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        南京市方便水庫浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征及與水環(huán)境因子關(guān)系

        2022-11-24 10:48:48李林澤楊世印
        水利水電快報 2022年9期
        關(guān)鍵詞:優(yōu)勢水質(zhì)

        劉 飛,李林澤,曾 瑞,楊世印

        (1.長江水利委員會水文局 長江下游水文水資源勘測局,江蘇 南京210011; 2.南京市雨花臺區(qū)水政監(jiān)察大隊,江蘇 南京 210012)

        0 引 言

        浮游植物是生態(tài)環(huán)境的重要組成之一,對水生態(tài)環(huán)境內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換和物質(zhì)循環(huán)起著無可替代的作用[1-2]。浮游植物種類繁多、分布廣泛,群落結(jié)構(gòu)與其所在水體質(zhì)量密不可分。有研究將浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征作為水質(zhì)的重要指示指標(biāo)之一[3]。水體透明度、高錳酸鹽指數(shù)、總氮、總磷等指標(biāo)數(shù)值的變化可直接改變水體營養(yǎng)狀態(tài),從而改變浮游植物的生存狀態(tài)[4-5]。有研究指出,利用浮游植物群落結(jié)構(gòu)等特征來評價水質(zhì)狀況具有較強(qiáng)的可操作性和實用性[6-8]。因此,浮游植物監(jiān)測是湖泊、河流和水庫水環(huán)境監(jiān)測的重要內(nèi)容,尤其是在飲用水源地。

        方便水庫位于南京市溧水區(qū),是一座以灌溉、防洪為主,兼有供水功能的中型水利工程,是南京市重要的水源性水庫。水庫總庫容約4 900萬m3,集水面積約77.1 km2,屬秦淮河流域。水庫周圍有塘泥山、東廬山、荊山等,接青龍橋河、謝家棚河、西南村河等上游來水,下游依次為二干河、溧水河、秦淮河,最終匯入長江。

        2000年以來,隨著地方經(jīng)濟(jì)及水庫周邊旅游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,方便水庫水體環(huán)境遭到一定程度的破壞,水庫水質(zhì)類別處于緩慢下降的狀態(tài)。浮游植物是水體中食物鏈的基礎(chǔ)環(huán)節(jié),其群落組成及多樣性可以敏感反映環(huán)境因素變化對水生態(tài)系統(tǒng)的影響,也可用以推測和預(yù)知水生態(tài)狀況的發(fā)展趨勢,對于促進(jìn)方便水庫水資源的利用和保護(hù)具有重要的科學(xué)意義。本文調(diào)查了方便水庫的浮游植物群落結(jié)構(gòu)和水質(zhì)因子指標(biāo)數(shù)值變化情況,并分析了兩者之間的關(guān)系。

        1 材料與方法

        1.1 監(jiān)測點和采樣時間

        綜合考慮方便水庫基本特性、樣品空間代表性及取樣便利性,此次調(diào)查共布設(shè)4個浮游植物監(jiān)測點,并同步進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測,具體位置見圖1。對青龍橋河、謝家棚河、西南村河等3條主要入庫河流水質(zhì)進(jìn)行同步監(jiān)測。監(jiān)測頻次為3次,分別為2020年8月(豐水期)、2020年10月(平水期)和2021年1月(枯水期)。

        圖1 方便水庫采樣點位Fig.1 Sampling points of Fangbian Reservoir

        1.2 浮游植物樣品采集與分析

        現(xiàn)場用分層采水器采集水樣,混合后取1 L水樣加入1%的魯哥氏液固定并帶回實驗室,靜置48 h后,用虹吸管吸去上層清液并定容至30 mL,在顯微鏡下進(jìn)行種類鑒定和計數(shù)。用顯微鏡計數(shù)時,取0.1 mL充分搖勻后的濃縮水樣樣品,置于0.1 mL計數(shù)框中,在10×40倍的顯微鏡下進(jìn)行鑒定并計數(shù),獲得單位體積中浮游植物的數(shù)量。由于浮游植物比重接近于1,即1 mL的細(xì)胞體積等于1 mg濕重生物量,所以實驗中生物量的測定采用體積轉(zhuǎn)化法。細(xì)胞的平均體積根據(jù)物種的幾何形狀計算。

        1.3 水質(zhì)樣品采集與分析

        1.4 豐度計算

        浮游植物豐度計算:

        Ni=nV2/(V1V3)=nV2f/(V1V3)

        式中:n為計數(shù)所得個數(shù),cells;V1為采樣量,L;f為稀釋因子;V2為濃縮樣定容體積,mL;V3為實際計數(shù)體積,mL。

        1.5 優(yōu)勢度計算

        物種優(yōu)勢度指數(shù):[9]

        Y=Ni/Nfi

        式中:Ni為第i種物種的豐度,N為群落中所有物種的總豐度,fi為第i種物種在各樣點出現(xiàn)的頻率,當(dāng)Y≥0.02 時為優(yōu)勢種。

        1.6 多樣性指數(shù)計算

        選用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)和Pielou均勻度指數(shù)(J)[10]來分析浮游植物群落結(jié)構(gòu)和多樣性特征,計算公式如下:

        H′=-∑(Ni/N)log2(Ni/N)

        J=H′/lnS

        式中:S為浮游植物的種類數(shù)。

        生物多樣性指數(shù)評價標(biāo)準(zhǔn)見表1。

        表1 生物多樣性指數(shù)評價標(biāo)準(zhǔn)[11]

        1.7 水質(zhì)狀況評價

        依據(jù)GB 3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》評價水質(zhì)狀況,采用單因子評價法,即將某水樣的水質(zhì)項目參數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)中具體項目標(biāo)準(zhǔn)最差的類別確定為該水樣的水質(zhì)類別。

        2 結(jié)果分析

        2.1 浮游植物的種類

        本次調(diào)查共發(fā)現(xiàn)浮游植物7門81種,其中綠藻門39種,硅藻門18種,藍(lán)藻門11種,裸藻門4種,甲藻門、金藻門和隱藻門各3種(圖2)。

        (1) 豐水期浮游植物7門56種,其中綠藻門25種,硅藻門12種,藍(lán)藻門9種,裸藻門、甲藻門和隱藻門各3種,金藻門1種。

        (2) 平水期浮游植物7門50種,其中綠藻門26種,硅藻門10種,藍(lán)藻門6種,裸藻門3種,金藻門和隱藻門各2種,甲藻門1種。

        (3) 枯水期浮游植物7門50種,其中綠藻門26種,硅藻門10種,藍(lán)藻門6種,裸藻門3種,金藻門和隱藻門各2種,甲藻門1種。

        圖2 方便水庫浮游植物種類Fig.2 Phytoplankton species of Fangbian Reservoir

        2.2 浮游植物數(shù)量分布

        2.2.1 浮游植物豐度

        方便水庫浮游植物豐度范圍為8.67×103~4.92×107cells/L,平均值為8.69×106cells/L,浮游植物主要由藍(lán)藻門組成,平均占比為89.07%。

        (1) 豐水期浮游植物豐度范圍為6.35×106~4.92×107cells/L,平均值為2.29×107cells/L,浮游植物主要由藍(lán)藻門組成,平均占比為93.89%。

        (2) 平水期浮游植物豐度范圍2.31×106~3.89×106cells/L,平均值為3.10×106cells/L,浮游植物主要由藍(lán)藻門組成,平均豐度1.66×106cells/L,平均占比為53.55%。

        (3) 枯水期浮游植物豐度范圍8.67×103~4.22×104cells/L,平均值為2.01×104cells/L,浮游植物數(shù)量各門類差異較小,最大值為隱藻門,平均豐度5.90×103cells/L,平均占比為29.35%。具體統(tǒng)計結(jié)果見表2。

        表2 方便水庫浮游植物不同時期豐度統(tǒng)計

        2.2.2 浮游植物生物量

        方便水庫浮游植物生物量范圍0.015 2~13.527 9 mg/L,平均值為3.069 0 mg/L,浮游植物生物量主要由藍(lán)藻門組成,平均占比分別68.08%。

        (1) 豐水期浮游植物生物量范圍2.354 5~13.527 9 mg/L,平均值為7.056 9 mg/L,生物量主要由藍(lán)藻門組成,藍(lán)藻門平均生物量為5.844 5 mg/L,平均占比為82.82%。

        (2) 平水期浮游植物生物量范圍0.867 4~4.219 3 mg/L,平均值為2.013 9 mg/L,浮游植物生物量主要由隱藻門組成,平均生物量為0.589 8 mg/L,平均占比為29.29%。

        (3) 枯水期浮游植物生物量范圍0.015 2~0.455 7 mg/L,平均值為0.136 2 mg/L,浮游植物生物量分布較均勻,金藻門的生物量最高,平均為0.052 9 mg/L,平均占比為38.84%。

        2.3 優(yōu)勢度

        不同時期方便水庫的浮游植物優(yōu)勢度有所不同。由表3可知,束絲藻(Aphanizomenonsp.)和偽魚腥藻(Pseudoanabaenasp.)優(yōu)勢度最大,3個時期均為優(yōu)勢種。豐水期方便水庫優(yōu)勢種均為藍(lán)藻門,其中偽魚腥藻優(yōu)勢度最大,束絲藻次之。平水期優(yōu)勢種主要為藍(lán)藻門和隱藻門,其中束絲藻優(yōu)勢度最大,偽魚腥藻次之??菟趦?yōu)勢種表現(xiàn)不明顯,藍(lán)藻門、綠藻門、硅藻門、隱藻門、裸藻門和金藻門均有。具體統(tǒng)計結(jié)果見表3。

        2.4 浮游植物多樣性指數(shù)

        圖3為不同采樣時間浮游植物Shannon-Wiener指數(shù)和Pielou指數(shù)變化情況。方便水庫豐水期、平水期和枯水期浮游植物的Shannon-Wiener指數(shù)分別為2.21,3.88和3.20;浮游植物的 Pielou 均勻度指數(shù)分別為0.62,1.13和0.93。結(jié)果表明,浮游植物在平水期時種類最豐富,個體分布最均勻。

        2.5 庫區(qū)水質(zhì)狀況

        方便水庫水溫變化范圍為2.2~32.5 ℃,水溫在枯水期最低,豐水期最高;pH值變化范圍為7.21~8.25;溶解氧變化范圍為5.90~12.43 mg/L;高錳酸鹽指數(shù)變化范圍為2.7~4.5 mg/L;五日生化需氧量變化范圍為0.7~4.0 mg/L;氨氮變化范圍為0.026~0.172 mg/L;總磷變化范圍為0.02~0.05 mg/L;總氮變化范圍為0.34~0.58 mg/L。按豐水期、平水期、枯水期,分別計算各點位各評價指標(biāo)濃度算術(shù)平均值,按照環(huán)辦〔2011〕22號《地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法(試行)》的要求采用單因子評價法進(jìn)行水質(zhì)類別評價。結(jié)果顯示,方便水庫總體水質(zhì)狀況較好且穩(wěn)定,不同時期的水質(zhì)類別均為Ⅲ類。具體評價結(jié)果見表4。

        表3 方便水庫不同時期優(yōu)勢種和優(yōu)勢度統(tǒng)計

        圖3 方便水庫浮游植物多樣性指數(shù)趨勢Fig.3 Trend of phytoplankton diversity index of Fangbian Reservoir

        3條入庫河流的單因子水質(zhì)評價結(jié)果如表5所示,西南村河水質(zhì)較好,豐、平、枯3個水期水質(zhì)均為Ⅲ類水;青龍橋河豐水期水質(zhì)為Ⅳ類水,主要超標(biāo)項目為化學(xué)需氧量,平水期和枯水期水質(zhì)為Ⅲ類水;謝家棚河豐水期為Ⅴ類水,主要超標(biāo)項目為高錳酸鹽指數(shù)和五日生化需氧量,平水期和枯水期水質(zhì)為Ⅲ類水。

        3 討 論

        浮游植物是水生生態(tài)系統(tǒng)生物資源的基礎(chǔ),作為初級生產(chǎn)者,其種群變動和群落結(jié)構(gòu)直接影響著水生生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能,水生生態(tài)系統(tǒng)浮游植物群落結(jié)構(gòu)的變化與環(huán)境因子密切相關(guān),是其對環(huán)境適應(yīng)的結(jié)果。因此,浮游植物生物量和物種組成的變化可以反應(yīng)環(huán)境條件的變化。

        表4 方便水庫水質(zhì)類別評價

        表5 方便水庫主要入庫河流水質(zhì)類別評價

        在時間維度上,方便水庫浮游植物數(shù)量在不同水期呈現(xiàn)非常明顯的差異。從豐水期至枯水期,豐度從2.29×107cells/L降至2.01×104cells/L,生物量從7.056 9 mg/L降至0.136 2 mg/L。這表明水溫是影響浮游植物生物量的重要因素之一[12]。在空間維度上,方便水庫浮游植物數(shù)量變化也較為明顯。從3個時期來看,4個點位的浮游植物數(shù)量排序均為1號>4號>2號>3號,而同步監(jiān)測的TP和TN也呈現(xiàn)同樣的變化趨勢。這也表明營養(yǎng)鹽是影響浮游植物生物量的重要因素之一。本次調(diào)查結(jié)果與相關(guān)作者的研究結(jié)果一致,即浮游植物的豐度受營養(yǎng)鹽和溫度等環(huán)境因子的驅(qū)動而處于動態(tài)變化之中[13-17]。

        方便水庫浮游植物種類數(shù)量在不同水期變化較小,但種群結(jié)構(gòu)差異較大。優(yōu)勢度方面,不同水期庫區(qū)內(nèi)浮游植物優(yōu)勢度有所不同。藍(lán)藻門中的束絲藻和偽魚腥藻優(yōu)勢度最大,3個時期均為優(yōu)勢種。枯水期優(yōu)勢種表現(xiàn)不明顯且出現(xiàn)了金藻,有研究指出金藻對溫度變化感應(yīng)靈敏,一般在寒冷的晚秋和冬季生長旺盛[18]。

        方便水庫浮游生物的Shannon-Wiener指數(shù)和 Pielou 均勻度指數(shù)結(jié)果表明:浮游植物在豐水期時豐富度較高,個體分布較均勻,水體存在輕度污染;平水期和枯水期物種種類豐富,個體分布均勻,水體清潔。本次調(diào)查同步監(jiān)測了主要入庫河流的水質(zhì)狀況,結(jié)果顯示青龍橋河和謝家棚河豐水期的水質(zhì)狀況較差,分別為Ⅳ類和Ⅴ類,這可能是造成豐水期方便水庫輕度污染的原因之一。

        4 結(jié) 論

        對南京市方便水庫的浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了調(diào)查研究。結(jié)果表明:方便水庫存在浮游植物7門81種,其中綠藻門39種,硅藻門18種,藍(lán)藻門11種,裸藻門4種,甲藻門、金藻門和隱藻門各3種;浮游植物豐度范圍8.67×103~4.92×107cells/L,生物量范圍0.015 2~13.527 9 mg/L,從豐水期至枯水期呈明顯下降趨勢。不同水期庫區(qū)內(nèi)浮游植物優(yōu)勢度有所不同,但藍(lán)藻門中的束絲藻和偽魚腥藻在3個時期均為優(yōu)勢種;生物多樣性指數(shù)和水質(zhì)評價結(jié)果均表明方便水庫總體水質(zhì)狀況較好,滿足集中式生活飲用水源地二級保護(hù)區(qū)、一般魚類保護(hù)區(qū)及游泳區(qū)等功能的要求。豐水期受入庫河流水質(zhì)影響,水質(zhì)變差。今后應(yīng)持續(xù)關(guān)注入庫河流的水質(zhì)狀況,以保證水庫水質(zhì)的持續(xù)向好。

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