关于于桥水库浮游植物群落特征及其环境影响因子的研究

作者：张毅

  于桥水库位于天津北部蓟县城东4 km处，地理位置为39°56'-40023'N，117°26'-118°12'E，为引滦人津的大型调蓄水库，是天津市人们生活饮用及工农业用水的主要来源。近年来，于桥水库富营养化进程总体呈现逐渐加快的趋势，增加了天津市市民饮用水风险。解析影响浮游植物生长的主要水质因子是控制于桥水库富营养化问题的关键。本研究对于桥水库浮游植物群落结构特征、水质状况进行了季节性调查，并应用冗余分析(redundancy analysis．RDA)，探讨了于桥水库浮游植物群落结构与环境因子的关系，以期为有效防治于桥水库水体富营养化提供科学依据。

1  材料与方法

1.1  采样点设置

  根据于桥水库的形状及功能区特征，共设置5个采样点位，见图1。其中，Sitel为于桥水库上游3条主要来水河流交汇处，Site5为水库出口。采样时间为2013年5月、8月和10月，其中，5月代表春季，8月为夏季，10月为秋季。

1.2  样品的采集与处理

  应用Professional Plus多功能水质仪(YSI公司)测定水温(WT)、pH、溶解氧(DO)、电导率(CON)；用塞氏盘测定透明度(Tr)；水样的采集及其它水质因子的分析测定参考文献[8]，水质因子包括悬浮物(SS)、高锰酸盐指数、亚硝酸盐氮（N02--N）、硝酸盐氮( N03--N)、氨氮（NH3-N）、总氮(TN)、总磷(TP)、硅酸盐（Si042-）、叶绿素a（Chl以）。浮游植物样品的采集、处理、定性及定量方法参照文献。

1.3  数据分析

1.3.1  生物指标计算公式

  优势种的确定采用Mcnaughton优势度指数(Y)，Y>0.02的种类定为优势种。计算公式为：

  式中：Ni为第i种的个体数，N为同一样品中的个体总数，fi为第f种在各采样点出现的频率。

  综合营养状态指数TLI(∑)计算方法参照国家环保部发布《地表水环境质量评价办法（试行）》。

1.3.2  冗余分析(RDA)

  本研究用于排序的物种要求满足下面2个条件：该物种在各样点卧j现的频度>12.5%，该物种在至少一个样点的相对密度≥l%。以浮游植物丰度和水质监测结果为基础，分别建立物种矩阵和环境矩阵，其中物种矩阵经过log(x+l)转换，环境矩阵除pH以外都进行log(x+l)转换，样方、物种数据均进行中心化处理。采用Canoc0 4.5软件对物种数据和环境数据进行RDA分析，步骤如下：(l)对物种矩阵进行去趋势对应分析(detrended correspondence analysis，DCA)，得出单峰响应值(梯度长度SD)。本研究计算得到SD= 1.35，SD<3，即进行RDA分析；(2)由于变量中可能存在高度自相关变量，先对所有变量用RDA分析剔除掉膨胀系数大于20的变量，之后用剩余变量来分析影响浮游植物种群变化的份额，变量重要性的相对大小在程序结果中得到，变量的显著性水平通过蒙特卡洛置换检验(p<0.05; n=499非限制性置换)。

2  结果与分析

2.1  水体的营养状况

  根据TP、Chl、TLI(∑)等水质指标、以及浮游植物丰度、生物量等生物指标分别对于桥水库各月份营养状况进行评价，结果见表1。结果表明，除Chl口和生物量评价5月份于桥水库为贫营养外，其他评价方法均显示于桥水库采样期间处于中一富营养状态，综合来看，于桥水库为中一富营养状态，与近年来对于桥水库的研究结论一致。比较5、8、10月份各评价指标可知，夏季（8月）富营养化程度整体高于春季（5月）和秋季（10月）。

2.2  浮游植物群落结构

2.2.1浮游植物种类组成和优势种

  调查期间共鉴定浮游植物7门94种（属），其中绿藻种类最多，为47种，占总数的50.0%；其次为硅藻23种，占24.5%；蓝藻12种，占12.8%；裸藻、甲藻各4种，均占4.3%；隐藻3种，占3.2%；金藻1种，占1.1%（见表2）。从浮游植物种类组成的季节特征来看，5、8、10月份浮游植物种数总数差异不明显。从各藻类种数比例可以看出，调查期间于桥水库藻类种数以绿、硅、蓝藻为主，种数之和所占比例达到80cX以上。各季节比较而言，5、10月份3种主要藻类种数由大到小为：绿藻>硅藻>蓝藻，而8月蓝、绿藻种数及比例均较高，硅藻种数减少，排序为绿藻>蓝藻>硅藻，可见，夏季于桥水库蓝、绿藻水华爆发的风险增加。

  以优势度指数Y>0.02确定优势种，调查期间于桥水库的优势种主要为蓝藻的水华微囊藻（MicrocVs -tflos-aquae）、绿藻的四尾栅藻（Scenedesmus  qua -dricauda）和单角盘星藻（Pediastru,n simplex）、硅藻的梅尼小环藻（Cyclotellarrieneghiniana），均为富营养化水体常见藻类，表明于桥水库富营养化态势明显。其中，绿藻的四尾栅藻（Scenedesmus quadricauda）和硅藻的梅尼小环藻（Cyclotella meneghiniana）在调查的3个月均为优势种，蓝藻的水华微囊藻（MicrocVstisflos-aquae）和绿藻的单角盘星藻（Pediastrurn sun-plex）各有2个月为优势种。各季节的优势种比较而言，春季表现为硅、绿藻优势种种数多，而夏季蓝藻优势种种数明显增加，总体以蓝、绿藻优势种为主，秋季以绿藻为主要优势种，蓝藻优势种有所降低。详见表3。

2.2.2  浮游植物丰度和生物量

  于桥水库各采样点浮游植物丰度范围在43.14x104~330.59x104 cells/L之间，年均值为191.8 x104 cells/L。春、夏、秋季5个采样点浮游植物丰度均值分别为61.11x104 cells/L、262.01x101 cells/L和J 252.21×104 cells/L．由大到小排序依次为：夏季>秋季>春季，且夏、秋季浮游植物丰度明显高于春季，可见夏、秋季是于桥水库藻类水华的高风险时期。如图2所示，不同季节浮游植物群落结构组成具有一定差异。春季，于桥水库浮游植物丰度以金、硅藻为主，丰度之和所占比例为69.1%；夏、秋季均以蓝、绿藻为主，其所占比例之和达到80%左右。

  各采样点浮游植物生物量范围在0.35-2.60 mg/L之间，年均值为1.04 mg/L。春、夏、秋季各采样点生物量均值分别为0.54、1.22、1.35 mg/L，生物量由大到小排序依次为：秋季>夏季>春季，且夏、秋季浮游植物生物量明显高于春季，与丰度季节变化特征较为一致。春季，硅藻、金藻生物量占主要份额，分别占总生物量的比例为47.8%和34.2%；夏季以蓝藻为主，所占比例达到59.7%；秋季绿藻、硅藻、蓝藻生物量占较大比例，其比例之和占84.8%，见图3。

2.3  浮游植物与水质因子的关系

  对14个环境因子（包括氮磷比）进行多次RDA筛选，结果表明，WT、TN、pH、N/P、SS、NH4-N、高锰酸盐指数等共7个变量的组合能保证所有变量的膨胀系数均小于20，各变量的重要性及显著水平见表4。第一、二轴的特征值分别为0.306和0.187，共解释了属种数据累计方差的49.3%。水温和总氮是与于桥水库浮游植物丰度变化显著相关的主要环境因子(p<0.05)，它们共同解释了属种数据累计方差的43.3%，比7项变量组合解释量仅少了6.0%，表明水温和总氮可以很好地解释于桥水库浮游植物的丰度变化。其他环境因子与于桥水库浮游植物种群关系不显著，说明依赖其它环境变量，不能独立解释于桥水库浮游植物的种群结构。

  RDA分析中浮游植物种类的代码见表5。由轴1轴2构成的平面中，环境因子用实线箭头表示，物种因子用虚线箭头表示，环境因子与物种因子之间夹角的余弦值代表其相关性。即两者夹角越小，其相关性越强。由图4可以看出，受水温影响较大的藻类为绿藻的四尾栅藻（Scenedesmus quadricauda）、椭圆卵囊藻(Oocystis elliptica)、湖生卵囊藻（Oocystis lacus-teris和蓝藻的具缘微囊藻（Microcystis marginata）；受总氮影响较大的藻类为绿藻的单角盘星藻（Pedias-trum simplex）、硅藻的尖针杆藻（Synedra acus）和隐藻的啮蚀隐藻（Cryptomonas erosaJ。

3  讨论

3.1  浮游植物群落结构的季节变化特征

  于桥水库浮游植物群落结构具有较为明显的季节性变化特征。物种组成方面，以绿、硅、蓝藻为主，与田志强等对2009年秋季于桥水库浮游植物的研究结果相似。3种主要藻类组成比例存在季节差异，其中绿藻种数各月份均为最多，其所占比例范围为47.5%-56.1%，春、秋季硅藻种数比例均达到蓝藻的2倍左右，而夏季蓝藻种数增加，与硅藻种数比例相当。优势种方面，春季以绿、硅藻为主，而夏、秋季以蓝、绿藻优势种为主，与已有研究结果相一致。丰度和生物量方面，于桥水库浮游植物总丰度、总生物量呈现较为一致的季节变化趋势，即夏、秋季丰度和生物量均明显高于春季。分析原因，夏、秋季降雨量较春季多，导致集水区大量汇由地表径流入库，增加了水库的营养盐负荷，加之温度适宜，促进了藻类的生长。调查期间，富营养化水体典型优势种在于桥水库普遍存在，其大量繁殖是爆发水华的前提条件，一旦气候、水文等条件适宜，可以推测夏、秋季于桥水库水华风险高于春季。夏、秋季于桥水库浮游植物以蓝、绿藻为主，2种藻类丰度比例之和在夏、秋季分别为82.0%、79.1%，生物量比例之和分别达到69.5%和59.2%，因此应重点防范夏、秋季节于桥水库蓝、绿藻水华的暴发。

3.2  浮游植物群落结构与主要环境因子的关系

  水温和总氮是影响于桥水库水体中浮游植物生长的重要环境因子。杜乔乔等根据2009年于桥水库的监测数据，利用主成分分析方法对影响富营养化的主要指标进行了筛选，认为水温、pH、COD及溶解氧是影响于桥水库水体富营养化的主要驱动因子；李红等研究表明，水温是影响博斯腾湖浮游植物分布最重要的环境因子，氮含量是影响浮游植物丰度的主要因子，与本研究结果一致；柴毅等研究认为2012年夏季长湖浮游植物空间分布主要受总氮、总悬浮物、总磷、溶氧以及亚硝酸氮等环境因子的影响；马剑敏等得出牧野湖湖区浮游植物的平均密度与水温、Chla、COD显著正相关；崔扬等研究表明，水温、pH、溶解性总氮、SD与天目湖沙河水库藻类生物量的季节演替关系密切。

  水温是影响水生植物生长的重要因素之一，水温的变化影响着水体物理化学和生物的活动，从而影响水体上下水层的交换、营养物质的生化循环和分布。吴攀等研究了不同水温下藻类的生长及优势种群变化，表明升温能够明显促进藻类（蓝藻、绿藻及硅藻）的生长。本研究中，RDA分析结果显示，与水温呈较大正相关的藻类为绿藻的四尾栅藻（Scenedesmusquadricauda）、椭圆卵囊藻（Oocvstis elliptica）、湖生卵囊藻（Oocystis lacusteris）和蓝藻的具缘微囊藻(Mi-crocystis marginata)，除椭圆卵囊藻（Oocystis ellipti-ca）外均为蓝、绿藻的优势种，可见蓝、绿藻的生长受水温影响较大，这与蓝、绿藻类的喜温习性一致。

  一般认为，藻类水华是水体中营养盐的质量浓度增加所致，氮盐作为浮游植物生长必需的营养物质，是影响浮游植物生长的重要因子。总氮含量居高不下一直是困扰于桥水库水质的主要问题。根据历史同期监测结果，于桥水库总氮浓度整体呈上升趋势。其中1987年总氮（春、夏、秋季）浓度平均值为1.14 mg/L，1999-2000年总氮（春、夏、秋季）浓度平均值为1.44mg/L，本次调查期问于桥水库总氮浓度平均值为3.28mg/L，达到1987年的2.9倍。相应的，于桥水库浮游植物数量也呈现不断增长的趋势。其中1987年于桥水库浮游植物丰度为103.2x101 cells/L，1999-2000年为112.4x104 cells/L，本次调查结果为19l.8xl04 cells/L，较前2次调查结果分别上升了85.9%和70.6%。根据历史研究结果，于桥水库的氮污染负荷主要来源于上游水系的输入。本次调查巾，于桥水库上游3条入库河流果河桥、沙河桥和淋河桥总氮范围在8.73-15.0mg/L之间，虽然利用天然水体的自净作用，于桥水库的总氮浓度较上游有明显下降，但不断积累的营养盐激发了浮游植物的大量生长，进一步威胁着水库饮用水安全。

4  结论

  (l)调查划间共获得浮游植物7门94种（属），优势种为四尾栅藻（Scenedesmus quadricauda）、单角盘星藻（Pediastrum simplex），水华微囊藻（MicrocVstisflos-aquae）以及梅尼小环藻（C\clotella meneghini-ana）。浮游植物丰度范围在43.14 x104-330.59 x104 cells/L之间，生物量范围在0.35-2.60 mg/L之间，于桥水库整体处于中一富营养状态。

  (2)于桥水库浮游植物群落结构有较为明显的季节性变化特征。夏、秋季丰度、生物量高于春季。春季以金藻、硅藻为主，夏秋季以蓝、绿藻为主，应防控蓝、绿藻水华的暴发。

(3)RDA分析结果表明，水温和总氮是与于桥水库浮游植物丰度变化显著相关的主要环境因子，上游营养盐输入是于桥水库氮污染负荷不断增加的主要原凶。

5摘  要：为研究于桥水库群落结构及其环境影响因子，于2013年5月（春季）、8月（夏季）、10月（秋季）分别对于桥水库的浮游植物及水质进行了同步监测调查，并应用冗余分析( RDA)建立了浮游植物丰度与水环境因子的关系。结果表明，于桥水库处于中一富营养水平。浮游植物共计7门94种（属），以绿藻、硅藻、蓝藻为主。优势种主要为四尾栅藻(Scenedesmus quadricauda)、单角盘星藻（Pediastrumsimplex）、水华微囊藻(Microcystis flos-aq“ae)和梅尼小环藻(CVclotella meneghiniana)。浮游植物丰度范围在43.14x104-330.59x104 cells/L之间，生物量范围在0.35-2.60 mg/L之问。浮游植物群落结构存在季节差异，春季以金、硅藻为主，夏、秋季以蓝、绿藻为主。夏、秋季浮游植物丰度、生物量高于春季，应防控于桥水库夏、秋季蓝、绿藻水华的爆发。RDA结果表明，水温、总氮是影响于桥水库浮游植物丰度变化的主要环境因子。