東平湖硅藻群落結(jié)構(gòu)特征及其與水環(huán)境的關(guān)系

陳詩越, 劉雙爽, 楊麗偉, 陳影影

(1.江蘇師范大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院,江蘇 徐州 221116; 2.聊城大學(xué) 環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院,山東 聊城 252059; 3.南京大學(xué) 地理與海洋科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 210093)

浮游植物的群落結(jié)構(gòu)與水環(huán)境之間有著十分密切的關(guān)系,其組成和分布對水環(huán)境,尤其是營養(yǎng)鹽水平的變化具有指示作用[1-2]．作為水體里初級生產(chǎn)力的重要成分且體內(nèi)含有硅藻葉綠素的光自養(yǎng)生物——硅藻,其對某些水環(huán)境指標(biāo)(如pH值、鹽度、溫度、營養(yǎng)鹽等)有特定的最佳值及忍耐值,能很好地指示水環(huán)境的變化,包括湖泊的酸化和富營養(yǎng)化等[3-5]．硅藻適宜生長在較溫暖且透明度、營養(yǎng)鹽濃度頻繁波動(dòng)的水體中[6],水環(huán)境條件的改變會(huì)顯著影響浮游植物的群落結(jié)構(gòu)組成及生物量的變化[7]．通常利用排序分析法[8](包括間接梯度法和直接梯度法)來揭示硅藻與環(huán)境因子之間的關(guān)系．本文采用直接梯度法對東平湖硅藻-環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行分析,以揭示東平湖底泥硅藻群落結(jié)構(gòu)與水環(huán)境的關(guān)系．

東平湖(35°30′～36°20′N,116°00′～116°30′E)位于淮海經(jīng)濟(jì)區(qū)北部,泰安市西部,湖區(qū)為暖溫帶大陸性半濕潤季風(fēng)氣候,多年平均氣溫13.4 ℃,降水量為640 mm[9-11]．作為僅次于南四湖的山東省第二大淡水湖,其總面積627 km2,長年蓄水面積124 km2,分老湖區(qū)與新湖區(qū),老湖屬于黃河水系,新湖屬于淮河水系．隨著我國南水北調(diào)東線工程的建設(shè)實(shí)施,其又成為南水北調(diào)的調(diào)蓄湖和山東省西水東送的水源地,在國家水資源配置戰(zhàn)略中具有十分重要的地位．然而,近年來由于流域內(nèi)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、人口的增加和水資源的不合理開發(fā)與利用,湖泊污染物的輸入迅速增大,湖泊功能遭到破壞,其富營養(yǎng)化急速發(fā)展,水環(huán)境急劇惡化[12-13]．尤其是1998年以來,東平湖常年水質(zhì)基本為Ⅴ或劣Ⅴ類.湖泊營養(yǎng)化狀況分析也表明,該湖多年來一直處于中-富營養(yǎng)水平[14]．本文通過對東平湖表層沉積硅藻和水環(huán)境指標(biāo)的冗余分析(redundancy analysis, RDA),探討硅藻與水環(huán)境間的關(guān)系,以為東平湖水環(huán)境保護(hù)和南水北調(diào)輸水水質(zhì)安全提供科學(xué)參考．

1 材料和方法

1.1 樣品采集和實(shí)驗(yàn)分析

于2011年分季節(jié)對東平湖表層沉積硅藻樣品和水樣(表層0.5 m處)進(jìn)行了同步采集,并現(xiàn)場對湖水pH值、透明度(SD)、水深、電導(dǎo)率和表層水溫(T)進(jìn)行測定,具體采樣點(diǎn)見圖1．

圖1 東平湖采樣點(diǎn)分布圖

實(shí)驗(yàn)室水化學(xué)分析,測試項(xiàng)目包括總P的質(zhì)量濃度(ρP)、總N的質(zhì)量濃度(ρN)、葉綠素a(Chla)的質(zhì)量濃度、化學(xué)耗氧量(COD).ρN,ρP和Chla濃度用752型分光光度計(jì)測定,其中ρN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定,ρP采用鉬酸銨分光光度法測定,葉綠素a用丙酮萃取法提取,COD用高錳酸鉀(KMnO4)指數(shù)法測定．樣品分析方法參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》和《湖泊富營養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范》進(jìn)行[15]．

硅藻的處理方法參照文獻(xiàn)[16],即約取0.5 g沉積物,先用10%的鹽酸去鈣質(zhì)膠結(jié)物,再用雙氧水去有機(jī)質(zhì),離心清洗制片．硅藻屬種鑒定主要依據(jù)Krammer & Lange-Bertalot的分類系統(tǒng)[17]．對每個(gè)沉積物樣品至少鑒別300例硅藻,屬種數(shù)量用百分比表示．

1.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

降維對應(yīng)分析(detrended correspondence analysis, DCA)用于提取硅藻種群的動(dòng)態(tài)變化,在排序分析中選擇至少在兩個(gè)樣品中出現(xiàn)且一個(gè)樣品中含量超過2%的屬種(共計(jì)35個(gè))．由于一些硅藻屬種如Nitzschiadissipata,Nitzschiagracilis,Naviculacrytocephala,Naviculaviridula,Naviculacapitata,Cymbellalanceolata,Epithemiaadnata和Cymbellasilesiaca在各采樣點(diǎn)樣品含量偏低(<2%),為避免這些屬種對排序結(jié)果造成過大影響而予以刪除．DCA分析結(jié)果顯示第一軸長度為1.46個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單位,因此選用線性模式——RDA進(jìn)行分析[18]．

RDA是一種直接梯度分析方法,能從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度評價(jià)一個(gè)或一組變量與另一組多變量數(shù)據(jù)之間的相互關(guān)系[19-20]．?dāng)?shù)據(jù)分析過程中,硅藻屬種數(shù)據(jù)作為解釋變量,用平方根進(jìn)行轉(zhuǎn)換;將湖泊水環(huán)境數(shù)據(jù)作為RDA分析中的響應(yīng)變量,數(shù)據(jù)介于10與100之間的進(jìn)行開平方處理,大于100的取對數(shù)．響應(yīng)變量中存在高度自相關(guān)的變量,如Ca2+,Mg2+,Al3+,SiO24個(gè)環(huán)境指標(biāo)膨脹系數(shù)較大,在最終數(shù)據(jù)分析時(shí)將其刪除．然后,用剩余變量來分析影響硅藻種群變化的份額[21],通過進(jìn)一步選擇(forward selection)和蒙特卡羅檢驗(yàn)(Monte Carlo permutation test) (p<0.05,n=999)得到解釋硅藻群落變化的顯著變量．最后對得到的顯著變量進(jìn)一步地檢驗(yàn),使用Bonferroni correction方法對顯著性p的臨界值重新選擇,即用0.05/(n+1)來界定[22]．上述統(tǒng)計(jì)分析在程序CANOCO 4.5中運(yùn)行．

2 研究結(jié)果

2.1 水環(huán)境指標(biāo)

圖2 東平湖湖水理化指標(biāo)變化趨勢圖

2.2 硅藻群落組成

東平湖共鑒定硅藻16屬43種,由相對豐度圖譜(圖3)可以看出,東平湖主要以部分附生和浮游種為主,除少數(shù)樣點(diǎn)屬種比較突出外,東平湖硅藻屬種在32個(gè)采樣點(diǎn)的分布相對均勻．依據(jù)劃分區(qū)域看,30#,31#,32#這3個(gè)樣點(diǎn)較為特殊,屬種Gyrosigmaacuminatum在30#點(diǎn)含量為14.7%,所占比重較大．Sueirellaovalis為3個(gè)樣點(diǎn)的特有屬種,31#點(diǎn)屬種含量達(dá)到15%．Nitzschiaperminuta屬種近乎為32#采樣點(diǎn)的獨(dú)有屬種,在該采樣點(diǎn)含量達(dá)13.1%．Cyclotellameneghiniana絕大多數(shù)分布在30#,31#,32#采樣點(diǎn),說明該區(qū)域富營養(yǎng)化較其他區(qū)域嚴(yán)重．但整體來說,東平湖優(yōu)勢種較少,主要有Achnanthesminutissima,Aulacoseiraambigua,Aulacoseiragranulata,Fragilariacapucinav.vaucheriea,Cyclotellaoccelata,Synedratenera,Synedraulnav.acus,Gyrosigmaacuminatum.另外,Amphoralibyca,Cocconeisplacentula,Cyclotellameneghiniana,Cyclotellastelligera,Cymbellamicrocephala,Naviculaspecies2,Nitzschiapalea和Thalassiosirabaltica等屬種也占有一定的比例．

圖3 東平湖硅藻屬種分布圖

2.3 RDA分析

RDA分析最終結(jié)果見圖4.第一、二軸的特征值為0.15和0.13,說明硅藻屬種分布受兩軸環(huán)境因子的共同作用．ρN與第一軸成正相關(guān)關(guān)系,深度d, pH值與第一軸成負(fù)相關(guān)關(guān)系; CODMn與第二軸成正相關(guān)關(guān)系,ρP,電導(dǎo)率γ與第二軸成負(fù)相關(guān)關(guān)系,兩軸共同反映湖泊營養(yǎng)參數(shù)．由物種-環(huán)境變量排序圖可以看出,深度d,pH值和CODMn對硅藻分布起主要影響．同樣,在采樣點(diǎn)-環(huán)境變量排序軸上,各采樣點(diǎn)的分布也與實(shí)際情況相符．Monte Carlo檢驗(yàn)表明:在東平湖各采樣點(diǎn)中,ρP(F=2.76,p=0.002),pH值(F=2.85,p=0.002),CODMn(F=2.04,p=0.012)和d(F=2.70,p=0.002)是影響硅藻組合變化的顯著因子,軸一和軸二共同解釋了28.1%的硅藻組合的累計(jì)變率及50.6%的物種與環(huán)境之間的累計(jì)百分變量關(guān)系．

3 討論

東平湖表層沉積硅藻中主要以附生和浮游種為主,底棲種相對較少.Aulacoseiraambigua,Aulacoseiragranulata為湖泊絕對優(yōu)勢種,所占比例達(dá)所有屬種含量的20.6%.Synedra,Fragilaria兩種主要指示湖泊營養(yǎng)狀態(tài)的屬種也占一定的比例．研究表明,Synedra,Fragilaria等對較低ρP(<100 μg/L)有一定的指示意義,忍耐幅度也較小,當(dāng)這些屬種成為優(yōu)勢種時(shí),水體ρP仍然偏低,尚未發(fā)生富營養(yǎng)化[26].Aulacoseiraambigua,Aulacoseiragranulata為長江中下游富營養(yǎng)湖泊中常見屬種[3-4,24-25,27],湖泊處于富營養(yǎng)至重富營養(yǎng)時(shí),屬種含量會(huì)減小,在較高ρP的水體中競爭力比較?。Y(jié)合東平湖全年ρP較低、ρN相對較高的情況可知,東平湖處于中富營養(yǎng)狀態(tài),水生生物的生長受到了磷的限制．Kirilova等[28]研究了荷蘭8個(gè)深水富營養(yǎng)湖泊,認(rèn)為這些湖泊中普遍分布的C.ocellata,A.granulata,C.dubius和S.hantzschii也指示了中營養(yǎng)到富營養(yǎng)的水體條件．此外,董旭輝等[5]研究發(fā)現(xiàn)Aulacoseria是一種硅化程度高、有較高沉降率的屬,其生長環(huán)境偏好于擾動(dòng)強(qiáng)烈的水體,可以揭示湖泊水動(dòng)力的強(qiáng)弱．由此可推斷東平湖水動(dòng)力作用可能較強(qiáng)．

圖4 東平湖采樣點(diǎn)與環(huán)境及環(huán)境與硅藻的RDA分析圖

從RDA分析的結(jié)果來看,東平湖硅藻組合變化的主要影響因子為pH和CODMn,其次是深度d和ρP,再次是電導(dǎo)率γ和ρN．樣點(diǎn)與環(huán)境變量排序圖也體現(xiàn)出較好的一致性,如8#,9#,10#樣點(diǎn)在pH值指標(biāo)正向的遠(yuǎn)端,而該采樣區(qū)域也存在著一定比例的指示湖泊偏堿性水體的屬種．近幾年,由于流域降雨量少,蒸發(fā)量相對大,因此東平湖硅藻屬種中可見部分喜微堿性淡水的屬種.Achnanthes,Fragilaria,Cymbella,Synedra和Nitzschia屬種與d,pH值和ρP相關(guān)性較大,且呈正相關(guān)關(guān)系;屬種Synedratenera則與ρN呈明顯正相關(guān)關(guān)系;Aulacoseiragranulata與ρN,CODMn相關(guān)性較大,呈正相關(guān)關(guān)系;屬種Aulacoseiraambigua,Cyclotellaoccelata則是受γ和ρN影響較大．值得注意的是,隨著東平湖漁業(yè)的發(fā)展以及工農(nóng)業(yè)、生活污水的大量排放,東平湖水質(zhì)面臨污染的威脅,將對國家南水北調(diào)和山東省西水東送的水質(zhì)安全造成影響．

4 結(jié)論

東平湖硅藻的主要優(yōu)勢屬種為Aulacoseiraambigua和Aulacoseiragranulata,水質(zhì)處于中營養(yǎng)及中營養(yǎng)向富營養(yǎng)方向轉(zhuǎn)化之中,說明東平湖整體水質(zhì)狀態(tài)仍較好．但近年來,隨著東平湖流域工業(yè)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展及庫區(qū)移民的大量回遷,大量未經(jīng)處理的工業(yè)廢水和生活污水排入東平湖,加上東平湖人工養(yǎng)殖業(yè)蓬勃發(fā)展及對湖沙的開采力度不斷加大,東平湖水質(zhì)有向嚴(yán)重污染方向轉(zhuǎn)化的趨勢,應(yīng)引起有關(guān)部門的高度重視．

影響東平湖硅藻組合分布的顯著性因子為ρP, pH, CODMn和水深d,其中pH,CODMn的影響作用最大,表明東平湖硅藻群落的分布主要受湖泊營養(yǎng)鹽和湖泊酸堿程度的控制.今后要注意控制水體富營養(yǎng)化的發(fā)展,以確保調(diào)水水質(zhì)的安全．

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