三峡水库百岁溪浮游植物群落结构及水质评价

胡 莲，邹 曦，袁玉洁，史 方，郑志伟

（水利部中国科学院水工程生态研究所，水利部水工程生态效应与生态修复重点实验室 武汉 430079）

浮游植物种类分布广泛，对环境的变化极其敏感，是水生态系统的重要组成部分，是物质代谢和能量循环的主要初级生产者，位于食物链的第一环节，对维系水生态系统的健康有着至关重要的作用[1]。浮游植物种类繁多，主要包括蓝藻、绿藻、硅藻、甲藻、裸藻、隐藻、金藻和黄藻8个门类，其中容易形成水华的种类为蓝藻、绿藻、甲藻和硅藻。浮游植物种类组成与水体的营养状态有着密切联系，其群落结构能反映水体的水质状况，优势种能指示水体的营养状况[2-3]。浮游植物的种类组成、丰度及多样性作为水环境质量评价的重要指标之一，被广泛应用于水质监测中，用来评价水体的生态环境状况及污染程度[4-5]。

百岁溪位于三峡大坝库首，是长江北岸的一级支流，发源于兴山、秭归、宜昌三县交界的大老岭林区，流经红桂香、梅纸厂、小溪口、杨泉坝等地，在韩家湾汇入长江。百岁溪干流全长29.8 km，流域面积152.5 km2，相对落差约800 m。三峡水库蓄水运行后，百岁溪下游河段受回水影响而成为水库区。水库蓄水至175 m水位时，百岁溪干流回水到达距入江口约6 km的黄土包一带。目前，尚少见针对百岁溪水环境研究的报道。本研究在三峡水库泄水期（5月）和蓄水期（10月）对百岁溪环境因子和浮游植物进行了全面调查，分析百岁溪浮游植物群落结构与环境因子的关系，以期为百岁溪水环境综合治理和生态修复提供重要的基础资料和理论依据。

1 材料与方法

1.1 采样点设置和采样时间

在充分考虑百岁溪河道形态变化、重要生境分布、污染源分布、邻近支流汇入以及受回水影响等因素，沿百岁溪上游至下游河口区设置5个采样断面和1个长江对照点（图1），即小渔村（BSX－1）、梅氏厂（BSX－2）、肖家咀（BSX－3）、土仓坪（BSX－4）、杨家湾（BSX－5）和长江对照点（BSX－6）。

根据三峡水库运行调度，选择三峡水库泄水运行期（2016年5月）和蓄水运行期（2016年10月）采样监测2次。

图1 百岁溪采样点分布Fig.1 Distribution of sampling sites in Baisui stream

1.2 样品采集、处理及鉴定方法

浮游植物分别采集定性、定量样品，其中定性样品采用25#浮游植物网采集，并收集在50 mL样品瓶中，甲醛现场固定，实验室镜检；定量样品采用2 500 mL有机玻璃采水器取表层、中层、底层水样充分混合，取1 000 mL现场加鲁哥液固定，经48 h沉淀后，浓缩定容到30 mL镜检。浮游植物采样及鉴定方法主要参照《中国淡水藻类——系统、分类及生态》[6]和《淡水浮游生物研究方法》[7]。

水温（TW）、pH、电导率（EC）、溶解氧（DO）等采用YSI多参数水质测量仪现场监测；透明度（SD）采用塞氏盘现场获取；哈希浊度仪现场测定浊度（Turb）；高锰酸盐指数（CODMn）、生化需氧量（BOD5）、总磷（TP）、磷酸盐（PO43--P）、总氮（TN）、氨氮（NH4+-N）、叶绿素a（Chl.a）等指标，现场采集水样后，按照《水和废水监测分析方法》（第4版）[8]进行水样保存和测定，送实验室分析测定。水质调查和分析方法主要参考《水环境监测规范》（SL 219-2013）[9]、《水质采样样品的保存和管理技术规定》（HJ 493-2009）[10]和《水和废水监测分析方法》（第4版）[8]等相关规范资料。

1.3 浮游植物优势度及多样性指数的计算

1.3.1 优势度的计算

优势度（Y）的计算公式为：

式中，ni为第i种的丰度，N为总丰度，fi为第i种的出现频率。其中优势度Y≥0.02的种类定为百岁溪浮游植物优势种[11-12]。

1.3.2 浮游植物多样性指数的计算

分别运用Shannon-Wiener多样性指数（H′）、Simpson优势度指数（D）、Pielou均匀度指数（J）、Margalef丰富度指数（dMa）的计算式对藻类种类多样性进行计算[13]。其中，当H′＞3时，为轻度污染或无污染，1≤H′≤3为中度污染，H′＜1时，为重度污染[12]；当0.5≤J≤0.8，为轻度污染或无污染，0.3≤J＜0.5为中度污染，J＜0.3时，为重度污染[14]；当0≤dMa≤4，水体为富营养化，4＜dMa≤5，为中营养化，dMa＞5时，为贫营养化[15]。

2 结果与分析

2.1 浮游植物群落结构特征

2.1.1 种类组成

经鉴定，百岁溪5月和10月的浮游植物种类组成存在些许差异，10月种类数略高于5月，以绿藻、硅藻和蓝藻为主。其中5月浮游植物6门37属52种，以绿藻门种类数最多，14属19种，占36.54%；其次是硅藻门，10属18种，占34.62%；再次为蓝藻门，7属9种，占17.31%；隐藻门、甲藻门和裸藻门各2属2种，分别占3.85%。10月浮游植物7门40属59种，包括绿藻门18属25种，占42.37%；硅藻门7属14种，占23.73%；蓝藻门9属13种，占22.03%；隐藻门2属3种，占5.08%；甲藻门2属2种3.39%；裸藻门和金藻门各1属1种，分别占1.69%。10月出现了指示水体清洁的金藻门锥囊藻，为偶见种，仅在SNX-3断面采集到。

2.1.2 丰度

百岁溪浮游植物细胞密度除采样断面BSX-1在5月显著高于其他断面外，其他采样时间与采样断面都在一定范围内变化。从图2可以看出，百岁溪浮游植物细胞密度在5月的均值为7.141×105个/L，各采样站点在1.480×105～2.316×106个/L之间变化，其中BSX-1的值最大，为2.316×106个/L，其次是BSX-2，为8.215×105个/L，BSX-3最小。在10月的均值为3.741×105个/L，较5月有一定下降，各采样站点在1.745×105～7.390×105个/L之间变化，其中，BSX-2的值最大，其次是BSX-3，为5.825×105个/L，再次为BSX-6和BSX-1，分别为2.870×105个/L和2.770×105个/L，BSX-4和BSX-5的值也相差不大。

图2 百岁溪各采样点浮游植物细胞密度时空变化Fig.2 The temporal-spatial variation of phytoplankton density at each sampling site in Baisui stream

将百岁溪从上游到下游河口按照水位特征划分为河流区、回水区、长江对照区。图3是5月和10月各区浮游植物细胞密度的变化情况。可以看出，不管是5月还是10月，浮游植物细胞密度上游河流区段明显高于下游回水区段和长江对照区。其中5月均值为5.730×105个/L，上游河流区段值最大，为1.095×106个/L，其次为下游回水区段，3.753×105个/L，长江对照区最小，为2.485×105个/L。10月均值较5月略有下降，为3.331×105个/L，上游河流区段值仍然最大，为5.328×105个/L，而其次为下游回水区，为2.870×105个/L，长江对照区段则最小，为1.795×105个/L。

图3 百岁溪各水体浮游植物细胞密度变化Fig.3 The space-time change of phytoplankton density in dif⁃ferent regions of Baisui stream

2.1.3 优势种

按照式（1）计算不同物种的优势度（表1），发现百岁溪浮游植物优势种主要有蓝藻门的浮游鱼腥藻、微囊藻、小颤藻、蓝纤维藻、水华鱼腥藻和粘球藻，绿藻门的空球藻、小球藻和球衣藻，硅藻门的小环藻等。根据沈韫芬等编著的《微型生物监测新技术》[15]，这些优势种中绝大多数为β-中污型至多污型水体指示种类。如小颤藻为多污型指示种，小球藻、小环藻和空球藻等为耐有机污染指示种。浮游植物的优势种对水体营养状态有指标作用。浮游鱼腥藻、水华鱼腥藻、微囊藻等藻类在温度、氮磷等营养盐条件合适的情况下，极有可能爆发水华，影响水质。

表1 百岁溪浮游植物优势种随时间变化情况Tab.1 Distribution of dominant phytoplankton species in May and October in Baisui stream

2.1.4 浮游植物多样性

按照1.3.2所述方法计算浮游植物多样性指数，结果显示，百岁溪5月和10月各采样断面均值略有变化，Shannon-Wiener多样性指数H′、Pielou均匀度指数J、Simpson优势度指数D和Margalef丰富度指数dMa变化趋势差异不大，从上游至下游各多样性指数均为先升后降（图4）。其中5月各采样断面的H′变化范围为0.47～2.37，J值变化范围为0.07～0.47，D变化范围为0.16～0.86，dMa变化范围为1.10～2.05；10月各采样断面H′变化范围为0.82～2.17，J值变化范围为0.16～0.30，D变化范围为0.41～0.77，dMa变化范围为0.88～2.49。

图4 百岁溪浮游植物多样性分析Fig.4 Phytoplankton diversity index of each sampling site in Baisui stream

2.2 环境因子特征

表2为百岁溪两次调查水环境因子平均值。其中5月TW在12.74℃～19.41℃之间变化，10月TW在14.9℃～25.03℃之间变化，上游水温明显低于下游水温。DO分别在6.86～12.25 mg/L和5.49～7.48 mg/L之间变化。pH值分别在5.08～8.23和8.89～10.11之间变化。Turb分别在2.88～19.3 NTU和2.46～87.9 NTU之间变化。TN浓度变化范围为0.64～8.43mg/L，最高值出现在10月的BSX-1断面，最低值出现在5月的BSX-2断面，且10月的TN浓度高于5月。NH4+-N浓度变化范围为0.033～0.53 mg/L，最高值和最低值分别出现在10月的BSX-2断面和BSX-3断面。TP浓度在0.03～0.14 mg/L之间变化，且5月的TP浓度高于10月，从上游至下游呈现先降低再升高的趋势。PO43-－P浓度变化范围为0.015～0.12 mg/L，最高值出现在5月的BSX-4断面，最低值出现在10月的BSX-3断面。CODMn变化范围为0.65～1.47 mg/L，整体偏低；最高值和最低值分别出现在5月和10月的BSX-5断面。BOD5变化范围为0.01～1.14 mg/L，整体偏低，最高值出现在10月的BSX-1断面，最低值出现在5月的BSX-2和BSX-3断面。Chl.a浓度变化范围为0.74～7.73 μg/L，最高值出现在5月的BSX-1断面，最低值出现在10月的BSX-5断面。

表2 百岁溪各采样点水环境因子Tab.2 The environmental factors of each sampling site in Baisui stream

2.3 浮游植物群落结构与环境因子的关系

对百岁溪水文、水质因子与浮游植物主要类群进行相关性分析（表3），结果表明，其浮游植物密度与NH4+-N，DO，Chl.a，pH，Turb和流速等水体理化指标呈现显著相关。浮游植物各类群与水体理化的相关性不同，其中蓝藻的生长与Chl.a，pH，Turb呈现显著正相关，硅藻表现出与DO呈负相关；隐藻的生长与水体的NH4+-N呈正相关；金藻则与流速呈正相关。

3 讨论

3.1 百岁溪浮游植物群落结构特征与水质评价

百岁溪5月和10月分别鉴定出浮游植物6门37属52种和7门40属59种，其种类组成以绿藻最多，其次为硅藻，为绿藻－硅藻－蓝藻型。而且百岁溪的绿藻绝大多数为一些适应性强、分布广的湖泊水库型常见种类。况琪军等[16]研究发现河流型水体中浮游植物以硅藻为主，而湖泊型水体中浮游植物表现为以绿藻为主的藻类生物学特征。说明百岁溪浮游植物群落结构已经由原来的河流相向湖泊相演变。对三峡水库同类型的河流，也有研究[17]报道浮游植物群落结构已发展为典型的湖泊相藻类特征。

百岁溪5月和10月浮游植物细胞密度均值分别为7.141×105个/L和3.741×105个/L，各采样断面密度有所不同，分别在1.480×105～2.316×106个/L和1.745×105～7.390×105个/L之间变化，但除5月采样断面BSX-1的密度超过1.0×106个/L外，其他采样断面以及10月所有采样断面密度均低于1.0×106个/L。当密度小于或等于1.0×106个/L时水质为轻或无污型，1.0×106～9.0×106个/L时水质为轻污—β-中污型，1.0×107～4.0×107个/L时水质为 β-中污型，4.1×107～8.0×107个/L时水质为 α-β-中污型，8.1×107～9.9×107个/L时水质为 α-中污型，大于1.0×108个/L时水质为ps型[18]。说明百岁溪除5月采样断面BSX-1的水质达到轻污—β-中污型外，其他断面的水质都为轻或无污型，据此判断百岁溪为中营养类型。浮游植物优势种类与水体营养状况有密切的关系，对水体具有指示作用[15，19]。百岁溪主要优势种有蓝藻门的浮游鱼腥藻、微囊藻、小颤藻、蓝纤维藻、水华鱼腥藻等，为β-中污型至多污型水体指示种类。因此，当浮游鱼腥藻、水华鱼腥藻、微囊藻等藻类遇到适宜的温度和营养盐条件的情况下，极有可能爆发水华，影响水质。

3.2 百岁溪浮游植物多样性与水质评价

浮游植物的多样性与水域生态系统的稳定性有着密切的关系，生物多样性指数是评价水质状况的重要指标之一。一般认为，多样性指数越大，水质越好。但孙军等[13]指出，单纯使用一种多样性指数来解释浮游植物的多样性容易造成较大的偏差，Shannon-wiener指数和Simpson指数对浮游植物群落多样性有较好的解释，分别代表对浮游植物物种数敏感和不敏感。而Pielou指数对解释浮游植物群落均匀度较好。因此，现常以Shannon多样性指数小于1，Pielou均匀度指数小于0.3为多样性较差的标准进行综合评价。百岁溪Shannon指数5月除采样断面BSX-1和BSX-2小于1，处于重度污染外，其他采样断面H′值在1.0～3.0之间，为中度污染。10月上游河流区段和下游回水区段水质明显好于长江对照区，除对照区多样性指数值低于1外，其他采样断面H′值在1～3之间变化，处于中度污染。而10月Pielou指数较5月表现要差，5月J值有BSX-3、BSX-5、BSX-6大于0.3，10月仅BSX-2为0.3，其他断面均小于0.3。说明百岁溪浮游植物群落结构简单、浮游植物种类个体数量分布不均匀。还有学者将Shannon-wiener多样性指数分为5级来评价浮游植物丰富度[20]，当H′＜0.6，评价为Ⅰ级，表示多样性差；0.6≤H′＜1.5，评价为Ⅱ级，表示多样性一般；1.5≤H′＜2.5，评价为Ⅲ级，表示多样性较好；2.5≤H′＜3.5，为Ⅳ级，表示多样性丰富，当H′≥3.5，评价为Ⅴ级，表示多样性非常丰富。百岁溪除5月采样断面BSX-1、BSX-2的H′值低于0.6，表现为多样性差的Ⅰ级，以及10月采样断面BSX-6的H′值为0.82，表现为多样性一般的Ⅱ级外，其他断面H′值在1.6以上，评判为Ⅲ级，表示多样性较好。总体说明百岁溪浮游植物的生物多样性指数偏低，多样性和丰富度一般，浮游植物群落结构相对比较简单，种类个体数量分布均匀度不够，对外部环境变化和内部种群波动抵抗能力较弱。由此可以判定百岁溪为中营养水体。

表3 百岁溪环境因子与浮游植物主要类群相关性分析Tab.3 Correlation coefficients of phytoplankton with environmental factors in Baisui stream

3.3 百岁溪富营养化评价

根据三峡水库营养状态评价标准[21]，单因子评价百岁溪水体富营养状态，则TN基本处于重度富营养水平，TP处于轻度-中度富营养水平，Chl.a基本处于贫营养-中营养水平。而采用综合营养状态指数[TLI（Σ）]来评价百岁溪水体富营养水平，习惯用0～100的一系列连续数字对水体营养状态进行评价分级：当TLI（Σ）＜30时为贫营养；30≤TLI（Σ）≤50时为中营养；TLI（Σ）＞50时为富营养[50＜TLI（Σ）≤60时为轻度富营养；60＜TL（Σ）≤70时为中度富营养；TLI（Σ）＞70时为重度富营养]。在同一营养状态下，指数值越高，其营养程度越重[22]。由表4可以看出，百岁溪5月和10月水体均处于中营养状态；从空间来看，回水区断面和河流断面水体的营养水平差异不显著，长江对照断面的营养水平与回水区相近。从各评价因子来看，TN和TP已经达到富营养水平，其他因子则处于贫营养至中营养水平。

表4 百岁溪综合营养状态指数Tab.4 Comprehensive nutrition state index in Baisui stream

4 结论

百岁溪浮游植物种类5月为52种、10月为59种，为绿藻－硅藻－蓝藻型。浮游植物细胞密度5月为7.141×105个/L，10月为3.741×105个/L，主要优势种为浮游鱼腥藻、微囊藻、小颤藻、蓝纤维藻、水华鱼腥藻等指示水体β-中污型至多污型的种类。浮游植物群落结构相对比较简单，多样性指数偏低，多样性和丰富度一般，种类个体数量分布均匀度不够。Pearson相关性分析表明，浮游植物细胞密度与水体中浊度、pH、氨氮、叶绿素a和流速呈显著正相关，与溶解氧呈显著负相关。根据三峡水库营养状态评价标准，百岁溪总氮和总磷达到富营养水平，综合营养状态指数分析，百岁溪处于中营养水平状态。综合评价，百岁溪水质处于中营养水平。