蘑菇湖水库浮游植物群落结构及营养状态评价

蘑菇湖水库位于新疆准噶尔盆地南缘，石河子市以北26 km处，东经85°52′～85°58′，北纬44°25′～ 44°29′，该水库建于1957年。水库闸底高程379.5 m，坝体高程393.0 m，坝高15.6 m[1]。水库最大库容为1.8×108m3，蓄水面积达31.2 km2。对蘑菇湖水库已有过多次调查报道[2-4]，但主要内容是探究蘑菇湖水库水质变化及富营养化如何控制[5]，对水库浮游植物群落组成仅在20世纪90年代做过初步调查[6]，而较系统地研究尚未见报道。本研究中，通过对蘑菇湖水库平水期、丰水期、枯水期多位点的浮游植物种类、密度、生物量、优势种属进行调查研究，并结合水质理化因子数据，首次系统地研究了蘑菇湖浮游植物群落结构特征及其变动特点,旨在为保护蘑菇湖水库水环境质量和有效开发水库内渔业资源提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 采样点布设及样本采集

本次调查过程中，分别于2016年4月(丰水期)、7月(平水期)、11月(枯水期)对蘑菇湖水库库区进行3次调查采样，根据蘑菇湖水库水体面积及库区构型设置5个采样点(图1，表1)。分别采集水体上层水样(距水表面0.5 m处)、中层水样(1/2水深处)、水底层水样(距水底0.5 m处)，并将3层水样混合。

1.2 方法

1.2.1 理化因子的测定在现场采集水样后即时测定水温(WT)、透明度(SD)、水深(WD)；不能在现场测定的理化指标如硝态氮

亚硝态氮

溶解氧(DO)、pH值、化学需氧量(CODMn)等，采集水样后按照待测水样处理标准进行初步处理后低温保存带回实验室，在24 h内完成测定。用SD20型塞氏盘(北京普力特仪器有限公司)测定透明度；用WT型水温计(北京普力特仪器有限公司)分别测量水体表层、中层、底层温度，最后取3层水温平均值；用PHSJ-3F型PH测定仪 (北京宏昌信科技有限公司)测量pH值；按照《水和废水检测分析方法(第四版)》[7]测定水质指标。

1.2.2 浮游植物样本的采集处理与鉴定浮游植物样品现场采集，浮游植物的定性、定量样本依据《淡水浮游生物研究方法》[8]，浮游植物种类鉴定主要依据《中国淡水藻类》[9]。

1.2.3 指标的测定与计算按照Aksnes等[10]方法计算优势度(Y)，按照黄玉瑶[11]的方法计算Shannon-Wiener多样性指数。贡献率(F)计算公式为

其中:F为贡献率(%)；n为浮游植物中某一类群的生物量(mg/L)；N为浮游植物群落总生物量(mg/L)。

1.3 数据处理

采用SPSS 13.0 软件对浮游植物的生物量和贡献率平均值进行单因素方差分析和Duncan多重比较；采用Canoco 4.5软件进行浮游植物优势种类分布与环境理化因子变量间的关联分析；理化因子矩阵经lg(x+1)转化和标准化处理后用于分析。

2 结果与分析

2.1 蘑菇湖水库水体理化因子特征

蘑菇湖水库5个采样点3次采样的水体理化指标见表2。从表2可见：水温在3次采样中变化明显，均为夏季>春季>秋季；DO全年变化较大，含量充足，3次采样的平均值均超过了国家Ⅰ类水体标

的年平均值均达到了国家Ⅴ类水质标准。蘑菇湖水库水体理化指标的数据综合表明，蘑菇湖水库水质全年整体处于国家Ⅴ类水质状态。

2.2 蘑菇湖水库浮游植物群落组成特征

在3次采样调查中，蘑菇湖水库共鉴定出浮游植物90种(属)，浮游植物群落组成见表3。其中，浮游植物种类最多的为绿藻门，有44种(属)，占总种(属)的48.89%；其次为蓝藻门，有22种(属)，占总种(属)的24.44%，硅藻门较蓝藻门种(属)略少，共鉴出定18种(属)，占总种(属)的19.98%；其余依次为裸藻门、隐藻门各2种(属)，各占总种(属)的2.22%，金藻门和甲藻门各1种，各占总种(属)的1.11%。

不同时期浮游植物总种类数变化趋势为7月份(80±7种)>4月份(33±4种)和11月份(33±7种)，7月份浮游植物种类数显著高于4、11月份(P<0.05)，而4月份与11月份物种种类数无显著性差异(P>0.05)。在蘑菇湖水库5个采样点中，各个采样点浮游植物种类数存在差异，各个采样点浮游植物种类由多到少依次为库中心西侧(采样点2)(87种)>出水口(采样点1)(86种)>库中心东侧(采样点3)(85种)>库湾(采样点4)和入水口(采样点5)(均为67种)。

注：同列中标有不同字母者表示组间有显著性差异(P<0.05)，标有相同字母者表示组间无显著性差异(P>0.05)，下同
Note:The means with different letters within the same column are significantly different in the groups at the 0.05 probability level, and the means with the same letters within the same column are not significant differences, et sequentia

2.3 蘑菇湖水库浮游植物密度、生物量、多样性指数变化特征

蘑菇湖水库浮游植物平均密度和生物量组成见表4。蘑菇湖水库浮游植物3次采样的平均密度为(817±982)×104 cells/L，各采样点平均密度变化范围为(734±952)×104～(929±1117)×104 cells/L；绿藻的平均密度为(356±13)×104 cells/L，占总密度的44.39%；蓝藻的平均密度为(348±21)×104 cells/L，占总密度的42.76%；硅藻的平均密度为(78±9)×104 cells/L，占总密度的9.58%。浮游植物平均密度最大值在7月份，11月份居中，4月份最低，不同月份间浮游植物平均密度均有显著性差异(P<0.05)(表4)。蘑菇湖水库浮游植物3次采样的平均生物量为(6.72±5.88) mg/L，各采样点平均生物量变化范围为(2.25±0.94)～(8.67±8.74)mg/L；浮游植物平均生物量最大值在7月份，4月份居中，11月份最低，不同月份间浮游植物平均生物量均有显著性差异(P<0.05)(表4)。

蘑菇湖水库浮游植物4月份平均密度为(126±44)×104 cells/L，各采样点变化范围为(73±21)×104～(169±47)×104 cells/L，4月平均生物量为(2.90±6.44) mg/L，各采样点变化范围为(1.10±0.28)～(3.98±0.44) mg/L ，平均密度和生物量的最大值均出现在采样点3，最低值均出现在采样点5；7月份平均密度为(2164±433)×104 cells/L，各采样点变化范围为(1684±101)×104～(2764±332)×104 cells/L，平均生物量为(14.79±0.75) mg/L，各采样点变化范围为(8.79±1.20)～(25.80±3.00)mg/L，平均密度和生物量最大值均出现在采样点1，最低值均出现在采样点5；11月份平均密度为(161±97)×104 cells/L，各采样点变化范围为(60±10)×104～(256±152)×104 cells/L，平均生物量为(2.46±2.63) mg/L，各采样点变化范围为(1.67±0.43)～(3.16±1.2)mg/L，平均密度和生物量最大值均出现在出水口(采样点1)，最低值出现在入水口(采样点5)。各采样点不同月份的密度从大到小依次均为7月份>11月份>4月份；各采样点不同月份的生物量从大到小依次均为7月份>4月份>11月份。

蘑菇湖水库浮游植物多样性指数:4月、7月、11月的香浓多样性指数(Shannon)分别为3.10±0.22、1.39±0.46、2.46±0.13。

2.4 蘑菇湖水库浮游植物群落常见种(属)、优势种(属)及污染指示种

蘑菇湖水库浮游植物常见种有绿色微囊藻 Microcystis uiridis、惠氏色球藻 Chroococcus westii、灰绿隐杆藻Aphanothece pallida、四尾栅藻Scenedesmus quadricauda、集星藻属未定种 Actinastrum sp.、库氏新月藻Closterium juncidumkuetzingii、小球藻Chlorella vulgaris、土生绿球藻Chlorococcum humicola、鼓藻属未定种Cosmarium sp.、铜绿微囊藻Microcystis aeruginosa、螺旋鱼腥藻Anabaena spiroides、尖针杆藻Synedra acusvar、变异直链藻 Melosira varians、科梅小环藻 Cyclotella comensis、纤维藻属未定种Ankistrodesmus sp.。其中，绿色微囊藻、小球藻、四尾栅藻、库氏新月藻、变异直链藻、鼓藻属未定种和颤藻属未定种Oscillatoria sp.均能够在3次采样中观察到。3次采样形成过优势种的浮游植物如表5所示，共有12种(属)。

从表6可见：3次采样共鉴定的90种(属)浮游植物中共有21种(属)为不同污染等级的浮游植物污染指示种；寡污水指示种有3种，其中，只有灰绿隐杆藻和圆柱鱼腥藻在3次采样中均有发现，黄群藻属未定种仅在7月份发现；β-中污带指示种有8种，其中，只有土生绿球藻在3次采样中均有发现，且在7月份土生绿球藻形成了优势种，其他7种指示种，在7月份或11月份各有发现；α-中污带指示种有8种，其中螺旋鱼腥藻和惠氏色球藻在3次采样中均能够见到，其他6种污染指示种均在7月份或4月份被发现；富营养化指示种有2种，其中绿色微囊藻在3次采样中均被发现，而且3次采样均为优势种，铜绿微囊藻仅在7月份和11月份被发现。综合分析污染指示种(表6)和浮游植物的优势种(表5)表明，4月份蘑菇湖水库α-中污带指示种最多，为4种，4月份虽然富营养污染指示种仅有绿色微囊藻1种，但它在全年形成优势种，因此，4月份蘑菇湖水库应该是有α-中污带向富营养化类型转移的趋势；7月份有21种(属)浮游植物污染指示种均被发现，从污染指示种的数目来看，α-中污带和β-中污带指示种数目最多，均达到了8种，但蘑菇湖水库7月份蓝藻门的绿色微囊藻占主要优势种，因此，蘑菇湖水库在7月份水质已经达到了富营养化的状态；11月份绿色微囊藻依然是最主要的优势种，但小球藻在11月份与微囊藻优势地位相接近，因此，可以推断出11月份以后蘑菇湖水库富营养化状态开始减轻，到了翌年4月份左右降低到α-中污带水平。

2.5 蘑菇湖水库浮游植物优势种与环境因子间的RDA分析

经DCA法分析显示，最大梯度为0.711，表明蘑菇湖水库浮游植物与环境因子变量呈线性关系，故选择RDA法，依次将环境变量与浮游植物优势种进行RDA分析结果如图3所示。经过蒙特卡洛(Monte Carlo)检验(P<0.05)，保留了7个环境变量，分别为亚硝态氮

硝态氮

总磷(TP，P=0.034),温度(WT，P=0.066),溶解氧(DO，P=0.034),透明度(SD，P=0.02),化学需氧量(COD，P=0.032)。前4个轴共解释了浮游植物群落总变异的61.5%。在RDA排序图中WT与物种轴1呈最大相关性，相关系数R=-0.9903；其次，两个相关性最大的环境因子分别为

之后，依次为SD(R=0.8022)、COD(R=-0.6655)、TP(R=-0.5015)、DO(R=0.4614)。结果表明，影响蘑菇湖水库优势种分布的最主要环境因子为

和

从图3还可知，鼓藻属未定种(C1)与WT呈正相关，小球藻属未定种(C2)、土球藻属未定种(C3)、微囊藻属未定种(M2)、鱼腥藻属未定种(A1)与

呈正相关，舟形藻属未定种(N1)与SD呈正相关，腔球藻属未定种(C4)、角甲藻(C6)和针杆藻属未定种(S1)与DO呈正相关。

注：√表示该种(属)在该月份被发现
Note: √ means that the species was found in the month

3 讨论

3.1 蘑菇湖水库浮游植物群落结构及其变化

蘑菇湖水库水源主要来自玛纳斯河水、沙湾河水、泉水和城市废水，水源较复杂，而且近些年大量工业废水的排进，直接导致了蘑菇湖水库污染严重[13]。本次调查发现，蘑菇湖水库总体上处于富营养化状态。蘑菇湖水库浮游植物群落主要以绿藻和蓝藻为主，个体数量上蓝藻占优势，绿藻从4月份到11月份，无论在数量还是浮游植物群落所占比重中均有所增长，进入11月份后取代蓝藻成为库区的主要优势群体。蓝藻门的绿色微囊藻、绿藻门的土生绿球藻和小球藻这3种藻类在全年占据优势地位，且优势地位远高于其他优势种。本次对蘑菇湖水库的调查结果表明，其浮游植物的种类组成与李杨旗[6]1991年的调查结果相比，种类总数变化差异不大，但在优势种种类上有较大的变化。在20世纪90年代对蘑菇湖水库的调查中，颤藻和针形纤维藻全年分布,且占据绝对优势种，但是本次调查中绿色微囊藻、小球藻和土生绿球藻取代了二者的地位。表明蘑菇湖水库经过这些年的治理，有机污染已经得到了较大的改善，但是水体环境依然还处在富营养环境下。

本次调查显示，蘑菇湖水库自11月份以后进入秋冬季，直至下一年春季(4月份)，浮游植物生长缓慢，夏季则生长迅速，秋季以后又逐渐衰退，这与其他地区湖泊、水库浮游植物群落变动情况类似[14]。根据何志辉等[15]对浮游植物生物量的划分标准，蘑菇湖水库属于富营养型水体。水体内含有大量的含氮化合物，可能是因为水库内汇聚了大量的生活污水和工业废水，导致水体内含氮、磷等营养物质含量增加。

3.2 环境因子与蘑菇湖水库浮游植物群落的关系

3次采样中测得的理化因子变化显著，说明其对蘑菇湖浮游植物群落演替起着较重要的作用。RDA分析初步反映了蘑菇湖水库浮游植物与主要环境因子间的相关性。在测得的理化因子中，温度是影响蘑菇湖水库浮游植物优势种的重要环境因子，此外，通过双变量相关性分析，发现藻类丰度和生物量与温度呈显著相关性(P<0.05)。郑维发等[16]研究表明，蓝藻对高温的耐受性要强于其他藻类，因此，在夏季高温情况下，蓝藻更容易通过快速增长取得优势地位。除了温度，

和

是影响蘑菇湖水库浮游植物优势种的次要环境因子。有研究表明，蓝藻中的微囊藻等藻类可以将

等氮类转化为

等[17]研究表明，

可以被藻类直接吸收利用，Chen等[18]研究表明，水体中

含量可以直接影响藻类的中间竞争，且在一定浓度下蓝藻的生长往往占优势。这也可以解释为何蓝藻在蘑菇湖水库占据主要优势地位。另一方面，COD的良好相关性表明，蘑菇湖水库现在正在承受有机污染，而且蘑菇湖水库的浮游植物对水体内有机含量有较大的影响。Lv等[19]和陈菊芳等[20]研究表明，在COD含量较高时，浮游植物密度相对较高，COD含量与浮游植物种群的变化表现出明显的相关性。

3.3 蘑菇湖水库水质评价

蘑菇湖水库自20世纪中期引入工业废水后，造成了大量的鱼类死亡，底栖动物濒临灭绝[21]。蘑菇湖主要污染物为生物化学需氧量、氨氮、磷、高锰酸钾、悬浮物、硫化物、挥发酚，以及重金属铅、汞等。在正常环境下，多样性指数较高，环境受污染时，多样性指数就会降低[22]。按照多样性指数与水体污染程度的关系来判断，蘑菇湖水库多样性指数变化范围为(1.39±0.22)～(3.10±0.46)，表明蘑菇湖水库物种较丰富。本次调查中发现的优势种污染指示种显示，蘑菇湖正处于中-富营养化阶段，且蘑菇湖的常见种中出现了一些有机污染物的指示种，说明蘑菇湖水库依然存在一定的有机污染。本次调查中，蘑菇湖的浮游植物类群全年主要以蓝藻-绿藻型为主，按照Negro等[23]、索丽生[24]的评级标准，蘑菇湖水库处于富营养化状态。

从水质评定级别分析，化学评价与生物学评价得出的水质等级较为接近。综合两种评价结果，蘑菇湖浮游植物群落结构较稳定，水质污染程度属于有机污染水质。库区全年处于富营养型状态，蘑菇湖的主要功能就是灌溉，因此，蘑菇湖的水质净化只能依靠水库水流的流动和自净能力。通过减少外来污水(如含有大量营养盐的生活污水、工厂污水)的排放，才能够保护和控制蘑菇湖的水质、渔业及其资源利用。相比于20世纪90年代的调查，蘑菇湖经过治理后，水质是得到了明显的改善，但是蘑菇湖水质依然处于国家超Ⅴ类水质水平，还需要加强治理。

由于蘑菇湖生态环境和功能的复杂性，除主要的环境因子对蘑菇湖水库浮游植物群落结构有影响外，外力因素也是较重要的影响因素：蘑菇湖水库在每年的7—8月会进入洪水期，洪水的引入对浮游植物群落的结构有明显的影响，大量泥沙的带入，使蘑菇湖水质变的浑浊，这也是导致蘑菇湖水库7月份透明度显著下降的主要原因。另外，由于蘑菇湖水库特殊的地理位置，导致蘑菇湖水库春秋季经常刮风，风力的作用同样对蘑菇湖水库浮游植物群落结构的改变起到了一定作用。此外，蘑菇湖水库功能具有特殊性，蘑菇湖水库一直进行渔业养殖，因此，蘑菇湖浮游植物食性鱼类的下行效应对浮游植物群落也有较大影响，因此，如何完全探明影响蘑菇湖水库浮游植物群落结构的全部因素，还需要进一步地深入研究。

[1] 刘建江.蘑菇湖水库水环境现状及保护对策[J].水资源保护,2005,21(3):19-21,28.

[2] 陈静.蘑菇湖水质评价及近年来水质变化分析[J].新疆农垦科技,2009,32(5):58-59.

[3] 景一峰,张凤华.蘑菇湖水库水体重金属污染情况分析与评价[J].科技创新与应用,2016(10):151-152.

[4] 付树卿.蘑菇湖水库富营养化评价与对策研究[J].水利科技与经济,2010,16(9):989-990.

[5] 卞玮.石河子蘑菇湖水库富营养化成因及防治对策[J].干旱环境监测,2006,20(4):223-226.

[6] 李扬旗.蘑菇湖水库浮游植物与富营养化关系初探[J].干旱环境监测,1991,5(2):103-107.

[7] 国家环境保护总局.水和废水监测分析方法[M].4版.北京:中国环境科学出版社,2002.

[8] 章宗涉,黄祥飞.淡水浮游生物研究方法[M].北京:科学出版社,1991.

[9] 胡鸿钧,李尧英,魏印心,等.中国淡水藻类[J].上海:上海科学技术出版社,1981.

[10] Aksnes D L,Wassmann P.Modeling the significance of zooplankton grazing for export production[J].Limnology and Oceanography,1993,38(5):978-985.

[11] 黄玉瑶.内陆水域污染生态学:原理与应用[M].北京:科学出版社,2001.

[12] 夏青.中国地表水环境质量标准修订研究(续)[J].环境监测管理与技术,1998(2):7-11.

[13] 吴心蓉,刘焕芳,张向东.蘑菇湖水库水资源的污染现状和保护对策[J].石河子大学学报:自然科学版,2006,24(2):234-237.

[14] 张华,胡鸿钧,晁爱敏,等.浙江紧水滩水库浮游植物群落结构季节变化特征[J].生态学报,2013,33(3):944-956.

[15] 何志辉,王喜庆.碧流河水库的水化学、浮游生物和初级生产力[J].大连水产学院学报,1992,7(2-3):1-18.

[16] 郑维发,曾昭琪.淡水蓝藻的高温适应[J].湖泊科学,1994,6(4):356-363.

[17] Yang Suling,Wang Jun,Cong Wei,et al.Utilization of nitrite as a nitrogen source by Botryococcus braunii[J].Biotechnology Letters,2004,26(3):239-243.

[18] Chen Weimin,Liu Hao,Zhang Qingmin,et al.Effect of nitrite on growth and microcystins production of Microcystis aeruginosa,PCC7806[J].Journal of Applied Phycology,2011,23(4):665-671.

[19] Lv Jin,Wu Hongjuan,Chen Mengqiu.Effects of nitrogen and phosphorus on phytoplankton composition and biomass in 15 subtropical,urban shallow lakes in Wuhan,China[J].Limnologica-Ecology and Management of Inland Waters,2011,41(1):48-56.

[20] 陈菊芳,齐雨藻,徐宁,等.大亚湾澳头水域浮游植物群落结构及周年数量动态[J].水生生物学报,2006,30(3):311-317.

[21] 赵章元,王正荣,负根潮.蘑菇湖水库富营养化发生机制和治理途径的探讨[J].湖泊科学,1992,4(4):77-80.

[22] 李广玉,鲁静,何拥军.胶州湾浮游植物多样性及其与环境因子的关系[J].海洋地质动态,2005,21(4):10-13.

[23] Negro A I,de Hoyos C,Vega J C.Phytoplankton structure and dynamics in Lake Sanabria and Valparaíso reservoir (NW Spain)[J].Hydrobiologia,2000,424(1-3):25-37.

[24] 索丽生.中国水资源公报-2004[M].北京:中国水利水电出版社,2005.