北山水库浮游植物群落结构及水体营养状态评价

张乐源，张 振，马勇骥

（1.江苏省水文水资源勘测局南通分局,江苏 南通 226010；2.江苏省水文水资源勘测局镇江分局,江苏 镇江 212001）

浮游植物作为水生态环境中的重要参与者,对水体物质循环和能量转换起着重要的作用[1-2]。浮游植物具有种类繁多、分布较广泛等特点,其群落结构特征与水体质量有着密切的关系,其种类和数量随着环境因子的变化而改变。因此,浮游植物群落结构特征可以作为水体质量的指示指标[3]。许多研究表明,将浮游植物群落结构、数量特征用作水环境评价具有很强的实用性和可操作性[4-6]。水环境因子主要包括水体pH、总氮、总磷、叶绿素等指标,其含量的变化直接影响浮游植物的生存条件,改变水体营养化状态[7]。因此,可以利用浮游植物群落结构和环境因子含量变化进行水体营养化状态的评价。

北山水库位于句容市北部宁镇山脉南侧的句容河源头,距句容城14 km,长江秦淮河水系,汇水区域为山丘区,属丘陵山区水库,总库容4814.6 万m3,属中型水库,是句容市北部丘陵地区工农业生产补水和城镇居民生活供水的重要水源地；根据镇江市水利局发布的《镇江市水功能区水环境质量通报》,自2011 年起,北山水库水质综合评价一直保持在Ⅱ类左右,受人类活动影响,目前水体主要超标项目是总氮和总磷。由于缺乏系统的研究分析,以往的研究只是对单个指标进行简单地测定,对于浮游植物、环境因子和水体营养状态的综合评价相对较少,不能很好地反映北山水库浮游植物群落结构的季节性变化和水体营养状态。因此,本文通过对北山水库长期监测点数据进行分析,揭示2020 年浮游植物群落数量和结构变化情况,以及水体营养状态评价。

1 材料与方法

1.1 采样时间和监测点介绍

2020 年2 月、6 月、9 月和11 月分四次对北山水库进行采样,采样点选择北山水库长期监测点,见图1。

图1 北山水库采样点位置

1.2 浮游植物样品采集与分析

（1）采集浮游植物样品时,使用采样器在水下0.5 m处进行水样的采集,取1000 mL水样置于1000 mL塑料瓶中,并加入1.5%Lugol试剂进行固定,并带回实验室；在实验室静置48 h后,取0.1 mL样品在电子显微镜下进行浮游植物的鉴定和计数[8]。

浮游植物密度计算方法如下：

式中：N表示1000 mL水中浮游植物的密度,个/L；Cs表示计数框的面积,mm2；Fs表示每个视野的面积,mm2；Fn表示技术视野数；V表示样品浓缩后的体积,mL；U表示取样体积,0.1 mL；Pn表示计数所得到的浮游植物数量。

（2）总磷测定：参照《水质 液流分析测定正磷酸盐和总磷含量-第2 部分：连续流动分析法》（ISO 15681-2003）所述方法。

（3）总氮测定：参照《水质 紫外分解后总氮的测定——用流动分析法（CFA与FIA）和光谱检测法》（ISO 29441-2010）所述方法。

（4）透明度测定：参照《透明度的测定 透明度计法、圆盘法》（SL 87-1994）所述方法。

（5）高锰酸盐指数测定（CODMn）：参照《水质高锰酸盐指数的测定 酸性高锰酸钾法》（GB/T 11892-1989）所述方法。

1.3 多样性指数计算

（1）Shannon-wiener指数（H指数）计算公式：

式中：S为藻类种类；Pi为第i种藻类占整个藻类个体数的比例。

（2）Pielou均匀度指数（J指数）计算：

式中：H'为Shannon-wiener指数；S为藻类种类。

1.4 营养状态评价

参照《湖泊（水库）富营养化评价方法及分级技术规定》所述方法,利用叶绿色a、总磷、总氮、透明度、高锰酸盐指数计算得出。

1.5 数据分析

采用SPSS20.0对浮游植物密度、生物量及多样性指数进行统计分析,使用Excel2007 进行作图。

2 结果分析

2.1 浮游植物密度

表1 所示为2020 年不同采样时间水体浮游植物群落的密度变化。由表1可知,全年北山水库总藻密度在193.5×104个/L~348.5×104个/L。其中,2 月份时总藻密度最低,6 月份时密度达到最大值。通过鉴定分析,水山水库水体共检测出6 门36 属54 种浮游植物。其中,硅藻门浮游植物数量最多,其次是绿藻门,而裸藻门和金藻门数量密度最低。

表1 不同采样时间浮游植物的密度

2.2 浮游植物优势度

图2 所示为不同采样时间浮游植物优势度变化情况。由图2 可知,全年硅藻门的优势度最高,2020 年2 月、6 月、9 月和11 月的优势度分别为65.4%、61.8%、45.3%和53.2%；其次是绿藻门,其全年优势度为19.8%~31.8%,其中9 月时其优势度最高；而裸藻门、隐藻门、金藻门和蓝藻门的优势度相对较低。

图2 不同采样时间浮游植物优势度变化

2.3 浮游植物多样性指数

图3 所示为不同采样时间浮游植物群落的多样性指数变化。由图3 可知,从全年数据来看,Shannon指数和Pielou均匀性指数呈现先增加后降低的趋势,其最大值均出现在9 月,分别为4.05 和0.88。

图3 不同采样时间浮游植物多样性指数变化

2.4 水体环境因子含量

表2 所示为不同采样时间水体环境因子变化情况。由表2 可知,水体pH值全年变化不大,介于8.1~8.2；溶解氧含量在2 月份时达到最大,为11.2 mg/L,6 月和9 月时含量最低,达到7.2 mg/L；氨氮含量随着时间的推移,呈现逐渐增加的趋势,11月份时达到最大值,为0.12 mg/L；氟化物含量也呈现逐步增加的趋势。

表2 不同采样时间水体环境因子变化情况

2.5 水体营养化指数

图4 所示为不同采样时间水体营养状态指数变化情况。由图4 可知,2020 年2 月、6 月、9 月和11 月营养指数分别为52.5、49.6、49.4和50.2,根据《湖泊（水库）营养状态评价标准及分级方法》规定,北山水库水体营养化已呈现轻度富营养化趋势。

图4 不同采样时间水体营养状态指数

3 讨论

浮游植物作为水体生态系统的重要参与者,对物质循环和能量交换起着重要的作用,而群落结构的变化受环境因子、季节变化的影响较大[9]。本文2020 年全年北山水库浮游植物中硅藻占绝对优势,即北山水库群落结构呈硅藻型；而硅藻门浮游植物在夏季（6 月）时密度达到最大值,冬季（11 月）时密度最小,呈现出明显的季节性变化,表明温度对浮游植物的数量和结构起到重要的作用[10]。

生物多样性不仅是反映浮游植物群落结构变化的重要参数,也是评价水体营养化程度的依据,是对水生态系统稳定性的反映[11],但生物多样性指数受水质变化影响较大,一般认为生物多样性指数数值越大,表明水质环境越好,受污染的程度则较低[12]。本文浮游植物的Shonnon-wiener指数在2 月和6 月时较低,而9 月和11 月时有明显的升高,表明浮游植物在9 月和11 月时群落结构较为丰富；而Pielou均匀度指数同样是在9 月时达到最大值,进一步表明,浮游植物群落结构在9 月时数量最多,种类最多,且分布相对均匀。

氮磷等营养盐是浮游植物生长的必要营养来源[13]。可以看出,水体氨氮的含量随着时间的推移呈现不断增加的趋势,这有可能是经过夏秋季节的高温,水体中死亡的浮游植物、动物等在微生物作用下进行分解,释放大量的营养元素到水体中,提升了水体的营养盐含量,而营养盐含量的增加,也会对水体浮游植物数量有所提升,但不同类型浮游植物对不同营养盐含量的相应不同,间接导致浮游植物不同群落之间数量上存在明显的差异。而水体营养盐含量的多少对水体营养状态的影响较大,根据《湖泊（水库）营养状态评价标准及分级方法》规定,营养状态指数大于50 时,即被列入富营养化水体,而由监测可以看出,北山水库各阶段营养状态已经接近50,甚至有些时段已经超过50,表明该水库已经存在富营养的风险,应当加强污染源头把控和污染修复处理,避免进一步营养化。

4 结论

通过2020 年全年对北山水库的监测,该水库共有浮游植物6 门36 属54 种,以硅藻和绿藻为主,分别约占总数的56%和26%；群落结构的Shannon-wiener和Pielou指数最大值均出现在9 月,其数值分别为4.05和0.88；水体氨氮含量呈现逐渐增加的趋势；通过水体营养状态指数判断,该水库已接近轻度富营养化状态,应加强源头管控和污染修复,避免进一步营养化的发生。