東湖圍隔與主體湖區(qū)浮游植物群落結(jié)構(gòu)的比較研究

裴國鳳， 胡　江， 王　青， 何　月

(中南民族大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院， 武漢 430074)

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東湖圍隔與主體湖區(qū)浮游植物群落結(jié)構(gòu)的比較研究

裴國鳳， 胡江， 王青， 何月

(中南民族大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院， 武漢 430074)

為研究東湖圍隔和主體湖區(qū)浮游植物群落結(jié)構(gòu)和理化因子的變化，并評價圍隔對水質(zhì)的改善作用，于2012年3月～2013年2月對湖區(qū)各樣點進行了浮游植物的采集及理化因子的測定.結(jié)果表明：以浮游植物密度和葉綠素a(Chl-a)含量為參數(shù)評價，圍隔水質(zhì)明顯優(yōu)于主體湖區(qū)，圍隔藻類種數(shù)總和及物種多樣性指數(shù)均高于主體湖區(qū)；圍隔絕大部分水體營養(yǎng)因子數(shù)值均明顯低于主體湖區(qū)(除DO，pH).浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征季節(jié)變化明顯，表現(xiàn)在夏季浮游植物密度和Chl-a 含量均最高，冬季最低； 多樣性指數(shù)依秋、夏、春、冬遞減.

圍隔；浮游植物；理化因子；群落結(jié)構(gòu)；東湖

浮游植物是水生態(tài)系統(tǒng)的主要初級生產(chǎn)者，是水生態(tài)系統(tǒng)中能量流動和物質(zhì)循環(huán)的基礎(chǔ)，其種類組成、密度和生物量的變化是浮游植物群落動態(tài)的重要特征[1].它對維持水生態(tài)系統(tǒng)健康具有重要意義[2,3]，浮游植物對環(huán)境變化具有指示作用，其與水生態(tài)環(huán)境因子之間具有著十分密切的關(guān)系，在不同營養(yǎng)狀態(tài)的水體中，浮游植物的群落結(jié)構(gòu)存在較大差異，故浮游植物能綜合、真實地反映水體的生態(tài)條件和營養(yǎng)狀況[4-6].

東湖位于武漢，是長江中下游的淺水湖泊，20世紀(jì)80年代以來，大量未經(jīng)處理的污水流入東湖，導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化程度加重，東湖從草型湖泊演變成藻型湖泊[7].在東湖積累了長期水生生物的資料，其中已有大量改善東湖水質(zhì)的研究，近年來出現(xiàn)了較多利用圍隔實驗來研究治理湖泊水質(zhì)的方法[8,9]，但對東湖進行圍隔實驗多見于圍隔中水生植被的恢復(fù)重建及其對水質(zhì)的影響[10-12].本文對東湖圍隔與主體湖區(qū)進行浮游植物采樣及理化因子測定，旨在通過浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征和理化因子的變化探討圍隔對水質(zhì)的凈化作用，為治理湖泊水體污染提供科學(xué)參考.

1　材料和方法

1.1采樣點的設(shè)置

本研究區(qū)域選擇在武漢東湖-郭鄭湖(主體湖區(qū))附近沿岸帶的圍隔，圍隔中的水體與東湖水隔開，分別設(shè)置A、B圍隔各一個，面積分別約為1000 m2、1800 m2，對照是圍隔附近的主體湖區(qū).采樣時間為2012年3月～2013年2月，按照次/月的采樣頻率采集水樣.

1.2樣品采集和處理

在A、B圍隔和主體湖區(qū)分別設(shè)置一個采樣點，在50 cm處淺表水層采2 L水樣，混勻取其中1 L用魯哥氏碘液固定.實驗室靜置沉淀24 h，濃縮至30 mL，混勻取0.1 mL置于顯微計數(shù)框下，采用視野計數(shù)法在40倍物鏡下計數(shù)及鑒定，每片連續(xù)觀察鑒定至少500個藻類細(xì)胞數(shù).另取1 L水樣用于 Chl-a含量、COD及各類氮磷含量的測定，種類鑒定參考中國科學(xué)院水生生物研究所編著的《中國淡水藻類》[13].

1.3環(huán)境因子的測定方法

采樣期間，利用便攜式測量儀對兩個圍隔和對照主體湖區(qū)各樣點進行現(xiàn)場測定電導(dǎo)率(EC)、pH值、溶解氧(DO)，水溫(WT).參照標(biāo)準(zhǔn)方法測定水質(zhì)的化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)[14]，包括化學(xué)需氧量(COD)、總氮(TN)、總?cè)芙庑缘?TDN)、總磷(TP)、總?cè)芙庑粤?TDP)、可溶活性態(tài)磷(SRP).

1.4數(shù)據(jù)處理與分析

根據(jù)浮游植物優(yōu)勢度指數(shù)(D)、Shannon-Wiene多樣性指數(shù)(H)及Pielous均勻度指數(shù)(J)對浮游植物的群落結(jié)構(gòu)特征進行分析評價，其計算公式如下：

Simpson優(yōu)勢度指數(shù)：D=1-Σ(ni/N)2；

Shannon-Weaver多樣性指數(shù)：H=-Σ[(ni/N)ln(ni/N)] ；

Pielous均勻度指數(shù)：J=H/lnS.

式中ni為第i種的個體數(shù)，N為總個體數(shù)，S為每個樣點中浮游植物物種總和，數(shù)據(jù)分析均由SPSS 19.0完成.

2　結(jié)果與討論

2.1圍隔和主體湖區(qū)理化因子的比較

圍隔和主體湖區(qū)理化因子年均值見表1.圍隔水體中EC、WT、COD、TN、TDN、TP、TDP及SRP的年均值明顯低于主體湖區(qū)，而DO及pH年均值略高于主體湖區(qū).3個樣點中各種理化因子差異顯著性分析結(jié)果表明：圍隔A和B兩個樣點之間無顯著差異.圍隔A、B與主體湖區(qū)水體中TN存在顯著差異(p=0<0.01).圍隔A、B和主體湖區(qū)中TDN也存在顯著差異(p=0.023<0.05,p=0.002<0.01)，可見圍隔對水體中氮含量有顯著去除效果.圍隔A、B和主體湖區(qū)中TP存在極顯著差異(p=0<0.01)，但樣點間的TDP和SRP無顯著差異.圍隔A、B和主體湖區(qū)之間COD存在顯著差異(p=0.02<0.05,p=0.03<0.05)，可見圍隔能顯著地減小水體中有機物濃度.圍隔水體中離子濃度低于主體湖區(qū)，這與圍隔對水體中N、P的凈化作用相關(guān).

表1　東湖圍隔和主體湖區(qū)環(huán)境因子年均值及變化范圍

2.2浮游植物的群落結(jié)構(gòu)特征

2.2.1浮游植物的種類組成

在3個樣點全年12次采樣中，鑒定的浮游植物包括硅藻門(Bacillariophyta)、藍(lán)藻門(Cyanophyta)、隱藻門(Cryptophyta)、綠藻門(Chlorophyta)、甲藻門(Pyrrophyta)、黃藻門(Xanthophyta)和裸藻門(Euglenophyta)7個門類，共計161種(含變種).綠藻、硅藻和藍(lán)藻藻類種數(shù)較其他門藻類更多，其中綠藻種數(shù)最多，共58種，占浮游植物總種數(shù)的36.02 %；硅藻次之，共51種，占31.68 %；藍(lán)藻有29種，占18.01 %.其他藻類種數(shù)所占比例僅為14.29 %(見表2).

浮游植物種類組成的季節(jié)變化見表2.由表2可知：其中綠藻、硅藻、藍(lán)藻種類組成的季節(jié)變化較大，表現(xiàn)為硅藻在夏季種數(shù)最低(24種)，冬季最高(37種)；藍(lán)藻在冬季種數(shù)最低(10種)，夏季種數(shù)最高(25種)；綠藻在春季(32種)、秋季(31種)種數(shù)較高，冬季種數(shù)最低(21種).這種顯著的季節(jié)性變化，可能為氣溫高的季節(jié)利于藍(lán)藻和綠藻的生長，氣溫較低的季節(jié)利于硅藻的生長[15].主體湖區(qū)的藻類種數(shù)總和(79種)明顯少于圍隔B(103種)和圍隔A(110種)，主體湖區(qū)絕大部分藻類的種數(shù)均少于圍隔(裸藻除外)，而兩個圍隔之間藻類種數(shù)相近.研究發(fā)現(xiàn)：圍隔中物種較主體湖區(qū)豐富，圍隔能減弱風(fēng)浪擾動的影響是其物種更豐富的原因之一[16].

表2　東湖圍隔和主體湖區(qū)浮游植物種數(shù)的季節(jié)變化

2.2.2浮游植物的密度變化

圍隔和主體湖區(qū)中浮游植物相對豐度的季節(jié)變化見圖1.由圖1可知：3個樣點均以夏季的浮游植物密度最高，春秋季次之，冬季的浮游植物密度最低(圍隔B除外).夏季3個樣點藍(lán)藻門占優(yōu)勢，相對豐度為58.12% ～ 85.25%，密度超過硅藻和綠藻.其最適生長溫度為25～35 ℃，高于其他藻類[17].2012年6～8月之間，東湖3個樣點的水溫在26～30℃，適合藍(lán)藻生長，藍(lán)藻容易大量繁殖.秋季采樣溫度10～26℃，藍(lán)藻密度仍占優(yōu)勢，但其密度均小于夏季，占藻類總數(shù)的55.45%～76.48%.冬季采樣溫度在4～12 ℃，以硅藻密度占絕對優(yōu)勢，相對豐富度為45.84%～77.22%，其次為隱藻.春季采樣溫度6～25 ℃，隱藻的密度較大，相對豐度為19.05%～47.65%.

a) 主體湖區(qū); b) 圍隔A; c) 圍隔B圖1　東湖圍隔和主體湖區(qū)中浮游植物相對豐度的季節(jié)變化Fig.1　Seasonal variation of the percentage of phytoplankton density in the enclosure and main body in East Lake

圍隔和主體湖區(qū)中浮游植物密度的周年變化見圖2.由圖2可知:主體湖區(qū)全年浮游植物密度均明顯高于圍隔，圍隔A、B浮游植物密度相近(除夏季圍隔B密度略高于圍隔A)，主體湖區(qū)浮游植物細(xì)胞密度全年變化范圍在(7.2～52.5)×106個/L，圍隔為(0.7～7.2)×106個/L.

圖2　東湖圍隔和主體湖區(qū)中浮游植物密度的周年變化Fig.2　Annual variation of phytoplankton density in the enclosure and main body in East Lake

2.2.3浮游植物Chl-a含量

圍隔和主體湖區(qū)中浮游植物Chl-a含量的周年變化見圖3.由圖3可知:3個樣點夏季的Chl-a含量最高，其次為秋季，冬季最低.3個樣點Chl-a的季節(jié)變化和密度季節(jié)變化趨勢較相近.就主體湖區(qū)而言，冬季藻密度最低，但Chl-a的含量高于春季，這可能與不同季節(jié)中藻的種類有關(guān).

主體湖區(qū)全年Chl-a含量均明顯高于圍隔，圍隔A、B中Chl-a含量相近，主體湖區(qū)浮游植物Chl-a含量全年的變化范圍在73.49 ～ 95.74 μg/L，圍隔為3.11～ 16 μg/L.參照利用浮游植物密度及Chl-a含量來劃分營養(yǎng)類型的標(biāo)準(zhǔn)[18]，東湖主體湖區(qū)水質(zhì)在中富營養(yǎng)(冬季)到富營養(yǎng)(夏季)之間，圍隔水質(zhì)在貧中營養(yǎng)(春季)到中營養(yǎng)(夏季)之間.

圖3　東湖圍隔和主體湖區(qū)中浮游植物Chl-a含量的周年變化Fig.3　Annual variation of Chl-a in the enclosure and main body in East Lake

2.3群落特征指數(shù)的變化及相關(guān)性分析

群落結(jié)構(gòu)的季節(jié)變化能導(dǎo)致多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)等產(chǎn)生相應(yīng)變化，結(jié)果見圖4.

圖4　多樣性指數(shù)的季節(jié)變化Fig.4　Seasonal variation of biodiversity indices

由圖4可知：Shannon-Wiene多樣性指數(shù)H、優(yōu)勢度指數(shù)D、Pielous均勻度指數(shù)J這3個指數(shù)季節(jié)均值變化趨勢一致.H、D、J秋季均達(dá)到最大，分別為2.39、0.83、0.51；在冬季值最小，分別為2.05、0.77、0.45.相關(guān)性分析研究表明：3個樣點H與J之間極顯著正相關(guān)(r=1,p=0<0.01,n=12)，H與D之間無顯著相關(guān)性(r=0.941,p=0.059>0.05,n=12).由此推測，東湖物種多樣性指數(shù)的變動更多由于群落均勻度的變動所致.

浮游植物多樣性指數(shù)常被用作湖泊水庫營養(yǎng)狀況的評價指標(biāo)[18].Shannon-Wiene多樣性指數(shù)H的評價標(biāo)準(zhǔn)為：指數(shù)值越大水質(zhì)越好，即藻類種類多樣性指數(shù)越高，其群落結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，群落所包含的信息量也越大，穩(wěn)定性越大，水質(zhì)越好；多樣性指數(shù)越小則群落結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性差，水質(zhì)下降.差異顯著性分析表明(表3)：主湖體區(qū)分別與圍隔A(p=0.003<0.01)、圍隔B(p=0.024<0.05)的多樣性指數(shù)H存在顯著差異，兩個圍隔之間無顯著差異(p=0.432>0.05).主湖體區(qū)H年均值為1.81，圍隔A、B分別為2.29、2.45，可見主湖體區(qū)的H值明顯小于圍隔區(qū)，圍隔物種多樣性顯著高于東湖主湖體區(qū).對Pielous均勻度指數(shù)J進行分析，主湖體區(qū)與圍隔A存在顯著差異(p=0.024<0.05)，與圍隔B也存在顯著差異(p=0.036<0.05)，兩個圍隔之間無顯著性差異(p=0.555>0.05).3個樣點均勻度指數(shù)均大于0.4，圍隔A均勻度指數(shù)最大，圍隔B次之，主湖體區(qū)最小，說明圍隔浮游植物分布比東湖主湖體區(qū)更均勻.對優(yōu)勢度指數(shù)D進行分析，主湖體區(qū)分別與圍隔A(p=0.003<0.01)、圍隔B(p=0.020<0.05)存在顯著差異，兩圍隔之間無顯著差異(p=0.473>0.05).由此可見，圍隔實驗對東湖浮游植物多樣性有較大的影響，圍隔顯著提高了生物多樣性，圍隔內(nèi)H、D和J值明顯大于主體湖區(qū).

表3　主體湖區(qū)與圍隔多樣性指數(shù)單因素方差分析(LSD)

a) 主體湖區(qū); b) 圍隔A; c) 圍隔B ; *p<0.05

3　結(jié)語

本圍隔實驗結(jié)果表明：圍隔對東湖水體具有明顯的改善作用，圍隔藻類種數(shù)總和及各種藻類種數(shù)均高于主體湖區(qū).主體湖區(qū)浮游植物細(xì)胞密度全年變化范圍在(7.2 ～ 52.5)×106個/L，圍隔為(0.7～7.21)×106個/L，主體湖區(qū)浮游植物Chl-a含量全年的變化范圍在73.49 ～ 95.74 μg/L，圍隔為3.11～16 μg/L.以浮游植物密度及Chl-a為參數(shù)評價水質(zhì)，發(fā)現(xiàn)主體湖區(qū)為中營養(yǎng)(冬季)至富營養(yǎng)(夏季)，圍隔全年水質(zhì)為貧中營養(yǎng)(春季)至中營養(yǎng)(夏季) .圍隔物種多樣性指數(shù)高于主體湖區(qū)，圍隔物種群落結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，浮游植物分布更均勻.圍隔中絕大部分表征水體營養(yǎng)水平的理化因子數(shù)值均明顯低于主體湖區(qū)(DO、pH除外)，其中圍隔DO值高于主體湖區(qū)，說明圍隔水體中氧含量更高.圍隔對水體中TN、TDN、TP有顯著去除作用，對TDP及SRP影響不顯著，但仍具有一定去除率.此外，圍隔能顯著降低水體中有機物濃度和離子濃度.

[1]趙孟緒, 雷臘梅, 韓博平. 亞熱帶水庫浮游植物群落季節(jié)變化及其影響因素分析——以湯溪水庫為例[J].熱帶亞熱帶植物學(xué)報, 2005, 13(5): 386-392.

[2]劉建康. 高級水生生物學(xué)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1999: 176-199.

[3]Lepist? L, Holopainen A L, Vuoristo H. Type-specific and indicator taxa of phytoplankton as aquality criterion for assessing the ecological status of Finnish boreal lakes[J].Limnologica, 2004, 34(3):236-248.

[4]沈會濤, 劉存歧.白洋淀浮游植物群落及其與環(huán)境因子的典范對應(yīng)分析[J].湖泊科學(xué), 2008, 20(6): 773-779.

[5]欒青杉, 孫軍, 宋書群, 等.長江口夏季浮游植物群落與環(huán)境因子的典范對應(yīng)分析[J].植物生態(tài)學(xué)報, 2007, 31(3): 445-450.

[6]裴國鳳, 洪曉星. 東湖底棲藻類群落的初級生產(chǎn)力[J].中南民族大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2010, 29(4):27-31.

[7]裴國鳳, 劉國祥, 胡征宇.東湖沿岸帶底棲藻類群落的時空變化[J].水生生物學(xué)報, 2007, 31(6):836-842.

[8]馬劍敏, 賀鋒, 成水平, 等.曝氣和阿科蔓填料對月湖圍隔中的水質(zhì)改善作用[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2010，33(8):114-119.

[9]王嵩, 王啟山, 張麗彬, 等.水庫大型圍隔放養(yǎng)鰱魚、鳙魚控藻的研究[J].中國環(huán)境科學(xué), 2009, 29(11): 1190-1195.

[10]馬劍敏, 嚴(yán)國安, 任南, 等.東湖圍隔(欄)中水生植被恢復(fù)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 1997, 8(5):535-540.

[11]裴國鳳, 何月, 顧新躍,等. 底棲藻類-苦草對豬糞廢水中磷的滯留作用研究[J].中南民族大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2014, 3(3):32-36.

[12]張萌, 曹特, 過龍根, 等.武漢東湖水生植被重建及水質(zhì)改善試驗研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù), 2010, 33(6): 154-159.

[13]胡鴻鈞.中國淡水藻類[M].上海: 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社, 1980.

[14]國家環(huán)保局.水和廢水監(jiān)測分析方法[M].北京: 中國環(huán)境科學(xué)出版社, 1997.

[15]鄭凌凌.漢江硅藻水華優(yōu)勢種生理生態(tài)學(xué)研究[D].福州:福建師范大學(xué), 2005.

[16]Bellinger B J, Cocquyt C, O′Reilly C M. Benthic diatoms as indicators of eutrophication in tropical streams[J].Hydrobiologia, 2006, 573(1):75-87.

[17]Nalewajko C, Murphy T P. Effects of temperature, and availability of nitrogen and phosphorus on the abundance of Anabaena and Microcystis in Lake Biwa，Japan: an experimental approach[J].Limnology, 2001, 2(1): 45-48.

[18]況琪軍, 馬沛明, 胡征宇, 等.湖泊富營養(yǎng)化的藻類生物學(xué)評價與治理研究進展[J].安全與環(huán)境學(xué)報, 2005, 5(2): 87-91.

A Comparative Study of Phytoplankton Community Structure in the Enclosure and Main Body of East Lake

PeiGuofeng,HuJiang,WangQing,HeYue

(College of Life Science, South-Central University for Nationlities, Wuhan 430074, China)

To study the variation of phytoplankton community structure and environmental parameters in the enclosure and main body of East Lake, and evaluate the ameliorative effect of enclosure on the water quality in East Lake, phytoplankton from various sampling points in the lake were collected from March 2012 to February 2013, and the physicochemical factors were determined. The results showed that the water quality of enclosure was significantly better than that of the main body of the lake in terms of phytoplankton density and the content of chlorophyll a (Chl-a). The number of algae species and the biodiversity indices of the enclosure were also higher than that of the main lake. Most nutrient factors in the enclosure were lower than that of main lake (except DO, pH). The seasonal variation of phytoplankton community structure and environmental parameters were obvious: the phytoplankton density and content of Chl-a were maximal in summer and minimal in winter, while the biodiversity indices decreased in the order of autumn, summer, spring and winter.

enclosure; phytoplankton; environmental factors; community structure; East Lake

2015-10-07

裴國鳳(1969-) ,女, 教授, 博士, 研究方向: 藻類生物學(xué), E-mail: peigf@mail.scuec.edu.cn

湖北省自然科學(xué)基金資助項目(2015CFB416)

X835

A

1672-4321(2016)03-0021-05