朱玉磊,胡曉東,豐 葉 ,陳文猛
(1.江蘇省水利科學研究院,江蘇 南京 210017;2.河海大學農(nóng)業(yè)科學與工程學院,江蘇 南京 211100)
作為湖泊生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ),浮游植物貢獻了全球50%的初級生產(chǎn)力[1],且具有種群規(guī)模大、世代時間短的特點,能夠?qū)Νh(huán)境變化作出快速反應(yīng)[2]。對于湖泊和水庫這類靜態(tài)的水體,長時間的停留和低流速會促使浮游植物快速增長和大量繁殖[3]。
浮游植物的群落結(jié)構(gòu)可以反映湖泊的水質(zhì)狀況,優(yōu)勢種能夠指示水體的營養(yǎng)情況[4],因此浮游植物常被用來反映水體特征和水生態(tài)情況[5-7]。崔揚等[8]研究天目湖沙河水庫時發(fā)現(xiàn),浮游植物種群結(jié)構(gòu)的時空分布與水質(zhì)時空差異關(guān)系密切。王瑜等[9]則采用浮游植物的群落結(jié)構(gòu)來評價白洋淀的水質(zhì)狀況。王俊莉等[10]通過研究浮游植物的群落結(jié)構(gòu)對安徽太平湖進行水環(huán)境生態(tài)評價。不僅如此,浮游植物的特征及其對環(huán)境因子的響應(yīng)已成為當前研究水生態(tài)環(huán)境情況的熱門話題,部分環(huán)境因子也成為預(yù)測浮游植物群落演變趨勢的重要方法[11-12]。通過研究滇池浮游植物的群落特征及其與環(huán)境因子的關(guān)系,王華等[13]揭示了滇池浮游植物的群落結(jié)構(gòu)、生態(tài)規(guī)律及其影響群落分布的主要環(huán)境變量。因此,浮游植物的群落結(jié)構(gòu)和空間格局與環(huán)境因子密切相關(guān),識別某一特定水體中浮游植物的主要控制因子,是管理和保護該水生態(tài)系統(tǒng)必不可少的途徑[3]。
寶應(yīng)湖是淮河下游重要的調(diào)蓄型湖泊之一,在防洪排澇、供水灌溉、生態(tài)補水以及景觀娛樂等方面均有重要作用。對于寶應(yīng)湖浮游植物的研究較少,年代較早[14-16],且這些研究還未從較長時間序列上揭示寶應(yīng)湖浮游植物群落變異與水質(zhì)之間的關(guān)系。特別是近年來,寶應(yīng)湖在發(fā)揮南水北調(diào)東線工程重要調(diào)水功能時,缺少相應(yīng)的浮游植物、水體水質(zhì)變化研究。因此,該研究主要從2014—2019年寶應(yīng)湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)演變的角度出發(fā),調(diào)查寶應(yīng)湖浮游植物的現(xiàn)狀及其演變趨勢,并分析其主要的環(huán)境因子,評估寶應(yīng)湖的水質(zhì)狀況,為寶應(yīng)湖管理與保護提供支撐。
寶應(yīng)湖位于江蘇省揚州市,其地理坐標為33°02′46″~33°24′55″ N,119°07′43″~119°42′51″ E,位于亞熱帶季風氣候區(qū)[15]。寶應(yīng)湖是運西湖群中面積最小的一個湖泊,屬于淺水封閉型湖泊。寶應(yīng)湖湖面狹長,全湖長23.8 km,最大寬度4.4 km,平均寬度1.8 km,面積42.8 km2,最大水深2.20 m,平均水深1.13 m。寶應(yīng)湖多年平均水位6.06 m,歷年最高水位7.16 m,最低水位5.09 m,絕對變幅2.07 m(國家農(nóng)業(yè)科學數(shù)據(jù)共享中心,2019年)。
全湖設(shè)立5個監(jiān)測點位(圖1),監(jiān)測點基本覆蓋了寶應(yīng)湖的全部功能區(qū)域以及代表性地形。監(jiān)測頻率為每月1次。
圖1 寶應(yīng)湖生態(tài)監(jiān)測采樣點
水溫、濁度、電導(dǎo)率、礦化度、pH值、溶解氧(DO)濃度、葉綠素a(Chl-a)濃度等參數(shù)采用YSI公司生產(chǎn)的EXO型水質(zhì)多參數(shù)分析儀測定;透明度(SD)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、氨氮(NH4+-N)濃度、總磷(TP)濃度、總氮(TN)濃度、化學需氧量(COD)和生化需氧量(BOD5)參照文獻[17]測定。
依據(jù)DB32/T 3202—2017《湖泊水生態(tài)監(jiān)測規(guī)范》[18]開展寶應(yīng)湖水生生物的監(jiān)測工作。測定浮游植物時,采集表層500 mL湖水裝瓶,立即用魯哥氏液加以固定,固定劑量為水樣的1%(5 mL),并將其帶回室內(nèi),在筒形分液漏斗中進行沉淀和濃縮,靜置沉淀時間一般為48 h。吸掉上清液,最后留下約20~30 mL,將沉淀物放入容積為50 mL的試劑瓶中。用顯微鏡計數(shù),獲得單位體積(一般為1 L)中浮游植物數(shù)量(豐度)。浮游植物種屬的鑒定參照文獻[19]。
1.3.1優(yōu)勢度
按如下公式計算物種優(yōu)勢度(Y)[10]:
Y=ni/N×fi。
(1)
式(1)中,ni為樣品中第i種生物的個體數(shù)量;N為樣品中所有種的個體總數(shù);fi為第i種生物在各樣品中出現(xiàn)的頻率;將Y>0.02作為優(yōu)勢種[20]。
1.3.2多樣性指數(shù)
選擇Shannon-Weiner指數(shù)(H′)作為參照,計算公式為[10]
(2)
采用Pielou均勻度指數(shù)表征物種均勻度(J),計算公式為[10]
J=H′/lnS。
(3)
式(3)中,S為群落內(nèi)物種數(shù)。
1.3.3數(shù)據(jù)分析方法
使用SPSS 20.0軟件對寶應(yīng)湖環(huán)境因子與浮游植物種類數(shù)量進行Pearson相關(guān)性分析,并使用Canoco 5軟件對浮游植物種類和環(huán)境因子數(shù)據(jù)先進行去趨勢對應(yīng)分析(detrended correspondence analysis,DCA),再根據(jù)DCA結(jié)果中第一軸的梯度長度選擇冗余分析(redundancy analysis,RDA)[21-22]。
利用浮游植物多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)對寶應(yīng)湖水體進行水質(zhì)狀況評價,H′>3.0為無污染或清潔,2≤H′≤3為β-中污染,1≤H′≤2為α-中污染,H′<1為重度污染[23];J<0.3為重度污染,0.3≤J<0.5為中度污染,0.5≤J≤0.8為輕度污染,>0.8為清潔[24]。
根據(jù)寶應(yīng)湖月度監(jiān)測數(shù)據(jù),按季度計算均值,得到11個環(huán)境因子數(shù)據(jù),如表1所示。
根據(jù)GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》[25],寶應(yīng)湖各站點綜合水質(zhì)類別為Ⅲ~劣Ⅴ類??梢钥闯觯齪H值外,各環(huán)境因子季度差異顯著。夏季水體營養(yǎng)物質(zhì)的濃度明顯高于冬季。年際間SD、TN濃度和COD等變化明顯。其中SD各年度較同期相比均有所下降;TN濃度在2016年夏天顯著增長,隨后又大幅回落;COD年際間波動明顯。
寶應(yīng)湖各采樣點浮游植物的群落組成調(diào)查結(jié)果如表2所示。
表1 2014—2019年寶應(yīng)湖各季度水體環(huán)境因子均值
2014—2019年浮游植物屬類數(shù)量呈上升—下降—上升—下降的波動趨勢,2014年屬類數(shù)量最少,僅有51屬;2016年屬類數(shù)量增長最多,達到69屬,增長了35.3%;2018—2019年浮游植物屬類有所波動,2019年有68屬,比2014年增長了17屬;2014—2019年浮游植物種類數(shù)量總體呈上升趨勢,2014—2018年種類數(shù)量基本穩(wěn)定,2018—2019年種類數(shù)量大幅增加,其中藍藻門和硅藻門種類增加最多,分別增加15和8種。寶應(yīng)湖浮游植物中綠藻門的種類數(shù)量最多,硅藻門和藍藻門次之。
表2 2014—2019年寶應(yīng)湖浮游植物調(diào)查結(jié)果
優(yōu)勢度指數(shù)顯示,2014—2019年浮游植物的優(yōu)勢種主要包括小球藻(Chlorellasp.)、小環(huán)藻(Cyclotellasp.)、顆粒直鏈藻極狹變種(Melosiragranulatavar.angustissima)、密集錐囊藻(Dinobryonsertularia)、嚙蝕隱藻(Crypomonaserosa)、魚腥藻(Anabaenasp.)、四尾柵藻(Scenedeamusquadricauda)、直鏈藻(Melosirasp.)、色球藻(Chroococcussp.)、雙對柵藻(Scenedeamusbijuga)、細小平裂藻(Merismopediaminima)、鏈狀偽魚腥藻(Pseudanabaenacatenata)、藍隱藻(Chroomonasacuta)、四尾柵藻(Scenedeamusquadricauda)、黃群藻(Synurasp.)、衣藻(Chlamydomonassp.)、針桿藻(Synedrasp.)、華麗四星藻(Tetrastrumelegans)、舟形藻(Naviculasp.)、微囊藻(Microcystissp.)、顫藻(Oscillatoriasp.)、水華束絲藻(Aphanizomenonflosaquae)、小席藻(Phormidiumtenu)、具尾藍隱藻(Chrcomonascaudata)、空球藻(Eudorina)、肥壯蹄形藻(Kirchneriellaobesa)、紙形席藻(Phormidiumpapyraceum)、皮狀席藻(Phormidiumcorium)、點形平裂藻(Merismopediapunctatus)、分歧錐囊藻(Dinobryondivergens)等。各門類優(yōu)勢種數(shù)量如圖2所示。
圖2 2014—2019年寶應(yīng)湖浮游植物各門類優(yōu)勢種數(shù)量Fig.2 Number of dominant species of phytoplankton in Baoying Lake from 2014 to 2019
調(diào)查結(jié)果顯示,寶應(yīng)湖浮游植物優(yōu)勢種的種類數(shù)量呈上升趨勢,春季、夏季和秋季浮游植物優(yōu)勢種主要以硅藻門、綠藻門和藍藻門為主,冬季則主要以硅藻門和綠藻門為主。年際上,寶應(yīng)湖浮游植物的優(yōu)勢種有向藍藻門、硅藻門發(fā)展的趨勢,優(yōu)勢種中指示營養(yǎng)水平較高的藍藻門、硅藻門[26]數(shù)量逐年增加,占比逐年加大。2014、2016、2018和2019年度寶應(yīng)湖浮游植物優(yōu)勢種中藍藻門的種類數(shù)量分別為0、5、6、11種,硅藻門分別為2、3、4、4種。
優(yōu)勢種種類有所變化,說明寶應(yīng)湖水環(huán)境未處于穩(wěn)定狀態(tài)。與附近的白馬湖[27]和高郵湖[28]相比,寶應(yīng)湖的湖域要小很多,且湖面窄而狹長,因此更易受到外界自然因素或人為因素的影響而改變浮游植物的生境,進而引起浮游植物群落結(jié)構(gòu)的變化。
2014—2019年寶應(yīng)湖浮游植物豐度呈現(xiàn)逐年上升的趨勢(表3)。
表3 2014—2019年寶應(yīng)湖各季度浮游植物豐度
寶應(yīng)湖浮游植物平均豐度從2014年的3.14×106L-1增加到2019年的26.87×106L-1,上漲了755.73%。其中2019年度漲幅最大,相較于2018年上漲了113.7%。從年內(nèi)各季度來看,寶應(yīng)湖浮游植物的豐度在各季度有較大變化,一般夏季豐度最高、冬季豐度最低,且均呈現(xiàn)冬春季減少、夏秋季增多的趨勢。這主要是因為夏秋季寶應(yīng)湖浮游植物主要以綠藻門和藍藻門為主,而冬春季以硅藻門和綠藻門為主。2014年硅藻和綠藻占主導(dǎo)地位,年平均相對豐度超過70%,藍藻比例較小,相對豐度不足5%;2016年以后,藍藻爆發(fā)式增長,成為占比最高的浮游植物門類,2016年夏季其相對豐度甚至高達92%;2018和2019年夏季藍藻相對豐度分別回落至78%和63%,仍占據(jù)絕對優(yōu)勢。硅藻和綠藻的豐度均逐年增加,但由于藍藻的爆發(fā)式增長,其相對豐度大幅度下降,2種藻類的年均相對豐度從2014年最高的71%驟降到2016年的33%,降幅超過一半,2018和2019年也僅占46%和36%。
寶應(yīng)湖浮游植物豐度在空間分布上也存在較大差異(圖3)。2014年2號點位浮游植物豐度最高, 1號點豐度最低;2016年3和4號點浮游植物豐度較高, 5號點豐度最低;而2018和2019年5號點浮游植物豐度最高,1和2號點位浮游植物豐度較低,說明寶應(yīng)湖浮游植物的空間分布差異明顯,且在不斷變化。2018年以后,寶應(yīng)湖浮游植物豐度較高的監(jiān)測點主要分布在湖區(qū)中南部(4和5號點位)的生態(tài)養(yǎng)殖區(qū),屬于湖泊下游。這種變化可能是由于寶應(yīng)湖架橋及拆掉湖中圍網(wǎng),導(dǎo)致大量湖底營養(yǎng)物質(zhì)進入水體,再加上受上游來水以及沿岸面源污染物的影響,大量營養(yǎng)物質(zhì)逐漸在寶應(yīng)湖下游沉積,底泥及水體中營養(yǎng)物質(zhì)豐富,使得水體富營養(yǎng)化程度增大,從而導(dǎo)致附近浮游植物尤其是藍藻門的豐度顯著增加。
圖3 2014—2019年寶應(yīng)湖浮游植物豐度空間變化
2014—2019年寶應(yīng)湖各采樣點浮游植物的多樣性指數(shù)如圖4所示。
圖4 2014—2019年寶應(yīng)湖各采樣點浮游植物的多樣性指數(shù)均值Fig.4 Average value of phytoplankton diversity index of different sampling points in Baoying Lake from 2014 to 2019
寶應(yīng)湖浮游植物的Shannon-Weiner多樣性指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)年均值呈現(xiàn)先下降、后回升的趨勢。2014年寶應(yīng)湖浮游植物的多樣性指數(shù)最高,達到2.388, 2016年降至最低,為1.778,此后一直到2019年多樣性指數(shù)均逐年上升??臻g分布上,1、2號點位外,其他點位的多樣性指數(shù)年際變化與寶應(yīng)湖總體變化趨勢基本相同, 1、2號點位到2018年降至最低,2019年開始回升。
寶應(yīng)湖浮游植物的Pielou均勻度指數(shù)同樣在2014年最高,達到0.76,2016年降至最低,為0.612,此后一直到2019年,浮游植物的均勻度指數(shù)均在逐年上升??臻g上,除5號點位外,其他點位的均勻度指數(shù)年際變化與寶應(yīng)湖總體變化趨勢基本相同,而5號點位的均勻度指數(shù)到2019年降至最低,為0.61。從季節(jié)性來看,2014、2016和2018年夏季寶應(yīng)湖浮游植物均勻度指數(shù)最低,分別為0.71、0.36和0.62,2019年秋季均勻度指數(shù)最低,為0.66;2014和2018年冬季寶應(yīng)湖浮游植物均勻度指數(shù)最高,分別為0.82和0.79,2016和2019年春季最高,分別為0.70和0.73??傮w呈現(xiàn)春冬季升高,夏秋季降低的規(guī)律。
寶應(yīng)湖各年度Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)的比較結(jié)果見表4。
2014年寶應(yīng)湖浮游植物的多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)最高,即湖水水質(zhì)狀況最好,為輕度污染或β-中污染;2016年多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)最低,說明湖水受到較為嚴重的污染,水質(zhì)狀況最差;2018和2019年,寶應(yīng)湖浮游植物多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)均有所回升,說明污染有所緩解,水質(zhì)稍有改善,但仍遜于2014年。
表4 2014—2019年寶應(yīng)湖多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)評價結(jié)果
根據(jù)Pielou均勻度指數(shù)的評價結(jié)果,2014—2019年寶應(yīng)湖的水質(zhì)均處于輕度污染狀態(tài),但是根據(jù)Shannon-Wiener多樣性指數(shù)評價,寶應(yīng)湖水質(zhì)處于α-中污染或β-中污染狀態(tài),2種指數(shù)的評價結(jié)果不一致。姜雪芹等[29]在研究上海城區(qū)河道水質(zhì)時發(fā)現(xiàn),利用浮游植物生物多樣性指數(shù)對水質(zhì)的評價與通過優(yōu)勢種、數(shù)量、生物量對水質(zhì)的評價結(jié)果有差異;俞秋佳等[7]在對蘇州河水質(zhì)進行評價時同樣發(fā)現(xiàn),利用多樣性指數(shù)評價并不能完全反映蘇州河水質(zhì)污染情況和富營養(yǎng)水平。多樣性指數(shù)對于水質(zhì)的評價結(jié)果可供參考作用,要得到完整且準確的水質(zhì)結(jié)果還需結(jié)合其他生物指標和理化指標進行綜合評價。
2.7.1相關(guān)性分析
將2014、2016、2018、2019年寶應(yīng)湖各季度浮游植物種類數(shù)與11個環(huán)境因子數(shù)據(jù)做Pearson相關(guān)性分析。結(jié)果表明,種類最多的綠藻門與COD、水溫、CODMn、TP濃度、NH4+-N濃度呈顯著正相關(guān)關(guān)系,與DO濃度呈顯著負相關(guān)關(guān)系(表5);種類數(shù)增長最多的藍藻門與NH4+-N濃度呈顯著正相關(guān)關(guān)系,與SD呈顯著負相關(guān)關(guān)系。這表明寶應(yīng)湖水體NH4+-N濃度的增加和SD的降低可能是導(dǎo)致藍藻爆發(fā)式增長的主要原因。此外裸藻門、甲藻門和黃藻門均與SD呈顯著負相關(guān)關(guān)系,說明SD的降低能夠促進這些藻類的生長。硅藻門和隱藻門與COD呈顯著正相關(guān)關(guān)系;金藻門與TN濃度顯著負相關(guān)關(guān)系。
表5 寶應(yīng)湖各環(huán)境因子與浮游植物種類的Pearson相關(guān)性分析
2.7.2冗余分析
將11個環(huán)境因子數(shù)據(jù)與寶應(yīng)湖浮游植物8個藻類的種類數(shù)量先進行去趨勢對應(yīng)分析(DCA),得到第1軸的梯度長度(gradient length)為0.25,小于3,故選擇冗余分析(RDA)對浮游植物種類與環(huán)境因子的關(guān)系進行分析[30]。
使用Canoco5軟件進行分析時,選擇對物種數(shù)據(jù)與環(huán)境因子數(shù)據(jù)進行l(wèi)g (y+1)轉(zhuǎn)換,并使用變量預(yù)篩選功能(forward selection of variables)[5],在選取的11個環(huán)境因子中,經(jīng)500次蒙特卡羅檢驗,有2個環(huán)境因子與浮游植物種類數(shù)量顯著相關(guān),分別為SD和TP濃度,這兩者共同解釋了浮游植物種類數(shù)量53.97%的變化(表6)。
為研究所有環(huán)境因子對浮游植物種類數(shù)量變化的作用和影響,將11個環(huán)境因子全部進行冗余分析,共生成4個排序軸(表7),累計解釋變量為83.25%。前2個排序軸的特征值分別為0.558 3和0.126 5,累計解釋變異百分數(shù)(cumulative explained variation)分別為55.83%和68.48%[31];前2個環(huán)境因子軸與物種軸的相關(guān)系數(shù)分別為0.971 2和0.956 4;所有軸進行蒙特卡羅檢驗,結(jié)果為F=2.5,P=0.028(P<0.05),說明數(shù)據(jù)具有統(tǒng)計意義[32]。
冗余分析排序如圖5所示。葉綠素a與第1排序軸夾角最小,即相關(guān)性最大(負相關(guān));ρ(TN)、CODMn和ρ(DO)與第2排序軸的夾角較小,相關(guān)性較大,其中ρ(DO)與第2排序軸負相關(guān)。寶應(yīng)湖浮游植物種類占比最多的綠藻門與水溫的正相關(guān)性最大,與COD、ρ(NH4+-N)、CODMn和ρ(TP)也有較強的正相關(guān)關(guān)系,與ρ(DO)和pH值負相關(guān);近幾年種類增長最多的藍藻門和綠藻門與COD的相關(guān)性最大,與ρ(NH4+-N)、ρ(TP)也是正相關(guān),與BOD5、ρ(DO)和pH值負相關(guān)。其中,ρ(TP)和ρ(NH4+-N)對綠藻門和藍藻門種類數(shù)量的促進作用最大,ρ(DO)和SD對其的抑制作用最大。甲藻門、黃藻門、硅藻門和隱藻門比較接近,與ρ(Chl-a)的正相關(guān)性最大,與SD呈較強的負相關(guān)。裸藻門和金藻門與SD負相關(guān),且SD對其的抑制作用最大。綜合來看SD、ρ(TP)、ρ(NH4+-N)和ρ(DO)是影響寶應(yīng)湖浮游植物種類數(shù)量變化的主要環(huán)境因子。這一結(jié)論與吳小偉等[16]2014年的研究結(jié)果相似,由于大面積的水網(wǎng)養(yǎng)殖,氮、磷營養(yǎng)鹽成為影響寶應(yīng)湖浮游植物種群的主要環(huán)境因子。
表6 環(huán)境因子的蒙特卡羅檢驗結(jié)果
表7 寶應(yīng)湖浮游植物與環(huán)境因子的RDA結(jié)果統(tǒng)計
氮、磷等是浮游植物生長不可或缺的營養(yǎng)物質(zhì),適量濃度的氮、磷對浮游植物的生長能夠起到積極的促進作用[33-34],但過高濃度的氮、磷不僅能夠影響浮游植物的群落結(jié)構(gòu),是引起湖泊富營養(yǎng)化的主要因子,其濃度的高低主要取決于湖泊內(nèi)部消耗與外界輸入的動態(tài)平衡。由于湖中架橋、拆除圍網(wǎng)以及水生植物打撈等人工干預(yù)行為,致使2019年寶應(yīng)湖氮、磷濃度增高,浮游植物種類及其豐度大幅度增加,尤其是藍藻出現(xiàn)爆發(fā)式增長。SD和DO濃度是湖水的重要理化特性,湖水SD逐年降低,這是非常明顯的可視性水質(zhì)變化信號。雖然現(xiàn)在生態(tài)環(huán)境保護越來越受到重視,但和多數(shù)湖泊一樣,寶應(yīng)湖的保護和恢復(fù)工作仍任重道遠。
圖5 寶應(yīng)湖浮游植物種類與環(huán)境因子的RDA排序Fig.5 RDA sequence of phytoplankton species and environmental factors
從水生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出,寶應(yīng)湖的水生態(tài)環(huán)境處于不穩(wěn)定狀態(tài)。寶應(yīng)湖浮游植物的種類數(shù)量以及豐度在2014—2019年呈上漲趨勢,且在2019年漲幅最大;優(yōu)勢種中藍藻門增長最多;Shannon-Weiner多樣性指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)年際間波動顯著,空間上差異明顯。
根據(jù)多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)反映的水質(zhì)情況,寶應(yīng)湖的水質(zhì)在2014年最好,2016年最差,達到中度污染水平,在2018和2019年寶應(yīng)湖水質(zhì)稍有改善,但仍達到了輕度污染水平。
寶應(yīng)湖環(huán)境因子分析結(jié)果顯示,SD、TP濃度、NH4+-N濃度和DO濃度是影響浮游植物群落結(jié)構(gòu)和種類數(shù)量的主要環(huán)境因子。其中NH4+-N濃度和TP濃度是影響綠藻門和藍藻門種類數(shù)量的主要驅(qū)動因子。