烏楊調(diào)節(jié)壩運(yùn)行初期漢豐湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)及其與環(huán)境因子的相關(guān)性分析

胡 芯，印江平，唐洪玉，鄭永華

(西南大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院水產(chǎn)系，西南大學(xué)淡水魚(yú)類資源與生殖發(fā)育教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 水產(chǎn)科學(xué)重慶市市級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400715)

浮游植物是水體中初級(jí)生產(chǎn)者之一[1]，同時(shí)也是一些浮游動(dòng)物和魚(yú)類的食物，其在水域生態(tài)系統(tǒng)中起著重要作用。研究表明浮游植物受水體環(huán)境因子影響較大，且浮游植物種類組成和分布一定程度上能反映水體環(huán)境[2]。因此，研究水體浮游植物群落結(jié)構(gòu)及其與環(huán)境因子的關(guān)系，對(duì)水域生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和治理具有一定意義。

漢豐湖地處重慶市開(kāi)州區(qū)，因三峽工程蓄水后倒灌形成，是三峽庫(kù)區(qū)最大的庫(kù)中人工湖[3]。漢豐湖是當(dāng)?shù)芈糜伍_(kāi)發(fā)的主要景點(diǎn)，關(guān)系著開(kāi)州區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。然而由于漢豐湖水位在三峽水庫(kù)“蓄清排渾”運(yùn)行方式的影響下，庫(kù)區(qū)內(nèi)每年都會(huì)形成30 m消落區(qū)[4]，影響湖內(nèi)的水域生態(tài)環(huán)境。為緩解消落區(qū)帶來(lái)的負(fù)面影響，開(kāi)州區(qū)政府在豐樂(lè)鎮(zhèn)烏楊村修建了調(diào)節(jié)壩來(lái)控制湖內(nèi)水位變化，保證漢豐湖常年性穩(wěn)定蓄水。調(diào)節(jié)壩于2016年8月31日正式運(yùn)行，調(diào)節(jié)壩運(yùn)行后漢豐湖內(nèi)的水域生態(tài)環(huán)境可能發(fā)生改變，目前有關(guān)漢豐湖浮游植物的研究均集中在調(diào)節(jié)壩正式運(yùn)行前[5，6]，有關(guān)調(diào)節(jié)壩運(yùn)行初期漢豐湖的浮游植物現(xiàn)狀及其與水質(zhì)的關(guān)系還未見(jiàn)報(bào)道。因此，通過(guò)對(duì)其運(yùn)行初期的浮游植物群落結(jié)構(gòu)和水質(zhì)關(guān)系進(jìn)行調(diào)查分析，了解調(diào)節(jié)壩運(yùn)行后漢豐湖內(nèi)水域生態(tài)環(huán)境情況尤為重要。

1 材料與方法

1.1 采樣時(shí)間和采樣點(diǎn)

2016年10月—2017年10月，每?jī)蓚€(gè)月對(duì)漢豐湖進(jìn)行采樣調(diào)查。依據(jù)《內(nèi)陸水域浮游植物監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程》，結(jié)合漢豐湖實(shí)際情況，本次調(diào)查共設(shè)置4個(gè)采樣點(diǎn)(見(jiàn)圖1)，分別為南河匯入口C1(鎮(zhèn)安，108°20′34.01″E ，31°9′8.63″N)，漢豐湖中心C2(故津廣場(chǎng)，108°23′18.22″E ，31°11′2.62″N)，東河匯入口C3(豐樂(lè)街道，108°25′18.12″E ，31°12′6.30″N)和出水口C4(調(diào)節(jié)壩，108°27′36.12″E ，31°10′59.83″N)。

圖1 漢豐湖采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 The stations of the survey in Hanfeng Lake

1.2 樣品采集與分析

水質(zhì)因子按照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》[7]和《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[8]，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定水溫(WT)和pH等指標(biāo)，溶解氧(DO)、總磷(TP)、總氮(TN)、氨氮(NH3-N)、高錳酸鉀指數(shù)(CODMn)等指標(biāo)利用采集回去的水樣，在實(shí)驗(yàn)室及時(shí)進(jìn)行測(cè)定。浮游植物樣品采集遵循《高級(jí)水生生物學(xué)》[9]要求進(jìn)行操作，定性樣品采集用25#浮游生物網(wǎng)在水面下作“∞”形拖動(dòng)約3～5 min，將網(wǎng)底的濃縮水樣倒入標(biāo)本瓶中，加1%魯哥氏液；定量樣品采集直接采1 L水于水樣瓶中，并加入15 mL魯哥氏液充分搖勻固定帶回。浮游植物鑒定和計(jì)算參考《淡水浮游生物研究方法》[10]、《中國(guó)淡水藻類—系統(tǒng)、分類及生態(tài)》[11]和《中國(guó)常見(jiàn)淡水浮游藻類圖譜》[12]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

Mcnaughton優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(Y)、Margalef指數(shù)(dMa)、Shannon—Weaver指數(shù)(H’e)、Pielou均勻度指數(shù)(Je)[13，14]計(jì)算公式如下：

ni為第i個(gè)種個(gè)體數(shù)；fi為第i個(gè)種在各采樣點(diǎn)出現(xiàn)的頻率；S為物種數(shù)目；N為所有物種個(gè)體數(shù)之和。本文將優(yōu)勢(shì)度Y≥0.02的藻類定為優(yōu)勢(shì)種。各多樣性指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[15]見(jiàn)表1。

表1 多樣性指數(shù)水質(zhì)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 The water quality assessment criteria for diversity index

數(shù)據(jù)分析與繪圖主要采用Excle 2010和SPSS 22.0(t檢驗(yàn))等軟件。浮游植物和環(huán)境因子之間的排序分析采用Canoco 4.5軟件進(jìn)行處理。

排序分析中，浮游植物的篩選主要滿足以下條件：該物種在各站位出現(xiàn)的頻率≥30%，且該物種在至少一個(gè)站位的相對(duì)豐度≥1 %[16]。接著進(jìn)行去趨勢(shì)對(duì)應(yīng)分析(Detrended correspondence analysis，DCA)，分析結(jié)果在3和4之間，典范對(duì)應(yīng)分析(canonical correspondence analysis，CCA)和冗余分析(RDA)均可用，本文選用冗余分析(RDA)。環(huán)境因子的篩選主要滿足膨脹因子(inflation factor)小于20，且蒙特卡洛置換檢驗(yàn)P<0.05[17]。此外，分析過(guò)程要對(duì)物種和環(huán)境因子先進(jìn)行l(wèi)og(x+1)轉(zhuǎn)換再分析，環(huán)境因子分析結(jié)果使用CanoDraw for Windows 4.5進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果

2.1 水質(zhì)因子

調(diào)查期間漢豐湖各采樣點(diǎn)的水質(zhì)因子變化范圍見(jiàn)表2，部分水質(zhì)因子的年變化見(jiàn)圖2。其中，各采樣點(diǎn)的水質(zhì)因子差異不顯著。水溫(WT)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)以及總磷(TP)、總氮(TN)、氨氮(NH3-N)含量的時(shí)間變化趨勢(shì)相似，都是春冬季低，到夏季逐漸變高。透明度(SD)的變化趨勢(shì)則相反，為春冬季高，隨后到夏季有所下降。

2.2 浮游植物種類組成與優(yōu)勢(shì)種

本次調(diào)查共檢測(cè)出浮游植物7門(mén)17目31科58屬，共計(jì)114種。其中綠藻門(mén)5目12科25屬45種，占39.47%；硅藻門(mén)5目9科17屬44種，占38.60%；藍(lán)藻門(mén)3目6科8屬9種，占7.89%；甲藻門(mén)1目1科3屬6種，占5.26%；隱藻門(mén)1目1科2屬5種，占4.39%；裸藻門(mén)1目1科2屬4種，占3.51%；金藻門(mén)1目1科1屬1種，占0.88%。10、12、2、4月硅藻門(mén)所占比例最大，6和8月綠藻門(mén)所占比例最大。調(diào)查水域的浮游植物種類組成時(shí)間變化詳見(jiàn)圖3。

表2 漢豐湖環(huán)境因子監(jiān)測(cè)結(jié)果Tab.2 Environmental factor monitoring results of Hanfeng Lake

圖2 漢豐湖水質(zhì)因子變化Fig.2 Ranges of the water quality factors in Hanfeng Lake (a)水溫、透明度變化；(b)總磷、亞硝態(tài)氮、氨氮和高錳酸鹽指數(shù)變化

圖3 漢豐湖浮游植物種類組成時(shí)間變化Fig.3 Temporal variation of phytoplankton composition in Hanfeng Lake

各個(gè)月份的浮游植物優(yōu)勢(shì)種在5～10種之間，主要為硅藻門(mén)、隱藻門(mén)和藍(lán)藻門(mén)，其中尖針桿藻、梅尼小環(huán)藻和嚙蝕隱藻為出現(xiàn)次數(shù)較多的優(yōu)勢(shì)種。具體優(yōu)勢(shì)種詳見(jiàn)表3。本研究共監(jiān)測(cè)到30種優(yōu)勢(shì)種，且優(yōu)勢(shì)度普遍不高。

2.3 浮游植物現(xiàn)存量的時(shí)空變化

監(jiān)測(cè)期間，漢豐湖監(jiān)測(cè)點(diǎn)浮游植物密度和生物量分別為0.85×105～22.05×105ind./L和0.19 ～4.69 mg/L，總均值分別為8.64×105ind./L和2.03 mg/L。時(shí)間上，漢豐湖浮游植物的月份平均密度和平均生物量最低值均出現(xiàn)在2016年12月，2017年2、4、6、8月不斷增加，在2017年8月達(dá)到最高值(19.47×105ind./L)，隨后到2017年10月有所下降?？臻g上，四個(gè)采樣點(diǎn)的平均密度和生物量有輕微差別，但差異不顯著(P>0.05)。具體變化詳見(jiàn)圖4和圖5。

表3 漢豐湖浮游植物優(yōu)勢(shì)種分布及其優(yōu)勢(shì)度Tab.3 Distribution of dominant phytoplankton species and their dominance in Hanfeng Lake

續(xù)表3

圖5 漢豐湖浮游植物生物量時(shí)空變化Fig.5 Temporal and spatial variation of phytoplankton biomass in Hanfeng Lake

2.4 浮游植物多樣性指數(shù)

漢豐湖各采樣點(diǎn)調(diào)查期間浮游植物群落多樣性指數(shù)結(jié)果(表4)表明，監(jiān)測(cè)期間漢豐湖浮游植物Margalef 物種豐富度指數(shù)(dMa)為1.69～5.23；Shannon-Wiener指數(shù)(H’e)為1.12～2.75；Pielou均勻性指數(shù)(Je)為0.45～0.96。根據(jù)相應(yīng)指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)漢豐湖水體污染情況，就dMa值而言，屬于α-中污染至輕污染水體之間；就H’e值而言，屬于α-中污染/β-中污染水體；就Je值而言，屬于β-中污染至清潔水體。結(jié)合三個(gè)指數(shù)的評(píng)價(jià)結(jié)果，漢豐湖整體情況屬于中污染水體。

表4 漢豐湖浮游植物多樣性指數(shù)Tab.4 The diversity index of phytoplankton in Hanfeng Lake

2.5 浮游植物與環(huán)境因子的關(guān)系

通過(guò)CanoDraw for Windows 4.5作出二維排序圖，見(jiàn)圖6。

圖6 浮游植物與環(huán)境因子的二維排序圖Fig.6 Two dimensional ordination diagram of phytoplankton and environmental factors

3 討論

3.1 浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征

在種類組成方面，烏楊調(diào)節(jié)壩運(yùn)行初期，漢豐湖浮游植物種類組成的季節(jié)演替過(guò)程基本符合PEG(Plankton Ecology Group)模式[20]，即冬春季(12月、2月和4月)以硅藻門(mén)為主，夏季(6月和8月)以綠藻門(mén)為主，夏末秋初(8月)藍(lán)藻比例增大，隨后(10月)又漸漸恢復(fù)硅藻門(mén)低溫條件下的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)[21]。優(yōu)勢(shì)種一定程度上能反映浮游植物群落結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，通常優(yōu)勢(shì)種種類越多且優(yōu)勢(shì)度越小，表明該群落結(jié)構(gòu)越復(fù)雜越穩(wěn)定。優(yōu)勢(shì)種分析表明漢豐湖整體上浮游植物群落結(jié)構(gòu)較復(fù)雜且穩(wěn)定，主要是因?yàn)闈h豐湖蓄水后，其水體變動(dòng)小，湖內(nèi)環(huán)境趨于穩(wěn)定，有利于浮游植物生長(zhǎng)。

漢豐湖浮游植物的密度和生物量也存在著季節(jié)性變化，與許多研究報(bào)道結(jié)果相似[22-24]。即春冬季低，夏季高，其中最主要的原因是隨著季節(jié)的變化，水溫和光照也在變化，夏季水溫高、光照強(qiáng)，有利于浮游植物的生長(zhǎng)和繁殖[25]，因此在8月(夏季)浮游植物密度和生物量達(dá)到了最高值。本研究中，2016年12月的水溫稍比2017年2月高，浮游植物密度和生物量卻比2017年2月低，其原因可能是，這兩個(gè)月份漢豐湖浮游植物的種類組成都是以硅藻為主，在一定范圍內(nèi)的低溫條件下，硅藻門(mén)的生長(zhǎng)與溫度成負(fù)相關(guān)[26]，2016年12月和2017年2月都是低溫季節(jié)，其中2017年2月溫度相對(duì)更低，更有利于硅藻門(mén)的生長(zhǎng)，因此藻類密度和生物量更大。調(diào)節(jié)壩運(yùn)行后，漢豐湖水位趨于穩(wěn)定，水體流動(dòng)小，整體處于靜水水體，四個(gè)采樣點(diǎn)的水體環(huán)境相差不大，因此四個(gè)采樣點(diǎn)之間浮游植物密度和生物量差異不顯著(P>0.05)。

浮游植物多樣性指數(shù)dMa、H’e和Je值綜合評(píng)價(jià)漢豐湖屬于中污染水體，根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[8](GB3838-2002)的基本項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)限值，結(jié)合本文的水質(zhì)數(shù)據(jù)，漢豐湖水體屬于Ⅳ類水體。主要原因可能是，漢豐湖蓄水后湖內(nèi)的水體流動(dòng)性差，周邊居民的生活污水排放蓄積，導(dǎo)致水體情況較差。

3.2 浮游植物群落與環(huán)境因子的關(guān)系

Jasser[27]表明浮游植物生長(zhǎng)和時(shí)空分布的重要影響因子為營(yíng)養(yǎng)鹽、光照和水溫。本研究通過(guò)對(duì)調(diào)節(jié)壩運(yùn)行初期漢豐湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)和環(huán)境因子之間進(jìn)行冗余分析，得知與漢豐湖內(nèi)浮游植物群落結(jié)構(gòu)排序顯著相關(guān)的環(huán)境因子為透明度、高錳酸鹽指數(shù)、總磷、亞硝態(tài)氮和氨氮。氮、磷是浮游植物生長(zhǎng)和繁衍必不可少的物質(zhì)，是浮游植物重要影響因子[28，29]。本研究表明，漢豐湖夏季氨氮、總磷含量高，能為浮游植物提供足夠的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，因此其浮游植物密度和生物量也隨之增高。高錳酸鹽指數(shù)是地表水受有機(jī)物和還原性無(wú)機(jī)物污染程度的綜合指標(biāo)[30]，水體浮游植物含量多，其產(chǎn)生的有機(jī)體增多，CODMn值也就隨之增高。透明度表示水的透光能力，其大小與影響太陽(yáng)入射光強(qiáng)度的地理緯度、懸浮物質(zhì)濃度以及浮游生物含量有很大關(guān)系[9]。本研究針對(duì)的是同一水體，其地理緯度不變，又因蓄水后湖水穩(wěn)定，處于靜水水體，泥沙含量降低，顆粒懸浮物較少，所以該透明度主要受浮游生物含量的影響。大量的藻類及其分泌物使湖水渾濁不清，因此浮游植物和透明度呈負(fù)相關(guān)。