淮北采煤塌陷區(qū)小型湖泊浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征

楊 威，張婷婷，孫雨琛，劉 琪，黃 悅，鄧道貴

(1.淮北師范大學信息學院，安徽淮北 235000；2.淮北師范大學生命科學學院，安徽淮北 235000)

淮北市位于安徽省北部，屬暖溫帶半濕潤季風氣候，年平均氣溫14.5 ℃，年均降雨量892.8 mm，是我國著名的能源基地，以煤炭資源豐富而聞名。由于煤炭的大量開采，導致大面積的土地塌陷，形成許多小型塌陷湖泊。2015年淮北煤礦塌陷面積約167 km2，其中形成的湖泊面積為40 km2[1]。淮北采煤塌陷湖泊由于封閉性好，湖水堿性大、硬度高，水底多為煤矸石，水生態(tài)系統(tǒng)較為獨特[2]，浮游動物群落結(jié)構(gòu)小型化、富營養(yǎng)種類特征十分明顯[2,3]。

目前國內(nèi)對采煤塌陷湖泊浮游植物群落結(jié)構(gòu)的調(diào)查已有一些報道，且主要集中在淮南煤礦塌陷湖泊[4,5]，而有關淮北煤礦塌陷湖泊浮游植物群落結(jié)構(gòu)的研究相對較少[6]。王振紅等[7]研究表明，采煤塌陷湖泊浮游植物群落結(jié)構(gòu)演替不同于一般的水庫和湖泊。在淮南潘謝礦區(qū)，水體氮、磷含量高，處于富營養(yǎng)化狀態(tài)，浮游植物密度和多樣性具有一定的差異[4]。在淮北南湖和乾隆湖，水體堿性大、水質(zhì)礦化度高對浮游植物群落結(jié)構(gòu)也具有一定的影響[6]。因此，深入開展淮北煤礦塌陷湖泊浮游植物的群落結(jié)構(gòu)特征研究具有重要的意義。本研究通過對淮北采煤塌陷湖泊浮游植物的群落結(jié)構(gòu)調(diào)查，探討浮游植物群落結(jié)構(gòu)的時空變化及其與環(huán)境因子的關系，以期為煤礦塌陷湖泊漁業(yè)資源的可持續(xù)利用、水質(zhì)監(jiān)測和生物多樣性保護提供參考。

1 材料與方法

1.1 采樣地點和采樣時間

選擇淮北采煤塌陷區(qū)湖泊東湖和劉橋湖為研究對象。東湖(N33°59′E116°51′)位于淮北市杜集區(qū)，2005年被定為國家級濕地公園，水域面積約1.9 km2，平均水深2.5 m，最大水深4 m，塌陷時間超過20年，為封閉性水體[8]。劉橋湖(N33°53′ E116°39′)位于淮北市劉橋鎮(zhèn)，水域面積約2.78 km2，平均水深2.0 m，最大水深超過4 m，塌陷時間超過15年[9]，為封閉性水體，水質(zhì)達到輕度-中度富營養(yǎng)化狀態(tài)[10]。東湖和劉橋湖均開展?jié)O業(yè)養(yǎng)殖，主要養(yǎng)殖鰱、鳙并投放少量的魚類肥料，產(chǎn)量約為(2.5～3.0)×104kg/km2[3]。根據(jù)湖泊的形態(tài)特征，每個湖泊設置5個采樣點(圖1)，分別于2017年4月、7月、10月和2018年1月進行采樣調(diào)查。

圖1 東湖和劉橋湖采樣點位置Fig.1 The location of sampling sites in Lake Donghu and Lake Liuqiao

1.2 浮游甲殼動物樣品的采集與鑒定

用13# 浮游生物網(wǎng)(112 μm)在水中往復做∞形回旋多次，收集樣品用于定性分析。定量樣品用5 L有機玻璃采水器分3層進行采集，每層取10 L水樣，再用25 #浮游生物網(wǎng)(64 μm)過濾，過濾后的樣品用5%甲醛溶液固定[11]。

定性樣品在實驗室里通過鏡檢鑒定浮游甲殼動物種類。定量樣品用5 mL浮游生物計數(shù)框在顯微鏡下計數(shù)，種群密度以ind./L表示。枝角類的鑒定主要參照《中國動物志·淡水枝角類》[12]，橈足類參照《中國動物志·淡水橈足類》[13]。

1.3 浮游植物樣品的采集與鑒定

將25# 浮游生物網(wǎng)(64 μm)拋入水中，在水中往復做∞形回旋多次，收集樣品，用于定性分析。定量樣品用5 L有機玻璃采水器分3層進行采集，每層取5 L水樣，混合后取1 L水樣，現(xiàn)場用Lugol氏液固定，在實驗室中沉淀48 h后，濃縮至50 mL。

定性樣品在顯微鏡下進行分類鑒定。定量樣品用0.1 mL浮游生物計數(shù)框在顯微鏡下采用視野計數(shù)法計數(shù)。1 L水中浮游植物的密度(N)計算方法：

式中Cs為計數(shù)框的面積(mm2)，F(xiàn)s為每個視野的面積(mm2)，F(xiàn)n為計數(shù)的視野數(shù)，V為樣品濃縮后的體積(mL)，U為計數(shù)框的容積(0.1 mL)，Pn為計數(shù)所得到的浮游植物總數(shù)。種群密度以cells /L表示。浮游植物生物量的估算參照章宗涉等的研究方法[11]，浮游植物種類鑒定主要參照《中國淡水藻類—系統(tǒng)、分類及生態(tài)》[14]。

1.4 理化指標的測定

水溫和pH值用pH計(Hach，美國)現(xiàn)場測定，透明度使用透明盤現(xiàn)場測定?？偟?TN)用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定，總磷(TP)用鉬酸銨分光光度法測定。葉綠素a 濃度的測定參照章宗涉等的方法[11]。

1.5 浮游植物多樣性指數(shù)

Shannon-Weiner指數(shù)：

式中s代表種類總數(shù)，pi代表第i種密度占總密度的比例。H′值在0～1之間為重度污染，在1～2之間為中度污染，在2～3間為輕度污染，>3為清潔[15]。

馬加利夫(Margalef)指數(shù)：

D=(S-1)/lnN

式中S為種類總數(shù)，N為所有物種的總密度。D值在0～1之間為重度污染，在1～2之間為中度污染，在2～3之間為輕度污染，>3為清潔[16]。

1.6 浮游植物的優(yōu)勢度

物種優(yōu)勢度：Y=ni×fi/N

式中ni為物種i的密度，N為所有物種的總密度，fi為物種i出現(xiàn)的頻率。Y≥0.02的種類確定為優(yōu)勢種[17]。

1.7 數(shù)據(jù)分析

用SPSS 17.0軟件分析東湖和劉橋湖浮游植物密度和生物量與理化因子的相關性，用單因素方差(One-way ANOVA)分析浮游植物密度、生物量與水體理化因子、生物多樣性指數(shù)的季節(jié)差異。利用CANOCA 4.5 軟件分析兩個湖泊中浮游植物優(yōu)勢種與環(huán)境因子間的關系。先進行去趨勢對應分析(DCA)以檢驗兩個湖泊的第1軸梯度長。結(jié)果表明，兩個湖泊的第1軸梯度長均小于3，選擇線性模型比選擇單峰模型更為合理。因此，選擇冗余分析(RDA)進行約束性排序。所有數(shù)據(jù)均進行l(wèi)n(x+1)轉(zhuǎn)換。

2 結(jié)果

2.1 理化因子

東湖和劉橋湖的TN、TP和Chl-a濃度均在夏秋季較高、冬春季較低，并具有顯著的季節(jié)差異。東湖TN、TP和Chl-a濃度的平均值分別為1.52 mg/L、0.14 mg/L和55.8 μg/L，而劉橋湖的平均值分別為1.35 mg/L、0.138 mg/L和59.0 μg/L。兩湖TN、TP和Chl-a濃度高，說明水體富營養(yǎng)化程度較高。東湖和劉橋湖水溫變化趨勢相一致，春季開始上升、夏季最高，秋季逐漸下降、冬季最低。東湖的透明度和pH均高于劉橋湖(表1)。

相關性分析表明，東湖的浮游植物密度和生物量與水溫、總氮和總磷均呈極顯著正相關，與透明度呈極顯著負相關。劉橋湖的游植物密度和生物量與總氮和總磷均呈極顯著正相關，與水溫顯著正相關，與透明度呈極顯著負相關(表1)。因此，水溫、總氮和總磷是影響東湖和劉橋湖浮游植物密度和生物量的主要環(huán)境因子。

表1 東湖和劉橋湖的理化參數(shù)及與浮游植物密度和生物量的相關分析Tab.1 Physico-chemical variables and their correlation with the density and biomass of phytoplankton in Lake Donghu and Lake Liuqiao

2.2 浮游甲殼動物

東湖和劉橋湖浮游甲殼動物的平均密度分別為(12.83±10.34) ind./L和(4.44±3.17) ind./L。東湖夏秋季優(yōu)勢種為短尾秀體溞(Diaphanosomabrachyurum)和廣布中劍水蚤(Mesocyclopsleuckarti)，冬春季為方形尖額溞(Alonaquadranyularis)、盔形溞(Daphniagaleata)和卵形盤腸溞(Chydorusovalis)；劉橋湖夏秋季優(yōu)勢種為短尾秀體溞(D.brachyurum)、象鼻溞(Bosminasp.)和廣布中劍水蚤(M.leuckarti)，冬春季為卵形盤腸溞(C.ovalis)和方形尖額溞(A.quadranyularis)。

2.3 浮游植物種類組成

東湖共記錄浮游植物7門53屬88種，其中綠藻門24屬45種，占總浮游植物種類的51%；硅藻門14屬20種，占23%；藍藻門9屬14種，占15.9%；隱藻門和裸藻門均2屬3種；甲藻門1屬2種；金藻門1屬1種。劉橋湖共記錄浮游植物7門47屬80種，其中綠藻門23屬45種，占總浮游植物種類的56%；硅藻門9屬11種，占14%；藍藻門8屬12種，占15%；裸藻門3屬7種；隱藻門2屬3種；甲藻門和金藻門1屬1種。綠藻、硅藻和藍藻在東湖和劉橋湖浮游植物群落中處于優(yōu)勢地位。

2.4 浮游植物密度和生物量的季節(jié)動態(tài)

東湖和劉橋湖浮游植物的密度和生物量的季節(jié)差異均極顯著。劉橋湖的平均密度和生物量(656.7×105cells/L和12.71 mg/L)高于東湖(654.8×105cells/L和6.24 mg/L)。東湖的最大密度和生物量(1 467.3×105cells/L和13.77 mg/L)均出現(xiàn)在夏季，最小值(85.0×105cells/L和1.68 mg/L)均出現(xiàn)在冬季。劉橋湖的最大密度和生物量(1 879.8×105cells/L和34.3 mg/L)分別出現(xiàn)在夏季和秋季，最小值(18.4×105cells/L和1.75 mg/L)均出現(xiàn)在冬季(圖2)。東湖和劉橋湖浮游植物密度和生物量較高，水體達到富營養(yǎng)化狀態(tài)，夏秋季水體富營養(yǎng)化程度較高，冬春季較低。

東湖和劉橋湖藍藻的平均密度分別為524.8×105cells/L和505.6×105cells/L，分別占總密度的80%和77%。東湖硅藻的平均生物量為2.91 mg/L，占總生物量的47%，劉橋湖隱藻的平均生物量為8.81 mg/L，占總生物量的69%。

圖2 東湖和劉橋湖浮游植物的總密度和生物量及相對比例Fig.2 Total density and biomass and its relative proportions of phytoplankton in Lake Donghu and Liuqiao

2.5 浮游植物優(yōu)勢種

東湖優(yōu)勢種在冬季和春季為針形纖維藻、集星藻、小席藻、尖尾藍隱藻和梅尼小環(huán)藻，在夏季和秋季為微小平裂藻、小席藻、彎形尖頭藻、中華尖頭藻和長菱形藻彎端變種。劉橋湖優(yōu)勢種在冬季和春季為狹形纖維藻、小席藻、四尾柵藻、尖尾藍隱藻和囊裸藻，夏季和秋季為微小平裂藻、小席藻和卵形隱藻(表2)。

劉橋湖浮游植物優(yōu)勢種數(shù)多于東湖，且兩湖優(yōu)勢種的季節(jié)變化較明顯。在東湖和劉橋湖，小席藻均為第一優(yōu)勢種，年平均密度分別為301×105cells/L和248×105cells/L，分別占總密度的46.0%和37.8%。小席藻、細小隱球藻、四尾柵藻、微小平裂藻和點形平裂藻作為優(yōu)勢種在不同季節(jié)出現(xiàn)頻率較高。

表2 東湖和劉橋湖浮游植物優(yōu)勢種及優(yōu)勢度Tab.2 The dominant phytoplankton species and their dominance in Lake Donghu and Lake Liuqiao

2.6 浮游植物的多樣性指數(shù)

東湖和劉橋湖浮游植物的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)均具有顯著的季節(jié)差異。劉橋湖的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(2.21)高于東湖(2.03)，東湖和劉橋湖Shannon-Wiener多樣性指數(shù)的最大值(2.16和2.47)分別出現(xiàn)在冬季和春季，最小值(1.79和1.77)出現(xiàn)在夏季。劉橋湖Margalef豐富度指數(shù)具有極顯著的季節(jié)差異，而東湖差異不顯著(P>0.05)。東湖的Margalef豐富度指數(shù)(1.57)高于劉橋湖(1.41)，東湖和劉橋湖Margalef豐富度指數(shù)的最大值(1.68和1.66)分別出現(xiàn)在秋季和春季，最小值(1.42和1.02)分別出現(xiàn)在夏季和冬季(表3)。

根據(jù)Shannon-Wiener多樣性指數(shù)的評價，東湖和劉橋湖均屬于輕度污染，其中東湖和劉橋湖夏季處于中度污染中，而其他季節(jié)處于輕度污染中。根據(jù)Margalef豐富度指數(shù)的評價，東湖和劉橋湖4個季節(jié)均處于中度污染中。

表3 東湖和劉橋湖浮游植物群落多樣性指數(shù)Tab.3 Diversity indexes of phytoplankton in Lake Donghu and Lake Liuqiao

2.7 浮游植物群落與環(huán)境因子的相關分析

利用CANOCO 4.5 軟件分析了東湖和劉橋湖浮游植物與環(huán)境因子間的關系。東湖和劉橋湖分別選取14和17種優(yōu)勢度Y≥0.02的種類用于CCA分析。先進行去趨勢對應分析(Detrended Correspondence Analysis,DCA)，東湖和劉橋湖的第1軸梯度長分別為1.746和1.612，因此選擇冗余分析(Redundancy Analysis,RDA)進行約束性排序。冗余分析結(jié)果顯示，東湖的第1軸和第2軸特征值分別為0.715和0.111，共解釋了96.2%的物種與環(huán)境的關系；劉橋湖的第1軸和第2軸特征值分別為0.633和0.145，共解釋了96.6%的物種與環(huán)境的關系(表4)。兩個湖泊浮游植物優(yōu)勢種類與理化因子(TN、TP和水溫)和浮游甲殼動物密切相關。在東湖，點形平裂藻、彎形尖頭藻、中華尖頭藻、卵形隱藻、長菱形藻彎端變種與TN、TP、pH、短尾秀體溞和廣布中劍水蚤的密度呈正相關關系，四尾柵藻、二形柵藻、顫藻與水溫和象鼻溞呈正相關關系，梅尼小環(huán)藻、針形纖維藻、集星藻與方形尖額溞和盔形溞的密度呈正相關關系(圖3)。在劉橋湖，尖尾藍隱藻、四尾柵藻、點形平裂藻、小席藻、彎形尖頭藻與TN、水溫、短尾秀體溞和廣布中劍水蚤的密度呈正相關關系，球衣藻、小球衣藻、卵形隱藻與TP、象鼻溞的密度呈正相關關系，長菱形藻彎端變種、四角十字藻和中華尖頭藻與pH呈正相關關系(圖4)。

表4 東湖和劉橋湖浮游植物和環(huán)境因子的冗余分析Tab.4 Redundancy analysis between phytoplankton and environmental factors in Lake Donghu and Lake Liuqiao

圖3 東湖優(yōu)勢浮游植物種類與環(huán)境因子的冗余分析Fig.3 Redundancy analysis between dominant phytoplankton species and environmental factors in Lake DonghuS1：球衣藻；S2：小球衣藻；S3：狹形纖維藻；S4：美麗膠網(wǎng)藻；S5：四尾柵藻；S6：四角十字藻；S7：點形平裂藻；S8：微小平裂藻；S9：微囊藻；S10：細小隱球藻；S11：小席藻；S12：彎形尖頭藻；S13：中華尖頭藻；S14：尖尾藍隱藻；S15：卵形隱藻；S16：梅尼小環(huán)藻；S17：長菱形藻彎端變種；S18：針形纖維藻；S19：集星藻；S20：二形柵藻；S21：顫藻；Dg：盔形溞Bo：象鼻溞；Aq：方形尖額溞；Co：卵形盤腸溞；Db：短尾秀體溞；Mi：廣布中劍水蚤；SD：透明度；TN：總氮；TP：總磷；T：水溫。圖4同

圖4 劉橋湖優(yōu)勢浮游植物種類與環(huán)境因子的冗余分析Fig.4 Redundancy analysis between dominant phytoplankton species and environmental factors in Lake Liuqiao

3 討論

3.1 淮北煤礦塌陷湖泊浮游植物的群落結(jié)構(gòu)特征

本研究中，東湖共記錄浮游植物88種，劉橋湖80種，高于淮北南湖的70種[6]，而低于迪溝湖的155種[5]。東湖和劉橋湖的浮游植物群落結(jié)構(gòu)具有明顯的季節(jié)差異。東湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)的季節(jié)變化為春季藍藻-綠藻型、夏季藍藻-硅藻型、秋季藍藻型、冬季隱藻-綠藻型，劉橋湖春季為藍藻-綠藻型、夏季藍藻型、秋季隱藻-藍藻型、冬季裸藻-綠藻型，這與徐鑫等[4]和萬陽等[5]研究結(jié)果差異較大。

與淮南煤礦塌陷湖泊相比，淮北煤礦塌陷湖泊的浮游植物群落結(jié)構(gòu)和營養(yǎng)鹽具有顯著的空間差異[4,5,18]。淮北的東湖和劉橋湖主要以小席藻、長菱形藻彎端變種、彎形尖頭藻、中華尖頭藻和卵形隱藻為優(yōu)勢種，皖北地區(qū)的迪溝湖主要以小席藻、兩棲顫藻、尖尾藍隱藻、密集錐囊藻為優(yōu)勢種，淮南的潘謝3個塌陷湖泊主要以鏈形小環(huán)藻、偽魚腥藻、銅綠微囊藻為優(yōu)勢種。就密度而言，東湖和劉橋湖浮游植物的密度均大幅高于潘謝3個湖泊和迪溝湖。從營養(yǎng)鹽來看，東湖和劉橋湖的TN高于潘謝顧橋站，低于潘謝潘集站、潘謝謝橋站和迪溝湖，而TP均高于潘集3個湖泊和迪溝湖。由此可見，淮南和淮北采煤塌陷湖泊氮、磷含量高，浮游植物主要以富營養(yǎng)化種類為優(yōu)勢種，水體呈現(xiàn)出不同程度的富營養(yǎng)化狀態(tài)。因此，應減少魚類養(yǎng)殖活動，加強環(huán)境保護，促進生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)。

3.2 淮北煤礦塌陷湖泊浮游植物與環(huán)境因子的關系

水溫是影響浮游植物群落結(jié)構(gòu)季節(jié)動態(tài)的重要因素[19]，可通過影響浮游植物的生長率進而影響其群落結(jié)構(gòu)的變化[20]，且水溫的升高有利于藍藻和綠藻的生長繁殖[21]。本研究中，東湖和劉橋湖浮游植物密度均與水溫呈極顯著正相關，在夏季水溫較高時，浮游植物密度達到最大值，冬季水溫較低時，浮游植物密度最低。RDA分析結(jié)果顯示，東湖的優(yōu)勢種小席藻、四尾柵藻、二形柵藻、顫藻與水溫呈正相關關系，劉橋湖的優(yōu)勢種小席藻、微囊藻、細小隱球藻、點形平裂藻、四尾柵藻、彎形尖頭藻與水溫呈正相關關系。因此，水溫是影響東湖和劉橋湖優(yōu)勢浮游植物群落結(jié)構(gòu)的重要因素。

水體中的氮、磷等營養(yǎng)鹽對浮游植物群落結(jié)構(gòu)具有重要的影響[4,22]。營養(yǎng)鹽是浮游植物生長的必要條件，浮游植物的密度、生物量和物種多樣性與營養(yǎng)鹽的組成和濃度是密不可分的[23]。本研究中，東湖和劉橋湖在夏秋季TN、TP的濃度明顯高于冬春季，與之對應的是，在夏秋季2個湖泊的浮游植物的密度和生物量均明顯高于冬春季，且東湖和劉橋湖浮游植物的密度和生物量均與TN和TP呈極顯著正相關。RDA分析結(jié)果顯示，東湖的優(yōu)勢種點形平裂藻、彎形尖頭藻、中華尖頭藻、卵形隱藻、長菱形藻彎端變種與TN、TP呈正相關關系，劉橋湖的優(yōu)勢種球衣藻、四尾柵藻、點形平裂藻、卵形隱藻、尖尾藍隱藻、彎形尖頭藻與TN和TP呈正相關關系。因此，營養(yǎng)鹽(TN、TP)也是影響東湖和劉橋湖浮游植物密度和群落結(jié)構(gòu)變化的重要因素。通常，透明度偏低降低了水下的光照強度，進而限制了藻類的光合作用[24]。但隱藻在低溫和低光照時具有較強的適應能力[25]，并利用自身的兼性營養(yǎng)特點[24]，在低光照時能充分利用營養(yǎng)鹽進行生長繁殖。在秋季，劉橋湖的透明度較低、營養(yǎng)鹽含量較高及適宜的水溫，為卵形隱藻的生長提供了條件，這可能是卵形隱藻生物量(30.61 mg/L)較高的重要原因。

浮游甲殼動物對浮游植物的群落結(jié)構(gòu)也具有重要的影響[26]。研究表明，浮游甲殼動物對小型藻類的捕食，間接地有利于不可食用的絲狀藻類和群體微囊藻的發(fā)展[27]。本研究中，東湖的浮游甲殼動物密度高于劉橋湖，與之相反的是，東湖的小型藻類生物量低于劉橋湖。RDA分析結(jié)果顯示，浮游甲殼動物(短尾秀體溞、廣布中劍水溞、象鼻溞和盔形溞等)與小型藻類(四尾柵藻、二形柵藻、球衣藻、卵形隱藻、針形纖維藻和集星藻等)密切相關。因此，浮游甲殼動物對東湖和劉橋湖浮游植物的群落結(jié)構(gòu)具有重要的影響。