宁德金涵水库水质及浮游植物时空动态变化研究

孙成贤 林雄平 李凤

摘 要：为了解宁德金涵水库水质及浮游植物时空动态变化，于2019年四季分别在金涵水库的8个样点进行了取样调查。结果表明，鉴定出的浮游植物有6门24属32种，其中，绿藻门12种，蓝藻门7种，硅藻门5种，甲藻门3种，隐藻门3种，裸藻门2种。金涵水库浮游植物的细胞密度在2.9×106～2.4×107cells/L，平均值为9.86×106±4.8×106cells/L，春季较高，夏季达到最高水平，秋冬两季逐渐下降。其生物量范围为在3.64～50.14mg/L，平均值为16.30±11.25mg/L，四季变化趋势为春>夏>秋>冬，最高点出现在春季的4号点。金涵水库的Shannon-Wiener指数在1.36～2.87;分布均匀度平均值为0.859±0.056。各采集点四季溶氧量的平均值为10.1±1.01mg/L，硝酸盐氮的含量为0.002～0.202mg/L;总氮含量为0.067～2.745mg/L;总磷含量为0.01～0.059mg/L;氨氮含量为0.112～0.287mg/L，均在地表水环境质量标准限值内，处于Ⅰ～Ⅱ类水源地。浮游植物群落变化的驱动因子为氨氮和总磷，浮游植物细胞密度与温度和TP、TN等呈现显著正相关。研究结果可为安全饮用水水源地的水污染预警提供依据。

关键词：金涵水库;浮游植物;動态变化;藻类

中图分类号 Q178.3 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2021）21-0142-07

Abstract： In order to understand the spatiotemporal dynamic change of water quality and phytoplankton in Jinhan Reservoir， Ningde， China， a sampling survey was conducted at 8 sampling sites in spring， summer， autumn and winter of 2019. There were 6 Phyla， 24 Genera， 32 species of phytoplankton， 12 species of Chlorophyta， 7 species of Cyanophyta， 5 species of diatoms， 3 species of dinoflagellates， 3 species of cryptoalgae and 2 species of Gymnophyta. The abundance of planktonic algae in Jinhan reservoir was between 2.9×106 ～2.4×107 cells / L， with an average value of 9.86×106±4.8×106cells / L. The abundance of planktonic algae was higher in spring， reached the highest level in summer， and decreased gradually in autumn and winter. The biomass ranged from 0.434 mg/L to 4.692 mg /L， and the mean value was 3.64～50.14mg/L.The trend of seasonal variation was similar to that of cell density， and the highest point appears at the 4th site in summer. The Shannon-Wiener index of Jinhan Reservoir was 1.36～2.87， and the average distribution uniformity was 0.859±0.056. The average dissolved oxygen （DO） was 10.1±1.01 mg /L， the content of nitrate nitrogen was 0.002～0.202 mg /L， the content of total nitrogen was 0.067～2.745 mg/L， the content of total phosphorus was 0.01～0.059 mg /L， the content of ammonia nitrogen was 0.112～0.287 mg / L， all of them were within the limits of the environmental quality standard of surface water and were in the I-II water source area. The driving factors of phytoplankton community change were ammonia nitrogen and total phosphorus and the abundance of phytoplankton was positively correlated with Shannon Index， TP and TN. This study could provide an early warning of water pollution in safe drinking water sources.

Key words： Jinhan reservoir; Phytoplankton; Dynamics; Algae

宁德金涵水库位于宁德市蕉城区金涵乡，系宁德市重要的水工程，集发电、农业灌溉、水产养殖、居民饮水等多种功能于一身。作为宁德市居民最重要饮用水源地，其水质好坏直接关系着宁德人民的生活品质与安全。2003—2008年期间，金涵水库的水质监测表明其属于中贫营养状态，水质属于Ⅱ类水，适应于饮用[1-2]。

近几年来，由于宁德经济的快速发展，城市化水平逐步提高，人口快速增长，这些均对环境造成了极大的污染压力。另外，金涵水库周边兴起了农家乐等经济开发活动，以及周边村落居民的农业生产，除草剂、农药和肥料的大量使用，加上全球气候逐年变热，这些因素都增加了金涵水库整体暴发水华的风险。库区虽然有环境监测站进行水质的实时监测，但是目前还未见有金涵水库浮游植物群落结构动态变化的相关报道，说明福建省宁德地区的相关水生态调查和研究相对滞后。因此，对库区水体的浮游植物进行本底调查以及藻类多样性生态调查，可为福建省典型水体的浮游植物群落结构变化以及生物多样性的保护提供参考，同时也可为深入了解水库的营养状态及其发展动态，为保障和改善水库水质提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 水样采集

1.1.1 采样点分布 结合金涵水库生态环境动态特征，参考宁德市环境监测站河流监测断面的布设及卫星遥感数据的分析，筛选具体位点8个。具体采样位点如图1所示。

1.1.2 采样方法 于2019年4月（春季）、7月（夏季）、10月（秋季）以及2020年1月（冬季），到达采样位点后，使用YSI仪器现场原位测定以下指标：温度（T）、pH、溶解氧（DO）、電导率（TDS），并对采样地点、时间一一记录。用5L的采水器取表水1L，并滴加5mL的鲁哥试剂进行固定，带回做定量分析。同时，取3L原水回实验室进行水质参数分析。用浮游生物网（网孔直径0.064mm）来回拖动采集活藻。然后装入10mL的离心管中，回实验室做定性观察。

1.2 研究方法

1.2.1 水质指标测定 将采回的原水倒入烧杯中，按照国家水质监测标准的分析方法[3]对水样进行检测，根据地表水环境质量标准判断金涵水库的水质情况[4]。水体化学指标包括总氮、总磷、氨氮、硝酸盐氮，将水样采集回实验室后，参照《水和废水监测分析方法（第四版）》进行测定。叶绿素a测定参照杨玉珍等的方法进行[5]。

1.2.2 浮游植物定性和定量分析 定性分析：将采集在离心管里的藻用显微镜进行藻类的观察，再根据《福建省大中型水库常见淡水藻类图集》[6]、《浙江省主要常见淡水藻类图集（饮用水水源）》[7]和《中国淡水藻类——系统、分类及生态》[8]等微藻图谱对其进行鉴定并拍照。若不能立即观察可以放置4℃冰箱中保存1～2d。

定量分析：将加有鲁哥试剂的水样静态沉淀并避光保存48h。48h后，采取虹吸法将上清液，获取浓缩液50mL，装入50mL样品瓶中并标记。浮游植物定量样品的计数方法，基本操作步骤如下：充分摇匀样品后，取0.1mL滴入浮游植物计数框内，在光学显微镜400倍下计数50个视野中的浮游植物，每一样品取样和计数2次，2次结果与平均数之差不大于±15%时，计数结果方可信，否则须继续取样计数。

最后，将数据用Excel进行整理，再用canoco5、R语言、orgin对环境因子、细胞密度、生物量进行CDA分析、RDA分析、作图表分析。

2 结果与分析

2.1 浮游植物群落组成 通过对浮游植物进行显微镜观察及鉴定，金涵水库浮游植物群落种类组成结果详见图2。共鉴定出浮游植物6门24属32种，分别是绿藻门9属12种，占总物种数37.5%，占比最高;其次为蓝藻门，占总物种数21.88%;硅藻门4属5种，占总物种数15.63%。可见，全年绿藻物种数普遍比其他藻类多，其次为蓝藻。从种类组成来看，金涵水库的群落结构组成为绿藻-蓝藻型。

2.2 浮游植物细胞密度 金涵水库浮游植物的细胞密度总体平均值为9.9×106±4.8×106cells/L，变幅在2.9×106～2.4×107cells/L，其中，夏季浮游植物细胞密度最高，平均值在1.4×107±5.2×106cells/L，夏季的4号位点浮游植物细胞密度最大为2.4×107cells/L，金涵水库四季浮游植物细胞密度的变化趋势为夏季>春季>秋季>冬季。浮游植物细胞密度在春夏两季较多，其中在夏季4号点的细胞密度明显突出，其可能原因为夏季温度升高，适合蓝藻门植物生长，且4号点常有游客钓鱼聚集等行为，可能人为导致该点水体总氮总磷升高以至于水体中的藻类大量繁殖。秋季与冬季细胞密度较低，也比较平稳，春季藻类细胞密度略微低于夏季。四季藻类细胞密度分布见图3。

2.3 浮游藻类生物量 金涵水库浮游植物生物量密度总体平均值为16.30±11.25mg/L，变幅在3.64～50.14mg/L，其四季各样点的生物量分布见图4。金涵水库浮游植物在春夏季的生物量密度变化较大，而其他两季都较为稳定，其中春季4号点生物量密度最大，四季度平均生物量密度变化趋势为春季>夏季>冬季>秋季。

图5为金涵水库各样点浮游植物生物量占比看出，春、夏季的优势种为绿藻门，分别为49.38%、71.97%;秋冬季优势种均为硅藻门，分别占生物量的54.09%、71.35%。可以看出，金涵水库四季群落演替为绿藻-绿藻-硅藻-硅藻。随着温度的升高，夏季绿藻门生物量增加，硅藻门减少，而在秋季，硅藻门逐渐开始上升，其中裸藻门生物量也有所提高，约占总生物量的27.16%。在冬季，随着温度下降，硅藻占比达到最高。值得关注的是蓝藻植物在四季生物量比例均较为低，所占比例为0.6%～7%，还是具有引发蓝藻水华的潜在风险。

2.4 浮游藻类的多样性

2.4.1 丰富度 多样性是种群的主要特征之一，多样性越大则群内物种愈丰富。对于金涵水库采集点数据进行分析，发现其丰富度[R=S（物种数）]范围为8～23，其中丰富度最高点位的是春季的8号点，丰富度指数为23，最低的是秋季的8号点，丰富度指数是8。四季物种数丰富度见图6。综合全年数据来看，在春季的丰富度是最高的，这可能是因为春季气温适宜以及水体养分充足，适合大部分藻类生存，于是藻类物种数变多。

2.4.2 均匀度 判断群落结构特征也可以将其分布均匀度[Jsw=-∑（PilnPi）/lns]作为一项重要指标。金涵水库的物种均匀度指数平均值为0.855，其不同采集地点以及不同季节均匀度指数均有小范围浮动，在冬季的2号点出现最高值0.975，说明在此时间的2号点藻类分布较均匀。具体指数值分布见图7。全年的各样点均匀度变化幅度不大，只有秋季5号点的均匀度指数发生较大变化，降到了0.618。

Shannon-Wiener指数H′=-∑（Pi×lnPi）可反映群落的复杂程度，群落越复杂，它的指数越高，则群落结构越稳定，水质较好。金涵水库的Shannon-Wiener指数在1.36～2.87，最高点出现在冬季的2号点，最低点出现在秋季的5号点（图8）。

对于全年的Shannon-Wiener指数进行分析，春夏两季的多样性变化不显著，藻类群落处于一个较为稳定的状态，说明大部分藻类植物比较适合生存在这2个季节，而秋冬两季多样性变化显著，群落结构变化较大，其原因可能是温度的变化导致藻类不能很好地生长;其中，5号点、7号点在秋冬两季变化明显，说明这2个点对季节的变化反应更加明显。

对浮游藻类的各样点季节性Shannon-Wiener指数变化进行分析，发现其变化规律与均匀度指数变化规律是一样的，最高值和最低值出现在冬季的2号点和秋季的5号点。

2.5 水质指标

2.5.1 氮磷指标 根据水和废水监测分析方法（第四版）中的要求，分别对于硝酸盐氮、总磷、总氮、氨氮等值进行检测分析。分析整理实验数据如图9，各采集点四季溶氧量的平均值为10.1±1.01mg/L，总氮含量为0.067～2.745mg/L;总磷含量为0.01～0.067mg/L;硝酸盐氮的含量为0.002～0.202mg/L;氨氮含量为0.112～0.287mg/L。在冬季，总氮和总磷含量都比较低，分析其原因为冬季藻类温度下降开始休眠，于是大量吸收总氮总磷以维持休眠期的能量消耗。

2.5.2 叶绿素浓度 浮游藻类叶绿素a浓度变幅在0.69～4.24μg/L，平均值为2.04±1.08μg/L。冬季7号点的叶绿素a最高为4.24μg/L，冬季3号点叶绿素a浓度最低为0.69μg/L。春季平均值为2.7±0.76µg/L，夏季平均值2.47±0.91µg/L，秋季是1.27±0.47µg/L，冬季为1.7±1.41µg/L。春季叶绿素a含量最高，秋季最低。在金涵水库8个位点中，春、夏、秋、冬3个季度平均叶绿素a含量达到贫营养化水平（<3μg/L），春季的4、5和8位点，夏季4和5位点，冬季6和7号位点达到中营养化水平。4个季节的叶绿素a浓度变化如图10所示。四季8个位点的水质营养化水平均较低，水质较好。其中除了6号、7号和8号位点外，其他位点叶绿素含量的变化均随着温度的降低而降低，大部分浮游植物进入休眠期。

2.5.3 其他环境因子 金涵水库不同季节的环境因子见表1，其中包括水温、pH、溶解氧、电导率。水温变动范围为17.8～31.6℃，温度差异较为明显，夏季温度达到最高，平均温度在30.43℃。其中夏季8号位点出现最高温，在冬季的8号位点出现最低温。其各季度区域水温差异不明显。水体中平均溶解氧含量在10.07±0.33mg/L，在季节差异上，随着季节变换逐渐降低。从溶解氧看，金涵水库的水质属于Ⅰ类，所有点位均大于8mg/L。pH年平均为6.94±0.27，水体呈弱酸性，四季pH值变动范围為5.96～8.08，变化幅度不大。四个季度电导率差异不明显，总平均值在40.41±2.03mS/cm，变幅为30.9～58.5mS/cm。其中冬季1号位点电导率最高，夏季7号位点最低，其变化趋势为冬季>秋季>春季>夏季。

4个季度水质在pH、温度、溶解氧等方面的差异较大，这可能是因为各种无机盐的含量差异所引起的，以上理化指标对于后续浮游生物的分布和群落特具有重要的参考价值。

2.6 浮游植物与环境因子的关系

2.6.1 浮游植物细胞密度优势种与环境因子的关系 DCA分析结果显示细胞密度及生物量均小于4，选用冗余分析（RDA）分析进行约束性排序。最后得出结果是氨氮（N-NH4）、总磷（TP）、总氮（TN）、溶解氧（DO）是影响金涵水库浮游植物细胞密度分布的主要环境因子（P<0.05）。浮游植物与环境因子的RDA排序图表面图11，金涵水库的浮游植物大部分在第一象限和第四象限，细胞密度优势种隐球藻、长孢藻、直链藻、小环藻、束丝藻、隐杆藻与氨氮呈正相关;颤藻、鼓藻、衣藻、具星小环藻、叉星鼓藻、微囊藻、小球藻与总磷、总氮、溶解氧呈正相关;说明金涵水库群落季节演替的主要驱动因子为氨氮和总磷。

2.6.2 浮游植物生物量优势种与环境因子的关系 基于生物量确定的优势种所确立的RDA分析（图12）。金涵水库藻类优势种的影响因子明显跟细胞密度确定的优势种有所不同，浮游植物大部分分布于第一象限和第二象限。其中环境因子电导率，总氮，溶解氧，总磷，硝酸盐氮，pH对生物量优势物种的影响较大。裸藻，针杆藻，鼓藻与溶解氧。pH呈正相关，物种越多，溶解氧浓度和pH就会越大。另外囊裸藻和放射性针杆藻也受pH影响较大呈正相关关系。对囊裸藻、放射性针杆藻、实球藻、直链藻、短棘盘星藻、卵形藻与电导率呈正相关关系;叉星鼓藻、新月藻、水华束丝藻、囊裸藻与总氮、溶解氧、总磷呈正相关关系。说明电导率、总氮、溶解氧、总磷对生物量优势种的影响较大。

2.6.3 水质指标与浮游植物的相关性 从图11可以看出，浮游植物叶绿素a浓度与其细胞密度、生物量呈现正相关，且极显著，叶绿素a浓度越高，细胞密度及生物量越大。此外，叶绿素a与TN、TP具有一定的相关性，相关系数分别为0.34、0.49，另外，浮游植物细胞密度与TP、TN两者呈现正相关，相关性系数分别为0.60、0.57。可以看出总氮、总磷还是可以影响细胞密度的。从图11还可以看出，温度对浮游藻类细胞密度也有影响，其呈现正相关，相关性系数为0.55，说明金涵水库的浮游植物对温度的变化较为敏感，其细胞密度会受到温度的影响。

3 讨论

通过实地勘察、采样，对宁德市金涵水库进行了采样，共选取8个样点对水源进行采样，对其进行了水源质量的部分指标的检测与分析以及浮游藻类不同时间空间上的定性定量分析，最终在金涵水库各采集点中共发现浮游藻类6门22属32种，其中绿藻门占比最高，达到总数的38%，蓝藻门略低于绿藻门，占总数的22%。而对于整体分布的藻类细胞密度来说，总量在2.9×106～2.4×107cell/L，达到了中富营养级别[9]，在夏季4号点达到了全年的最高值。分析其原因可能是夏季温度升高，大量藻类进行繁殖，而且在夏季该点人为活动多，对藻类的生长繁殖产生了巨大的影响。纵观全年，夏季的细胞密度最高，春季略低，秋冬2季各点趋于平衡，处于较低水平。

对其浮游藻类的生物量来说，全年的平均值为16.30±11.25mg/L，最高时出现在春季4号点，最低值出现在夏季1号点，这与细胞密度的分布变化是不完全一致的，说明细胞密度与生物量还是有所差异。纵观全年，比较其生物量占比，在春夏两季的优势种群为绿藻门，但在夏季蓝藻门占比明显增多，秋冬季的优势种群为硅藻门，说明金涵水库的群落结构为硅藻-绿藻型水库。蓝藻门大多好高温，于是随着温度上升逐渐增多，而硅藻门适合在10～25℃的温度下生活，于是在炎热的夏季数量较少，到了秋季温度下降，数量就逐渐增多。

Shannon-Wiener指数通常在0～1，在中-富营养化湖泊水库中，Shannon-Wiener指数通常在1～2，在中营养化湖泊水库中，Shannon-Wiener指数通常在2～3，在寡营养湖泊水库中，Shannon-Wiener 指数通常大于3[10]。从生物多样性要素角度运用Shannon-Wiener多样性指数（H′）和Pielou均匀度指数（J）对金涵水库进行分析，结果为Shannon-Wiener多样性指数（H′）范围为1.36～2.87，均值为2.37，表明水体处于中营养状态，金涵水库可归类为中营养化水库。J值在0～0.3为重度污染，0.3～0.5为中度污染，0.5～0.8为轻度污染，>0.8为無污染[11];而金涵水库的Pielou均匀度指数（J）范围在0.618～0.975，均值为0.86，说明金涵水库除个别位点外，水体状况为无污染。这与蓝华秀以及范小萍等[1-2]的报道基本一致，说明金涵水库水质还是比较适合于饮用的。

基于皮尔森的相关性分析和冗余分析（RDA分析）发现，温度、总氮、总磷是决定金涵水库四季变换的关键环境因子，而从细胞密度优势种发现，驱动全湖浮游植物细胞密度优势种的驱动因子为氨氮、总磷，说明温度和营养盐在金涵水库群落结构和四季演替过程中起到了十分重要的作用，这与王远飞等[12]的报道一致。

参考文献

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（责编：张宏民）