南京市方便水庫浮游植物群落結構特征及與水環境因子關系

劉 飛，李林澤，曾 瑞，楊世印

(1.長江水利委員會水文局 長江下游水文水資源勘測局，江蘇 南京210011； 2.南京市雨花臺區水政監察大隊，江蘇 南京 210012)

0 引 言

浮游植物是生態環境的重要組成之一，對水生態環境內的能量轉換和物質循環起著無可替代的作用[1-2]。浮游植物種類繁多、分布廣泛，群落結構與其所在水體質量密不可分。有研究將浮游植物群落結構特征作為水質的重要指示指標之一[3]。水體透明度、高錳酸鹽指數、總氮、總磷等指標數值的變化可直接改變水體營養狀態，從而改變浮游植物的生存狀態[4-5]。有研究指出，利用浮游植物群落結構等特征來評價水質狀況具有較強的可操作性和實用性[6-8]。因此，浮游植物監測是湖泊、河流和水庫水環境監測的重要內容，尤其是在飲用水源地。

方便水庫位于南京市溧水區，是一座以灌溉、防洪為主，兼有供水功能的中型水利工程，是南京市重要的水源性水庫。水庫總庫容約4 900萬m3，集水面積約77.1 km2，屬秦淮河流域。水庫周圍有塘泥山、東廬山、荊山等，接青龍橋河、謝家棚河、西南村河等上游來水，下游依次為二干河、溧水河、秦淮河，最終匯入長江。

2000年以來，隨著地方經濟及水庫周邊旅游產業的發展，方便水庫水體環境遭到一定程度的破壞，水庫水質類別處于緩慢下降的狀態。浮游植物是水體中食物鏈的基礎環節，其群落組成及多樣性可以敏感反映環境因素變化對水生態系統的影響，也可用以推測和預知水生態狀況的發展趨勢，對于促進方便水庫水資源的利用和保護具有重要的科學意義。本文調查了方便水庫的浮游植物群落結構和水質因子指標數值變化情況，并分析了兩者之間的關系。

1 材料與方法

1.1 監測點和采樣時間

綜合考慮方便水庫基本特性、樣品空間代表性及取樣便利性，此次調查共布設4個浮游植物監測點，并同步進行水質監測，具體位置見圖1。對青龍橋河、謝家棚河、西南村河等3條主要入庫河流水質進行同步監測。監測頻次為3次，分別為2020年8月(豐水期)、2020年10月(平水期)和2021年1月(枯水期)。

圖1 方便水庫采樣點位Fig.1 Sampling points of Fangbian Reservoir

1.2 浮游植物樣品采集與分析

現場用分層采水器采集水樣，混合后取1 L水樣加入1%的魯哥氏液固定并帶回實驗室，靜置48 h后，用虹吸管吸去上層清液并定容至30 mL，在顯微鏡下進行種類鑒定和計數。用顯微鏡計數時，取0.1 mL充分搖勻后的濃縮水樣樣品，置于0.1 mL計數框中，在10×40倍的顯微鏡下進行鑒定并計數，獲得單位體積中浮游植物的數量。由于浮游植物比重接近于1，即1 mL的細胞體積等于1 mg濕重生物量，所以實驗中生物量的測定采用體積轉化法。細胞的平均體積根據物種的幾何形狀計算。

1.3 水質樣品采集與分析

1.4 豐度計算

浮游植物豐度計算：

Ni=nV2/(V1V3)=nV2f/(V1V3)

式中：n為計數所得個數，cells；V1為采樣量，L；f為稀釋因子；V2為濃縮樣定容體積，mL；V3為實際計數體積，mL。

1.5 優勢度計算

物種優勢度指數：[9]

Y=Ni/Nfi

式中：Ni為第i種物種的豐度，N為群落中所有物種的總豐度，fi為第i種物種在各樣點出現的頻率，當Y≥0.02 時為優勢種。

1.6 多樣性指數計算

選用Shannon-Wiener多樣性指數(H′)和Pielou均勻度指數(J)[10]來分析浮游植物群落結構和多樣性特征，計算公式如下：

H′=-∑(Ni/N)log2(Ni/N)

J=H′/lnS

式中：S為浮游植物的種類數。

生物多樣性指數評價標準見表1。

表1 生物多樣性指數評價標準[11]

1.7 水質狀況評價

依據GB 3838-2002《地表水環境質量標準》評價水質狀況，采用單因子評價法，即將某水樣的水質項目參數符合標準中具體項目標準最差的類別確定為該水樣的水質類別。

2 結果分析

2.1 浮游植物的種類

本次調查共發現浮游植物7門81種，其中綠藻門39種，硅藻門18種，藍藻門11種，裸藻門4種，甲藻門、金藻門和隱藻門各3種(圖2)。

(1) 豐水期浮游植物7門56種，其中綠藻門25種，硅藻門12種，藍藻門9種，裸藻門、甲藻門和隱藻門各3種，金藻門1種。

(2) 平水期浮游植物7門50種，其中綠藻門26種，硅藻門10種，藍藻門6種，裸藻門3種，金藻門和隱藻門各2種，甲藻門1種。

(3) 枯水期浮游植物7門50種，其中綠藻門26種，硅藻門10種，藍藻門6種，裸藻門3種，金藻門和隱藻門各2種，甲藻門1種。

圖2 方便水庫浮游植物種類Fig.2 Phytoplankton species of Fangbian Reservoir

2.2 浮游植物數量分布

2.2.1 浮游植物豐度

方便水庫浮游植物豐度范圍為8.67×103～4.92×107cells/L，平均值為8.69×106cells/L，浮游植物主要由藍藻門組成，平均占比為89.07%。

(1) 豐水期浮游植物豐度范圍為6.35×106～4.92×107cells/L，平均值為2.29×107cells/L，浮游植物主要由藍藻門組成，平均占比為93.89%。

(2) 平水期浮游植物豐度范圍2.31×106～3.89×106cells/L，平均值為3.10×106cells/L，浮游植物主要由藍藻門組成，平均豐度1.66×106cells/L，平均占比為53.55%。

(3) 枯水期浮游植物豐度范圍8.67×103～4.22×104cells/L，平均值為2.01×104cells/L，浮游植物數量各門類差異較小，最大值為隱藻門，平均豐度5.90×103cells/L，平均占比為29.35%。具體統計結果見表2。

表2 方便水庫浮游植物不同時期豐度統計

2.2.2 浮游植物生物量

方便水庫浮游植物生物量范圍0.015 2～13.527 9 mg/L，平均值為3.069 0 mg/L，浮游植物生物量主要由藍藻門組成，平均占比分別68.08%。

(1) 豐水期浮游植物生物量范圍2.354 5～13.527 9 mg/L，平均值為7.056 9 mg/L，生物量主要由藍藻門組成，藍藻門平均生物量為5.844 5 mg/L，平均占比為82.82%。

(2) 平水期浮游植物生物量范圍0.867 4～4.219 3 mg/L，平均值為2.013 9 mg/L，浮游植物生物量主要由隱藻門組成，平均生物量為0.589 8 mg/L，平均占比為29.29%。

(3) 枯水期浮游植物生物量范圍0.015 2～0.455 7 mg/L，平均值為0.136 2 mg/L，浮游植物生物量分布較均勻，金藻門的生物量最高，平均為0.052 9 mg/L，平均占比為38.84%。

2.3 優勢度

不同時期方便水庫的浮游植物優勢度有所不同。由表3可知，束絲藻(Aphanizomenonsp.)和偽魚腥藻(Pseudoanabaenasp.)優勢度最大，3個時期均為優勢種。豐水期方便水庫優勢種均為藍藻門，其中偽魚腥藻優勢度最大，束絲藻次之。平水期優勢種主要為藍藻門和隱藻門，其中束絲藻優勢度最大，偽魚腥藻次之?？菟趦瀯莘N表現不明顯，藍藻門、綠藻門、硅藻門、隱藻門、裸藻門和金藻門均有。具體統計結果見表3。

2.4 浮游植物多樣性指數

圖3為不同采樣時間浮游植物Shannon-Wiener指數和Pielou指數變化情況。方便水庫豐水期、平水期和枯水期浮游植物的Shannon-Wiener指數分別為2.21，3.88和3.20；浮游植物的 Pielou 均勻度指數分別為0.62，1.13和0.93。結果表明，浮游植物在平水期時種類最豐富，個體分布最均勻。

2.5 庫區水質狀況

方便水庫水溫變化范圍為2.2～32.5 ℃，水溫在枯水期最低，豐水期最高；pH值變化范圍為7.21～8.25；溶解氧變化范圍為5.90～12.43 mg/L；高錳酸鹽指數變化范圍為2.7～4.5 mg/L；五日生化需氧量變化范圍為0.7～4.0 mg/L；氨氮變化范圍為0.026～0.172 mg/L；總磷變化范圍為0.02～0.05 mg/L；總氮變化范圍為0.34～0.58 mg/L。按豐水期、平水期、枯水期，分別計算各點位各評價指標濃度算術平均值，按照環辦〔2011〕22號《地表水環境質量評價辦法(試行)》的要求采用單因子評價法進行水質類別評價。結果顯示，方便水庫總體水質狀況較好且穩定，不同時期的水質類別均為Ⅲ類。具體評價結果見表4。

表3 方便水庫不同時期優勢種和優勢度統計

圖3 方便水庫浮游植物多樣性指數趨勢Fig.3 Trend of phytoplankton diversity index of Fangbian Reservoir

3條入庫河流的單因子水質評價結果如表5所示，西南村河水質較好，豐、平、枯3個水期水質均為Ⅲ類水；青龍橋河豐水期水質為Ⅳ類水，主要超標項目為化學需氧量，平水期和枯水期水質為Ⅲ類水；謝家棚河豐水期為Ⅴ類水，主要超標項目為高錳酸鹽指數和五日生化需氧量，平水期和枯水期水質為Ⅲ類水。

3 討 論

浮游植物是水生生態系統生物資源的基礎，作為初級生產者，其種群變動和群落結構直接影響著水生生態系統的結構和功能，水生生態系統浮游植物群落結構的變化與環境因子密切相關，是其對環境適應的結果。因此，浮游植物生物量和物種組成的變化可以反應環境條件的變化。

表4 方便水庫水質類別評價

表5 方便水庫主要入庫河流水質類別評價

在時間維度上，方便水庫浮游植物數量在不同水期呈現非常明顯的差異。從豐水期至枯水期，豐度從2.29×107cells/L降至2.01×104cells/L，生物量從7.056 9 mg/L降至0.136 2 mg/L。這表明水溫是影響浮游植物生物量的重要因素之一[12]。在空間維度上，方便水庫浮游植物數量變化也較為明顯。從3個時期來看，4個點位的浮游植物數量排序均為1號>4號>2號>3號，而同步監測的TP和TN也呈現同樣的變化趨勢。這也表明營養鹽是影響浮游植物生物量的重要因素之一。本次調查結果與相關作者的研究結果一致，即浮游植物的豐度受營養鹽和溫度等環境因子的驅動而處于動態變化之中[13-17]。

方便水庫浮游植物種類數量在不同水期變化較小，但種群結構差異較大。優勢度方面，不同水期庫區內浮游植物優勢度有所不同。藍藻門中的束絲藻和偽魚腥藻優勢度最大，3個時期均為優勢種?？菟趦瀯莘N表現不明顯且出現了金藻，有研究指出金藻對溫度變化感應靈敏，一般在寒冷的晚秋和冬季生長旺盛[18]。

方便水庫浮游生物的Shannon-Wiener指數和 Pielou 均勻度指數結果表明：浮游植物在豐水期時豐富度較高，個體分布較均勻，水體存在輕度污染；平水期和枯水期物種種類豐富，個體分布均勻，水體清潔。本次調查同步監測了主要入庫河流的水質狀況，結果顯示青龍橋河和謝家棚河豐水期的水質狀況較差，分別為Ⅳ類和Ⅴ類，這可能是造成豐水期方便水庫輕度污染的原因之一。

4 結 論

對南京市方便水庫的浮游植物群落結構特征進行了調查研究。結果表明：方便水庫存在浮游植物7門81種，其中綠藻門39種，硅藻門18種，藍藻門11種，裸藻門4種，甲藻門、金藻門和隱藻門各3種；浮游植物豐度范圍8.67×103～4.92×107cells/L，生物量范圍0.015 2～13.527 9 mg/L，從豐水期至枯水期呈明顯下降趨勢。不同水期庫區內浮游植物優勢度有所不同，但藍藻門中的束絲藻和偽魚腥藻在3個時期均為優勢種；生物多樣性指數和水質評價結果均表明方便水庫總體水質狀況較好，滿足集中式生活飲用水源地二級保護區、一般魚類保護區及游泳區等功能的要求。豐水期受入庫河流水質影響，水質變差。今后應持續關注入庫河流的水質狀況，以保證水庫水質的持續向好。