饮用水水源地水库浮游植物分布特征与环境影响因子研究

doi:10.14012/j.cnki.fjsc.2023.01.009

饮用水水源地水库浮游植物分布特征与环境影响因子研究

陈颖欣^,¹, 林志蓉¹, 苏玉萍^,¹^,²^,^*, Balaji PRASATH·BARATHAN¹^,², 黄锦平¹, 王雪¹, 冯晟霖¹

1.福建师范大学环境与资源学院,福建福州 350007

2.福建省河湖健康研究中心(福建师范大学),福建福州 350007

Research on phytoplankton distribution characteristics and environmental impact factors in drinking water source reservoir

CHEN Yingxin^,¹, LIN Zhirong¹, SU Yuping^,¹^,²^,^*, Balaji PRASATH·BARATHAN¹^,², HUANG Jinping¹, WANG Xue¹, FENG Shenglin¹

1. Environment and Resource College, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China

2. Fujian Research Center for River and Lake Health,Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China

通讯作者: 苏玉萍(1972-),女,教授,博导,研究河湖健康与生态修复。E-mail:ypsu@fjnu.edu.cn

收稿日期: 2022-08-15

基金资助:

福建省高校产学合作项目(SC-292)
福建省水利厅项目(DH-1558)
福建省水利科技项目(k3-922)

Received: 2022-08-15

作者简介 About authors

陈颖欣(1999-),女,硕士,从事水生态修复方面研究。E-mail:1244612216@qq.com

摘要

本研究以饮用水水源地福建省福清市东张水库为研究对象,于2020年丰水期与2021丰、枯水期对东张水库进口、库心和出口3个站位的浮游植物群落结构以及环境因子进行采样监测。结果表明:东张水库出口站位2021年丰水期浮游植物总密度(2.3×10⁷~5.2×10⁷ cells/L)平均值是枯水期浮游植物总密度(5.6×10⁶~2.3×10⁷ cells/L)平均值的3倍多,枯水期以硅藻门、蓝藻门和绿藻门为主,平均占比分别为47.5%、31.6%和14.0%,而丰水期蓝藻门占据绝对优势,平均占比为77.7%。丰水期和枯水期水体中溶解性活性磷(SRP)的含量较低,但总磷(TP)、总溶解性磷(TDP)和溶解性有机磷(DOP)的含量均较高。Pearson相关性分析结果显示蓝藻门、绿藻门、甲藻门和总藻密度与SRP呈极显著负相关,绿藻门和硅藻门与DOP、TDP呈极显著正相关。将环境因子与浮游植物密度进行RDA分析可知,蓝藻门与气温呈极显著正相关,硅藻门与水位呈显著正相关。本研究结果可为东张水库蓝藻水华防控和饮用水水源地保护提供参考。

关键词： 蓝藻; 磷; 气温; 水位; 东张水库; 饮用水水源地

Abstract

We studied the phytoplankton community structure and the environmental factors in different hydrological periods during the wet season in 2020 and the wet and dry season in 2021 of Dongzhang Reservoir including the inlet, the center and the outlet, which locates in Fuqing City of Fujian Province. The results showed that the average total phytoplankton density varied from 2.3×10⁷ to 5.2 ×10⁷ cell/L at the outlet of Dongzhang Reservoir during the wet season in 2021, which was more than three times that of the average phytoplankton density varied from 5.6×10⁶ to 2.3×10⁷cell/L during the dry season. The Bacillariophyta, Cyanophyta and Chlorophyta were the dominated and the average proportions were 47.5%, 31.6% and 14.0%, respectively, in the dry season. The Cyanophyta occupied an absolute advantage with an average proportion of 77.7% in the wet season. The content of the soluble reactive phosphorus (SRP) was low in the water during wet and dry season, but the content of total phosphorus (TP), total dissloved phosphorus (TDP) and dissolved organic phosphorus (DOP) were relatively high. Pearson correlation analysis showed that Cyanophyta, Chlorophyta and total algae density were extremely significantly negatively associated with SRP, and Chlorophyta and Bacillariophyta were significantly positively associated with DOP and TDP. The RDA analysis of environmental factors and phytoplankton density revealed that the Cyanophyta was strongly and positively correlated with the air temperature, and the Bacillariophyta positively correlated with the water level. This study provided a reference for the prevention and control of Cyanobacteria bloom and the protection of drinking water sources in Dongzhang Reservoir.

Keywords： Cyanobacteriaa; phosphorus; temperature; water level; Dongzhang Reservoir; drinking water source reservoir

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本文引用格式

陈颖欣, 林志蓉, 苏玉萍, Balaji PRASATH·BARATHAN, 黄锦平, 王雪, 冯晟霖. 饮用水水源地水库浮游植物分布特征与环境影响因子研究[J]. 渔业研究, 2023, 45(1): 64-71 DOI:10.14012/j.cnki.fjsc.2023.01.009

CHEN Yingxin, LIN Zhirong, SU Yuping, Balaji PRASATH·BARATHAN, HUANG Jinping, WANG Xue, FENG Shenglin. Research on phytoplankton distribution characteristics and environmental impact factors in drinking water source reservoir[J]. Journal of Fujian Fisheries, 2023, 45(1): 64-71 DOI:10.14012/j.cnki.fjsc.2023.01.009

浮游植物是水生生态系统中的初级生产者,同时也是水中溶解氧的主要来源^[1],在维持系统稳定和结构完整两方面起着十分重要的作用。据相关研究表明,浮游植物群落特征及其动态变化与水环境因子存在密切关联^[2⇓-4],其物种组成、丰度、优势种群和生物多样性对环境变化敏感,目前已被广泛用于河流、水库等水环境健康评估,成为流域生态学研究的热点内容之一^[5]。例如,贺玉晓等研究发现pH、 ${NH}_{4}^{+}$ -N和N $O_{2}^{-}$ -N是影响丹江口水库真核浮游生物群落结构特征的主要环境因子^[6];张辉等使用相关性分析与典型关联分析发现,水温和透明度是调控新丰江水库浮游植物群落结构的主要环境因子^[7];黄兰贵研究团队发现气温、水温等环境因子对蓝藻门影响最大,硅藻门受环境因子影响较小^[8]。东张水库作为福清市的重要饮用水源地,曾暴发过多次较严重的蓝藻水华,导致水库供水能力下降,严重影响了水库功能的发挥^[9-10]。目前已有许多学者对东张水库的浮游植物群落结构与环境影响因子进行了调查研究,例如,陈辉等于2016年8月至2017年7月对东张水库藻类进行了每月的连续监测,发现其以蓝藻为主,且在春、夏季4—7月形成主要优势种^[11];林晶等调查发现,2010年度东张水库水体中浮游植物主要由蓝藻、绿藻、硅藻、隐藻以及少量的其他藻类组成,其中蓝藻门藻类为东张水库水体中的优势藻种,占浮游植物总生物量的比例可达到87%以上^[12];李师炜等研究发现东张水库库区水体中的总氮、总磷在大部分时间里只能达到Ⅲ类水质的要求^[13];翁玉兰等对库区的研究发现,2016—2017年东张水库主要污染因子是总氮和总磷,氮、磷等营养物质是造成富营养化的主要元素^[14]。

为进一步了解东张水库水环境现状,本研究通过采集东张水库2020年丰水期及2021年丰水期和枯水期的水样,分析其浮游植物特征,采用Pearson相关性分析及冗余分析(Redundancy analysis, RDA)浮游植物群落结构与环境因子的关系,重点分析了不同形态磷对浮游植物群落结构的影响,本文还同时比较了2020和2021年丰水期浮游植物密度的变化情况,以期为东张水库水质保护工作及水生态修复等提供基础数据支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

东张水库(25.704 017 74°N、119.261 710 33°E)位于福清市龙江中游石竹山麓,始建于1958年,是一座以防洪、农业灌溉及源水供应为主,同时结合发电、旅游等综合开发利用的大型水库^[15-16]。水库总库容2.06×10⁸m³,水库正常蓄水水位54.5 m,汛期水位54.9 m,最低正常运行水位44.5 m,死水位40.5 m^[11]。水库蓄水量1.85×10⁸ m³,库水流经15个乡镇、233个村和3个农场,受益面积达1.7×10⁴hm²^[17]。东张水库有太城溪和一都溪两个引水工程,且作为平潭、闽江口“一闸三线”工程的重要调节库,已于2022年1月开始通水,发挥着重要的水源地作用。

1.2 采样点的设置

根据水库面积和水库周边情况,本研究选择3个站位进行采样(图1),分别为:a进口(25.699°N、119.249°E);b库心(25.703°N、119.263°E);c出口(25.704°N、119.279°E)。

图1

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图1 东张水库水样采样点分布图

Fig.1 Distribution of the water sampling sites in Dongzhang Reservoir

1.3 样品的采集

采用有机玻璃采水器分别采集东张水库2021年枯水期和丰水期出口站位(图1)以及2020年丰水期进口、库心、出口3个站位(图1)表层0.5 m处水样,用于浮游植物群落结构和水体理化指标分析。

1.4 水样的分析

1.4.1 浮游植物群落结构分析

用于浮游植物群落结构分析的水样,现场立即加入15 mL鲁哥氏液固定并摇匀保存,水样带回实验室静置48 h后,用虹吸法浓缩至30 mL后,于徕卡显微镜(Leica BM-E,北京)下用0.1 mL(2 mm×2 mm)浮游生物计数框计数,每份样品计数2片^[18]。藻类的鉴定参考《中国内陆水域常见藻类图谱》,根据公式(1)计算细胞密度:

N = \frac{S}{S_{0}} \times \frac{V_{0}}{V} \times n

(1)

式(1)中:N为细胞丰度(cells/L);S为计数框面积(mm²);S₀为计数视野面积(mm²);V₀为浓缩后体积(mL);V为计数体积(mL);n为单位视野计数所得藻类个数(cells)。

1.4.2 水样理化指标的确定

上覆水中总磷(Total phosphorus,TP)含量的测定^[19]:取25 mL水样加入4 mL 5%过硫酸钾溶液,于120℃条件下消解30 min后,采用钼酸铵分光光度法测得TP含量。上覆水中总溶解性磷(Total dissolved phosphorus,TDP)含量的测定:取25 mL经0.45 μm醋酸纤维滤膜过滤后的上覆水,同样加入4 mL 5%过硫酸钾溶液于120℃条件下消解30 min后,用钼酸铵分光光度法测得TDP含量。上覆水中溶解性活性磷(Soluble reactive phosphorus,SRP)含量的测定:取25 mL经0.45 μm醋酸纤维滤膜过滤后的上覆水,采用钼锑抗分光光度法直接测得SRP的含量。另外,上覆水TP和TDP的差值为总悬浮态磷(Total suspended phosphorus,TSP),TDP与SRP的差值为溶解性有机磷(Dissolved organic phosphorus,DOP)。各磷组分之间的关系如下所示:TSP=TP-TDP,DOP=TDP-SRP。

1.4.3 其他指标的数据来源

东张水库水位(Water level,WL)的监测数据从福建省水利信息网获取;气温(T)、气压(P)、降雨量(RRR)和平均风速(Ff)四个气象因子从中国气象网站获取。

1.5 数据统计分析方法

数据处理及图形绘制使用Excel 2016及Origin 8.5.1软件完成,采用SPSS 20.0进行Pearson相关性分析(以P值表示两个变量间的显著性,P<0.05表示显著相关)以及采用Canoco for Windows 5.0 进行RDA分析。

2 结果与分析

2.1 东张水库 2020—2021年浮游植物群落结构

分析2020年与2021年丰水期水样显微镜镜检结果,发现这两年丰水期水样都检出了蓝藻门、绿藻门、硅藻门、隐藻门、甲藻门,且浮游植物群落结构均以蓝藻门占据优势,密度占比超过60%;2020年6—9月出口站位浮游植物总密度分别为3.18×10⁷、2.70×10⁷、1.64×10⁷和1.13×10⁷ cells/L,2021年6—9月出口站位浮游植物总密度分别为2.72×10⁷、3.35×10⁷、5.21×10⁷和5.24×10⁷ cells/L,对比可知,2021年丰水期东张水库浮游植物密度有所增加。

2021年丰水期浮游植物总密度远大于枯水期,在枯水期(1月份)时,其浮游植物群落结构以硅藻门(85.5%)为优势(图2);进入丰水期后,蓝藻门比例逐渐升高,在2021年丰水期期间浮游植物群落结构均以蓝藻门占据优势(图3);而当水库再次进入枯水期时(10月),蓝藻门比例也逐渐降低,硅藻门的占比增加。

图2

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图2 东张水库2021年枯水期大坝出口站位浮游植物群落结构月变化情况

Fig.2 Monthly variation of phytoplankton community structure at the outlet station of Dongzhang Reservoir dam during dry season in 2021

图3

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图3 东张水库2021年丰水期大坝出口站位浮游植物群落结构月变化情况

Fig.3 Monthly variation of phytoplankton community structure at the outlet station of Dongzhang Reservoir dam during wet season in 2021

2.2 东张水库水体中磷营养盐

在2021年丰水期和枯水期,对东张水库大坝出口站位的水样进行每周一次的各形态磷含量的分析,结果如图4和图5所示。在1月与4月枯水期时,DOP含量的变化较为稳定,2个月份的DOP含量平均值分别为0.057、0.046 mg/L;TSP的含量在1月时也较低,仅0.004 mg/L,而4月的TSP则高达0.047 mg/L。TDP和TP总体均处于较高水平,其中,4月TP含量高达0.103 mg/L。进入丰水期后(图4),东张水库水体中SRP的含量仍处于较低水平,月均值在0.003~0.011 mg/L之间;其余4种磷形态均处于不断波动的状态,TSP月均值为0.019~0.047 mg/L;DOP月均值为0.034~0.050 mg/L;TDP月均值为0.037~0.056 mg/L;TP月均值则在0.057~0.103 mg/L之间。

图4

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图4 东张水库2021年丰水期大坝出口站位各形态磷含量月均变化情况

Fig.4 Monthly variations of phosphorus contents of various forms at the outlet station of Dongzhang Reservoir dam during wet season in 2021

图5

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图5 东张水库2021年枯水期出口站位各形态磷含量月均变化情况

Fig.5 Monthly variations of phosphorus contents in various forms at the outlet station of Dongzhang Reservoir dam during dry season in 2021

当水库再一次进入枯水期时(10—12月),SRP含量相比于1月和4月有所增加,含量为0.011~0.016 mg/L,平均值为0.014 mg/L。此时,TSP和DOP的含量相较于1月和4月有所降低,TSP含量在0.020~0.044 mg/L之间,平均值为0.025 mg/L;而DOP含量为0.028~0.036 mg/L,平均值为0.032 mg/L。TDP含量在0.041~0.050 mg/L之间,平均值为0.046 mg/L;TP含量在0.063~0.075 mg/L之间,平均值为0.070 mg/L。

从各形态磷之间的占比(表1、表2)可知,无论是枯水期还是丰水期,SRP只占TP的少部分(<20%),DOP为TP的主要组成组分,占比均达40%以上。对于TP来说,TDP为TP的主要组分,大部分占比达50%以上。

表1 东张水库2021年枯水期大坝出口站位各形态磷之间的占比

Tab.1 Proportion of various forms of phosphorus at the outlet station of Dongzhang Reservoir in dry season in 2021 %

时间 Time	溶解性活性磷/总磷 SRP/TP	溶解性有机磷/总磷 DOP/TP	总溶解性磷/总磷 TDP/TP	总悬浮态磷/总磷 TSP/TP
1月 January	4.7	88.6	93.3	6.7
4月 April	10.2	44.1	54.3	45.7
10月 October	20.9	46.6	67.4	32.6
11月 November	18.8	43.2	65.2	34.8
12月 December	17.3	46.7	65.3	36.0

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表2 东张水库2021年丰水期出口站位各形态磷之间的占比

Tab.2 Proportion of various forms of phosphorus at the outlet station of Dongzhang Reservoir in wet season in 2021 %

时间 Time	溶解性活性磷/总磷 SRP/TP	溶解性有机磷/总磷 DOP/TP	总溶解性磷/总磷 TDP/TP	总悬浮态磷/总磷 TSP/TP
6月 June	6.0	48.2	54.3	45.8
7月 July	8.0	47.8	55.8	44.2
8月 August	7.4	53.1	60.5	39.5
9月 September	4.8	60.8	65.7	34.3

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2.3 浮游植物与不同形态磷相关性分析

为判断环境因子对浮游植物密度及其群落结构演替的影响,对2021年浮游植物和上覆水中磷营养盐进行Pearson相关性分析(N=21),结果如表3所示。由表3可知,蓝藻门、绿藻门、甲藻门和总藻密度与SRP呈极显著负相关,说明SRP的消耗速率随着东张水库浮游植物生物量的增加而升高,绿藻门和硅藻门与DOP呈极显著正相关,绿藻门和硅藻门与TDP也呈极显著正相关,绿藻门与TP呈相关关系。

表3 各门类藻密度与各形态磷的相关性分析

Tab.3 Correlation analysis between the density of various species of algae and phosphorus forms

	溶解性活性磷SRP	总悬浮态磷TSP	溶解性有机磷DOP	总溶解性磷TDP	总磷 TP	蓝藻门 Cyan-	绿藻门 Chlo-	硅藻门 Baci-	隐藻门 Cryp-	甲藻门 Pyrr-	总藻密度 Total algae density
溶解性活性磷SRP	1
总悬浮态磷TSP	0.090	1
溶解性有机磷DOP	-0.585^**	0.155	1
总溶解性磷TDP	-0.086	0.248	0.858^**	1
总磷TP	0.039	0.918^**	0.478^**	0.612^**	1
蓝藻门Cyanophyta	-0.683^**	0.071	0.194	-0.194	-0.021	1
绿藻门Chlorophyta	-0.442^**	0.398^**	0.439^**	0.439^**	0.431^**	0.478^**	1
硅藻门Bacillariophyta	-0.247	-0.365^*	0.530^**	0.494^**	-0.095	-0.279	-0.134	1
隐藻门Cryptophyta	-0.019	0.167	0.299^*	0.355^*	0.282	-0.032	0.323^*	-0.058	1
甲藻门Pyrrophyta	-0.310^**	0.232	0.319^*	0.194	0.269	0.321^*	0.594^**	-0.175	0.446^**	1
总藻密度 Total algae density	-0.762^**	0.038	0.342^*	-0.063	0.005	0.979^**	0.540^**	-0.101	0.037	0.357^*	1

注:^*表示显著相关(P<0.05,双尾),^**表示极显著相关(P<0.01,双尾)。

Notes:^* indicated significant correlation (P<0.05,two tails),^** indicated extremely significant correlation (P<0.01,two tails).

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2.4 浮游植物与环境因子的 RDA相关性分析

与此同时,本研究从福建省水利信息网收集了东张水库水位数据,从中国长城气象网站收集了2021年福清的气温(T)、气压(P)、降雨量(RRR)和平均风速(Ff)4个气象因子,结合2021年东张水库各形态磷和浮游植物密度绘制了RDA冗余关系图(N=21),其结果如图6所示。其中,排序轴第一轴和第二轴特征值分别为54.8%和74.3%。从双轴空间上看,蓝藻门、绿藻门和甲藻门与气温呈极显著正相关,与气压呈负相关;硅藻门与水位呈显著正相关;另外,蓝藻门、绿藻门和甲藻门与SRP具有较好的负相关关系,绿藻门与TSP、DOP和TP均具有一定的正相关关系。

图6

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图6 东张水库浮游植物与环境因子的RDA排序

Fig.6 RDA ranking of phytoplankton and environmental factors in Dongzhang Reservoir

3 讨论

3.1 水文条件对浮游植物生长的影响

2021年8月蓝藻门密度的增加可能与热带风暴“卢碧”有较大的关系。据福清市水系联排联调中心提供的东张水库水位和蓄水量数据可知,2021年8月6日至10日,热带风暴“卢碧”过境后,东张水库蓄水量骤增1×10⁸ m³。此次台风是福清市2019年年初至当时两年半以来最大的一次降雨过程,也给汇水区带来“刷地板”效应,即因干旱滞留在汇水区周边陆地的大量营养盐,随径流进入东张水库。同时,台风是一种带有强大风场的天气现象,对水库有较强烈的机械能输入,其可通过诱发上升流和垂向混合及夹卷过程,将次表层含有磷酸盐等营养盐的较冷水体自下而上带入水体表层,此时两种因素相互叠加导致水体上层得到大量营养盐等物质,从而对浮游植物的繁殖生长带来积极的作用^[20-21]。

3.2 磷营养盐组分变化原因及其影响分析

分析东张水库枯水期和丰水期两个水文期各形态磷含量可知,SRP含量在丰水期普遍较低的规律,可能的原因是该时间段气温高,一些蓝藻大量增殖,对可利用磷的消耗较大,从而使得水体中的SRP含量降低。除SRP之外的其余4种磷形态的含量均呈现6月>7月>8月>9月的变化规律,结合当地实际情况,可能的原因包括:库区周边牛羊散养与农作物种植季节土地施肥等人为活动的干扰导致外源磷含量增加,在雨水冲刷下,通过径流的方式向库区输入外源磷^[22-23]。适宜的温度和光照条件,使得藻类大量增殖。但是,降雨在增加外源营养盐输入的同时,也使得水库水位和水量增加,污染物被稀释后TP浓度会逐渐降低,蓝藻优势度随之降低。有研究指出,中国东南部4个亚热带水库的水位降低导致TP和蓝藻的优势度增加;当水位升高时,总氮浓度增加、TP浓度则降低,蓝藻优势度随之降低^[24]。另外,在地中海湖泊中也有类似的发现,TP升高与长期干旱和水位下降有关^[25-26],与本文研究结果相符。DOP在两个水文期含量的占比较高,在微生物的作用下,可将其转化为能被藻类直接吸收利用的磷形态,具体的转化机制有待进一步研究;值得特别注意的是,TP含量持续处于较高水平,需引起重视。

浮游植物作为水生生态系统的重要组成部分^[27],其种类组成结构被认为是生态系统的自然生物指示剂,能迅速反映环境条件的改变,其丰度和多样性能够灵敏地反映水环境生态特征的变化^[3],本文仅结合部分环境因子对浮游植物群落结构进行相对独立的影响分析,而其综合影响还需进一步探究。

4 结论

1)东张水库2020与2021年的丰水期水样均检出了蓝藻门、绿藻门、硅藻门、隐藻门、甲藻门5门类,且浮游植物群落结构均以蓝藻门占据优势;2021年丰水期大坝出口站位的浮游植物总密度(2.3×10⁷~5.2×10⁷ cells/L)平均值是枯水期浮游植物总密度(5.6×10⁶ ~ 2.3×10⁷ cells/L)平均值的3倍多,枯水期以硅藻门、蓝藻门和绿藻门为主,平均占比分别为47.5%、31.6%和14.0%,而丰水期蓝藻门占据绝对优势,平均占比为77.7%。

2)东张水库2021年枯水期和丰水期大坝出口站位水样的磷营养盐分析结果显示,无论是枯水期还是丰水期,其SRP含量均较低,丰水期SRP含量均值为0.007 mg/L,枯水期为0.011 mg/L;丰水期DOP、TDP、TSP和TP四种磷形态含量均高于枯水期相应含量。

3)东张水库浮游植物群落结构与不同形态磷Pearson相关性表明,蓝藻门、绿藻门、甲藻门和总藻密度与SRP呈极显著负相关,说明SRP的消耗速率随着浮游植物生物量的增加而升高;绿藻门和硅藻门与DOP、TDP呈极显著正相关。RDA相关性分析可知,蓝藻门、绿藻门和甲藻门与气温呈极显著正相关,硅藻门与水位呈显著正相关。

参考文献

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文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

崔利峰

水口水库雄江段浮游植物季节变化及其生物多样性

[J]. 渔业研究, 2019, 41(1):26-33.