团结水库浮游植物功能群及营养水平研究

Study on Phytoplankton Functional Groups and Nutrient Levels in Tuanjie Reservoir

摘要: 为了研究团结水库浮游植物功能群季节演替特征及其影响因子，分别于2020年9月(秋季)、2021年5月(春季)、7月(夏季)对团结水库设置的5个采样点进行浮游植物采样分析，共鉴定出浮游植物6门，划分为16个功能群，分别为C、D、F、H1、J、L0、M、MP、N、P、S1、W1、W2、X1、X2、Y。团结水库浮游植物功能群季节变化呈现为M + P → M + Y → D + F + P + W1 + Y的变化特征。运用冗余分析(RDA)探究浮游植物功能群与环境因子间的关系，结果表明，团结水库浮游植物功能群受水环境因子影响较为显著，其中，水深(Depth)、透明度(SD)、pH值、总磷(TP)、氯离子(Cl−)、化学需氧量(COD_Mn)是影响浮游植物功能群分布的主要环境因子。团结水库水体中透明度(SD)、总氮(TN)、总磷(TP)、叶绿素(Chla)等指标均远超水体富营养化最低标准，表明该水库呈富营养化状态。

Abstract: In order to study the seasonal succession characteristics and influencing factors of phytoplankton functional groups in Tuanjie Reservoir, phytoplankton samples were analyzed in 5 sampling sites in September 2020 (autumn), May 2021 (spring) and July 2021 (summer), respectively. Six phyla of phytoplankton were identified, and they were divided into 16 functional groups: C, D, F, H1, J, L0, M, MP, N, P, S1, W1, W2, X1, X2, and Y. The seasonal variation of the Phytoplankton functional group in Tuanjie Reservoir is characterized by M + P → M + Y → D + F + P + W1 + Y. Redundancy analysis (RDA) was used to explore the relationship between phytoplankton functional groups and environmental factors, and the results showed that the phytoplankton functional groups were significantly affected by water environmental factors, and the water depth (Depth), transparency (SD), pH, total phosphorus (TP), chloride ion (Cl−) and chemical oxygen demand (COD_Mn) were the main environmental factors that affected the distribution of phytoplankton functional groups. The values of transparency (SD), total nitrogen (TN), total phosphorus (TP) and chlorophyll (Chla) in Tuanjie Reservoir were all higher than the minimum standards of eutrophication. These indicate that the reservoir is in an eutrophication state.

1. 引言

浮游植物作为淡水水体的初级生产者，能够迅速对水环境的变化做出响应，因此通常将其作为指示性生物来评估水生态系统的健康状况 [1]。浮游植物群落与水环境因子之间有着十分密切的关系，其种类、生物量和各种指数等群落特征常常被作为评价和监测水生态系统的重要指标 [2] [3]。早期的浮游植物生态学研究中，主要是依据林奈物种同源性特点，通过对浮游植物进行物种分类鉴定与计数，分析其群落组成、密度动态、优势物种、多样性指数等表征其种群结构的重要指标，借以直接或间接评价水环境质量状况 [4]。这种经典的分类方法可以在一定程度上反映淡水水体的健康状况，却不能精确体现浮游植物集群机理和所在淡水水体的生态功能。Reynolds [5] 和Padisak等人 [2] 提出了浮游植物功能群的概念，将具有专门的适应特征或需求(如对营养水平、光照强度、水体交换速度等因子的需求、耐受性和敏感性)的浮游植物集群归为相同功能群，目前共总结出39个群组，分别命名为A、B、C、D、N、NA、P、MP、T、TC、TD、TB、S1、S2、SN、Z、X3、X2、X1、XPh、E、Y、F、G、J、K、H1、H2、U、Lo、LM、M、R、V、W1、W2、Ws、Wo和Q功能群 [2] [5]。该理论以浮游植物群落为单位，能更准确地反应其结构与水体间的动态关系，目前已经成为国内外学者 [6] [7] [8] [9] 的研究热点并被广泛应用于水库 [9] [10] [11] [12] [13] 和湖泊 [14] [15] [16] 等水体的生态状态 [14] [15] [16] [17] 或富营养水平 [15] [18] 评价中。张新月等人通过研究尔王庄水库浮游植物功能群时空分布特征，共鉴定出该水库20组功能群 [9]。陈倩等人通过研究太湖水库蓄水前后浮游植物群落结构特征，将太湖水库蓄水前、后分别归类出5和8个功能类群，并判定该水库水体处于中营养水平 [10]。以上研究均表明了浮游植物功能群的理论在鉴定水质方面具有重要价值。

随着社会经济的发展，越来越多的水库被作为城市饮用水水源地，其不仅具有防洪、灌溉、发电功能，还承担了保障城市供水的职能，具备较高生态系统服务价值 [18]。水库水源地因其独有的生态脆弱性，其生态保护要比其他地区承担更多的生态建设任务，遵守更严格的法规要求和水质标准 [19]。目前我国已建成水库8.5万余座，其中黑龙江省共计497座。位于穆棱县最南部共和乡境内的团结水库作为黑龙江省十大水库之一，为共和乡周边地区提供大量电能和供水，是当地的水源储备和供水调节水库，具有防洪、灌溉、养鱼、发电和美学价值。但该水库浮游植物功能群的研究未见报道，本研究首次对团结水库浮游植物功能群进行划分及演替分析，揭示了该水库浮游植物功能群随环境因素的季节性变化，为保护该水库的水资源提供理论依据。

2. 材料与方法

2.1. 研究地概况

团结水库(130˚8'~130˚11'E，44˚01'~44˚04'N)位于黑龙江省穆棱市穆棱河干流上游，建于1981年，用于为当地居民提供饮用水。团结水库表面积445 km²，库容8.63 × 10⁷ m³，形如“Y”形 [20]，年均蒸发量950 mm，年均降水量534 mm，主要集中在6~9月。水库因受温带大陆性季风气候影响，气温为−44.1℃~37.6℃。夏季湿热较短，冬季寒冷且水体结冰有冰雪覆盖。

2.2. 采样点设定

本调查于2020年9月(秋季)、2021年5月(春季)、7月(夏季)进行，结合水库的周边环境和浮游动物分布特点共设置5个采样点(S1、S2、S3、S4、S5)，其中S1为水库上游，S2为十号坝，S3为馒头山，S4为库心，S5为大坝上游(图1，表1)。

Figure 1. Location of sampling sites in Tuanjie Reservoir

图1. 团结水库采样点分布

Table 1. Five sampling sites coordinate in Tuanjie Reservoir

表1. 团结水库五个采样点名称及坐标

2.3. 样品采集

2.3.1. 浮游植物样品的采集、处理和鉴定

每个采样点分别于春季(5月)、夏季(7月)、秋季(9月)进行了三次水样及浮游植物样品的采集。分别用采水器从水体顶部(距地表水0.5 m)、中部和底部(距水床0.5 m)采集1 L混合水样，现场滴加10 ml Lugol试剂进行固定，静置48 h并虹吸至30 ml。用快速混匀器充分摇匀，吸取0.1 ml待测样品置于浮游植物计数框内进行全片计数。每升水中浮游植物的数量应按下列公式计算 [21]：

$N=\frac{C_s}{F_s\cdot F_n}\cdot \frac{V}{v}\cdot P_n$ (1)

式中：C_s为计数框面积，mm²；F_s为视野面积，mm²；F_n为计数视野数；V为浓缩体积，mL；v为计数框容积，mL；P_n为计数个数。

浮游植物分类依据《中国淡水藻类：系统、分类及生态》 [22] 进行鉴定。浮游植物功能群按照Reynolds和Padisak等人 [2] [5] 的标准进行划分。

2.3.2. 水体理化指标的测定

每个采样点的水温(WT)、电导率(Cond)、pH值、溶解氧(DO)、氨态氮( ${\text{NH}}_4^{+}\text{-N}$ )、硝态氮( ${\text{NO}}_3^{-}\text{-N}$ )、氯离子(Cl⁻)和浊度(NTU)使用YSI-6600便携式多功能水质分析仪进行现场测定。水透明度(SD)和深度(Depth))用塞奇氏盘测得。在每个采样点采集上、中、下层三份共1 L混合水样，用样品瓶储存并置于冰盒中带回实验室进行分析，按地表水环境质量标准(GB3838-2002)对总氮(TN)、总磷(TP)、铵态氮( ${\text{NH}}_4^{+}\text{-N}$ )、硝态氮( ${\text{NO}}_3^{-}\text{-N}$ )、化学需氧量(COD_Mn)、五日生化需氧量(BOD₅)、叶绿素a(Chla) 含量、溶解氧(DO)、和浊度(NTU)等指标进行测定。

2.3.3. 水体富营养化评价指标和评价标准

目前国内尚无统一的水体富营养化评价标准，参考国内部分水库、湖泊的评价标准和以往学者的研究 [23] [24] [25] [26]，确定水体富营养化评价标准(表2)。

2.4. 数据处理和分析

利用CANOCO for Windows 4.5软件分析浮游植物功能群与环境理化因子间的关系，将除pH值外的所有数据进行lg (x + 1)的处理，使之趋于正态分布。首先进行去趋势对应分析(DCA)，DCA分析结果显示梯度长度最大值为2.255 (< 3)，因此本次选用冗余分析(RDA)揭示浮游植物功能群特征与环境因子间的关系。

Table 2. Assessment system and assessment standard of water eutrophication

表2. 水体富营养化评价指标和评价标准

3. 结果

3.1. 团结水库水环境特征

如表3所示，团结水库水体各季节理化因子的平均值呈现出季节性差异，其中Depth、WT、COND、pH值、NTU、Chla、TN、COD_Mn均在夏季出现最大值，随季节变化呈现出先增大后减小的趋势；DO、SD、BOD₅、Cl⁻、 ${\text{NH}}_4^{+}$ 随季节变化先减小后增大，最小值均出现在夏季；TP和DO春季出现最大值且TP随季节更替持续减小。

Table 3. Seasonal physicochemical factors of Tuanjie Reservoir

表3. 团结水库各季节理化因子

3.2. 浮游植物功能群组成

通过对团结水库进行样品采集和数据分析，共鉴定出浮游植物6门(图2)，其中硅藻门占58.62%，隐藻门占3.45%，绿藻门占17.24%，蓝藻门占10.34%，裸藻门占8.26%，甲藻门占1.72%，共划分为16个功能群，分别为C、D、F、H1、J、L0、M、MP、N、P、S1、W1、W2、X1、X2、Y (表4)。

Figure 2. Species and composition of phytoplankton in Tuanjie Reservoir

图2. 团结水库浮游植物种类及组成

Table 4. Composition of function groups in Tuanjie Reservoir

表4. 团结水库浮游植物功能群组成

由表5可知，浮游植物丰度最大值出现在秋季S4采样点，最小值出现在春季S1采样点。春、夏、秋季浮游植物的总丰度分别为3.13 * 10⁷ ind/L、2.05 * 10⁷ ind/L和2.49 * 10⁷ ind/L。总生物量分别为44.06 mg/L、29.71 mg/L和22.59 mg/L，二者均为春季最高。从季节上看，S2、S3、S5采样点的浮游植物丰度春季最大；S1采样点的浮游植物丰度夏季最大。从季节上看，S2、S3采样点的浮游植物生物量春季最大；S4、S5采样点的生物量秋季最大；S1采样点的生物量夏季最大。

Table 5. Phytoplankton abundance (*104 ind/L) and biomass (mg/L) in different seasons

表5. 不同季节浮游植物丰度值(*10⁴ ind/L)和生物量(mg/L)

3.3. 浮游植物功能群时空分布

通过对表6中浮游植物功能群的丰度和生物量进行分析可知，功能群M、P、Y是春、夏、秋三个季节最常见的类群。春季团结水库浮游植物功能群以M、P为主，相对生物量分别为79.68%和10.48%；夏季以功能群M、Y为主，相对生物量分别为55.15%和22.16%；功能群 D、F、P、W1、Y为秋季的主要类群。

浮游植物功能群丰度(图3)，春季最大值出现在S3，最小值出现在S1；夏季最大值出现在S1，最小值出现在S5；秋季最大值出现在S4，最小值出现在S1。浮游植物功能群生物量(图4)，春季最大值出现在S2，最小值出现在S1；夏季最大值出现在S3，最小值出现在S5；秋季最大值出现在S4，最小值出现在S1。

Table 6. Composition of function groups in Tuanjie Reservoir

表6. 团结水库浮游植物功能群组成

Figure 3. Temporal and spatial distribution of phytoplankton functional group abundance

图3. 浮游植物功能群丰度的时空分布

Figure 4. Temporal and spatial distribution of phytoplankton functional group biomass

图4. 浮游植物功能群生物量的时空分布

3.4. 影响浮游植物功能群分布的环境因子

浮游植物功能群与环境因子的RDA分析结果表明，四个轴的特征值分别为0.740、0.139、0.078、0.022 (表7)。4个轴对功能群数据的累积百分比方差为98%，功能群-环境关系的累积百分比方差为98%，各轴功能群–环境的相关性均为1，表明浮游植物功能群与环境因子之间有明显的相关性。由图5可知，与轴1最主要的正相关因子是Cl⁻，其次为COND，最主要的负相关因子为pH值，其次为 ${\text{NO}}_3^{-}$ ；与轴2最主要的正相关因子为SD，其次为COD_Mn，最主要的负相关因子为TP，其次为NTU。通过分析大部分功能群位于第二象限，少部分位于其它象限，如：功能群S1、W1、F、W2、X1均与Depth、DO呈正相关；P、D、C等均与SD、BOD₅呈正相关；X2、N与NTU、TP、COND呈正相关，与SD、Depth呈负相关；功能群L0与COD_Mn、 ${\text{NH}}_4^{+}$ 和Cl⁻呈正相关；功能群MP与Cl⁻呈正相关；功能群M与Cl⁻呈正相关，与pH呈负相关等。整体来看，Depth、SD、pH值、TP、Cl⁻、COD_Mn是影响浮游植物功能群分布的主要环境因子。

Table 7. RDA results for phytoplankton functional groups

表7. 浮游植物功能群的RDA分析结果

Figure 5. RDA analysis of functional groups and environment factors

图5. 功能群与环境因子的RDA分析

4. 讨论

通过对团结水库的样品进行分析，共鉴定出6门浮游植物。其中硅藻门占58.62%，为该水库优势类群，绿藻门为次优势类群。该结论与天然河流浮游植物种类组成以硅藻门的种类为主的结论一致 [27] [28]。浮游植物功能群可通过自身演替来应对季节更替引起的水环境因子变化，从而维持生态平衡，这种伴随季节更替发生的演替往往具有一定的规律性 [2] [5]。经研究显示，团结水库浮游植物功能群具有季节差异。随春、夏、秋季季节更替呈现出：M + P → M + Y → D + F + P + W1 + Y的季节演替。

通过将表2与表3进行对比分析可知，团结水库水体中透明度(SD)、总氮(TN)、总磷(TP)、叶绿素(Chla)等指标均远超水体富营养化最低标准，该水库水体呈富营养化状态。且该水库春、秋季溶解氧含量均在7 mg/L以上，远超过我国地面水质标准中规定的三级标准(溶解氧不低于4 mg/L)，但夏季却不足2.5 mg/L，易因缺氧影响浮游植物生长。有许多研究认为，总氮和总磷是衡量河流生态环境受到营养物质污染程度的重要指标之一 [3] [29] [30]，并对浮游植物群落的生长繁殖起着重要作用。水中溶解氧含量的高低直接影响到浮游植物的生存，溶解氧含量低甚至可能导致浮游植物群落的死亡 [31]，这些研究结果与本研究结论一致。

功能群M的代表种类为粗大微囊藻、不定微囊藻，适宜生长在小型富营养湖泊的昼夜混合层，对强光照有耐受能力，其生物量与Cl⁻呈正相关，与pH值呈负相关。因为该水库水体呈富营养化状态，且水体中Cl⁻于春季出现最大值，pH值出现最小值，因此能够在光照较强的春、夏季的水体中获得竞争优势。同时因功能群M在春季的相对生物量为79.68%，占比极大，在Cl⁻与pH值的影响下，也使浮游植物总生物量在春季出现最大值。功能群P的代表种类为短线脆杆藻、变异脆杆藻、钝脆杆藻、钝脆杆藻中狭变种、颗粒直链藻等，其在春、夏、秋季的相对生物量分别为10.48%、5.42%、35.48%，适宜生长在持续或半持续的中–富营养型混合水体，与SD呈现极强的正相关性，与TP呈极强的负相关性。该功能群在秋季成为优势种类，在夏季占比却比较低，可能是受该水体秋季SD出现最大值，夏季SD和DO均出现最小值，TP在秋季出现最小值的影响。功能群Y的代表种类为蛋白核隐藻、卵形隐藻、薄甲藻，适宜在静水水体和低光照条件下生长，其生物量与pH值、 ${\text{NO}}_3^{-}$ 呈正相关。这也更好的解释了该水体pH值、 ${\text{NO}}_3^{-}$ 在夏季出现最大值，同时功能群 Y在夏季也出现相对生物量的最大值的现象。

5. 结论

1) 团结水库共鉴定出浮游植物6门，划分为16个功能群，分别为C、D、F、H1、J、L0、M、MP、N、P、S1、W1、W2、X1、X2、Y。

2) 团结水库浮游植物功能群季节变化呈现为M + P → M + Y → D + F + P + W1 + Y的变化特征，该水库水体中透明度(SD)、总氮(TN)、总磷(TP)、叶绿素(Chla)等指标均远超水体富营养化最低标准，表明该水库呈富营养化状态。

3) RDA分析结果表明，团结水库功能群受水环境因子影响较为显著，其中，水深、透明度、pH值、总磷、氯离子、化学需氧量是影响浮游植物功能群分布的主要环境因子。

基金项目

国家重点研发计划项目(2016YFC0500406)，中央财政支持地方高校改革发展基金项目“冷水鱼类资源产业化可持续利用集成技术创新研究”(2020GSP14)，黑龙江省经济社会发展重点研究课题(20309)。

NOTES

^*通讯作者。