于橋水庫(kù)浮游植物群落特征

鄭吳柯，劉憲斌，趙興貴，陳 曦

天津科技大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300457

浮游植物是水庫(kù)水生生物的主要組成部分之一，在水生生態(tài)系統(tǒng)中起著極為重要的作用，是水生生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程的最初和基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，其組成與多樣性的變化將直接影響到生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能［1］。浮游植物群落結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化能很好地反映水環(huán)境現(xiàn)狀及變化。因此，浮游植物是水環(huán)境的重要指示生物，可以指示水庫(kù)營(yíng)養(yǎng)水平，反過(guò)來(lái)環(huán)境條件也能直接影響浮游植物的群落結(jié)構(gòu)［2］。

于橋水庫(kù)位于薊運(yùn)河左支流州河出口處，控制流域面積2 060 km2，是一個(gè)以城市供水為主的水利工程，總庫(kù)容約15.59×109m3。目前，于橋水庫(kù)作為天津市惟一飲用水水源地和引灤入津工程的大型調(diào)蓄水庫(kù)，每年向天津市供水約9×109m3，其水質(zhì)變化特點(diǎn)及其富營(yíng)養(yǎng)化程度將直接影響著天津市生活用水以及引灤水質(zhì)的好壞［3-6］。

自20世紀(jì)90年代后期以來(lái)，于橋水庫(kù)內(nèi)藻類大量繁殖，富營(yíng)養(yǎng)化成為于橋水庫(kù)的主要水質(zhì)問(wèn)題，尤其是每年的7—9月藻類大量繁殖影響了城市供水水質(zhì)，已成為多方關(guān)注的焦點(diǎn)［7-10］。于橋水庫(kù)水質(zhì)總體處于中～富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，氮磷含量均超出其水功能規(guī)劃水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求［11］。目前，關(guān)于于橋水庫(kù)浮游植物的季節(jié)性變化規(guī)律研究相對(duì)較少。該文以2012年春、夏、秋季于橋水庫(kù)浮游植物調(diào)查為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)其結(jié)構(gòu)組成、細(xì)胞密度和多樣性指數(shù)的變化規(guī)律分析，了解于橋水庫(kù)浮游植物群落特征，為防止水源地水華的大量暴發(fā)和富營(yíng)養(yǎng)化治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 樣品的采集與分析

于2012年春季(5月1日)、夏季(7月8日)和秋季(11月1日)在于橋水庫(kù)共布設(shè)5個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行采樣(圖1)，樣品的采集分為定性和定量2種。樣品采集48 h后利用顯微鏡在放大400倍的視野下進(jìn)行浮游植物種類鑒定及計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)采用計(jì)數(shù)框行格法，浮游植物種類鑒定參照《中國(guó)淡水藻類:系統(tǒng)、分類及生態(tài)》［12］。

圖1 于橋水庫(kù)浮游植物采樣點(diǎn)

1.2 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)各采樣點(diǎn)所獲樣品浮游植物的生物密度，分別對(duì)樣品的香農(nóng)-韋弗(Shannon-Weaver)多樣性指數(shù)H'、均勻度(Pielou指數(shù))J、優(yōu)勢(shì)度Y、豐富度d等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)評(píng)價(jià)分析，數(shù)據(jù)處理軟件為Primer 6.0，繪圖軟件為Origin 8.0。計(jì)算公式:

2 結(jié)果與討論

2.1 浮游植物群落組成

3次調(diào)查共鑒定出浮游植物7門(mén)63屬114種，其中綠藻門(mén)(Chlorophyta)31屬、藍(lán)藻門(mén)(Cyanophyta)8屬、硅藻門(mén)(Diatoms)11屬、裸藻門(mén)(Euglenophyta)6屬、甲藻門(mén)(Pyrrophyta)4屬、隱藻門(mén)(Cryptophyta)2屬和黃藻門(mén)(Xanthophyta)1屬。群落組成以綠藻-硅藻為主，分別為62種和19種，占藻類總數(shù)的71.05%，其余各門(mén)類占藻類總種數(shù)的28.95%。馮洪超等［13］于2008年5月(春)、7月(夏)、9月(秋)對(duì)于橋水庫(kù)10個(gè)采樣點(diǎn)的浮游植物進(jìn)行了監(jiān)測(cè)分析，其屬類變化與歷史資料對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 于橋水庫(kù)浮游植物群落變化屬

由表1可知，于橋水庫(kù)浮游植物群落組成以綠藻-硅藻為主，30年間變化不大，但2008年和2012年的屬比1976年調(diào)查的結(jié)果有所減少，這是由于近年來(lái)于橋水庫(kù)周邊及上游地區(qū)人口和經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，造成水質(zhì)惡化，富營(yíng)養(yǎng)化加?。?4］，導(dǎo)致于橋水庫(kù)浮游植物多樣性功能有所降低。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，1976年樣品中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)隱藻門(mén)和黃藻門(mén)，而2008年和2012年均采集到這2個(gè)門(mén)類，金藻門(mén)由1976年的3屬降至2006年的2屬，本次采樣中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)金藻門(mén)。這種富營(yíng)養(yǎng)型藻類(隱藻)的出現(xiàn)和貧營(yíng)養(yǎng)型藻類(金藻)的消失也反映了近年來(lái)于橋水庫(kù)水質(zhì)功能逐年下降的事實(shí)。

2.2 浮游植物細(xì)胞密度

2.2.1 浮游植物細(xì)胞密度季節(jié)變化

于橋水庫(kù)春、夏、秋季浮游植物細(xì)胞密度均值分別為144.87×104、3 291.89×104、733.48×104個(gè)/L(圖2)，具有明顯的季節(jié)變化規(guī)律，表現(xiàn)為春季密度較低，夏季急劇增長(zhǎng)，秋季又有所回落，夏季顯著高于春季和秋季。這是由于夏季是藻類的生長(zhǎng)繁殖期，隨著溫度的不斷升高，光照作用增強(qiáng)，水體環(huán)境越來(lái)越適合浮游植物的增長(zhǎng)，促進(jìn)了浮游植物數(shù)量的增加［15］。楊虹等［16-17］研究也表明，淀山湖和密云水庫(kù)夏季浮游植物細(xì)胞密度均高于其他季節(jié)。

圖2 2012年春、夏、秋季于橋水庫(kù)浮游植物細(xì)胞密度變化

由圖2可以看出，于橋水庫(kù)浮游植物密度沒(méi)有明顯的空間分布規(guī)律。其中，5#采樣點(diǎn)浮游植物密度在春季和秋季均高于其他采樣點(diǎn)，這是由于該采樣點(diǎn)處于淋河和果河的交匯處，是于橋水庫(kù)的進(jìn)水口，上游水體中攜帶的大量氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)匯集于此，易引起水體富營(yíng)養(yǎng)化。隨著水體進(jìn)入水庫(kù)，大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)通過(guò)物理、化學(xué)和生物作用被稀釋分解，水質(zhì)相對(duì)變好，說(shuō)明于橋水庫(kù)具有一定的自凈能力。皺紅菊等［18］研究也表明，鶴地水庫(kù)在入水口處匯集了上游的大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，導(dǎo)致其生物密度從入水口至大壩區(qū)依次降低。夏季，入庫(kù)河流中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被大量的降水稀釋，而水體在于橋水庫(kù)中的水力停留時(shí)間又相對(duì)較長(zhǎng)，會(huì)增加其中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度，所以，此時(shí)5#采樣點(diǎn)的生物密度會(huì)低于其他采樣點(diǎn)。

2.2.2 浮游植物細(xì)胞密度組成及優(yōu)勢(shì)種變化

2012年春季于橋水庫(kù)浮游植物細(xì)胞密度以硅藻和綠藻為主，分別占總細(xì)胞密度的49.8%和34.4%(表 2)，隱藻和藍(lán)藻分別占 8.5%和6.9%。夏季，藍(lán)藻大量繁殖成為絕對(duì)優(yōu)勢(shì)種，占總細(xì)胞密度的82.2%，硅藻、綠藻和隱藻分別降至0.4%、16.7%和0.3%。秋季，藍(lán)藻的密度百分比有所降低，但仍占總細(xì)胞密度的63.2%，而硅藻、綠藻和隱藻分別升至11.9%、22.3%和2.5%。黃藻、甲藻和裸藻均低于總密度的1%，且黃藻僅在夏季出現(xiàn)。

表2 于橋水庫(kù)浮游植物細(xì)胞密度組成變化 104個(gè)/L

Sommer［19］等通過(guò)對(duì)大量浮游生物和理化因子的分析，提出了著名的PEG(Plankton Ecology Group)模型。PEG模型中浮游植物生長(zhǎng)的規(guī)律:從冬、春季的隱藻和硅藻轉(zhuǎn)變?yōu)橄募镜木G藻，到夏末秋初則為藍(lán)藻占優(yōu)勢(shì);隨著秋季的到來(lái)，硅藻的重要性再次提升，這一模型主要反映中營(yíng)養(yǎng)水平深水湖泊的情況。于橋水庫(kù)作為華北地區(qū)淺水型水庫(kù)，其藻類變化與PEG模型基本一致，但是，藍(lán)藻生長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，生物密度大，體現(xiàn)了于橋水庫(kù)在夏、秋季較高的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。

浮游植物優(yōu)勢(shì)種和種類組成能較好地反映水體的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)［20］。2012年于橋水庫(kù)浮游植物優(yōu)勢(shì)種及優(yōu)勢(shì)度變化見(jiàn)表3。

表3 于橋水庫(kù)浮游植物優(yōu)勢(shì)種及優(yōu)勢(shì)度變化

一般認(rèn)為，優(yōu)勢(shì)種種類越多且優(yōu)勢(shì)度越小，說(shuō)明水體的群落結(jié)構(gòu)越復(fù)雜、穩(wěn)定［21］。優(yōu)勢(shì)種與水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系:金藻門(mén)的大量出現(xiàn)往往表明水體為貧營(yíng)養(yǎng)，硅藻門(mén)代表水體為中營(yíng)養(yǎng)，硅藻和綠藻代表中富營(yíng)養(yǎng)水體，藍(lán)藻和綠藻說(shuō)明水體為富營(yíng)養(yǎng)型［22］，進(jìn)一步的研究表明，藍(lán)藻是耐污性比較強(qiáng)的種類，它的優(yōu)勢(shì)度越高說(shuō)明富營(yíng)養(yǎng)化程度越嚴(yán)重［23-25］，此次調(diào)查發(fā)現(xiàn)，于橋水庫(kù)2012年春季第一優(yōu)勢(shì)種為硅藻門(mén)的尖針桿藻(Synedra acus)，優(yōu)勢(shì)度為0.38，其他優(yōu)勢(shì)種的優(yōu)勢(shì)度偏低且比較均勻，夏季第一優(yōu)勢(shì)種為藍(lán)藻門(mén)的束絲藻屬(Aphanizomenon)，優(yōu)勢(shì)度達(dá)到了0.54，顯著高于其他優(yōu)勢(shì)種，秋季第一優(yōu)勢(shì)種為藍(lán)藻門(mén)的柔軟腔球藻(Coelosphaerium kuetzingianum)，其優(yōu)勢(shì)度僅為0.29，硅藻門(mén)的梅尼小環(huán)藻優(yōu)勢(shì)度達(dá)到了0.12，綜合以上分析，春季于橋水庫(kù)營(yíng)養(yǎng)水平為中營(yíng)養(yǎng)，夏季達(dá)到了富營(yíng)養(yǎng)化水平，秋季為中富營(yíng)養(yǎng)水體。

2.2.3 浮游植物細(xì)胞密度歷史變化

于橋水庫(kù)引灤通水前期，水體質(zhì)量較好，為貧-中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，達(dá)到國(guó)家地表水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ-Ⅲ級(jí)，自1990年后進(jìn)入富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，其水質(zhì)惡化和富營(yíng)養(yǎng)化發(fā)展速度迅速［26］。浮游植物細(xì)胞密度和營(yíng)養(yǎng)鹽的歷史變化見(jiàn)表4，其中1986—1988年數(shù)據(jù)由天津市引灤工程于橋水庫(kù)管理處提供，1998年數(shù)據(jù)是程君敏［27］對(duì)于橋水庫(kù)浮游植物和營(yíng)養(yǎng)鹽連續(xù)12個(gè)月監(jiān)測(cè)的結(jié)果。

表4 于橋水庫(kù)浮游植物細(xì)胞密度及營(yíng)養(yǎng)鹽變化

由表4可知，2012年于橋水庫(kù)浮游植物細(xì)胞密度比1986—1988和1998年調(diào)查結(jié)果分別增加了近14倍和4倍，TN、TP評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，1986—1988年為Ⅱ～Ⅲ類水質(zhì)，1998年為Ⅳ～Ⅴ類水質(zhì)，而2012年TN濃度超出Ⅴ類水質(zhì)的限值，這可能是2012年夏季采樣處于藍(lán)藻水華的高峰期造成的，但總體來(lái)說(shuō)，30年來(lái)于橋水庫(kù)水質(zhì)發(fā)生了巨大的變化，富營(yíng)養(yǎng)化水平顯著增加，這與秦錚［28］等的研究結(jié)果一致。

2.3 浮游植物多樣性指數(shù)

物種多樣性能表征生物群落和生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，該文選取香農(nóng)-韋弗(Shannon-Weaver)多樣性指數(shù)H'、均勻度J、優(yōu)勢(shì)度Y和豐富度d對(duì)于橋水庫(kù)水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。豐富度是表示群落中種類豐富程度的指數(shù)，一般而言，豐富度越高，水體環(huán)境越好;均勻度反應(yīng)種間個(gè)體數(shù)的分布情況，J值小說(shuō)明種間個(gè)體的分布不均勻。多樣性指數(shù)H'是判斷湖泊水庫(kù)營(yíng)養(yǎng)狀況最常用的指標(biāo)［29］。通常認(rèn)為，當(dāng)0＜H'＜1時(shí)，水體為富營(yíng)養(yǎng);當(dāng)1＜H'＜3時(shí)，水體為中營(yíng)養(yǎng);而當(dāng)H'＞3時(shí)，水體為貧營(yíng)養(yǎng)。

于橋水庫(kù)春、夏、秋季浮游植物群落多樣性指數(shù)見(jiàn)圖3。多樣性指數(shù)H'在春、夏、秋季均值分別為3.22、2.51和3.17，夏季低于春季和秋季，但沒(méi)有顯著性差異，春季和秋季最低值均出現(xiàn)在5#采樣點(diǎn)。均勻度指數(shù)季節(jié)變化規(guī)律為秋、春季(0.65)高于夏季(0.48)，說(shuō)明于橋水庫(kù)春、秋季種間個(gè)體分布較均勻，而夏季則均勻性較差。由于多樣性指數(shù)H'是反應(yīng)均勻度和豐富度的綜合指標(biāo)［30］，從而可以判斷秋季豐富度較低是引起其多樣性指數(shù)H'低于夏季的主要原因。

圖3 于橋水庫(kù)浮游植物多樣性指數(shù)

于橋水庫(kù)春、秋季香農(nóng)-韋弗多樣性指數(shù)H'均大于3，為貧營(yíng)養(yǎng)水體，夏季H'值為2.51，水體呈中營(yíng)養(yǎng)化，富營(yíng)養(yǎng)化程度加深，這是由于夏季水溫較高，喜高溫的藍(lán)藻大量繁殖，導(dǎo)致水體污染加重。張婷等［31］的研究也表明，熊河水庫(kù)夏季香農(nóng)-韋弗多樣性指數(shù)H'低于其他季節(jié)，與本文的結(jié)論一致。

3 結(jié)論

1)3次調(diào)查共鑒定出綠藻、藍(lán)藻、硅藻、裸藻、甲藻、隱藻、黃藻7門(mén)114種。其中，春季共鑒定出6門(mén)62種，群落組成以綠藻-硅藻為主;夏季7門(mén)85種，群落組成以綠藻-硅藻為主;秋季浮游植物6門(mén)50種，群落組成以綠藻-藍(lán)藻為主。

2)于橋水庫(kù)浮游植物密度有明顯的季節(jié)變化規(guī)律。春季浮游植物細(xì)胞密度為71.18×104～328.00×104個(gè)/L，平均密度為144.87×104個(gè)/L;夏季浮游植物細(xì)胞密度為1 876.14×104～4 636.64×104個(gè)/L，平均密度為3 291.89 ×104個(gè)/L，分別為春季和秋季浮游植物密度平均值的22.7倍和4.49倍;秋季浮游植物細(xì)胞密度為456.10×104～1 380.50×104個(gè)/L，平均密度為733.48×104個(gè)/L。

3)于橋水庫(kù)春、夏、秋季浮游植物香農(nóng)-韋弗多樣性指數(shù) H'平均值分別為3.22、2.51、3.17。2012年于橋水庫(kù)春季、秋季為貧營(yíng)養(yǎng)水體，夏季為中營(yíng)養(yǎng)水體，且有暴發(fā)水華的危險(xiǎn)，應(yīng)引起足夠的重視。

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