關(guān)于于橋水庫(kù)浮游植物群落特征及其環(huán)境影響因子的研究
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作者：張毅
于橋水庫(kù)位于天津北部薊縣城東4 km處，地理位置為39°56'-40023'N，117°26'-118°12'E，為引灤人津的大型調(diào)蓄水庫(kù)，是天津市人們生活飲用及工農(nóng)業(yè)用水的主要來源。近年來，于橋水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)程總體呈現(xiàn)逐漸加快的趨勢(shì)，增加了天津市市民飲用水風(fēng)險(xiǎn)。解析影響浮游植物生長(zhǎng)的主要水質(zhì)因子是控制于橋水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化問題的關(guān)鍵。本研究對(duì)于橋水庫(kù)浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征、水質(zhì)狀況進(jìn)行了季節(jié)性調(diào)查，并應(yīng)用冗余分析(redundancy analysis．RDA)，探討了于橋水庫(kù)浮游植物群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子的關(guān)系，以期為有效防治于橋水庫(kù)水體富營(yíng)養(yǎng)化提供科學(xué)依據(jù)。
1 材料與方法
1.1 采樣點(diǎn)設(shè)置
根據(jù)于橋水庫(kù)的形狀及功能區(qū)特征，共設(shè)置5個(gè)采樣點(diǎn)位，見圖1。其中，Sitel為于橋水庫(kù)上游3條主要來水河流交匯處，Site5為水庫(kù)出口。采樣時(shí)間為2013年5月、8月和10月，其中，5月代表春季，8月為夏季，10月為秋季。
1.2 樣品的采集與處理
應(yīng)用Professional Plus多功能水質(zhì)儀(YSI公司)測(cè)定水溫(WT)、pH、溶解氧(DO)、電導(dǎo)率(CON)；用塞氏盤測(cè)定透明度(Tr)；水樣的采集及其它水質(zhì)因子的分析測(cè)定參考文獻(xiàn)[8]，水質(zhì)因子包括懸浮物(SS)、高錳酸鹽指數(shù)、亞硝酸鹽氮（N02--N）、硝酸鹽氮( N03--N)、氨氮（NH3-N）、總氮(TN)、總磷(TP)、硅酸鹽（Si042-）、葉綠素a（Chl以）。浮游植物樣品的采集、處理、定性及定量方法參照文獻(xiàn)。
1.3 數(shù)據(jù)分析
1.3.1 生物指標(biāo)計(jì)算公式
優(yōu)勢(shì)種的確定采用Mcnaughton優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(Y)，Y>0.02的種類定為優(yōu)勢(shì)種。計(jì)算公式為：
式中：Ni為第i種的個(gè)體數(shù)，N為同一樣品中的個(gè)體總數(shù)，fi為第f種在各采樣點(diǎn)出現(xiàn)的頻率。
綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI(∑)計(jì)算方法參照國(guó)家環(huán)保部發(fā)布《地表水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)辦法（試行）》。
1.3.2 冗余分析(RDA)
本研究用于排序的物種要求滿足下面2個(gè)條件：該物種在各樣點(diǎn)臥j現(xiàn)的頻度>12.5%，該物種在至少一個(gè)樣點(diǎn)的相對(duì)密度≥l%。以浮游植物豐度和水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果為基礎(chǔ)，分別建立物種矩陣和環(huán)境矩陣，其中物種矩陣經(jīng)過log(x+l)轉(zhuǎn)換，環(huán)境矩陣除pH以外都進(jìn)行l(wèi)og(x+l)轉(zhuǎn)換，樣方、物種數(shù)據(jù)均進(jìn)行中心化處理。采用Canoc0 4.5軟件對(duì)物種數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行RDA分析，步驟如下：(l)對(duì)物種矩陣進(jìn)行去趨勢(shì)對(duì)應(yīng)分析(detrended correspondence analysis，DCA)，得出單峰響應(yīng)值(梯度長(zhǎng)度SD)。本研究計(jì)算得到SD= 1.35，SD<3，即進(jìn)行RDA分析；(2)由于變量中可能存在高度自相關(guān)變量，先對(duì)所有變量用RDA分析剔除掉膨脹系數(shù)大于20的變量，之后用剩余變量來分析影響浮游植物種群變化的份額，變量重要性的相對(duì)大小在程序結(jié)果中得到，變量的顯著性水平通過蒙特卡洛置換檢驗(yàn)(p<0.05; n=499非限制性置換)。
2 結(jié)果與分析
2.1 水體的營(yíng)養(yǎng)狀況
根據(jù)TP、Chl、TLI(∑)等水質(zhì)指標(biāo)、以及浮游植物豐度、生物量等生物指標(biāo)分別對(duì)于橋水庫(kù)各月份營(yíng)養(yǎng)狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果見表1。結(jié)果表明，除Chl口和生物量評(píng)價(jià)5月份于橋水庫(kù)為貧營(yíng)養(yǎng)外，其他評(píng)價(jià)方法均顯示于橋水庫(kù)采樣期間處于中一富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，綜合來看，于橋水庫(kù)為中一富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，與近年來對(duì)于橋水庫(kù)的研究結(jié)論一致。比較5、8、10月份各評(píng)價(jià)指標(biāo)可知，夏季（8月）富營(yíng)養(yǎng)化程度整體高于春季（5月）和秋季（10月）。
2.2 浮游植物群落結(jié)構(gòu)
2.2.1浮游植物種類組成和優(yōu)勢(shì)種
調(diào)查期間共鑒定浮游植物7門94種（屬），其中綠藻種類最多，為47種，占總數(shù)的50.0%；其次為硅藻23種，占24.5%；藍(lán)藻12種，占12.8%；裸藻、甲藻各4種，均占4.3%；隱藻3種，占3.2%；金藻1種，占1.1%（見表2）。從浮游植物種類組成的季節(jié)特征來看，5、8、10月份浮游植物種數(shù)總數(shù)差異不明顯。從各藻類種數(shù)比例可以看出，調(diào)查期間于橋水庫(kù)藻類種數(shù)以綠、硅、藍(lán)藻為主，種數(shù)之和所占比例達(dá)到80cX以上。各季節(jié)比較而言，5、10月份3種主要藻類種數(shù)由大到小為：綠藻>硅藻>藍(lán)藻，而8月藍(lán)、綠藻種數(shù)及比例均較高，硅藻種數(shù)減少，排序?yàn)榫G藻>藍(lán)藻>硅藻，可見，夏季于橋水庫(kù)藍(lán)、綠藻水華爆發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)增加。
以優(yōu)勢(shì)度指數(shù)Y>0.02確定優(yōu)勢(shì)種，調(diào)查期間于橋水庫(kù)的優(yōu)勢(shì)種主要為藍(lán)藻的水華微囊藻（MicrocVs -tflos-aquae）、綠藻的四尾柵藻（Scenedesmus qua -dricauda）和單角盤星藻（Pediastru,n simplex）、硅藻的梅尼小環(huán)藻（Cyclotellarrieneghiniana），均為富營(yíng)養(yǎng)化水體常見藻類，表明于橋水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化態(tài)勢(shì)明顯。其中，綠藻的四尾柵藻（Scenedesmus quadricauda）和硅藻的梅尼小環(huán)藻（Cyclotella meneghiniana）在調(diào)查的3個(gè)月均為優(yōu)勢(shì)種，藍(lán)藻的水華微囊藻（MicrocVstisflos-aquae）和綠藻的單角盤星藻（Pediastrurn sun-plex）各有2個(gè)月為優(yōu)勢(shì)種。各季節(jié)的優(yōu)勢(shì)種比較而言，春季表現(xiàn)為硅、綠藻優(yōu)勢(shì)種種數(shù)多，而夏季藍(lán)藻優(yōu)勢(shì)種種數(shù)明顯增加，總體以藍(lán)、綠藻優(yōu)勢(shì)種為主，秋季以綠藻為主要優(yōu)勢(shì)種，藍(lán)藻優(yōu)勢(shì)種有所降低。詳見表3。
2.2.2 浮游植物豐度和生物量
于橋水庫(kù)各采樣點(diǎn)浮游植物豐度范圍在43.14x104~330.59x104 cells/L之間，年均值為191.8 x104 cells/L。春、夏、秋季5個(gè)采樣點(diǎn)浮游植物豐度均值分別為61.11x104 cells/L、262.01x101 cells/L和J 252.21×104 cells/L．由大到小排序依次為：夏季>秋季>春季，且夏、秋季浮游植物豐度明顯高于春季，可見夏、秋季是于橋水庫(kù)藻類水華的高風(fēng)險(xiǎn)時(shí)期。如圖2所示，不同季節(jié)浮游植物群落結(jié)構(gòu)組成具有一定差異。春季，于橋水庫(kù)浮游植物豐度以金、硅藻為主，豐度之和所占比例為69.1%；夏、秋季均以藍(lán)、綠藻為主，其所占比例之和達(dá)到80%左右。
各采樣點(diǎn)浮游植物生物量范圍在0.35-2.60 mg/L之間，年均值為1.04 mg/L。春、夏、秋季各采樣點(diǎn)生物量均值分別為0.54、1.22、1.35 mg/L，生物量由大到小排序依次為：秋季>夏季>春季，且夏、秋季浮游植物生物量明顯高于春季，與豐度季節(jié)變化特征較為一致。春季，硅藻、金藻生物量占主要份額，分別占總生物量的比例為47.8%和34.2%；夏季以藍(lán)藻為主，所占比例達(dá)到59.7%；秋季綠藻、硅藻、藍(lán)藻生物量占較大比例，其比例之和占84.8%，見圖3。
2.3 浮游植物與水質(zhì)因子的關(guān)系
對(duì)14個(gè)環(huán)境因子（包括氮磷比）進(jìn)行多次RDA篩選，結(jié)果表明，WT、TN、pH、N/P、SS、NH4-N、高錳酸鹽指數(shù)等共7個(gè)變量的組合能保證所有變量的膨脹系數(shù)均小于20，各變量的重要性及顯著水平見表4。第一、二軸的特征值分別為0.306和0.187，共解釋了屬種數(shù)據(jù)累計(jì)方差的49.3%。水溫和總氮是與于橋水庫(kù)浮游植物豐度變化顯著相關(guān)的主要環(huán)境因子(p<0.05)，它們共同解釋了屬種數(shù)據(jù)累計(jì)方差的43.3%，比7項(xiàng)變量組合解釋量?jī)H少了6.0%，表明水溫和總氮可以很好地解釋于橋水庫(kù)浮游植物的豐度變化。其他環(huán)境因子與于橋水庫(kù)浮游植物種群關(guān)系不顯著，說明依賴其它環(huán)境變量，不能獨(dú)立解釋于橋水庫(kù)浮游植物的種群結(jié)構(gòu)。
RDA分析中浮游植物種類的代碼見表5。由軸1軸2構(gòu)成的平面中，環(huán)境因子用實(shí)線箭頭表示，物種因子用虛線箭頭表示，環(huán)境因子與物種因子之間夾角的余弦值代表其相關(guān)性。即兩者夾角越小，其相關(guān)性越強(qiáng)。由圖4可以看出，受水溫影響較大的藻類為綠藻的四尾柵藻（Scenedesmus quadricauda）、橢圓卵囊藻(Oocystis elliptica)、湖生卵囊藻（Oocystis lacus-teris和藍(lán)藻的具緣微囊藻（Microcystis marginata）；受總氮影響較大的藻類為綠藻的單角盤星藻（Pedias-trum simplex）、硅藻的尖針桿藻（Synedra acus）和隱藻的嚙蝕隱藻（Cryptomonas erosaJ。
3 討論
3.1 浮游植物群落結(jié)構(gòu)的季節(jié)變化特征
于橋水庫(kù)浮游植物群落結(jié)構(gòu)具有較為明顯的季節(jié)性變化特征。物種組成方面，以綠、硅、藍(lán)藻為主，與田志強(qiáng)等對(duì)2009年秋季于橋水庫(kù)浮游植物的研究結(jié)果相似。3種主要藻類組成比例存在季節(jié)差異，其中綠藻種數(shù)各月份均為最多，其所占比例范圍為47.5%-56.1%，春、秋季硅藻種數(shù)比例均達(dá)到藍(lán)藻的2倍左右，而夏季藍(lán)藻種數(shù)增加，與硅藻種數(shù)比例相當(dāng)。優(yōu)勢(shì)種方面，春季以綠、硅藻為主，而夏、秋季以藍(lán)、綠藻優(yōu)勢(shì)種為主，與已有研究結(jié)果相一致。豐度和生物量方面，于橋水庫(kù)浮游植物總豐度、總生物量呈現(xiàn)較為一致的季節(jié)變化趨勢(shì)，即夏、秋季豐度和生物量均明顯高于春季。分析原因，夏、秋季降雨量較春季多，導(dǎo)致集水區(qū)大量匯由地表徑流入庫(kù)，增加了水庫(kù)的營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷，加之溫度適宜，促進(jìn)了藻類的生長(zhǎng)。調(diào)查期間，富營(yíng)養(yǎng)化水體典型優(yōu)勢(shì)種在于橋水庫(kù)普遍存在，其大量繁殖是爆發(fā)水華的前提條件，一旦氣候、水文等條件適宜，可以推測(cè)夏、秋季于橋水庫(kù)水華風(fēng)險(xiǎn)高于春季。夏、秋季于橋水庫(kù)浮游植物以藍(lán)、綠藻為主，2種藻類豐度比例之和在夏、秋季分別為82.0%、79.1%，生物量比例之和分別達(dá)到69.5%和59.2%，因此應(yīng)重點(diǎn)防范夏、秋季節(jié)于橋水庫(kù)藍(lán)、綠藻水華的暴發(fā)。
3.2 浮游植物群落結(jié)構(gòu)與主要環(huán)境因子的關(guān)系
水溫和總氮是影響于橋水庫(kù)水體中浮游植物生長(zhǎng)的重要環(huán)境因子。杜喬喬等根據(jù)2009年于橋水庫(kù)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用主成分分析方法對(duì)影響富營(yíng)養(yǎng)化的主要指標(biāo)進(jìn)行了篩選，認(rèn)為水溫、pH、COD及溶解氧是影響于橋水庫(kù)水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要驅(qū)動(dòng)因子；李紅等研究表明，水溫是影響博斯騰湖浮游植物分布最重要的環(huán)境因子，氮含量是影響浮游植物豐度的主要因子，與本研究結(jié)果一致；柴毅等研究認(rèn)為2012年夏季長(zhǎng)湖浮游植物空間分布主要受總氮、總懸浮物、總磷、溶氧以及亞硝酸氮等環(huán)境因子的影響；馬劍敏等得出牧野湖湖區(qū)浮游植物的平均密度與水溫、Chla、COD顯著正相關(guān)；崔揚(yáng)等研究表明，水溫、pH、溶解性總氮、SD與天目湖沙河水庫(kù)藻類生物量的季節(jié)演替關(guān)系密切。
水溫是影響水生植物生長(zhǎng)的重要因素之一，水溫的變化影響著水體物理化學(xué)和生物的活動(dòng)，從而影響水體上下水層的交換、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的生化循環(huán)和分布。吳攀等研究了不同水溫下藻類的生長(zhǎng)及優(yōu)勢(shì)種群變化，表明升溫能夠明顯促進(jìn)藻類（藍(lán)藻、綠藻及硅藻）的生長(zhǎng)。本研究中，RDA分析結(jié)果顯示，與水溫呈較大正相關(guān)的藻類為綠藻的四尾柵藻（Scenedesmusquadricauda）、橢圓卵囊藻（Oocvstis elliptica）、湖生卵囊藻（Oocystis lacusteris）和藍(lán)藻的具緣微囊藻(Mi-crocystis marginata)，除橢圓卵囊藻（Oocystis ellipti-ca）外均為藍(lán)、綠藻的優(yōu)勢(shì)種，可見藍(lán)、綠藻的生長(zhǎng)受水溫影響較大，這與藍(lán)、綠藻類的喜溫習(xí)性一致。
一般認(rèn)為，藻類水華是水體中營(yíng)養(yǎng)鹽的質(zhì)量濃度增加所致，氮鹽作為浮游植物生長(zhǎng)必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，是影響浮游植物生長(zhǎng)的重要因子�？偟烤痈卟幌乱恢笔抢_于橋水庫(kù)水質(zhì)的主要問題。根據(jù)歷史同期監(jiān)測(cè)結(jié)果，于橋水庫(kù)總氮濃度整體呈上升趨勢(shì)。其中1987年總氮（春、夏、秋季）濃度平均值為1.14 mg/L，1999-2000年總氮（春、夏、秋季）濃度平均值為1.44mg/L，本次調(diào)查期問于橋水庫(kù)總氮濃度平均值為3.28mg/L，達(dá)到1987年的2.9倍。相應(yīng)的，于橋水庫(kù)浮游植物數(shù)量也呈現(xiàn)不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)。其中1987年于橋水庫(kù)浮游植物豐度為103.2x101 cells/L，1999-2000年為112.4x104 cells/L，本次調(diào)查結(jié)果為19l.8xl04 cells/L，較前2次調(diào)查結(jié)果分別上升了85.9%和70.6%。根據(jù)歷史研究結(jié)果，于橋水庫(kù)的氮污染負(fù)荷主要來源于上游水系的輸入。本次調(diào)查巾，于橋水庫(kù)上游3條入庫(kù)河流果河橋、沙河橋和淋河橋總氮范圍在8.73-15.0mg/L之間，雖然利用天然水體的自凈作用，于橋水庫(kù)的總氮濃度較上游有明顯下降，但不斷積累的營(yíng)養(yǎng)鹽激發(fā)了浮游植物的大量生長(zhǎng)，進(jìn)一步威脅著水庫(kù)飲用水安全。
4 結(jié)論
(l)調(diào)查劃間共獲得浮游植物7門94種（屬），優(yōu)勢(shì)種為四尾柵藻（Scenedesmus quadricauda）、單角盤星藻（Pediastrum simplex），水華微囊藻（MicrocVstisflos-aquae）以及梅尼小環(huán)藻（C\clotella meneghini-ana）。浮游植物豐度范圍在43.14 x104-330.59 x104 cells/L之間，生物量范圍在0.35-2.60 mg/L之間，于橋水庫(kù)整體處于中一富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。
(2)于橋水庫(kù)浮游植物群落結(jié)構(gòu)有較為明顯的季節(jié)性變化特征。夏、秋季豐度、生物量高于春季。春季以金藻、硅藻為主，夏秋季以藍(lán)、綠藻為主，應(yīng)防控藍(lán)、綠藻水華的暴發(fā)。
(3)RDA分析結(jié)果表明，水溫和總氮是與于橋水庫(kù)浮游植物豐度變化顯著相關(guān)的主要環(huán)境因子，上游營(yíng)養(yǎng)鹽輸入是于橋水庫(kù)氮污染負(fù)荷不斷增加的主要原兇。
5摘 要：為研究于橋水庫(kù)群落結(jié)構(gòu)及其環(huán)境影響因子，于2013年5月（春季）、8月（夏季）、10月（秋季）分別對(duì)于橋水庫(kù)的浮游植物及水質(zhì)進(jìn)行了同步監(jiān)測(cè)調(diào)查，并應(yīng)用冗余分析( RDA)建立了浮游植物豐度與水環(huán)境因子的關(guān)系。結(jié)果表明，于橋水庫(kù)處于中一富營(yíng)養(yǎng)水平。浮游植物共計(jì)7門94種（屬），以綠藻、硅藻、藍(lán)藻為主。優(yōu)勢(shì)種主要為四尾柵藻(Scenedesmus quadricauda)、單角盤星藻（Pediastrumsimplex）、水華微囊藻(Microcystis flos-aq“ae)和梅尼小環(huán)藻(CVclotella meneghiniana)。浮游植物豐度范圍在43.14x104-330.59x104 cells/L之間，生物量范圍在0.35-2.60 mg/L之問。浮游植物群落結(jié)構(gòu)存在季節(jié)差異，春季以金、硅藻為主，夏、秋季以藍(lán)、綠藻為主。夏、秋季浮游植物豐度、生物量高于春季，應(yīng)防控于橋水庫(kù)夏、秋季藍(lán)、綠藻水華的爆發(fā)。RDA結(jié)果表明，水溫、總氮是影響于橋水庫(kù)浮游植物豐度變化的主要環(huán)境因子。
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