大宁调蓄水库浮游植物群落特征及其水环境因子分析

北京市南水北调大宁管理处 陈晨，佟玲，马寅男

浮游植物是水生生态系统重要的初级生产者，它们个体微小、种类众多，支撑着水生态系统的物质循环、能量流通及信息传递过程[1-2]。浮游植物的种类组成、数量多少、群落结构特征与水环境密切相关，对水环境的变化极为敏感[3-4]，直接或者间接反映水体富营养化程度[5-6]，且能表征营养物质累积与富集效应，反映水环境长期污染与变化趋势[7]，被广泛应用于淡水生态系统水质定性评价和监测[8-10]。

大宁调蓄水库作为南水北调中线干线入京后的第一个调蓄水库，担负着调蓄北京市南水北调来水的功能，在城市供水保障方面有着非常重要的意义[11]。本研究以南水北调大宁调蓄水库为研究水域，开展浮游植物和水质监测，计算研究区浮游植物的生物量、丰度及生物多样性指数，结合水质监测结果，分析浮游植物群落结构特征与水环境因子间的关系，可为大宁调蓄水库饮用水源保护及水生态系统恢复提供科技支撑，对同类型的水库水源地水质保护和水质改善具有借鉴意义。

一、材料与方法

（一）研究区概况

北京作为我国的政治文化中心、国际交往中心和科技创新中心，地处海河流域，常住人口超过2000万，人均水资源量严重短缺，不足全国人均水平的1/7，北京市更是远低于重度缺水线300m3，水资源严重短缺。2014年12月，丹江口水库开始向北京市供水，南水北调水源进京显著改变了北京市的水资源供应格局[12]，成为北京市水资源配置的主要组成部分[13]。大宁调蓄水库属于平原型水库，坐落于小清河上，是北京首个调蓄南水北调中线干线来水的水库，水库总库容为4611万m3。在非汛期，其最大可调蓄库容达到3753万m3，即使汛期其最大可调蓄库容也能达到1006万m3，水域面积可达220万m2（图1）。该水库对于提升北京市调蓄南水北调来水能力、提高城市供水保障力、促进北京市西南地区经济发展、改善该区域生态环境有着非常重要的意义。

图1 研究区概况示意图

（二）采样点及采样时间

根据调蓄水库的特点，设置4处采样点，分别记为1、2、3、4（图1），采样点1、2、3分上中下三层采样，第4采样点水深较浅，不分层采样。具体采样时间为2017年4月-11月，水质监测数据包括总氮、硝酸盐氮、高锰酸盐指数、总有机碳、氨氮、叶绿素a和总磷。水质采样及监测分析方法参照2002年国家环境保护总局组织编写的第四版增补版的《水和废水分析监测分析方法》进行。

浮游植物采样方法及过程按照《水生生物学》[14]进行。定性样品依据相关文献[15-17]开展鉴定，在10×40倍的光学显微镜中对浮游植物的形态进行观察和鉴定。定量样品鉴定参照《水生生物学》[14]进行浮游植物及其优势种的种类鉴定到种。

（三）数据处理及分析方法

浮游植物种类、个体数量、生物量根据浮游生物的体积计算，具体计算方法参照文献[14，18-19]。浮游植物密度的计算公式参照文献[20]开展。

浮游生物多样性指数分别采用Shannon-Weiner指数(H)、群落的均匀度用Pielou指数(J)、群落丰富度用Margalef指数(M)表示。

式中，Pi=Ni/N，为群落中第i个物种个体数与群落中总个体数的比。

Ni是第i个物种的个体数量。

N是所有种的个体数。

S为样品中的总物种数。

通过BioDiversity Pro 2.0软件包完成多样性指数计算。浮游植物群落特征和水环境因子关系的主成分分析(PCA)采用Canoco for Windows 5.0软件包完成。

二、结果与讨论

（一）浮游植物丰度及生物多样性指数

2017年4-11月监测的95个样品中，浮游植物中的硅藻门、蓝藻门、绿藻门、黄藻门、裸藻门、甲藻门、隐藻门和金藻门均有检出，其丰度值均值分别为 7101.74、5092.20、420.95、43.01、15.97、4.41、0.44 和2.17cel ls/L，浮游植物丰度值均值为12680.17cel ls/L。浮游植物生物量均值为334.78ug/L，排在前三位的硅藻门、蓝藻门、金藻门生物量均值为184.05、74.24、39.66，最小的黄藻门生物量均值仅为0.40ug/L，最大的硅藻门是最小的黄藻门的460倍。Shannon-Wiener多样性指数均值为1.44，Margalef丰富度指数均值为0.81，Pielou均匀度指数均值0.86。

（二）浮游植物与水环境因子的关系

选取浮游动物生物量数据组成矩阵，进行DCA分析，最大梯度长度为1.9（<3），适合PCA分析浮游植物群落组成和水环境因子间的关系，其结果如图2所示。

图2 浮游植物与水环境因子PCA排序图

轴1、轴2、轴3和轴4分别可以解释的51.28%、22.22%、9.93%和5.54%的物种—环境累积变异，前两轴的物种—环境变异累计百分数为73.50%，表明排序能够较好地反映浮游植物与水环境因子之间的关系。由图2可知，水环境因子中的总氮、硝酸盐氮、氨氮、总有机碳及总磷是影响蓝藻、硅藻、甲藻、隐藻、裸藻、绿藻及金藻门的主要水环境因子，即总氮、硝酸盐氮、氨氮、总有机碳和总磷的浓度越高，浮游植物生物量越大。叶绿素a对绿藻、裸藻、隐藻、硅藻和金藻门的生物量产生负影响，即叶绿素a浓度越高，硅藻、隐藻、绿藻、金藻及裸藻门的生物量就越小。高锰酸盐指数浓度越高，金藻门生物量越大，但高锰酸盐指数对裸藻、隐藻、绿藻、硅藻、蓝藻、甲藻和黄藻门产生负影响。

依据浮游植物群落组成，可以评价水体富营养程度。通常，饮用水源区中的浮游植物丰度值三级限值分别为：安全限值为1.0×104cel ls/L，警戒限值为2.1×105cel ls/L，危险限 值 为 1.2×106cel ls/L[21]。调蓄水库浮游植物丰度均值为12680.17cel ls/L，越过了1.0×104cel ls/L的安全限值。物种多样性是认识浮游植物群落结构特征的重要指标，也是反映水体营养状况的重要参数，通过多样性指数值的大小可以了解水体水质。物种多样性指数可以了解一个群落或生境中浮游植物数量大小以及群落的分配状况，可以直接或间接了解水生生态系统的稳定程度以及生境差异。按照多样性指数的评价标准，Pielou均匀度指数均值为0.86，水环境状况为清洁无污染，但Margalef丰富度指数均值为0.81，Shannon-Wiener多样性指数均值为1.44，数值不高，提醒管理人员关注水质变化。

三、结论

（1）浮游植物丰度均值为12680.17cel ls/L，主由以硅藻门、蓝藻门和绿藻门组成。Pielou均匀度指数计算均值为0.86，Shannon-Wiener多样性指数计算均值为1.44，Margalef丰富度指数计算均值为0.81，浮游植物的丰度、Shannon-Wiener多样性指数以及Margalef丰富度指数提示水质呈现一定的富营养化。

（2）总氮、硝酸盐氮、氨氮、总有机碳以及总磷是影响蓝藻、硅藻、甲藻、绿藻、隐藻、裸藻和金藻门的水环境因子，叶绿素a对隐藻、绿藻、裸藻、硅藻及金藻门生物量有负影响。高锰酸盐指数浓度越高，金藻门生物量越大，但高锰酸盐指数对裸藻、硅藻、绿藻、甲藻、隐藻、黄藻和蓝藻门产生负影响，PCA分析结果也说明水体中营养物质的浓度影响水体浮游植物丰度，提醒水行政主管部门密切关注水体富营养化。