广东东莞松木山水库浮游植物群落结构特征及其与环境因子的关系

王亚坤，汪洋，裴瑞华，吴鹏举，黄娜，李一帆，袁晨，刘其根，胡忠军*

(1.上海海洋大学 农业农村部淡水水产种质资源重点实验室，上海 201306；2.上海海洋大学 农业农村部鱼类营养与环境生态研究中心，上海 201306；3.东莞市生态环保研究院有限公司,广东 东莞523000；4.东莞松山湖高新技术产业开发区水务工程建设运营中心，广东 东莞523000)

水库是通过人工筑坝形成的一种介于湖泊和河流之间的半人工半自然水体，是重要的淡水资源载体[1]。河湖水质的退化使人们对水库水源的依赖性加强，在许多省份水库已成为重要的供水来源，是确保中国乃至整个人类饮水安全的最后屏障，但20世纪以来中国的水库水质恶化趋势明显，约1/3重要供水水库已经富营养化[1]。松木山水库是一座中型水库，位于珠江三角洲东岸中心城市东莞，兼具防洪、供水、旅游和水力发电等功能。近几十年东莞经济和城镇化水平的迅速提升为松木山水库带来了严重的污染问题，尽管工业废水排放量经多年的治理有所减少，但大量的生活污水、农业面源污染再加上工业废水的排放，污染负荷有增无减，河流污染严重，大部分水库处于富营养化或超富营养化状态[2-4]，水污染已成为严重制约东莞可持续发展的突出短板[5]。为改善城市水环境质量和缓解供水压力，东莞市政府实施了东江与水库联网供水水源工程项目，其中松木山水库为东线调水水库[4]。但近几年松木山水库外来污染依然较为严重，已富营养化[6-7]，存在蓝藻暴发的风险。

浮游植物是水体中的重要初级生产者，一方面浮游植物在水生态系统的物质循环和能量流动及其稳定性和完整性维持等方面起着重要作用[8]，同时其对水环境质量高度敏感性可用来指示水环境质量和水生态系统健康状况[9]；另一方面浮游植物大量增殖会影响水体质量和水生态系统健康，如蓝藻门特别是其中的微囊藻异常增殖，则会因其含有微囊藻毒素而危害人类健康[10-12]，因此，对浮游植物群落结构进行研究具有较为重要的理论和应用价值。目前，对松木山水库的研究较少，主要对其水体污染现状和沉积物、重金属潜在生态风险、富营养化程度及其周边排渠整治等方面开展了一些研究和报道[2-4,6,12-13]，但对水生生物包括浮游植物的研究鲜见报道。本研究中，对松木山水库浮游植物群落结构及其与水环境因子的关系进行了分析，以期为该水库的水生态环境保护和修复及其水资源管理利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

松木山水库(113°53′15″E、22°53′47″N)于1959年9月建成蓄水，位于东莞松山湖高新技术产业开发区内，水域面积约8 km2，平均水深约6.2 m，正常水位库容3.97×107m3。松木山水库集水区面积为54.2 km2，集水范围涉及松山湖高新技术产业开发区、大岭山镇和大朗镇，主要分布有月山排渠、金多港排渠、杨屋颜屋排渠及百叶工业区排渠，4个入库排渠总集水面积约占水库总集水面积的41%[6]，这4个排渠的排水口均位于下库区。该水库地处南亚热带季风气候区，光照充足、热量丰富、气候温暖、雨量充沛、干湿季明显，年平均气温为22.6 ℃，年平均降雨量为1 831.7 mm。

1.2 方法

1.2.1 样品采集与测定 分别于2019年4月、7月、9月和12月在松木山水库进行浮游植物调查，因新冠疫情影响未能在最冷月(2020年1月)采样，根据孙莹蓓等[14]的方法，将4月、7月、9月和12月分别归为春季、夏季、秋季和冬季。基于松木山水库水文及地理位置特点，在水库设置7个采样位点，分别定为上库区、库中和下库区，其中S6、S7位点位于松山湖高新技术产业园内，周边有人类活动的公园和酒店，因S5位点北部狭窄水域有一个漫水堤坝，建有水闸，年平均开闸1～2次，这3个点均位于上库区；S3、S4位于库中；S1、S2位于下库区(图1)。

图1 松木山水库采样点分布Fig.1 Sampling site distribution in Songmushan Reservoir

所有位点水深在3～10 m，分别在表层以下和底层以上50 cm处采集5 L水样并充分混合，取混合水样1 L，样品采集完立即加入鲁哥氏液15 mL。带回实验室静置48 h后，吸出上清液，留底部浓缩液30～50 mL转移至100 mL聚乙烯瓶中，待鉴定计数。参照《中国淡水藻类：系统、分类及生态》[15]的方法在光学显微镜(10×40倍)下进行种类鉴定和细胞计数。

1.2.2 多样性指数计算及优势种分析 群落多样性度量采用Shannon-Wiener多样性指数(H′)、Pielou均匀度指数(J)、Margalef丰富度指数(R)，采用优势度指数(Y)判断优势种。计算公式为

H′=-∑(ni/N)ln(ni/N)，

(1)

J=H′/lnS，

(2)

R=(S-1)/lnN，

(3)

Y=(ni/N)×fi。

(4)

其中：ni为第i个物种的个数；N为所有物种总个数；S为样品中物种数；fi为第i个物种的出现率(%)。本文将Y≥0.02的藻类定为优势种。

1.2.3 富营养化及水质生物学评价 以SD、TN、TP、CODMn和Chl-a为参数，采用综合营养状态指数TLI(∑)对松木山水库营养状态进行评价，计算公式为

TLI(∑)=∑Wj·TLIj。

(5)

其中：TLI(∑)为综合营养状态指数；TLIj代表第j种参数的营养状态指数；Wj为第j种参数的营养状态指数的相关权重。

5种营养状态划分标准：贫营养，TLI(∑)<30；中营养，30≤TLI(∑)<50；轻度富营养，50≤TLI(∑)<60；中度富营养，60≤TLI(∑)≤70；重度富营养，TLI(∑)>70[4]。

采用浮游植物多样性指数对松木山水库的水质进行生物学评价，将H′划分为4级：0～1为重污染，1～2为中污染，2～3为轻污染，H′>3为清洁或无污染[16]。将J划分为4级：0～0.3为重度污染，0.3～0.5为中度污染，0.5～0.8为轻度污染，0.8～1为清洁[16]。将R划分为5级：0～1为多污型，1～2为α-中污型，2～3为β-中污型，3～4为寡污型，R>4为清洁无污染水质[17]。

1.2.4 聚类分析及多维尺度分析 利用浮游植物优势种丰度数据构建物种矩阵，物种矩阵经4次方根[18]转换后利用Primer 5.0进行聚类分析(cluster analysis,CA)及多维尺度分析(non-metric multidimensional scaling,NMDS)，分析中均以Bray-Curtis相似性作为距离指标。采用压力系数(stress)判断NMDS结果的可信度：stress<0.1时结果具有较好的解释意义；0.1≤stress<0.2时，结果具有一定的解释意义；stress≥0.2时，结果不具解释意义[19]。应用相似性分析(analysis of similarity,ANOSIM)和百分率相似性(similarity percentage analysis,SIMPER)确定群落类型内特征种和群落类型间指示种，将贡献率≥5%的物种定义为群落内特征种和群落间指示种。

1.2.5 冗余分析 利用Canoco 4.5软件分析浮游植物优势种与环境因子之间的关系，将浮游植物优势种丰度矩阵与环境因子矩阵数据进行lg(x+1)转换(pH除外)。对优势种丰度矩阵数据进行去趋势对应分析(detrended correspondence analysis,DCA)，得出4个排序轴中梯度长度最大为1.5(小于3)，说明适合采用冗余分析(redundancy analysis,RDA)；环境因子的显著性水平通过蒙特卡洛置换检验(P<0.05，n=499)，并使用Canodraw 4.5软件作图。

1.3 数据处理

试验数据均以平均值±标准误(mean±S.E.)表示。利用SPSS 26.0软件进行双因素方差分析以探讨浮游植物丰度、生物量和多样性指数的季节和空间差异性，采用Duncan法进行多重比较；利用Pearson相关系数分析浮游植物丰度、生物量和多样性指数与环境因子之间的相关性。

2 结果与分析

2.1 松木山水库水体理化因子

表1 2019年松木山水库各库区理化因子Tab.1 Physical and chemical factors in Songmushan Reservoir in 2019

2.2 浮游植物物种组成及优势种分析

本次调查在松木山水库共鉴定到浮游植物7门134种(属)，其中绿藻门Chlorophyta种类最多，有70种(占总物种数的51.49%)，蓝藻门Cyanophyta(28种，占20.90%)和硅藻门Bacillariophyta(24种，占17.91%)次之，裸藻门Euglenophyta(5种，占3.73%)、隐藻门Cryptophyta(4种，占2.99%)、甲藻门Pyrrophyta(2种，占1.49%)和金藻门Chrysophyta(2种，占1.49%)的物种数较少。

松木山水库浮游植物现存量主要由蓝藻、硅藻和绿藻3个门组成，其中蓝藻门丰度(占总丰度的85.17%)和生物量(占总生物量的50.66%)占绝对优势；绿藻门(丰度12.09%、生物量30.60%)和硅藻门(丰度2.20%、生物量10.38%)次之；其他4个门丰度占比均低于1.00%，生物量除裸藻门(6.92%)较高外，其他3个门生物量占比均低于1.00%。

不同季节共出现20个优势种，其中蓝藻门18种，绿藻门2种，蓝藻门假鱼腥藻Pseudoanabaenasp.为全年主要优势种，其优势度最大(0.199)；夏季优势种最多，有15种，其次为秋季12种，春季(9种)和冬季(8种)较少(表2)。

表2 松木山水库浮游植物不同季节的优势种及其优势度Tab.2 Dominant species and dominance of phytoplankton in Songmushan Reservoir in different seasons

2.3 浮游植物群落组成时空差异

聚类分析表明，松木山水库浮游植物群落可划分为2种类型，即春夏秋季(CⅠ)和冬季(CⅡ)群落(图2)。ANOSIM分析显示，2种群落的物种组成有极显著性差异(R=0.991，P<0.01)。NMDS压力系数为0.06，具有较好的解释意义，这说明上述群落划分可行(图3)。

图3 松木山水库浮游植物群落结构多维尺度分析Fig.3 Non-metric multidimensional scaling (NMDS)scatterplot based on phytoplankton community in Songmushan Reservoir

SIMPER百分率相似性分析表明：CⅠ组内平均相似性为64.22%，特征种对组内平均相似性贡献率为74.61%，其中假鱼腥藻贡献率最高(17.07%)，其次为尖头藻Raphidiopsissp.(12.27%)、拉氏拟柱胞藻Cylindrospermopsisraciborskii(11.57%)和隐球藻Aphanocapsasp.(11.20%)等；CⅡ组内平均相似性为82.67%，特征种对组内平均相似性贡献率为96.19%，其中隐球藻贡献率最高(20.49%)，其次为假鱼腥藻(15.03%)、细鞘丝藻Planktolyngbyasubtilis(14.16%)等；CⅡ和CⅠ组间平均相异性为62.44%，分歧种有拉氏拟柱胞藻、微小平裂藻Merismopediatenuissima、隐杆藻Aphanothecesp.和水华束丝藻Aphanizomenonflosaquae等9个物种，对组间平均相异性贡献率为62.17%(表3)。

表3 松木山水库时空浮游植物群落类型内特征种和类型间分歧种贡献率Tab.3 Contribution to similarity within cluster and dissimilarity between clusters in temperal and spatial phytoplankton community in Songmushan Reservoir

SP—春季，SU—夏季，AU—秋季，WI—冬季；Up—上库区，Mi—库中，Lo—下库区，下同。SP—spring,SU—summer,AU—autumn,WI—winter;Up—upper reservoir area,Mi—middle reservoir area,Lo—lower reservoir area,et sequentia.图2 松木山水库浮游植物群落聚类图Fig.2 Dendrogram of phytoplankton communities in Songmushan Reservoir

2.4 浮游植物现存量及其时空变化特征

松木山水库浮游植物2019年平均丰度为(15.09±10.75)×107ind./L，平均生物量为(19.65±12.74)mg/L。双因素方差分析表明，丰度和生物量在季节(丰度F=6.439，P<0.01；生物量F=4.832，P<0.05)和库区间(丰度F=5.584，P<0.05；生物量F=4.960，P<0.05)均存在显著差异，且季节和库区对丰度(F=4.007，P<0.05)和生物量(F=3.963，P<0.05)均存在显著交互作用(表4和图4)。

表4 松木山水库浮游植物现存量及多样性指数的双因素方差分析Tab.4 Two-way analysis of variance of the standing crop and diversity indices of phytoplankton in Songmushan Reservoir

多重比较结果表明：夏秋季丰度和生物量均显著高于春冬季(P<0.05)，夏秋季之间及春冬季之间均无显著性差异(P>0.05)(表5)；上库区丰度和生物量均显著高于库中(P<0.05)，上库区与下库区之间及库中与下库区之间均无显著性差异(P>0.05)(表6)。

标有不同大写字母表示同一季节不同库区间存在显著性差异(P<0.05),标有不同小写字母表示同一库区不同季节间存在显著性差异(P<0.05)；标有相同字母者表示组间无显著性差异(P>0.05)。The means with different capital letters in the same season are significantly different at different reservoir areas at the 0.05 probability level;the means with different letters in same reservoir area are significantly different in different seasons at the 0.05 probability level,and the means with the same letter are not significantly different.图4 松木山水库浮游植物丰度和生物量的时空分布Fig.4 Spatial and temporal distribution of abundance and biomass of phytoplankton in Songmushan Reservoir

表5 松木山水库浮游植物现存量和多样性指数的季节变化Tab.5 Seasonal variation in phytoplankton standing crop and diversity indices in Songmushan Reservoir

2.5 浮游植物多样性时空变化及水质评价

2019年松木山水库浮游植物Shannon多样性指数(H′)、均匀度指数(J)和丰富度指数(R)平均分别为2.72±0.24、0.70±0.05和2.53±0.41。基于H′和J的水质生物学评价结果表明，该水库处于轻污染状态，基于R评价显示，其为β-中污型水体(表6)。

双因素方差分析表明：H′和J指数不存在显著空间(H′：F=3.078，P>0.05;J：F=0.321，P>0.05)和季节(H′：F=2.785，P>0.05；J：F=2.213，P>0.05)差异，也无交互作用(H′：F=2.641，P>0.05；J：F=2.093，P>0.05)；R指数存在极显著空间差异(F=8.802，P<0.01)，但无显著性季节差异(F=1.277，P>0.05)，也无交互作用(F=0.500，P>0.05)(表4)。多重比较结果表明，库中R指数显著高于上库区和下库区(P<0.05)(表6)。

表6 松木山水库浮游植物现存量和多样性指数的空间变化Tab.6 Spatial variation in standing crop and diversity indices of phytoplankton community in Songmushan Reservoir

2.6 浮游植物与环境因子的关系

相关性分析表明：浮游植物丰度与水温呈显著正相关(P<0.05)，与总氮呈显著负相关(P<0.01)；生物量与水温呈显著正相关(P<0.05)；Shannon多样性指数与DO和pH呈极显著负相关(P<0.01)；均匀度指数与pH呈极显著负相关(P<0.01)，与DO显著负相关(P<0.01)；丰富度指数与透明度呈显著正相关(P<0.05)，与pH、DO和TP均呈极显著负相关(P<0.01)(表7)。

表7 浮游植物现存量与环境因子间的相关性系数Tab.7 Correlation coefficients between diversity indices of phytoplankton and environment factors

3 讨论

3.1 浮游植物群落物种组成及水质评价

本研究表明，松木山水库浮游植物组成为蓝藻-绿藻型，种类数以绿藻为主，丰度和优势种以蓝藻为主，绿藻占总物种数的51.49%，蓝藻丰度占85.17%，90%的优势种为蓝藻物种，与广东省的一些水库如大沙河水库及其他一些富营养程度较高的水库类似[14,20-21]，这可能与这些水库处在热带、亚热带水温较高且为富营养化水体有关。一方面，蓝藻具有特定的高温适应机制，相对于其他藻类，蓝藻生长需要更高的温度，其最适生长温度为25～35 ℃，15 ℃以下时蓝藻的生长会受到抑制，难以成为优势种[22]，同时亚热带地区光照和温度季节性变化并不明显，若氮磷含量较高，那么蓝藻则可成为全年的优势类群[14]。本研究中，松木山水库处于亚热带，光线充足且调查期间水温处在20.3～32.4 ℃，因此，蓝藻的大量繁殖抑制了其他门藻类的生长，从而使蓝藻丰度占绝对优势及优势种以蓝藻种类居多，且调查的4个季节均能占优。除蓝藻外，绿藻对强太阳辐射和高温度的适应能力也较强[21]，因此，绿藻门的韦氏藻和小球藻也能成为松木山水库的优势种。另一方面，在富营养化程度较高的水体中蓝藻和绿藻相对其他藻类更具竞争优势。随着营养水平的上升，浮游植物如广东省水库的浮游植物由硅藻-甲藻型逐渐演替为蓝藻-绿藻型[23]，并成为广东省中富营养型水体浮游植物的典型群落组成类型[24]，因此，它们在中度富营养化的松木山水库占优势不难预料。

S1～S20为物种代码见表2。The species coded from S1 to S20 in the figure see Table 2.图5 松木山水库浮游植物优势种与环境因子的RDA排序图Fig.5 RDA ordination bioplot of phytoplankton species and environment variables in Songmushan Reservoir

2005年之前松木山水库的水质为劣Ⅴ类[3]，2010—2012年期间不同学者对该水库水质的研究结果稍有差异，刘益片[13]认为，该水库整体处在中营养状态，但部分月份已经轻度富营养化，罗概等[4]和陈飞等[12]提出该水库处于中度富营养或超富营养状态，本研究中结果与罗概等[4]的研究结果一致，说明该水库当前仍处于中度富营养状态(TLI(∑)=65.8)，可能与污染排放没有完全排除有关，如罗知平[6]提出松木山水库仍存在废水偷排现象，且偷排水体的部分指标达到劣Ⅴ类，罗锋等[7]认为，该水库沉积物Cd污染严重可能与近期仍存在工业废水的大量排放有关。本研究表明，浮游植物指示物种法与营养状态指数法的水质评价结果基本一致，主要优势种及其所隶属的属被报道适合在高氮高磷环境下生长，如本研究中最具优势的3种蓝藻——隐球藻、拟柱胞藻和假鱼腥藻[25]，或被报道在广东等热带亚热带水库成为优势种，或是可作为这些水库的富营养化指示属或指示种，如隐球藻、平裂藻、颤藻、束丝藻、小球藻、拟柱孢藻、假鱼腥藻、尖头藻、螺旋藻和隐杆藻属及这些属的一些物种[10,12,26-30]。

本研究中，浮游植物丰富度指数显示，松木山水库处在中污染状态，与综合营养状态指数和富营养化指示种法评价结果较为接近，但Shannon多样性指数和均匀度指数评价结果为该水库处于轻污染水平，这说明丰富度指数较Shannon多样性指数和均匀度指数更适合于松木山水库的水环境质量评价。

3.2 浮游植物时空分布及其与环境因子的关系

本研究中，松木山水库浮游植物群落类型可以划分两类，即春夏秋季聚为一类，以假鱼腥藻为第1特征种；冬季单独成为一类，以隐球藻为第1特征种。这可能主要与水温有关，本研究中RDA分析显示，假鱼腥藻与水温呈正相关，隐球藻则与水温呈负相关，松木山水库冬季采样期间的平均水温为20.3 ℃，其他3个季节的水温在26.4～31.6 ℃。假鱼腥藻在热带和亚热带水库水温较高月份的浮游植物中占优势多有报道[31-33]，可能与其在营养盐和水温较高的月份光限制承受能力较高有关[34]。隐球藻在20 ℃左右水温或更低水温的月份可以成为浮游植物的优势种[35-36]。

4 结论

1)松木山水库浮游植物群落属于蓝藻-绿藻型，种类数以绿藻门为主，丰度和生物量及优势种种类数以蓝藻门为主；浮游植物群落丰度和生物量均与水温呈显著正相关，群落丰度和大多数物种的时空分布与TN呈负相关，说明水温和TN是影响该水库浮游植物现存量及主要物种时空分布的关键环境因子，且TN不是浮游植物生长的限制因子。

2)利用浮游植物丰富度指数、综合营养状态指数和指示种法的水质评价结果较为接近，这3种方法显示，松木山水库已处于中度富营养或中污染状态。

3)为改善松木山水库水质、大幅降低藻类现存量，建议采取有效措施如截污和在排水口建设人工湿地等净化区以降低入库污染负荷，并采用滤食性鱼类和贝类放养、生态浮床和清淤等综合措施进行生态修复。