胡 蓮，鄒 曦，袁玉潔，史 方，鄭志偉

（水利部中國科學院水工程生態(tài)研究所，水利部水工程生態(tài)效應與生態(tài)修復重點實驗室 武漢 430079）

浮游植物種類分布廣泛，對環(huán)境的變化極其敏感，是水生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是物質代謝和能量循環(huán)的主要初級生產者，位于食物鏈的第一環(huán)節(jié)，對維系水生態(tài)系統(tǒng)的健康有著至關重要的作用[1]。浮游植物種類繁多，主要包括藍藻、綠藻、硅藻、甲藻、裸藻、隱藻、金藻和黃藻8個門類，其中容易形成水華的種類為藍藻、綠藻、甲藻和硅藻。浮游植物種類組成與水體的營養(yǎng)狀態(tài)有著密切聯系，其群落結構能反映水體的水質狀況，優(yōu)勢種能指示水體的營養(yǎng)狀況[2-3]。浮游植物的種類組成、豐度及多樣性作為水環(huán)境質量評價的重要指標之一，被廣泛應用于水質監(jiān)測中，用來評價水體的生態(tài)環(huán)境狀況及污染程度[4-5]。

百歲溪位于三峽大壩庫首，是長江北岸的一級支流，發(fā)源于興山、秭歸、宜昌三縣交界的大老嶺林區(qū)，流經紅桂香、梅紙廠、小溪口、楊泉壩等地，在韓家灣匯入長江。百歲溪干流全長29.8 km，流域面積152.5 km2，相對落差約800 m。三峽水庫蓄水運行后，百歲溪下游河段受回水影響而成為水庫區(qū)。水庫蓄水至175 m水位時，百歲溪干流回水到達距入江口約6 km的黃土包一帶。目前，尚少見針對百歲溪水環(huán)境研究的報道。本研究在三峽水庫泄水期（5月）和蓄水期（10月）對百歲溪環(huán)境因子和浮游植物進行了全面調查，分析百歲溪浮游植物群落結構與環(huán)境因子的關系，以期為百歲溪水環(huán)境綜合治理和生態(tài)修復提供重要的基礎資料和理論依據。

1 材料與方法

1.1 采樣點設置和采樣時間

在充分考慮百歲溪河道形態(tài)變化、重要生境分布、污染源分布、鄰近支流匯入以及受回水影響等因素，沿百歲溪上游至下游河口區(qū)設置5個采樣斷面和1個長江對照點（圖1），即小漁村（BSX－1）、梅氏廠（BSX－2）、肖家咀（BSX－3）、土倉坪（BSX－4）、楊家灣（BSX－5）和長江對照點（BSX－6）。

根據三峽水庫運行調度，選擇三峽水庫泄水運行期（2016年5月）和蓄水運行期（2016年10月）采樣監(jiān)測2次。

圖1 百歲溪采樣點分布Fig.1 Distribution of sampling sites in Baisui stream

1.2 樣品采集、處理及鑒定方法

浮游植物分別采集定性、定量樣品，其中定性樣品采用25#浮游植物網采集，并收集在50 mL樣品瓶中，甲醛現場固定，實驗室鏡檢；定量樣品采用2 500 mL有機玻璃采水器取表層、中層、底層水樣充分混合，取1 000 mL現場加魯哥液固定，經48 h沉淀后，濃縮定容到30 mL鏡檢。浮游植物采樣及鑒定方法主要參照《中國淡水藻類——系統(tǒng)、分類及生態(tài)》[6]和《淡水浮游生物研究方法》[7]。

水溫（TW）、pH、電導率（EC）、溶解氧（DO）等采用YSI多參數水質測量儀現場監(jiān)測；透明度（SD）采用塞氏盤現場獲取；哈希濁度儀現場測定濁度（Turb）；高錳酸鹽指數（CODMn）、生化需氧量（BOD5）、總磷（TP）、磷酸鹽（PO43--P）、總氮（TN）、氨氮（NH4+-N）、葉綠素a（Chl.a）等指標，現場采集水樣后，按照《水和廢水監(jiān)測分析方法》（第4版）[8]進行水樣保存和測定，送實驗室分析測定。水質調查和分析方法主要參考《水環(huán)境監(jiān)測規(guī)范》（SL 219-2013）[9]、《水質采樣樣品的保存和管理技術規(guī)定》（HJ 493-2009）[10]和《水和廢水監(jiān)測分析方法》（第4版）[8]等相關規(guī)范資料。

1.3 浮游植物優(yōu)勢度及多樣性指數的計算

1.3.1 優(yōu)勢度的計算

優(yōu)勢度（Y）的計算公式為：

式中，ni為第i種的豐度，N為總豐度，fi為第i種的出現頻率。其中優(yōu)勢度Y≥0.02的種類定為百歲溪浮游植物優(yōu)勢種[11-12]。

1.3.2 浮游植物多樣性指數的計算

分別運用Shannon-Wiener多樣性指數（H′）、Simpson優(yōu)勢度指數（D）、Pielou均勻度指數（J）、Margalef豐富度指數（dMa）的計算式對藻類種類多樣性進行計算[13]。其中，當H′＞3時，為輕度污染或無污染，1≤H′≤3為中度污染，H′＜1時，為重度污染[12]；當0.5≤J≤0.8，為輕度污染或無污染，0.3≤J＜0.5為中度污染，J＜0.3時，為重度污染[14]；當0≤dMa≤4，水體為富營養(yǎng)化，4＜dMa≤5，為中營養(yǎng)化，dMa＞5時，為貧營養(yǎng)化[15]。

2 結果與分析

2.1 浮游植物群落結構特征

2.1.1 種類組成

經鑒定，百歲溪5月和10月的浮游植物種類組成存在些許差異，10月種類數略高于5月，以綠藻、硅藻和藍藻為主。其中5月浮游植物6門37屬52種，以綠藻門種類數最多，14屬19種，占36.54%；其次是硅藻門，10屬18種，占34.62%；再次為藍藻門，7屬9種，占17.31%；隱藻門、甲藻門和裸藻門各2屬2種，分別占3.85%。10月浮游植物7門40屬59種，包括綠藻門18屬25種，占42.37%；硅藻門7屬14種，占23.73%；藍藻門9屬13種，占22.03%；隱藻門2屬3種，占5.08%；甲藻門2屬2種3.39%；裸藻門和金藻門各1屬1種，分別占1.69%。10月出現了指示水體清潔的金藻門錐囊藻，為偶見種，僅在SNX-3斷面采集到。

2.1.2 豐度

百歲溪浮游植物細胞密度除采樣斷面BSX-1在5月顯著高于其他斷面外，其他采樣時間與采樣斷面都在一定范圍內變化。從圖2可以看出，百歲溪浮游植物細胞密度在5月的均值為7.141×105個/L，各采樣站點在1.480×105～2.316×106個/L之間變化，其中BSX-1的值最大，為2.316×106個/L，其次是BSX-2，為8.215×105個/L，BSX-3最小。在10月的均值為3.741×105個/L，較5月有一定下降，各采樣站點在1.745×105～7.390×105個/L之間變化，其中，BSX-2的值最大，其次是BSX-3，為5.825×105個/L，再次為BSX-6和BSX-1，分別為2.870×105個/L和2.770×105個/L，BSX-4和BSX-5的值也相差不大。

圖2 百歲溪各采樣點浮游植物細胞密度時空變化Fig.2 The temporal-spatial variation of phytoplankton density at each sampling site in Baisui stream

將百歲溪從上游到下游河口按照水位特征劃分為河流區(qū)、回水區(qū)、長江對照區(qū)。圖3是5月和10月各區(qū)浮游植物細胞密度的變化情況?？梢钥闯觯还苁?月還是10月，浮游植物細胞密度上游河流區(qū)段明顯高于下游回水區(qū)段和長江對照區(qū)。其中5月均值為5.730×105個/L，上游河流區(qū)段值最大，為1.095×106個/L，其次為下游回水區(qū)段，3.753×105個/L，長江對照區(qū)最小，為2.485×105個/L。10月均值較5月略有下降，為3.331×105個/L，上游河流區(qū)段值仍然最大，為5.328×105個/L，而其次為下游回水區(qū)，為2.870×105個/L，長江對照區(qū)段則最小，為1.795×105個/L。

圖3 百歲溪各水體浮游植物細胞密度變化Fig.3 The space-time change of phytoplankton density in dif?ferent regions of Baisui stream

2.1.3 優(yōu)勢種

按照式（1）計算不同物種的優(yōu)勢度（表1），發(fā)現百歲溪浮游植物優(yōu)勢種主要有藍藻門的浮游魚腥藻、微囊藻、小顫藻、藍纖維藻、水華魚腥藻和粘球藻，綠藻門的空球藻、小球藻和球衣藻，硅藻門的小環(huán)藻等。根據沈韞芬等編著的《微型生物監(jiān)測新技術》[15]，這些優(yōu)勢種中絕大多數為β-中污型至多污型水體指示種類。如小顫藻為多污型指示種，小球藻、小環(huán)藻和空球藻等為耐有機污染指示種。浮游植物的優(yōu)勢種對水體營養(yǎng)狀態(tài)有指標作用。浮游魚腥藻、水華魚腥藻、微囊藻等藻類在溫度、氮磷等營養(yǎng)鹽條件合適的情況下，極有可能爆發(fā)水華，影響水質。

表1 百歲溪浮游植物優(yōu)勢種隨時間變化情況Tab.1 Distribution of dominant phytoplankton species in May and October in Baisui stream

2.1.4 浮游植物多樣性

按照1.3.2所述方法計算浮游植物多樣性指數，結果顯示，百歲溪5月和10月各采樣斷面均值略有變化，Shannon-Wiener多樣性指數H′、Pielou均勻度指數J、Simpson優(yōu)勢度指數D和Margalef豐富度指數dMa變化趨勢差異不大，從上游至下游各多樣性指數均為先升后降（圖4）。其中5月各采樣斷面的H′變化范圍為0.47～2.37，J值變化范圍為0.07～0.47，D變化范圍為0.16～0.86，dMa變化范圍為1.10～2.05；10月各采樣斷面H′變化范圍為0.82～2.17，J值變化范圍為0.16～0.30，D變化范圍為0.41～0.77，dMa變化范圍為0.88～2.49。

圖4 百歲溪浮游植物多樣性分析Fig.4 Phytoplankton diversity index of each sampling site in Baisui stream

2.2 環(huán)境因子特征

表2為百歲溪兩次調查水環(huán)境因子平均值。其中5月TW在12.74℃～19.41℃之間變化，10月TW在14.9℃～25.03℃之間變化，上游水溫明顯低于下游水溫。DO分別在6.86～12.25 mg/L和5.49～7.48 mg/L之間變化。pH值分別在5.08～8.23和8.89～10.11之間變化。Turb分別在2.88～19.3 NTU和2.46～87.9 NTU之間變化。TN濃度變化范圍為0.64～8.43mg/L，最高值出現在10月的BSX-1斷面，最低值出現在5月的BSX-2斷面，且10月的TN濃度高于5月。NH4+-N濃度變化范圍為0.033～0.53 mg/L，最高值和最低值分別出現在10月的BSX-2斷面和BSX-3斷面。TP濃度在0.03～0.14 mg/L之間變化，且5月的TP濃度高于10月，從上游至下游呈現先降低再升高的趨勢。PO43-－P濃度變化范圍為0.015～0.12 mg/L，最高值出現在5月的BSX-4斷面，最低值出現在10月的BSX-3斷面。CODMn變化范圍為0.65～1.47 mg/L，整體偏低；最高值和最低值分別出現在5月和10月的BSX-5斷面。BOD5變化范圍為0.01～1.14 mg/L，整體偏低，最高值出現在10月的BSX-1斷面，最低值出現在5月的BSX-2和BSX-3斷面。Chl.a濃度變化范圍為0.74～7.73 μg/L，最高值出現在5月的BSX-1斷面，最低值出現在10月的BSX-5斷面。

表2 百歲溪各采樣點水環(huán)境因子Tab.2 The environmental factors of each sampling site in Baisui stream

2.3 浮游植物群落結構與環(huán)境因子的關系

對百歲溪水文、水質因子與浮游植物主要類群進行相關性分析（表3），結果表明，其浮游植物密度與NH4+-N，DO，Chl.a，pH，Turb和流速等水體理化指標呈現顯著相關。浮游植物各類群與水體理化的相關性不同，其中藍藻的生長與Chl.a，pH，Turb呈現顯著正相關，硅藻表現出與DO呈負相關；隱藻的生長與水體的NH4+-N呈正相關；金藻則與流速呈正相關。

3 討論

3.1 百歲溪浮游植物群落結構特征與水質評價

百歲溪5月和10月分別鑒定出浮游植物6門37屬52種和7門40屬59種，其種類組成以綠藻最多，其次為硅藻，為綠藻－硅藻－藍藻型。而且百歲溪的綠藻絕大多數為一些適應性強、分布廣的湖泊水庫型常見種類。況琪軍等[16]研究發(fā)現河流型水體中浮游植物以硅藻為主，而湖泊型水體中浮游植物表現為以綠藻為主的藻類生物學特征。說明百歲溪浮游植物群落結構已經由原來的河流相向湖泊相演變。對三峽水庫同類型的河流，也有研究[17]報道浮游植物群落結構已發(fā)展為典型的湖泊相藻類特征。

百歲溪5月和10月浮游植物細胞密度均值分別為7.141×105個/L和3.741×105個/L，各采樣斷面密度有所不同，分別在1.480×105～2.316×106個/L和1.745×105～7.390×105個/L之間變化，但除5月采樣斷面BSX-1的密度超過1.0×106個/L外，其他采樣斷面以及10月所有采樣斷面密度均低于1.0×106個/L。當密度小于或等于1.0×106個/L時水質為輕或無污型，1.0×106～9.0×106個/L時水質為輕污—β-中污型，1.0×107～4.0×107個/L時水質為 β-中污型，4.1×107～8.0×107個/L時水質為 α-β-中污型，8.1×107～9.9×107個/L時水質為 α-中污型，大于1.0×108個/L時水質為ps型[18]。說明百歲溪除5月采樣斷面BSX-1的水質達到輕污—β-中污型外，其他斷面的水質都為輕或無污型，據此判斷百歲溪為中營養(yǎng)類型。浮游植物優(yōu)勢種類與水體營養(yǎng)狀況有密切的關系，對水體具有指示作用[15，19]。百歲溪主要優(yōu)勢種有藍藻門的浮游魚腥藻、微囊藻、小顫藻、藍纖維藻、水華魚腥藻等，為β-中污型至多污型水體指示種類。因此，當浮游魚腥藻、水華魚腥藻、微囊藻等藻類遇到適宜的溫度和營養(yǎng)鹽條件的情況下，極有可能爆發(fā)水華，影響水質。

3.2 百歲溪浮游植物多樣性與水質評價

浮游植物的多樣性與水域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有著密切的關系，生物多樣性指數是評價水質狀況的重要指標之一。一般認為，多樣性指數越大，水質越好。但孫軍等[13]指出，單純使用一種多樣性指數來解釋浮游植物的多樣性容易造成較大的偏差，Shannon-wiener指數和Simpson指數對浮游植物群落多樣性有較好的解釋，分別代表對浮游植物物種數敏感和不敏感。而Pielou指數對解釋浮游植物群落均勻度較好。因此，現常以Shannon多樣性指數小于1，Pielou均勻度指數小于0.3為多樣性較差的標準進行綜合評價。百歲溪Shannon指數5月除采樣斷面BSX-1和BSX-2小于1，處于重度污染外，其他采樣斷面H′值在1.0～3.0之間，為中度污染。10月上游河流區(qū)段和下游回水區(qū)段水質明顯好于長江對照區(qū)，除對照區(qū)多樣性指數值低于1外，其他采樣斷面H′值在1～3之間變化，處于中度污染。而10月Pielou指數較5月表現要差，5月J值有BSX-3、BSX-5、BSX-6大于0.3，10月僅BSX-2為0.3，其他斷面均小于0.3。說明百歲溪浮游植物群落結構簡單、浮游植物種類個體數量分布不均勻。還有學者將Shannon-wiener多樣性指數分為5級來評價浮游植物豐富度[20]，當H′＜0.6，評價為Ⅰ級，表示多樣性差；0.6≤H′＜1.5，評價為Ⅱ級，表示多樣性一般；1.5≤H′＜2.5，評價為Ⅲ級，表示多樣性較好；2.5≤H′＜3.5，為Ⅳ級，表示多樣性豐富，當H′≥3.5，評價為Ⅴ級，表示多樣性非常豐富。百歲溪除5月采樣斷面BSX-1、BSX-2的H′值低于0.6，表現為多樣性差的Ⅰ級，以及10月采樣斷面BSX-6的H′值為0.82，表現為多樣性一般的Ⅱ級外，其他斷面H′值在1.6以上，評判為Ⅲ級，表示多樣性較好?？傮w說明百歲溪浮游植物的生物多樣性指數偏低，多樣性和豐富度一般，浮游植物群落結構相對比較簡單，種類個體數量分布均勻度不夠，對外部環(huán)境變化和內部種群波動抵抗能力較弱。由此可以判定百歲溪為中營養(yǎng)水體。

表3 百歲溪環(huán)境因子與浮游植物主要類群相關性分析Tab.3 Correlation coefficients of phytoplankton with environmental factors in Baisui stream

3.3 百歲溪富營養(yǎng)化評價

根據三峽水庫營養(yǎng)狀態(tài)評價標準[21]，單因子評價百歲溪水體富營養(yǎng)狀態(tài)，則TN基本處于重度富營養(yǎng)水平，TP處于輕度-中度富營養(yǎng)水平，Chl.a基本處于貧營養(yǎng)-中營養(yǎng)水平。而采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數[TLI（Σ）]來評價百歲溪水體富營養(yǎng)水平，習慣用0～100的一系列連續(xù)數字對水體營養(yǎng)狀態(tài)進行評價分級：當TLI（Σ）＜30時為貧營養(yǎng)；30≤TLI（Σ）≤50時為中營養(yǎng)；TLI（Σ）＞50時為富營養(yǎng)[50＜TLI（Σ）≤60時為輕度富營養(yǎng)；60＜TL（Σ）≤70時為中度富營養(yǎng)；TLI（Σ）＞70時為重度富營養(yǎng)]。在同一營養(yǎng)狀態(tài)下，指數值越高，其營養(yǎng)程度越重[22]。由表4可以看出，百歲溪5月和10月水體均處于中營養(yǎng)狀態(tài)；從空間來看，回水區(qū)斷面和河流斷面水體的營養(yǎng)水平差異不顯著，長江對照斷面的營養(yǎng)水平與回水區(qū)相近。從各評價因子來看，TN和TP已經達到富營養(yǎng)水平，其他因子則處于貧營養(yǎng)至中營養(yǎng)水平。

表4 百歲溪綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數Tab.4 Comprehensive nutrition state index in Baisui stream

4 結論

百歲溪浮游植物種類5月為52種、10月為59種，為綠藻－硅藻－藍藻型。浮游植物細胞密度5月為7.141×105個/L，10月為3.741×105個/L，主要優(yōu)勢種為浮游魚腥藻、微囊藻、小顫藻、藍纖維藻、水華魚腥藻等指示水體β-中污型至多污型的種類。浮游植物群落結構相對比較簡單，多樣性指數偏低，多樣性和豐富度一般，種類個體數量分布均勻度不夠。Pearson相關性分析表明，浮游植物細胞密度與水體中濁度、pH、氨氮、葉綠素a和流速呈顯著正相關，與溶解氧呈顯著負相關。根據三峽水庫營養(yǎng)狀態(tài)評價標準，百歲溪總氮和總磷達到富營養(yǎng)水平，綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數分析，百歲溪處于中營養(yǎng)水平狀態(tài)。綜合評價，百歲溪水質處于中營養(yǎng)水平。