东张水库夏季浮游植物特征与健康评价

王 雪，张 虹，2，林志蓉，苏玉萍，2，3，李宝银,韩永和，2，陈颖欣

(1.福建师范大学环境与资源学院、碳中和现代产业学院，福建 福州 350007；2.福建省污染控制与资源循环利用重点实验室，福建 福州 350007；3.福建省河湖健康研究中心(福建师范大学)，福建 福州 350007；4.福建师范大学地理科学学院、碳中和未来技术学院，福建 福州 350007)

湖泊和水库的富营养化是世界水环境面临的重要问题之一[1-2]．其中，作为饮用水水源地的湖泊和水库尤为危险，其水质一旦恶化，将对后续的供水安全造成严重影响．许多研究表明，水库的环境因素与流域因素会影响其生态系统的结构和特征[3]．该特征将引起一些初级生产者如水生高等植物，难以在此获得较稳定的生长繁殖环境，从而使得浮游植物演替成为水库优势种群[4]．

浮游植物是湖泊生态系统的重要组成部分[5]，其密度和多样性能够对栖息地的变化做出快速反应，并在调节水生态平衡方面发挥着至关重要的作用．浮游植物也被认为是湖泊生态系统完整性和水质的指标[6]．Liu等[7]通过分析江西省洪门水库浮游植物的组成、密度以及时空分布情况发现，洪门水库污染程度较轻，其中总磷和溶解氧是影响洪门水库浮游植物群落结构的主要因素．Lin等[8]则通过构建浮游生物完整性指数P-IBI指标体系，对福建省九龙江北溪进行生态健康评价，结果发现九龙江北溪在夏季和秋季相对健康，但在冬季健康状况较差．一般来说，水温、透明度和营养物质是影响水体浮游植物密度及群落结构特征变化的环境因子[9-10]．除此之外，水位波动、溶解氧和pH等均能反映水体的环境情况，这些参数的改变对浮游植物密度与群落特征均存在一定的影响[11]．因此，可以将浮游植物作为防治水体富营养化的重点控制对象，并将其作为评判水库水质的指标之一．

东张水库位于福建省福清市龙江中游，引水流域面积约115 km2[12]，是福清市重要的饮用水水源地.福建省平潭及闽江口水资源配置工程,包括“一闸三线”工程项目建成后，东张水库的水质状况及生态变化备受关注[13]．但是通过浮游植物多样性指数以及浮游植物完整性指数对东张水库进行健康评价的研究尚显不足，陈辉[14-15]研究了东张水库藻类问题的影响并提出藻类消减的建议,以及通过研究东张水库藻类数量与富营养化指标的相关性，确定东张水库水华暴发时水质指标的阈值，形成水华预警方案；林晶[16]对东张水库浮游植物的动态进行了研究；以及覃苗等[17]运用BP人工神经网络模型对水质和气象参数进行运算，探讨预测了蓝藻水华暴发的可能性．以上相关研究仅关注东张水库藻华发生的可能及应对措施，缺少利用浮游植物群落结构变化对水库水质进行健康评价的研究．

为探究亚热带蓄水型水库浮游植物的群落结构变化特征与水质状况的关系，本研究于2020和2021年夏季(7-8月)对福建省东张水库库区的浮游植物和水质参数进行监测，并根据浮游植物群落特征和Wu等[18]构建的P-IBI健康评价体系，对东张水库的健康状况进行评价，探讨浮游植物群落结构变化特征与环境因子的关系，为福建省大型蓄水型水库的富营养化防控及水资源可持续利用提供参考．

1 研究区域及方法

图1 东张水库采样点分布图Fig.1 Distribution of sampling points in Dongzhang Reservoir

1.1 东张水库区域概况及采样点设置

东张水库(119°29′20″E、25°46′6″N)位于福清市龙江干流中游，属大型蓄水型水库，库容2.06亿m3．东张水库以蓄水灌溉为主，兼发电、防洪和水产养殖等功能．根据水库面积和水库周边情况，2020和2021年均选择进口(a：25°41′56″N，119°14′55″E)、库心(b：25°42′12″N，119°15′47″E)和出口(c：25°42′17″ N，119°16′46″E)3个断面作为采样点，见图1．

1.2 样品采集与分析

分别于2020和2021年夏季(7-8月)以每月4次的采样频率进行采样．采用有机玻璃采水器采集水体表层0.5 m处水样1 L于聚乙烯瓶中，立即加入15 mL鲁哥氏液固定并摇匀保存，水样带回实验室静置48 h后，用虹吸法浓缩至30 mL后，使用徕卡显微镜(Leica BM-E，北京)，并用0.1 mL(2 mm×2 mm)浮游生物计数框计数，每份样品计数2片．藻类的鉴定参考《中国内陆水域常见藻类图谱》．根据公式(1)计算细胞密度[19]．

(1)

式中ρ为细胞密度(L-1)；S为计数框面积(mm2)；S0为计数视野面积(mm2)；V0为浓缩后体积(mL)；V为计数体积(mL)；N0为单位视野计数所得藻类个数．

1.3 水体理化指标

水体理化指标的分析包括pH、溶解氧(ρ(DO)，mg·L-1)、化学需氧量(ρ(CODMn)，mg·L-1)、总磷(ρ(TP) ，mg·L-1)、氨氮(ρ(NH3-N)，mg·L-1)、总氮(ρ(TN)，mg·L-1)，水样理化性质的分析参照《水和废水监测分析方法》进行测定．

1.4 数据分析

1.4.1 浮游植物群落特征

采用Shanon-Wiener指数(H′)[20]、Magalef丰富度指数(d)[21]、Pielou均匀度指数(J)[22]和Mcnaughton优势度指数(Y)[23]对浮游植物的群落特征进行分析．各指数的计算公式见表1．

表1 多样性指数计算方法Tab.1 Calculation method of diversity index

1.4.2 浮游植物完整性指数

参考马廷婷等[24]建立的P-IBI标准化方法(表2)和健康评价标准(表3)，由浮游植物总密度、叶绿素a和Menhinick指数构建P-IBI指数，计算公式如下:

(2)

(3)

式(2)、(3)中D表示Menhinick指数；NS表示同一样品中所有藻的物种数；N总表示同一样品中所有藻的总个体数；Ci表示第i种参数的标准化值．

1.4.3 东张水库浮游植物群落特征与环境因子的相关性分析

利用SPSS 26对东张水库2020和2021年夏季(7-8月)浮游植物群落特征和各环境因子进行Spearman相关性分析，数据处理及图形绘制使用Origin 2021完成．

表2 指数标准化方法Tab.2 Exponential standardization method

表3 浮游植物完整性指数健康评价标准Tab.3 Health assessment criteria for phytoplanktonic index of biotic integrity

2 结果与讨论

2.1 东张水库水体环境状况

2020和2021年夏季(7-8月)水质监测结果表明：东张水库总体水质基本维持在地表水Ⅲ类标准．东张水库水体中总氮和总磷偶有超标现象，超标的原因除与外源输入有关外，还可能与水位的变化有关．研究发现，中国东南部4个亚热带水库的水位降低导致总磷和蓝藻的优势度增加;当水位升高时，总氮浓度增加、总磷浓度则降低，蓝藻优势度随之降低[25]．在地中海湖泊中也有类似的发现，总磷升高与长期干旱和水位下降有关[26-27]．除此之外，氮和磷的变化可能是在引水入库过程中携带大量泥沙等营养物质所致．东张水库建于1958年，建库悠久，沉积物也是水体中磷和氮的重要来源[28]．

2.2 东张水库浮游植物群落结构特征

2.2.1 东张水库浮游植物种类组成

2020年夏季(7-8月)共检出浮游植物6门28属，其中蓝藻门为优势类群，占67.82%；其次为裸藻门，占22.17%；绿藻门和硅藻门，分别占5.32%和3.77%；而隐藻门和甲藻门检出最少，仅占0.67%和0.23%．2021年共检出浮游植物5门19属，其中仍以蓝藻门为优势类群，占比为86.63%，优势种为水华鱼腥藻(Anabaenaflos-aquae(Lyngb.)Breb)；其次为绿藻门和硅藻门，分别占比7.60%和3.81%；隐藻门和甲藻门检出最少，占比为1.72%和0.23%．总体来看，东张水库2021年浮游植物检出种类少于2020年的检出结果，并且蓝藻门的比例增加，说明东张水库有蓝藻水华暴发的风险．

2.2.2 东张水库浮游植物细胞密度及优势种

作为引水工程蓄水水库，外源引水是东张水库的水源之一．外源引水的水质优劣对浮游植物的密度具有一定的影响．东张水库2020年7月浮游植物的密度在1.52×107～4.75×107L-1，平均值为2.39×107L-1；8月浮游植物密度在1.26×107～2.61×107L-1，平均值为1.87×107L-1．东张水库2021年7月浮游植物的密度在2.06×107～4.72×107L-1，平均值为3.35×107L-1；8月浮游植物密度在3.91×107～5.45×107L-1，平均值为4.73×107L-1．以上数据表明：2021年7-8月东张水库的浮游植物密度均高于2020年，但浮游植物群落结构组成相似，均以蓝藻门为优势门类(图2，图3)．从不同监测点位看，2020年，库心的浮游植物总密度小于其他两个监测点位(图2)，可能是因为2020年福建省降水量偏少，不仅导致东张水库水位下降，也减少了流入水库的营养盐负荷；2021年浮游植物总密度大小：出口>库心>进口(图3)，出现此现象的原因可能是由于进口水流流速较大，不利于浮游植物生存，因此浮游植物密度低于另外两个监测点.除此之外，3个采样断面浮游植物总密度存在差异的原因还可能与当日的气温、风向等气象因素相关，仍需进一步验证.

图2 东张水库2020年7-8月浮游植物细胞密度空间分布图Fig.2 Spatial distribution of phytoplankton density in Dongzhang Reservoir from July to August in 2020

图3 东张水库2021年7-8月浮游植物细胞密度空间分布图Fig.3 Spatial distribution of phytoplankton density in Dongzhang Reservoir from July to August in 2021

对东张水库不同监测点的浮游植物优势属及优势度进行分析(当Y>0.02时，该物种为优势种)结果显示，东张水库2020年夏季(7-8月)的优势属以蓝藻门的鱼腥藻属(Anabaena)、微囊藻属(Microcystis)、尖头藻属(Raphidiopsis)和平裂藻属(Merismopedia)为主；东张水库2021年夏季(7-8月)的优势属为蓝藻门的鱼腥藻属(Anabaena)和微囊藻属(Microcystis)．蓝藻的大量增长是水体富营养化的表现，而金藻和硅藻等的增长则是水质逐渐向好转变的表现[29]．东张水库近几年水体以蓝藻门为优势，说明其污染状况亟需引起重视，治理措施可从外源和内源污染进行控制，从而避免东张水库水质进一步被污染．

2.3 东张水库浮游植物多样性指数及健康评价

浮游植物多样性指数的变化能直观地判断水体营养状况及其对浮游植物群落结构所产生的影响[30]．当水体受到严重污染时，浮游植物多样性指数值越小[31]．当Shannon-Wiener多样性指数> 3时，为轻度污染或无污染，1～3时为中度污染，< 1为重度污染[32]；当Magalef丰富度指数处于3～4时，为轻度污染或无污染，处于1～3时为中度污染，< 1为重度污染[33]．Pielou均匀度指数在0～0.3时表现为重污染；0.3～0.5时表现为中污染；0.5～0.8时则表现为轻污染．东张水库2020和2021年7-8月Shannon-Wiener多样性指数的平均值分别为1.87和1.66；Magalef丰富度指数的平均值分别为2.34和2.01；Pielou均匀度指数的平均值分别为0.63和0.56．综合东张水库夏季的浮游植物多样性指数(见表4)，结果显示,东张水库水体处于中度污染状态，这一结论同以往报道结果一致[34]．

表4 东张水库2020和2021年7-8月浮游植物多样性指数Fig.4 Index of phytoplankton diversity in Dongzhang Reservoir from July to August in 2020 and 2021

2.4 应用P-IBI评价东张水库生态健康状况

东张水库2020年夏季(7-8月)浮游植物完整性指数平均得分为51.6分，水生态状态为一般； 2021年夏季(7-8月)浮游植物完整性指数平均得分为47.3分，水生态状态较差．2021年夏季浮游植物总密度和蓝藻门比例均高于2020年夏季，间接证明东张水库2021年水生态状况较差，这与P-IBI评价结果一致．在河湖健康评价中，水体理化指标虽能在一定程度上反映水质的优劣状况,但是，由于水库的水体具有一定的流动性，这些基本理化指标只能表示瞬时状态，不能反映污染物对生物体的长期效应．相反，浮游植物长期存在水体中，集结了整个生活周期内的环境因素，其群落结构变化可对水质健康情况作出最直接的响应[35]．

2.5 浮游植物与环境因子之间的相关性

为分析环境因子对浮游植物及其群落结构演替的影响，对东张水库浮游植物密度与环境因子进行了Spearman相关性分析(见表5)．结果显示：东张水库浮游植物密度与总磷浓度极显著相关(P<0.01)，相关性系数为0.631；浮游植物密度与总氮浓度显著相关(P<0.05)，相关性系数为0.531；浮游植物密度与pH值、DO、CODMn和NH3-N相关性较弱．由此可知，东张水库在富营养化防治过程应更加关注总磷和总氮浓度的控制．

表5 东张水库浮游植物群落指标与环境因子的相关性Tab.5 Correlation between phytoplankton community indexes and environmental factors in Dongzhang Reservoir

3 结论

(1)东张水库2020年夏季(7-8月)共检出浮游植物6门28属；2021年共检出浮游植物5门19属，均以蓝藻门为优势类群，浮游植物的密度在1.26×107～4.75×107L-1，平均值为2.12×107L-1，优势属共有5属，分别为蓝藻门的鱼腥藻属(Anabaena)、微囊藻属(Microcystis)、尖头藻属(Raphidiopsis)和平裂藻属(Merismopedia)；2021年夏季浮游植物的密度在2.06×107～5.45×107L-1，平均值为4.04×107L-1，优势属仍以蓝藻门为主，分别为鱼腥藻属(Anabaena)和微囊藻属(Microcystis)．

(2)东张水库2020和2021年夏季浮游植物Shannon-Wiener多样性指数、Magalef丰富度指数和Pielou均匀度指数分别为1.87、2.34和0.63，以及1.66、2.01和0.56．多样性指数、均匀度指数不高，夏季浮游植物群落结构表现为蓝藻门占优势．

(3) Spearman相关性分析发现,总磷和总氮是东张水库浮游植物密度的主要影响因子．应用基于浮游植物总密度、叶绿素a和Menhinick指数的P-IBI健康指数对东张水库进行了生态健康评价，结果显示，东张水库2020年整体水生态健康状况为一般，2021年整体水生态健康状况较差．