天津于桥水库夏季浮游生物调查及群落结构变化*

武 丹，王海英，张 震

(天津市环境监测中心，天津 300191)

我国是水资源短缺的国家，水库供水是缓解城市供水压力的重要途径.随着经济的发展，水库富营养化问题日益突出.水利部环境监测报告的数据显示，目前我国有1/3 重要供水水库达到富营养化水平[1]，由此导致的水库型饮用水源的安全问题备受关注.浮游植物作为水库生态系统中重要的初级生产者，对水体环境的变化极为敏感，其种类、数量及群落结构的变化与一些环境因子的变化有着密切的关系，是反映水体富营养化状况最重要的生物指标之一[2].浮游动物是水库生态系统食物链中一个重要环节，它通过摄食控制浮游植物的数量，来调节水体生态平衡，在水库生态系统的结构和功能中起着重要的调控作用.近年来，部分水库发生了不同程度的水华[3-4]，随之，关于水库浮游生物(尤其是浮游植物)的调查研究逐渐增多[5-8]，但是，同步研究水库浮游植物和浮游动物群落结构变化的研究较少.

于桥水库位于天津北部蓟县城东4 km 处，与河北省、北京市相邻，距离天津市区115 km.自1983年引滦入津输水工程通水后，于桥水库作为中转蓄水库成为天津市人们生活饮用及工农业用水的主要来源，是目前天津市最重要的饮用水蓄存地.根据水利部门提供的数据，2009年于桥水库实际供水量为5.9×108m3，服务总人口达748.16 万人.然而，由于历史性原因，截止到2009年，于桥水库周边一、二级保护区内仍分布着6 个乡镇47 个村落，共计16.28 万人，其中一级保护区内居住2.17 万人.水库周边居民从事养殖捕捞、小型商业及农业耕作等活动，所产生的生活污水、禽畜粪便、固体垃圾、农田径流等加重了水库饮用水安全的风险.随着当地旅游业的发展，餐馆农家院、小型加工企业兴起，进一步威胁着水库饮用水安全.本研究通过对于桥水库浮游生物调查，全面了解水库生物群落结构变化情况，探究于桥水库富营养化变化趋势，为于桥水库污染防治提供依据.

1 材料与方法

1.1 采样点的布设

2011年7月，在于桥水库的进水区、湖心区和出水区共设置3 个采样点，分别为点位1(40°1'45″N，117°35'50″E)、点位 2(40°2'23″N，117°32'41″E)和点位 3(40°1'53″N，117°26'50″E).其中，点位 1 为于桥水库上游3 条主要来水河流交汇处，点位3 为水库出口.

1.2 样品的采集与处理

应用Professional Plus 多功能水质仪(YSI)测定水温(T)、pH、溶解氧(DO);用塞氏盘测定透明度(SD);水样的采集及其它水质因子的分析测定参考文献[9]，水质因子包括高锰酸盐指数(CODMn)、亚硝酸盐氮(NO2--N)、硝酸盐氮(NO3--N)、总氮(TN)、总磷(TP)和叶绿素a(Chl.a).浮游植物、浮游动物样品的采集、处理、定性及定量分析方法参照文献[10-15].

1.3 数据处理

1.3.1 综合营养状态指数 参照国家环境保护部发布的《地表水环境质量评价办法(试行)》，采用综合营养状态指数TLI(∑)来评价水库的富营养化状况[16].评价分级:TLI(∑)＜30，贫营养;30≤TLI(∑)≤50，中营养;50 ＜TLI(∑)≤60，轻度富营养;60 ＜TLI(∑)≤70，中度富营养;TLI(∑)＞70，重度富营养.

1.3.2 生物学指标 采用Shannon-Wiener 指数(H')、Pielou 均匀度指数(J)和Margalef 丰富度指数(d)对浮游植物多样性进行评价.评价标准[17]为:H':＞3，轻或无污染;1 ～3，中污染;0 ～1，重污染;J:0.5 ～0.8，轻或无污染;0.3 ～0.5，中污染;0 ～0.3，重污染;d:＞3，轻或无污染;1 ～3，中污染;0 ～1，重污染.优势种的确定采用Mcnaughton 优势度指数(Y)，Y ＞0.02 的种类定为优势种，公式为:

式中，Ni为第i 种的个体数，N 为同一样品中的个体总数，S 为种类总数，fi为第i 种在各采样点出现的频率.1.3.3 相关性分析 对浮游植物数量、生物量与8 项水质指标(包括氮磷比)进行Pearson 相关性分析，研究浮游植物演变与水质因子的相互关系，数据处理在SPSS 15.0 平台上完成.

2 结果与讨论

2.1 水质及营养状态评价

于桥水库各项水质指标均达到或优于《地表水环境质量标准》(GB/T 3838-2002)Ⅲ类水质标准，符合饮用水要求，但是营养盐含量较高，水体富营养化态势较为明显.Vollenweider 等[18]提出总磷含量处于0.010 ～0.035 mg/L之间为中营养水平，于桥水库总磷浓度为0.030 mg/L，显示于桥水库处于中营养水平.按Wetzel的营养类型划分方法[19]，叶绿素a 浓度在2 ～15 mg/m3之间为中营养;于桥水库的叶绿素a 含量范围为11.0 ～12.7 mg/m3，平均浓度为12.0 mg/m3，表明于桥水库处于中营养水平.经计算，于桥水库TLI(∑)值为45.8，参照分级，于桥水库处于中营养水平，与总磷、叶绿素a 评价结果一致(表1).

表1 于桥水库水质监测结果及综合营养状态指数Tab.1 Results of water quality and the comprehensive trophic level index in Yuqiao Reservoir

2.2 浮游植物对营养状态的指示

本次调查共鉴定出浮游植物8 门59 种(包括属和变种)，其中绿藻门最多，为20 种，占藻类总种数的33.9%;其次为硅藻门19 种，占32.2%;蓝藻门9 种，占15.3%;金藻门、裸藻门各3 种，均占5.1%;黄藻门、甲藻门各2 种，均占3.4%;隐藻门1 种，占1.7%.以优势度指数Y ＞0.02 确定为优势种，于桥水库的优势种有3 种，其中蓝藻门有2 种，为铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)(Y =0.87)和水华微囊藻(Microcystis flosaquae)(Y=0.06);绿藻门有1 种，为单角盘星藻具空变种(Pediastrum simplex var.duodenarium)(Y=0.04)，3 种藻类的出现频率均达到100%.

浮游植物丰度在水面相对开阔的点位2 最高，为344.81×104cells/L，在入口点位1 最低，为258.78×104cells/L，平均值为312.40×104cells/L.就浮游植物的种群结构而言，蓝藻的丰度占绝对优势，其点位平均值达到295.09×104cells/L，占藻类总数的94.4%，蓝藻的优势种——铜绿微囊藻的丰度为272.65×104cells/L，占藻类总数的87.3%.浮游植物生物量范围为4.77 ～6.05 mg/L，平均值为5.30 mg/L，3 个采样点浮游植物生物量从高到低依次为点位1、点位2、点位3.不同种类藻类的生物量差异较大，其中绿藻生物量最大，点位平均值为2.69 mg/L，占藻类总数的50.7%，其次为蓝藻，2 种藻类生物量总和占藻类总数的76.9%(表2).综合浮游植物丰度、优势种和生物量情况而言，于桥水库为蓝-绿藻型.

表2 于桥水库浮游生物的丰度和生物量Tab.2 Abundance and biomass of plankton in Yuqiao Reservoir

3 个采样点浮游植物的H'值处于0.65 ～1.09 范围内，平均值为0.84，表明于桥水库处于重污染水平;J值均小于0.3，表明于桥水库处于重污染水平;d 值范围为0.88 ～1.18，平均值为1.04，表明于桥水库处于中污染水平.3 个指标综合评价结果表明，于桥水库处于中～重污染水平(表3).

表3 于桥水库浮游生物群落特征参数值Tab.3 Characteristic parameters of plankton community in Yuqiao Reservoir

2.3 浮游动物对营养状态的指示

本次调查共获得浮游动物16 种，其中，节肢动物门12 种，占总种数的75%;线形动物门3 种，占18.8%;无节幼体1 种，占6.2%.出现率较高的是节肢动物门的长额象鼻蚤(Bosmina longirostris)、大眼蚤(Polyphemus sp.)、近邻剑水蚤(Cyclops vicinus)、小巧瘦猛水蚤(Bryocamptus minutus)和无节幼体(Nauplius)，广泛分布于调查水域.其它物种仅在个别点位出现.以优势度指数Y ＞0.02 确定优势种有3 种，包括长额象鼻蚤(Y=0.55)、近邻剑水蚤(Y=0.39)和无节幼体(Y=0.022).

浮游动物丰度范围为7.1 ～114.8 ind./L，点位平均值为53.2 ind./L，最大值出现在点位1，最小值在点位3，该排序与浮游植物生物量大小排序一致.就浮游动物的种群结构而言，节肢动物占优，各点位平均丰度为52.0 ind./L，占总数的97.7%.节肢动物的优势种为长额象鼻蚤和近邻剑水蚤，分别占总数的54.8%和38.9%.浮游动物生物量范围为1.16 ～25.89 mg/L，平均值为11.58 mg/L，生物量从大到小排序为:点位1 ＞点位2 ＞点位3，与浮游动物丰度排序一致.节肢动物生物量最大，点位平均值为11.54 mg/L，占总生物量的99.68%(表2).其中优势种近邻剑水蚤生物量最大，占总生物量的71.4%，其次为长额象鼻蚤，占25.2%.长额象鼻蚤和近邻剑水蚤都是典型的富营养种类，表明于桥水库有明显的富营养化态势.

浮游动物群落H'值处于0.90 ～1.68 范围内，平均值为1.29，显示于桥水库处于中污染水平;J 值范围为0.30 ～0.43，平均值为0.37，表明于桥水库处于中污染水平;d 值范围为0.54 ～0.92，平均值为0.67，表明于桥水库处于重污染水平(表3).3 个指标综合评价，于桥水库处于中～重污染水平，与浮游植物评价结果一致.2.4 于桥水库浮游生物群落结构变化

7月份水温较高，适宜藻类生长，暴发藻类水华的风险较高.为初步探究近年来于桥水库浮游生物的群落结构变化情况，将本次调查结果与3 次历史同期调查结果进行对比分析，从种类组成、优势种、丰度、生物量等方面探究近年来于桥水库浮游生物群落的动态变化.

2.4.1 浮游植物群落结构变化1986-2011年期间，于桥水库浮游植物种数波动较大(表4、图1a).其中，1986年 7月至 1988年 10月调查到浮游植物 58 种，1999年 7月、2000年 7月分别为 49 种和 31 种，2011年7月有所回升，较1986-1988年调查结果增加1 种.1987年7月，于桥水库主要藻属硅藻、绿藻、蓝藻种数分布较为均匀，种数百分比均在30%左右;1999年7月、2000年7月调查期间，于桥水库绿藻种数比例上升至50%左右，而硅藻、蓝藻种类比例均有所下降;2011年7月硅藻、绿藻所占比例均再次达到30%左右，而蓝藻种类比例降低至15.3%.与1986-1988年调查结果相比，于桥水库浮游植物总种数虽然变化不大，但是主要种属的分布比例发生了明显变化.

浮游植物丰度方面，以1987年为参照点，于桥水库浮游植物丰度呈明显的上升趋势，2000年7月、2011年7月浮游植物丰度分别达到1987年7月的1.5 倍和3.4 倍.生物量方面，1986年7月至1988年10月调查期间，于桥水库非结冰期的生物量均值为2.89 mg/L，1999年7月至2000年7月调查期间，生物量均值为3.73 mg/L，较前一次调查增长了29.1%.1999-2011年，于桥水库浮游植物生物量持续上升.其中，1999年7月生物量为 1.43 mg/L，2000年 7月增长至 4.01 mg/L，同比增长 1.8 倍，2011年 7月为 5.30 mg/L，较 2000年同期增长了32.2%(表4).

1987年以来于桥水库浮游植物群落结构变化显著，富营养化趋势明显.1987年7月于桥水库以克罗顿脆杆藻、铜绿微囊藻为优势种，于桥水库为硅-蓝藻型;1999年7月、2000年7月，于桥水库优势种为颗粒直链藻、克罗顿脆杆藻和单角盘星藻，于桥水库为硅-绿藻型;2011年7月，铜绿微囊藻、水华微囊藻、单角盘星藻具空变种成为于桥水库的优势种，于桥水库为蓝-绿藻型.从各种属数量分布比例可以看出，蓝藻丰度占藻类总丰度的比例呈现显著上升趋势，由1999年7月、2000年7月的20%左右陡然上升至2011年7月的94.4%.从生物量比例也可以看出，硅藻生物量比例由1987年7月的59.3%下降至2011年7月的13.7%，而蓝、绿藻的总生物量比例总体呈现上升趋势，1987年7月为29.2%，1999、2000、2011年同期均达到60%以上，分别为81.1%、64.1%和76.9%(表4).总结而言，夏季(7月份)于桥水库由硅-蓝藻型水库过渡为硅-绿藻型，最终向蓝-绿藻型水库演变.通常来说，富营养型湖泊常以绿藻、蓝藻类占优势，由此可以看出，于桥水库具有明显的富营养化趋势.

根据1999年7月、2000年7月、2011年7月3 次调查结果，对于桥水库浮游植物丰度、生物量与8 项水质指标进行Pearson 相关分析(表5)，结果表明:① 于桥水库浮游植物丰度与氮磷比呈极显著正相关，与pH、高锰酸盐指数呈极显著负相关，与总磷呈显著负相关;② 浮游植物群落生物量与pH 呈显著负相关;③总氮、硝酸盐氮、叶绿素a 和透明度与于桥水库浮游植物丰度或生物量没有显著相关性.

一般认为，蓝藻水华是水体中氮、磷含量增加所致，与水华形成有关的氮磷比例备受关注.Smith[20]提出如果湖泊的氮磷摩尔比低于29，蓝藻将会占据优势.Redfield[21]则认为氮磷比值为7 是判断藻类生长限制因子的阈值.本研究中，于桥水库3 次调查结果氮磷比均值分别为11.63、9.19 和29.33(表6).因此，磷是于桥水库藻类生长的限制因子，这与田志强等[22]对于桥水库的研究结论一致.本研究相关性分析结果还显示浮游植物丰度与总磷呈显著相关关系，这与磷为于桥水库藻类生长限制因子的结论相吻合.还有研究认为并非单纯的总磷或总氮浓度对藻类生长有直接影响，而是氮磷比在某些范围显著影响藻类生长[23].Young 等[24]提出在总氮浓度大于0.20 mg/L，总磷浓度大于0.02 mg/L 的水体中，营养盐对藻类的限制作用会下降，其他因素会影响藻类营养盐的利用.如表5 所示，于桥水库营养盐含量较高，总氮浓度范围为0.579 ～0.880 mg/L，总磷浓度为0.030 ～0.071 mg/L，而浮游植物密度与氮磷比相关性较其与总磷的相关性更为显著，推测在氮、磷浓度较高的浓度下，氮磷比对浮游植物生长的影响较单纯的氮、磷浓度的影响更为显著.

于桥水库浮游植物丰度与高锰酸盐指数、总磷分别呈极显著、显著负相关.3 次调查结果显示，于桥水库浮游植物丰度逐次增加，2011年7月浮游植物丰度为1987年的3.4 倍，而总磷浓度由0.071 mg/L 降至0.030 mg/L，高锰酸盐指数由5.1 mg/L 降至3.4 mg/L(表6).分析其原因，铜绿微囊藻具有超量积累磷的能力，其生长状态好时可以迅速吸收环境水体中磷的含量，并在体内以聚合磷酸盐的形式存储[25].2011年调查期间铜绿微囊藻丰度占藻类总丰度的比例高达87.3%，7月正值藻类增殖期，大量藻类尤其是铜绿微囊藻的生长消耗了水体中大量的营养元素和有机物质，短期时间内起到了净化水体的作用.这与凌旌瑾等[26]、赖廷和等[27]的相关研究结果吻合.

吴剑等[28]研究了铜绿微囊藻生长过程对培养液pH 的影响，发现处于延迟期和对数生长期的铜绿微囊藻使培养液的pH 上升，而稳定期或衰亡期的铜绿微囊藻使培养液的pH 降低.本研究中浮游植物丰度、生物量与pH 均呈显著负相关，可能是大量处于稳定生长期的铜绿微囊藻影响所致.

2.4.2 浮游动物群落结构变化1986-1987年、1999-2000年、2011年7月调查结果相比较，于桥水库浮游动物的种数逐次减少(图1b、表7).与1986-1987年相比，2011年7月于桥水库原生动物种数减少了11种，线形动物减少16 种，节肢动物减少3 种，无节幼体种类变化不大.各种属种数比例发生变化，节肢动物种数所占比例上升.其中，1999-2000年节肢动物种数比例较1986-1987年增长了 10.7%，2011年 7月较1999-2000年增长了31.0%.2011年7月原生动物、线形动物种数比例有所下降，分别比1986-1987年下降了24.4%和23.4%.

于桥水库浮游动物的丰度呈现下降趋势，而生物量则明显增加.1986-1987年于桥水库浮游动物丰度为368 ind./L，1999-2000年降低至208 ind./L，降幅为43.5%.2000年7月浮游动物丰度为280 ind./L，2011年7月为53 ind./L，同比降低了81.0%.从生物量来看，1999-2000年为 8.28 mg/L，是1986-1987年调查结果的5.0 倍.2000年7月生物量为7.61 mg/L，2011年7月增长至11.58 mg/L，同比增长52.2%，其中节肢动物生物量所占比例由94.0%增加至99.68%.于桥水库浮游动物丰度降低而生物量增加，与浮游动物群落个体较小的原生动物、线形动物减少，而节肢动物比例增大有关，说明库区浮游动物群落结构组成发生了较大变化.

表4 1987-2011年期间于桥水库浮游植物群落结构变化Tab.4 The variation of phytoplankton structure in Yuqiao Reservoir during 1987-2011

表5 于桥水库水质因子与浮游植物丰度、生物量的Pearson 相关性分析Tab.5 Pearson relation analysis between water quality factors and the abundance，biomass of phytoplankton in Yuqiao Reservoir

表6 1999-2011年期间于桥水库水质因子变化Tab.6 The variation of water quality factors in Yuqiao Reservoir during 1999-2011

图1 1986-2011年于桥水库主要藻类(a)和浮游动物(b)种数的变化Fig.1 Changes of main algae species(a)and zooplankton species(b)in Yuqiao Reservoir during 1986-2011

浮游动物各种属分布比例变化显著，优势种有一定程度的改变.1986-1987年于桥水库原生动物丰度最大，为275 ind./L，占总丰度的74.7%;而2011年7月于桥水库节肢动物丰度占优势，达到总丰度的97.7%.以生物量计优势种，1986-1987年、1999-2000年期间于桥水库优势种包括轮虫和节肢动物，而2011年7月于桥水库优势种仅为节肢动物.

总之，本次调查结果与历史调查结果相比，浮游植物丰度、生物量增加，蓝、绿藻占优势;浮游动物种类减少，而生物量增加.这与东太湖1970s 初期至2008年底浮游生物的变化趋势一致[29]，说明于桥水库正处于向富营养化过渡的阶段.

表7 1986-2011年期间于桥水库浮游动物群落结构变化Tab.7 The variation of zooplankton community structure in Yuqiao Reservoir during 1986-2011

3 结论

1)本次调查于桥水库浮游植物8 门59 种(包括属和变种)，优势种为铜绿微囊藻、水华微囊藻和单角盘星藻具空变种.浮游植物平均丰度为312.40×104cells/L，平均生物量为5.30 mg/L，以蓝、绿藻为主.总体而言，于桥水库为蓝-绿藻型.于桥水库浮游动物共计16 种，优势种为长额象鼻蚤、近邻剑水蚤和无节幼体.浮游动物丰度平均值为53.2 ind./L，平均生物量为11.58 mg/L，丰度和生物量组成以长额象鼻蚤和近邻剑水蚤为主，两者均为富营养化水体指示种，表明于桥水库富营养化趋势明显.

2)2011年7月，于桥水库综合营养状态指数TLI(∑)值为45.8，表明于桥水库处于中营养水平.采用Shannon-Wiener 多样性指数、Pielou 均匀度指数和Margalef 丰富度指数分别对浮游植物、浮游动物进行评价，结果为于桥水库处于中～重污染水平，与于桥水库处于中营养水平、具有富营养化趋势的结论较为一致.

3)与历史同期调查结果相比，于桥水库浮游植物丰度、生物量增加，蓝、绿藻为优势种群，浮游动物种类减少，而生物量增加，富营养化指示种普遍存在.于桥水库由硅-蓝藻型水库过渡为硅-绿藻型，最终向蓝-绿藻型水库演变.Pearson 相关分析表明，于桥水库浮游植物丰度与氮磷比呈极显著正相关，与pH、高锰酸盐指数呈极显著负相关，与总磷呈显著负相关;浮游植物群落总生物量与pH 呈显著负相关.

4)本次调查研究了于桥水库夏季浮游生物群落结构变化、优势种演替及水体富营养化状况等方面内容.但本次调查数据较为单薄，无法精确地揭示于桥水库浮游生物群落结构的季节、年际变化趋势.下一步工作将加密于桥水库浮游生物的监测频次，开展季节性监测，并加大时间跨度，形成较为连续的监测时间序列，构建于桥水库浮游生物数据库，以便更为系统地反映于桥水库浮游生物的演变趋势.

致谢:天津科技大学海洋科学与工程学院刘宪斌院长和赵兴贵老师在浮游生物定性、定量分析方面给予了极大的指导和帮助，在此致以衷心感谢.

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