大寧調蓄水庫浮游植物群落特征及其水環境因子分析

北京市南水北調大寧管理處 陳晨，佟玲，馬寅男

浮游植物是水生生態系統重要的初級生產者，它們個體微小、種類眾多，支撐著水生態系統的物質循環、能量流通及信息傳遞過程[1-2]。浮游植物的種類組成、數量多少、群落結構特征與水環境密切相關，對水環境的變化極為敏感[3-4]，直接或者間接反映水體富營養化程度[5-6]，且能表征營養物質累積與富集效應，反映水環境長期污染與變化趨勢[7]，被廣泛應用于淡水生態系統水質定性評價和監測[8-10]。

大寧調蓄水庫作為南水北調中線干線入京后的第一個調蓄水庫，擔負著調蓄北京市南水北調來水的功能，在城市供水保障方面有著非常重要的意義[11]。本研究以南水北調大寧調蓄水庫為研究水域，開展浮游植物和水質監測，計算研究區浮游植物的生物量、豐度及生物多樣性指數，結合水質監測結果，分析浮游植物群落結構特征與水環境因子間的關系，可為大寧調蓄水庫飲用水源保護及水生態系統恢復提供科技支撐，對同類型的水庫水源地水質保護和水質改善具有借鑒意義。

一、材料與方法

（一）研究區概況

北京作為我國的政治文化中心、國際交往中心和科技創新中心，地處海河流域，常住人口超過2000萬，人均水資源量嚴重短缺，不足全國人均水平的1/7，北京市更是遠低于重度缺水線300m3，水資源嚴重短缺。2014年12月，丹江口水庫開始向北京市供水，南水北調水源進京顯著改變了北京市的水資源供應格局[12]，成為北京市水資源配置的主要組成部分[13]。大寧調蓄水庫屬于平原型水庫，坐落于小清河上，是北京首個調蓄南水北調中線干線來水的水庫，水庫總庫容為4611萬m3。在非汛期，其最大可調蓄庫容達到3753萬m3，即使汛期其最大可調蓄庫容也能達到1006萬m3，水域面積可達220萬m2（圖1）。該水庫對于提升北京市調蓄南水北調來水能力、提高城市供水保障力、促進北京市西南地區經濟發展、改善該區域生態環境有著非常重要的意義。

圖1 研究區概況示意圖

（二）采樣點及采樣時間

根據調蓄水庫的特點，設置4處采樣點，分別記為1、2、3、4（圖1），采樣點1、2、3分上中下三層采樣，第4采樣點水深較淺，不分層采樣。具體采樣時間為2017年4月-11月，水質監測數據包括總氮、硝酸鹽氮、高錳酸鹽指數、總有機碳、氨氮、葉綠素a和總磷。水質采樣及監測分析方法參照2002年國家環境保護總局組織編寫的第四版增補版的《水和廢水分析監測分析方法》進行。

浮游植物采樣方法及過程按照《水生生物學》[14]進行。定性樣品依據相關文獻[15-17]開展鑒定，在10×40倍的光學顯微鏡中對浮游植物的形態進行觀察和鑒定。定量樣品鑒定參照《水生生物學》[14]進行浮游植物及其優勢種的種類鑒定到種。

（三）數據處理及分析方法

浮游植物種類、個體數量、生物量根據浮游生物的體積計算，具體計算方法參照文獻[14，18-19]。浮游植物密度的計算公式參照文獻[20]開展。

浮游生物多樣性指數分別采用Shannon-Weiner指數(H)、群落的均勻度用Pielou指數(J)、群落豐富度用Margalef指數(M)表示。

式中，Pi=Ni/N，為群落中第i個物種個體數與群落中總個體數的比。

Ni是第i個物種的個體數量。

N是所有種的個體數。

S為樣品中的總物種數。

通過BioDiversity Pro 2.0軟件包完成多樣性指數計算。浮游植物群落特征和水環境因子關系的主成分分析(PCA)采用Canoco for Windows 5.0軟件包完成。

二、結果與討論

（一）浮游植物豐度及生物多樣性指數

2017年4-11月監測的95個樣品中，浮游植物中的硅藻門、藍藻門、綠藻門、黃藻門、裸藻門、甲藻門、隱藻門和金藻門均有檢出，其豐度值均值分別為 7101.74、5092.20、420.95、43.01、15.97、4.41、0.44 和2.17cel ls/L，浮游植物豐度值均值為12680.17cel ls/L。浮游植物生物量均值為334.78ug/L，排在前三位的硅藻門、藍藻門、金藻門生物量均值為184.05、74.24、39.66，最小的黃藻門生物量均值僅為0.40ug/L，最大的硅藻門是最小的黃藻門的460倍。Shannon-Wiener多樣性指數均值為1.44，Margalef豐富度指數均值為0.81，Pielou均勻度指數均值0.86。

（二）浮游植物與水環境因子的關系

選取浮游動物生物量數據組成矩陣，進行DCA分析，最大梯度長度為1.9（<3），適合PCA分析浮游植物群落組成和水環境因子間的關系，其結果如圖2所示。

圖2 浮游植物與水環境因子PCA排序圖

軸1、軸2、軸3和軸4分別可以解釋的51.28%、22.22%、9.93%和5.54%的物種—環境累積變異，前兩軸的物種—環境變異累計百分數為73.50%，表明排序能夠較好地反映浮游植物與水環境因子之間的關系。由圖2可知，水環境因子中的總氮、硝酸鹽氮、氨氮、總有機碳及總磷是影響藍藻、硅藻、甲藻、隱藻、裸藻、綠藻及金藻門的主要水環境因子，即總氮、硝酸鹽氮、氨氮、總有機碳和總磷的濃度越高，浮游植物生物量越大。葉綠素a對綠藻、裸藻、隱藻、硅藻和金藻門的生物量產生負影響，即葉綠素a濃度越高，硅藻、隱藻、綠藻、金藻及裸藻門的生物量就越小。高錳酸鹽指數濃度越高，金藻門生物量越大，但高錳酸鹽指數對裸藻、隱藻、綠藻、硅藻、藍藻、甲藻和黃藻門產生負影響。

依據浮游植物群落組成，可以評價水體富營養程度。通常，飲用水源區中的浮游植物豐度值三級限值分別為：安全限值為1.0×104cel ls/L，警戒限值為2.1×105cel ls/L，危險限 值 為 1.2×106cel ls/L[21]。調蓄水庫浮游植物豐度均值為12680.17cel ls/L，越過了1.0×104cel ls/L的安全限值。物種多樣性是認識浮游植物群落結構特征的重要指標，也是反映水體營養狀況的重要參數，通過多樣性指數值的大小可以了解水體水質。物種多樣性指數可以了解一個群落或生境中浮游植物數量大小以及群落的分配狀況，可以直接或間接了解水生生態系統的穩定程度以及生境差異。按照多樣性指數的評價標準，Pielou均勻度指數均值為0.86，水環境狀況為清潔無污染，但Margalef豐富度指數均值為0.81，Shannon-Wiener多樣性指數均值為1.44，數值不高，提醒管理人員關注水質變化。

三、結論

（1）浮游植物豐度均值為12680.17cel ls/L，主由以硅藻門、藍藻門和綠藻門組成。Pielou均勻度指數計算均值為0.86，Shannon-Wiener多樣性指數計算均值為1.44，Margalef豐富度指數計算均值為0.81，浮游植物的豐度、Shannon-Wiener多樣性指數以及Margalef豐富度指數提示水質呈現一定的富營養化。

（2）總氮、硝酸鹽氮、氨氮、總有機碳以及總磷是影響藍藻、硅藻、甲藻、綠藻、隱藻、裸藻和金藻門的水環境因子，葉綠素a對隱藻、綠藻、裸藻、硅藻及金藻門生物量有負影響。高錳酸鹽指數濃度越高，金藻門生物量越大，但高錳酸鹽指數對裸藻、硅藻、綠藻、甲藻、隱藻、黃藻和藍藻門產生負影響，PCA分析結果也說明水體中營養物質的濃度影響水體浮游植物豐度，提醒水行政主管部門密切關注水體富營養化。