山仔水库浮游植物时空分布特征及富营养化分析

林晶+冯美霞+翁笑艳+潘文

摘要：于2012年6月至2015年5月期间，对山仔水库5个点位浮游植物和水质特征进行了研究，共鉴定了浮游植物6个门63属108种。结果表明：山仔水库在种群数量组成上是蓝藻-硅藻类型。浮游植物周年变化规律表现为：冬、春季以硅藻为主，夏、秋季以蓝藻为主，藻类爆发的季节蓝藻通常为优势种。浮游植物空间分布规律，总体上呈现从上游至下游、从进口到出口依次递减的情况。根据浮游植物细胞密度指示法评价水体营养状况，表明山仔库区常年存在富营养化风险。库区各点位间综合营养状态指数等级比较，总体趋势为：皇帝洞>七里>日溪>库心>坝前，监测期间库区大多处于中营养-轻度富营养状态。

关键词：山仔水库；浮游植物特征；富营养化

中图分类号：X524

文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2017）6-0018-05

1 引言

在自然水体中，浮游植物的种类组成和数量变化与环境因子密切相关，一旦富营养水体中条件成熟，藻类就能在短期内大量繁殖，引发水华。众多研究表明，拥有不同物理环境和营养状况的湖泊或水库，其浮游植物的群落结构时空变化相差很大[1～3]。本次研究对象山仔水库位于福建省敖江中上游河段，库容为1.67×108m3，1997年被确定为福州第二饮用水源地，并于2003年开始正式供水。近年来，由于人为活动对库区生态系统的破坏，使得该水库水体富营养化污染特征明显，夏秋季时有蓝藻水华发生，给城市供水质量造成安全隐患。本研究对2012年6月至2015年5月库区浮游植物群落动态及部分理化指标进行了调查，旨在充实水库藻类研究本底资料，掌握山仔库区水体富营养化变化情况，以期为水华预警和防治提供科学的参考。

2 研究方法

2.1 采样点位和频次

在山仔水库布设5个采样点位，分别为坝前（出口）、库心、七里（进口）、日溪（支流进口）、皇帝洞（图1）。2012年6月至2015年5月期间，每月采集1次。

2.2 样品采集和处理

样品采集方法依照《湖泊生态调查观测与分析》[4]进行。

水质监测项目主要有pH值、水温（WT）、溶解氧（DO）、叶绿素a（Chl a）、透明度（SD）、总氮（TN）、氨氮（NH4-N）、硝酸盐氮（NO3-N）、总磷（TP）、可溶性正磷酸盐（PO3-4-P）、高锰酸盐指数（CODMn），分析方法依据《水和废水监测分析方法（第四版）》[5]。

浮游植物定量采集0.5m水深的表层水，取1L水样置于塑料瓶中，现场用鲁哥氏液固定，样品带回实验室后静置沉降48 h，沉淀浓缩后用浮游植物计数框计数。

3 统计分析方法

综合营养状态指数法：本研究采用国家环境保护总局推荐方法，以chl的状态指数TLI（chla）为基准，选取TN、TP、SD、CODMn等4个参数的状态指数，同TLI（chla）一起进行相关加权综合。

相关加权综合营养状态指数的公式为：

TLI（∑）=∑mj=1Wj×TLI（j）（1）

式（1）中，TLI（∑）为综合营养状态指数，Wj为第j种参数的营养状态指数的相关权重，TLI（j）代表第j种参数的营养状态指数。以Chla作为基准参数，则第j种参数的归一化的相关权重计算公式为：Wj=r21j∑mj=1r21j，式中，r21j为第j个参数与chla的相关系数，m为选出的主要参数数目。

综合营养状态指数计算式：

TLI（chla）=10（2.5+ 1.0861nchl）（2）

TLI（TP）=10（9.436+1.6241nTP）（3）

TLI（TN）=10（5.453+1.6941nTN）（4）

TLI（SD）=10（5.118-1.941nSD）（5）

TLI（CODMn）=10（0.109+2.661lnCOD）（6）

结果参照湖泊营养状态分级指标：TLI（∑）<30贫营养；30≤TLI（∑）≤50中营养；TLI（∑）>50富营养；5070重度富营养；在同一营养状态下，指数值越高，其营养程度越重。

本实验所有数据均采用Excel 2003和SPSS 17.0进行录入，图表处理和结果统计分析。

4 结果与分析

4.1 浮游植物种群特征

研究期间，山仔库区各采样点共鉴定出浮游植物6个门63属108种，门类涵盖蓝藻门、硅藻门、裸藻门、隐藻门、绿藻门和甲藻门，各门类在一年四季均有出现。从种类上看（图2），绿藻门远高于其他门类，共鉴定出60种；其次为蓝藻门和硅藻门，分别鉴定出18种和17种，甲藻门、裸藻门和隐藻门种数较少。各年份种类组成略有不同，但总体上看，年际间多样性变化不大，优势种以蓝藻门的铜绿微囊藻、鱼腥藻出现时间最长。

从浮游植物种群数量组成上看，蓝藻门和硅藻门占绝对优势，交替出现，以蓝藻数量占优势时间最长。由图3可知，硅藻门细胞密度占优势的时间较短，仅出现在2013年1月、2月，2014年1月、2月，2014年10月至2015年4月期间，优势种多为颗粒直链藻和颗粒直链藻最窄螺旋變种，然而以上冬春时节浮游植物总数量少（小于1.0×107个/L），一般不发生水华。绿藻门数量比重始终较低，仅在2013年10月超过蓝藻，占藻类数量总组成47%，优势种为鼓藻，但此时浮游植物总数仅为7.58×105个/L。其余时间，特别是在水华高发的夏秋季，蓝藻在数量组成上占压倒性优势。综合看来，山仔水库虽然绿藻门出现的种类数最多，但其在数量上不占优势，因此可以判断山仔水库在浮游植物组成方面是蓝藻-硅藻类型。

从浮游植物细胞密度上看，每年夏季为数量高峰期，冬季数量骤减。根据浮游植物指示法评价水体营养状况，浮游植物细胞密度≤5×105个/L，水体处于极贫营养状态，浮游植物细胞密度≤1.0×106cell/L，水体处于贫营养状态。浮游植物细胞密度1.0×106～9.0×106个/L，水体处于贫中营养状态。浮游植物细胞密度1.0×107～4.0×107个/L，水体处于中营养状态；浮游植物细胞密度4.1×107～8.0×107个/L，水体处于中富营养状态。浮游植物细胞密度8.1×107～9.9×107个/L，水体处于富营养状态。浮游植物细胞密度>1.0×108个/L，水体处于极富营养状态[6]。参照标准，综合各点位浮游植物数量平均值情况如表1所示，2012年下半年山仔库区处于贫营养-极富营养之间，2013年、2014年山仔水库处于极贫营养-中营养之间，2015年1-5月处于贫营养-贫中营养之间。但是从各个点位具体来看，水质营养水平常有超过库区均值水平的情况，如2013年5个点位在5～8月间分别出现过达到中富营养水平的高值；2014年库心、七里、皇帝洞也分别在3月、6月、7月超过库区平均水平，达到中富营养状态。所以综合考量，认为山仔水库2013年、2014年处于极贫营养-中富营养之间，库区常年存在富营养化风险，每年夏天更需要尤为关注。

4.2 浮游植物时间变化特征

从浮游植物周年变化规律来看，冬、春季以硅藻为主，其余季节尤其是藻类爆发的季节以蓝藻为主，偶以绿藻门占优势。从图4可知，这几年藻类爆发高峰期一般集中在5～8月，9月过后伴随光照、温度的降低，藻类数量逐渐减少，11月至次年2月多数藻类进入休眠状态，3月后渐次复苏。综合各点位浮游植物数量平均值情况，库区水华优势种均为蓝藻，研究期间蓝藻细胞密度在1.0×107个/L级别上爆发过9次，优势种以铜绿微囊藻居多，出现过6次（2012年8月，2013年7月、8月和2014年5月、6月、7月）；鱼腥藻作为优势种出现过2次（2013年5月和2014年3月）；依沙束丝藻作为优势种出现过1次（2012年7月）。监测期间，浮游植物细胞密度极大值出现在2012年8月，达到1.2×108个/L，铜绿微囊藻为优势种，细胞密度达到1.1×108个/L。

4.3 浮游植物空间变化特征

从浮游植物空间分布格局来看（图5），总体上呈现从上游至下游、从进口到出口依次递减的情况。大多时候，藻类数量为皇帝洞>七里>日溪≈库心>坝前。2012年情况与此后年份有所不同，2012年8月七里进口处藻类爆发，细胞密度高达3.8×108个/L ，为各点位历年最高，日溪点位藻类数量明显高于皇帝洞、库心、坝前区域。5个点位中，藻类数量最低值出现在2013年1月坝前，仅为1.0×104个/L。2013年至今，库心和日溪藻类数量平均值差别不大，皇帝洞为最容易发生水华区域，坝前出口区域藻类密度相对较小。

4.4 蓝藻水华与水库富营养化相关性

综合营养状态指数结果显示（图6），2012年下半年，库区各样点的TLI值介于41～62之间，水体处于中营养-中度富营养状态，最小值出现在11月坝前，最大值出现在6月皇帝洞；2013年，库区各样点的TLI值介于39～60之间，水体处于中营养-轻度富营养状态，最小值出现在1月坝前、日溪，最大值出现在5月皇帝洞；2014年库区各样点的TLI值介于31～60之间，水体处于中营养-轻度富营养状态，最小值出现在11月日溪，最大值出现在5月皇帝洞；2015年1～5月，库区各样点的TLI值介于32～54之间，水体处于中营养-轻度富营养状态，最小值出现在3月坝前，最大值出现在5月七里、皇帝洞。

库区各点位间综合营养状态指数等级比较，总体趋势为：皇帝洞>七里>日溪>库心>坝前。年际间变化趋势相近，TLI值一年中冬春季较低，4～8月间升幅明显，夏秋季多数处于轻度富营养状态，10月过后TLI值开始回落。监测期间，TLI值超过60达到中度富营养状态的情况，仅在2012年6月皇帝洞出现过一次，其余时间库区各点位均处于中营养-轻度富营养状态。

TLI（∑）综合营养状态指数是基于叶绿素a的多因子评价指数，能较为客观、全面地体现水体水质。对比前文浮游植物细胞密度评价法，虽然两种方法结果有些差异，但两者在大方向上基本可以达成共识，即山仔水库每年3～9月藻类生长高峰期，不同点位都存在富营养化风险，容易引发藻类水华爆发，必须加大关注和治理力度。

结合水库蓝藻水华爆发情况，对蓝藻细胞密度与TLI值进行相关性分析。鉴于藻类细胞密度数量级别太大，与其他变量的对应关系中往往会造成相关分析结果失真，为了更准确地发现数据间的关联性，以便统计推断，以下对藻类细胞密度数值采取对数处理，SPSS处理系统剔除少量数值为0的样本。结果如表2所示，ln蓝藻与TLI值在0.01 水平（双侧）上显著相关。被指存在明显的富营养化污染特征的铜绿微囊藻和鱼腥藻，在山仔库区经常作为蓝藻门优势种出现，相关性分析表明，两者也均与水库富营养状态显著相关。

5 结论

（1）2012年6月至2015年5月期间，山仔水库鉴定出浮游植物6个门63属108种。从种数上看，绿藻门种数最多；蓝藻门、硅藻门次之；甲藻门、裸藻门和隐藻门种数最少。从浮游植物种群数量组成上看，山仔水库是蓝藻-硅藻类型。

（2）根据浮游植物细胞密度指示法评价水体营养状况，山仔库区2012年6～12月處于贫营养-极富营养之间，2013年、2014年处于极贫营养-中富营养之间，2015年1-5月处于贫营养-贫中营养之间。

（3）从浮游植物周年变化规律来看，冬、春季以硅藻为主，夏、秋季以蓝藻为主。尤其是藻类爆发的季节，蓝藻通常为优势种，偶以绿藻门占优势。

（4）从浮游植物空间分布格局来看，总体上呈现从上游至下游、从进口到出口依次递减的情况。藻类数量基本为皇帝洞>七里>日溪≈库心>坝前。

（5）库区各点位间综合营养状态指数等级比较，总体趋势为：皇帝洞>七里>日溪>库心>坝前。冬春季较低，夏秋季较高。监测期间，库区绝大部分处于中营养-轻度富营养状态，夏秋高峰期基本处于轻度富营养状态。相关性分析表明，蓝藻及优势种铜绿微囊藻、鱼腥藻，均与水库富营养状态显著相关，表明山仔水库存在蓝藻水华风险。

参考文献：

[1]Abrantes N， Antunes S C， Pereira M J， et al. Seasonal succession of cladocerans and phytoplankton and their interactions in a shallow eutrophic lake （Lake Vela， Portugal）[J]. Acta Oecologica， 2006， 29（1）： 54～64.

[2]Habib O A， Tippett R， Murphy K J. Seasonal changes in phytoplankton community structure in relation to physico-chemical factors in Loch Lomond， Scotland[J]. Hydrobiologia， 1997， 350（1）： 63～79.

[3]Muylaert K， Sabbe K， Vyverman W. Spatial and temporal dynamics of phytoplankton communities in a freshwater tidal estuary （Schelde， Belgium）[J]. Estuarine， Coastal and Shelf Science， 2000， 50（5）： 673～687.

[4]黃详飞，陈伟民，蔡启铭.湖泊生态调查观测与分析[M].北京：中国标准出版社，1999：27～105.

[5]国家环境保护总局.水和废水监测分析方法（第四版）[M].北京：中国环境科学出版社，2002：88～200.

[6]况琪军，马沛明，胡征宇，等.湖泊富营养化的藻类生物学评价与治理研究进展[J].安全与环境学报，2005，4（2） ： 87～91.