海子水库浮游植物群落结构特征与水质关系研究

陈晓江　杨劼　杜桂森　刘波

摘要：本研究旨在分析作为旅游景点的海子水库的浮游植物群落组成、多样性与水质关系。分别于2009年和2010年的5月、8月、10月进行了野外生态调查。通过实验室内镜检的方法，共鉴定出藻类6门74种。绿藻门藻类有20属45种，占鉴定出的藻类总种类数的60.81%，其次是蓝藻门有9属11种，占14.86%。海子水库北湖采样点与南湖采样点相比具有更高的丰富度、丰度和生物量，特别是在夏季期间观察到的更明显。链丝藻（Hormidium flaccidum）、优美裂面藻（Merismopedia elegans）、点形裂面藻（Merismopedia punctata）、纯顶螺旋藻（Spirulina platensis）、中华尖头藻（Merismopedia sinica）、二角盘星藻（Pediastrum duplex）、尖针杆藻（Synedra acus.）、颗粒直链藻极狭变种（Melosira granulata var. angustissima）、盾形多甲藻（Peridinium umbonatum）数量上占优势。根据藻类密度值与营养状态指数值，海子水库水体夏季为富营养化水体。相关分析表明浮游植物生物量受限于电导率（P<0.05）。在水生态系统中的浮游植物多样性有突出的生态作用，因此，采取保护水库区域水生生物群落动态平衡及减少污染的环境方案，可以尽量减少截断水循环的大坝给水生态系统带来的负面影响。

关键词：海子水库；浮游植物；群落结构；环境保护；富营养化

中图分类号：X826 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）22-5579-05

Abstract： This study aimed to analyze the community structure， diversity and ecological attributes of the phytoplankton in the Haizi reservoir. Fieldwork was carried out in May， August and October of 2009 and 2010. A total of 74 species belonging to 6 phyla were identified through laboratory microscopical examination method. Chlorophyta was the most group （45 species of 20 genera， 60.81% of the total identified phytoplankton）， and Cyanophyta was the second （11 species of 9 genera， 14.86% of the total identified phytoplankton）. Higher richness， abundance and biomass were observed in the Beihu of dam of Haizi reservoir when compared with the Nanhu of Haizi reservoir sampling point， especially during summer period. Hormidium flaccidum， Merismopedia elegans， Merismopedia punctata， Spirulina platensis and Merismopedia sinica， Pediastrum duplex， Synedra acus， Melosira granulata var. angustissima， Peridinium umbonatum dominated numerically. According to the density of algae and trophic level index（EI）， Haizi reservoir is eutrophic water. The correlation analysis showed that the biomass of phytoplankton is limited by electrical conductivity（P<0.05）. In aquatic ecosystem， the phytoplankton diversity has prominent ecological role. Therefore， community dynamic balance and reduction of pollution environmental protection in reservoir area could minimize the negative impact of dam in water ecosystem.

Key words： Haizi reservoir； phytoplankton； community structure； environmental protection； eutrophication

湿地是地球上最重要的自然资源和生态系统，对人类社会可持续发展具有不可替代的综合功能[1]。水库是重要的人工湿地，是为了调节水资源的时空分布而人为建造的湖泊，它和自然形成的湖泊一样具有湖泊效应，对水库周边的区域气候环境及区域生态环境产生影响，并且改变该区域环境生态状况[2]。所以有必要对水库水环境进行生态监测，而在一般意义上的水质监测是水质化学指标监测及微生物学方面的监测，浮游植物作为淡水生态系统中的初级生产者，群落组成的变化会影响整个水生态系统中食物网结构，同时淡水生态系统的物质循环、能量流动和信息传递也会发生相应的变化[3，4]。浮游植物大部分是单细胞生物，对环境条件的变化非常敏感，其组成群落結构的变化是对水质变化的一个很好的指示[5]，所以在水环境监测中有着重要的作用。

位于北京市平谷区的海子水库主要用作旅游和渔业养殖，多年来上游来水量减少，库区生态补水量严重不足，水质日益下降。鉴于海子水库生态调查资料的稀少，项目组对水库进行了系统的生态调查，通过对浮游植物群落结构特征进行分析研究，并结合常规调查的水质物理化学指标，应用湖泊（水库）营养状态评价标准及分级方法[6]，对水库现状进行综合分析和生态评价，以期为海子水库管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

海子水库（40°10′N，117°18′E，图1）位于北京市平谷区东部海子村，三面环山，只有南面开阔，水域面积6.5 km2，总库容量达1.2亿m3，水库始建于上世纪50年代，大坝位于海子村东侧，水库的西面，大坝上面建有仿古长廊，库区形似海马，在半山亭处分成北湖和南湖2個库区[7]。水库位于中国暖温带大陆性季风气候区。

1.2 采样与监测参数设置

根据水库生境特征以及《陆地生态系统水环境观测规范》，在海子水库的北湖与南湖设置2个采样点（图1），采样时间根据北方气候特点，分别在2009年和2010年的5月（春季）、8月（夏季）、10月（秋季）进行了共6次采样。

监测参数选择水深、T（水温）、SD（透明度）、浮游藻类、pH、ρ（电导率）、DO（溶解氧）、CODCr（化学需氧量）、BOD5（生化需氧量）、TN（总氮）、TP（总磷）、NH4-N（氨氮）、CODMn（高锰酸盐指数）、chl-a（叶绿素a）和水体感官性状等15项指标[8，9]。2009年至2010年，每季一次现场生态调查并同步进行水样采集，在实验室分别进行定性、定量测定。

1.3 样品采集方法、保存和鉴定

采用25#浮游生物网在水体表面采集定性分析水样，加入贴有标签的50 mL样品瓶中，滴入甲醛液固定，用作定性鉴定。用5 L采水器于水面下0.5 m处采集定量分析水样1 L，加入贴有标签的1.2 L样品瓶中，滴入15 mL鲁哥试剂固定，在平整的实验台上静置30 h后，除掉上清液，浓缩至30 mL加入到有标签的50 mL样品瓶中，用作浮游植物的定量鉴定。定量鉴定时，显微镜计数时充分摇匀样品水样，用移液枪从样品瓶中吸取0.1 mL水样滴入计数框内，采用视野法计数浮游植物各种（属）的细胞数和个体数，发现定性鉴定中没有的藻种，加记到定性统计表中。

1.4 数据处理与分析

1.4.1 多样性分析

（1）多样性指数

（2）丰富度指数

Margalef指数[11]：d=（S-1）/log2N

（3）均匀度指数

Pielou指数[12]：J=H/lnS

式中，S为总种数，N为所有种个体总数，Pi第i种个体数量在总个体数量中的比例。H值0～1为重污染，1～3为中污染（其中1～2为α-中污，2～3为β-中污），>3为轻污染或无污染[13，14]。

1.4.2 统计分析 运用Excel 2010和SPSS 17.0软件对测定数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 浮游植物群落结构特征与密度动态

在海子水库两个样点6次采样中，鉴定的浮游植物共6门39属74种，包括绿藻20属45种，蓝藻9属11种，硅藻5属8种，裸藻2属7种，甲藻2属2种和隐藻1属1种。如图2所示，绿藻种类数占所有藻类组成的60.81%，其次是蓝藻（14.86%）。蓝藻种类数少于绿藻种类，但是密度年均值是最高的（2009年占65.64%，2010年占57.36%）。2009年与2010年的水库浮游植物群落构成都是以绿藻和蓝藻为优势，海子水库生态类型为绿藻—蓝藻型水库。

2.2 浮游植物群落结构时空分布特征

2.2.1 浮游植物优势种组成时空分布 库区蓝藻种类数在夏季最多，最高值是11种，其中有优美裂面藻（Merismopedia elegans A. Braun）、点形裂面藻（Merismopedia punctata Meyen）、纯顶螺旋藻（Spirulina platensis）、中华尖头藻（Merismopedia sinica）、铜绿微囊藻（Microcystis aeruginosa Kutz.）、沼泽颤藻（Oscillatoria limnetical Lemm.）、针状蓝纤维藻（Dactylococcopsis acicularis）为优势种，春季种类较少（1-2种）；绿藻种类数夏、秋季节较多，峰值出现在2010秋季北湖采样点，达25种，春季种类较少（7-18种），且浮游植物群落结构2009与2010年差异性较显著，2010年的物种数高于2009年。藻类组成在空间分布上也有显著的差异性，北湖样区藻类种类组成在2010年数量上高于南湖样区，2009年藻类种类组成数量却低于南湖样区，水库中浮游植物呈现空间分布的差异性，因为北湖库区水面宽阔、库岸线短，而南湖库区狭长，支流多且库岸线长，受地表径流带来的外源性营养面广[15]。藻类这种显著的时空动态变化，原因是浮游植物多为单细胞生物，对环境与气候的变化有着特殊的敏感性，在短时间内受影响较显著。

2.2.2 浮游植物密度时空分布特征 分析海子水库浮游植物密度数据，最大值为17 343.3×104 cells/L（2010年夏），最小值为670.68×104 cells/L（2010年春）（表2）。藻类总密度蓝藻贡献最大的是2009年夏季的北湖样区，蓝藻密度占92.57%（表2）。根据况琪军等[16]提出的利用浮游植物细胞密度评价水质的划分标准，海子水库春季和秋季水质较好，为贫-中营养水体～中营养水体，夏季为中营养型水体～极富营养型水体，水质差。海子水库水质2009年为中营养型，2010年为中-富营养型。

海子水库浮游植物群落总体密度季节差异显著，藻类总密度中夏季蓝藻门占较高比例，远大于硅藻和绿藻，这与蓝藻生理特性有关，蓝藻的DNA与光合作用系统的热稳定性等形成了高温适应机制[17]，蓝藻最适生长温度为25～35 ℃[18]高于其他藻类，同时对高温的耐受能力强于其他藻类。2009 年和2010年夏季采样期间，海子水库水温在28 ℃左右，适合蓝藻生长。同时海子水库是旅游景点，在春季和秋季游客少，而夏季游客较多，对水体的干扰较大。在适宜的温度，充足的营养盐条件下，蓝藻大量繁殖，使水库藻类密度升高。蓝藻细胞密度越高，水体富营养化程度也越高[19]。

2.3 水环境因子对浮游植物群落结构的影响

对浮游植物与水质理化指标进行相关性分析。海子水库浮游植物密度（p）、叶绿素a（chl-a）及种类组成（S）与环境因子之间的关系（表3），浮游植物组成与电导率（ρ）呈负相关性，相关性显著（P<0.05），而与其他调查所测环境因子有一定相关性，但相关系数值不大。其中与叶绿素a（chl-a）呈正相关性，虽然相关性不显著，而相关系数还是比较高的（R=0.683），属中度相关[20]，说明生物多样性对生物量有一定的正向作用。叶绿素a与浮游植物密度正相关性极显著（P<0.01），藻类对水体中的生物量贡献率达99%，说明海子水库主要生产者是藻类。叶绿素a和藻类密度与其他环境因子都是有一定相关性，但相关系数都不大，相关程度较低，其中与高锰酸盐指数（R=0.660，0.664）、水温（R=0.485，0.601）、氨氮（R=-0.489，-0.506）、总氮（R=-0.569，-0.650）显示为中度相关，与总氮显示为中度负相关，分析原因，海子水库氮、磷含量较高，均达到富营养水体标准（TP>0.05 mg/L，TN>0.5 mg/L）[21]，但是氮磷比例却不在藻类生长最适范围之内，藻类生长的氮磷比值最适范围是10～17[22，23]，海子水库2009年氮磷比为22.0，2010年的氮磷比为9.7。海子水库水体中的氮磷不是藻类生长的限制因子。

2.4 水库水体营养级

根据中国水利部发行的《地表水资源质量评价技术规程》（SL395—2007）描述的湖库营养状态评价标准及分级方法，对海子水库水体进行了评价（表4），海子水库水体在2009年为中营养型水体，2010年为富营养型水体。

2.5 浮游植物的多样性

2.5.1 多样性指数的时空动态及其相关性分析 2009年北湖，Shannon-Wiener指数（H）、Margalef指数（d）、Pielou指数（J）秋季都达到最大，分别为2.92、2.13和1.08；在春季值最小，依次为1.02、0.93、0.49；2009年南湖的H秋季最大为3.27，春季最小为1.17，d和J在夏秋季节数值相等，分别为1.61、1.07，都高于春季的1.27、0.49；在2010年，北湖和南湖的H、d、J值都是夏季最大，北湖样区数值依次为3.38、2.59、1.17，南湖是3.64、2.79、1.24；秋季最小，北湖为2.79、2.30、1.06，南湖为2.55、1.98、1.03。

进行各个指数间相关分析（表5），H、d和J的相关性极显著（P<0.01），说明海子水库物种多样性指数的变化，与群落均匀度的变化和物种丰富度的变化都有相关性。

2.5.2 多样性指数的空间特征分析 对北湖和南湖多样性指数年均值进行比较分析，北湖和南湖没有显著差异性（图3），所以得出结论研究区域浮游植物空间差异性不显著，文献中研究其他的水库也有这种类似的结论[24，25]。

2.5.3 生物多样性指数评价 浮游植物的多样性指数是判断湖泊水库营养状况最常用的检测指标[16]。按照H值的大小划分水体污染程度[26]，北湖和南湖在2009年春季为α-中污（H：1.02，1.17）；北湖2009年的夏季（2.69）、秋季（2.92）和2010年的秋季（2.79）为β-中污，南湖在2009年夏季（2.89）和2010年秋季（2.55）为β-中污；北湖2010年春季（3.13）夏季（3.38）为轻污染，南湖2009年秋季（3.24）、2010年春季（3.24）和夏季（3.64）为轻污染。

根据指示性浮游植物群落评价标准[27]，海子水库整体上为β-中污染水体。综合分析结果，海子水库为β-中污染或轻度富营养化水平。

3 小结

1）海子水库浮游植物群落的优势种群为绿藻和蓝藻，而蓝藻对藻类总密度贡献率是最大的，绿藻种类数在各门类中最多。浮游植物群落结构有显著的季節性特征，海子水库作为旅游景观，受人类活动干扰影响显著，2009年和2010年的北湖和南湖两个样区，都是夏季（旅游旺季）浮游植物密度达到最大，水体为极富营养化水体。

2）环境与浮游植物相关分析表明，不同季节各类环境因子对浮游植物群落的影响有所不同。电导率是影响海子水库浮游植物群落分布的主要驱动因子。

3）Shannon-Wiener指数、Margalef指数、Pielou指数季节变化趋势均一致。应用多样性指数来评价水体，整体属于β-中污染带到寡污染带之间，2009年春季为α-中污。根据细胞密度评价，夏季水库水质为极富营养水平，春、秋季节水质较好。

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（责任编辑 彭西甜）