峡山水库是山东省第一大水库、山东省重要战略水源地、胶东调水工程水源地。而胶东调水工程目前的水源与峡山水库水源相同，因此峡山水库的水质安全不仅关乎本地饮用水安全，还影响着整个胶东半岛。水库水资源的四分之三原由汛期降水形成，2013年的严重旱情迫使水库各级管理部门先后建成引黄济峡、南水北调、四河串联等大型原水调配工程，以解决其水资源不足问题。随着本地湖库水、长江水、黄河水等多水源共存，峡山水库水质呈现出复杂的局面，水体呈现富营养化^[1]，浮游植物组成和群落结构发生了明显的变化。峡山水库浮游植物群落结构在月度、季度及年度间变化较大，部分监测点常发生阶段性的“水华”现象^[1]。

浮游植物对水环境变化较为敏感，并能对其做出快速的响应，进而表现为不同的水质条件下浮游植物丰度和群落结构的不同^[2-4]。而群落结构的变化主要表现为优势类群的时序性变化^[3]。优势种群的丰度、生物量的时空变化及演替更能直观的反映水质变化情况^[5]。生态位(niche)和种间关联性一直以来都是生态学领域的研究热点之一，常用于优势种群落结构的变化与演替的探讨，对研究群落结构、物种多样性及群落动态演替有着重要的参考价值^[6]。生态位假说^[7]认为在一定范围内，可以利用该区域内环境和资源的物种比只能利用边缘资源和生境的物种分布更广泛。生态位宽度是衡量生物利用资源多样性的一个指标，表示物种在环境中的分布和占有空间资源的多少；仅能利用现有资源谱中一小部分资源的生物具有狭生态位，而能利用大部分资源的具有广生态位^[8]；同时反映物种的分布和数量，数量多和占据更多的资源位点的优势种具有更大的生态位宽度^[9]。生态位重叠则是反映不同物种在同一空间分布上竞争资源的表现^[10-11]。群落中的物种通过直接或间接的作用形成了复杂的种间关系。种间关联是对群落物种的空间分布上的分析，通过研究浮游植物种间关联性，有助于揭示浮游植物种群共存机制，有助于合理地预测群落的演替和发展动态，有助于探讨物种分布、群落结构、生物多样性和群落稳定性等与水生环境之间的响应关系^[12-14]。

近年来，众多学者对国内多个水域的浮游植物优势种及其种间联结性展开了分析，已有较好的成果，为相关水域的水华预警提供了支撑^{[10-12, 15-19]}，而这些相关研究多集中于单一水源的水库或河流。因此本文拟对典型多水源共存条件下的峡山水库的浮游植物优势种的生态位及种间联结性进行分析，探讨不同季节优势种间的共存、竞争、演变关系，以期掌握峡山水库浮游植物优势种的分布及变化趋势，为峡山水库水质安全管理提供参考，为胶东调水工程相关水库的水华预警和多水源调度提供理论依据和数据支撑。

1 材料与方法 1.1 样点布设

根据峡山水库(36°18′~36°31′N, 119°24′~119°32′E)水域特点共布设采样点10个(图 1)，其中库区设定7个采样点(A、B、C、D、E、F、G)，入库河渠设定3个采样点(H、I、J)。于2019年4月、7月、9月和12月进行浮游植物季度采样。

1.2 样品的采集与处理

每个样点采集表层(距离水面约0.5 m)定量水样1000 mL，同时用25#浮游生物网捞取定性样品用于辅助物种鉴定。定量样品立即用鲁哥试剂固定，固定时每升水样加10 mL，带回实验室静置48 h后用虹吸管法浓缩至30 mL。定性样品每30 mL加10%的甲醛溶液1 mL进行固定。处理好的样品在普通光学显微镜下进行鉴定与计数。浮游植物鉴定参考《中国淡水藻类——系统、分类及生态》^[20]，计数参考《淡水浮游生物研究方法》^[21]。

1.3 数据分析

为探索及预测峡山水库浮游植物群落结构时空分布的变化规律，本研究进行以下数据分析：

1) 物种丰富度(Richness)指数S为样品中出现的物种数，香农(Shannon)多样性指数(H′)、辛普森(Simpson)多样性指数(D)和Pielou均匀度指数(J)计算公式分别为^[22]：

$ H^{\prime}=-\sum\limits_{i=1}^S\left(n_i / N\right) \log _2\left(n_i / N\right) $

(1)

$ D=1-\sum\limits_{i=1}^S\left(n_i / N\right)^2 $

(2)

$ J=H^{\prime} / \log _2 S $

(3)

式中，S为种类数，N为同一样品中的总个体数，n_i为第i种个体数。

2) 优势种依据Mcnaughton优势度指数(Y)^[23]进行确定，Y > 0.02则为优势种，Y > 0.1为绝对优势种^[23-24]。计算公式为：

$ Y=\frac{n_i}{N} f_i $

(4)

式中，n_i代表样点中第i种浮游植物的个体数，N代表所有样点中浮游植物细胞总数，f_i代表该种在各样点出现的频率。

3) 计算生态位宽度(B_i)^[25]，其公式为：

$ B_i=\frac{1}{r} \times \sum\limits_{j=1}^r P_{i j}^2 $

(5)

式中，P_ij表示物种i在第j个样点的个体数占总个体数的比例，r代表样点总数。

4) 生态位重叠值(O_ik)^[26]，其公式为:

$ O_{i k}=\sum\limits_{j=1}^r\left(P_{i j} \cdot P_{k j}\right) / \sum\limits_{j=1}^r P_{i j}^2 \cdot \sum\limits_{j=1}^r P_{k j}^2 $

(6)

$ \Delta O_{i k}=\sum\limits_{k=1} O_{i k}-\sum\limits_{i=1} O_{i k} $

(7)

$ R=\frac{B_i}{\Delta O_{i k}}(i=k) $

(8)

式中，O_ik为生态位重叠值，P_ij和P_kj分别表示物种i和k在样点j中个体数占总个体数的比例，r代表样点总数。ΔO_ik >0、< 0、=0分别表示该物种处于发展期、衰退期和中性。R代表生态响应速率。

5) 采用Schluter方差比率法(VR)^[27]检验物种间总体关联性，公式为：

$ \delta T^2=\sum\limits_{i=1}^S P_i\left(1-P_i\right)^2 $

(9)

$ S T^2=\frac{1}{N} \sum\limits_{j=1}^N\left(T_j-t\right)^2 $

(10)

$ V R=S T^2 / \delta T^2 $

(11)

式中，P_i表示表示物种i出现的样点数与总样点数的比值，S代表浮游植物总的物种数，t代表物种数的平均数，δT²表示样点方差，ST²代表总物种数方差。VR=1，符合所有物种无关联的假设；VR < 1、>1分别表示物种间为负关联、正关联关系。采用统计量W=VR×N检验VR值偏离1的显著程度。

6) 采用Yates的连续矫正公式进行卡方检验，公式为：

$ \chi^2=\frac{n[|a d-b c|-0.5 n]^2}{(a+b)(a+c)(b+d)(c+d)} $

(12)

式中，N代表样点总数，a代表一对物种共同出现的样点数，b、c为一对物种分别出现的样点数，d代表一对物种均不出现的样点数。根据查表可知，χ_0.01²(1)=6.635，χ_0.05²(1)=3.841，当χ²大于3.841表示种对间的联结性显著，大于6.635表示种对间联结性极显著，小于3.841表示不显著。

7) 使用Excel 2016中进行基础数据整理并使用R 3.5.2 spaa包的sp.pair()和sp.assoc()函数和vegan()包完成相关参数的计算和分析。

2 结果与分析 2.1 浮游植物群落结构特征及多样性季节变化

峡山水库10个采样点2019年4个季度共检测到浮游植物7门(蓝藻门、绿藻门、硅藻门、隐藻门、金藻门、甲藻门、裸藻门)78属95种。其中蓝藻门15属18种，绿藻门29属39种，硅藻门20属23种，隐藻门2属2种，金藻门6属7种，甲藻门3属3种，裸藻门3属3种。绿藻门种类数最多。浮游植物细胞密度季节平均值变化范围为8.87×10⁶~295.71×10⁶ cells/L。浮游植物细胞密度表现为夏季>秋季>冬季>春季。春季主要以蓝藻、硅藻和隐藻为主，夏季、秋季和冬季均以蓝藻为主(图 2)。

峡山水库2019年4个季度浮游植物多样性变化如图 3所示。物种丰富度、香农多样性指数、辛普森指数及均匀度指数在不同季节均存在显著差异。物种丰富度表现为夏季>秋季>冬季>春季；香农多样性指数表现为春季>秋季>冬季>夏季；辛普森指数表现为秋季>春季>冬季>夏季；均匀度指数表现为春季>秋季>冬季>夏季。

2.2 浮游植物优势种生态位 2.2.1 浮游植物优势种

根据优势度计算结果(Y ≥ 0.02)，峡山水库2019年四季共出现优势种4门12属种，且多为绝对优势种。整体上来看，峡山水库四季均以蓝藻为优势种，其中项圈假鱼腥藻(Pseudanabaena moniliformis)、赖氏泽丝藻(Limnothrix redekei)和阿氏浮丝藻(Planktothrix agardhii)全年均为优势种。优势种的种类和优势度在不同的季节有所差异。春季优势种有8种，除蓝藻门之外，硅藻门的眼斑小环藻(Cyclotella ocellata)和尖针杆藻(Synedra acusvar)，隐藻门的马索隐藻(Cryptomonas marssonii)和具尾逗隐藻(Komma caudata)，金藻门的小金色藻(Chromulina sp.)均是春季的优势种。夏、秋和冬季均以蓝藻为优势种，在种数上有所差别，夏季7种，秋季6种，冬季减少至3种。从优势种的细胞密度来看(图 2、图 4和表 1)，夏、秋季浮游植物优势种的密度较高，夏季拟柱孢藻(Cylindrospermopsis raciborskii)密度达1.33×10⁸ cells/L，冬、春季优势种细胞密度较低，但大部分也达到10⁶ cells/L水平(图 4)。

2.2.2 优势种生态位宽度

峡山水库2019年四个季度浮游植物优势种生态位宽度的变化情况见表 2。结果显示，12个优势种的生态位宽度变化范围为[0.526, 2.224]。生态位宽度最大值出现在秋季的项圈假鱼腥藻，最小值出现在春季的小金色藻。从季节上来看，夏秋季优势种的生态位宽度整体较冬春季高。春季的马索隐藻具有最大的生态位宽度为2.103，而小金色藻具有最小的生态位宽度；夏季的湖泊浮鞘丝藻(Planktolyngbya limnetica)具有最大的生态位宽度达2.210，项圈假鱼腥藻具有最小的生态位宽度1.737。秋季的项圈假鱼腥藻具有最大的生态位宽度达2.224，湖泊浮鞘丝藻则具有最小的生态位宽度为1.655。冬季优势间的生态位宽度相差不大，而项圈假鱼腥藻同样具有最大的生态位宽度。

2.2.3 优势种生态位重叠

生态位重叠方面，峡山水库春季、夏季、秋季和冬季优势种生态位重叠值O_ik变化范围分别为[0.073, 0.943]、[0.181, 0.952]、[0.618, 0.956]和[0.483, 0.731]。春季优势种间生态位重叠值差异最大，重叠最大值出现在阿氏浮丝藻和赖氏泽丝藻之间，最小值出现在项圈假鱼腥藻与小金色藻之间。夏季生态位重叠最大值出现在项圈假鱼腥藻与赖氏泽丝藻之间，最小值出现在项圈假鱼腥藻与浮游长孢藻之间。到秋季，生态位重叠值整体较高，重叠最大值出现在项圈假鱼腥藻与浮游长孢藻，最小值出现在项圈假鱼腥藻与湖泊浮鞘丝藻之间。而冬季生态位重叠值整体较低，最大值出现在项圈假鱼腥藻与阿氏浮丝藻之间，最小值出现在阿氏浮丝藻和赖氏泽丝藻之间。

为更好地描述和解释生态位重叠结果，计算了优势种的ΔO_ik和生态响应速率(R)(表 2)。各季节优势种的O_ik均有正负值，优势种处于不断变化状态。从季节来看，春季的优势种项圈假鱼腥藻和小金色藻处于衰退期，具尾逗隐藻处于发展期且发展空间最大；夏季随着弯形尖头藻、阿氏浮丝藻和湖泊浮鞘丝藻处于发展期，其他优势蓝藻种类均处于衰退期。而秋季优势种赖氏泽丝藻、弯形尖头藻和浮游长孢藻处于发展期，其他优势种类则处于衰退期。冬季与其他季节不同的是，项圈假鱼腥藻是唯一在前三季度处于衰退期后，在冬季处于发展期的优势蓝藻。从优势种来看，拟柱孢藻在夏季出现且出现后处于衰退期，因此不再成为下一季度的优势种；湖泊浮鞘丝藻在夏季处于发展期而在秋季处于衰退期，因此也不能成为冬季的优势种。阿氏浮丝藻在春夏季处于发展期，秋冬季处于衰退期，常年出现成为优势种。项圈假鱼腥藻常年出现，在春夏秋三季处于衰退期，且生态响应速率季节增大，而在冬季处于发展期，且生态响应速率较大(R=8.345)，最有可能在冬季异常增殖。

2.3 联结性分析 2.3.1 总体联结性

峡山水库四季度优势种方差比率(VR)差异较为明显(表 3)，且统计量W的卡方检验(χ²)结果显示出明显的季节差异。春季和秋季优势种方差比率VR均大于1，显示物种间总体为正协变关系，且统计量W均大于χ_0.05² (df)的临界值，表明关联显著。夏季和冬季优势种方差比率VR均小于1，但夏季的统计量W范围为[χ_0.95²(df)，χ_0.05²(df)]，显示夏季优势种之间的负关联关系不显著；而冬季的统计量W大于χ_0.05²(df) 的临界值，表明冬季优势种间为显著的负关联关系。

2.3.2 优势种间联结性

种间关联性分析如图 5所示，4个季度共存在67对优势种间对，其中，联结性不显著(χ² < 3.841, P>0.05)的物种对有9对，联结性显著的有58对，关联性显著率在76%，其中显著正联结有7对，极显著正联结有51对。春季种间关联性差异明显，夏秋冬三季优势种间以显著正联结为主。联结性不显著的物种对主要存在于春季金藻门的小金色藻与其他优势蓝藻之间，以及项圈假鱼腥藻与其他优势蓝藻之间。

3 讨论 3.1 浮游植物群落结构和多样性的季节变化

峡山水库2019年4季度浮游植物群落结构表现为绿藻门种类数最多，蓝藻门优势度最大，春季物种数最少。多样性指数显示出较为一致的趋势，即春季浮游植物多样性较高，夏季多样性最低。浮游植物多样性高低不仅与物种数相关，还与物种分布的均匀度相关，尽管春季的物种数较低，但其涵盖浮游植物7个门类的多个属，各物种分布较为均匀，丰度差异较小，相较于其他季节以蓝藻为主的浮游植物群落结构，其细胞丰度远高于其他类群，物种分布极不均匀，这一差异导致春季多样性在4个季度中最高。

3.2 优势种的生态位宽度与重叠

已有研究显示，该水库多个位点呈现出明显的中-富营养状态^[1]。偏好富营养的隐藻、硅藻和金藻在温度较低季节(春季)出现成为优势类群之一，同时全年以蓝藻种类为优势类群，并占有绝对优势。峡山水库水体的COD值较高，全年均值在42 mg/L，可以很好地解释喜好有机质和低温的马索隐藻在春季成为优势种并具有最大的生态位宽度。尽管如此，纵观全年来看，隐藻仅在春季成为优势种，具有狭生态位，其分布范围较小，分布样点较为集中，持续时间较短。相比之下，项圈假鱼腥藻成为峡山水库全年的优势种，其细胞丰度较高，在多个样点均有分布，并在多个季节具有最大的生态位宽度，具有较强的适应多样化生境的能力。湖泊浮鞘丝藻和项圈假鱼腥藻在夏、秋季交替具有最大的生态位宽度。峡山水库中-富营养的水体状态和夏秋季较高的温度，项圈假鱼腥藻和湖泊浮鞘丝藻为代表的蓝藻具有较大的生态位宽度，能很好地利用环境资源而成优势类群。

生态位重叠指数O_ik不仅表示物种间对资源利用的相似性程度，也体现了物种分布地段的交错程度^[28-29]。峡山水库春季物种间的生态位重叠值变化范围较大，各优势种与其他优势种之间的生态位重叠相对较低，群落相对稳定，种间关系协调，各物种利用资源交错程度较小，相同环境资源下，春季可以允许更多的物种成为优势种。这与春季浮游植物群落多样性较高(图 3)的研究结果相一致^[30-31]。

夏秋季较高的温度及丰富的营养，以蓝藻类群为唯一优势种的浮游植物种间生态位重叠值较高。多个蓝藻类群与具有较强资源利用能力的项圈假鱼腥藻间具有最大的生态位重叠值，竞争激烈。而与之具有最小生态位重叠值的蓝藻类群利用边缘资源依然可以成为优势类群。

从优势种的ΔO_ik值和生态响应速率(R)来看，各季节优势种种类并不稳定。隐藻类群处于发展期，适合春季生长，因而在其他季节不再是优势类群。拟柱孢藻在夏季出现后进入衰退期，因此不再成为下一季度的优势种；湖泊浮鞘丝藻在夏季处于发展期而在秋季处于衰退期，因此也不能成为冬季的优势种。项圈假鱼腥藻常年出现，且其是唯一一个在前三季处于衰退期后，在冬季处于发展期的优势蓝藻，且生态响应速率较大(R=8.345)，最有可能在冬季异常增殖形成水华。

3.3 优势种总体与种间联结性

峡山水库4个季度优势种总体关联性差异较为明显。春秋季优势种总体呈现显著正联结，表明春秋季生态系统结构相对稳定，有正向演替的趋势^[30]。夏季总体联结性不显著，显示这些优势种相互较为独立，在资源和空间上的相互依赖程度较低，联结程度较低，这可能是由于夏季多强降雨，对群落结构具有一定的扰动所致。冬季总体呈现显著负联结关系，说明物种间负相关性较强，种间竞争不利于种对间的另一物种的生存，这可能受冬季资源和温度影响。

种间联结性强弱能很好地反映浮游植物群落的稳定程度。优势种对间表现为正联结表示物种间的互补性较强，能够充分地利用资源和空间，群落较为稳定；相反，负联结则表示物种间的互补性较弱，对资源和空间竞争较为激烈，群落不稳定^[32-33]。种间关联性分析显示四季度67对优势种间对中，联结性不显著的物种对有9对，正联结性显著的有58对。联结性不显著的物种对主要存在于春季金藻门的小金色藻与其他优势蓝藻之间，以及项圈假鱼腥藻于其他优势蓝藻之间，即这些优势种对相互独立，在资源和空间上的依赖程度较低，生活习性上存在一定的差异，从而导致联结性不显著。在显著正联结的物种对中，以项圈假鱼腥藻与优势种间的显著正联结最多，形成以项圈假鱼腥藻为主导，与其他的优势蓝藻共同占有同一资源和空间的稳定演替模式，这可能与蓝藻类群在4个季度均为优势种密切相关。此外，部分蓝藻类群只在单季节出现，且出现在不同的空间范围内，不存在多个优势种间激烈的竞争的情况，从而绝大多数物种间呈现正联结关系，这可能与取样面积过大，物种间相互竞争数量少、种间关系多为正联结结论相一致^[34]。

综上，多水源共存的峡山水库水体呈现明显的富营养化且浮游植物以蓝藻为全年优势种。项圈假鱼腥藻在多个季节具有最大的生态位宽度及较强的适应多样化生境的能力。群落结构以项圈假鱼腥藻为主导，与其他优势蓝藻共同占有同一资源和空间的稳定演替模式。水库管理需密切关注低温季节的藻类异常增殖。此外，调水工程以峡山水库为水源地，应密切关注因调水可能造成的受水水库浮游植物多样性降低和群落结构改变等一系列影响水质安全的隐患。浮游植物优势种生态位及其种间联结性分析有助于掌握优势种的演替和变化趋势，可为相关水域的水华预警提供科技支撑。