LD水库浮游植物群落结构特征及水质评价

陈玲珊 林雄平 林彦杰 吴舒英

摘要 浮游植物具有生命周期短、對环境变化敏感等特点，其群落结构能较好地反映水生生态系统的营养状况，被作为评价水体营养水平的重要环境指示生物。为探究LD水库浮游植物群落结构特征及水质健康状况，于2021年5—12月对水库4个位点进行4次采样，对其水质指标和浮游植物群落结构进行分析，采用单因素方差分析方法进行数据分析。结果表明，水库水质整体为Ⅱ类水，营养水平为轻度富营养状态；共检测出藻类6门30属37种，季节演替变化为绿藻门—绿藻门—裸藻门—硅藻门。水库浮游植物平均细胞密度为（4.24×106±2.69×106）cells/L，春夏两季细胞密度明显高于秋冬两季。生物量密度平均值（10.53±6.71）mg/L，最高值出现于春季，最低值出现于秋季，且季节间生物量密度差异无统计学意义（P >0.05）。总氮平均浓度为（1.444±0.590）mg/L，总磷平均浓度为（0.004 5±0.004 0）mg/L，pH值年平均为8.25±1.32，水体总体呈弱碱性，叶绿素a平均浓度为（18.59±15.14）μg/L，溶氧量年平均值为8.69±0.60；春夏秋冬的总氮和pH差异有统计学意义（P<0.05），而叶绿素a、总磷差异无统计学意义（P >0.05）。RDA分析表明，影响水库浮游植物群落状况的环境指标主要为硝酸盐氮。

关键词 浮游植物；环境因子；群落结构；水质评价

中图分类号 Q948.8；X824 文献标识码 A

文章编号 1007-7731（2024）08-0061-08

Characteristics of phytoplankton community structure and water quality assessment

in LD Reservoir

CHEN Lingshan    LIN Xiongping    LIN Yanjie    WU Shuying

（School of Biological Science and Engineering， Ningde Normal University， Ningde 352100， China）

Abstract Phytoplankton has the characteristics of short life cycle and sensitivity to environmental changes， and its community structure can better reflect the nutritional status of aquatic ecosystems， and has become an important environmental indicator for evaluating the nutritional level of water bodies. To explore the structural characteristics of phytoplankton communities in the LD Reservoir and evaluate its water quality， four samples were taken from four sites in the reservoir from May to December 2021， and the water quality index and phytoplankton community structure were analyzed， and the data was analyzed using one-way ANOVA. The results indicated that the water quality of Liudu Reservoir was classified as Class II water， with a slightly eutrophic level. A total of 6 phyla， 30 genera， and 37 species of algae were detected in the Liudu Reservoir， with seasonal succession changing from Chlorophyta， Chlorophyta， Euglenophyta and Diatoma. The average cell density of phytoplankton in the reservoir was measured to be （4.24×106±2.69×106 ）cells/L， the cell density in spring and summer was significantly higher than that in autumn and winter. The average biomass density was measured to be （10.53±6.71） mg/L， the biomass density value was highest in spring and lowest in autumn. There was no significant difference in biomass density between seasons （P >0.05）. The overall average concentration of total nitrogen was measured to be （1.444±0.590） mg/L， and the overall average concentration of total phosphorus was measured to be （0.004 5±0.004 0） mg/L. The annual average pH was measured to be 8.25±1.32， and the water was weakly alkaline. The overall average concentration of chlorophyll a was measured to be （18.59±15.14） μg/L. The annual average dissolved oxygen content was measured to be （8.69±0.60）. And the differences in total nitrogen and pH between spring， summer， autumn， and winter were extremely significant （P <0.05）， while there was no significant difference in chlorophyll a and total phosphorus（P >0.05）. RDA analysis showed that the important environmental indicators affecting the growth status of phytoplankton communities in the Liudu Reservoir was nitrate nitrogen.

Keywords phytoplankton; environmental factors; community structure; water quality evaluation

浮游植物（Phytoplankton）是一个生态学概念，是指生活在水体表层、体积微小的植物，通常指浮游藻类，作为水生态系统的生产者，浮游植物在能量流动、物质输移和信息传递等方面起着重要作用[1-2]。浮游植物具有繁殖速度快，生活周期短，对周围环境变化敏感的特点[3-4]，其空间分布和群落结构能较好地反映水生态系统的健康状况，被作为评价水体营养等级的重要环境指示生物[5-6]。水体富营养化是目前水环境保护面临的突出问题之一。为确保水源安全，开展水源地富营养化调查和水环境健康状况的监测与评价已引起学者的广泛关注。本研究通过对LD水库浮游植物群和水体等环境因子进行为期1年的季度性实地取样检测，分析浮游植物群落时空结构和优势种的演替特性，了解该水库浮游植物的时空分布规律与水环境健康状况，为水资源保护提供参考。

1 材料和方法

1.1 水样采集

1.1.1 水库概况  LD水库位于福建省东部沿海地区。水库为建成于1959年的小（二）型水库，其主要功能是供水、防洪、灌溉和改善水环境综合利用[7]。总库容量51.00万m3。

1.1.2 水样位点  先根据地图对水库采样点进行预设，实地考察后，从坝头到源头设置4个水位采样点，具体如下：位点1（26°44′32″ N，119°32′4″ E），位点2（26°44′36″ N，119°32′5″ E），位点3（26°44′42″ N，119°32′4″ E），位点4（26°44′44″ N，119°31′57″ E）。于2021年5—12月，按季节共采集16份水质样品。

1.1.3 水样采集方法  采样材料：YSI仪器、浮游生物网、1.5 L水瓶、5 L透明水袋、EP管、配制好的鲁格试剂、透明盘、打捞桶、长绳和延伸棍等。

在各个位点用采水工具将水装入水袋，同时取1 L水装入1.5 L水瓶中，并在水瓶中滴加2滴管鲁格试剂，使藻类固定，避光保存。使用浮游生物网过滤收集藻类后装入EP管，密封避光保存。

1.2 研究方法

1.2.1 水质指标检测  本研究中所检测的水质指标为温度（T）、pH、溶解氧（DO）、电导率（EC）、透明度（TSR）、总氮（TN）、总磷（TP）、氨氮（[NH+4]-N）、硝酸盐氮（[NO-3]-N）和叶绿素a（Chla）。其中溶解氧、电导率、温度和pH采用YSI水质测定仪现场测定，透明度使用赛氏透明盘在采样位点现场测定，其余水质指标采集24 h内带回实验室检测。

取5 L水袋中的水于烧杯中，对水样进行检测。水质指标包括总氮、总磷、氨态氮和硝酸盐氮，参照《水和废水监测分析方法（第四版）》[8]。叶绿素a（Chla）使用分光光度法进行测定[9]。

检测数据采用Excel进行处理，采用单因素方差分析检验不同季节对单个水质参数的影响。在方差分析之前，对所有原始数据进行Shapiro-Wilk检验，检验是否符合正态性检验。数据满足正态性及方差齐性，则用One-way ANOVA进行检验，其事后检验则用LSD进行显著性差异判断；若数据不满足方差齐性，则用韦尔奇检验，其事后检验则用塔姆黑尼检验；若数据不满足正态分布，则用克鲁斯卡尔-沃利斯H检验；取P <0.05作为有统计学差异的判定标准。

1.2.2 藻类鉴定  藻类鉴定实验器材：光学显微镜、电脑、洗耳球、医用输液管、50 mL小瓶子、浮游生物计数板、盖玻片、甘油、移液枪和擦镜纸等。

将1.5 L水静置48 h后虹吸，浓缩至30～50 mL装入小瓶子，此时藻类已无生物活性，易于观察计数。检测藻类前摇匀，迅速吸取100 μL浓缩水样加入浮游生物计数板中，置于光学显微鏡400倍镜下计数[10]，观察藻类形态特征，记录各个位点藻类种属与数量，与《浙江省主要常见淡水藻类图集（饮用水水源）》[11]、《福建省大中型水库常见淡水藻类图集》[12]进行对比鉴定。使用光学显微镜直接观察EP管中的新鲜活藻并用电脑软件保存藻类图片，同样对比图集进行藻类鉴定，了解水库的浮游植物群落组成。

2 结果与分析

2.1 浮游植物的群落组成

通过对浮游植物进行显微镜观察和对比鉴定，共鉴定出浮游植物6门30属37种，按物种数量多到少依次是绿藻门、硅藻门、蓝藻门、裸藻门、隐藻门和甲藻门，其种类构成如图1所示。水库浮游植物的群落组成以绿藻门和硅藻门为主。

浮游植物细胞密度平均值为（4.24×106±2.69×106）cells/L，夏季最高，平均细胞密度为6.74×106 cells/L，各位点中属3号位点密度最大，为1.19×107 cells/L（图2A）。数据分析表明，春夏秋冬四季浮游植物细胞密度的差异无统计学意义（P >0.05），但春夏两季细胞密度明显高于秋冬两季（P<0.05）。夏季氮、磷含量较高，藻类大量繁殖，水体富营养化。秋冬两季水体营养逐渐减少，浮游植物的细胞密度逐渐减少。将得到的细胞数量数据带入Pielou均匀度指数公式，得出均匀度为0.83±0.09，4个季节的均匀度差异无统计学意义（P>0.05），水体无污染。香农指数H'值为2.11±0.3，水体为中度污染，综合评价水质状况为轻度污染。在春夏季，绿藻门为水库的优势类群；秋季，蓝藻门和裸藻门为优势类群；冬季，绿藻门和硅藻门为优势类群[13]（图2B）。

2.3 不同季节浮游植物生物量空间变化

从水库浮游植物生物量的空间分布（图3）可以看出，春季水库平均生物量为（12.34±9.84）mg/L，各位点中属4号位点平均生物量最低，1号位点最高；夏季平均生物量为（10.42±6.68）mg/L，其中4号位点平均生物量最低，3号位点最高；秋季平均生物量为（12.33±7.21）mg/L，其中4号位点最低，2号位点最高；冬季平均生物量为（7.03±2.53）mg/L，其中4号位点最低，3号位点最高。4号位点作为水库源头，流动性强，浮游植物随水流进入水库，故生物量密度稳定且小，并且各季节的生物量密度差异无统计学意义（P>0.05）。第1、2和3号位点生物量密度呈现一定波动，可能是受到附近农业活动或人为因素的干扰。

2.4 水质指标分析

2.4.1 总氮和总磷  水库不同季度的总氮平均浓度为（1.444±0.590）mg/L，春季平均浓度为1.950 mg/L，波动范围在1.623～2.127 mg/L；夏季平均浓度为2.043 mg/L，波动范围在1.948～2.179 mg/L；秋季平均浓度为0.901 mg/L，波动范围在0.656～0.993 mg/L；冬季平均浓度为0.883 mg/L，波动范围在0.649～0.977 mg/L，不同季节的总氮浓度差具有统计学意义（P<0.05）。如图4（A）所示，春夏两季总氮浓度明显高于秋冬两季，其中夏季最高，冬季最低，总氮浓度存在明显季节变化，且春夏两季总氮浓度高于1.5 mg/L；不同季节的总磷平均浓度为（0.004 5±0.004 0）mg/L，波动范围在0.000 5～0.008 9 mg/L。如图4（B）所示，总磷浓度普遍偏低，其中春季最高，冬季最低，各季节的总磷浓度差异无统计学意义（P>0.05）。4号位点位于源头，水质优良，总氮、总磷含量明显低于其他位点。

2.4.2 氨氮和硝酸盐氮  水库各季节氨氮平均浓度为0.26 mg/L，浓度变幅为0.236～0.291 mg/L；不同季节水库的氨氮浓度差异有统计学意义（P<0.05）。硝酸盐氮平均浓度为0.811 mg/L，浓度变幅为0.089～2.215 mg/L，不同季节水库的硝酸盐氮浓度差异有统计学意义（P<0.05）。

水库各季节氨氮和硝酸盐氮波动范围及平均浓度如图5所示，从变化趋势上可以看出，氨氮和硝酸盐氮浓度大部分随着时序变化而上升。

2.4.3 叶绿素a  水库浮游植物叶绿素a的浓度范围为2.10～47.76 μg/L，平均浓度为（18.59±15.14） μg/L，其中春季位点2浓度达47.76 μg/L，为当年最高，最低的是秋季位点4。从图6可看出，不同季節水库的叶绿素a浓度差异无统计学意义（P>0.05）。春季叶绿素a含量偏高，冬季较低，冬季4个位点的水质富营养化水平明显降低，表明随着温度的降低，冬季大部分浮游植物进入休眠期[15]。4号位点是水库的源头，水流量大，流动性强，藻类聚集少，因此叶绿素a含量持续较低。

2.4.4 其他环境因子  水库不同季节的水化指标数据见表1，分析表明，不同季节的水温、pH和溶解氧差异有统计学意义（P<0.01），而电导率差异无统计学意义（P>0.05）。水温差异较为明显，变动范围在11.6～35.8 ℃，夏季水温最高。其中夏季位点1出现年最高温，冬季位点4出现年最低温。4号位点位于源头，海拔较高，水温普遍低于其他位点。

注：*表示P<0.05，**表示P<0.01。

溶解氧平均值最大的是冬季（9.80±0.2）mg/L，最低的是夏季（7.10±0.6）mg/L。根据数据分析，溶解氧的浓度变化受季节影响较大，溶解氧的浓度高低跟浮游藻类的数量、水体的有机物质含量高低有关，推测浮游藻类的数量也会随着季节有所变化。

水库年平均pH值为8.25±1.32，水体呈弱碱性，pH值变动范围为6.0～9.4，变化幅度较大，其中春季4号位点的pH值最小（6.0），冬季1号位点pH值最大（9.4），从春季到冬季呈上升趋势。春季平均pH值低于其他季节，该季节降雨时间长，雨水冲刷地表有机质增多，富含有机质的地表径流汇入水库，使水体pH降低。

2.5 浮游植物与环境因子的关系

2.5.1 浮游植物细胞密度优势种及其与环境因子的关系  使用Canoco 5.0进行去趋势对应分析后，再选用冗余分析（RDA）进行约束性排序。RDA分析结果表明，硝酸盐氮（[NO-3]-N）是影响水库浮游植物细胞密度分布的重要环境指标（P<0.05）。

由图7可知，微囊藻、隐球藻、裸藻、尖尾蓝隐藻、多甲藻、衣藻、小球藻、鼓藻和小环藻与总氮、温度呈正相关性，与其他环境因子呈负相关性。小环藻与pH、电导率、透明度和总磷呈正相关性。舟形藻与pH、电导率、透明度、总磷、氨氮、溶氧量和硝酸盐氮呈正相关性，与总氮和温度呈负相关性[16]。

2.5.2 浮游植物生物量优势种及其与环境因子的关系  RDA分析得出，温度、pH、透明度和总氮是影响水库浮游植物生物量分布的环境因子（P<0.05）。除空球藻外，其他所有优势种都与温度和总氮呈正相关性。多甲藻、小球藻、空球藻、鼓藻、小环藻、舟形藻和直链藻与pH和电导率呈正相关性。空球藻与氨氮呈正相关性，其他所有藻类都与氨氮、溶氧量、总磷、透明度和硝酸盐氮呈负相关性（图8）。

图8 水库生物量RDA分析2.5.3 水库浮游植物与环境因子相关性分析  水库浮游植物与环境因子（叶绿素a、pH、温度、溶解氧、总氮、总磷、硝酸盐氮、香农指数和电导率）的相关性矩阵见图9。叶绿素a与细胞密度、生物量、温度都具有明显的相关性。说明叶绿素a浓度越高，浮游植物细胞密度和生物量越大，温度升高会促进浮游植物的生长。

溶氧量和氨氮呈明显相关性（P<0.01）。细胞密度与丰富度呈明显相关性（P<0.001）。温度与总磷、溶氧量、氨氮和硝酸盐氮呈正相关性（P<0.01），表明随着温度升高，总磷、氨氮、硝酸盐氮和溶氧量也相应增加。在温度逐渐上升时，要注意按期检测水质的各项指标，防止浮游藻类增加而影响水质。

3 结论与讨论

本研究对LD水库4个位点的16份水样进行了水质指标测定与分析，并对水中浮游植物进行了鉴定。水库四个季节的总氮平均浓度为（1.444±0.590）mg/L，春夏两季总氮浓度明显高于秋冬两季，总氮浓度存在明显季节性变化；水库总磷平均浓度为（0.004 5±0.004 0）mg/L，总磷浓度普遍较低，符合Ⅰ类水标准。水库秋冬两季总氮浓度符合Ⅲ类水标准，而春夏两季总氮浓度过高，水体较混浊，需在春夏两季加强对水库的管理；春夏季与秋冬季水库的总氮浓度差异具有统计学意义（P<0.05）。水库氨氮平均浓度为0.26 mg/L，浓度变幅为0.236～0.291 mg/L，不同季节的氨氮浓度差异有统计学意义（P<0.05）；硝酸盐氮平均浓度为0.811 mg/L，浓度变幅为0.089～2.215 mg/L，不同季节水库的硝酸盐氮浓度差异有统计学意义（P<0.05）。水库溶解氧平均值最大的是冬季，最小的是夏季，总体平均值为8.6 mg/L，达到Ⅰ类水标准。综合各指标判断，该水库的水质为Ⅱ类。水库pH值平均为8.25±1.32，水体呈弱碱性，不同季节水库的pH值差异有统计学意义（P<0.05），推测水库pH较高的原因可能是水库受到附近居民生活污水排放、农事活动等的干扰。水库浮游植物叶绿素a的浓度在2.10～47.76 μg/L，平均叶绿素a浓度为（18.59±15.14）μg/L；春季叶绿素a含量偏高，冬季较低，冬季4个位点的水质富营养化水平明显降低，说明随着温度的降低，冬季大部分浮游植物进入休眠期[17]。

本研究基于显微图像进行人工判断方法对浮游植物进行鉴别计数[18]。通过对藻类进行定量分析，水库浮游植物生物量变动范围在2.17～22.65 mg/L，细胞密度平均值为（4.24×106±2.69×106）cells/L。该水库的浮游植物种类组成与浙江周公宅水库浮游植物的种类组成相近[19]。通过R语言对水质评价生物指标进行分析，并对环境因子与物种数据进行RDA分析，发现硝酸盐氮与浮游植物的细胞密度有明显的相关关系。其中总氮、温度是细胞密度优势种群微囊藻、隐球藻、裸藻、尖尾蓝隐藻、多甲藻、衣藻、小球藻、鼓藻、小环藻、直链藻、舟形藻和囊裸藻分布的主要环境驱动因子。在氮、磷等营养满足藻类生长繁殖的情况下，水温是绿藻门和蓝藻门浮游植物分布的主要影响因子[20]。绿藻对于水体温度的适应广泛，其适宜生长的温度为20～30 ℃，也能很好地适应较高温度的水体环境，因此水库浮游植物群落结构主要为绿藻型[21]。蓝藻宜生长温度为25～35 ℃，适宜pH值为8.0～9.5，水库pH平均值为8.24，在水体富营养化情况下，蓝藻可能会大量暴发[19，22]。湖泊或水库，库容相对较小，水库水域较为集中，更易受到外界环境影响[23]。LD水库作为饮用水源，需定期监测水质、浮游植物物种及数量。讨论浮游植物与环境因子之间的互指示性时，应综合考虑研究区域多方面的影响因素[24]。

本研究通过对LD水库浮游植物群落结构和水体等环境因子进行为期1年的季度性实地取样检测，分析浮游植物群落时空结构和优势种的演替特性，了解水库浮游植物的时空分布规律与饮用水源水环境健康状况，为当地水资源保护与饮用水安全提供参考。

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（责编：何 艳）

基金项目 福建省自然科学基金面上项目（2023J011074）；福建省大学生创新创业训练计划项目（S202310398004）。

作者简介 陈玲珊（2003—），女，福建福安人，从事藻类学研究。

通信作者 林雄平（1979—），男，福建寿宁人，硕士，副教授，从事藻类学研究。

收稿日期 2023-11-16