北京金海湖浮游生物群落结构及富营养化评价

王 哲, 赵 文, 魏 杰, 李 博, 时 晓, 王天宇, 董成浩, 尹东鹏

(1. 大连海洋大学 水产与生命学院 辽宁省水生生物重点实验室， 大连 116023； 2. 北京市水生野生动植物救护中心， 北京 102100)

金海湖又名海子水库，位于北京市平谷区东部的海子村附近，距市中心约100 km，主要用于蓄水和养殖，水库总库容达1.21×108m3，控制流域面积443 km2，是北京市4座大型水库之一[1]。自南水北调一期中段北京段通水后鲜有关于金海湖浮游生物群落结构的报道，此工程对水域生态的影响尚不可知。

近年，我国 66%以上的湖泊、水库处于富营养化的状态[2]，富营养化已成为十分严峻的水环境问题。由此，对南水北调后金海湖进行富营养化评价显得尤为重要。水生生物(包括浮游生物)的群落结构特征与水体环境的关系密切相关[2-4]，特别是光照、温度、水体的营养盐浓度、溶氧量等因子[5]，其中光照以及营养盐浓度为最主要的决定性因素[6-7]。氮是浮游生物生长的控制因子[8]，光照和温度的变化对浮游生物生理和种群所产生的影响，直接反映在群落的周年变化上。浮游生物不仅对水质状况反应灵敏，其群落结构也与水环境生态因子之间有着密切的关系，浮游生物的种类和数量变化以及生物指数等，可以一定程度地反映水体富营养化程度，因此群落结构特征是评价水体营养化程度和生物生产力的重要指标[9-10]。本文研究金海湖浮游生物群落结构，旨在为控制金海湖富营养化和保障水域生态安全提供依据。

1 材料与方法

1.1 样站设置

共设置3个样站，分别于2017年5月9日、9月23日，2018年5月7日以及9月18日进行了综合调查。

1.2 样品采集与处理

浮游植物、浮游动物、浮游细菌、水化学等样品的采集和处理参照文献[11]完成。镜检使用显微镜型号：Motic BA210。按照文献[12-14]鉴定浮游生物；按照文献[15]划分浮游植物分类地位；按照文献[16-17]划分规则(FG功能组)划分浮游植物功能群。

1.3 数据分析

分别选用《地表水环境质量标准GB 3838—2002》判定水质状况、使用O.A.阿列金分类法对水型进行划分、采用《湖库(水库)富营养化评价方法及分级技术规定》综合营养状态指数(TLI)判断水体营养情况。

浮游生物的多样性指数采用Shannon-Wiener指数(H′)、Pielou均匀度指数(J)，优势种利用优势度(Y)确定，根据文献[18-19]并分别采用H′和J指数[20]判定水质状况。根据饵料基础法计算初级鱼产力[11]。

使用Excel 2019、Spss 20.0及Canoco 4.5等软件处理数据并绘图。

2 结果与分析

2.1 水质理化状况

金海湖水库综合营养状态指数TLI平均值为43.57，属于中营养水平(图1)。

2.2 金海湖浮游植物群落结构

2.2.1 金海湖浮游植物种类组成及优势种

金海湖浮游植物种类组成如图2所示。检出浮游植物8门10纲19目31科62属111种，其中绿藻门54种(48.6%)、硅藻门22种(19.8%)、蓝藻门17种(15.3%)、甲藻门8种(7.2%)、金藻门3种(2.7%)、裸藻门3种(2.7%)、黄藻门2种(1.8%)和隐藻门2种(1.8%)。各次调查物种种类最多的均为绿藻，硅藻门次之，然后是蓝藻门和甲藻门。

表1 金海湖湖水的理化指标

图1 金海湖综合营养状态指数(TLI)

图2 金海湖浮游植物物种组成

金海湖浮游植物的优势种见表2。4次调查均为优势种的浮游植物只有尖脆杆藻(Fragilariaacus)。

2.2.2 金海湖浮游植物密度

金海湖浮游植物密度，4次调查平均密度为4.10×106ind/L，其组成百分比依次为硅藻门(27.04%)、黄藻门(25.65%)、蓝藻门(22.09%)、绿藻门(20.19%)、隐藻门(2.44%)、金藻门(1.07%)、甲藻门(1.04%)和裸藻门(0.48%)。硅藻、黄藻、蓝藻和绿藻占全部浮游植物94.97%(图3)。从各门浮游植物密度来看，秋季的浮游植物密度远远大于春季的密度，季节变化明显。除了金藻外，其他7个门类的浮游植物的密度均属于秋季大于当年春季。

表2 浮游植物优势物种优势度

2.2.3 金海湖浮游植物生物量

金海湖浮游植物生物量见图4。4次采样平均生物量为6.68 mg/L，其百分比依次为硅藻门(68.40%)、黄藻门(15.46%)、绿藻门(4.58%)、蓝藻门(3.72%)、甲藻门(3.04%)、隐藻门(2.99%)、裸藻门(1.36%)、金藻门(0.46%)。

图3 金海湖浮游植物密度和密度百分比

图4 金海湖浮游植物生物量和生物量百分比

图5 金海湖浮游植物多样性指数和均匀度指数

2.2.4 金海湖浮游植物多样性和均匀度

浮游植物多样性指数H′和均匀度J测定结果(图5)显示，2017年春季至2018年秋季各样站浮游植物H′平均值为2.93±0.53，J平均值为0.73±0.09，2018年较2017年浮游植物H′和J有所下降。

2.2.5 浮游植物功能群划分

按照FG功能分组划分规则，将金海湖浮游植物划分为27个功能群(Phytoplankton functional group)：T/D/S1/NA/J/LO/TC/N/LM/X2/P/Y/MP/C/X3/X1/F/W2/E/B/TD/G/W1/SN/M/S2/TB。Colin等提出代表性功能群的定义：相对丰度大于 5%的功能群[16-17]。总的来看金海湖代表性功能群为D/T/S1/NA/J，浮游植物功能群相对密度见表3。

将相对生物量大于5%的功能群定为优势功能群(表4)，其中D功能类群在每次采样中的相对生物量都是最多的，2018年5月采样中相对生物量占比达93.67%，金海湖功能群D包括长菱形藻、弯端长菱形藻、谷皮菱形藻、池生菱形藻、尖脆杆藻、双头脆杆藻和肘状脆杆藻，全部都是硅藻。

表3 金海湖浮游植物功能群相对密度

2.3 金海湖浮游动物群落结构

2.3.1 金海湖浮游动物物种组成及优势种

金海湖浮游动物种类组成见图6。检出浮游动物56属97种，其中原生动物43种(44.33%)、轮虫动物44种(45.36%)、枝角类8种(8.25%)和桡足类6种(6.19%)。

表4 金海湖浮游植物优势功能群生物量百分比

图6 金海湖浮游动物物种类组成

金海湖浮游动物优势种如表5所示。4次调查均为优势种的有小单环栉毛虫(Didiniumbalbianiinanum)、螺形龟甲轮虫(Keratellacochlearis)和简单前翼轮虫(Proalessimplex)。

表5 金海湖浮游动物优势物种优势度

2.3.2 金海湖浮游动物密度

金海湖浮游动物密度见图7。4次调查浮游动物平均密度为1453 ind/L，其中轮虫和原生动物占优，分别占55.05%和42.82%，桡足类和枝角类仅占2.13%。除枝角类外，其他3类浮游动物均属于秋季大于春季。

图7 金海湖浮游动物密度和相对密度

2.3.3 金海湖浮游动物生物量

由金海湖浮游动物生物量结果(图8)可见，4次调查平均生物量为0.70 mg/L。仍以轮虫占优，为34.42%；其次是枝角类，为27.72%；桡足类和原生动物分别占21.59%和16.28%。

图8 金海湖浮游动物生物量及生物量百分比

2.3.4 金海湖浮游动物多样性和均匀度

浮游动物多样性指数H′和均匀度J如图9所示。H′平均值为3.07±0.37、J平均值为0.64±0.08。2018年较2017年H′和J都有所下降。

图9 金海湖浮游动物多样性指数和均匀度指数

2.4 浮游细菌密度

4次调查浮游细菌平均密度分别为3.54×104、3.23×104、2.21×104和38.67×104cell/mL。

2.5 典型浮游动物、植物与水质理化指标相关性分析

分别选择浮游动物和浮游植物优势种中前十的物种作为典范对应分析中的代表物种，物种及其编号如表6所示。

表6 CCA分析浮游生物种类编号

DCA验证Lengths of gradient 的第一轴分别为1.630和1.462，表明可对数据进行CCA分析。

金海湖典型浮游动植物生物量与环境因子做典范对应分析，结果如图10(a)所示：TN与Z1呈显著正相关(r=-0.660，P=0.020)，与Z2呈显著负相关(r=-0.899，P=0)；TP与Z2呈显著正相关(r=-0.60，P=0.02)；Chl-a与P8呈显著正相关(r=0.737，P=0.006)，与Z3呈显著负相关(r=-0.772，P=0.003)；DO与Z10呈显著正相关(r=0.945，P=0)；TA与P8呈显著负相关(r=-0.812，P=0.001)。P6、P3、P10和Z7等位于坐标中心位置，表明受各理化因子综合影响。

图10 金海湖典型浮游生物生物量(a)和密度(b)与环境因子的CCA分析

2.6 鱼产力评估

按照浮游生物、底栖动物的供饵能力，腐质链按牧食链提供鱼产力的一半计算，水库面积为650 hm2，平均透明度为1.49 m，有效水深按两倍透明度即2.98 m。2017和2018年浮游植物、浮游动物、底栖动物平均生物量分别为6.68 mg/L、0.70 mg/L和2.45 g/m2，计算得出金海湖浮游生物和底栖动物提供的鱼产力约为350.5 kg/hm2。金海湖鱼类年产量可达2.27×105kg，即227.2 t (表7)。

3 讨论

3.1 金海湖水质安全评价

金海湖TLI指数为43.57，属于中营养水平，相比南水北调前的48.84[21]已有大幅下降。2018年TLI指数较2017年有明显增加，主要原因为TN、TP、Chl-a增加，同时2018年浮游植物和浮游动物H′指数和J指数较2017年均有所下降，这两种结果都表明富营养化程度增加、污染程度上升，但是它们的分级标准有一定差别。金海湖南水北调前后水质数据对比见表8。

表7 金海湖的鱼产力估计

表8金海湖南水北调前后水质数据

3.2 金海湖生物学特征状况

金海湖2017年至2018年代表性功能群季节变化：2017年春(D/LM/LO/P/E)→2017年秋(D/T/J/TC/NA)→2018年春(D/P/J/NA)→2018年秋(D/T/NA/S1/N)，金海湖2010年浮游植物功能群为：春季(J/Xph/P/C) →夏季(TC/S2/P/C)→秋季(X1/C)[22]。以上数据与本研究的差异较大，金海湖浮游植物群落结构在此期间发生变化。

南水北调前浮游植物密度[21]：6.71×106ind/L (2010年春)、173.43×106ind/L (2010年夏)，南水北调后：1.03×106ind/L(2017年春)、6.30×106ind/L(2017年秋)、1.03×106ind/L(2018年春)和8.05×106ind/L(2018年秋)。

南水北调前蓝藻密度年均值在所有浮游植物中占比[21]：65.64%(2009年)，57.36%(2010年)，南水北调后，17.27%(2017年)25.99% (2018年)，蓝藻占比下降，这与总磷下降有关。

4 结论

综上所述，金海湖为中营养性水库，南水北调后富营养指数下降，但2018年富营养化程度较2017年升高。南水北调后金海湖浮游植物密度下降，水库富营养程度下降，金海湖由南水北调前的蓝藻绿藻型水库变成蓝藻硅藻型水库，浮游植物群落结构发生较大变化，可见南水北调工程改变了金海湖浮游生物的群落结构。