基于浮游植物功能类群的广东省大型水库生态分区初探*

王雅文，杨 扬，2，潘 鸿，何文祥，2，乔永民，2，陶 然，2

(1：暨南大学水生生物研究所，广州 510632) (2：热带亚热带水生态工程教育部工程研究中心，广州 510632)

水生态区概念起源于美国，被认为是具有相对同质的淡水生态系统或生物体及其与环境相互关系的土地单元[1]，目的是为水生态系统的研究、评价、修复和管理提供一个合适的空间单元[2].该概念自提出后很快被应用到水生态系统的管理中，如河流生物监测与评价、湖泊水库管理、水生生物区系管理等[3-5]，并且被认为可表征水生态系统空间分异的特点，在指导水质管理和制定水质标准中具有显著效果.

生物体能够整合环境在时间尺度上的压力效应信息，可能比简单的化学物质浓度更能够反映生态系统的时间变化特征，能够从生物学角度对环境状况进行监测和评价[6].因此，国际上将生物指标选作水体管理的重要分区指标之一，认为通过发展水质生物基准可以达到水质评价及生物多样性保护的目标[7-8].浮游植物作为水生态系统中重要的初级生产者，其群落结构特征能够敏感地反映水生态系统对水环境污染和生态破坏的响应，从生物学的角度评价水环境状况.近年，Reynolds等和Padisák等依据浮游植物对特定环境因子的敏感性和耐受性，将在某一已知环境中共同占优势的不同种群的浮游植物归纳为同一功能类群[9-10]，很大程度上弥补了浮游植物个体组成随机性大、种类适应生境相互重叠等不足[11].目前，有关浮游植物功能类群在热带、亚热带地区湖泊、水库及河流等水体中的空间异质性、季节演替规律及其与环境相互关系等已成为研究热点[12-14]，已有成果表明功能类群分类方法包含着完整的浮游植物生存策略信息，能够简单而有效地描述热带、亚热带地区不同类型水体的生物和生境特征，具有作为水体管理分区指标的潜力.

广东省虽是水资源大省，但时空分布不均匀，水库作为调控水资源的重要手段，其水资源质量及供水安全显得尤为重要.为促进水库资源的有效管理与保护，建立科学的水库生态分区具有良好的现实意义.为此，本文以广东省境内大型供水水库为研究对象，试图分析浮游植物功能类群与水质之间的响应关系，进而探讨以浮游植物功能类群为分区指标对水库进行生态区划分的有效性和可行性，可为水库水功能保护与水质管理目标的实现以及流域水资源开发利用提供依据.

1 材料与方法

1.1 水库基本概况

选择广东省10座大型水库为研究对象，包括粤西沿海的大水桥、鹤地和高州水库，北江的南水和飞来峡水库，东江的白盆珠、新丰江和枫树坝水库，粤东沿海的公平和汤溪水库(图1和表1).

图1 广东省10座调查水库分布Fig.1 Location of the ten investigated reservoirs in Guangdong Province

1.2 采样点设置

在各水库的入库口、大坝、取水口和库中心等处设置代表性采样点共48个.其中，大水桥水库5个、鹤地水库3个、高州水库7个、南水水库7个、飞来峡水库3个、白盆珠水库4个、新丰江水库4个、枫树坝水库3个、公平水库8个、汤溪水库4个.

表1 10座调查水库的基本情况[15]

1.3 样品采集与分析鉴定

采样时间为2012年1月(枯水期)和7月(丰水期).于表层0.5m处采集水样1L，用5%的鲁哥试剂固定，在实验室内沉淀浓缩至20ml，在显微镜(Olympus)下对浮游植物进行分类和计数.浮游植物的分类鉴定参照文献[16-17]，并依据Padisák等的浮游植物功能类群分类方法对浮游植物进行功能类群划分[10].水温和溶解氧(DO)在采样现场用多参数水质监测仪(YSI-85)进行测定，采用塞氏盘测定透明度(SD).同时采集表层水样2.5L，在8h内运回实验室，并依据《水和废水监测分析方法》中的标准方法对总氮(TN)、总磷(TP)、高锰酸盐指数(CODMn)和叶绿素a(Chl.a)进行测定[18].

1.4 数据统计

2 结果

2.1 水质及营养状态指数

水质监测结果见表2，南水、新丰江、飞来峡、白盆珠和枫树坝水库除TN外其它指标均达到《国家地表水水环境质量标准》(GB/T 3838-2002)Ⅱ类标准要求，而大水桥、鹤地、高州、公平和汤溪水库基本满足GB/T 3838-2002 Ⅲ类标准要求.

利用综合营养状态指数TLI(∑)评价10座水库营养状态(表2)，其中南水和新丰江水库为贫中营养型水库，飞来峡、白盆珠和枫树坝水库为中营养型水库，高州和公平水库为中富营养型水库，大水桥、鹤地和汤溪水库为富营养型水库.

2.2 浮游植物功能类群结构特征

2.2.1 浮游植物群落结构组成及优势功能类群分类 此次调查的10座水库共鉴定出浮游植物8门104属207种(含变种).其中，绿藻门种类数最多，为45属101种，占全部种类数的46%；其次为蓝藻门28属46种，占22%；硅藻门17属35种，占16%；甲藻门5属11种，占5%；裸藻门4属9种，占4%；隐藻门2属2种；金藻门2属2种；黄藻门1属1种.

表2 10座调查水库的水质参数及营养状态指数

依据浮游植物的生境、耐受性和敏感性可将其划分成30个功能类群[10](表3).从浮游植物功能类群在10座水库中的空间分布来看，南水和新丰江水库以A、E、LO和Y等适应贫营养水体及营养广谱型功能类群为主，飞来峡、白盆珠和枫树坝水库以B、NA、LO和Y等适应中营养、贫-中营养水体和营养广谱型功能类群为主，高州和公平水库基本以适应中营养、富营养水体和营养广谱型的B、C、P、LO和Y等功能类群为主，而大水桥、鹤地和汤溪水库则以C、P、S1和W2等适应富营养水体的功能类群为主.

表3 10座调查水库浮游植物功能类群名录

2.2.2 浮游植物功能类群的生物量动态 浮游植物总生物量均值为3.31mg/L，变动范围为0.82～7.22mg/L(图2).其中以南水和新丰江水库生物量最低，分别为0.28～1.11和0.59～1.44mg/L，其中A、F、LO和N功能类群生物量最多，生物量百分比在8%～21%之间，4个类群共占55%～65%.飞来峡、白盆珠和枫树坝水库总生物量分别为1.24～1.89、0.92～1.67和0.94～1.58mg/L，略高于南水和新丰江水库.以LO为优势功能类群，生物量占总生物量的33%、28%和28%，其余如B、N、F和NA4个功能类群生物量百分比在4%～33%之间，5个类群共占73%～80%.高州和公平水库总生物量分别为0.90～3.67和2.65～3.88mg/L，明显高于飞来峡、白盆珠和枫树坝水库.主要优势功能类群为P和Y，生物量占总生物量的48%和46%，其余如C、F、J、B和N类群，生物量百分比在2%～9%之间，7个类群共占78%～81%.大水桥、鹤地和汤溪水库总生物量最高，分别为5.67～7.02、5.87～8.27和6.09～7.20mg/L，主要优势类群为S1和P，生物量占总生物量的44%～51%，其次是Y、D、J和W2类群，生物量百分比在3%～16%之间，7个类群共占72%～83%.

图2 10座调查水库中浮游植物功能类群的相对生物量及总生物量Fig.2 The relative proportions of biomass and total biomass of each phytoplankton functional group in the ten investigated reservoirs

2.3 聚类分析

以浮游植物功能类群组成和生物量为指标对目标水库进行聚类分析，并分别以水质参数和综合营养状态指数为指标对目标水库进行聚类.结果表明，基于浮游植物功能类群结构特征的聚类结果与基于综合营养状态指数的聚类分析结果一致，均将10座水库划分为4类水体(图3a和图3b)，飞来峡、枫树坝和白盆珠水库聚为一类，南水和新丰江水库聚为一类，高州和公平水库聚为一类，大水桥、汤溪和鹤地水库聚为一类.而基于水质参数的聚类分析结果与前两者相比，除将贫、中营养状态的南水、新丰江、白盆珠、枫树坝和飞来峡水库聚为一类外，结果也基本一致(图3c).

3 讨论

3.1 水库优势浮游植物功能类群

根据水体特征，本研究所调查的10座水库水体可分为4种营养类型：贫-中营养型水库(南水、新丰江水库)、中营养型水库(飞来峡、白盆珠和枫树坝水库)、中-富营养型水库(高州和公平水库)以及富营养型水库(大水桥、鹤地和汤溪水库)，研究表明其浮游植物优势功能类群存在显著差异.

南水和新丰江水库浮游植物优势功能类群以A、F和Lo为主，A和F功能类群多出现在营养贫瘠和中营养水体，而LO功能类群的适应生境较广，在贫营养到富营养水体中均有出现[9-10].三者的典型生境虽不相同，但有研究表明它们均能适应低营养环境[20].飞来峡、白盆珠和枫树坝水库的浮游植物优势功能类群除了广谱型的LO类群外，还包括了典型生境为中营养水体的N和B功能类群[12-13].高州和公平水库的浮游植物优势功能类群为Y和P功能类群.研究认为Y和LO功能类群虽都属于广谱型类群，但Y功能类群更喜好有机含量丰富的水体[10，13]，而P功能类群也喜好富营养化水体[9-10].大水桥、鹤地和汤溪水库以富营养的P、S1、J、W2和X1功能类群以及喜好有机质丰富水体的Y功能类群为绝对优势类群，罕见适应其它营养环境尤其是低营养环境的类群[9-10].

浮游植物是水生生态系统的主要组成部分，是水生食物链的基础，它与水体的无机环境直接相连，能够迅速对外界环境变化做出反应.浮游植物优势功能类群类型反映了水体的水质状况，与营养状态评价趋势一致，表明二者具有良好的响应关系.

图3 基于不同特征参数的广东省10座供水水库聚类分析图

3.2 基于浮游植物功能类群的生态分区特征

通过对10座水库的浮游植物功能类群组成特征进行聚类统计分析，结合环境指标差异性分析结果可知：10座水库可以分为4个生态类型区，各生态类型区优势功能类群差异较大，营养盐是导致这种差异的主要原因.

第一生态类型区(南水和新丰江水库)位于北江和东江的上游地区，该水域以适应低营养环境的类群为主要优势功能类群，辅以广谱型功能类群.生物量在4个生态区中相对最低.该水域营养盐浓度相对较低，为贫-中营养水域，不适宜藻类的大量繁殖，同时也限制了大多数浮游植物种类的生长.

第二生态类型区(飞来峡、白盆珠和枫树坝水库)位于北江中游地区和东江中游地区，以适应中营养环境和广谱型功能类群为优势，生物量略高于第一生态类型区.该区域营养盐浓度相较于第一生态类型区有所增加，为中营养水域，区域内浮游植物个体生物量增加，一些适应中营养环境的功能类群迅速生长并形成优势.

位于粤东沿海和粤西沿海的第三生态类型区和第四生态类型区的营养水平较前两区高，比较适合广谱型、中营养甚至高营养型功能类群的生长繁殖.其中，第三生态类型区(高州和公平水库)表现出中富营养水体特征，浮游植物种类较多，个体生物量大幅增加，以适应富营养环境的功能类群为主，以营养广普型类群为辅；第四生态类型区(大水桥、鹤地和汤溪水库)营养盐浓度与生物量明显高于第三生态类型区，表现出富营养水体特征，适应富营养环境的功能类群占绝对优势，而浮游植物种类则较第三生态类型区有所减少.

结果表明10座水库所属的4个生态类型区的水质、浮游植物功能类群结构存在差异，从多元统计分析的角度验证了调查水库按照4个生态类型区进行分析的可行性.

3.3 基于浮游植物功能类群的生态分区优势

浮游植物功能类群是具有相似适应特征的浮游植物的集合，由于强调的是集群的概念，避免了由于某个或者少数几个偶见种在分析群落特征时造成的干扰[11].本文基于功能类群对广东省10座供水水库进行生态类型区分研究，分区结果能够将位于不同流域、具有相同或相似营养类型的优势功能类群的水库聚集起来，说明该分区方法能够突破传统意义上的行政区划和地理区划，从生态学的角度有效描述水生态系统的生态特征差异；同时，该方法的分区结果与水库的营养状态及水质有显著的响应关系.

综合分析各生态区所表现出来的生态特征，第四生态类型区水库水生态系统已经受损，富营养生物大量繁殖，生物多样性向单一化发展.因此，此区需要切断外源营养物来源，减少内源性营养物负荷，同时实施一定的生态修复技术以保障与促进区域生态环境改善和生态系统恢复；第三生态类型区水库水生态系统已受到一定程度氮、磷污染，应通过加强监管、严控污染物排放等措施对该生态区进行密切关注，预防与修复相结合.对于第一生态类型区和第二生态类型区则应坚持预防为主的管理原则.

致谢：本研究在文章修改过程中得到戴玉女、唐小燕、王铭、李丽、麦晓蓓、姚达章等的协作与帮助，在此向他们表示衷心的感谢!

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