南京市方便水库浮游植物群落结构特征及与水环境因子关系

刘 飞，李林泽，曾 瑞，杨世印

(1.长江水利委员会水文局 长江下游水文水资源勘测局，江苏 南京210011； 2.南京市雨花台区水政监察大队，江苏 南京 210012)

0 引 言

浮游植物是生态环境的重要组成之一，对水生态环境内的能量转换和物质循环起着无可替代的作用[1-2]。浮游植物种类繁多、分布广泛，群落结构与其所在水体质量密不可分。有研究将浮游植物群落结构特征作为水质的重要指示指标之一[3]。水体透明度、高锰酸盐指数、总氮、总磷等指标数值的变化可直接改变水体营养状态，从而改变浮游植物的生存状态[4-5]。有研究指出，利用浮游植物群落结构等特征来评价水质状况具有较强的可操作性和实用性[6-8]。因此，浮游植物监测是湖泊、河流和水库水环境监测的重要内容，尤其是在饮用水源地。

方便水库位于南京市溧水区，是一座以灌溉、防洪为主，兼有供水功能的中型水利工程，是南京市重要的水源性水库。水库总库容约4 900万m3，集水面积约77.1 km2，属秦淮河流域。水库周围有塘泥山、东庐山、荆山等，接青龙桥河、谢家棚河、西南村河等上游来水，下游依次为二干河、溧水河、秦淮河，最终汇入长江。

2000年以来，随着地方经济及水库周边旅游产业的发展，方便水库水体环境遭到一定程度的破坏，水库水质类别处于缓慢下降的状态。浮游植物是水体中食物链的基础环节，其群落组成及多样性可以敏感反映环境因素变化对水生态系统的影响，也可用以推测和预知水生态状况的发展趋势，对于促进方便水库水资源的利用和保护具有重要的科学意义。本文调查了方便水库的浮游植物群落结构和水质因子指标数值变化情况，并分析了两者之间的关系。

1 材料与方法

1.1 监测点和采样时间

综合考虑方便水库基本特性、样品空间代表性及取样便利性，此次调查共布设4个浮游植物监测点，并同步进行水质监测，具体位置见图1。对青龙桥河、谢家棚河、西南村河等3条主要入库河流水质进行同步监测。监测频次为3次，分别为2020年8月(丰水期)、2020年10月(平水期)和2021年1月(枯水期)。

图1 方便水库采样点位Fig.1 Sampling points of Fangbian Reservoir

1.2 浮游植物样品采集与分析

现场用分层采水器采集水样，混合后取1 L水样加入1%的鲁哥氏液固定并带回实验室，静置48 h后，用虹吸管吸去上层清液并定容至30 mL，在显微镜下进行种类鉴定和计数。用显微镜计数时，取0.1 mL充分摇匀后的浓缩水样样品，置于0.1 mL计数框中，在10×40倍的显微镜下进行鉴定并计数，获得单位体积中浮游植物的数量。由于浮游植物比重接近于1，即1 mL的细胞体积等于1 mg湿重生物量，所以实验中生物量的测定采用体积转化法。细胞的平均体积根据物种的几何形状计算。

1.3 水质样品采集与分析

1.4 丰度计算

浮游植物丰度计算：

Ni=nV2/(V1V3)=nV2f/(V1V3)

式中：n为计数所得个数，cells；V1为采样量，L；f为稀释因子；V2为浓缩样定容体积，mL；V3为实际计数体积，mL。

1.5 优势度计算

物种优势度指数：[9]

Y=Ni/Nfi

式中：Ni为第i种物种的丰度，N为群落中所有物种的总丰度，fi为第i种物种在各样点出现的频率，当Y≥0.02 时为优势种。

1.6 多样性指数计算

选用Shannon-Wiener多样性指数(H′)和Pielou均匀度指数(J)[10]来分析浮游植物群落结构和多样性特征，计算公式如下：

H′=-∑(Ni/N)log2(Ni/N)

J=H′/lnS

式中：S为浮游植物的种类数。

生物多样性指数评价标准见表1。

表1 生物多样性指数评价标准[11]

1.7 水质状况评价

依据GB 3838-2002《地表水环境质量标准》评价水质状况，采用单因子评价法，即将某水样的水质项目参数符合标准中具体项目标准最差的类别确定为该水样的水质类别。

2 结果分析

2.1 浮游植物的种类

本次调查共发现浮游植物7门81种，其中绿藻门39种，硅藻门18种，蓝藻门11种，裸藻门4种，甲藻门、金藻门和隐藻门各3种(图2)。

(1) 丰水期浮游植物7门56种，其中绿藻门25种，硅藻门12种，蓝藻门9种，裸藻门、甲藻门和隐藻门各3种，金藻门1种。

(2) 平水期浮游植物7门50种，其中绿藻门26种，硅藻门10种，蓝藻门6种，裸藻门3种，金藻门和隐藻门各2种，甲藻门1种。

(3) 枯水期浮游植物7门50种，其中绿藻门26种，硅藻门10种，蓝藻门6种，裸藻门3种，金藻门和隐藻门各2种，甲藻门1种。

图2 方便水库浮游植物种类Fig.2 Phytoplankton species of Fangbian Reservoir

2.2 浮游植物数量分布

2.2.1 浮游植物丰度

方便水库浮游植物丰度范围为8.67×103～4.92×107cells/L，平均值为8.69×106cells/L，浮游植物主要由蓝藻门组成，平均占比为89.07%。

(1) 丰水期浮游植物丰度范围为6.35×106～4.92×107cells/L，平均值为2.29×107cells/L，浮游植物主要由蓝藻门组成，平均占比为93.89%。

(2) 平水期浮游植物丰度范围2.31×106～3.89×106cells/L，平均值为3.10×106cells/L，浮游植物主要由蓝藻门组成，平均丰度1.66×106cells/L，平均占比为53.55%。

(3) 枯水期浮游植物丰度范围8.67×103～4.22×104cells/L，平均值为2.01×104cells/L，浮游植物数量各门类差异较小，最大值为隐藻门，平均丰度5.90×103cells/L，平均占比为29.35%。具体统计结果见表2。

表2 方便水库浮游植物不同时期丰度统计

2.2.2 浮游植物生物量

方便水库浮游植物生物量范围0.015 2～13.527 9 mg/L，平均值为3.069 0 mg/L，浮游植物生物量主要由蓝藻门组成，平均占比分别68.08%。

(1) 丰水期浮游植物生物量范围2.354 5～13.527 9 mg/L，平均值为7.056 9 mg/L，生物量主要由蓝藻门组成，蓝藻门平均生物量为5.844 5 mg/L，平均占比为82.82%。

(2) 平水期浮游植物生物量范围0.867 4～4.219 3 mg/L，平均值为2.013 9 mg/L，浮游植物生物量主要由隐藻门组成，平均生物量为0.589 8 mg/L，平均占比为29.29%。

(3) 枯水期浮游植物生物量范围0.015 2～0.455 7 mg/L，平均值为0.136 2 mg/L，浮游植物生物量分布较均匀，金藻门的生物量最高，平均为0.052 9 mg/L，平均占比为38.84%。

2.3 优势度

不同时期方便水库的浮游植物优势度有所不同。由表3可知，束丝藻(Aphanizomenonsp.)和伪鱼腥藻(Pseudoanabaenasp.)优势度最大，3个时期均为优势种。丰水期方便水库优势种均为蓝藻门，其中伪鱼腥藻优势度最大，束丝藻次之。平水期优势种主要为蓝藻门和隐藻门，其中束丝藻优势度最大，伪鱼腥藻次之。枯水期优势种表现不明显，蓝藻门、绿藻门、硅藻门、隐藻门、裸藻门和金藻门均有。具体统计结果见表3。

2.4 浮游植物多样性指数

图3为不同采样时间浮游植物Shannon-Wiener指数和Pielou指数变化情况。方便水库丰水期、平水期和枯水期浮游植物的Shannon-Wiener指数分别为2.21，3.88和3.20；浮游植物的 Pielou 均匀度指数分别为0.62，1.13和0.93。结果表明，浮游植物在平水期时种类最丰富，个体分布最均匀。

2.5 库区水质状况

方便水库水温变化范围为2.2～32.5 ℃，水温在枯水期最低，丰水期最高；pH值变化范围为7.21～8.25；溶解氧变化范围为5.90～12.43 mg/L；高锰酸盐指数变化范围为2.7～4.5 mg/L；五日生化需氧量变化范围为0.7～4.0 mg/L；氨氮变化范围为0.026～0.172 mg/L；总磷变化范围为0.02～0.05 mg/L；总氮变化范围为0.34～0.58 mg/L。按丰水期、平水期、枯水期，分别计算各点位各评价指标浓度算术平均值，按照环办〔2011〕22号《地表水环境质量评价办法(试行)》的要求采用单因子评价法进行水质类别评价。结果显示，方便水库总体水质状况较好且稳定，不同时期的水质类别均为Ⅲ类。具体评价结果见表4。

表3 方便水库不同时期优势种和优势度统计

图3 方便水库浮游植物多样性指数趋势Fig.3 Trend of phytoplankton diversity index of Fangbian Reservoir

3条入库河流的单因子水质评价结果如表5所示，西南村河水质较好，丰、平、枯3个水期水质均为Ⅲ类水；青龙桥河丰水期水质为Ⅳ类水，主要超标项目为化学需氧量，平水期和枯水期水质为Ⅲ类水；谢家棚河丰水期为Ⅴ类水，主要超标项目为高锰酸盐指数和五日生化需氧量，平水期和枯水期水质为Ⅲ类水。

3 讨 论

浮游植物是水生生态系统生物资源的基础，作为初级生产者，其种群变动和群落结构直接影响着水生生态系统的结构和功能，水生生态系统浮游植物群落结构的变化与环境因子密切相关，是其对环境适应的结果。因此，浮游植物生物量和物种组成的变化可以反应环境条件的变化。

表4 方便水库水质类别评价

表5 方便水库主要入库河流水质类别评价

在时间维度上，方便水库浮游植物数量在不同水期呈现非常明显的差异。从丰水期至枯水期，丰度从2.29×107cells/L降至2.01×104cells/L，生物量从7.056 9 mg/L降至0.136 2 mg/L。这表明水温是影响浮游植物生物量的重要因素之一[12]。在空间维度上，方便水库浮游植物数量变化也较为明显。从3个时期来看，4个点位的浮游植物数量排序均为1号>4号>2号>3号，而同步监测的TP和TN也呈现同样的变化趋势。这也表明营养盐是影响浮游植物生物量的重要因素之一。本次调查结果与相关作者的研究结果一致，即浮游植物的丰度受营养盐和温度等环境因子的驱动而处于动态变化之中[13-17]。

方便水库浮游植物种类数量在不同水期变化较小，但种群结构差异较大。优势度方面，不同水期库区内浮游植物优势度有所不同。蓝藻门中的束丝藻和伪鱼腥藻优势度最大，3个时期均为优势种。枯水期优势种表现不明显且出现了金藻，有研究指出金藻对温度变化感应灵敏，一般在寒冷的晚秋和冬季生长旺盛[18]。

方便水库浮游生物的Shannon-Wiener指数和 Pielou 均匀度指数结果表明：浮游植物在丰水期时丰富度较高，个体分布较均匀，水体存在轻度污染；平水期和枯水期物种种类丰富，个体分布均匀，水体清洁。本次调查同步监测了主要入库河流的水质状况，结果显示青龙桥河和谢家棚河丰水期的水质状况较差，分别为Ⅳ类和Ⅴ类，这可能是造成丰水期方便水库轻度污染的原因之一。

4 结 论

对南京市方便水库的浮游植物群落结构特征进行了调查研究。结果表明：方便水库存在浮游植物7门81种，其中绿藻门39种，硅藻门18种，蓝藻门11种，裸藻门4种，甲藻门、金藻门和隐藻门各3种；浮游植物丰度范围8.67×103～4.92×107cells/L，生物量范围0.015 2～13.527 9 mg/L，从丰水期至枯水期呈明显下降趋势。不同水期库区内浮游植物优势度有所不同，但蓝藻门中的束丝藻和伪鱼腥藻在3个时期均为优势种；生物多样性指数和水质评价结果均表明方便水库总体水质状况较好，满足集中式生活饮用水源地二级保护区、一般鱼类保护区及游泳区等功能的要求。丰水期受入库河流水质影响，水质变差。今后应持续关注入库河流的水质状况，以保证水库水质的持续向好。