南海湖非冰封期浮游植物群落生態(tài)特征及其與環(huán)境因子關(guān)系*

楊文煥 申 涵 李衛(wèi)平# 卜楠龍 張明鈺

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.包頭南海濕地管理處，內(nèi)蒙古 包頭 014040)

湖泊具有相對(duì)封閉且水流緩慢等特點(diǎn)，當(dāng)?shù)?、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)大量輸入湖泊時(shí)，就容易造成水體富營(yíng)養(yǎng)化，城市小型湖泊更易受到外界輸入的影響[1]。

浮游植物作為水體中的初級(jí)生產(chǎn)者，其種類、密度及多樣性對(duì)水環(huán)境變化反應(yīng)敏感，常作為評(píng)估水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要指標(biāo)[2-5]。國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者利用浮游植物來(lái)監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)水質(zhì)情況[6-8]。

南海湖(40°30′8″N～40°33′32″N，109°59′2″E～110°2′26″E)位于內(nèi)蒙古包頭市東河區(qū)南側(cè)，是黃河改道南移后形成的河跡湖，湖面面積約333 hm2。特殊的地理位置、氣候特征和水文地質(zhì)條件使其成為高緯度寒旱區(qū)獨(dú)特的河跡湖生態(tài)系統(tǒng)[9]。近年來(lái)，由于受黃河補(bǔ)水量減少、人口增多、城市污染等影響，南海湖水體質(zhì)量下降，各種浮游植物大量生長(zhǎng)，富營(yíng)養(yǎng)化已成為南海湖主要的環(huán)境問(wèn)題，生態(tài)系統(tǒng)受到威脅，特別是非冰封期。于玲紅等[10]研究了南海湖的細(xì)菌群落及其多樣性；楊文煥等[11]研究了南海湖營(yíng)養(yǎng)鹽和葉綠素a的時(shí)空分布特征；于玲紅等[12]和高靜湉等[13]對(duì)南海湖的生態(tài)系統(tǒng)功能和水質(zhì)狀況進(jìn)行了分析和評(píng)價(jià)；姜慶宏等[14-15]對(duì)南海湖浮游植物不同時(shí)期的群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步研究。然而，南海湖浮游植物群落生態(tài)特征及其與環(huán)境因子關(guān)系的研究目前還鮮有報(bào)道。

本研究對(duì)南海湖水體環(huán)境因子和浮游植物種類、密度等進(jìn)行了調(diào)查，并分析探討了浮游植物群落生態(tài)特征及其與環(huán)境因子的關(guān)系，以期為南海湖水環(huán)境保護(hù)及綜合治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣點(diǎn)布置及采樣時(shí)間

參考《地表水和污水監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 91—2002)，并根據(jù)南海湖的地形地貌及其周邊環(huán)境，共設(shè)置12個(gè)采樣點(diǎn)(見(jiàn)圖1)。其中，1號(hào)采樣點(diǎn)位于進(jìn)水口處，湖泊出水口已終止出水，湖泊整體靠人工抽取黃河水進(jìn)行補(bǔ)水，水分散失僅靠蒸發(fā)和下滲，5號(hào)采樣點(diǎn)有一排污口，12號(hào)采樣點(diǎn)位于蘆葦區(qū)。采樣時(shí)間為2017、2018年的非冰封期(5—10月)，平行測(cè)定兩年，每月的數(shù)據(jù)取兩年平均值。

圖1 南海湖采樣點(diǎn)布置Fig.1 Sampling sites distribution in Nanhai Lake

1.2 樣品采集及測(cè)定

使用聚乙烯瓶在每個(gè)采樣點(diǎn)采集1 L水樣，加入魯哥試劑固定，帶回實(shí)驗(yàn)室靜置沉淀48 h，利用虹吸法吸去上清液，將樣品濃縮至50 mL，搖勻后吸取0.1 mL在OLYMPUS BX51型顯微鏡下鑒定浮游植物種類并計(jì)數(shù)[16-17]。同時(shí)在采樣現(xiàn)場(chǎng)利用法國(guó)PONSEL DDEON雙通道多參數(shù)便攜式水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀測(cè)定溫度、DO、pH，并用聚乙烯瓶采集1 L水樣，帶回實(shí)驗(yàn)室分別用堿性過(guò)硫酸鉀消解—紫外分光光度法、過(guò)硫酸鉀消解—鉬酸銨分光光度法、納氏試劑分光光度法、重鉻酸鉀氧化滴定法、丙酮萃取分光光度法測(cè)定TN、TP、氨氮、COD、葉綠素a。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

用優(yōu)勢(shì)度指數(shù)來(lái)判斷浮游植物群落優(yōu)勢(shì)種，計(jì)算方法參考文獻(xiàn)[18]。

用Margalef豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)對(duì)浮游植物群落多樣性進(jìn)行分析，計(jì)算方法參考文獻(xiàn)[19]。

用生態(tài)位寬度和生態(tài)位特定重疊指數(shù)分析浮游植物群落生態(tài)位，計(jì)算方法參考文獻(xiàn)[20]。

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境因子特征

表1為南海湖非冰封期各環(huán)境因子不同月份的變化情況。由表1可知，溫度在9.03 ～25.64 ℃之間變化，各月份間溫度均存在極顯著差異(P<0.01)；9月與其他月份pH差異極顯著(P<0.01)，其他各月份間pH差異不顯著，平均值為9.23；DO在5、10月極顯著高于其他月份(P<0.01)；TN為2.25～3.54 mg/L，平均值為2.88 mg/L，TN隨月份增大總體呈現(xiàn)平穩(wěn)上升的趨勢(shì)，10月與其他月份差異顯著(P<0.05)；氨氮為0.66～1.42 mg/L，平均值為1.22 mg/L，5月與其他月份存在極顯著差異(P<0.01)；TP為0.08～0.47 mg/L，平均值為0.31 mg/L，各月份間TP均存在極顯著差異(P<0.01)；COD為72.22～134.20 mg/L，平均值為106.12 mg/L，隨月份增大呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，5、8月與其他月份差異顯著(P<0.05)；葉綠素a變化幅度較大，隨月份增大總體呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，變化范圍為30.57～61.27 mg/m3，平均值為44.59 mg/m3，7月與其他月份差異顯著(P<0.05)。

2.2 浮游植物種類

表1 南海湖非冰封期的環(huán)境因子特征

本次調(diào)查共發(fā)現(xiàn)綠藻門(Chlorophyta)、硅藻門(Bacillariophyta)、藍(lán)藻門(Cyanophyta)、裸藻門(Euglenophyta)、金藻門(Cryphtophyta)、隱藻門(Chrysophyta)和黃藻門(Xanthophyta)浮游植物共計(jì)80屬157種(含變種)。其中，綠藻門種數(shù)最多，共62種，然后依次是硅藻門(40種)、藍(lán)藻門(32種)、裸藻門(10種)、金藻門(6種)、黃藻門(4種)、隱藻門(3種)。從圖2可見(jiàn)，位于蘆葦區(qū)的12號(hào)采樣點(diǎn)附近浮游植物種數(shù)最多，整體呈現(xiàn)東高西低、南高北低的趨勢(shì)。分析圖3可知，浮游植物種數(shù)7月最多，10月最少。

圖2 浮游植物種數(shù)的空間分布Fig.2 Spatial distribution of phytoplankton species

圖3 浮游植物種數(shù)的時(shí)間分布Fig.3 Temporal distribution of phytoplankton species

2.3 浮游植物密度

由圖4可知，南海湖非冰封期浮游植物密度為23.35×106～126.00×106個(gè)/L，平均值為66.78×106個(gè)/L，在時(shí)間和空間上均呈現(xiàn)明顯的差異，最高值出現(xiàn)在7月的6號(hào)采樣點(diǎn)，最低值出現(xiàn)在10月的5號(hào)采樣點(diǎn)。從時(shí)間上看，各采樣點(diǎn)浮游植物密度呈現(xiàn)出單峰型，5—7月升高，而后下降。從空間上看，各月均呈現(xiàn)出湖心高、四周低的趨勢(shì)，排污口、蘆葦區(qū)附近浮游植物密度相對(duì)較低。

圖4 浮游植物密度時(shí)空分布Fig.4 Temporal and spatial distribution of phytoplankton density

由圖5可知，5月綠藻門相對(duì)密度最大，10月硅藻門相對(duì)密度最大，而藍(lán)藻門在7、8月相對(duì)密度最大。這是因?yàn)榫G藻門和硅藻門很多是普生種和冷水種，而藍(lán)藻門大都喜高溫，通常在20 ℃以上的水溫下才能大量的生長(zhǎng)繁殖。

圖5 浮游植物各門相對(duì)密度Fig.5 The phylas relative density of phytoplankton

2.4 浮游植物群落優(yōu)勢(shì)種

根據(jù)優(yōu)勢(shì)度指數(shù)得出南海湖非冰封期浮游植物優(yōu)勢(shì)種共13種，其中藍(lán)藻門6種、綠藻門4種、硅藻門2種、裸藻門1種。從表2可以看出，南海湖優(yōu)勢(shì)種主要在藍(lán)藻門和綠藻門，檢出率較高的優(yōu)勢(shì)種有微小平裂藻、水華束絲藻和螺旋弓形藻，其中微小平裂藻連續(xù)6個(gè)月均為優(yōu)勢(shì)種，水華束絲藻和螺旋弓形藻有5個(gè)月為優(yōu)勢(shì)種，微小平裂藻和螺旋弓形藻指示的水質(zhì)狀態(tài)為α-中污帶或β-中污帶[21]，說(shuō)明南海湖水質(zhì)總體呈現(xiàn)中污染狀態(tài)。

2.5 浮游植物群落多樣性分析

Margalef豐富度指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為0～1重污染、>1～3中污染、>3輕污染或無(wú)污染[22]。從圖6(a)可見(jiàn)，南海湖非冰封期浮游植物Margalef豐富度指數(shù)為1.48～3.20，平均值為2.39，總體為中污染。Shannon-Wiener多樣性指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為0～1重污染、>1～3中污染、>3 輕污染或無(wú)污染[23]。從圖6(b)可見(jiàn)，南海湖非冰封期浮游植物Shannon-Wiener多樣性指數(shù)為0.82～3.40，平均值為1.81，總體為中污染。Pielou均勻度指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為0～0.3重污染、>0.3～0.5中污染、>0.5～0.8輕污染[24]。從圖6(c)可見(jiàn)，南海湖非冰封期浮游植物Pielou均勻度指數(shù)為0.22～0.84，平均值為0.46，總體也為中污染。綜上所述，南海湖水質(zhì)總體處于中污染狀態(tài)，與優(yōu)勢(shì)種的指示結(jié)果一致。

表2 浮游植物優(yōu)勢(shì)種

注：1)-表示不能明確指示水質(zhì)狀態(tài)。

圖6 浮游植物群落多樣性分析Fig.6 Variety analysis of phytoplankton

2.6 浮游植物群落生態(tài)位分析

生態(tài)位理論在現(xiàn)代生態(tài)學(xué)中起著核心作用[25]。生態(tài)位寬度不僅能表現(xiàn)物種所占用的資源量，還能反映物種的群落分布規(guī)律[26]。生態(tài)位特定重疊指數(shù)反應(yīng)的是若干資源類別中每一物種所消耗的資源量，其值正/負(fù)表明物種屬于發(fā)展/衰退狀態(tài)，其絕對(duì)值大小說(shuō)明該物種發(fā)展或衰退的程度，其值若為0，則表明該物種為中性種[27]。

由表3可以看出，在所有優(yōu)勢(shì)種中，綠藻門的螺旋弓形藻和藍(lán)藻門的水華束絲藻的生態(tài)位寬度較寬，說(shuō)明這兩種浮游植物分布廣泛而均勻，數(shù)量較多，資源利用充分。

表3 浮游植物群落生態(tài)位分析

整體來(lái)看，綠藻門擁有較大的發(fā)展空間，球衣藻的發(fā)展空間最大。綠藻門的四尾柵藻、藍(lán)藻門的為首螺旋藻和阿氏項(xiàng)圈藻、硅藻門和裸藻門的浮游植物呈衰退狀態(tài)，其中多形裸藻衰退程度最大。

2.7 浮游植物與環(huán)境因子的關(guān)系

采用CANOCO 4.5軟件對(duì)浮游植物種群與環(huán)境因子進(jìn)行梯度分析，浮游植物主要考慮優(yōu)勢(shì)種以及檢出率大于12.5%且至少在一個(gè)樣點(diǎn)中相對(duì)密度大于1%的常見(jiàn)種，環(huán)境因子不考慮與浮游植物關(guān)系比較明確的葉綠素a。首先對(duì)物種和環(huán)境因子做去除趨勢(shì)對(duì)應(yīng)分析(DCA)，最大梯度長(zhǎng)度小于3，因此進(jìn)行基于線性模型的冗余分析。

排序軸1和排序軸2的特征值分別為0.245、0.212，其物種與環(huán)境因子的相關(guān)系數(shù)分別為0.913、0.928，說(shuō)明結(jié)果能較好地反映南海湖浮游植物分布及其與環(huán)境因子的關(guān)系。分析結(jié)果表明，TN、TP、pH和溫度是影響南海湖非冰封期浮游植物分布的主要環(huán)境因子。四尾柵藻、螺旋弓形藻、鐮形纖維藻等與TN顯著相關(guān)(P>0.05)，這與李興等[28]研究得出的烏梁素海綠藻門與TN密切相關(guān)的研究結(jié)果相似；水華束絲藻、不定微囊藻、阿氏項(xiàng)圈藻與TP、溫度具有很大的相關(guān)性，李建茹等[29]也認(rèn)為藍(lán)藻門主要與TP有密切關(guān)系；近緣針桿藻、克洛脆桿藻與pH呈顯著相關(guān)(P>0.05)。

3 討 論

影響浮游植物群落結(jié)構(gòu)變化的機(jī)理是比較復(fù)雜的。雖然每種環(huán)境因子都可能成為浮游植物生長(zhǎng)的潛在限制性因素，但是影響浮游植物的主要環(huán)境因素通常是營(yíng)養(yǎng)鹽(特別是氮磷)和溫度[30]。一般認(rèn)為，水體中TN超過(guò)0.2 mg/L、TP超過(guò)0.02 mg/L時(shí)，水華暴發(fā)的可能性將大大增加[31]。南海湖非冰封期TN平均值為2.88 mg/L，TP平均值為0.31 mg/L，有較大的潛在水華暴發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。

優(yōu)勢(shì)種可以從其基本生態(tài)位中與處于劣勢(shì)地位的物種進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，甚至在極端情況下會(huì)使其滅絕。物種的存在與否主要取決于它們的生存和擴(kuò)散策略，兩個(gè)物種之間的競(jìng)爭(zhēng)可能導(dǎo)致生態(tài)位特定重疊指數(shù)發(fā)生變化。當(dāng)物種間競(jìng)爭(zhēng)變得激烈，生態(tài)位特定重疊指數(shù)便會(huì)升高。

在實(shí)地采樣過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，南海湖非冰封期湖水呈綠色，透明度較低，并且7、8月湖水的顏色更深。南海湖水質(zhì)總體處于中污染狀態(tài)說(shuō)明，浮游植物的大量生長(zhǎng)已嚴(yán)重影響了南海湖的水質(zhì)狀況。

4 結(jié) 論

(1) 南海湖非冰封期(5—10月)調(diào)查發(fā)現(xiàn)浮游植物7門80屬157種(含變種)，以綠藻門、硅藻門、藍(lán)藻門為主，主要優(yōu)勢(shì)種為微小平裂藻、水華束絲藻和螺旋弓形藻。浮游植物種數(shù)7月最多、10月最少，空間上呈現(xiàn)東高西低、南高北低的趨勢(shì)。

(2) 浮游植物密度為23.35×106～126.00×106個(gè)/L，平均值為66.78×106個(gè)/L，時(shí)間上呈現(xiàn)單峰型，空間上湖心高、四周低。

(3) 南海湖非冰封期水質(zhì)總體處于中污染狀態(tài)。

(4) TN、TP、pH和溫度是影響浮游植物分布的主要環(huán)境因子，綠藻門與TN關(guān)系密切，藍(lán)藻門與TP、溫度關(guān)系密切，硅藻門與pH關(guān)系密切。