浮游植物作为水生态系统的关键初级生产者，其群落组成、丰度及多样性变化能够灵敏响应水环境因子的变化，是评价水库生态健康与富营养化程度的重要指示生物。杜红春等[1]研究表明，杞麓湖水体内氮、磷元素为浮游植物提供丰富营养源，从而提高浮游植物密度，造成水体富营养化。蓝藻的富营养化是水华产生的主要原因，由此造成的水环境污染会对生态环境和人类生存活动产生一定影响。Dokulil等[2]研究认为，蓝藻长期占据优势地位通常是由营养浓度、湖泊形态、水温和混合条件等多种因素共同作用。孔繁翔等[3]分析了导致蓝藻水华形成的化学、物理和生物等主要环境因素，论述了微囊藻属成为水华优势种的可能原因。通过研究蓝藻与环境因子之间的关系，对于有效预防水华具有重要意义。亚热带地区水库夏季高温高湿，关于其水体的富营养化和蓝藻水华的消长情况研究相对较少，因此，本文对位于亚热带地区的顶头水库浮游植物群落情况进行研究，通过冗余分析得出浮游植物与环境因子之间的联系，从而评估顶头水库水质情况，为研究区水源和周边生态环境保护提供参考。
1 材料与方法
1.1 水样采集
1.1.1 水样采集点设定
根据卫星地图初步设定5个样点并标记。实地考察后选定最终样点（26°51′31″ N，119°37′56″ E；26°51′25″ N，119°37′43″ E；26°51′21″ N，119°37′39″ E；26°51′12″ N，119°37′26″ E；26°51′9″ N，119°37′10″ E），于春、夏、秋、冬4个季度前往采样。
1.1.2 水样采集步骤
出发采样地前，需配备好试验所需的溶剂（鲁格试剂、碱性过硫酸钾、过硫酸钾、钼酸盐等），准备好采集水样所需的容器和仪器（YSI水质分析仪、采水袋、带有1 L刻度线的矿泉水瓶、浮游生物网、EP管、塞氏盘）。到达采样地后，在各样点分别用采水袋收集5 L水样，带回实验室处理；取1 L水样于矿泉水瓶中，滴入10 mL鲁格试剂，避光静置处理2 d，抽取上清液，用于定量计数；利用孔径40～60 μm的浮游生物捕捞网在水中呈“∞”形拖动，将富集藻类的溶液倒入10 mL EP管，用于定性观察；用YSI水质分析仪测定采样点水样的溶解氧（DO）值、电导率、pH、温度；用赛氏盘测量水体透明度。
1.2 测定指标及方法
1.2.1 水质指标制定
对采水袋水样进行水质检测，参考《水和废水监测分析方法（第四版）》，分别采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定各样点的总氮（TN）含量、钼锑抗分光光度法测定总磷（TP）含量、纳氏试剂分光光度法测定氨态氮（
-N）含量、紫外分光光度法测定硝态氮（
-N）含量。取200 mL原水水样，利用真空抽滤水泵抽滤处理后，将滤纸用镊子卷起放入装有8 mL 90%乙醇的EP管中，用锡纸包裹避光，放入冰箱（-4 ℃）中，24 h后置于离心机4 500 r/min，15 min离心后取出上清液，用分光光度法测定叶绿素a（Chla）浓度。
-N）含量、紫外分光光度法测定硝态氮（ -N）含量。取200 mL原水水样，利用真空抽滤水泵抽滤处理后，将滤纸用镊子卷起放入装有8 mL 90%乙醇的EP管中，用锡纸包裹避光，放入冰箱（-4 ℃）中，24 h后置于离心机4 500 r/min，15 min离心后取出上清液，用分光光度法测定叶绿素a（Chla）浓度。1.2.2 浮游植物鉴定
1.2.3 数据分析
用Excel软件记录水质检测数据和藻类群落数据。运用Origin软件作图，对比各个样点的浮游植物和环境因子的差异，以反映4个季节水库的浮游植物群落特征和水质指标变化。运用Canoco5软件进行冗余（RDA）分析，并使用R语言进行矩阵分析，展现环境因子与优势藻间的相关性。
通过Patrick丰富度指数、Pielou均匀度指数[6]、Shannon-Wiener指数（H'香农指数）表示各采集点、季节浮游植物群落多样性。Shannon-Wiener指数计算如式（1） ，Pielou均匀度指数（Jsw）计算如式（2） 。
H'=-∑Pi lnPi
Jsw=H'/H max
式中，S是物种的数量，Pi 为ni/N，ni是第i个物种的细胞的数目，N是浮游植物细胞的总数，H max为lnS。
Mcnaughton优势度指数（Y）[7]计算如式（3） 。当优势度（Y）≥0.02时可确定该浮游植物为优势物种。
Y=Pi ×fi
式中，fi 为第i种在各采集点出现的频率[8]。
2 结果与分析
2.1 水质指标分析
2.1.1 总氮与总磷
2.1.2 氨氮与硝酸盐氮
2.1.3 叶绿素含量
如图3所示，春季和秋季样点1的叶绿素a含量较高，分别为311.335和179.879 µg/L。其原因是3月的温度适宜藻类生长，藻类密度呈现上升趋势；而秋季蓝藻大量繁殖造成水华。夏季和冬季各样点叶绿素a含量较为均匀，夏季叶绿素a含量在24.574～56.178 µg/L，冬季叶绿素a含量在20.565～44.353 µg/L。结合水温推测，夏季、冬季的叶绿素a含量较少可能是这两季的水温过高或过低，抑制了藻类的生长和繁殖，从而导致藻类的数量降低，叶绿素a含量也随之降低。
2.1.4 其他环境因子
由表1可知，夏季平均水温最高（33.58 ℃）；春季平均水温最低（14.68 ℃）。四季最高水温和最低水温分别出现在夏季和冬季的样点2，分别为34.2 ℃和12.9 ℃。四季水温温差较大，夏季温度较高，各季节5个样点的差异较小。
表1 研究区其他水质指标 |
| 春季 | 夏季 | 秋季 | 冬季 | |
|---|---|---|---|---|
| 水温/℃ | 14.68±0.94 | 33.58±0.45 | 22.12±1.03 | 15.96±1.75 |
| pH | 5.83±0.85 | 8.58±0.55 | 7.97±0.11 | 7.95±0.32 |
| 溶解氧/（mg/L） | 11.24±1.42 | 10.58±0.80 | 9.88±0.65 | 11.92±0.91 |
| 电导率/（mS/cm） | 55.38±1.49 | 60.58±10.33 | 50.48±16.03 | 69.50±17.24 |
| 透明度/cm | 120.00±59.48 | 100.00±52.08 | 47.00±19.56 | 60.00±30.21 |
研究区pH整体偏碱性，但在春季水体pH偏低，可能是因为浮游植物产生了有机质或鱼虾剧烈运动，大量耗氧产生了CO2；夏季pH平均值最高（8.58），其中最高值位于样点1（9.52），可能是高温条件下水体中浮游植物光合速率和强度增强，大量消耗水体中的CO2，从而导致pH升高。秋季（7.97）和冬季（7.95）的pH平均值较为接近，均偏碱性。
水体中溶解氧含量可间接反映水质状况。由表1可知，四季水体溶解氧平均值差异不大，春季、夏季、秋季和冬季分别为11.24、10.58、9.88和11.92 mg/L。其中冬季的溶解氧含量最高，秋季最低。溶解氧与水温存在密切联系，冬季水温低，溶解氧含量高。秋季溶解氧含量偏低，可能是因为微囊藻大量繁殖，浮游植物呼吸与分解耗氧加剧。
电导率测定结果显示，冬季电导率较高（69.5 mS/cm），秋季的电导率较低（50.48 mS/cm），说明研究区秋季水体较为纯净，而冬季的水体较为浑浊。由于研究区尾部与溪流相连，电导率会受到水流的影响，冬季流量较小，电导率较高。
透明度测定结果显示，秋季透明度平均值最低（47.00 cm），除样点5外，最高值位于样点1，因秋季微囊藻造成水华，样点1的透明度较其他4个样点低。春季和夏季的水体透明度较高，水体较为清澈。
2.2 浮游植物群落组成
2.3 浮游植物细胞密度的时空变化及优势种
2.3.1 浮游植物细胞密度
2.3.2 浮游植物优势种
由表2可知，研究区四季浮游植物的优势种共有3门6种，其中绿藻门有2种，分别为小球藻和鼓藻，总体来看，小球藻在春季、夏季占有较大优势，其优势度均在0.2以上，最高优势度出现在春季，为0.431，绿藻门及其他藻类较小球藻和鼓藻细胞密度低。硅藻门的优势种有1种，为直链藻，其在四季均有出现，但仅在冬季能够被确定为优势种。蓝藻门的优势种为微囊藻、平裂藻和假鱼腥藻，平裂藻在冬季被判定为优势种（Y≥0.02），但在其他季节优势度均小于0.02，不具优势；微囊藻在4个季节均有出现，且优势度较高，秋季最高，达0.929；假鱼腥藻仅在夏季出现，优势度为0.025，能够被判定为优势种。
表2 研究区四季浮游植物优势种的优势度 |
| 门类 | 种类 | 不同季节的优势度 | |||
|---|---|---|---|---|---|
| 春 | 夏 | 秋 | 冬 | ||
| 绿藻门 Chlorophyta | 小球藻 Chlorella sp. | 0.431 | 0.208 | 0.025 | 0.050 |
| 鼓藻 Cosmarium sp. | 0.044 | 0.027 | |||
| 硅藻门 Bacillariophyta | 直链藻 Melosira sp. | 0.055 | |||
| 蓝藻门 Cyanophyta | 平裂藻 Merismopedia sp. | 0.023 | |||
| 微囊藻 Microcystis sp. | 0.418 | 0.348 | 0.929 | 0.631 | |
| 假鱼腥藻 Pseudoanabaena sp. | 0.025 | ||||
2.4 浮游植物生物量的时空变化
2.4.1 时间变化
由图6可知，研究区春季、夏季、秋季和冬季浮游植物生物量平均值分别为7.30和0.30、1.84和0.52 mg/L。总体来看，春季的浮游植物生物量最高，变化范围在0.082～18.394 mg/L，这与叶绿素a含量变化趋势大致相符，春季温度适宜藻类生长，同时样点1的营养盐含量总体上优于其他样点。夏季、秋季、冬季的各样点生物量较为均匀，但秋季出现了2个异常值，分别出现在样点1和样点5，原因是秋季水体氮磷含量较高。
2.4.2 样点变化
2.5 浮游植物多样性分析
由表3可知，研究区四季浮游植物的香农指数在0.55～1.18。各样点香农指数的均值变化趋势为夏季>春季>冬季>秋季。丰富度指数在8.0～10.6，丰富度的均值变化趋势为春季>冬季>夏季>秋季。均匀度指数在0.26～0.57，均匀度指数均值变化趋势为夏季>春季>冬季>秋季。香农指数越高，说明浮游植物的多样性水平越高，因此春季和夏季水体浮游植物更具多样性，水质较好。春季和冬季的丰富度较高，说明这两个季节浮游植物的物种数目较多。春季和夏季的均匀度较高，表明各藻类数目较其他两个季节更为均匀。
表3 研究区四季浮游植物多样性指数 |
| 季节 | 香农指数 | 丰富度指数 | 均匀度指数 |
|---|---|---|---|
| 春季 | 1.11±0.33 | 10.6±2.06 | 0.49±0.21 |
| 夏季 | 1.18±0.36 | 8.4±1.02 | 0.57±0.2 |
| 秋季 | 0.55±0.33 | 8.0±1.41 | 0.26±0.15 |
| 冬季 | 0.91±0.40 | 10.0±3.63 | 0.42±0.16 |
如表4所示，样点3、4、5的香农指数较高，均超过了1，经推测可能是因为样点1和2是蓝藻水华危害区域，大量微囊藻对营养盐的争夺抑制其他藻类生长，同时，微囊藻释放的毒素也对其他浮游植物的生长起到负效应，对物种多样性产生了一定影响。各样点丰富度和均匀度变化趋势均为样点4>样点3>样点2>样点1，均在样点4达到最高值，样点4距离样点1较远，受到微囊藻影响较小，因此多样性水平较高。
表4 研究区各样点浮游植物多样性指数 |
| 采样点 | 香农指数 | 丰富度指数 | 均匀度指数 |
|---|---|---|---|
| 1 | 0.68±0.30 | 7.2±3.31 | 0.42±0.31 |
| 2 | 0.91±0.57 | 8.4±4.27 | 0.62±0.69 |
| 3 | 1.58±0.79 | 8.6±3.44 | 1.04±1.00 |
| 4 | 1.62±1.24 | 9.2±3.06 | 1.16±1.43 |
| 5 | 1.96±1.56 | 6.6±1.85 | 1.50±1.76 |
2.6 浮游植物与环境因子相关性分析
2.6.1 浮游植物优势种细胞密度与环境因子相关性分析
如图8所示，温度（T）和pH是影响研究区浮游植物细胞密度分布的关键环境因子（P<0.05）。浮游植物优势种多数分布在第一和第四象限，针杆藻和假鱼腥藻与pH和T呈正相关（P=0.002）；裸藻、鱼腥藻、微囊藻和总磷、氨氮呈正相关；小球藻、鼓藻、囊裸藻和总氮、硝酸盐氮、溶解氧、透明度呈正相关；直链藻、隐藻与电导率呈正相关。
2.6.2 浮游植物与环境因子相关性分析
叶绿素a和细胞密度、生物量、总氮呈正相关（P<0.001），说明叶绿素a含量越高，细胞密度和生物量越大。细胞密度分别与生物量（P<0.01）和总氮（P<0.05）呈正相关；生物量与总氮呈正相关（P<0.001）。当水体中的总氮含量增加时，细胞密度也会随之增大，生物量也会增加。研究区春季和秋季的总氮含量较高，因此这两个季节的细胞密度较大。温度与pH呈正相关（P<0.01），与生物量呈负相关（P<0.001），所以当温度过高时，水体碱性过强，会降低生物量，这与夏季的生物量最低的情况相吻合。电导率与香农指数呈正相关（P<0.05），同时香农指数与均匀度呈正相关（P<0.001），电导率升高也会引起均匀度的上升。但均匀度与细胞密度呈现负相关（P<0.01），因此电导率的升高会导致细胞密度降低（图9）。综上，当水体总氮含量过高时，注意及时预防水华；电导率降低会引起细胞密度升高，可定期检测水体电导率，及时预警，规避浮游植物过密风险。
3 结论与讨论
综上，研究区浮游植物有7门29属32种，该水库的群落结构是绿藻—硅藻型。水体pH整体偏碱性，在春季pH为酸性。研究区夏季和秋季总氮浓度较为稳定，冬季总磷浓度较为稳定；秋季氨氮浓度最高，四季硝酸盐氮变化幅度在0.240～0.386 mg/L；春季和秋季样点1和样点2的叶绿素a含量均较高。四季细胞密度平均值变化趋势为秋季>春季>冬季>夏季；生物量变化趋势为春季>秋季>冬季>夏季。四季香农指数均值为0.94，丰富度均值为9.25，均匀度均值为0.44。四季浮游植物的优势种分别为绿藻门小球藻、鼓藻，硅藻门直链藻，蓝藻门平裂藻、假鱼腥藻、微囊藻。温度、pH、总氮是关键环境因子，对研究区浮游植物分布有重要的影响。本文为研究区浮游植物群落监测、水华防控提供参考。