丹江口库湾浮游植物群落与环境因子关系研究

2019-05-31贾海燕，徐建锋，雷俊山

人民长江 2019年5期

贾海燕，徐建锋，雷俊山

(长江水资源保护科学研究所，湖北武汉 430051)

库湾作为湖库的重要组成部分，在水体与外界的物质、能量和信息交换中发挥着举足轻重的作用。随着自然和人为因素导致的污染物不断积累，库湾水体富营养化程度不断加剧，进而导致湖库水质的持续恶化[1]。浮游植物作为水体富营养化水平的重要指示生物，其群落结构、种类组成等能有效地反映水环境现状及变化[2-3]。目前，应用浮游植物对水环境进行评价的方法主要有：① 根据藻类物种组成对水环境因子的耐受能力指示环境污染[4]；② 利用藻类群落结构参数评价[5]；③ 将群落结构与功能(主要为物种组成、多样性和丰富度等)及耐受指数等参数相结合的生物指数法[6]。由于浮游植物种类众多，特定的库湾水环境条件决定了诱导水华暴发的浮游植物难以明确，现阶段的研究更加关注多种环境因子与浮游植物的耦联作用[7]。

丹江口水库作为南水北调中线工程的水源地，是京津冀豫地区的重要饮用水水源，其水质安全与否决定了工程成败。随着丹江口水库水位的持续抬升，库周生态环境的改变导致部分库湾富营养化的潜在风险增加，进而影响到丹江口库区水质。前期研究更多关注于丹江口库体和部分支流的水质状况[8-10]，对于库湾水质和水生态研究需要进一步加强。本次研究是在前期研究的基础上，通过库湾的采样调查，分析浮游植物群落结构及其与水环境因子的关系，明确其主要影响因子，以期为南水北调中线工程丹江口水库的环境保护与管理提供生物学支撑。

1 研究背景

1.1 研究区域与样点布设

丹江口水库(32°14′N～33°48′N，109°25′E～111°52′E)位于汉江中上游，分布于湖北省丹江口市和河南省淅川县，由汉江库区和丹江库区组成，属北亚热带季风气候，年均气温15.9℃，降雨量为800～1 000 mm，其中5～10月份降雨量占全年降雨量的80%左右，年均蒸发量为800～900 mm左右。自然状态下，5～10月为丰水期，11月至次年4月为枯水期。

水库内库湾众多，根据库湾形状可分为闭合型和开放型库湾。其中，闭合型库湾由于水体交换缓慢，发生富营养化的风险较高。因此，依据典型性、代表性等原则，选取丹江口库区11个闭合型库湾，根据所在位置将它们分别命名为：老城乡库湾(S1)、盛湾乡库湾(S2)、马蹬库湾(S3)、仓房库湾(S4)、九重镇库湾(S5)、安阳龙门库湾(S6)、习家店库湾(S7)、泗河库湾(S8)、浪河库湾(S9)、凉水河库湾(S10)、柳陂镇库湾(S11)等(如图1所示)。

图1 丹江口库区位置及库湾采样点(2017年)Fig.1 Locations and sampling sites of Danjiangkou Reservoir bays

1.2 样品采集与实验分析

浮游植物采样时间为2017年4月(春季)、2017年7月(夏季)，2017年10月(秋季)和2018年1月(冬季)。

参照《水环境监测规范》(SL219-2013)进行浮游植物定性分析。依据联合国教科文组织推荐的《浮游植物手册》[11]和《中国淡水藻类：系统、分类及生态》[12]进行浮游植物种类鉴定。浮游植物计数方法为目镜视野法，用0.1 mL浮游植物计数框在10×40倍的光学显微镜下进行。计数时充分摇匀浓缩液后，立即取0.1 mL样品放入计数框中全片计数，细胞数在300以上，每个样品至少计数2片，取其平均值作为最终结果。根据浓缩倍数换算为每升水样中的细胞数(cells/L)，该细胞数即为浮游植物的丰度[13]。

2 研究方法

浮游植物群落多样性指数采用Shannon-Wiener多样性指数(H′)、Margalef丰富度指数(Dm)和Pielou 均匀度指数(J)描述，并通过优势度确定样本的优势种群(Y)。

(1)

(2)

(3)

Y=(Ni/N)×fi

(4)

式中，Ni为第i个种群的个数，N为同一样品中所有种群的总个数，fi为第i种群的出现频率，S为样品中浮游植物种群类别总数。Y≥0.02为优势种群[15]。

水体富营养化程度采用综合营养状态指数法[16]，计算公式如下：

(5)

式中，TSI(∑)表示综合营养状态指数；TSI(j)表示第j种参数的营养状态指数。Wj为第j种参数的营养状态指数的相关权重，采用叶绿素a(Chla)、总磷(TP)、总氮(TN)、透明度(SD)、高锰酸盐指数(CODMn)作为水体的综合营养状态指数的权重因素。按照下述方法进行加权。

Chla是浮游植物的重要组成部分，是表征其现存量的重要指标之一[17]。以Chla作为基准参数，则第j种参数的归一化相关权重计算公式为：

(6)

式中，rij为第j种参数与基准参数Chla的相关系数；m为评价参数的个数。

利用CANOCO 4.5软件分析浮游植物与环境因子的关系；对各评价指数及其与环境因子的关系进行Pearson相关性分析。为了消除极值影响并使数据满足正态分布，在进行统计分析之前，先对变量进行log(x+1)转换。

3 结果和讨论

3.1 水体理化特征

由于各环境因子单位不统一，对数据标准化处理后进行相关性分析，具体见表2。结果显示，Chla与WT、pH值、DO和BOD5呈显著正相关(p<0.01)，与SiO2呈负相关关系(p<0.05)，而与其它环境因子无显著相关关系(p>0.05)。其他环境因子相互关系中，pH值与DO和BOD5呈显著正相关(p<0.01)；CODMn与BOD5和NH3-N显著正相关(p<0.01)；TN与DO显著负相关(p<0.01)；TP与BOD5和TN显著正相关(p<0.01)； SiO2与WT、pH、CT等显著负相关(p<0.01)。

3.2 浮游植物特征

(1) 种类组成及优势种。在丹江口库湾检测出的浮游植物，包括硅藻门、绿藻门、隐藻门、甲藻门、裸藻门、蓝藻门和金藻门等共7门57属。其中，春季检测出7门29属，绿藻门种类最多，占同期藻类总数的15%～60%，S1库湾种类最多，S9库湾最少；夏季检测出6门42属，未发现裸藻门，各库湾绿藻门种类最多，占同期藻类总数的27%～62%，S2库湾种类最多，S9库湾最少；秋季检测出6门28属，未检测出金藻门，各库湾硅藻门种类最多，占同期藻类总数的29%～60%，S11库湾种类最多，S5库湾最少；冬季检测出6门24属，未检测出金藻门，硅藻门种类最多，占同期藻类总数的25%～67%，S5、S10和S11库湾种类最多，最少的为S1和S2库湾。

浮游植物优势种能够反映水环境的营养状况。丹江口库湾共有优势种9种，包括：绿藻门的弓形藻(Schroederia)、卵囊藻(Oocystis)、栅藻(Scenedesmus)，硅藻门的小环藻(Cyclotella)、曲壳藻(Achnanthes)，蓝藻门的束丝藻(Aphanizomenon)、鱼腥藻(Anabaena)以及隐藻门的隐藻(Cryptophyceae)等，具体见表3。其中，硅藻门的曲壳藻(Achnanthes)，蓝藻门的束丝藻(Aphanizomenon)、鱼腥藻(Anabaena)为春季优势种；绿藻门的卵囊藻(Oocystis)、栅藻(Scenedesmus)、弓形藻(Schroederia)、丝藻(Ulothrix)，隐藻门的隐藻(Cryptophyceae)和蓝藻门的束丝藻(Aphanizomenon)为夏季优势种；硅藻门的小环藻(Cyclotella)，隐藻门的隐藻(Cryptophyceae)和蓝藻门的束丝藻(Aphanizomenon)为秋季优势种；硅藻门的小环藻(Cyclotella)，隐藻门的隐藻(Cryptophyceae)和蓝藻门的束丝藻(Aphanizomenon)为冬季优势种。

丹江口库湾浮游植物群落变化规律为春季的硅藻、蓝藻向夏季的绿藻、蓝藻和隐藻，以及秋、冬季的硅藻、隐藻和蓝藻转变。通常认为，金藻等为贫营养型水体的优势种，甲藻、隐藻和硅藻为中营养型水体的优势种，而绿藻、蓝藻为富营养型水体的优势种[18]。通过调查发现，蓝藻门的束丝藻(Aphanizomenon)和隐藻门的隐藻(Cryptophyceae)为丹江口库湾四季的优势种。可推测出库湾富营养化程度介于中营养型和富营养型水体之间，这与汪朝辉等[9]关于丹江口典型库湾和支流的研究结论相似。

表1 丹江口库湾环境因子年平均值Tab.1 Values of aquatic environmental factors in Danjiangkou Reservoir bays

表2 丹江口库湾环境因子的Pearson相关系数矩阵(n=44)Tab.2 Person correlation coefficient Matrix of environmental index in typical bays of Danjiangkou Reservoir

注：*表示p<0.05(双尾检验)；**表示p<0.01(双尾检验)

表3 丹江口库湾浮游植物优势属及优势度Tab.3 Dominant genera and the abundance of phytoplankton in Danjiangkou Reservoir bays

(2)浮游植物丰度及空间分布。丹江口库湾浮游植物数量时空变化见表4。由表可知，水体浮游植物数量在各库湾和不同季节均存在差异。春季各库湾浮游植物数量在0.46×106～10.44×106cells/L之间，夏季浮游植物数量在0.86×106～18.30×106cells/L之间，秋季浮游植物数量在0.39×106～10.03×106cells/L之间，冬季浮游植物数量在0.49×106～61.10×106cells/L之间。4次检测的浮游植物均值在2.73×106～6.87×106cells/L之间，年平均数量在4.89×106cells/L。4次检测最低数量值出现在秋季的S6库湾，为0.39×106cells/L，最高数量值出现在冬季的S2库湾，为61.10×106cells/L。浮游植物数量的空间变化为0.71×106～23.96×106cells/L。

基于水库坝前、肖川、香花3个主要监测断面的连续报道，从20世纪60年代至90年代水库藻类由硅藻型逐步转变为硅藻-绿藻-甲藻型，藻类密度范围在0.07×106～7.58×106cells/L[19-20]。近10 a水体浮游藻类的群落结构仍以硅藻、绿藻为主，藻类数量在0.23×106～1.76×106cells/L之间[21-22]，低于本研究中库湾浮游藻类数量。总体而言，水库建成运行后藻类组成结构逐渐稳定为硅藻、绿藻为主的群落结构，库湾藻类密度明显高于水库常规水环境监测断面。

表4 丹江口库湾浮游植物时空变化Tab.4 Seasonal and spatial variation of phytoplankton quantity in Danjiangkou Reservoir bays

(3) 浮游植物多样性及富营养化评价。群落物种多样性是群落组织独特的生物学特征，它反映了群落特有的物种组成和个体密度特征，是用来判断湖库富营养状况最常用的指标[23]。丹江口库湾浮游植物多样性指数见图2。Shannon多样性指数(H′)介于0.22～2.22之间，均值分别为夏季(1.81)>春季(1.40)>秋季(1.22)>冬季(0.94)，最高值出现在夏季的S5库湾和春季的S2库湾，最低值出现在冬季的S2库湾，参照水质评价标准[24]，丹江口库湾为重污染至中污染；Margalef丰富度指数(Dm)介于0.32～3.98之间，均值分别为夏季(2.90)>秋季(2.38)>春季(1.93)>冬季(1.54)，最高值为夏季的S5库湾，最低值为冬季的S1库湾，根据浮游植物群落评价标准[25]，丹江口库湾为β-中污带，该结论与谭香等[21]关于丹江口水库的评价结果相似；Pielou 均匀度指数(J)介于0.16～0.95之间，均值分别为夏季(0.63)>春季(0.59)>秋季(0.49)>冬季(0.48)，最高值为冬季的S1库湾，最低值为冬季的S2库湾。

H′和Dm指数值越大，水质越好，即浮游植物种类多样性指数越大，其群落结构越复杂，稳定性越高，水质越好；相反，多样性指数减少，群落结构趋于简单，稳定性变差，水质下降。通过分析发现，丹江口库湾多样性指数夏季达到最大值，冬季最低，可以判断出夏季库湾浮游植物群落结构稳定，水质状况较好，而冬季水质较差。

综合营养状态指数TSI(∑)分级标准是：TSI(∑)<30为贫营养，30≤TSI(∑) ≤50为中营养，TSI(∑)>50为富营养，5070为重度富营养[9]。丹江口库湾综合营养状态指数值处于27～53之间，水质基本为中营养状态，少数库湾为贫营养和轻度富营养化状态。春季和夏季的S4库湾，为贫营养状态；春季的S8库湾，则处于轻度富营养化状态(表5)。

图2 丹江口库湾浮游植物多样性指数Fig.2 Phytoplankton diversity index in Danjiangkou Reservoir bays

时间S1S2S3S4S5S6S7S8S9S10S11春季4044372731464353323336夏季3942382830463640333442秋季464445323044-48393745冬季3844353530353236353340

3.3 环境因子与浮游植物关系

将筛选的环境因子与浮游植物进行RDA分析，分析结果见表6和图3。

表6 浮游植物与环境因子的相关关系Tab.6 Correlation between phytoplankton and environmental factors

第1和第2排序轴分别解释了浮游植物的51.0%和12.4%，所有典范轴累计贡献达76.0%。对浮游植物群落结构影响显著的环境因子，箭头长度从大到小依次为WT、SiO2、CT、CODMn、NH3-N、Chla、pH、BOD5、SD、DO、DP、TP、TN，也相应代表了对浮游植物群落影响的重要程度。温度能通过控制光合作用的酶促反应或呼吸作用的强度直接影响藻类的生长[26]。丹江口库湾温度(WT)与绿藻门呈正相关，表明水温升高，库湾绿藻等生物量增加，在水温较高的夏季生长较为旺盛；而硅藻与水温呈负相关，冬季和春季，丹江口库湾温度较低，耐受低温的硅藻则生长较为活跃。Habib等[27]认为硅酸盐作为重要环境因子对硅藻等浮游植物的影响较大。通过分析发现，丹江口库湾SiO2与硅藻呈正相关，该结论与前期的研究基本一致。电导率(CT)是反映水体富营养化程度的重要水质指标，其大小与水体中氮磷营养盐含量呈正相关[28]。RDA分析结果表明，绿藻和蓝藻与电导率呈显著正相关关系，来自库湾周边地区的氮、磷等营养盐随地表径流进入库湾，可能是其电导率升高的重要原因。

氮、磷作为构成水体初级生产力的主要生源要素，直接影响了浮游植物的生产力水平，是水体富营养化的关键限制因子[29]。对比不同时期水体中TN和TP浓度可以发现，2017年丹江口库湾TN平均浓度为1.47 mg/L，TP平均浓度为0.014 mg/L(见表1)，与李运贤等[20]2004年对丹江口库区营养盐调查的数据(TN浓度为0.614～0.835 mg/L，TP浓度为0.005 mg/L)相比，TN和TP浓度增高明显。依据Redfield定律，丹江口库湾TN/TP值范围在124～299之间(见表1)，磷可被考虑为限制性因素[30-31]。