王 雪，張 虹，2，林志蓉，蘇玉萍，2，3，李寶銀,韓永和，2，陳穎欣

(1.福建師范大學環(huán)境與資源學院、碳中和現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)學院，福建 福州 350007；2.福建省污染控制與資源循環(huán)利用重點實驗室，福建 福州 350007；3.福建省河湖健康研究中心(福建師范大學)，福建 福州 350007；4.福建師范大學地理科學學院、碳中和未來技術學院，福建 福州 350007)

湖泊和水庫的富營養(yǎng)化是世界水環(huán)境面臨的重要問題之一[1-2]．其中，作為飲用水水源地的湖泊和水庫尤為危險，其水質(zhì)一旦惡化，將對后續(xù)的供水安全造成嚴重影響．許多研究表明，水庫的環(huán)境因素與流域因素會影響其生態(tài)系統(tǒng)的結構和特征[3]．該特征將引起一些初級生產(chǎn)者如水生高等植物，難以在此獲得較穩(wěn)定的生長繁殖環(huán)境，從而使得浮游植物演替成為水庫優(yōu)勢種群[4]．

浮游植物是湖泊生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[5]，其密度和多樣性能夠?qū)⒌氐淖兓龀隹焖俜磻?，并在調(diào)節(jié)水生態(tài)平衡方面發(fā)揮著至關重要的作用．浮游植物也被認為是湖泊生態(tài)系統(tǒng)完整性和水質(zhì)的指標[6]．Liu等[7]通過分析江西省洪門水庫浮游植物的組成、密度以及時空分布情況發(fā)現(xiàn)，洪門水庫污染程度較輕，其中總磷和溶解氧是影響洪門水庫浮游植物群落結構的主要因素．Lin等[8]則通過構建浮游生物完整性指數(shù)P-IBI指標體系，對福建省九龍江北溪進行生態(tài)健康評價，結果發(fā)現(xiàn)九龍江北溪在夏季和秋季相對健康，但在冬季健康狀況較差．一般來說，水溫、透明度和營養(yǎng)物質(zhì)是影響水體浮游植物密度及群落結構特征變化的環(huán)境因子[9-10]．除此之外，水位波動、溶解氧和pH等均能反映水體的環(huán)境情況，這些參數(shù)的改變對浮游植物密度與群落特征均存在一定的影響[11]．因此，可以將浮游植物作為防治水體富營養(yǎng)化的重點控制對象，并將其作為評判水庫水質(zhì)的指標之一．

東張水庫位于福建省福清市龍江中游，引水流域面積約115 km2[12]，是福清市重要的飲用水水源地.福建省平潭及閩江口水資源配置工程,包括“一閘三線”工程項目建成后，東張水庫的水質(zhì)狀況及生態(tài)變化備受關注[13]．但是通過浮游植物多樣性指數(shù)以及浮游植物完整性指數(shù)對東張水庫進行健康評價的研究尚顯不足，陳輝[14-15]研究了東張水庫藻類問題的影響并提出藻類消減的建議,以及通過研究東張水庫藻類數(shù)量與富營養(yǎng)化指標的相關性，確定東張水庫水華暴發(fā)時水質(zhì)指標的閾值，形成水華預警方案；林晶[16]對東張水庫浮游植物的動態(tài)進行了研究；以及覃苗等[17]運用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型對水質(zhì)和氣象參數(shù)進行運算，探討預測了藍藻水華暴發(fā)的可能性．以上相關研究僅關注東張水庫藻華發(fā)生的可能及應對措施，缺少利用浮游植物群落結構變化對水庫水質(zhì)進行健康評價的研究．

為探究亞熱帶蓄水型水庫浮游植物的群落結構變化特征與水質(zhì)狀況的關系，本研究于2020和2021年夏季(7-8月)對福建省東張水庫庫區(qū)的浮游植物和水質(zhì)參數(shù)進行監(jiān)測，并根據(jù)浮游植物群落特征和Wu等[18]構建的P-IBI健康評價體系，對東張水庫的健康狀況進行評價，探討浮游植物群落結構變化特征與環(huán)境因子的關系，為福建省大型蓄水型水庫的富營養(yǎng)化防控及水資源可持續(xù)利用提供參考．

1 研究區(qū)域及方法

圖1 東張水庫采樣點分布圖Fig.1 Distribution of sampling points in Dongzhang Reservoir

1.1 東張水庫區(qū)域概況及采樣點設置

東張水庫(119°29′20″E、25°46′6″N)位于福清市龍江干流中游，屬大型蓄水型水庫，庫容2.06億m3．東張水庫以蓄水灌溉為主，兼發(fā)電、防洪和水產(chǎn)養(yǎng)殖等功能．根據(jù)水庫面積和水庫周邊情況，2020和2021年均選擇進口(a：25°41′56″N，119°14′55″E)、庫心(b：25°42′12″N，119°15′47″E)和出口(c：25°42′17″ N，119°16′46″E)3個斷面作為采樣點，見圖1．

1.2 樣品采集與分析

分別于2020和2021年夏季(7-8月)以每月4次的采樣頻率進行采樣．采用有機玻璃采水器采集水體表層0.5 m處水樣1 L于聚乙烯瓶中，立即加入15 mL魯哥氏液固定并搖勻保存，水樣帶回實驗室靜置48 h后，用虹吸法濃縮至30 mL后，使用徠卡顯微鏡(Leica BM-E，北京)，并用0.1 mL(2 mm×2 mm)浮游生物計數(shù)框計數(shù)，每份樣品計數(shù)2片．藻類的鑒定參考《中國內(nèi)陸水域常見藻類圖譜》．根據(jù)公式(1)計算細胞密度[19]．

(1)

式中ρ為細胞密度(L-1)；S為計數(shù)框面積(mm2)；S0為計數(shù)視野面積(mm2)；V0為濃縮后體積(mL)；V為計數(shù)體積(mL)；N0為單位視野計數(shù)所得藻類個數(shù)．

1.3 水體理化指標

水體理化指標的分析包括pH、溶解氧(ρ(DO)，mg·L-1)、化學需氧量(ρ(CODMn)，mg·L-1)、總磷(ρ(TP) ，mg·L-1)、氨氮(ρ(NH3-N)，mg·L-1)、總氮(ρ(TN)，mg·L-1)，水樣理化性質(zhì)的分析參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》進行測定．

1.4 數(shù)據(jù)分析

1.4.1 浮游植物群落特征

采用Shanon-Wiener指數(shù)(H′)[20]、Magalef豐富度指數(shù)(d)[21]、Pielou均勻度指數(shù)(J)[22]和Mcnaughton優(yōu)勢度指數(shù)(Y)[23]對浮游植物的群落特征進行分析．各指數(shù)的計算公式見表1．

表1 多樣性指數(shù)計算方法Tab.1 Calculation method of diversity index

1.4.2 浮游植物完整性指數(shù)

參考馬廷婷等[24]建立的P-IBI標準化方法(表2)和健康評價標準(表3)，由浮游植物總密度、葉綠素a和Menhinick指數(shù)構建P-IBI指數(shù)，計算公式如下:

(2)

(3)

式(2)、(3)中D表示Menhinick指數(shù)；NS表示同一樣品中所有藻的物種數(shù)；N總表示同一樣品中所有藻的總個體數(shù)；Ci表示第i種參數(shù)的標準化值．

1.4.3 東張水庫浮游植物群落特征與環(huán)境因子的相關性分析

利用SPSS 26對東張水庫2020和2021年夏季(7-8月)浮游植物群落特征和各環(huán)境因子進行Spearman相關性分析，數(shù)據(jù)處理及圖形繪制使用Origin 2021完成．

表2 指數(shù)標準化方法Tab.2 Exponential standardization method

表3 浮游植物完整性指數(shù)健康評價標準Tab.3 Health assessment criteria for phytoplanktonic index of biotic integrity

2 結果與討論

2.1 東張水庫水體環(huán)境狀況

2020和2021年夏季(7-8月)水質(zhì)監(jiān)測結果表明：東張水庫總體水質(zhì)基本維持在地表水Ⅲ類標準．東張水庫水體中總氮和總磷偶有超標現(xiàn)象，超標的原因除與外源輸入有關外，還可能與水位的變化有關．研究發(fā)現(xiàn)，中國東南部4個亞熱帶水庫的水位降低導致總磷和藍藻的優(yōu)勢度增加;當水位升高時，總氮濃度增加、總磷濃度則降低，藍藻優(yōu)勢度隨之降低[25]．在地中海湖泊中也有類似的發(fā)現(xiàn)，總磷升高與長期干旱和水位下降有關[26-27]．除此之外，氮和磷的變化可能是在引水入庫過程中攜帶大量泥沙等營養(yǎng)物質(zhì)所致．東張水庫建于1958年，建庫悠久，沉積物也是水體中磷和氮的重要來源[28]．

2.2 東張水庫浮游植物群落結構特征

2.2.1 東張水庫浮游植物種類組成

2020年夏季(7-8月)共檢出浮游植物6門28屬，其中藍藻門為優(yōu)勢類群，占67.82%；其次為裸藻門，占22.17%；綠藻門和硅藻門，分別占5.32%和3.77%；而隱藻門和甲藻門檢出最少，僅占0.67%和0.23%．2021年共檢出浮游植物5門19屬，其中仍以藍藻門為優(yōu)勢類群，占比為86.63%，優(yōu)勢種為水華魚腥藻(Anabaenaflos-aquae(Lyngb.)Breb)；其次為綠藻門和硅藻門，分別占比7.60%和3.81%；隱藻門和甲藻門檢出最少，占比為1.72%和0.23%．總體來看，東張水庫2021年浮游植物檢出種類少于2020年的檢出結果，并且藍藻門的比例增加，說明東張水庫有藍藻水華暴發(fā)的風險．

2.2.2 東張水庫浮游植物細胞密度及優(yōu)勢種

作為引水工程蓄水水庫，外源引水是東張水庫的水源之一．外源引水的水質(zhì)優(yōu)劣對浮游植物的密度具有一定的影響．東張水庫2020年7月浮游植物的密度在1.52×107～4.75×107L-1，平均值為2.39×107L-1；8月浮游植物密度在1.26×107～2.61×107L-1，平均值為1.87×107L-1．東張水庫2021年7月浮游植物的密度在2.06×107～4.72×107L-1，平均值為3.35×107L-1；8月浮游植物密度在3.91×107～5.45×107L-1，平均值為4.73×107L-1．以上數(shù)據(jù)表明：2021年7-8月東張水庫的浮游植物密度均高于2020年，但浮游植物群落結構組成相似，均以藍藻門為優(yōu)勢門類(圖2，圖3)．從不同監(jiān)測點位看，2020年，庫心的浮游植物總密度小于其他兩個監(jiān)測點位(圖2)，可能是因為2020年福建省降水量偏少，不僅導致東張水庫水位下降，也減少了流入水庫的營養(yǎng)鹽負荷；2021年浮游植物總密度大?。撼隹?庫心>進口(圖3)，出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因可能是由于進口水流流速較大，不利于浮游植物生存，因此浮游植物密度低于另外兩個監(jiān)測點.除此之外，3個采樣斷面浮游植物總密度存在差異的原因還可能與當日的氣溫、風向等氣象因素相關，仍需進一步驗證.

圖2 東張水庫2020年7-8月浮游植物細胞密度空間分布圖Fig.2 Spatial distribution of phytoplankton density in Dongzhang Reservoir from July to August in 2020

圖3 東張水庫2021年7-8月浮游植物細胞密度空間分布圖Fig.3 Spatial distribution of phytoplankton density in Dongzhang Reservoir from July to August in 2021

對東張水庫不同監(jiān)測點的浮游植物優(yōu)勢屬及優(yōu)勢度進行分析(當Y>0.02時，該物種為優(yōu)勢種)結果顯示，東張水庫2020年夏季(7-8月)的優(yōu)勢屬以藍藻門的魚腥藻屬(Anabaena)、微囊藻屬(Microcystis)、尖頭藻屬(Raphidiopsis)和平裂藻屬(Merismopedia)為主；東張水庫2021年夏季(7-8月)的優(yōu)勢屬為藍藻門的魚腥藻屬(Anabaena)和微囊藻屬(Microcystis)．藍藻的大量增長是水體富營養(yǎng)化的表現(xiàn)，而金藻和硅藻等的增長則是水質(zhì)逐漸向好轉(zhuǎn)變的表現(xiàn)[29]．東張水庫近幾年水體以藍藻門為優(yōu)勢，說明其污染狀況亟需引起重視，治理措施可從外源和內(nèi)源污染進行控制，從而避免東張水庫水質(zhì)進一步被污染．

2.3 東張水庫浮游植物多樣性指數(shù)及健康評價

浮游植物多樣性指數(shù)的變化能直觀地判斷水體營養(yǎng)狀況及其對浮游植物群落結構所產(chǎn)生的影響[30]．當水體受到嚴重污染時，浮游植物多樣性指數(shù)值越小[31]．當Shannon-Wiener多樣性指數(shù)> 3時，為輕度污染或無污染，1～3時為中度污染，< 1為重度污染[32]；當Magalef豐富度指數(shù)處于3～4時，為輕度污染或無污染，處于1～3時為中度污染，< 1為重度污染[33]．Pielou均勻度指數(shù)在0～0.3時表現(xiàn)為重污染；0.3～0.5時表現(xiàn)為中污染；0.5～0.8時則表現(xiàn)為輕污染．東張水庫2020和2021年7-8月Shannon-Wiener多樣性指數(shù)的平均值分別為1.87和1.66；Magalef豐富度指數(shù)的平均值分別為2.34和2.01；Pielou均勻度指數(shù)的平均值分別為0.63和0.56．綜合東張水庫夏季的浮游植物多樣性指數(shù)(見表4)，結果顯示,東張水庫水體處于中度污染狀態(tài)，這一結論同以往報道結果一致[34]．

表4 東張水庫2020和2021年7-8月浮游植物多樣性指數(shù)Fig.4 Index of phytoplankton diversity in Dongzhang Reservoir from July to August in 2020 and 2021

2.4 應用P-IBI評價東張水庫生態(tài)健康狀況

東張水庫2020年夏季(7-8月)浮游植物完整性指數(shù)平均得分為51.6分，水生態(tài)狀態(tài)為一般； 2021年夏季(7-8月)浮游植物完整性指數(shù)平均得分為47.3分，水生態(tài)狀態(tài)較差．2021年夏季浮游植物總密度和藍藻門比例均高于2020年夏季，間接證明東張水庫2021年水生態(tài)狀況較差，這與P-IBI評價結果一致．在河湖健康評價中，水體理化指標雖能在一定程度上反映水質(zhì)的優(yōu)劣狀況,但是，由于水庫的水體具有一定的流動性，這些基本理化指標只能表示瞬時狀態(tài)，不能反映污染物對生物體的長期效應．相反，浮游植物長期存在水體中，集結了整個生活周期內(nèi)的環(huán)境因素，其群落結構變化可對水質(zhì)健康情況作出最直接的響應[35]．

2.5 浮游植物與環(huán)境因子之間的相關性

為分析環(huán)境因子對浮游植物及其群落結構演替的影響，對東張水庫浮游植物密度與環(huán)境因子進行了Spearman相關性分析(見表5)．結果顯示：東張水庫浮游植物密度與總磷濃度極顯著相關(P<0.01)，相關性系數(shù)為0.631；浮游植物密度與總氮濃度顯著相關(P<0.05)，相關性系數(shù)為0.531；浮游植物密度與pH值、DO、CODMn和NH3-N相關性較弱．由此可知，東張水庫在富營養(yǎng)化防治過程應更加關注總磷和總氮濃度的控制．

表5 東張水庫浮游植物群落指標與環(huán)境因子的相關性Tab.5 Correlation between phytoplankton community indexes and environmental factors in Dongzhang Reservoir

3 結論

(1)東張水庫2020年夏季(7-8月)共檢出浮游植物6門28屬；2021年共檢出浮游植物5門19屬，均以藍藻門為優(yōu)勢類群，浮游植物的密度在1.26×107～4.75×107L-1，平均值為2.12×107L-1，優(yōu)勢屬共有5屬，分別為藍藻門的魚腥藻屬(Anabaena)、微囊藻屬(Microcystis)、尖頭藻屬(Raphidiopsis)和平裂藻屬(Merismopedia)；2021年夏季浮游植物的密度在2.06×107～5.45×107L-1，平均值為4.04×107L-1，優(yōu)勢屬仍以藍藻門為主，分別為魚腥藻屬(Anabaena)和微囊藻屬(Microcystis)．

(2)東張水庫2020和2021年夏季浮游植物Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Magalef豐富度指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)分別為1.87、2.34和0.63，以及1.66、2.01和0.56．多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)不高，夏季浮游植物群落結構表現(xiàn)為藍藻門占優(yōu)勢．

(3) Spearman相關性分析發(fā)現(xiàn),總磷和總氮是東張水庫浮游植物密度的主要影響因子．應用基于浮游植物總密度、葉綠素a和Menhinick指數(shù)的P-IBI健康指數(shù)對東張水庫進行了生態(tài)健康評價，結果顯示，東張水庫2020年整體水生態(tài)健康狀況為一般，2021年整體水生態(tài)健康狀況較差．