闽江原厝水源地浮游植物群落结构及其与环境因子的关系

陈小霞 冯美霞 林雅逢 翁笑艳

(福建省福州环境监测中心站,福建 福州 350011)

闽江下游福州段属于强潮汐河口感潮河段，穿越福州市中心区，承担着福州市供水和纳污功能，原厝水源地位于闽江下游(福州段)北港，是福州市重要的饮用水水源地之一。近年来，闽江干流下游河道逐年刷深，上游相同水流量下水位下降，潮流控制的范围不断扩大，受潮汐影响，污染物输送、扩散条件下降，城市取水口和排污口交错布局，导致城区部分水源地出现水质超标及水体富营养化现象，甚至偶尔爆发硅藻水华，夏秋季节硅藻密度可达106个/升，与水体富营养化伴生的藻类爆发已成为闽江下游饮用水源保护面临的新型生态问题。

目前，闽江下游福州段尚无开展水体富营养化及硅藻水华演替规律方面的系统研究，本文选择具有典型代表性的城区饮用水源地为研究对象，旨在探索浮游植物的季节演替规律及其与环境因子的关系，为系统评估水体生态健康状况、建立水体富营养化监测预警机制、保护水源地水质安全等提供基础资料。

本文主要根据2017年10月至2018年9月原厝水源地的逐月调查和监测数据，分析浮游植物的种群结构、数量分布、生物多样性指数等群落特征，并对浮游植物与环境因子的相关性进行分析。

1 材料与方法

1.1 样品采集与分析

在原厝水质自动监测站设立调查点位。从2017年10月开始，每个月分上、中、下旬进行表层浮游植物样品的采集。用浮游生物定性网在选定的采样点于水面0.5m深处以每秒20～30cm的速度作∞形循回缓慢拖动5～10min，采集定性样品。定性及定量样品均用鲁哥氏液现场固定。带回实验室后，沉淀浓缩至20mL，分析时均匀取水样0.1mL于计数框中，进行种类鉴定与计数。采样、样品处理和室内分析(包括样品定性、定量分析)、资料整理等均按照《河流水生态环境质量监测技术指南》(试行)执行。环境因子指标参照原厝自动站每小时监测数据，包括：水温、pH、溶解氧、氨氮、总磷、硝酸盐氮、总氮。

1.2 统计评价方法

采用种类优势度(Y)[1]来确定：

Y=(ni/N)×fi

(1)

其中，ni为第i种的个体数，N为每个种的总个体数，fi为第i种在各站位中出现的频率。Y>0.02为优势种。

Shannon多样性指数(H′)计算公式[2]：

(2)

Margalef丰富度指数(D)计算公式[2]：

D=(S-1)/log2N

(3)

Pielou均匀度指数(J)计算公式[2]：

J=H′/log2S

(4)

公式(2)、(3)、(4)中,H′为种类多样性指数，S为样品中的种类总数，ni为第i种的个体数，N为每个种的总个体数。

本文采用SPSS软件对圆筛藻类与环境因子进行Pearson相关性分析和双侧显著性检验。

2 结果与讨论

2.1 浮游植物的物种组成及优势度

2017年10月～2018年9月，在闽江原厝水源地共鉴定出6门42种浮游植物，分属硅藻门、绿藻门、隐藻门、甲藻门、裸藻门和蓝藻门6个门类。浮游植物种类组成以硅藻占优势，其次为绿藻。检定出的硅藻门共18种，占总种数的42.9%；绿藻门次之，共13种，占总种数的31.0%；隐藻门、甲藻门、裸藻门分别检定出3种，各占总种数的7.14%；蓝藻门检定出2种，种类组成最少，仅占总种数的4.76%。由表1可见，四个季节的优势藻均为硅藻门中的圆筛藻类，优势度范围0.14～0.21，其余藻类的优势度均小于0.02。

利用浮游植物优势类群对水质进行评价时，一般认为，金藻门种类的大量出现表示水体处于贫营养状态，隐藻门种类代表贫、中营养水体，甲藻门种类代表中营养水体，硅藻门代表中富营养水体，硅藻门和绿藻门代表富营养水体，蓝藻门和绿藻门代表重富营养水体。闽江原厝水源地硅藻和绿藻占比达74.4%，从藻类组成来看，该点位可能出现水体富营养化。

表1 浮游植物优势种类

2.2 浮游植物的季节变化

闽江原厝水源地浮游植物细胞密度和种类数的季节变化见图1。调查期间浮游植物的细胞密度范围为6.08×106～30.15×106个/升，均值15.66×106个/升，最高值出现在夏季，最低值在冬季，表明浮游植物存在明显的季节更替。种类数、圆筛藻数量变化趋势与细胞密度相同。有研究表明[3]，温度和藻类细胞数量在一定温度范围内呈现的是正相关关系，即随着温度升高，藻类细胞数量有增加趋势。夏季水温较高，光照充足，适合浮游植物生存，可促进浮游植物快速繁殖[4]，因此藻类细胞密度最大。冬季水温低光照弱，藻类数量减少。

图1 浮游植物细胞数和种类数的季节变化

2.3 浮游植物的多样性指数

闽江原厝水源地浮游植物的多样性指数(H′)范围0.548～0.985，平均值为0.776；均匀度指数(J)范围0.140～0.218，平均值为0.175；丰富度指数(D)范围0.587～1.287，平均值为0.881。由图2可知，从全年来看，多样性指数与均匀度指数呈现相同的季节变化趋势。H′在春季达到最低值(0.548)，随着气温的上升，开始逐渐升高，在秋季达到最高值(0.985)，随后开始降低，在冬季降至0.677。与H′和J不同，丰富度指数D在夏季达到最高值，秋冬季开始降低，直到翌年春季达到最低值。随着均匀度的增加，多样性指数也增加，而随着丰富度指数的增加，多样性指数却没有明显增加。多样性指数与均匀度之间的这种密切联系在诸如捕食、竞争、演替等生态过程中均有所体现[5]。

多样性指数(H′)是反映均匀度指数(J)和丰富度指数(D)的综合指标[6]，是表征群落稳定性的重要参数。多样性指数越高，生态系统越稳定。一般而言，群落物种的多样性指数受种类数和个体数量分布均匀程度的影响，种类数越高或物种分布越均匀，H′值越大[7]。秋季浮游植物的种类数为23种，仅次于夏季33种，秋季均匀度J最高，可能是秋季闽江原厝水源地浮游植物多样性指数最高的原因。夏季温度较高，光照较强，适宜浮游植物生长，这可能是浮游植物丰富度在夏季达到最高值的主要原因。

图2 浮游植物的多样性指数

2.4 主要环境因子

调查期间,33组环境因子的季节平均值如表2所示。水温的变化规律表现为夏秋季节高、春冬季节低；溶解氧、硝酸盐氮、总氮的季节变化与水温相反，表现为春冬季节高、夏秋季节低；pH、氨氮、总磷的季节变化表现为秋冬季节高、春夏季节低。

闽江原厝水体中总磷浓度范围0.036～0.079mg/L，总氮浓度范围1.63～1.83mg/L，总磷含量普遍较低，总氮含量相对较高。氮和磷是藻类生长的主要营养物质，是水体富营养化的显著标志，因此讨论水体营养盐结构需考虑TN/TP指标，其分布变化不仅反映水域营养盐的陆源输入、海流运输、大气沉降和人类活动的影响，同时在一定程度上也反映了水体中营养盐的再生、循环机制和速率[8]。由表2可以看出，TN/TP比值均大于7，说明磷是闽江原厝水源地潜在的限制性营养盐。其中春、冬季TN/TP比值较大，夏、秋季TN/TP比值较小。原因可能是冬、春季节交替变换时期，在太阳热幅射的作用下，水温逐渐回升，水体中微生物活跃，河流底质及底质附近的生物残体，有机碎屑中微生物分解速度加快，并向水体释放氮磷营养物质，以满足冬春交替时期水生生物进入生长旺季，对营养元素的需求，导致TN/TP比值增大。夏季水温较高，浮游植物繁殖快速，藻类密度和种类数达到最大，消耗较多的营养盐，夏秋季节降水频繁冲刷河道，TN/TP比值下降。

表2 环境因子的季节均值

2.5 主要指标的相关性分析

对四个季节闽江原厝水源地优势藻种类圆筛藻细胞密度与水温、pH、溶解氧等环境因子进行Pearson相关性分析和双侧显著性检验，结果如表3所示。从全年来看，圆筛藻细胞密度与水温、pH呈显著正相关关系，与氨氮、总磷呈极显著负相关关系。从季节看，春季圆筛藻细胞密度与各环境因子间相关性不显著。夏季藻类细胞密度与水温、pH、溶解氧呈显著正相关关系，与氨氮、总磷呈显著负相关关系。秋季圆筛藻细胞密度与溶解氧呈显著正相关关系。冬季圆筛藻细胞密度与水温呈显著正相关关系，与溶解氧呈显著负相关关系。圆筛藻细胞密度与环境因子间的关系存在明显的季节变化，不同季节影响藻类生长的主要环境因子不同。

圆筛藻细胞数量与氨氮、总磷均呈现负相关关系，说明圆筛藻细胞数量的增加是以不断消耗水体中的氮、磷等营养盐为基础的。夏季水温、pH值、溶解氧与圆筛藻细胞数量有着良好的正相关关系，主要是因为水温升高，藻类细胞数量增加，藻类利用光合作用吸收CO2，释放大量O2，溶解氧随着升高，水体中H+含量减少，pH值增大。

表3 圆筛藻密度与环境因子之间的相关性分析

3 结论

闽江原厝水源地共鉴定出6门42种浮游植物，种类组成以硅藻占优势，四个季节的优势藻类均为圆筛藻。浮游植物细胞密度和种类数存在明显的季节更替，最高值出现在夏季，最低值在冬季。浮游植物多样性指数与均匀度指数呈现相同的季节变化趋势，表现为秋季>夏季>冬季>春季，丰富度指数表现为夏季最高。

调查期间主要环境因子表现出明显的季节变化，TN/TP比值大于7，磷是闽江原厝水源地潜在的限制性营养盐。相关性分析表明，圆筛藻细胞密度与水温、pH呈显著正相关关系，与氨氮、总磷呈极显著负相关关系。