九曲湾水库浮游生物群落结构及水质相关性分析

严 黎，罗 欢，陈华香，吴 琼，张苑龙

(1.珠江水利委员会珠江水利科学研究院，广州 510611；2.水利部珠江河口动力学及伴生过程调控重点实验室，广州 510610；3. 寻乌县环保局，江西 赣州 342200)

九曲湾水库位于东江上游寻乌水马蹄河中游，是寻乌县城区居民的唯一供水水源地。水库除供水外，兼有防洪、发电等综合利用效益。水库总库容415 万m3，可调节库容231 万m3，水库集雨面积为71 km2，设计日供水能力近期为1.5 万m3(中远期为3.0 万m3)，设计灌溉面积320 hm2，设计装机容量1 000 kW[1, 2]。工程的开发促进了当地经济社会发展，同时也导致了原有河道的自然流量情势和水质发生改变，造成浮游植物、浮游动物等生物群落的组成、结构和功能发生改变。为了实现水资源利用的可持续发展，迫切需要对九曲湾水库生物群落结构进行监测和评估，同时量化水质对其影响，提出切实可行的生态保护方案。

然而，现有关于九曲湾水库的研究主要集中在蓝藻水华成因及治理措施[3,4]、供水水源工程规划与分析[5]等，针对水库建设下，量化的水环境生物监测、水生生物群落结构组成、水质相关性分析等方面尚属空白。本研究在实地调查的基础上，以九曲湾水库段的水生态系统为对象，结合浮游植物、浮游动物的实际情况，对该水库水质与不同生物类群开展Pearson相关系数分析法，以期为九曲湾水库的生物多样性保护及生态监测等提供理论基础和科学依据。

1 采样与方法

1.1 研究区概况

九曲湾水库位于寻乌县城以北9 km，距离东江源头发源地----桠髻钵山28 km。流域内涉及三标、文峰两个乡7个行政村1.5万余人口。随着果业的发展，库区上游已种植果树0.247 万hm2以上，造成植被破坏、水土流失、水源涵养功能下降，特别是果业面源污染对库区水质带来威胁。由于果业开发造成的植被破坏、水源涵养功能下降和水土流失、农业面源污染问题比较突出。九曲湾水库流域内水土流失面积11.95 km2，占流域总面积的18.64%。其中，强度流失面积0.21 km2，中度流失面积1.24 km2，轻度流失面积10.5 km2。

九曲湾水库库区内无工业企业，森林覆盖率较高，无规模化的养殖场或养殖企业。近年来，水库水面不断暴发蓝藻水华现象，藻类暴发的时间一般在4-10月之间，7、8、9三月为全库区覆盖，对水库水源影响比较显著。为此，县委县政府十分重视水库生态保护与修复、治理工作，先后采取了退果还林、滴灌节水和库区禁渔，放养鲢鱼、鳙鱼，以及农村生活垃圾收集外排、生活污水经过化粪池和沼气池处理后外排等工程措施，控制水库水质污染和水体富营养化。为了保障居民饮水安全，寻乌县委、县政府将九曲湾正常高水面线以下一定范围的水域，和正常高水面线以上一定范围的陆域，确定水库饮用水水源地一级保护区，将饮用水源一级保护区以上，环库3 km的陆域定为二级保护区。

1.2 采样断面的设置

采样范围为水库高水位线以下的水域和水位消落区。依据水库形态特征和调查规范要求，自上而下分别在水库坝前、库中(浮岛)、库尾分别设置了生物检测点或检测断面(见图1)。分别于2016年8月-2018年7月，进行了13期采样和调查工作。调查的生物类型包括：浮游植物、浮游动物、水质，共3类。调查方法和鉴定、评价标准，采用了国家相关标准和国际、国内通用的方法。

图1 九曲湾水库生物调查测点布置图Fig.1 The position of biological survey

1.3 调查方法

1.3.1 浮游植物采样及测定方法

样品采集与处理方法[6,7]。定性样品：在每个采样点，用浮游植物网取样，加甲醛固定，用于定性鉴定。定量样品：在每个调查采样点水面下和底层上0.5 m处用有机玻璃采水器采集水样，取水样1 L，加甲醛固定，静置48 h后用吸管虹吸缓缓吸去上清液，再静置24 h以上，浓缩至30 mL后用于定量分析。

物种检测与鉴别方法[8,9]。定性分析采用德国ZEISS 公司生产的Zeiss AxioScope A1型号的生物显微镜镜检，确定监测水体中浮游植物的种类。浮游植物种类的鉴定主要采用检索表和图鉴相结合的方法鉴定。定量分析时，取0.1 mL置于浮游生物计数框中，在10×40倍生物显微镜下计数。

浮游植物镜检计数完毕后，换算成单位体积水体中浮游植物密度。每升水样中浮游植物密度按照如下公式计算：

(1)

式中：N为1 L水样中浮游植物的个体数，个；C为计数框的面积，mm2；Fs为每个视野的面积，mm2)；Fn为视野数；V为每升水样浓缩后的体，mL；U为计数框的体积，mL；P为每个计数框计数到的浮游植物个体数，个。

浮游植物由于个体极小，无法直接称重，一般按体积来换算，根据浮游植物的体形，按最近似的几何形状测量其体积，其他形状分可为几个部分计算。由于浮游植物大都悬浮于水中生活，其比重近似于所在水体的比重，即近似以密度1.0 g/mL换算成生物量。

1.3.2 浮游动物采样及测定方法

样品采集与处理方法[10-13]。原生动物与轮虫的采集：在各采样点用有机玻璃采水器采集水样，取水样1 L，静置48 h后用吸管虹吸缓缓吸去上清液，再静置24 h以上，浓缩至30 mL。枝角类和桡足类等后生浮游动物的采集：参照《淡水浮游动物研究方法》和《水环境监测规范》，在各采样点用采水器定量采集30 L水样，用25号浮游生物网过滤、甲醛固定后带回实验室分析。定性样品的采集：浮游生物网呈“∞”形在水面下0.5 m处收集样品，用于种类的定性研究。

物种检测与鉴别方法[14-17]。浮游动物的鉴定主要利用德国ZEISS 公司生产的Zeiss AxioScope A1型号的生物显微镜进行。浮游动物种类的鉴定主要采用检索表和图鉴相结合的方法，对部分桡足类物种进行解剖，并参照图谱鉴定。

原生动物和轮虫计数方法[18]：对原生动物，将样品摇匀，重复取0.1 mL样品于浮游生物计数框中，光镜下对各种原生动物(10×20)进行统计，取平均值，所得结果换算成单位体积密度。对轮虫，将样品摇匀，重复取1 mL样品于1 mL浮游生物计数框中，光镜下对轮虫(10×10)进行统计，取平均值，所得结果换算成单位体积密度。

枝角类和桡足类计数方法[19]：用1 mL浮游生物计数框计数，并换算成单位体积密度。

种群密度与生物量计算。单位体积浮游动物的数量按下式计算：

N=Vsn/VVa

(2)

式中：N为1 L水样中浮游动物的数量；V为采样体积，mL；Vs为样品浓缩后的体积，mL；Va为计数样品体积，mL；n为计数所获得的个数，个。

监测枝角类和桡足类的计数采取将浓缩后的样品全部过数，将其上述单位体积浮游动物的数量公式调整为：N=n/V。

1.3.3 水质采样及测定方法

水库特性指标与库区水质和生物的关系密切。根据国内外已建水库情况，水库淹没陆地会导致流速减缓、水温分层、溶解氧减少，以及矿化度、电导率、总氮、总磷含量增加或上升，以及pH值降低和水体浮游植物、水生植物暴发或增加等。本文中水质监测与测定方法参照《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)。

1.4 相关性指数分析

浮游植物、浮游动物与库区水质之间的相关性可以反映水利工程建设对水生生物群落的影响。Pearson相关系数已被证明是一种有效的相关性分析工具，并已应用于许多领域[20,21]。Pearson相关系数计算公式如下式所示：

(3)

式中：Ri是浮游植物或浮游动物指标单次监测值；Rav是多次监测值的均值；Gi和Gav分别是水质指标单次监测值及多次监测值的均值。r的取值范围为+1到-1。r=+1表示完全正相关，r=-1表示完全负相关，r=0表示不相关。

2 结果与分析

2.1 九曲湾水库水体环境状况

检测结果表明，整个九曲湾水库河段水体偏弱碱性，均值为7.51。从水质综合指数可以看出，DO、BOD5、CODMn、氨氮、总磷均可达到地表水II类水质标准，而总氮浓度的超标。可以看出，九曲湾水库是氮元素主导型水库，在进行水质调控及治理时应多关注于总氮的控制和治理。

2.2 浮游植物区系组成与分布、密度与生物量

根据调查结果表1可知，共检测出浮游植物6门81种，其中绿藻门的物种最为丰富，有34种，占总种数的41.98%；其次为硅藻门，共有28种、占总种数的34.57%；而隐藻门数量最少，只有2种、仅占2.47%。就不同藻种的空间分布而言，水库库中监测点的藻种数目检出值最高，为69种，占总检出藻类种数的85.19%；其次是坝前监测点，藻种数目检出值为64种，占总种数目的79.01%；库尾监测点的藻种数目为57种，占总检出藻种数目的70.37%。

表1 九曲湾水库浮游植物检出结果分类统计表 种

藻类属于生命周期很短的植物，其种属变化往往随着阳光、温度和水体营养盐浓度等条件变化而迅速改变，因而本研究于2016年6月至2018年7月共计13次检测采样来分析藻类浮游植物的时间及空间变化情况。检测成果表明，九曲湾水库不同监测点藻细胞密度总数(合计数)在4.81～1001.67 万个/L之间，平均值为25.335 万个/L。表3中可以看出坝前、库中和库尾的差值不大。从优势类群的组成来看，坝前监测点以蓝藻门和硅藻门两大类别为优势类群，蓝藻门、硅藻门的细胞密度占比分别为62.65%和8.36%；库中监测点以蓝藻门和裸藻门两大类别为优势类群，细胞浓度占比分别为49.38%和23.35%；库尾监测点以蓝藻门和裸藻门两大类别为优势类群，细胞浓度占比分别为30.91%和23.66%。

由图2可见2016年8月到2018年7月期间，九曲湾水库的藻类密度值和藻类种群门类均会发生比较大的和快速的变化，尤其是蓝藻门藻类的增长速度，会随着水温、气温和光照时间的改变而发生快速的或急剧的变化。通常情况下，蓝藻水华多发生在夏季6-9月，有明显的季节性。受阳光、温度和水体营养物质的影响，水温达到20 ℃以上、光照度较强且持续时间较久的条件下，蓝藻易形成气囊浮出水面并且迅速繁殖，以至形成蓝藻水华现象。

图2 不同藻门细胞密度在不同点位、采样时间的变化情况对比Fig.2 The compare of algal cell density

图3 不同藻门细胞生物量在不同点位、采样时间的变化情况对比Fig.3 The compare of algal cell biomass

从图3可见，依据藻类生物量计算成果可见，不同的采样时间获取样品的生物量间差异显著，平均生物量为109.11 mg/L。以种生物量的大小将13个采样时间分为3个区间。第一区间2016年8月至2017年2月，蓝藻、隐澡、绿藻、硅藻、甲藻和裸藻等6个藻门生物量的lg值维持在1左右；第二区间2017年4月至2017年10月，6个藻门生物量的处于一个高值区间，从生物量的大小也可以反映出此阶段的藻类数量大已发生水华等现象；第三区间2017年12月至2018年7月，此区间内内生物量与第一区间生物量大小一致。此外，可以看出坝前、库中、库尾的生物量相差不多，这也表明九曲湾水库的蓝藻水华发生在空间的概率基本是相似的，治理蓝藻水华等问题需要全河段上下游同时考虑。

2.3 浮游动物区系组成与分布、密度与生物量

13次采样共检出浮游动物4类53种。其中，种类数最多的是轮虫，检出29种，占到总种数的55%；其次为原生动物，15种，占到总种数的28%；桡足类，6种，占到总种数的11%；此外，还检出了其他类群的浮游动物5种，分别为线虫(Nematoda)、多毛类幼体(Polychaeta larva)和水熊(Water Bear)。

九曲湾水库浮游动物种群检测成果见图4、5。可见，水库不同测点的浮游动物总密度在3 368.45～5 710.30 个/L之间，平均值为4 732.21 个/L。其中，轮虫密度最高，库尾、库中、坝前三个测点平均值分别为155.93、148.77、179 365 个/L，占各类群浮游动物总密度的60.18%、37.79%和40.90%；其次为桡足动物门，库尾、库中、坝前三个测点的平均密度值为76.21、183.71和178.59 个/L，占各类群浮游动物总密度的29.41%、46.67%和40.66%；其他种类的浮游动物甚少。

图4 不同浮游动物密度在不同点位、采样时间的变化情况对比Fig.4 The compare of density of zooplankton

从物种密度分布来看(图4)，整个河段平均物种密度为91.00 个/L。库尾、库中、坝前各监测点的浮游动物生物量有一定差异，其中坝前的浮游动物密度明显低于库尾与库中。这一现象出现的原因是由于在坝前存在水库取水口或溢洪、泄洪工程等，水流流速较大，导致上层或中层的浮游动物大量流失，故而生物量低于另外两个监测点。对比图2和图4，可以看出浮游植物和浮游动物的生物量随时间变化趋势近似反向的，这说明浮游植物的生物量在适宜的温度与降水条件增加以后，以浮游植物为食物的浮游动物亦随后增加。

从图5可见，依据浮游动物生物量计算成果可见，九曲湾水库的浮游动物以轮虫和原生动物为主，平均生物量为1.16 mg/L。由图可见，九曲湾水库的大型浮游动物甚少，并且在多次检测的时段内呈严重或快速下降趋势。这也许是该水库多年来连续暴发蓝藻水华的原因之一。浮游动物是水生态系统中非常重要的生态类群。浮游动物通过捕食作用控制浮游植物的数量，从而可以直接控制水体富营养化；同时浮游动物作为鱼类等高层生物的饵料，可以直接影响鱼类等的资源量和结构，在水生态系统的结构和功能中起着重要的调控作用。

图5 不同浮游动物生物量在不同点位、采样时间的变化情况对比Fig.5 The compare of biomass of zooplankton

3 相关性分析

运用公式(3)Pearson 相关性分析方法对2016年8月到2018年7月期间检测的水质指标分别浮游植物和浮游动物的生物密度进行相关性分析，统计结果如图6与图7所示。

图6 不同浮游植物与相应水质指标的相关性分析结果图Fig.6 The correlation analysis about different phytoplankton and water quality indicators

图7 不同浮游动物与相应水质指标的相关性分析结果图Fig.7 The correlation analysis about different zooplankton and water quality indicators

从图6中可以看出，浮游植物与水质指标的正、负相关系数占比分别为52.38%和47.62%，正、负相关性系数占比非常接近。其中，蓝藻门生物密度与pH值相关性最强；绿藻门、裸藻门生物密度与DO值相关性最强；隐藻门生物密度与BOD5值负相关性最强；硅藻门、甲藻门生物密度与水质指标的相关性表现不太明显。在淡水中，能够产生水华的藻类有：蓝藻、绿藻和硅藻。其中以蓝藻水华最为严重和难以治理。基于图6的分析结果可以知道，九曲湾水库水华防治过程应更加关注水质指标pH、DO的控制。

从图7中可以看出，原生、轮虫、枝角和桡足4类浮游动物与pH、BOD5、氨氮呈完全负相关关系，与DO、总氮呈现完全正相关关系。相关系数最大是原生类浮游动物与DO为0.75、相关系数最小的是原生类浮游动物与CODMn为0.01。浮游动物是水生态系统中非常重要的生态类群。浮游动物通过捕食作用控制浮游植物的数量，从而可以直接控制水体富营养化；同时浮游动物作为鱼类等高层生物的饵料，可以直接影响鱼类等的资源量和结构，在水生态系统的结构和功能中起着重要的调控作用。因此，为了协调九曲湾水库浮游动物种群结构稳定，可以从相关性较强的水质指标进行调控来实现。

4 结 论

(1)藻种丰富，气温、水温和气候条件适宜。九曲湾水库共检测出6门81种藻类，可见，九曲湾水库藻种种源十分丰富。尤其是蓝藻门，在不同检测时间，检测结果增长近10倍。同时，随着温度升高，九曲湾水库的蓝藻种源复苏速度和藻种密度都呈现出了快速增长趋势。除了藻种之外，九曲湾水库地处亚热带地区，温暖湿润，雨量充沛，这些情况是九曲湾水库极易暴发蓝藻水华的基本成因和机制。

(2)九曲湾水库的浮游动物相对比较丰富，但具有滤食和捕食蓝藻种群与藻种的大型浮游动物的检出量过少。例如，在浮游动物中，枝角类的检出为3，桡足类的检出只有6种，种群密度占比仅有2.3%～4.9%，生物量占比也仅有8.7%～9.7%；且缺少能够捕食和滤食蓝藻水华的大型蚤和大型溞类浮游动物。如：能够牧食、滤食、消化蓝藻细胞与细胞群的长刺溞、哲水蚤、剑水蚤等为未检出。

(3)九曲湾水库河段水质整体属轻度污染，其中总氮浓度超标2.33倍。在水质与浮游植物相关性结果可知，九曲湾水库水华防治过程应更加关注水质指标pH、DO的控制。此外，为了协调九曲湾水库浮游动物种群结构稳定，可以从相关性较强的水质指标进行调控来实现。随着电站的建设和运营，九曲湾水库河段的水环境已存在一定的污染，但只要措施得当、管理到位，水电项目的建设会促进当地经济发展，也是响应绿色经济发展潮流的举措。

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