安徽城東湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)與水質(zhì)評價

趙秀俠，盧文軒，，李靜，梁陽陽，方婷，楊坤

1. 安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水產(chǎn)研究所，合肥 230001

2. 水產(chǎn)增養(yǎng)殖安徽省重點實驗室，合肥 230001

0 前言

浮游植物是水生態(tài)系統(tǒng)中的初級生產(chǎn)者和食物鏈的基礎(chǔ)，在物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)換中起重要作用，在維持水生態(tài)系統(tǒng)平衡中具有重要地位；其群落種類組成、演替規(guī)律與水環(huán)境化學(xué)和生物等環(huán)境因子密切相關(guān)[1-3]。浮游植物種類組成、豐度以及多樣性指數(shù)等是評價水體富營養(yǎng)化和污染狀況的重要指標(biāo)，即不同營養(yǎng)型水體的浮游植物群落結(jié)構(gòu)具有不同特點[4-5]。浮游植物群落結(jié)構(gòu)研究一直是淺水湖泊水質(zhì)生物學(xué)評價的重要內(nèi)容。

城東湖位于安徽省六安市霍邱縣城東部，屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，具有四季分明、光照充足、雨量充沛等特點。 城東湖整體狹長，東西寬度 5.0 km，南北長度 39.0 km，平均水深 3.0 m，最深水位 6.0 m，湖面面積為 338 km2，湖底高程17.8 m，非汛期一般控制水位19.5 m，屬于淺水型湖泊[6]。城東湖位于淮河支流-汲河下游，是淮河中游重要的湖泊洼地和蓄洪區(qū)，國家級調(diào)蓄洪生態(tài)功能保護區(qū)和重要的生活飲用水水源地，同時也是霍邱縣東西湖省級自然保護區(qū)的重要組成部分，具有重要的生態(tài)服務(wù)功能。

城東湖是以城市供水為主，兼有防洪、農(nóng)業(yè)灌溉等綜合利用的水體。作為霍邱縣重要的飲用水源地，其水質(zhì)必須符合飲用水水質(zhì)標(biāo)準，為了確保城東湖供水安全，城東湖管理部門在控制湖區(qū)周圍污染源的同時，采取了凈水生態(tài)漁業(yè)技術(shù)措施調(diào)控湖泊水環(huán)境，防止湖泊富營養(yǎng)化及“水華”發(fā)生。目前關(guān)于城東湖生態(tài)學(xué)研究較少[6]，浮游植物群落結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)研究欠缺，而浮游植物種類組成及群落結(jié)構(gòu)研究是掌握城東湖生態(tài)系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)。為查明城東湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)及空間分布，本研究對城東湖2016—2017年浮游植物種類組成、群落結(jié)構(gòu)等生態(tài)學(xué)特征進行系統(tǒng)的調(diào)查研究，對水體營養(yǎng)狀態(tài)進行評價，以期為城東湖水域生態(tài)環(huán)境監(jiān)測和資源保護提供基礎(chǔ)資料。

1 材料和方法

1.1 采樣點設(shè)置與采樣時間

1.2 樣品采集與分析

1.2.1 浮游植物

圖1 城東湖浮游植物采樣點分布圖Figure 1 Sampling stations of phytoplankton in Chengdong Lake

浮游植物樣品采集參照相關(guān)文獻方法[7]。定性樣品: 以25#浮游生物網(wǎng)(網(wǎng)眼孔徑為64 μm)在水體表層呈“∞”字形撈取5 min左右，將濾取樣品放入標(biāo)本瓶中用于浮游植物定性分析；定量樣品: 以 1 L的Patalas有機玻璃采水器采集1 L水樣(表層和底層水混合)。定性和定量樣品各加入水樣體積1.5%魯哥氏液固定。每個樣點采集混合水樣1 L，4 oC保存用于理化參數(shù)分析。實驗室中采用常規(guī)方法處理樣品，在Olympus BX53顯微鏡下進行鑒定、計數(shù)[8]。浮游植物種類鑒定主要參照胡鴻鈞和魏印心的分類系統(tǒng)[9]。

1.2.2 理化參數(shù)測定

在各采樣點使用多參數(shù)水質(zhì)分析測定儀(YSI ProPlus)現(xiàn)場測定溶解氧(DO)、pH；塞氏盤測定水體透明度(SD)；總氮(TN)、總磷(TP)、化學(xué)需氧量(COD)、氯化物、總硬度、總堿度等參照《水和廢水監(jiān)測分析方法(第4版)》[10]進行測定。

1.2.3 浮游植物群落結(jié)構(gòu)參數(shù)

運用 Margalef物種豐富度指數(shù)(D)、Shannon-Wiener物種多樣性指數(shù)(H)、Pielou均勻度指數(shù)(J)(公式 1-4)[11-13]及浮游植物優(yōu)勢度等參數(shù)分析城東湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征。優(yōu)勢度Y≥0.02的為優(yōu)勢種[14]。各參數(shù)計算公式如下:

式中:S為浮游植物總種數(shù)；N為浮游植物個體總數(shù)；ni為第i種浮游植物個體數(shù)；fi為第i種浮游植物在各采樣點的出現(xiàn)頻率。水質(zhì)判定標(biāo)準:D＞5為水質(zhì)清潔，＞4為寡污型，＞3 為 β 中污型，＜3 為α 中污型；H值 0～1.0為重度污染，1.0～3.0 為中度污染(其中，1-2 為 α 中污，2-3為β中污)，＞3.0為輕度污染或無污染；J值在0-0.3為重度污染，0.3-0.5為中度污染，0.5-0.8為輕度污染[14-15]。

她一下子想起的是瓦塘，那個就在身邊卻一直沒有真正回過的家，現(xiàn)在她再也不敢，沒有資格回去了，她覺得她已經(jīng)不像瓦塘的女兒，不過夠資格了，盡管她的渾身流淌著瓦塘的血液?！靶〔?，我真渾?。　?/p>

1.3 數(shù)據(jù)分析

運用軟件 SPSS 20.0進行數(shù)據(jù)分析處理，利用Canono 4.5軟件對浮游植物物種和環(huán)境數(shù)據(jù)進行除趨勢對應(yīng)分析(DCA)與冗余分析(RDA)。采用Origin 9.0軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 理化參數(shù)分析

2016年、2017年調(diào)查期間城東湖水質(zhì)理化指標(biāo)見表 1，參照地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(GB38383—2002)對城東湖水質(zhì)進行分析評價，結(jié)果為Ⅱ-Ⅲ類水質(zhì)。

表1 城東湖水質(zhì)理化參數(shù)Table 1 Physicochemical parameters in Chengdong Lake

2.2 浮游植物種類組成及優(yōu)勢種

本次調(diào)查浮游植物定性樣品中，共鑒定硅藻門、綠藻門、黃藻門、甲藻門、金藻門、藍藻門、裸藻門、隱藻門，8 門，56 屬，106 種(含變種)。其中綠藻門 25 屬50種，占總種類數(shù)的47.17%；硅藻門其次，13屬23種，占總種類數(shù)的21.70%；裸藻門4屬12種，占總種類數(shù)的11.32%；藍藻門6屬10種，占總種類數(shù)的9.43%；甲藻門3屬3種，占總種類數(shù)的2.83%；金藻門1屬3種2.83%；黃藻門2屬2種，占總種類數(shù)的1.89%。從種類組成數(shù)量分析，城東湖浮游植物以綠藻、硅藻類群為主，裸藻類群其次(表 2)，種類組成隨著采樣時間不同有所差異。

根據(jù)浮游植物優(yōu)勢度的計算結(jié)果(見表4)，優(yōu)勢度值大于0.02的優(yōu)勢種共有30種，其中綠藻門種類11種，種類最多，其次為硅藻門和藍藻門類群物種，均為6種。浮游植物優(yōu)勢種在不同的采樣時間有所變動，顆粒直鏈藻極狹變種Melosira granulatevar.angustissima為秋冬季主要優(yōu)勢種，在調(diào)查月份中均為優(yōu)勢種，卵形隱藻Cryptomonas ovata，嚙蝕隱藻Cryptomonas erosa，分歧錐囊藻Dinobryon divergens為次要優(yōu)勢種。

2.3 浮游植物細胞豐度與生物量

調(diào)查期間，城東湖藍藻類群的相對豐度為53.80%，為絕對的優(yōu)勢類群，硅藻與綠藻類群相對豐度分別為19.95%、14.97%，隱藻、金藻與裸藻類群相對細胞豐度為 5.89%、2.66%與1.88%，甲藻和黃藻所占比例較低，分別為0.78%和0.07%。藍藻類群是城東湖浮游植物細胞豐度主體，其次為硅藻和綠藻類群。浮游植物生物量方面，硅藻相對生物量為33.39%，綠藻類群相對生物量為 26.01%，裸藻和隱藻類群相對生物量分別為 14.91%和 13.13%，甲藻和黃藻類群相對生物量較低，分別為4.06%和0.23%。硅藻生物量是城東湖浮游植物生物量的主體(表3)。

表2 城東湖浮游植物物種種類組成(%)Table 2 Phytoplankton species composition in Chengdong Lake during the sampling period (%)

表3 城東湖浮游植物及各類群細胞豐度與生物量Table 3 Abundance and biomass of phytoplankton and its taxas in Chengdong Lake

在調(diào)查期間，浮游植物細胞豐度總范圍為0.559×104cells·L-1—31.454×104cells·L-1，平均為6.773×104cells·L-1；浮游植物各門類細胞豐度有差異，在 2016年 7月、8月，溫度滿足藍藻、硅藻大量繁殖需求，細胞豐度達到峰值；在10月、11月隨水溫下降，對水溫變化敏感，喜透明度高、有機質(zhì)含量少的清水型的金藻類群開始出現(xiàn)。

調(diào)查期間，采樣點浮游植物生物量范圍為0.575—1.745 mg·L-1，生物量最高值出現(xiàn)在 1#采樣點(1.745 mg·L-1)，最低值出現(xiàn)在 8#采樣點(0.575 mg·L-1)。采樣點生物量以硅藻、綠藻、裸藻類群為主，硅藻類群比例最高為 48.22%；綠藻類群比例最高為 45.80%；裸藻類群占總生物量比例最高為28.81%(圖2)。綜合分析，浮游植物總細胞豐度在水平分布上差異不顯著(P＞0.05)，月份分布上差異顯著(r= -0.657，P＜0.05)；生物量在水平分布上差異不顯著(P＞0.05)，月份分布上差異不顯著(P＞0.05)。

圖2 城東湖不同采樣點浮游植物及各類群細胞豐度與生物量Figure 2 Cell abundance and biomass of phytoplankton and taxa in different sampling sites in Chengdong Lake

表4 城東湖浮游植物優(yōu)勢種Table 4 The dominant species in Chengdong Lake

2.4 浮游植物種類多樣性指數(shù)及水質(zhì)生物學(xué)評價

本研究使用浮游植物群落結(jié)構(gòu)的豐富度指數(shù)D、物種多樣性指數(shù)H’和均勻度指數(shù)J對城東湖進行水質(zhì)評價。結(jié)果表明，多樣性指數(shù)在不同月份、 各采樣點間有較大差異(圖 3)。浮游植物物種豐富度指數(shù)D值范圍在0.627—3.830之間，均值為2.029，參照豐富度指數(shù)水質(zhì)評價標(biāo)準，判定城東湖為 α-β中污型水質(zhì)。Shannon-Wiener指數(shù)H’范圍為 0.741—4.118，均值為2.193，依據(jù)H’值水質(zhì)評價標(biāo)準，為β中度污染狀態(tài)。浮游植物均勻度指數(shù)J值范圍0.247—0.975，平均值為0.714，依據(jù)J值判定城東湖水體為清潔-輕度污染。

綜合多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)評價結(jié)果，城東湖為中營養(yǎng)型水體，不同采樣月份之間有差別。分析除與水溫條件有關(guān)外，還可能與湖體形狀、底質(zhì)類型、水源等有關(guān)系，城東湖為南北狹長型湖泊，汲河為主要入湖水源，城東湖平均水位20 m以上，由于水體不易排出，水質(zhì)變化受季節(jié)變化影響較大。

圖3 城東湖浮游植物Margalef豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)分布Figure 3 Distribution of Margalef index, Shannon-Wiener index and Pielou index of phytoplankton in Chengdong Lake

2.5 浮游植物與環(huán)境因子的關(guān)系

運用除趨勢對應(yīng)分析(DCA)和典范對應(yīng)分析(CCA)對浮游植物群落結(jié)構(gòu)及其環(huán)境因子關(guān)系進行研究。為了使研究結(jié)果更加準確，在進行對應(yīng)分析之前，按浮游植物種類出現(xiàn)頻率和相對豐度進行篩選，首先將環(huán)境因子(除 pH)經(jīng)過 lg(x+1)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，使得趨于正態(tài)分布；其次，用于排序分析的浮游植物物種在各樣點出現(xiàn)頻率≥15%，以降低稀有物種權(quán)重[16]。

DCA分析結(jié)果顯示，2017年樣點基本聚為一組，2016年樣點聚為一組(圖4)。運用CANOCO4.5先進行DCA分析以檢驗其第1軸的梯度長，其結(jié)果為 2.521，因此選擇 RDA分析進行約束性排序。通過前選法(forward selection)和蒙特卡羅檢驗(Monte Carlo permutation test)排除貢獻小的因子，最后得出水深(WD)、透明度(SD)、溶解氧(DO)、化學(xué)需氧量(COD)、總氮(TN)、總磷(TP)、總硬度、總堿度為影響城東湖浮游植物分布的環(huán)境因子(P＜0.05)(圖 5)其中，SD與浮游植物群落結(jié)構(gòu)的相關(guān)性最強(r=0.86)。RDA分析結(jié)果顯示，前3軸的累計值占特征值總和的82.90%，表明這3軸集中了約4/5的環(huán)境因子對浮游植物分布格局影響的信息(表5)。

圖4 基于物種豐度的 DCA 排序圖(?為 2016年樣品, ○為2017年樣品)Figure 4 DCA ordination based on species abundance (?represents samples of 2016, ○represents samples of 2017)

圖5 采樣點-環(huán)境相互關(guān)系RDA排序圖(?為2016年樣品, ○為2017年樣品)Figure 5 RDA of the sampling site-environment relationships(? represents samples of 2016, ○ represents samples of 2017)

篩選的各環(huán)境因子對 RDA各軸的貢獻存在顯著差異(P＜0.05)(表 5)，其中，SD、總堿度與第 1 軸呈顯著正相關(guān)(r=0.86，r=0.82)，總磷與總硬度與第2軸呈正相關(guān)(r=0.68，r=0.66)。RDA 分析表明，2016年浮游植物細胞豐度與 TN、TP呈負相關(guān)關(guān)系，與COD、水體總硬度呈負相關(guān)；2017年浮游植物豐度主要與SD、總堿度及DO 相關(guān)(圖5)。RDA分析結(jié)果表明，與浮游植物群落結(jié)構(gòu)相關(guān)性較強的環(huán)境因子在各采樣點是不同的，并且各采樣點在RDA第1軸和第2軸上得到較好的分化。

3 討論

3.1 城東湖浮游植物群落分布特征

不同湖泊生態(tài)系統(tǒng)浮游植物群落組成和動態(tài)變化隨著所在地域與水體類型差異而不同[17-18]，城東湖本次調(diào)查的浮游植物群落組成以綠藻、硅藻為主要類群，物種數(shù)量組成上綠藻和硅藻占優(yōu)勢(60%以上)，裸藻次之。這不僅體現(xiàn)在總物種的相對組成上，也體現(xiàn)在不同類群相對組成的空間分布特征上，這與國內(nèi)外湖泊的浮游植物群落組成模式相符合[19-21]，也說明城東湖水質(zhì)現(xiàn)狀較好。

表5 RDA分析Table 5 Summary results of RDA

有研究表明人類活動對浮游植物群落結(jié)構(gòu)組成有重要影響[22]，其中，水體交換能力是影響浮游植物空間分布的一個重要因素[23-24]。本研究發(fā)現(xiàn)，1#、2#、3#樣點藍藻細胞豐度比例相對較高，浮游植物生物量以硅藻、綠藻類群為主，這 3個樣點位于城東湖下游東湖閘附近，而東湖閘僅在作為淮河蓄洪區(qū)功能時開放(常年處于關(guān)閉狀態(tài))，水體滯留時間長，水量交換更新周期較長，營養(yǎng)物質(zhì)沉積較多；8#、9#、10#樣點浮游植物群落相似性較高，這3個樣點位于城東湖主要入湖河流汲河河口附近，河流營養(yǎng)鹽的外源補充，增加物種豐富度同時對浮游植物群落有稀釋作用。此外，浮游植物分布差異可能與水情狀況有關(guān)，城東湖是相對封閉、靜止型湖泊，為適宜細胞體積小具偽空胞的藍藻類群繁殖，形成藍藻類群細胞豐度占據(jù)一定優(yōu)勢提供條件。

此外，入湖河流周圍未發(fā)現(xiàn)明顯污染源，浮游植物群落結(jié)構(gòu)受外源污染影響程度較小。本次城東湖調(diào)查區(qū)域在霍邱縣城東側(cè)且地理位置相差不遠，調(diào)查期間浮游植物群落結(jié)構(gòu)整體上具有一定的相似性，推測河流外源補充、閘壩的干擾與水體滯留是影響城東湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)的主要因素之一。

3.2 城東湖浮游植物多樣性指數(shù)與水質(zhì)評價

浮游植物對水質(zhì)環(huán)境變化敏感，其群落結(jié)構(gòu)特征具有一定的時序變化性，常被用于水質(zhì)評價[25]；可以根據(jù)不同時期多樣性指數(shù)，判定湖泊營養(yǎng)化程度的發(fā)展趨勢[26-27]。本研究選用了使用最為廣泛的指示物種法、多樣性指數(shù)與理化指標(biāo)綜合評價城東湖水質(zhì)現(xiàn)狀。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，運用 Shannon-Wiener多樣性指數(shù)H’、Margalef物種豐富度指數(shù)D與Pielou均勻度指數(shù)J的評價結(jié)果有一定的差異，已有研究表明多樣性指數(shù)進行水質(zhì)評價的結(jié)果有一定差異[28]。由于水域環(huán)境、計數(shù)方法等多方面的因素會對多樣性指數(shù)產(chǎn)生影響，結(jié)合主要水體理化指標(biāo)(TN范圍0.87—1.61 mg·L-1，TP范圍 0.12—0.27 mg·L-1)進行綜合評價，城東湖水質(zhì)處于輕度污染-α中污的過渡水平。

3.3 城東湖浮游植物結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子關(guān)系

淮河中下游地區(qū)多數(shù)湖泊為淺水型湖泊，淺水型湖泊的主要特點為單位水體具有更大的沉積物-水接觸面積，具有更高的透光層深度/水深比例，頻繁的水土界面物質(zhì)交換，因此也具有更復(fù)雜的生態(tài)類型、營養(yǎng)鹽循環(huán)機制及營養(yǎng)鹽交換關(guān)系[29-31]。關(guān)于淮河中下游地區(qū)湖泊浮游植物群落結(jié)構(gòu)與營養(yǎng)鹽的關(guān)系問題，雖然在個別湖泊中已有研究，然而缺乏大量淺水型湖泊的比較湖沼學(xué)研究，因此，對淺水型湖泊浮游植物分布規(guī)律及其與營養(yǎng)鹽的生態(tài)效應(yīng)關(guān)系的認識仍有不足。

淮河流域淺水型湖泊水質(zhì)多為中營養(yǎng)-富營養(yǎng)型水平，這些湖泊的浮游植物群落組成均主要以綠藻、硅藻、藍藻為主，浮游植物群落結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律較為相似，硅藻與綠藻為全年優(yōu)勢種[32-37]。這種結(jié)構(gòu)上的相似性可能與湖泊類型、水動力過程、水溫等因素相關(guān)，淺水型湖泊在水體上下層交換、營養(yǎng)鹽生化循環(huán)與分布中更有優(yōu)勢；且綠藻、硅藻對水溫、光照等具有很好的適應(yīng)能力，在不同季節(jié)均能獲得競爭優(yōu)勢。將城東湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)與鄰近水體相比較發(fā)現(xiàn)，其多樣性指數(shù)(H’=2.19)低于高郵湖(H’＞3，J＞0.7)、沱湖(H’=2.6—3.8，J=0.5—0.8)；與洪澤湖(H’=1.63，J=0.69)相比較，城東湖浮游植物多樣性(H’=2.19)高于洪澤湖，均勻度(J=0.71)與洪澤湖相當(dāng)。城東湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)多樣性較低原因分析，可能與城東湖水生植物覆蓋率低于高郵湖、沱湖，城東湖浮游植物群落多樣性高于洪澤湖，分析原因可能與水體滯留時間有關(guān)，洪澤湖是過水性湖泊，換水周期較快；而城東湖相對較封閉，換水周期較慢，浮游植物易于聚集。一般情況下，在合適的氮磷比值范圍內(nèi)，浮游植物會隨著水體中氮、磷濃度增加而快速增殖，浮游植物的增殖速度與水體中氮、磷濃度呈正相關(guān)關(guān)系[38-39]。在本研究中，總氮、總磷濃度與浮游植物呈負相關(guān)，分析原因可能與城東湖水體中總氮、總磷濃度水平相對較高(總氮處于中度營養(yǎng)水平，總磷處于輕度到中度營養(yǎng)水平)，不能成為浮游植物生長的限制性因素有關(guān)。

調(diào)查期間，城東湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)與透明度、總堿度、溶氧等環(huán)境因子相關(guān)性較強，表明這3個水環(huán)境因子是影響城東湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)最主要的環(huán)境因子。透明度是衡量水體光學(xué)性質(zhì)的重要參數(shù)，主要影響水體光吸收與散射作用，不同透明度水層所接受的光照強度以及水體熱力學(xué)狀態(tài)有差異，進而影響浮游植物群落組成[40]。影響水體透明度的主要因素為泥沙濃度、水體懸浮物濃度等，其中，懸浮物包括無機顆粒(泥沙等)和有機顆粒(浮游植物、腐殖質(zhì)等)，而浮游植物等有機懸浮物主要取決于生物量的累積[41]。本研究中，城東湖浮游植物生物量空間分布差異小、時間分布差異大，水體透明度與生物量之間的相關(guān)性較強，在季節(jié)變化上，兩者擬合度也較好，進一步說明水體透明度對浮游植物累積量有明顯影響。

綜上所述，城東湖水質(zhì)整體處于中營養(yǎng)水平。城東湖作為霍邱縣城及周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)主要飲用水水源地，其水質(zhì)有待進一步加強調(diào)控管理。目前城東湖漁業(yè)利用方式僅限人工增殖放流和自然增殖，相關(guān)管理部門開展的凈水生態(tài)漁業(yè)通過優(yōu)化濾食性鰱鳙魚類放養(yǎng)比例，發(fā)揮其對浮游植物的下行效用，優(yōu)化捕撈方案等對防控城東湖水體營養(yǎng)化程度具有重要意義。

致謝: 感謝安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院韋眾教授提供本研究的理化數(shù)據(jù)。