大冶湖與網(wǎng)湖浮游植物多樣性及環(huán)境響應的比較研究

張 嚴，蘭 聰，胡一晗，吳曉東 ，李 恒，侯建軍

(1.湖泊環(huán)境保護與資源可持續(xù)利用黃石市重點實驗室(湖北師范大學)，湖北 黃石 435002；2.湖北師范大學 生命科學學院，湖北 黃石 435002；3. 湖北師范大學 城市與環(huán)境學院，湖北 黃石 435002)

0 引言

湖泊是一個與外界環(huán)境頻繁進行物質(zhì)與能量交換的復雜系統(tǒng)，其生態(tài)系統(tǒng)的多樣性與環(huán)境之間存在著相互影響的關系[1]。大冶湖是大冶市境內(nèi)最大的天然湖泊，發(fā)源于鄂南幕阜山北麓，流域面積1 106 km2，湖面位于114°39′E～115°24′E，29°52′N～30°12′N，湖中心坐標115°5′46′′E，30°5′25′′N.大冶湖流域屬典型亞熱帶大陸性氣候，冬冷夏熱，光照充足，無霜期長[2]。網(wǎng)湖位于湖北省黃石市陽新縣東，瀕臨長江，系沉溺河谷出流受阻積水而成[3]。湖區(qū)屬亞熱帶季風氣候，四季分明，雨量充沛，氣候溫和，年平均氣溫15.9 ℃[4].大冶湖和網(wǎng)湖均屬于淺水湖泊。

浮游植物(phytoplankton)是一種小型、多樣化的浮游生活植物，根據(jù)其形態(tài)構造、光合色素組成和儲藏物質(zhì)的化學性質(zhì)，可將淡水浮游藻類劃分為十三個門類。早在上個世紀，人們就開始了關于浮游植物對營養(yǎng)變化響應的研究，例如1988年Martin等人在實驗中觀察到，浮游植物葉綠素的含量與實驗添加的nmoL級的鐵含量呈比例增加，且缺鐵會限制主要營養(yǎng)(磷酸鹽、硝酸鹽等)豐富的水域中浮游植物的生長[5]。近年來也有許多學者開展了一系列實驗來研究湖泊中浮游植物與環(huán)境因子的關系及其演變趨勢，如：王禮全等進行了太湖流域浮游藻類功能群結構組成與環(huán)境因子關系的研究[6]，石展耀等通過多元逐步回歸分析探索了理化因子對山口湖初級生產(chǎn)力的影響[7]，王吉毅等對千島湖浮游植物群落結構的垂向分布特征進行了研究[8]。浮游植物是水生生態(tài)系統(tǒng)的主要生產(chǎn)者之一[9]，在水體物質(zhì)轉換和能量循環(huán)過程中起著關鍵作用，某些特定浮游植物其物種的更替在一定程度可以反映水體的營養(yǎng)狀況[10]，同時，水環(huán)境的變化也能直接或間接地影響浮游植物群落結構的演替和組成[11]，因此研究湖泊的浮游植物多樣性對生態(tài)監(jiān)測具有重要生態(tài)意義。

1 材料與方法

1.1 采樣點設置及采樣時間

根據(jù)大冶湖、網(wǎng)湖的水域面積，并遵循有代表性和覆蓋性的原則，在大冶湖主湖和網(wǎng)湖各設置10個采樣站點，采樣點基本覆蓋了大冶湖和網(wǎng)湖的全部功能區(qū)域以及代表性地形，分別于2021年春季和夏季對大冶湖和網(wǎng)湖進行取樣等現(xiàn)場生態(tài)調(diào)查。采樣在每天的上午10點到下午2點之間進行，采樣站點位置分布如圖1、圖2所示。

圖1 大冶湖采樣點分布圖

圖2 網(wǎng)湖采樣點分布圖

1.2 浮游植物分粒級的過濾方法

結合文獻確定采樣方式，使用有機玻璃采水器采集大冶湖和網(wǎng)湖水下0.5 m處的水樣[12]。水樣采集完成后，做好相應標簽，用黑色塑料袋避光保存，并對采樣時間、采樣站點經(jīng)緯度以及現(xiàn)場理化指標進行實時記錄。水樣運回實驗室后，用過濾裝置進行過濾，依次用 200 μm、20 μm孔徑的篩絹、5 μm孔徑的聚碳酸酯濾膜、0.7 μm孔徑的 GF/F 濾膜對現(xiàn)場水樣進行分步過濾，采用差值法計算，得到分粒級的浮游植物樣品。吸水紙吸干水分后，用鋁箔紙密封保存，并寫好相應標記，冷凍保存直至后續(xù)分析。

1.3 高效液相色譜法測定特征光合色素含量

采用高效液相色譜(High Performance Liquid Chromatography，HPLC)法對浮游植物光合色素進行測定分析。具體步驟為：將樣品依次放入HPLC自動進樣器中，當色素提取液進樣后與流動相互相混合，在流經(jīng)色譜柱時被分離開來[13]。高效液相色譜儀要求：Eclipse XDB-C8 柱色譜柱(3.5 μm，4.6×150 mm Agilent，USA)，柱溫25 ℃.流動相采用二元梯度洗脫法[14]，流動相 A：甲醇+1M 醋酸銨(體積比為4∶1)；流動相 B：純甲醇(色譜純)。實驗用水為超純水(Millpore)。使用CHEMTAX來計算或Letelier等人提出的色素換算公式來量化研究浮游植物的群落結構和類群組成[15]。該方法具有快速、準確和高通量的優(yōu)勢，從而實現(xiàn)對不同藻類特征光合色素的準確定性和定量分析，在此基礎上，通過特征光合色素的量化來進一步表征各粒級浮游植物的群落結構和演替過程[16]。

1.4 環(huán)境理化指標的測定

現(xiàn)場使用EXO3(YSI，美國)便攜式水質(zhì)檢測儀測定的室外指標有水溫(WT)、酸堿度(pH)、濁度(TUR)、電導率(SPC)、溶解性固體總量(TDS)、氧化還原電位(ORP)、溶解氧(DO)等。室內(nèi)理化指標在實驗室按照相關文獻的步驟進行測定，測定總磷(TP)、總氮(TN)、磷酸鹽 (PO43-)、銨鹽(NH3-N)等，參照國家標準《水和廢水監(jiān)測分析方法》[12]。

2 結果和分析

2.1 大冶湖和網(wǎng)湖春夏季理化指標分析

分析水體環(huán)境因子變化并對其進行克魯斯卡爾-沃利斯檢驗(Kruskal-Wallis test)發(fā)現(xiàn)， TN和PO43-濃度不同湖泊間差異較大，TP及NH3-N在不同季節(jié)間差異較顯著(p<0.01)(表1，圖3)。大冶湖春季TN濃度在0.624～1.534 mg/L范圍內(nèi)，而夏季的變化范圍在0.654～2.031 mg/L，且均在D9點有最大值(春季為1.534 mg/L，夏季為2.031 mg/L)；網(wǎng)湖TN春季最大值(1.291 mg/L)與最小值(0.116 mg/L)相差較為顯著，而夏季相差較小。PO43-在夏季平均值(0.053 mg/L)高于春季(0.038 mg/L)，但是各站點之間差異不大(p>0.05)。NH3-N在春季的變化范圍在1.051～1.121 mg/L，夏季的變化范圍在0.178～0.221 mg/L，從春季到夏季的數(shù)據(jù)變化趨勢來看呈墜崖式。夏季TP平均濃度(0.146 mg/L)比春季(0.055 mg/L)高，且網(wǎng)湖TP濃度均高于大冶湖(p<0.05)。

表1 大冶湖網(wǎng)湖主要環(huán)境因子濃度及其時空變化的差異顯著性分析結果

圖3 大冶湖網(wǎng)湖春夏季主要理化指標變化

2.2 大冶湖網(wǎng)湖特征光合色素含量分析

基于HPLC技術檢測大冶湖和網(wǎng)湖中浮游植物光合色素的含量，結果表明，有8種色素為主要的特征光合色素，分別為巖藻黃素(Fuco)、新黃素(Neox)、堇菜色素(Viol)、別藻黃素(Allo)、玉米黃素(Zeax)、葉黃素(Lute)、葉綠素 b(Chlb)和葉綠素 a(Chla)。

Fuco、Allo、Chlb、Chla是大冶湖最主要的特征光合色素，在不同站點上均有較大差異(圖4)。其中，F(xiàn)uco、Allo和Chlb的濃度在時間尺度具有明顯差異。春季Fuco的濃度在246.53～892.44 ng/L范圍內(nèi)，大冶湖1-6號站點的Fuco濃度相對較高(>500 ng/L)；夏季的濃度較春季大為降低，濃度最高的為大冶湖1號站點(283.44 ng/L)，濃度最低僅為18.22 ng/L.春季Allo的平均濃度(1 039.74 ng/L)遠高于夏季(321.43 ng/L)，大約為夏季的3倍。夏季Chlb濃度范圍在429.15～796.54 ng/L之間，除了在4號站點比春季的稍低以外，其它站點均比春季的更高。Chla濃度在所有光合色素中是最高的，春季Chla濃度的最大值為6 440.52 ng/L，最小值為3 828.65 ng/L，各站點平均值高達3 828.65 ng/L；夏季Chla濃度平均值為4 340.26 ng/L，較春季有所增長，最大值出現(xiàn)在大冶湖9號站點，為8 016.75 ng/L.

Fuco、Zeax、Chlb、Chla是網(wǎng)湖主要的特征光合色素，四種特征光合色素的濃度高低排序為：Chla> Fuco > Chlb> Zeax.網(wǎng)湖春季1號站點的Fuco濃度最高，為1 072.94 ng/L，相較于春夏季其它站點濃度偏高；春夏季Fuco濃度的均值較為接近，都在300 ng/L左右。網(wǎng)湖春夏季Zeax的濃度范圍為50.41～220.20 ng/L，春季和夏季的濃度范圍相差不大。網(wǎng)湖春季的Chlb在3號和5號站點的濃度均為0，在1號站點濃度最高(496.59 ng/L)；夏季2號站點的Chlb濃度最高(466.05 ng/L)，3號站點的濃度最低(120.53 ng/L)。網(wǎng)湖春夏季Chla濃度的平均值都在2 500 ng/L左右。

圖4 大冶湖網(wǎng)湖春夏季光合色素濃度

2.3 大冶湖網(wǎng)湖不同粒級浮游生物組成分析

大冶湖和網(wǎng)湖的浮游植物種類主要為以下7種：裸藻(Euglenophytes)、甲藻(Dinoflagellates)、隱藻(Cryptophytes)、金藻(Chrysophytes)、綠藻(Chlorophytes)、藍藻(Cyanobacteria)和硅藻(Diatoms)，其中裸藻、隱藻、金藻、藍藻和硅藻為主要優(yōu)勢物種。大冶湖和網(wǎng)湖的優(yōu)勢物種在時間和空間上均有差異。

大冶湖春季的優(yōu)勢種群為裸藻(76.28%)、硅藻(12.79%)(圖5a)。分粒級上來看，春季大冶湖3種粒級的浮游植物的優(yōu)勢種群均為裸藻，微型浮游植物的優(yōu)勢物種還包括硅藻。大冶湖在夏季的優(yōu)勢種群為隱藻(79.04%)和裸藻(10.10%)(圖5b)。分粒級來看，夏季大冶湖3種粒級浮游植物的優(yōu)勢種群均為隱藻，裸藻在微型浮游植物中也占一定優(yōu)勢。網(wǎng)湖春季的優(yōu)勢種群為裸藻(70.21%)、金藻(13.27%)(圖5c)。春季網(wǎng)湖3種粒級浮游植物優(yōu)勢種群均為裸藻，微型浮游植物及超微型浮游植物中金藻也占優(yōu)勢。夏季的優(yōu)勢種群為裸藻(52.00%)、隱藻(14.17%)、硅藻(15.75%)、藍藻(13.91%)(圖5d)。網(wǎng)湖夏季小型浮游生物優(yōu)勢種群為裸藻(57.16%)和硅藻(42.12%)，微型浮游生物優(yōu)勢種群為裸藻(67.49%)和金藻(14.93%)，超微型浮游生物優(yōu)勢種群為裸藻(31.37%)、隱藻(27.52%)和藍藻(35.21%)。

圖5 大冶湖網(wǎng)湖春夏季藻組成圖

2.4 大冶湖網(wǎng)湖浮游植物與環(huán)境因子相關性分析

不同的浮游藻類群和環(huán)境因子之間有一定的相關關系，浮游藻類周邊不同的環(huán)境因子對藻類生長生活起著不可或缺的作用。對全粒級各個站點的藻類和環(huán)境因子進行了相關性分析表明(表2)：裸藻與WT、DO、CODMn呈極顯著的負相關關系，與NH3-N呈極顯著的正相關關系(p<0.01W)。隱藻與WT、DO、CODMn、TP呈極顯著的正相關關系，與NH3-N呈極顯著的負相關關系(p<0.01)。金藻與TN呈極顯著負相關關系(p<0.01)。綠藻與CODMn呈極顯著的負相關關系(p<0.01)。藍藻與WT、TP、PO43-呈極顯著的正相關關系，與TN呈極顯著負相關關系(p<0.01)。

3 討論

3.1 大冶湖與網(wǎng)湖的水質(zhì)狀況

從總體上看，大冶湖水質(zhì)狀況優(yōu)于網(wǎng)湖。參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》[17]可知，大冶湖春季整體水質(zhì)為Ⅲ類水(0.025 mg/L≤TP≤0.05 mg/L)，夏季為Ⅴ類(0.1 mg/L≤TP≤0.2 mg/L)；網(wǎng)湖春季整體水質(zhì)為Ⅳ類(0.05 mg/L≤TP≤0.1 mg/L)，夏季為Ⅴ類(0.1 mg/L≤TP≤0.2 mg/L)。

兩湖夏季TP平均濃度比春季高，且網(wǎng)湖TP濃度均高于大冶湖。大冶湖和網(wǎng)湖在春夏兩季TP的濃度差異不大，且春夏兩季大冶湖總氮的平均濃度均高于網(wǎng)湖。有研究認為，氣候、地理及人類活動等是氮磷濃度變化的主要影響因素[18～20]。目前人口密度增加和工業(yè)、建筑業(yè)迅速發(fā)展，導致了生活、工業(yè)污水排放量的增加，這些是TN、TP濃度升高和水質(zhì)惡化的主要原因，同時湖泊中的TN濃度在一定條件下還能反映人類活動的干擾強度[21]。

3.2 浮游植物總生物量及粒級變化特征

不同湖泊不同粒級的浮游植物有不同的Chla含量，其除了代表著各粒級的總生物量，還能快速指示湖泊水環(huán)境質(zhì)量[22,23]，并且隨著環(huán)境的變化而表現(xiàn)出明顯差別。大冶湖春夏兩季總生物量均高于網(wǎng)湖，且大冶湖夏季總生物量高于春季。原因在于季節(jié)變化導致的水溫升高，提升了浮游植物的光合作用速率，從而促進了生物量的快速積累[24]。

裸藻是網(wǎng)湖和大冶湖中各個粒級浮游植物的優(yōu)勢物種。在大冶湖中，裸藻也是各個粒級浮游植物的優(yōu)勢物種，微型粒級浮游植物的優(yōu)勢物種還有綠藻和硅藻。在網(wǎng)湖中，小型粒級浮游植物的優(yōu)勢物種還有硅藻，微型粒級浮游植物的優(yōu)勢物種中還有隱藻和金藻，超微型粒級浮游植物的優(yōu)勢物種中還有隱藻和綠藻。大冶湖及網(wǎng)湖小型粒級中的裸藻含量要遠高于超微型粒級。大冶湖微型粒級中的綠藻、藍藻及硅藻要遠高于小型和超微型粒級。網(wǎng)湖小型粒級中的隱藻、金藻和藍藻相對于微型粒級和超微型粒級更占優(yōu)勢，小型粒級的硅藻含量遠高于微型和超微型粒級。藻細胞越大，對營養(yǎng)鹽的吸收速率也越快，大粒徑的藻類更容易受營養(yǎng)鹽限制[25]。超微型藻類在貧營養(yǎng)水體中更占優(yōu)勢，而隨著營養(yǎng)水平的升高，微型和小型藻類的貢獻率逐漸增加[26]。

3.3 浮游植物群落結構及其與環(huán)境因子的關系

研究表明，湖泊浮游植物群落存在明顯的季節(jié)演替現(xiàn)象[27]。大冶湖春季的優(yōu)勢類群為裸藻和硅藻，夏季優(yōu)勢種群為隱藻和裸藻。網(wǎng)湖春季優(yōu)勢類群為裸藻、金藻，夏季優(yōu)勢種群為裸藻、隱藻、硅藻、藍藻。優(yōu)勢類群的出現(xiàn)和演替主要是由于不同種類的浮游植物對營養(yǎng)物質(zhì)利用和吸收能力有所差異[28]。

WT、DO、CODMn、TP、PO43-、NH3-N等環(huán)境因子是影響浮游植物群落組成及分布的主要影響因素，這與許多學者的研究結果相一致[29～32]。研究發(fā)現(xiàn)，水溫與藍藻和隱藻顯著正相關，與裸藻負相關。藍藻是喜溫藻類，藍藻與TP呈正相關[33]，與TN負相關[34]，這與本研究結果相同。水溫是影響浮游植物生長的主要因素之一，受季節(jié)變化明顯，除直接影響浮游植物生長繁殖外，還會通過影響浮游動物的生長對浮游植物產(chǎn)生間接影響[35]?？偟c金藻和藍藻呈顯著負相關關系；總磷與藍藻和隱藻呈顯著正相關關系。氮是浮游植物生長繁殖所需的必要元素，總氮與浮游植物群落演替及分布特征關系密切[36]。溶解氧與裸藻顯著負相關，與隱藻顯著正相關。溶解氧是表征水體污染程度的重要指標，當水中溶解氧較低時會抑制浮游植物的生長[37]。近年來，我國科研工作者又陸續(xù)開展了許多關于水體中的營養(yǎng)鹽對浮游植物的影響的研究。Jiang等人發(fā)現(xiàn)水溫、DO和PO43-是影響湖泊浮游植物的主要因素[14]。李欽欽等人發(fā)現(xiàn)NH3-N、TP和TN是影響春季浮游植物群落結構的主要環(huán)境因子，而夏季影響浮游植物分布的主要因素是TN、NH3-N、懸浮物、高等水生植物、TP和SD[38]。

4 結論

本研究通過在大冶湖和網(wǎng)湖春夏季各進行2次采樣，報告了春夏兩季來自兩個不同湖泊的營養(yǎng)狀態(tài)以及浮游植物的群落組成情況。結果表明：大冶湖總體水質(zhì)狀況優(yōu)于網(wǎng)湖；Fuco、Chlb、Chla、Allo、Zeax是大冶湖和網(wǎng)湖的主要特征光合色素；大冶湖春夏季主要優(yōu)勢物種的演替規(guī)律為：裸藻+硅藻→裸藻+隱藻，網(wǎng)湖春夏季主要優(yōu)勢物種的演替規(guī)律為：裸藻+金藻→裸藻+隱藻+藍藻+硅藻；WT、DO、CODMn、TN、TP、PO43-、NH3-N是影響大冶湖網(wǎng)湖浮游植物群落結構的主要因素。這些結果揭示了大冶湖與網(wǎng)湖的水質(zhì)狀況、浮游植物的變化特征及其影響因素，為浮游植物的生物多樣性以及大冶湖網(wǎng)湖的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測提供了基本數(shù)據(jù)。

Comparative study on phytoplankton diversity and environmental response between the Daye Lake and the Wanghu Lake

ZHANG Yan1,2，LAN Cong1,2，HU Yi-han1,2，WU Xiao-dong3，LI Heng1,2，HOU Jian-jun1,2