吉林省兴隆水库浮游植物群落结构特征及其与环境因子的关系

金香琴，胡国宏

(吉林省水产科学研究院，吉林 长春 130033)

浮游植物是水生生态系统中物质代谢和能量循环的初级生产者，具有体积小、代谢快、数量多、分布广、对环境敏感等特点.浮游植物是浮游动物和一些鱼虾类的天然摄食来源，是食物链中的重要环节[1]，其群落结构对稳定水生态系统平衡具有重要作用.浮游植物的生长受环境因子的影响较大，与水温、溶解氧、pH、电导率、氮磷营养盐、硅酸盐具有明显的相关关系，特别是氮磷营养盐[2-7].有研究表明，在有机物充足的条件下，氮磷营养盐的结构(N/P)直接影响浮游植物生长的限制因子[8].水体中的氮、磷含量直接决定浮游植物的增值速率，反映水体富营养化进程.也有研究发现，比起总氮、总磷含量大小，氮磷营养盐的不同存在形态对水华藻类的生长起着关键作用[9].由于水生态系统的差异性和复杂性，环境因子对浮游植物生长的影响还存在较大的争议，因此有必要对不同地区湖泊类型环境因子进行深入的研究.

兴隆水库位于吉林省通榆县城西北45 km处，是坐落在松花江流域霍林河北股河道上的一个平原中型水库，是吉林西部盐碱地区比较典型的湖泊类型.兴隆水库校核洪水位162.35 m，正常需水量为3 100万m3，以防洪、生态养殖为主.兴隆水库是吉林省河湖连通工程中连接向海自然保护区和霍林河的重要节点.自工程实施以来，原本干涸的兴隆水库得以补水，水库湿地面积逐渐增加，生物多样性也逐渐提高，生态环境逐渐恢复.目前对兴隆水库水质状况以及浮游植物多样性方面的研究基本空白，对渔业综合利用方面不能提供有效数据.为此，笔者于2016年春、夏、秋季对兴隆水库的浮游植物种类组成、优势种、现存量以及生物多样性进行了详细调查，同时进行了水环境因子的检测，探究了浮游植物与环境因子的关系，以为水环境保护和河湖连通工程生态修复效果提供有效的基础资料.

1 材料与方法

1.1 采样点设置

图1 兴隆水库采样点分布

2016年5月(春季)、7月(夏季)和9月(秋季)，分别对兴隆水库进行了3次采样，根据库区状况设置了5个采样点，分别记为1#—5#，见图1.

1.2 样品的采集与处理

用多参数水质分析仪(SEBA MPS16，德国)现场原位测定水温(Tem)、pH、电导率(Cond)、总溶解固体(TDS)、溶解氧(DO)、氧化还原电位(ORP)、浊度(Turb)、总悬浮物(TSS).透明度(SD)用塞氏盘现场测定.5日生化需氧量(BOD5)、总氮(TN)、总磷(TP)、高锰酸盐指数(CODMn)、铵氮(NH4-N)、亚硝酸盐氮(NO2-N)的测定参考《水和废水监测分析方法》(第四版)[10].

浮游植物分为定性样品和定量样品的采集.定性样品采用网捞法，即用25号浮游生物网在水下0.5～1.0 m处呈“∞”字形拖曳3～5 min，捞取的样品加甲醛溶液固定.定量样品利用采水器采取1 L水样，用15 mL鲁格氏液固定后沉淀48 h浓缩至30 mL，利用目视法鉴定并计数.样品鉴定参考相关文献[11-13]进行.

1.3 优势度及多样性指数的计算

(1) 优势度(Y).计算公式为

Y=Pi×fi.

式中：Pi为第i种浮游植物的个体数占总个体数的比例；fi为第i种浮游植物出现的频率.当Y≥ 0.02时为优势种.

(2) 多样性指数.选择Shannon-Wiener多样性指数(H′)、Simpson丰富度指数(D)、均匀度指数(J)三种，计算公式为

式中：S为浮游植物的种类数；Pi为第i种浮游植物的个体数占总个体数的比例.

1.4 数据统计

运用Microsoft Excel 2007软件进行数据统计分析，并用SPSS 22.0软件进行单因素方差分析(One-way ANOVA)和Pearson相关性分析.

2 结果与分析

2.1 水质理化指标

兴隆水库水质调查结果见表1.由表1可见，兴隆水库水温具有明显的季节性变化，7月份平均水温达到26.46℃；电导率在不同月份依次发生变化，9月>7月>5月，变化范围不大，但电导率整体偏高；总溶解固体(TDS)质量浓度变化范围为0.376～0.431 mg/L，9月>7月>5月，与电导率变化趋势相同；氧化还原电位(OPR)变化范围为176.2～303.0 mV；整个水域pH值较高，偏碱性，平均值为9.65，5月份显著高于9月份；整个水域透明度较高，均超过50 cm；溶解氧变化在5.131～8.898 mg/L.兴隆水库BOD5变化范围为1.19～3.06 mg/L，9月>7月>5月.CODMn变化范围为27.24～44.44 mg/L，5月份平均为30.73 mg/L，7月份平均为40.80 mg/L，9月份为40.68 mg/L，7月和9月明显高于5月份.5—9月总氮质量浓度变化范围为0.887～2.230 mg/L，7月份总氮质量浓度要高于5月和9月，7月份平均为2.05 mg/L，9月份平均为1.606 mg/L，5月份平均为0.987 mg/L.5—9月氨氮质量浓度的变化范围为0.348～0.77 mg/L，9月>7月>5月，9月份氨氮平均质量浓度为0.676 mg/L，7月份为0.528 mg/L，5月份为0.446 mg/L，各采样点之间无明显差异.兴隆水库5—9月亚硝酸盐氮质量浓度变化范围为0.027～0.089 mg/L，9月>7月>5月，9月份亚硝酸盐氮平均质量浓度为0.082 mg/L，7月份平均为0.062 mg/L，5月份平均为0.035 mg/L，各采样点之间无明显差异.5—9月总磷质量浓度变化范围为0.084～0.168 mg/L，7月>9月>5月，7月份总磷平均质量浓度为0.148 mg/L，9月份平均为0.135 mg/L，5月份平均为0.116 mg/L，7月和9月份明显高于5月份.

2.2 浮游植物群落结构

2.2.1 浮游植物种类组成及优势种

调查期间共采集到浮游植物171种，隶属于6门86属，其中：硅藻门22属42种，甲藻门4属6种，裸藻门6属18种，绿藻门41属83种，隐藻门1属2种.研究调查得出的优势种共8种，绿藻门3种，蓝藻门5种.优势种在不同季节表现出不同的优势度：5月份优势种主要为绿藻门，而7月份优势种全部都是蓝藻门，9月份绿藻门和蓝藻门各占一半(见图2、表2).

图2 兴隆水库浮游植物种类组成

门 类种 类5月7月9月绿藻门小空星藻Coelastrum microporum0.020狭形纤维藻Ankistrodesmus angustus0.0230.059小球藻Chlorella vulgaris0.0280.556蓝藻门狭小颤藻Oscillatoria angustissima0.0250.336简单颤藻Oscillatoria simplicissima0.025点型平裂藻Merismopedia punctata0.057微小平裂藻Merismopedia tenuissima0.048柔细束丝藻Aphanizomenon gracile0.1330.150

2.2.2 浮游植物密度及生物量

兴隆水库各采样点5月份浮游植物细胞密度为6.28×106～13.82×106个/L，平均值为9.83×106个/L；7月份浮游植物细胞密度为35.68×106～152.93×106个/L，平均值为78.73×106个/L；9月份浮游植物细胞密度为84.89×106～153.98×106个/L，平均值为119.51×106个/L.不同月份各浮游植物类群对细胞密度的贡献率不同(见图3)，5月份绿藻门密度占总密度的85.29%，蓝藻门占8.20%；7月份蓝藻门占74.07%，绿藻门占22.58%；9月份蓝藻门占67.46%，绿藻门占29.88%.不同月份浮游植物密度存在差异，单因素方差分析表明，5月份与7月份差异显著(P<0.05)，5月份与9月份差异为极显著(P<0.01).

兴隆水库各采样点5月份浮游植物生物量为1.208～3.520 mg/L，平均值为2.495 mg/L；7月份浮游植物生物量为5.281～25.894 mg/L，平均值为10.002 mg/L；9月份浮游植物生物量为5.925～13.432 mg/L，平均值为8.659 mg/L.不同月份各浮游植物类群对生物量的贡献率不同(见图3)，5月份绿藻门生物量占总生物量的61.81%，硅藻门占35.43%；7月份裸藻门占54.07%，绿藻门占15.70%，蓝藻门占13.34%；9月份绿藻门生物量占总生物量的33.79%，裸藻门占27.51%，蓝藻门占25.80%.不同月份浮游植物生物量之间不存在显著性差异.

图3 浮游植物各类群的贡献率

2.2.3 多样性指数

兴隆水库浮游植物物种多样性指数结果见表3.Simpson物种丰富度指数依次为5月(0.912)>7月(0.836)>9月(0.576)；Shannon-Wiener多样性指数依次为7月(3.834)>5月(3.794)>9月(3.536)；Pielou均匀度指数依次为5月(0.746)>9月(0.675)>9月(0.654).

表3 浮游植物物种多样性指数

2.3 兴隆水库浮游植物种群与环境因子之间的关系

对不同月份各项环境因子均值及其与浮游植物细胞密度的关系进行相关性分析，结果见表4.结果显示，浮游植物密度与TDS、BOD5、CODMn、铵态氮、亚硝酸盐氮、总氮含量呈正相关，与DO含量呈负相关.各环境因子中铵态氮与TDS、BOD5、CODMn含量呈正相关，而与DO含量呈显著负相关；亚硝酸盐氮与TDS、CODMn、铵态氮含量呈显著正相关，与DO含量呈负相关.

表4 兴隆水库各样点理化指标与浮游植物细胞密度相关性分析

注：*表示在0.05水平(双侧)上显著相关；**表示在0.01水平(双侧)上显著相关

3 讨论

兴隆水库水体pH值普遍较高，这是由当地土壤的盐碱性质和水体中生物的呼吸作用所致.兴隆水库水体中总氮、总磷质量浓度常年较高，特别是在7月份，根据环境因子进行评价，兴隆水库处于富营养水平.此外，监测到的浮游植物优势种主要为绿藻门的空星藻属(Coelastrum)、小球藻属(Chlorella)，蓝藻门的颤藻属(Oscillatoria)、平列藻属(Merismopidia)、尖头藻属(Raphidiopsis)，这些均属于富营养水体的优势物种，也说明兴隆水库受到一定的污染，富营养化水平正在加剧.根据《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)，兴隆水库调查水域水质处于Ⅱ—Ⅴ类、甚至超Ⅴ类.由此可见，兴隆水库水质恶化的驱动因子是营养盐，这主要是由于大范围的渔业养殖活动，以及兴隆水库水域长年封闭没有流水交换营养盐在水库内积累导致的.

浮游植物群落结构组成与水环境变化息息相关.本次调查表明，兴隆水库浮游植物群落结构具有明显的季节性差异.春季主要以绿藻为优势种，而且绿藻门在细胞密度和生物量贡献率上占主要部分，这可能是由于春季浮游动物生长缓慢，对藻类的捕食压力较小，利于个体小、能够迅速吸收营养盐并进行繁殖的种类生长.夏季主要以蓝藻门为优势种，蓝藻门在总细胞密度中占较大比例，这是由于夏季水温升高、光照增强，促进了藻类生长引起的.有研究表明，优势种的大量生长会导致种群间竞争作用降低，群落结构不稳定，增加水体发生水华的风险[12].

对兴隆水库浮游植物密度与环境因子的相关性分析显示，浮游植物密度与铵态氮、亚硝酸盐氮、总氮含量呈显著正相关，这说明浮游植物的生长与氮营养盐浓度关系密切.因此，对兴隆水库富营养化的防治应集中在控制氮营养盐的输入.各环境因子中，铵态氮、亚硝酸盐氮、总氮含量与溶解氧含量呈负相关，这与其他学者的研究结果[3]相同.在有氧条件下，铵态氮经亚硝酸细菌作用转化为亚硝酸，之后经硝酸细菌的作用转化为硝酸盐.亚硝酸细菌和硝酸菌都是好氧菌，适宜在中性和偏碱性的环境中生长[13].而藻类及其他微生物将硝酸盐作为氮源进行利用.这也说明，溶解氧浓度高时，硝化作用增强，铵态氮和亚硝酸含量降低，硝酸盐含量增加，藻类可利用的氮源增加其生长也加快.

4 结论

兴隆水库浮游植物物种组成丰富，生物量较高，而且具有明显的季节性，优势种主要为蓝藻门和绿藻门.浮游植物Shannon-Wiener多样性指数较高，群落结构稳定性较强，而影响浮游植物生长的主要营养盐因子为铵态氮、亚硝酸盐氮、总氮含量.兴隆水库水质处于《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅱ—Ⅴ类甚至超Ⅴ类，造成水质恶化的驱动因子是营养盐.因此，兴隆水库要应对营养盐的增加采取有效措施，以防止水质继续恶化，避免水华的发生.