHCI 指數均值為0.4 848，說明該時段錦凌水庫水生態系統比較穩定。具體而言，2 月份M3、M2 站點EHCI指數為0.3 648 和0.6 781，以上站點屬于較差和好等級。所選時間序列內EHCI 月均值為0.4 078，5月EHCI 指數最小為0.2 681，該時段水生態系統較差。各站點8 月EHCI 指數未表現出明顯差異，月均值為0.4 705，生態系統為中等健康等級，說明8月相比于5 月健康狀況明顯好轉并趨于穩定。

3 結 論

1）根據錦凌水庫浮游植物調查結果，共發現7 門、48 屬，其中綠藻門、硅藻門和藍藻門數量較多分別為26、10、6 個屬類，而裸藻門、隱藻門、甲藻門和金藻門各有2 個或1 個屬類。生物量和浮游植物豐度處于0.80～38.12mg/L、(4.5～104)×106cell/L 范圍，冬季的優勢種屬以硅藻門與藍藻門為主，春季以硅藻門為主，夏季以綠藻門為主，浮游植物群落變化主要受TN、DS、DO、CODMn和葉綠素a等因子的影響。

2）總體上錦凌水庫為β～中污～清潔～寡污型及清潔-寡污型水質。TLI 指數顯示，2 月和8 月錦凌水庫屬中營養狀態，5 月達到輕度營養程度。

3）采用理化、生物12 項指標和熵權綜合指數法評價錦凌水庫生態健康狀況，結果顯示2021 年錦凌水庫總體達到中等健康水平，5 月EHCI 指數最小為0.2 681，該時段水生態系統較差。錦凌水庫承擔錦州市的供水與防洪任務，其生態健康狀況直接關系著城市用水安全，為防止水質惡化水庫管理部門必須高度重視，通過采取有效保護措施保證水生態系統長期維持健康穩定狀態。