石佛寺水库及邻近辽河河段浮游植物群落结构特征及生态健康评价

淡水是一种有限且分布不均的资源，地表水是最重要的淡水来源[1]。在降水不规律或呈现季节性特征的干旱和半干旱地区，淡水分布不均且资源稀缺，建造水库以蓄积水资源是一种至关重要的解决方案。水库在为人类提供饮用水、农田灌溉和水力发电的同时，还承担着其他多重社会和生态功能。在社会功能方面，水库通过雨季蓄洪、旱季调水，有效缓解极端气候对地区安全的威胁；在生态功能方面，稳定的水域环境为动植物提供了良好的栖息场所，维护了区域生物多样性。由于气候变化和人类活动的干预，很多淡水水域的水质正在显著恶化[2-3]，水体的物理、化学和生物特性发生了改变，影响了水生生物群落的结构和功能。浮游植物是水域生态系统初级生产者之一，具有种类多、繁殖快、生命周期短、生态转换效率高等特点，并通过食物网的能量流动影响水域生物的群落结构[4-5]。同时，浮游植物的种类组成、丰度等群落结构特征也受到水域环境条件的影响，如温度、光照和营养盐等[6-8]。已有研究表明，浮游植物的群落结构特征能够反映水体生态的健康状况[9]。

石佛寺水库位于辽宁省沈阳市沈北新区，始建于2003年5月，水库面积50 km2，其中生态面积22 km2，水域面积16 km2，平均水深6 m，是辽河干流上唯一一座控制性水利工程，也是大型河段型平原湿地水库。石佛寺水库主要以防洪和生态补水为核心功能，同时兼具休闲、游憩的功能，对辽河中下游起到了重要的生态调节作用。本研究分别于2024年3、7、9、12月对石佛寺水库及邻近辽河河段开展了浮游植物群落结构调查、水质监测，并对水质状况进行评价，以期为辽河水域有效管护，以及提高水域生态服务功能提供重要参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域

2024年3月29日、7月18日、9月24日和12月10日在石佛寺水库及邻近的辽河河段布设8个调查站位，其中水库设置6个站位(S1～S6)，河段2个站位(S7、S8)。8个调查站位信息见表1、图1。

1.2 方法

1.2.1 浮游植物采集与分析使用水生80型采水器在表层(水面下1 m)、底层(距水底1 m内)处采集水样，充分混合后，取1 L水样，立即加入鲁哥氏剂10 mL、混匀后，带回实验室，静置24 h，移去上清液，定容至50 mL，在电子显微镜(ECLIPSE 50i，Nikon)下，按照文献[10]鉴定浮游植物种类并统计数量。

1.2.2 水质样品采集与测定现场使用水质分析仪(Quanta，美国哈希公司)测定溶解氧(DO)、水温(WT)、浊度(TUR)。使用水生80型采水器采集表层、底层水样，充分混合后取1 L水样带回实验室内，分别采用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法、钼酸铵分光光度法、水杨酸分光光度法、重铬酸盐法、高锰酸钾氧化法测定水样总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮(NH3-N)含量，以及化学需氧量(COD)和高锰酸盐指数(CODMn)；采用分光光度法测定叶绿素a含量。

1.2.3 浮游植物优势度计算优势度计算公式如下

式中：Y为优势度；ni为第i种浮游植物的个体数；fi为第i种在各站位出现的频率；N为样品中全部浮游植物的个体数。判别标准为：Y>0.02的种类定为优势种[11]。

1.2.4 群落特征指数计算表2为基于浮游植物群落特征指数的水质评价标准[12]。浮游植物的Margalef丰富度指数(D)、Shannon-Wiener多样性指数(H′)、Pielou均匀度指数(J)计算公式如下

式中：S为样品中浮游植物种类数；N为样品中全部浮游植物的个体数；pi为第i种的个体数与总个体数的比值。

1.3 数据处理

采用Excel 2016和Origin 2018软件进行数据整理、统计分析和图表绘制。采用SPSS 27.0软件进行月份和水体类型对浮游植物丰度影响的双因素方差分析，以P<0.05为显著水平。将数据进行对数转换后，采用SPSS 27.0软件对浮游植物群落特征指数与环境因子进行Pearson相关性分析，评估各变量间的相关性；将数据进行对数转换后，采用Canoco 5.0软件对浮游植物优势种丰度、环境因子进行去趋势对应分析(detrended correspondence analysis，DCA)，如果第一轴排序梯度长度小于4，则采用冗余分析(RDA)方法，如果长度大于4，则采用典范对应分析(CCA)方法，以此探究浮游植物优势种丰度与环境因子的相关性[13]。

2 结果与分析

2.1 浮游植物群落结构特征

2.1.1 浮游植物物种组成及丰度在石佛寺水库6个站位中共检测出浮游植物168种(属)，分属于7个门。其中以硅藻门(Bacillariophyta)种类最多，有58种(属)，绿藻门(Chlorophyta)有55种(属)，蓝藻门(Cyanophyta)有25种(属)，裸藻门(Euglenophyta)有15种(属)，甲藻门(Pyrrophyta)有6种(属)，隐藻门(Cryptophyta)有4种(属)，金藻门(Chrysophyta)有5种(属)。在4次调查中，水库内发现的浮游植物种类数依次为70、115、121、71种(属)(表3)。

在辽河河段2个站位中共检测出浮游植物114种(属)，分属于7个门。其中硅藻门种类最多，有50种(属)，绿藻门有36种(属)，蓝藻门有14种(属)，裸藻门有9种(属)，甲藻门有1种(属)，隐藻门有3种(属)，金藻门有1种(属)。在4次调查中，河段内发现的浮游植物种类数依次为45、40、70、27种(属)。水库、河段浮游植物种类组成均以硅藻门最多，绿藻门其次，蓝藻门为第三位(表4)。

石佛寺水库浮游植物丰度在不同季节存在差异，总体表现为秋季>夏季>春季>冬季。年平均丰度为(610.54±115.26)×104 ind./L。辽河河段的浮游植物丰度变化趋势与水库相似，即在秋季达到峰值，冬季最低，年平均丰度为(604.59±173.64)×104 ind./L(图2)。

双因素方差分析结果显示，季节对浮游植物丰度具有极显著性影响(P<0.01)，而地理位置(水库和河段)及两者的交互作用影响均不显著(P>0.05)。说明浮游植物丰度的变化主要受季节因素驱动，未受地理位置影响。

从群落组成来看，水库的浮游植物群落以硅藻门和绿藻门为主，两者丰度合计占浮游植物总丰度的70%以上。冬季硅藻门相对丰度相比其他季节为最高，达到41.96%，主要是新星形冠盘藻小型变种(Stephanodiscus astraea)数量显著增加，其相对丰度为52.73%。春季绿藻门相对丰度相比其他季节为最高，达到了60.49%，主要优势种为小球藻(Chlorella vulgaris)和蛋白核小球藻(Chlorella protothecoides)，其中小球藻的相对丰度为25.59%，蛋白核小球藻的相对丰度为35.69%。春季蓝藻门相对丰度相比其他季节为最高，但总体占比较低，为14.05%。辽河河段与水库的群落组成总体一致，均以硅藻门和绿藻门为主，但河段中硅藻门的相对丰度占比相比水库要高。冬季绿藻门相比其他季节为最高，达到62.23%，优势种以小球藻和蛋白核小球藻为主，其中小球藻的相对丰度为38.20%，蛋白核小球藻的相对丰度为43.82%。夏季硅藻门的相对丰度相比其他季节为最高，达到45.91%，优势种以梅尼小环藻(Cyclotella meneghiniana)为主，其相对丰度为23.29%。春季蓝藻门的相对丰度相比其他季节为最高，达到5.73%。

2.1.2 浮游植物优势种石佛寺水库和辽河河段浮游植物优势种结果见表3和表4。4次调查中，水库浮游植物优势种类数分别为6、7、7、4种(属)；河段优势种类数分别为5、8、7、5种(属)。水库浮游植物优势种数量为7月和9月最多，河段浮游植物优势种数量7月最多。

2.2 浮游植物群落特征指数评价

浮游植物群落特征指数的季节变化如图3～图5所示。总体来看，石佛寺水库及辽河河段的Margalef丰富度指数(D)、Shannon-Wiener多样性指数(H′)和Pielou均匀度指数(J)均呈现出秋季最高、冬季最低的变化规律。水库年均D、H′和J分别为(4.58±1.45)、(2.76±0.51)和(0.69±0.04)；辽河下游河段分别为(4.30±1.68)、(2.65±0.53)和(0.68±0.04)；上游河段分别为(4.33±1.96)、(2.63±0.63)和(0.68±0.05)，上下游河段数据较为接近。

基于浮游植物群落特征指数的水质评价标准，以D和H′指数为判定指标，水库和河段的水质在春、夏、秋季主要为清洁或轻污型，冬季则多为β-中污染型，上游河段冬季出现α-中污染型。以J指数判定，水库和河段全年均处于清洁或轻污水平。总体上，水库和河段在秋季水质状况最佳，冬季相对较差。

2.3 水环境因子及水质评价

2.3.1 叶绿素a单因子评价石佛寺水库叶绿素a含量季节变化如图6所示。总体表现为冬季最高，其次为秋季，春季最低。邻近水库的上、下游河段的季节变化趋势与水库不同，呈现为秋季最高、冬季次之、夏季最低。根据《地表水资源质量评价技术规程》(SL 395—2007)[14]，叶绿素a值0.5～1.0 μg/L为贫营养，1.1～10.0 μg/L为中营养，10.1～26.0 μg/L为轻度富营养，26.1～160.0 μg/L为中度富营养，160.1～1 000.0 μg/L为重度富营养的标准，水库和河段均介于中营养到轻度富营养水平。

2.3.2 水质等级分析环境因子季节变化见。石佛寺水库和辽河河段的高锰酸盐指数、总磷、总氮、化学需氧量、溶解氧、氨氮含量、浊度和水温存在时空差异。水库中靠近河段的S5、S6站位的总磷、总氮和氨氮浓度较高，并与河段站位S7、S8接近，显著高于水库站位S1～S4(P<0.05)。夏秋季水库总磷升高，冬季总氮、氨氮升高，表明河段输入可能是导致水库氮、磷含量高的主要因素。同时，S5、S6站位的浊度水平亦显著高于水库其他站位，说明水库对流域水质具有净化作用。总体上，四季S7、S8站位的浊度和营养盐水平显著高于水库站位，反映了河流携带陆源营养盐进入水库的特征。

依据《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)[15]，以高锰酸盐指数为判定指标，水库水质处于Ⅱ～Ⅳ类水平；以化学需氧量为判定指标，处于Ⅰ～Ⅳ类水平；以溶解氧为判定指标，处于Ⅰ～Ⅲ类水平；以氨氮为判定指标，处于Ⅰ～Ⅳ类水平；以总磷为判定指标，处于Ⅱ～Ⅴ类水平；以总氮为判定指标，处于Ⅱ～劣Ⅴ类水平，局部达到劣Ⅴ类水平，表明水库水体存在一定氮污染。辽河上下游河段水质总体较差，以总氮为判定指标，均为劣Ⅴ类水平；其余指标多处于Ⅰ～Ⅲ类水平。总体而言，水库水质优于河段，主要污染因子为总氮和总磷。

2.4 浮游植物与环境因子的相关性分析

2.4.1 Pearson相关性分析石佛寺水库及辽河河段浮游植物与环境因子的Pearson相关性分析结果见表6和表7。石佛寺水库浮游植物丰富度、多样性和均匀度指数均与水温呈极显著正相关，与氨氮呈显著负相关，与浊度呈极显著正相关；多样性和丰富度指数与高锰酸盐指数呈显著正相关；多样性和丰富度指数与总氮呈极显著负相关；均匀度指数与总氮呈显著负相关。辽河河段浮游植物多样性、丰富度指数与总磷呈极显著正相关，丰度与总磷呈显著正相关；丰富度和多样性指数与水温呈显著正相关，均匀度指数与水温呈极显著正相关。

2.4.2 冗余分析(RDA) 根据DCA分析结果(表8)，第一轴排序梯度长度小于4，采用冗余分析(RDA)探讨浮游植物与环境因子间的关系。石佛寺水库浮游植物优势种与环境因子的RDA分析结果如图7所示，第1、2排序轴的特征值分别为0.181、0.112，共解释了29.26%的物种信息，环境变量解释度为41.6%。水库最重要的环境影响因子为水温(p=0.002)，其次为高锰酸盐指数(p=0.004)。球衣藻、囊裸藻和旋转囊裸藻的丰度与水温呈正相关关系，小球藻和蛋白核小球藻的丰度与水温呈负相关关系；针晶蓝纤维藻镰刀型和针晶蓝纤维藻的丰度与高锰酸盐指数呈负相关关系。

辽河河段浮游植物优势种与环境因子的RDA分析结果如图8所示，第1、2排序轴的特征值分别为0.315、0.275，共解释了58.95%的物种信息，环境变量解释度为90.6%。河段最重要的环境影响因子为高锰酸盐指数(p=0.012)，其次为水温(p=0.04)和氨氮(p=0.05)。扭曲小环藻和尖布纹藻的丰度与高锰酸盐指数呈正相关关系，蛋白核小球藻的丰度与高锰酸盐指数呈负相关关系；短小舟形藻和小颤藻的丰度与水温呈正相关关系，小球藻的丰度与水温呈负相关关系；蛋白核小球藻的丰度与氨氮呈正相关关系，扭曲小环藻和尖布纹藻的丰度与氨氮呈负相关关系。

3 讨论

3.1 浮游植物群落结构特征及水域健康评价

石佛寺水库浮游植物中，以硅藻门(58种，占34.52%)、绿藻门(55种，占32.74%)为优势门类，这与2016—2020年水库的调查结果一致[16]，但优势种群的组成存在一定差异。分析原因应该与水域环境的年际变化有关。辽河河段同样以硅藻门(50种，占43.86%)、绿藻门(36种，占31.58%)为优势门类。水库和河段在种类组成及丰度上接近，这应该与水体连通有关。然而，从优势种及其相对丰度分布来看，二者存在一定差异，表明局部水文、水质条件(如营养盐浓度、流速)对群落结构具有调控作用。

石佛寺水库的总氮、总磷含量高于相关参考阈值(总氮为0.2 mg/L，总磷为0.02 mg/L)[17]，表明水库水体营养盐含量较高，需注意发生水华的潜在风险。此外，浮游植物群落中的优势种群常作为评估水体营养状态的重要指标[18]。本次调查发现，水库中浮游植物优势种有球衣藻(Chlamydomonas globosa)、梅尼小环藻(Cyclotella meneghiniana)、四尾栅藻(Scenedesmus quadricauda)、尖尾蓝隐藻(Chroomonas acuta)、旋转囊裸藻(Trachelomonas volvocina)等，这些物种多常见于营养程度相对较高的水体，表明水库水质需持续关注[19]。

在生态学研究中，群落特征指数是评价浮游植物群落稳定性和水质状况的重要指标[20]。D、H′和J值越高，水域生态系统越稳定、水质越好[21]。生物群落特征指数高，表明水体生态系统的物种组成丰富且稳定性良好；如果指数低，则反映浮游生物群落结构趋于简单化，生态系统稳定性降低。综合D、H′指数可见，春、夏季石佛寺水库、辽河上下游河段水质整体表现为轻度污染状态，冬季石佛寺水库、辽河上下游河段均达到中度污染状态，秋季则全部为清洁或轻度污染状态。分析原因为农业活动在春夏季较为频繁，且降雨丰富，陆源氮、磷等营养盐随降雨汇入水体，加上适宜的温度，浮游植物快速生长，一直持续到秋季。冬季为辽河的枯水期，同时低温也抑制了浮游植物的繁殖、生长，进而降低了浮游植物的多样性。此外，冬季H′结果显示，上游河段为α-中污染型，而下游河段为β-中污染型，上游污染程度高于下游。这种差异表明水库作为缓冲区起到了净化水质的作用，阻隔了污染物向下游的扩散。然而，水库的存在虽有助于改善水质，但在水库中积累了大量营养盐，增加了汛期发生内源释放且引发二次污染的风险。

叶绿素a是反映水域环境中浮游植物生物量的重要指标。夏季水库叶绿素a含量显著高于河段，可能与夏季汛期水动力条件差异导致的浊度变化有关。调查结果显示，河段水体浊度约为水库水体的8.1倍，导致光照受限，影响藻类光合作用的高效进行；而水库相对稳定的水文条件则更有利于浮游植物的生长。

3.2 浮游植物与环境因子相关性分析

浮游植物群落结构受水体生态功能和地理特征共同制约，其时空动态则受到水文水质、营养盐供给、气候变化及人类活动等多种因素的综合影响[22]。石佛寺水库位于中国北方地区，水温季节性差异显著，因此水温成为浮游植物生长的重要环境影响因子[23-24]。该水库浮游植物与环境因子的RDA结果显示，球衣藻、囊裸藻和旋转囊裸藻等多种藻类的丰度与水温呈正相关关系，表明较高的水温有利于浮游植物的生长与代谢活动。小球藻和蛋白核小球藻在四季均为优势种，说明其具有较强的环境适应能力和稳定的生态位。RDA结果显示，这两种藻类的丰度与水温呈负相关，表明其丰度在低温季节相对更高。这种现象并非其最适生长温度较低，而是因为其具有较强的温度适应性和环境耐受力，使其在气温较低、其他藻类生长受限时仍能保持较高丰度，从而呈现出相对优势。作为浮游植物生长和代谢的关键限制因子，氮元素在藻类物质合成与能量传递过程中发挥着不可替代的作用。研究表明[25]，总氮水平与浮游植物群落的演替过程及空间分布密切相关。Pearson相关性分析显示，石佛寺水库浮游植物群落特征指数与总氮呈负相关关系，这与已有研究的结论一致，说明水库营养盐含量高，氮元素已不是浮游植物生长的限制因子[26-28]。已有研究表明，总磷也是影响浮游植物群落结构的关键因子[29-33]，在对南京玄武湖[34]和白洋淀水域生态系统[35]的研究中，总磷浓度被证实与浮游藻类生物量存在正相关关系。此外，也有研究认为氨氮是影响浮游植物的重要因子[36-38]，本研究亦得出相同结论。浊度反映了水体中悬浮物对光线的阻碍程度，与水体中泥沙量、浮游生物量有关[39]，已有研究表明，浊度为影响浮游植物群落的关键因子[40-41]。高锰酸盐指数作为综合反映水体中有机物和还原性无机物污染程度的指标，通常与浮游植物生长呈正相关关系[42]。相比水库，河段水流速度较快，陆源输入的营养盐和有机物易被稀释，局部影响相对较小，因此河段浮游植物丰度与高锰酸盐指数未表现出显著相关性。在一些湖泊、水库生态系统中，通常浮游植物的丰度与水体中氮、磷等营养盐的含量呈显著正相关关系，反映了浮游植物生长受环境因子制约的基本规律[43]，然而，在石佛寺水库的相关性分析中，并未发现浮游植物丰度与营养盐之间存在正相关关系，这可能与水库每年增殖放流数十万尾鲢鳙苗种有关。鲢鳙对浮游植物的摄食压力，影响了浮游植物的群落结构，扰动了浮游植物丰度与营养盐之间的相关性。

4 结论

1)石佛寺水库和辽河河段浮游植物均以硅藻门和绿藻门种类为主，多样性较高，群落结构表现出季节差异。

2)石佛寺水库和辽河河段水质总体为清洁或轻污染水平，仍有发生水华的风险，需加强外源污染管控并提升水体自净能力。

3)通过Pearson分析、RDA分析得出，水温、总氮、浊度、高锰酸盐指数和氨氮是影响石佛寺水库浮游植物群落结构的主要环境因子；水温、氨氮、高锰酸盐指数和总磷是影响辽河河段浮游植物群落结构的主要环境因子。

4)水库水质优于邻近的辽河河段，水库生态环境对水质调控发挥了重要作用。

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