基于浮游植物群落的青島世園會天水水庫水體評價

張曉紅，劉旭東，孫立娥，趙 璐，MUHAMMAD Shafi

1.青島市環(huán)境監(jiān)測中心站，山東 青島 266003

2.Lasbela University of Agriculture,Water and Marine Sciences,Balochistan Pakistan

基于浮游植物群落的青島世園會天水水庫水體評價

張曉紅1，劉旭東1，孫立娥1，趙 璐1，MUHAMMAD Shafi2

1.青島市環(huán)境監(jiān)測中心站，山東 青島 266003

2.Lasbela University of Agriculture,Water and Marine Sciences,Balochistan Pakistan

于2014年5—9月逐月對青島世園會園區(qū)內(nèi)的天水水庫進(jìn)行了浮游植物群落結(jié)構(gòu)研究，共發(fā)現(xiàn)浮游植物7門42屬66 種，密度變化范圍為18.48×104～427.00×104個/L，優(yōu)勢種為克羅脆桿藻(Fragilariacrotonensis)、銅綠微囊藻(Microcystisaeruginosa)和尖尾藍(lán)隱藻(Chroomonasacuta)，監(jiān)測期間浮游植物密度逐漸升高，均勻度和多樣性指數(shù)呈下降趨勢。聚類結(jié)果顯示，監(jiān)測區(qū)域大致可按月分為3個浮游植物群落，分別為綠藻型、硅藻-隱藻型、藍(lán)藻型。冗余分析表明，氨氮、CODMn及總氮與水庫浮游植物的群落結(jié)構(gòu)關(guān)系最為密切。水質(zhì)評價顯示，天水水庫水質(zhì)處于中度污染，營養(yǎng)水平為中營養(yǎng)。

青島世園會；天水水庫；浮游植物群落；水質(zhì)評價

浮游植物是水域中的初級生產(chǎn)者，是食物鏈的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，在生態(tài)系統(tǒng)的平衡中起著重要的作用。浮游植物是評價水體營養(yǎng)等級的重要環(huán)境指示生物，浮游植物群落的種類組成和數(shù)量結(jié)構(gòu)變化具有一定規(guī)律，主要受相關(guān)的物理、化學(xué)和生物等環(huán)境因子的影響,其群落結(jié)構(gòu)特征也被作為水環(huán)境評價的重要指標(biāo)[1-4]。

2014年青島世界園藝博覽會(簡稱青島世園會) 屬A2+B1級別的國際性園藝博覽會，于2014年4月25日—10月25日在青島市李滄區(qū)東部百果山腳下舉辦。青島世園會規(guī)劃總占地面積為241 hm，場址匯集了北側(cè)嶗山余脈的匯水(李村河的發(fā)源地之一)。園區(qū)內(nèi)分布著畢家上流水庫、上流水庫和鞍子溝水庫，世園會會址以庫容82萬m3的畢家上流水庫為核心，形成“天水”景區(qū)[5]。

研究于2014年5—9月青島世園會期間逐月對園區(qū)內(nèi)的天水水庫進(jìn)行浮游植物群落與水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測，由于未有歷史資料，特結(jié)合地理位置相近的嶗山水庫[6]、棘洪灘水庫[7]、產(chǎn)芝水庫[8]和鐵山水庫[9]進(jìn)行對比，為掌握世園會園區(qū)內(nèi)水庫浮游植物的群落結(jié)構(gòu)，摸清水庫水質(zhì)狀況提供基礎(chǔ)資料，同時為青島世園會園區(qū)的后續(xù)利用與發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 采樣點(diǎn)位和頻率

在水庫布設(shè)1個采樣點(diǎn)位(圖1)，采樣點(diǎn)盡量避開景觀噴泉區(qū)。于2014年5—9月下旬進(jìn)行5次采樣。

圖1 水庫采樣點(diǎn)位示意圖

1.2 標(biāo)本處理與種類鑒定

定性樣品用25號浮游生物網(wǎng)采集，在水深0.5 m處以0.5 m/s的速度呈“∞”型拖拉5 min，用魯哥試劑固定，另采1個樣品作活體觀察。2個樣品帶回實(shí)驗(yàn)室在10×40倍光學(xué)顯微鏡下觀察分類。定量樣品于水深0.5 m處采集水樣1 L，用酸化的魯哥試劑進(jìn)行現(xiàn)場固定，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)沉淀48 h后，將樣品濃縮至30 mL，搖勻后取0.1 mL于計數(shù)框中，在顯微鏡(Olympus-BX41)下對浮游植物進(jìn)行鑒定和計數(shù)[10]。浮游植物的分類鑒定參照文獻(xiàn)[11-13]。

1.3 水質(zhì)監(jiān)測項目及方法

水質(zhì)監(jiān)測項目包括水溫、透明度(SD)、pH、溶解氧、氨氮、總氮(TN)、總磷(TP)、高錳酸鹽指數(shù)( CODMn)、葉綠素a(Chla)。上述化學(xué)項目的測定方法按照水和廢水監(jiān)測等常規(guī)分析方法[14]，Chla的測定參照《湖泊富營養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范》[15]。

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析

采用種類多樣性指數(shù)(H′)、種類均勻度指數(shù)(J)和種類豐富度指數(shù)(M)，對浮游植物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析[16]，計算公式為

H′=-∑Pilog2Pi

(1)

(2)

(3)

式中：S為總物種數(shù)，Pi為種i的個體數(shù)占總個體數(shù)的比例，N是全部物種的個體數(shù)。

優(yōu)勢度的計算公式為

(4)

式中：ni為第i種的個體數(shù)；fi為該種在各點(diǎn)位出現(xiàn)的頻率；當(dāng)Y>0.02時,該種認(rèn)為是監(jiān)測水域的優(yōu)勢種。

采用PRIMER 5軟件根據(jù)物種密度4次方根轉(zhuǎn)換計算Bray-Curtis相似性系數(shù)矩陣，采用軟件包中等級聚類分析進(jìn)行群落結(jié)構(gòu)分析。利用CANOCO 4.5軟件對浮游植物群落和環(huán)境因子進(jìn)行冗余分析。

采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法來評價水庫營養(yǎng)狀態(tài)[17]，參數(shù)為Chla、TP、TN、SD和CODMn。計算公式為

(5)

式中：TLI(∑)為綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；Wj為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重；TLI(j)為代表第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。以Chla作為基準(zhǔn)參數(shù)，則第j種參數(shù)的歸一化的相關(guān)權(quán)重計算公式為

(6)

式中：rij為j種參數(shù)與基準(zhǔn)參數(shù)(Chla)的相關(guān)系數(shù)；m為參數(shù)的個數(shù)。

湖泊(水庫)的Chla與其他參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系(rij)見表1。

表1 湖泊(水庫)的Chla與其他參數(shù)之間的rij

各項目的TLI(j)計算公式為

TLI(Chla)=10×(2.5+1.086lnChla)

TLI(TP)=10×(9.436+1.624lnTP)

TLI(TN)=10×(5.453+1.694lnTN)

TLI(SD)=10×(5.118-1.94lnSD)

TLI(CODMn)=10×(0.109+2.661lnCODMn)

式中：Chla的質(zhì)量濃度單位為mg/m3，SD單位為m，其他指標(biāo)的質(zhì)量濃度單位均為mg/L。

2 結(jié)果與分析

2.1 浮游植物種類組成及密度分布

歷次監(jiān)測共獲浮游植物7門42屬66種，其中硅藻門共計9屬17 種，甲藻門4屬5 種，綠藻門19屬25 種，藍(lán)藻門5屬13 種，金藻門1屬1種，裸藻門2屬3種，隱藻門2屬2種，種類組成詳見表2，監(jiān)測區(qū)域浮游植物密度見表3。統(tǒng)計的種類數(shù)包含定性和定量分析結(jié)果，即9月種類較多，5、8月種類數(shù)量基本一致(圖2、圖3)。

表2 天水水庫藻類名錄

注：“√”表示該種藻類出現(xiàn)。

表3 不同月份浮游植物門類密度 104個/L

由表2可見，5—9月逐月的優(yōu)勢門類分別為綠藻門、綠藻門、硅藻門、硅藻門、藍(lán)藻門?？肆_脆桿藻、銅綠微囊藻和尖尾藍(lán)隱藻為監(jiān)測區(qū)域的優(yōu)勢種，優(yōu)勢度分別為0.14、0.10和0.09。

由表3可見，監(jiān)測區(qū)域浮游植物密度變化范圍為18.48×104～427.00×104個/L，平均為145.49×104個/L，浮游植物密度逐月增加。

圖2 天水水庫浮游植物總種類組成

圖3 各月份浮游植物種類組成

2.2 浮游植物多樣性指數(shù)的變化

監(jiān)測區(qū)域M指數(shù)的變化范圍為0.97～1.26，平均值為1.12；J指數(shù)的變化范圍為0.26～0.62，平均值為0.39；H′指數(shù)變化范圍為1.11～2.40，平均值為1.55；可見，豐富度變化不大，而均勻度與多樣性則有下降的趨勢(圖4)。

圖4 天水水庫浮游植物多樣性指數(shù)月變化

2.3 生物群落及環(huán)境因子分析

群落結(jié)構(gòu)的聚類分析見圖5。

圖5 群落結(jié)構(gòu)聚類分析

由圖5可以看出，根據(jù)月份大致可分為3個浮游植物群落，其中5、6月是以并聯(lián)藻為主的群落I，7、8月是以克羅脆桿藻和尖尾藍(lán)隱藻為主的群落II，9月是以銅綠微囊藻、類顫藻魚腥藻為主的群落III。門類的變化順序?yàn)榫G藻→硅藻、隱藻→藍(lán)藻。

以浮游植物密度4次方根為響應(yīng)變量，以除水溫外的7個環(huán)境因子的平均測量值作為解釋變量(由于采樣時間并不是每日同一時刻，水溫變化幅度較大，故剔除掉水溫因素)，進(jìn)行冗余分析，對環(huán)境變量進(jìn)行前向性選擇和Monte Carlo 檢驗(yàn)，以簡化模型。結(jié)果顯示：氨氮、CODMn和TN 3個環(huán)境因子的組合共能解釋85.5%的不同月份之間群落變化的原因(這3個因子的逐月變化趨勢見圖6)。其中，氨氮的變化在群落劃分中起顯著作用，也是影響群落結(jié)構(gòu)分布的最主要因素。

圖6 氨氮、CODMn和TN逐月變化圖

選擇浮游植物優(yōu)勢度較高，且物種適合度在排序軸上的變化大于70%的種類作圖(共7種，詳見圖7)。

圖7 基于冗余分析的浮游植物群落隨環(huán)境梯度的變化分布圖(圖中代號所代表浮游植物名稱見表2)

由圖7可以看出，以銅綠微囊藻、類顫藻魚腥藻為代表的浮游植物與氨氮的變化呈正相關(guān)，代表了9月的浮游植物群落主體特征，而5、6月—7、8月的變化主要是隨著TN含量增加，克羅脆桿藻與科曼小環(huán)藻大量增殖，并聯(lián)藻、隱頭舟形藻、梅尼小環(huán)藻逐漸減少至消失。

2.4 TLI指數(shù)

Chla、TP、TN、SD、CODMn作為水體綜合營養(yǎng)狀態(tài)評價指標(biāo)，通過TLI指數(shù)對水庫的水質(zhì)進(jìn)行富營養(yǎng)化評價，詳見表4。

表4 天水水庫各月TLI指數(shù)變化

從表4可見，水體中TN 和SD 2項指標(biāo)對TLI貢獻(xiàn)率相對較大，TLI指數(shù)逐月升高，整體屬于中營養(yǎng)水體，并有向富營養(yǎng)水體變化的趨勢。

3 討論

3.1 浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征

水庫是一類受人為調(diào)節(jié)的水生態(tài)系統(tǒng)，不同類型水庫的浮游植物群落結(jié)構(gòu)各具特點(diǎn)。低營養(yǎng)水平水庫的浮游植物以硅藻-甲藻、硅藻-綠藻或金藻-硅藻為主，高營養(yǎng)水平水庫以藍(lán)藻-硅藻、藍(lán)藻-綠藻為主[18-20]。

研究共采集到浮游植物7 門66種，種類組成以綠藻、硅藻和藍(lán)藻為主，在監(jiān)測期間綠藻屬數(shù)和種類數(shù)始終占首位，硅藻位居第二。與其相鄰近的嶗山水庫、棘洪灘水庫、產(chǎn)芝水庫種類組成基本一致，優(yōu)勢種逐月變化組成上與鐵山水庫基本一致，而與嶗山水庫、棘洪灘水庫、產(chǎn)芝水庫相比，夏季和秋季時均為藍(lán)藻高速增長，主要不同點(diǎn)為春季綠藻與硅藻的優(yōu)勢水平各地不一致，這也與各地的水庫富營養(yǎng)化水平、水庫保護(hù)情況有關(guān)。

生物多樣性指數(shù)是反映生物群落組成特征的重要參數(shù)，監(jiān)測區(qū)域內(nèi)J指數(shù)與H′指數(shù)5月最高，9月最低，而M指數(shù)基本不變。由此可以推測，水庫物種多樣性指數(shù)的變動，可能更多的是M由于群落均勻度的變動而不是種類數(shù)的變化。這與夏季和秋季藍(lán)藻、隱藻的部分優(yōu)勢種大量增殖有關(guān)，造成群落均勻度下降，這也與部分水庫以往的研究一致[21-22]。一般認(rèn)為生物種群直接的關(guān)系(如競爭、捕食、演替等)都能夠通過改變J指數(shù)來改變H′指數(shù),而不會改變物種的M指數(shù)[23]。

群落結(jié)構(gòu)聚類分析與冗余分析均顯示，可把監(jiān)測區(qū)域的浮游植物分為3個群落，綠藻、硅藻、藍(lán)藻以及隱藻的種類組成、密度變化是引起浮游植物群落結(jié)構(gòu)變化的主要原因?？肆_脆桿藻、銅綠微囊藻則是造成群落結(jié)構(gòu)變化的主要種類。聚類分析還顯示，天水水庫不同門類浮游植物細(xì)胞密度變化明顯:從5、6月的綠藻優(yōu)勢過渡到7、8月的硅藻-隱藻共同優(yōu)勢，最終到9月的藍(lán)藻優(yōu)勢。

3.2 影響浮游植物群落的環(huán)境因子

環(huán)境因子對浮游植物群落結(jié)構(gòu)有著十分重要的影響，天水水庫的水體TN含量較高，超出《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅴ 類水標(biāo)準(zhǔn)，而TP處于較低的水平，這也與其相近的水庫監(jiān)測結(jié)果一致[24]。不同種類的浮游植物適宜生長的溫度不同，硅藻適應(yīng)在較低溫度的水體中生長，最適溫度為20 ℃左右; 藍(lán)綠藻適宜在較高溫度水體中生長，溫度為25～35 ℃[19，25]。鑒于此，監(jiān)測顯示，在不同的季節(jié)，水體中不同的環(huán)境因子變化造成了各門類浮游植物分別在各自適宜的生長增殖溫度下，顯示出不同的增殖特征。

在監(jiān)測初期的5、6月水溫較低，水庫中浮游植物處于復(fù)蘇狀態(tài)，群落均勻度高，植物種類豐富，生物多樣性高；7、8月水庫的水溫逐漸升高，水體中的TN含量持續(xù)增加，以克羅脆桿藻與科曼小環(huán)藻為代表的部分藻類大量增殖，同時隱頭舟形藻、梅尼小環(huán)藻逐漸減少至消失；進(jìn)入9月，水溫仍處于較高狀態(tài)，此時氨氮的含量顯著增高，形成以銅綠微囊藻、類顫藻魚腥藻為代表的藍(lán)藻群落主體。對于9月天水水庫藍(lán)藻伴隨著氨氮的含量增高而大量增殖的現(xiàn)象，有學(xué)者利用15N穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)對浮游植物群落對不同形態(tài)氮的吸收研究也得到一致的結(jié)果[26]。水庫SD指標(biāo)很低(基本未超過3 m)，由于藍(lán)藻具備特殊的抗紫外損傷能力和調(diào)節(jié)沉浮的偽空泡結(jié)構(gòu)，比其他藻類更能適應(yīng)低透明度環(huán)境，因此低透明度環(huán)境使得藍(lán)藻具有競爭優(yōu)勢，為其優(yōu)勢地位確立提供了條件。

3.3 基于水質(zhì)和多樣性指數(shù)的綜合評價

由于水域環(huán)境、計數(shù)方法等多方面的因素都可能對多樣性指數(shù)產(chǎn)生影響，一般采用2 種或2 種以上的指標(biāo)來評價水環(huán)境狀況。據(jù)TLI分類標(biāo)準(zhǔn)[17]，TLI(∑) <30為貧營養(yǎng)，30≤TLI(∑) ≤50 為中營養(yǎng)，TLI(∑) >50為富營養(yǎng)，天水水庫處于中營養(yǎng)水平。這也與地理位置相近的其他水庫已有研究結(jié)果一致[6-8]。

生物多樣性指數(shù)是反映生物群落組成特征的重要參數(shù)。多樣性指數(shù)越高表明其浮游植物群落內(nèi)物種越豐富且種類間比例越均勻，越有利于整個生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。根據(jù)M指數(shù)和H′指數(shù)顯示，天水水庫水質(zhì)屬于中度污染[27]。

盡管庫區(qū)水質(zhì)總的營養(yǎng)程度為中營養(yǎng)，但是夏季藍(lán)藻數(shù)量大的現(xiàn)象也不容忽視，應(yīng)當(dāng)引起政府管理部門的高度重視，并應(yīng)積極采取相應(yīng)措施，如在春季藻類復(fù)蘇期間，采取有效方法清除水華藍(lán)藻的種源，減輕夏季藍(lán)藻水華壓力，同時控制水體中TN和氨氮的含量，從而達(dá)到預(yù)防藍(lán)藻水華大規(guī)模發(fā)生和防止水質(zhì)惡化的目的。

4 結(jié)論

研究共發(fā)現(xiàn)浮游植物7門42屬66 種，密度變化范圍為18.48×104～427.00×104個/L。監(jiān)測區(qū)域大致可按月分為3個浮游植物群落，分別為綠藻型、硅藻-隱藻型、藍(lán)藻型。冗余分析表明，氨氮、CODMn、TN與水庫浮游植物的群落結(jié)構(gòu)關(guān)系最為密切。水質(zhì)評價顯示，天水水庫水質(zhì)處于中度污染，營養(yǎng)水平為中營養(yǎng)。

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Phytoplankton and Water Quality of Tianshui Reservoir at Qingdao International Horticultural Exposition 2014

ZHANG Xiaohong1,LIU Xudong1,SUN Li’e1,ZHAO Lu1,MUHAMMAD Shafi2

1.Environmental Protection and Monitoring Centre Station of Qingdao,Qingdao 266003,China

2.Lasbela University of Agriculture,Water and Marine Sciences,Balochistan Pakistan

Investigations were made on the Phytoplankton diversity in the Tianshui reservoir at Qingdao International Horticultural Exposition 2014 from May to September in 2014. A total of 66 phytoplankton species were collected,the range of density was 18.48×104-427.00×104ind/L. The composition of dominant species wereFragilariacrotonensisKitton，MicrocystisaeruginosaandChroomonasacutaUterm. Phytoplankton density increased monthly during the investigation，when Species evenness index and Shannon's diversity index showed a downward trend. The hierarchical clustering of between groups linkage showed that the phytoplankton community could be divided into chlorophyta type，bacillariophyta-cryptophyta type，and cyanophyta type. Redundancy analysis showed that ammonia nitrogen,total nitrogen,chemical oxygen demand had the closest relationships with the phytoplankton community structure in the reservoir．Water quality evaluation showed that reservoir was in secondary pollution with a meso-trophic level．

Qingdao International Horticultural Exposition；Tianshui reservoir；phytoplankton community structure；water quality evaluation

2015-03-27;

2015-06-24

張曉紅(1986-)，女，山東臨沂人，碩士，助理工程師。

劉旭東

X824

A

1002-6002(2016)02- 0064- 07