锦凌水库浮游植物群落结构及多样性调查与分析

赵 冬

（辽宁省锦州水文局，辽宁 锦州 121000）

锦凌水库承担锦州市的供水与防洪任务，兼具改善区域生态环境的作用，也为锦州市区提供一处集度假、观光、休闲于一体的综合生态景观。随着经济的不断发展，农业面源污染、禽畜养殖和生活污染等加剧了锦凌水库水体富营养化程度。有学者认为，蓄水初期水库水质主要受入库河流水质的影响，蓝藻暴发及水体富营养化大多是由总磷超标引起的，而正式供水后往往会暴发硅藻水化[1-2]。

浮游植物的多样性及群落组成结构变化，对水生态功能具有显著影响，这也是指示系统稳定性及健康状况的重要参数；另外，由于各环境因子对不同浮游植物的影响具有一定差异，许多学者深入探究了环境因子与浮游植物群落特征的关系，运用多样性指数评价了湖库水体水质[3-5]。然而，基于浮游植物群落多样性指数及叶绿素a、总磷、总氮等理化指标的水质生物学评价和综合营养状态指数评价都存在指标体系过于单一的局限性。鉴于此，文章通过全面调查2021 年锦凌水库水生态状况系统分析其浮游植物群落结构，综合使用熵权法、营养指数法及水质生物评价法评判锦凌水库健康状态，旨在为该水库水生态管理和修复提供参考[6-8]。

1 调查方法

1.1 布设采样点

锦凌水库控制水域面积3 029km2，总库容8.80 亿m3，净调节水量1.61 亿m3，正常蓄水面积52.71km2，正常蓄水位60m，向锦州市每年供水量达到0.98 亿m3，对小凌河径流也具有一定的调节作用。由于地下水资源丰富，有利于生态环境建设项目的实施。

本研究于2021 年2 月、5 月和8 月对锦凌水库布设的M1～M5 五个采样点实施水生态系统调查，采集水质理化指标、浮游动植物物样品。

1.2 样品处理

依据《水和废水监测分析方法》对悬浮物SS、总氮TN、叶绿素a、总磷TP、氨氮NH3-N、高锰酸盐指数CODMn、透明度SD、溶解氧DO、pH 值和水温T 等10 项常规环境因子进行样品采集分析。

浮游植物的采集流程如下：首先利用采水器在每个采样点分别提取底、中和表层水样，经均匀混合后定容至1L，并加入15mL 鲁哥氏液进行固定。然后将水样浓缩到30mL，将其带回实验室镜检。根据《淡水浮游生物研究方法》中的方法，按照以下步骤计算相关指标：对于生物量，将浓缩水样中的浮游动植物数量进行统计，并根据已知的浓度因子计算出单位体积的生物量；对于丰度，根据固定体积中的浮游动植物数量计算出单位体积中的丰度。

1.3 评价方法

1）水质生物学评价。本研究选用物种优势度（Y）、均匀度指数（J）和多样性指数（H'）进行评价，其计算方法为：

式中：N、S表示物种个体数和物种数；ni、fi表示物种i的个体数及其出现频率，将Y≥0.02 作为优势种的判断标准，按照表1 中的标准划分浮游植物多样性等级。

表1 多样性分级标准

2）综合营养状态指数。根据锦凌水库CODMn、SD、TN、TP、叶绿素a 等水质指标值，对水库水生态健康状况利用综合营养状态指数（TLI）进行分析，计算方法如下：

式中：TLI（j）、ωj为指标j的营养指标及其权重，文章直接引用《中国湖泊环境》中的计算结果确定CODMn、SD、TN、TP、叶绿素a指标权重分别为0.1834、0.1834、0.1790、0.1879、0.2663。通常将营养状态分为重度、中度、轻度富营养和中、贫营养5 级，相应TLI 取值区间为≥70、60～70、50～60、30～50、＜50[9-11]。

3）水生态健康评价。根据锦凌水库特征，选择浮游植物多样性指数、底栖动物生物量、叶绿素a、浮游动植物生物量等水生态指标和SS、TP、NH3-N、TN、CODMn、DO、SD 等物理化学指标构建综合评价体系。锦凌水库的水生态健康状况考虑利用综合指数EHCI 进行评估，其数学表达式为：

式中：ωi、Ii为参评指标i的权重及其归一化值，取值区间均为0～1，详细计算公式见文献[12]。采用等间隔的方式可将EHCI 指数划分成很差、较差、中等、好、很好5 个等级，对应的取值范围为0～20、20～40、40～60、60～80、80～100。

1.4 数据处理

采用Origin9.0、Excel2012、Arc Gis10.2和SPSS20.0等软件，完成数据的统计分析、制图、底图绘制以及相关性分析。考虑到群落中的偶见属、多种属情况，按照设定要求将优势度Y≥0.02的浮游植物作为优势种。在分析前应合理选择单峰或线性模型，一般利用除趋势对应分析来确定。结果表明，排序轴的最大长度梯度超过4宜选取CCA典型对应分析法。

2 结果与分析

2.1 水质指标及综合营养状态指数

2021 年锦凌水库TLI 指数和水体理化因子如表2，结果表明5 月份CODMn和叶绿素a 浓度达到最大，而总氮和透明度最小，季节变化与其它指标的相关性较低。根据DS、TN、TP、叶绿素a和CODMn计算TLI 指数，其平均值为44.7，锦凌水库整体达到中营养状态。具体而言，2 月和8 月的TLI 指数处于30～50 的中营养状态，5 月较高达到轻度营养水平，营养状态相同时指数越大则营养程度越高。从小到大，不同季节TLI 指数排序为春季＞冬季＞夏季。

表2 锦凌水库TLI 指数及水质指标 mg/L

2.2 浮游植物群落结构

2.2.1 物种组成

根据锦凌水库浮游植物调查结果，共发现7 门、48 属，其中绿藻门、硅藻门和蓝藻门数量较多分别为26、10、6 个属类，而裸藻门、隐藻门、甲藻门和金藻门各有2 个或1 个属类，黄藻门在调查中未被发现。不同季节的优势种属如表3 所示，进一步分析表明不同季节浮游植物的优势种类存在差异，在冬季硅藻门和蓝藻门是优势种类，春季硅藻门成为主导门类，而在夏季绿藻门则占据主导地位。

表3 浮游植物优势度及优势种

2.2.2 生物量时空分布与浮游植物丰度

月尺度上，锦凌水库生物量和浮游植物丰度处于0.80～38.12mg/L、（4.5～104）×106cell/L 范围。另外，浮游植物的生物量和丰度在同一时间段内呈现出相似的变化趋势，特别是在5 月份达到了峰值，这可能是由于5 月是春季过渡到夏季的时段，气温上升，光照和养分供应增加，为浮游植物的生长和繁殖提供了有利条件，因此导致了丰度的增加。在2月、5 月、8 月硅藻门所占比率为45.1%、73.2%、和18.0%，蓝藻门所占比例为41.2%、26.0%和23.6%，绿藻门所占比例为12.8%、0.5%、44.2%，表明不同季节的浮游植物群落组成存在明显差异。此外，由于硅藻的暴发致使锦凌水库5 月浮游植物生物量及丰度明显高于其它时段。总体而言，2 月份浮游植物主要为硅藻门-蓝藻门，优势属为直链藻属和伪鱼腥藻属，这与表2 中的优势度保持一致；5 月份以硅藻门为绝对优势，优势属为针杆藻属和曲壳藻属；8 月份以绿藻门为优势种属，该分布特征与表3 保持一致。

浮游植物生物量与丰度空间分布，如图1 所示。

图1 浮游植物生物量与丰度空间分布

由图1 可知，各站点的春季浮游植物生物量与丰度未表现出显著差异（P＞0.05），夏季和冬季则表现出显著差异性（P＜0.05），冬季和夏季时M3、M4 站点的浮游植物生物量与丰度达到最大值。

2.2.3 环境因子与浮游植物群落关系

对浮游植物优势属生物量与环境因子应用Canoco5.0 软件排序分析，结果表明排序轴的前两个特征值为0.9 221 和0.6 318，经调整群落变异对环境因子的响应都大道82.1%。结果显示，锦凌水库浮游植物群落变化主要受TN、DS、DO、CODMn和叶绿素a 等因子的影响。CODMn与叶绿素a 的箭头连线最长，表明这些因子对群落分布影响最大，其次是TN 和SD，NH3-N 的影响最小。不同环境因子对各月浮游植物群落的影响具有明显差异，如2 月以直链藻属和伪鱼腥藻属为优势属，主要受TN 因子的影响；5 月以针杆藻书、席藻属和曲壳藻属为优势属，主要受CODMn和叶绿素a 因子的影响[13-15]。

2.3 水质生物学评价

采用均匀度和多样性指数来反映水库水质情况，结果如图2 所示。结果表明，多样性指数介于2.1～3.2 之间，月均值2.57，在5 月份呈现出最低值，为β-中污型；而8 月达到最高值，为清洁-寡污型。均匀度指数介于0.52～0.77 之间，月均值0.64，总体上为清洁-寡污型。对于不同季节的比较，各采样点并未显示出较大的差异，即水库水质相对稳定，无明显的波动，从小到大排序为春季＜冬季＜夏季，该变化趋势与营养状态指数相反。

图2 浮游植物多样性指数

2.4 水生态健康评价

研究选择5 个站点2 月、5 月、8 月共15 个样本数据的12项指标评价锦凌水库水生态健康状况，各参评指标的熵权及熵值计算结果如表4 所示。然后利用公式（3）计算5 个站点在时间时段内的综合健康指数，如表5 所示。

表4 评价指标熵权及熵值

表5 水生态健康综合指数

结果表明，生态健康指数随季节的变化表现出明显差异，其中2 月达到中等健康等级，EHCI 指数均值为0.4 848，说明该时段锦凌水库水生态系统比较稳定。具体而言，2 月份M3、M2 站点EHCI指数为0.3 648 和0.6 781，以上站点属于较差和好等级。所选时间序列内EHCI 月均值为0.4 078，5月EHCI 指数最小为0.2 681，该时段水生态系统较差。各站点8 月EHCI 指数未表现出明显差异，月均值为0.4 705，生态系统为中等健康等级，说明8月相比于5 月健康状况明显好转并趋于稳定。

3 结 论

1）根据锦凌水库浮游植物调查结果，共发现7 门、48 属，其中绿藻门、硅藻门和蓝藻门数量较多分别为26、10、6 个属类，而裸藻门、隐藻门、甲藻门和金藻门各有2 个或1 个属类。生物量和浮游植物丰度处于0.80～38.12mg/L、(4.5～104)×106cell/L 范围，冬季的优势种属以硅藻门与蓝藻门为主，春季以硅藻门为主，夏季以绿藻门为主，浮游植物群落变化主要受TN、DS、DO、CODMn和叶绿素a等因子的影响。

2）总体上锦凌水库为β～中污～清洁～寡污型及清洁-寡污型水质。TLI 指数显示，2 月和8 月锦凌水库属中营养状态，5 月达到轻度营养程度。

3）采用理化、生物12 项指标和熵权综合指数法评价锦凌水库生态健康状况，结果显示2021 年锦凌水库总体达到中等健康水平，5 月EHCI 指数最小为0.2 681，该时段水生态系统较差。锦凌水库承担锦州市的供水与防洪任务，其生态健康状况直接关系着城市用水安全，为防止水质恶化水库管理部门必须高度重视，通过采取有效保护措施保证水生态系统长期维持健康稳定状态。