再生水补水景观水体浮游植物群落结构及其与水质参数的关系

张淑珍，王培京

(1.北京市水科学技术研究院，北京 100048；2.北京市南水北调水质监测中心，北京 100084)

0 引言

随着淡水资源的紧缺加剧，再生水作为一种非常规水资源，由于其供给可靠而被缺水地区重视，大规模应用于工业、农业、河湖景观补水及市政杂用[1]。国内城市景观水体普遍面临补水水源匮乏、水质恶化问题，采用再生水补水已成为此类景观建设必不可少的选择[2]。与清洁水源相比，再生水中的污染物本底值偏高，加之城市景观水体流动性差，基本丧失水体自净能力。因此，再生水补水的景观水体比天然河流、湖泊更易发生富营养化，引起藻类过度生长，甚至水华[3]。辨识再生水补水景观水体浮游植物群落及其与水质参数的关系，有利于对藻类生长控制和水质维护采取有针对性的防治措施。本文通过对北京市莲石湖的水质和浮游植物采样调查，初步探讨再生水补水景观水体的水质、浮游植物群落变化规律及浮游植物群落结构与水质参数的关系。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

莲石湖位于北京市石景山、门头沟和丰台河西交界之地，是在永定河干涸的河道内修建的人工湖泊，属于永定河“五湖一线”工程，在水资源调蓄、水质净化、气候调节、洪水调蓄以及旅游娱乐、休闲等方面具有重要功能。除了少量地表水和雨洪水外，城市污水处理厂产生的再生水是莲石湖的稳定补给水源[4]。八号湖在莲石湖的上游段，流速低于主湖区，夏季浮游植物易大量生长，在水面漂浮、聚集，破坏了景观水体的感官效果和水质。根据莲石湖特征，2019年5—9月在莲石湖八号湖进行采样调查。

1.2 样品采集与处理

参照《水和废水监测分析方法》采集水样[5]。在距水面0.5m深处采集2L水样用作理化指标测定。在表层至0.5m深处以20～30 cm/s的速度作“∞”形循回缓慢拖动25号浮游生物网约1～3min，采集浮游植物定性样品。在距水面0.5m深处取水样1000mL，加入10mL鲁哥试剂固定，静置24h后虹吸出上清液浓缩至50mL，作为浮游植物定量样品。

1.3 分析方法

水质指标采用现场测定和实验室测定相结合的方式进行。现场测定水温(WT)、pH、溶解氧(DO)、浊度(Turb)和电导率(Cond)。依据《GB 3838-2002地表水环境质量标准》中所列分析方法测定总磷(TP)、磷酸盐(PO4-P)、总氮(TN)、氨氮(NH4-N)、硝酸盐(NO3-N)、亚硝酸盐(NO2-N)、高锰酸盐指数(CODMn)、5日生化需氧量(BOD5)和总悬浮物(SS)；依据《HJ 897-2017水质叶绿素a的测定分光光度法》测定叶绿素a(Chla)；浮游植物物种鉴定和计数参照《淡水微型生物图谱》和《水和废水监测分析方法》中的相关方法进行[6]。

1.4 数据分析和处理

1.4.1 水体营养状态评价

根据《湖泊(水库)富营养化评价方法及分级技术规定》评价湖水富营养状态[7]，综合营养状态指数计算公式如下：

(1)

式中：TLI表示综合营养状态指数；m表示评价参数的个数，选取Chla、TP、TN、CODMn这4个参数；Wj表示第j种参数的营养状态指数的相关权重，依次为0.326、0.230、0.219、0.225；TLIj代表第j种参数的营养状态指数，计算公式分别为：

TLIChla=10·(2.500+1.086·lnchla)

TLITP=10·(9.436+1.624·lnTP)

TLITN=10·(5.453+1.694·lnTN)

TLICODMn=10·(0.109+2.661·lnCODMn)

1.4.2 浮游植物群落结构特征分析

识别莲石湖浮游植物优势种，通过计算优势度Y，找出Y>0.02的种类即为优势种；计算Shannon-Wiener多样性指数(H′)、Margalef丰富度指数(D)和Pielou均匀度指数(J)对莲石湖浮游植物生态学特征进行分析评价[8]。上述各指数的计算公式如下：

Y=Pi·fi

(2)

H′=-∑Pi·lnPi

(3)

D=(S-1)/lnN

(4)

J=H′/lnS

(5)

式中：Pi=Ni/N，表示样品中第i种物种个体数Ni占样品中所有种类总个体数N的比例；fi为第i种物种在监测期间出现的频率；S为样品中所有物种的种类数。基于水体营养状态评价研究，采用表1所列的营养状态分级标准评价水质状况[9]。

1.4.3 浮游植物群落结构特征与水质参数关系分析

采用SPSS软件对浮游植物群落(门类)与水质参数进行相关性分析；采用Canoco 5软件对莲石湖浮游植物常见优势种与水质参数进行生态学多元数据排序分析，若软件计算的响应值梯度<3，则选择冗余分析(RDA)，否则采用典范对应分析(CCA)。

表1 营养状态分级标准

2 结果与讨论

2.1 水质参数变化分析

2019年5—9月莲石湖的基本水质情况见表2。TN浓度平均值>2.0mg/L(地表水环境质量标准Ⅴ类限值)，其营养状态指数TLITN在55.19～83.96，平均值为64.40，为中度富营养。由图 1可以看出，水体中的氮除了NH4-N、NO3-N和NO2-N外，还有相当一部分为其它形态的氮。7月份NH4-N对TN的贡献率增大，可能与湖中浮游植物生命活动加剧有关。6月中旬以来TP浓度超过地表水环境质量Ⅳ类标准(湖、库)(0.1mg/L)，尤其在7月5日和8月19日TP浓度为劣Ⅴ类(>0.2mg/L)，TLITP在47.79～71.35，平均值为61.67，为中度富营养。从图 2可以发现，PO4-P质量占TP的50%以上且变化趋势与TP一致，说明该水体中磷主要以磷酸盐的形态存在。Chla浓度在3.14～17.00μg/L，平均值为8.45μg/L，其TLI在37.43～55.77，平均值为46.73，属于中营养。Chla浓度变化滞后于TP若干天，曲线形状相近。上述分析发现再生水补水景观水体TN、TP浓度偏高，营养状态指数均在60以上，具备富营养化的条件。根据公式(1)计算莲石湖八号湖的TLI，其变化曲线如图 3所示。湖水总体处于富营养状态，其中除9月11日TLI<50为中营养状态，以及8月1日TLI>60为中度富营养状态外，其他时间TLI均在50～60，属于轻度富营养状态。

表2 莲石湖的基本水质情况

2.2 浮游植物群落结构特征

2.2.1 种类组成

根据2019年5—9月13次采样分析结果，莲石湖八号湖共观测到浮游植物7门65(属)种，具体种类见表 3。其中绿藻门种类数最多，有28(属)种，占浮游植物种类数的43.1%；其次为硅藻门有17(属)种，占26.2%；蓝藻门有12(属)种，占18.5%。浮游植物种类组成如图4所示。从各次浮游植物种类组成变化来看(图 5)，8月19日种类数最多，达33种；其次为7月16日28(属)种，7月5日24(属)种；8月1日最低，只有11(属)种；调查期间平均种类数约19(属)种。绿藻门种类数最多为17(属)种(8月19日)，最低为4(属)种(9月6日、27日)；硅藻门种类数最多为8(属)种(5月31日)，最低为1(属)种(8月30日)；蓝藻门种类数最多为7(属)种(7月16日)，最低为1(属)种(7月25日)。

表3 莲石湖浮游植物名录

2.2.2 细胞密度变化

莲石湖浮游植物细胞密度变化范围为40.20～554.47万个/L，平均细胞密度为181.40万个/L。其中绿藻门密度最高，平均密度为78.32万个/L，占总密度的43.2%；其次为硅藻门，平均密度为56.47万个/L，占31.1%。其他门类依次为：蓝藻门平均密度为32.24万个/L，占17.8%；隐藻门平均密度为7.50万个/L，占4.1%；裸藻门平均密度为3.81万个/L，占2.1%；甲藻门平均密度为1.59万个/L，占0.9%；黄藻门平均密度为1.47万个/L，占0.8%。

浮游植物细胞密度是评价水体营养状况的重要参数，5—6月及9月27日莲石湖浮游植物细胞密度均处于40～70万个/L，属于中营养范畴；7—9月细胞密度整体较高，均超过了100万个/L，最高值出现在7月5日，达554.47万个/L，主要为绿藻门和硅藻门，其次为7月16日和8月19日，均超过了350万个/L，主要为绿藻门和硅藻门或绿藻门和蓝藻门，水体属于富营养范畴。结合莲石湖浮游植物种类组成和细胞密度，其种群结构表现为绿藻+硅藻+蓝藻型，与已有的研究结果基本一致，该类型是中富营养化的重要特征[10]。

表4 浮游植物参数与营养状态评价参考标准

2.2.3 优势种

优势种种数及其数量对群落结构的稳定性有重要影响，优势种种数越多且优势度越小，则群落结构越复杂、稳定[11]。由表5可见，2019年5—9月莲石湖的浮游植物优势种(Y>0.02)有5～9种，主要有小球藻sp.、栅藻sp.、斜生栅藻、衣藻sp.、空球藻sp.、实球藻sp.、纤维藻sp、胶囊藻sp.、小环藻sp.、脆杆藻sp.、针杆藻sp.、等片藻sp.、菱形藻sp.、圆筛藻sp.、色球藻sp.、伪鱼腥藻sp.、席藻sp.、颤藻sp.、平裂藻sp.、隐藻sp.、裸藻sp.等，各次检测到的数目基本稳定，8月1日优势种最多为9种，6月21日、7月25日、8月30日和9月27日仅出现5种优势种。调查结果显示，莲石湖浮游植物优势种种数较多且优势度较低，其群落结构复杂、稳定。此外，浮游植物的优势种类最能体现水体的营养状态，从所检测的优势种类来看，优势种所属门类大多为绿藻门或硅藻门，表明莲石湖水体为中营养化水体。

表5 莲石湖浮游植物优势种及优势度指数变化

2.2.4 多样性分析

群落多样性通常与物种的丰富度和均匀度密切相关，依据公式(3)～(5)分别计算莲石湖的Shannon-Wiener多样性指数(H′)、Margalef丰富度指数(D)和Pielou均匀度指数(J)。H′可反映群落结构的复杂程度，D可反映物种的多寡，J用于反映群落的均匀度。莲石湖H′值的波动范围为1.35～2.77，均值为2.24，除8月1日和9月27日外，其他各次H′值均>2，多样性水平相对较高。浮游植物多样性指数可以在一定程度上反映水质状况，浮游植物种类越多，种类分布越均匀，则其多样性指数越高，水质状况越良好，一般认为H′值在0～1为重污染、1～3为中度污染、>3为轻度污染或无污染[12]。因此，莲石湖水体属于中度污染。莲石湖丰富度指数D在0.69～2.11，均值为1.21；均匀度指数J的变化范围为0.53～0.89，均值为0.79，均匀度较高，据此评价莲石湖属于贫营养水体。Shannon-Wiener多样性指数与Margalef丰富度指数、Pielou均匀度指数的相关性分析表明，H′与D、J均呈现极显著正相关(P<0.01)，相关系数分别为0.768、0.708。对Shannon-Wiener多样性指数与监测的水质参数进行相关性分析发现，H′与SS呈显著负相关(P<0.05)，与Cond呈现显著正相关(P<0.05)，而与其它水质参数的相关性不明显(P>0.05)。

2.3 浮游植物群落与水质参数的关系

在水生态系统中，水质参数对浮游植物群落结构变化有主导作用，而浮游植物群落也在一定程度上影响水质参数变化，浮游植物分布及种类对水质变化有指示作用[13]。

2.3.1 相关性分析

浮游植物群落与水质参数进行相关性分析，结果显示：绿藻门细胞密度与PO4-P、CODMn、NO2-N、TP呈显著正相关，相关性系数分别为0.924、0.625、0.635、0.581；硅藻门细胞密度与PO4-P(r=0.847)、CODMn(r=0.673)呈显著正相关；蓝藻门细胞密度与PO4-P、TP、NO2-N呈显著正相关，相关性系数分别为0.852、0.768、0.612；甲藻门细胞密度仅与CODMn呈极显著正相关(r=0.768)；隐藻门细胞密度则只与PO4-P呈显著正相关(r=0.803)；裸藻门细胞密度、黄藻门细胞密度均与TN、NH4-N 、NO3-N、NO2-N呈显著正相关。各门类浮游植物密度均与Chla无明显相关性，结合实地观测情况及监测数据，2019年5—9月莲石湖未暴发水华，Chla与细胞密度整体处于较低水平，而相关研究表明Chla < 40 μg /L时，Chla与细胞密度之间的相关性不明显[14]，与莲石湖相关性分析结果一致。根据上述分析，氮、磷营养盐及高锰酸盐指数是影响莲石湖浮游植物群落结构变化的主要参数，氮、磷营养盐是浮游植物生长的重要物质基础，高锰酸盐指数反映水体中有机和无机可氧化物质污染情况。

表6 浮游植物群落与水质参数相关性分析结果

2.3.2 生态学多元数据排序分析

根据优势度以及常见水华风险物种，筛选出用于排序的浮游植物种类有绿藻门小球藻sp.、栅藻sp.、实球藻sp.、衣藻sp.；硅藻门小环藻sp.、针杆藻sp.、等片藻sp.；蓝藻门鱼腥藻sp.、颤藻sp.、席藻sp.、色球藻sp.；隐藻门隐藻sp.及裸藻门裸藻sp.。Canoco自动计算的响应值梯度为2.4，故对浮游植物群落与水质参数进行RDA。首先通过交互正向选择从监测的水质参数中提取出解释群落结构变化的最佳环境变量，包括NO2-N、TN、NO3-N、Turb、TP、BOD5、SS和WT等8个水质参数。图 7展示了水质参数对浮游植物群落的RDA分析结果，可以看出筛选出来的水质参数对浮游植物群落结构变化的总解释率为82.2%。经RDA提取显著性解释浮游植物群落的水质参数，其中解释率较高的有NO2-N、TP和WT，分别为22.4%、20.1%和11.7%。

图7中各箭头连线夹角大小以及一个变量箭头在另一变量上的投影长度表示两者的相关关系，可用于分析水质参数与物种间、水质参数间以及物种间的相关关系。小球藻sp.、栅藻sp.、隐藻sp.、色球藻sp.和颤藻sp.与TP、NO2-N正相关，与WT、SS和Turb呈现负相关，与TN、NO3-N和BOD5不相关；鱼腥藻sp.、席藻sp.和裸藻sp.与TN、NO3-N、BOD5、TP、NO2-N呈正相关，其中与TN和NO3-N的相关性较高；等片藻sp.、衣藻sp.、小环藻sp.和针杆藻sp.与TN、NO3-N和BOD5呈负相关；实球藻sp.则与TN、NO3-N和BOD5呈正相关。可以看出，绿藻门浮游植物与磷营养盐相关性较好，TP浓度升高会导致绿藻门密度增大；蓝藻门及硅藻门浮游植物与氮营养盐相关性好，水体中氮营养盐浓度增加会导致蓝藻门密度增大，硅藻门密度减小。总体来看，浮游植物群落变化与水体中氮、磷营养盐浓度相关，与2.3.1相关性分析结果一致。

3 结论

(1)再生水补水景观水体的氮、磷营养盐浓度较高，基于综合营养状态指数判断莲石湖处于轻度富营养化状态，存在发生水华的风险。为预防大面积水华暴发，应减少污染物的输入，控制补水水源的营养盐浓度。

(2)与自然河湖多以蓝绿藻为主不同，再生水补水景观水体的浮游植物群落结构为绿藻门+硅藻门型，优势藻种主要为绿藻门小球藻、硅藻门小环藻等。同时，莲石湖的优势藻种种类数多、浮游植物多样性高，浮游植物群落结构复杂、稳定。

(3)水质参数对不同门(种)类的浮游植物作用不同，通过相关性分析和冗余分析，发现再生水补水景观水体中氮、磷营养盐是影响浮游植物群落结构变化的最主要因子。此外，水温、高锰酸盐指数也与浮游植物密度变化存在相关性，可作为再生水补水景观水体水华预警指标。