2014, Vol. 34
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河流筑坝形成水库后，水环境发生了巨大变化，主要表现在水的流速、水温和营养盐浓度等方面，这些变化都将对水生生物产生影响，使水生生态系统由以底栖附着生物为主的“河流型”异养体系向以浮游生物为主的“湖沼型”自养体系演化(Harris，1994).水生生物的变化可能会带来一系列水环境问题，其中，富营养化与水华暴发就是水库面临的最严峻问题之一.水体富营养化是近几十年来世界各国面临的主要水环境问题，我国水库富营养化程度严重且将随着经济的高速发展日趋加剧(钱奎梅等，2008).浮游植物是水生生态系统的组分之一，是水体初级生产者，其群落结构与密度对水体生态系统的演替和发展影响较大，研究水库浮游植物群落，对水库的富营养化防治和生态管理都有重要的意义(雷欢等，2010).剑潭水库是东江干流新建的第11个河流型水库，多年来该河段受支流西枝江和淡水河污染负荷的不利影响，水体营养负荷过重，筑坝蓄水后，水体理化性质发生巨大的变化，大坝的阻隔和水库径流调节的驱动，对关联区域的水生生态系统产生了巨大的影响.近几年已有剑潭水库水生生态系统变化的相关报道，研究人员(刘毅等，2011；李莹等，2010；张桂华，2011)分别对该水库的鱼类和浮游植物群落组成变化及演替规律进行了研究，其中，浮游植物群落变化特征的研究主要集中在蓄水初期，而后续的变化特征暂未见报道.为进一步掌握剑潭水库浮游植物群落特征，本研究于2010年6月至12月，对剑潭水库浮游植物群落及其11个环境因子进行采样调查，结合主成分分析(PCA)和典范对应分析(CCA)，辨析剑潭水库主要水质污染影响因子，探讨浮游植物群落结构与水环境因子的关系，并提出相应的水生态风险防治措施，以期为剑潭水库的水环境保护提供科学依据.
2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 采样点设置与采样时间在剑潭水库由上游到下游共设置6个采样点(图 1)，其中，S1号站点位于剑潭水库上游，该点位不受西枝江污水排放的影响，S2号站点位于东江干流与新开河交汇处，S3号站点位于S2号站点下游2 km处，S4号站点位于东江干流与西枝江交汇处，S5号站点位于S4号采样点下游2 km处，S6号站点位于剑潭大坝坝上.2010年6—12月，每月定期采集浮游植物定性定量样品和水环境因子样品.
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| 图 1 剑潭水库采样点示意图 Fig. 1 Sampling sites of Jiantan Reservoir |
浮游植物定性样品用25#浮游生物网在水面下作“∞”捞取，4%福尔马林固定，按照种类鉴定工具书，利用光学显微镜对浮游植物进行分类鉴定；浮游植物定量水样用5 L采水器采集表层水样1 L，鲁哥试剂固定，带回实验室，经沉淀、浓缩、定容后，参照《淡水浮游生物研究方法》(章宗涉等，1991)进行计数.
环境因子样品的采集与浮游植物样品的采集同步进行，pH、水温(T)、溶解氧(DO)用便携式水质分析仪现场测定，透明度(SD)用塞式透明度盘现场测定，总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮(NH3-N)、硅酸盐(SiO-3)、BOD5、CODCr和叶绿素a(Chl.a)的测定均参考《水和废水监测方法(第4版)》.
2.3 数据分析PCA分析采用SPSS17.0进行.浮游植物群落与水环境因子间的CCA分析利用CANOCO4.5分析软件和CANODRAW4.5作图软件进行，物种数据采用主要浮游植物的细胞密度数据，按照该物种在各样点出现的频度>12.5%，至少在一个站位的相对密度≥1%的条件进行筛选(Lopes et al., 2005；Muylaert et al., 2000；邓建明等，2010).物种数据经lg(x+1)转换，环境数据除pH值外都进行lg(x+1)转换(史晓丹等，2008).
3 结果与分析(Results and analysis) 3.1 水环境因子分析剑潭水库环境因子月均值见表 1.由表 1可知，pH值变化范围在7.00~7.97之间；SD变化范围在0.21~0.47 m之间；DO 在12月最高，为7.94 mg · L-1，7月最低，为4.56 mg · L-1；水温变化范围较大，在16.48~32.43 ℃之间，其中，8月最高，12月最低；TN浓度在1.79~7.78 mg · L-1之间变化；NH3-N浓度在0.56~3.05 mg · L-1之间变化，TN和NH3-N均在9月出现最高值，8月出现最低值；TP浓度在0.08~0.33 mg · L-1之间变化，6月最高，10月最低；BOD5和CODCr较低，最高值分别为3.90 mg · L-1和9.10 mg · L-1，均符合《地表水环境质量标准(GB3838—2002)》Ⅲ类水标准；硅酸盐浓度在10月出现最高值9.35 mg · L-1，6月出现最低值4.83 mg · L-1；Chl.a浓度在3.07~17.78 μg · L-1之间变化，其中，8月最高，12月最低.
| 表1 水环境因子月均值 Table.1 Values of aquatic environmental factors |
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为了辨识剑潭水库水质污染的主导因子，对11项水环境因子进行主成分分析.结果表明(表 2)，第一主成分(F1)、第二主成分(F2)、第三主成分(F3)和第四主成分(F4)为主成分因子，其累积方差贡献率达76.68%，说明主成分因子能够表征这些指标整体的水环境污染状况，并且KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)系数为0.625>0.60，说明其适合进行因子分析(Liu et al., 2003).旋转后的因子载荷率(表 3)表明，第一主成分表征剑潭水库氮磷营养盐及有机污染状况，包括DO、TN、NH3-N、TP和CODCr等环境因子，其中，NH3-N是剑潭水库最主要的污染物；第二主成分在Chl.a和BOD5上有较高的载荷率，其反映了剑潭水库藻类活动特征；第三主成分表征剑潭水库pH和水温状况，第四主成分因子包括SD和硅酸盐，其中，SD的因子载荷率达0.900.F2、F3和F4主成分因子与F1主成分因子相比重要性较低(冯业强等，2011).因此，剑潭水库的主要水质污染因子由F1主成分因子(即TN、NH3-N、TP等营养盐因子和DO、CODCr等有机污染因子)决定.结合旋转后的因子载荷率判断主成分因子与水环境状况之间的相关性大小(苏玉等，2011)，TN、NH3-N与水环境状况相关性好，筛选出TN、NH3-N为剑潭水库水质的主要污染因子.
| 表2 水环境因子特征值 Table.2 Eigenvalues of aquatic environmental factors |
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| 表3 水环境因子旋转后的因子载荷率 Table.3 Loadings of rotated auquatic environmental factors |
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调查期间，在剑潭水库共检出浮游植物7门78属103种，其中，绿藻门的种类最多，54种，占总种数的52.43%；其次是硅藻门，22种，占总种数的21.36%；蓝藻门12种，占总种数的11.65%，裸藻门8种，占总种数的7.77%;隐藻门、甲藻门、金藻门分别为2、2和3种，各占总种数的1.94%、1.94%和2.91%.
3.2.2 优势种设定相对丰富度(某种藻细胞密度占细胞总密度的比例)大于10%为优势种，调查期间，剑潭水库共有优势种12种，其中，蓝藻门的小颤藻(Oscillatoria tenuis Ag.)、螺旋藻(Spirulina Turp sp.)、鱼腥藻(Anabaena Bory sp.)、优美平裂藻(Merismopedia elegans A. Br.)和绿藻门的微茫藻(Micractinium pusillum Fres.)、十字藻(Crucigenia apiculata(Lemm.)Schm.)及隐藻门的卵形隐藻(Cryptomonas ovata Ehr.)为夏季(6、7、8月)优势种，蓝藻门的伪鱼腥藻(Pseudanabaena sp.)、优美平裂藻和隐藻门的卵形隐藻及硅藻门的梅尼小环藻(Cyclotella meneghiniana Kütz)为秋季(9、10、11月)优势种，隐藻门的卵形隐藻和硅藻门的针杆藻(Synedta Her sp.)、颗粒直链藻(Melosira granulata (Her.)Ralfs)及绿藻门的四尾栅藻(Scenedesmus quadric and a(Turp.)Bréb.)、二形栅藻(Scenedesmus dimorphus(Turp.)Kütz.)为冬季(12月)优势种，各月优势种相对丰富度见表 4.
| 表4 浮游植物优势种 Table.4 The dominant species of phytoplankton |
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调查期间，剑潭水库浮游植物细胞密度月均值变化范围为2.23×105~8.04×106 cells · L-1，其中，7月最高，12月最低(图 2a).各采样点浮游植物细胞密度平均值变化范围为9.05×105~7.06×106cells · L-1，其中，S2号采样点浮游植物细胞密度平均值最大，其次是S5号采样点和S3号采样点，分别为4.60×106 cells · L-1、1.30×106 cells · L-1，S6号采样点浮游植物细胞密度平均值最低(图 2b).在剑潭水库水体中，蓝藻门、绿藻门、隐藻门和硅藻门浮游植物细胞密度较高，分别占藻类总细胞密度的41.85%、29.32%、16.67%和8.84%，裸藻门、甲藻门和黄藻门浮游植物细胞密度较低，三门藻类细胞密度之和仅为藻类总细胞密度的3.33%.
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| 图 2 浮游植物细胞密度月均值(a)及各采样点浮游植物细胞密度平均值(b) Fig. 2 Phytoplankton densities of different months(a) and phytoplankton densities of different sites(b) |
对经过筛选的54种浮游植物(表 5)及11个环境因子进行CCA分析，分析结果见图 3、图 4.本研究中两个物种排序轴和两个环境排序轴的相关系数都为0，排序结果可靠(夏品华等，2011a)，轴1和轴2能够反映62%的物种信息量.从图 3、图 4可以看出，pH、TP、CODCr、NH3-N、水温和SD对剑潭水库浮游植物群落的结构影响较大，其中TP、CODCr、NH3-N、SD与轴1正相关，相关系数分别为0.7622、0.6784、0.6623和0.6209，pH与轴1负相关，相关系数为-0.7025，水温与轴2正相关，相关系数为0.7260.剑潭水库浮游植物在CCA第1、第2排序轴上得到较好的分化，蓝藻种类主要集中在第2和第3象限，与pH正相关，绿藻种类主要集中在第1、第2和第4象限，pH、TP、CODCr、NH3-N、水温和SD对其均有影响，隐藻和硅藻种类主要集中在第3象限，与pH正相关，其中优势种小颤藻、优美平裂藻、伪鱼腥藻、十字藻、四尾栅藻、二形栅藻、卵形隐藻、颗粒直链藻、梅尼小环藻及针杆藻排于两排序轴中心位置，对剑潭水库水体具有较强的适应性(史晓丹等，2008)，鱼腥藻与SD正相关，微茫藻与水温、TP、CODCr、NH3-N正相关.各采样点浮游植物群落组成差异较大，S1和S6号采样点浮游植物群落以蓝藻、隐藻、硅藻为主，受pH影响较大，S2和S4号采样点浮游植物群落以绿藻为主，受水温、TP、NH3-N及SD影响较大，S3和S5采样点浮游植物群落以蓝藻和绿藻为主，受pH、水温影响较大(图 4).
| 表5 剑潭水库浮游植物名录 Table.5 List of phytoplankton in Jiantan reservoir |
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| 图 3 浮游植物群落与环境因子CCA排序图 Fig. 3 CCA diagram of phytoplankton dominant species and environment factors |
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| 图 4 采样点与环境因子的CCA排序 Fig. 4 CCA diagram of the sites and variables environmental |
浮游植物群落是水生态系统的重要组成部分，其种类组成、数量分布及丰度通常呈季节性变化，是浮游植物群落动态的特征，也是评价水体富营养程度的重要指标之一(吴洁等，2001).研究表明(Wang et al., 2007)，在没有人为污染的自然淡水水体中，浮游植物季节性变化的一般规律是：春秋季以喜低温的硅藻、金藻为主，夏季以喜高温的蓝藻、绿藻为主，冬季浮游植物种类和数量都很少，而剑潭水库浮游植物群落变化规律为夏季的蓝藻、绿藻向秋季的隐藻、蓝藻、绿藻，冬季的绿藻、硅藻转变.庞清江等(2003)指出，中营养型湖泊常以甲藻、隐藻和硅藻类占优势，富营养型湖泊则常以绿藻和蓝藻类占优势.剑潭水库浮游植物种类组成以绿藻为主，藻类细胞密度季节差异较大，7月最高，以蓝藻和绿藻为主，螺旋藻、优美平裂藻和十字藻为该月的优势种；12月最低，以绿藻和硅藻为主，四尾栅藻、二形栅藻、梅尼小环藻、针杆藻和变异直链藻为该月优势种，该水库水体夏季富营养化程度较冬季严重.此外，本研究中，剑潭水库TN、TP变化范围分别为1.79~7.78 mg · L-1和0.08~0.33 mg · L-1，与刘静等(2009)2006—2008年对剑潭水库蓄水前后营养盐调查的数据(TN变幅为0.75~4.70 mg · L-1，TP变幅为0.01~0.27 mg · L-1)相比较，营养盐浓度明显升高，这说明剑潭水库水体富营养化程度有所加剧.另外，与李莹等(2010)在蓄水初期对剑潭水库浮游植物丰度调查的数据1.82×105~6.27×106 cells · L-1相比较，剑潭水库浮游植物细胞密度显著提高，7月S2断面浮游植物细胞密度高达107 cells · L-1，该月剑潭水库优势种螺旋藻(潘双叶等，2008)、优美平裂藻(陈绵润等，2006)、十字藻(李春艳等，2002)均为典型的富营养化水体指示种，剑潭水库水体富营养化情况应引起重视.
4.2 环境因子与浮游植物群落的关系不同水体的浮游植物群落结构具有不同的特征(王丽等，2013)，剑潭水库各断面水体理化性质具有明显差异(图 4)，受支流新开河和西枝江影响，S2、S4采样点氮磷等营养盐及有机物含量较高；下游水质渐趋平稳，S6样点水体理化性质与未受支流影响的S1样点类似.受水体理化性质差异影响，各样点浮游植物细胞密度组成也呈现不同的特征，受支流西枝江影响的S2和S4断面以绿藻为主，未受支流污染的S1断面和下游S6断面以蓝藻、隐藻和硅藻为主，且前者的藻类细胞密度明显高于后者.
同一水体不同时期浮游植物群落结构也大不相同，剑潭水库浮游植物群落结构的季节差异性较大.CCA分析表明，水温可能是影响这一差异的最重要因素，这与李钦钦等(2010)对太湖金墅湾水源地的研究结果相似，夏季随着温度升高，光照加强，喜高温的蓝藻大量繁殖(张婷等，2009)，其中，小颤藻、螺旋藻、鱼腥藻和优美平裂藻在这一时期占优势；秋季和冬季，随着阳光减弱，水温日趋下降，蓝藻数量开始减少，硅藻、绿藻细胞密度呈增加趋势.
此外，TP、NH3-N等营养盐对剑潭水库浮游植物的分布影响较大，CCA分析显示，TP是影响剑潭水库浮游植物群落分布的最重要营养盐因子.大量研究表明(姚玲爱等，2011；夏品华等，2011b)，磷是淡水浮游植物生长的限制因子，其限制作用表现在绝对浓度限制和相对浓度(N/P)限制两方面(许海等，2011).但 Paerl等(2001)在研究中指出，N/P理论不太适合富营养化水体中的藻类暴发机制.剑潭水库TP浓度已达到富营养化水平，绝对浓度高于浮游植物生长的阈值，不存在绝对浓度限值(许秋瑾等，2010)，其对剑潭水库浮游植物群落影响机理有待进一步研究.本研究中，CODCr也是影响剑潭水库浮游植物群落结构的一个重要因素.研究表明，水体中的有机物主要来源于工农业废水，这些废水通常伴随着大量的氮磷营养，因此，COD等有机污染物指标与浮游植物细胞密度相关性显著(Lü et al.， 2003；Zhang et al., 2001).对本研究中的CODCr、TP、NH3-N进行相关性分析，结果表明，CODCr与TP、NH3-N相关性显著，相关系数分别为0.990和0.934，这可能是CODCr影响浮游植物群落结构的原因之一.
4.3 水生态风险防治措施探讨剑潭水库位于东江中游，其水质好坏对于优质水源能否持续与安全供应至关重要.施玮等(2002)研究指出，饮用水源中藻类三级限值分别为：安全限值1.0×104 个 · L-1，警戒限值2.1×105 个 · L-1，危险限值1.2×106 个 · L-1.调查期间，剑潭水库藻类细胞密度平均值为2.73×106 cells · L-1，部分水体的藻类细胞密度峰值高达2.01×107 cells · L-1，基于剑潭水库当前的水环境现状，急需加强水库水环境保护及其周边的污染防治工作.剑潭水库污染主要来自惠州市区工企业废水及支流西枝江和淡水河，需加大流域内工企业废水减排力度和排水深度净化设施的建设，并通过加强对支流水体的污染控制和生态修复来减少剑潭水库氮磷等营养盐的外源输入；此外，还应加强剑潭水库自身的生态环境保护，以提高水体自净能力；再次，通过对剑潭水库进行水生态常规跟踪监测和特殊时期的加密监测，掌握剑潭水库水生态系统演变规律，探究影响因子的作用机理，防范剑潭水库水生态风险.
5 结论(Conclusions)1)2010年6月—12月期间，剑潭水库共检出浮游植物7门78属103种，种类组成以绿藻为主;藻类细胞密度季节差异大，7月最高，以蓝藻和绿藻为主，螺旋藻、优美平裂藻和十字藻为该月的优势种，12月最低，四尾栅藻、二形栅藻、梅尼小环藻、针杆藻和变异直链藻为该月优势种.浮游植物群落变化规律为夏季的蓝藻、绿藻向秋季的隐藻、蓝藻、绿藻，以及冬季的绿藻、硅藻转变;夏季富营养化程度较冬季严重，与蓄水初期相比，剑潭水库富营养化程度有加剧趋势.
2)CCA分析表明，受水体理化性质差异影响，剑潭水库各样点浮游植物细胞密度组成差异较大，TP、pH、CODCr、NH3-N、水温和SD等因子影响剑潭水库浮游植物群落分布，其中，水温和TP是最重要的因素.基于剑潭水库当前的水环境现状，通过控制氮、磷等营养盐的外源输入，加强剑潭水库自身的生态环境保护、水生态监测和影响因子作用机理研究，掌握剑潭水库水生态系统演变规律，防范剑潭水库水生态风险，对剑潭水库水环境保护具有重大的意义.
致谢： 野外采样及室内分析得到曾东、欧阳正、葛淑静、唐亚等同志的大力帮助，特此致谢.
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