云南杞麓湖浮游植物的群落特征及相關(guān)因子的研究

江卓韻潘曉賦羅旭孔德平吳松劉淑偉 褚榮波王茉

（1.西南林業(yè)大學(xué)生物多樣性保護(hù)學(xué)院，云南省高校極小種群野生動(dòng)物保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南昆明 650233；2.中國科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所遺傳資源與進(jìn)化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南昆明 650223；3.云南省生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院，云南昆明 650034；4.云南亞美湖泊水質(zhì)治理有限公司，云南玉溪 652700）

浮游植物在湖泊生態(tài)系統(tǒng)食物鏈和水體生產(chǎn)力中的重要作用，以及對水體中許多物質(zhì)的敏感性，使其在湖泊生態(tài)系統(tǒng)的演替和穩(wěn)定研究中具有重要意義[1]。作為湖泊生態(tài)系統(tǒng)中的初級生產(chǎn)者，浮游植物通過光合作用產(chǎn)生的氧氣是水體溶解氧的主要來源，將光能轉(zhuǎn)化為生物能并儲存無機(jī)碳，是物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的關(guān)鍵過程[2-3]。浮游植物還與環(huán)境因子有著復(fù)雜的關(guān)系，其群落的種類組成、細(xì)胞豐度和物種多樣性會隨著物理、化學(xué)和生物因素的改變而產(chǎn)生不同程度的變化[4-7]。在不同條件下，影響浮游植物群落結(jié)構(gòu)變化的生態(tài)因素也不盡相同，其主要驅(qū)動(dòng)因素也存在一定差異[8]。

杞麓湖位于云南省玉溪市通?？h，屬于珠江流域。該湖東西較長，南北較窄，四周群山環(huán)抱，是一個(gè)典型的高原封閉新月形斷陷盆地[9-10]。湖區(qū)水資源短缺，還處于面源污染的聚集地，長期的污染導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境脆弱，流域內(nèi)污水治理速度趕不上水污染速度，從而嚴(yán)重制約該流域的可持續(xù)發(fā)展[10-12]。此外，杞麓湖關(guān)于浮游植物生態(tài)學(xué)方面的研究既不全面也欠缺連續(xù)性。從20世紀(jì)80年代開始，有研究人員初步了解到該湖浮游植物的優(yōu)勢種為微囊藻（Microcystis）[13]。20世紀(jì)末到21世紀(jì)初，研究人員結(jié)合藻類和水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)杞麓湖水體中藻量減少，透明度增加，而造成這種現(xiàn)象的具體原因并不清楚[14]。也有多位學(xué)者對包括杞麓湖在內(nèi)的13個(gè)云南中南部湖泊進(jìn)行浮游植物和水資源調(diào)查[15-16]，顯示這些湖泊的浮游植物總生物量與溫度顯著相關(guān)，但均未單獨(dú)對杞麓湖進(jìn)行深入細(xì)致的研究。直到楊鴻雁等[17]在2017—2018年針對杞麓湖浮游生物群落的季節(jié)性演替進(jìn)行了初步研究，結(jié)果顯示浮游植物和浮游動(dòng)物季節(jié)性演替均受溫度影響?？v觀以往對杞麓湖浮游植物的研究，或僅集中在群落特征的方向上，或有少數(shù)結(jié)合2種類群的時(shí)期變化并分別探討與環(huán)境因子關(guān)系。目前尚未見有針對湖內(nèi)浮游植物與浮游動(dòng)物、理化因子之間耦合關(guān)系的研究。

由于湖區(qū)生態(tài)環(huán)境破壞和水資源污染等問題，使作為九大湖泊之一的杞麓湖成為中央環(huán)保督察組督察重點(diǎn)之一[18-19]。浮游植物是重要水質(zhì)指示生物，通過掌握其群落結(jié)構(gòu)的演替規(guī)律，分析環(huán)境因子對浮游植物群落結(jié)構(gòu)的影響，有助于了解湖泊生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況。因此，本研究結(jié)合生物和非生物因子，通過了解浮游植物群落組成和關(guān)鍵理化因子的時(shí)相變化，分析杞麓湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)的演替規(guī)律，初步探討湖內(nèi)關(guān)鍵理化因子以及浮游動(dòng)物對浮游植物群落結(jié)構(gòu)的影響，深入揭示該湖浮游植物群落周年演替的動(dòng)力因素，進(jìn)一步完善杞麓湖浮游植物生態(tài)學(xué)方面的研究，以期為湖泊生態(tài)和生物多樣性的恢復(fù)提供參考依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 采樣點(diǎn)和采樣時(shí)間

采樣時(shí)間是2020年1—12月，每月采樣1次。根據(jù)湖庫面積和湖盆，兼顧湖泊中心、湖灣和入流等區(qū)域，考慮排污設(shè)施的位置和人為活動(dòng)影響程度等因素[20]，選取了6個(gè)采樣點(diǎn)（圖1），分別是S1（湖管站）、S2（紅旗河口）、S3（湖北岸）、S4（湖心）、S5（馬家灣）和S6（落水洞）。

圖1 杞麓湖水樣采集樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution of water sampling site in Qilu Lake

1.2 樣品測定與數(shù)據(jù)收集

1.2.1 關(guān)鍵理化因子檢測數(shù)據(jù)收集

水樣樣品用5 L采水器采集水面下0.5 m左右混合水樣5 L，低溫保存運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行理化因子的檢測。總氮（TN）、總磷（TP）、化學(xué)需氧量（CODcr）和氨氮（NH3-N）在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行檢測[20]。

1.2.2 浮游生物鑒定及相關(guān)數(shù)據(jù)收集

浮游生物的定性和定量的采集分析方法均參照SL167-2014[21]。定性樣品采集用25號浮游生物網(wǎng)采表層0.5 m左右處的水樣后固定，用以保存浮游植物。定量樣品分為2種：一種是采集湖面表層0.5 m左右的混合水樣1 L后固定，靜置48 h，用虹吸法濃縮至50 mL，用以保存浮游植物、原生動(dòng)物和輪蟲；另一種是用5 L采水器采集10 L混合水樣，水樣經(jīng)25號浮游生物網(wǎng)過濾后濃縮至50 mL固定，以保存橈足類和枝角類。所有樣品均以樣品體積與魯哥試劑為100∶1的比例進(jìn)行固定。

定性樣品分析使用德國Carl-Zeiss，Axio Imager. A2顯微鏡在10～100倍物鏡下基于傳統(tǒng)形態(tài)學(xué)的鑒定方法。浮游植物和原生動(dòng)物、輪蟲、橈足類和枝角類定量樣品的分析分別使用0.1、1 mL和5 mL的計(jì)數(shù)框，使用視野法鑒定計(jì)數(shù)。浮游植物按照細(xì)胞個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)，枝角類和橈足類將樣品分為若干次全部計(jì)數(shù)。

浮游生物的物種鑒定參照《中國淡水生物圖譜》[22]《中國淡水藻類：系統(tǒng)、分類及生態(tài)》[23]和《淡水微型生物圖譜與底棲動(dòng)物（第二版）》[24]等分類書籍。

1.3 分析方法

1.3.1 數(shù)據(jù)處理

浮游生物豐度的計(jì)算根據(jù)SL167-2014[21]。浮游植物生物量的計(jì)算根據(jù)浮游植物的細(xì)胞相對密度大多接近于1，細(xì)胞體積（mL）相當(dāng)于細(xì)胞質(zhì)量（g），直接由體積換算為生物量（濕質(zhì)量）[1]。原生動(dòng)物和輪蟲生物量的計(jì)算采用體積換算法，根據(jù)不同種類的體形，按最近似的幾何形測量其體積；枝角類和橈足類生物量的計(jì)算采用測量不同種類的體長，用回歸方程式求體重進(jìn)行[19]。

浮游植物優(yōu)勢度（Y）使用Dufrêne法計(jì)算，Y＞0.02的物種為優(yōu)勢種[25]。浮游植物多樣性指數(shù)分別計(jì)算Shannon-Wiener多樣性指數(shù)（H′）[26]和Pielou均勻度指數(shù)（J）[27]。

1.3.2 數(shù)據(jù)分析

分析浮游植物群落結(jié)構(gòu)的時(shí)相差異。首先對于不同月份浮游植物豐度、生物量和多樣性指數(shù)的差異使用非參數(shù)Kruskal-Wallis檢驗(yàn)。其次，基于Bray-Curtis距離矩陣，采用ANOSIM分析不同月份間浮游植物物種平均豐度的差異。最后，使用SIMPER分析，選取造成群落差異貢獻(xiàn)率為前5的種類。

分析理化因子、浮游動(dòng)物對浮游植物群落結(jié)構(gòu)的影響。首先，對數(shù)據(jù)進(jìn)行l(wèi)og (x+1)的轉(zhuǎn)換，使用線性回歸分析關(guān)鍵理化因子、浮游動(dòng)物總豐度對浮游植物總豐度的影響。然后，使用DCA分析，得到前4個(gè)軸中最大值小于2，所以選擇RDA進(jìn)行相關(guān)分析。

所有的數(shù)據(jù)分析和圖形繪制通過Origin Lab.2021和R 3.6.2進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征

2.1.1 種類組成、豐度、生物量和多樣性指數(shù)及其時(shí)相變化

本研究共鑒定出浮游植物147種，隸屬于8門75屬。主要包括綠藻門（77種，占比52.38%）、硅藻門（31種，占比21.09%）和藍(lán)藻門（21種，占比14.29%），其余裸藻門、黃藻門、金藻門和甲藻門共18種，共占比12.24%。

杞麓湖浮游植物豐度和生物量的時(shí)相變化范圍 分別 為6.20×107～46.09×107個(gè)/L和9.33～94.37 mg/L；兩者均值的時(shí)相變化相似，呈現(xiàn)單峰趨勢。由圖2可知，在豐度和生物量上，藍(lán)藻門全年均處于絕對優(yōu)勢；藍(lán)藻門豐度和生物量占比全年均高至50%以上，其所占比例的時(shí)相變化范圍分別為65.31%～92.78%和53.34%～96.88%。

圖2 杞麓湖浮游植物各類群豐度和生物量比例的時(shí)相變化Fig.2 Period variation of the proportion of phytoplankton abundance and biomass in Qilu Lake

浮游植物多樣性指數(shù)的時(shí)相變化均呈波浪形，見圖3。浮游植物Shannon-Wiener多樣性指數(shù)（H′）（圖3c）和Pielou均勻度指數(shù)（J）（圖3d）的時(shí)相變化范圍分別為2.19～3.59和0.36～0.58。其中，Shannon-Wiener多樣性指數(shù)的值越大，群落結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，群落穩(wěn)定性也會相應(yīng)增加[28]。Pielou均勻度指數(shù)反映某個(gè)群落或生境中各物種多度分布的均勻程度[29]。而杞麓湖浮游植物多樣性指數(shù)在春冬季偏高，夏秋季偏低。因此，春冬季浮游植物群落穩(wěn)定性強(qiáng)，均勻程度高；夏秋季群落穩(wěn)定性相對弱，均勻程度較低。

圖3 杞麓湖浮游植物豐度、生物量和多樣性指數(shù)的時(shí)相變化Fig.3 Period variation of phytoplankton abundance, biomass and diversity indices in Qilu Lake

2.1.2 優(yōu)勢物種的特征

不同月份杞麓湖浮游植物優(yōu)勢物種共17種，隸屬于4門。根據(jù)杞麓湖浮游植物優(yōu)勢物種的時(shí)相變化特征可以分為阿氏浮絲藻(Planktothrix agardhii)主導(dǎo)時(shí)期和水華束絲藻（Aphanizomenon flosaquae）主導(dǎo)時(shí)期，其中阿氏浮絲藻是1—4月份和8月份優(yōu)勢度最高的優(yōu)勢物種，且這段時(shí)期阿氏浮絲藻豐度占比的范圍在8.39%～36.36%。水華束絲藻是5—7月份和9—12月份優(yōu)勢度最高的優(yōu)勢物種，這段時(shí)期其豐度占比的范圍在13.96%～36.35%。

2.1.3 不同月份群落結(jié)構(gòu)差異

通過非參數(shù)Kruskal-Wallis檢驗(yàn)分析不同月份之間浮游植物的群落結(jié)構(gòu)，結(jié)果顯示不同月份間浮游植物豐度、生物量和多樣性指數(shù)均存在顯著差異（P＜ 0.05）。

通過ANOSIM分析不同月份間（66組）浮游植物平均豐度的差異，結(jié)果顯示各月份之間組間差異均大于組內(nèi)差異（R＞0），其中有64組月份間浮游植物平均豐度差異顯著（P＜0.05）（表1）。選擇其中浮游植物平均豐度差異大且顯著（均為R＞0.9，P＜0.05，表1中加粗的數(shù)據(jù)）的16組進(jìn)行SIMPER相似性分析（表2），結(jié)果顯示阿氏浮絲藻和水華束絲藻是造成杞麓湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)差異顯著的主要物種。

表1 杞麓湖不同月份間浮游植物平均豐度的ANOSIM分析Table 1 ANOSIM analysisof phytoplankton average abundance in different monthsin Qilu Lake

表2 杞麓湖16組月份間浮游植物平均豐度的SIMPER相似性分析Table 2 SIMPER similarity analysisof phytoplankton average abundance in 16 grouped months in Qilu Lake%

續(xù)表 1

2.2 關(guān)鍵理化因子的時(shí)相變化特征

杞麓湖水體中總氮（TN）和化學(xué)需氧量（CODcr）的濃度均指示該湖水體的水質(zhì)為V類[30]。CODcr的濃度范圍為48.67～59.33 mg/L，其時(shí)相變化呈下降趨勢（圖4a）；氨氮（NH3-N）的濃度范圍為0.31～1.12 mg/L，其時(shí)相變化呈波動(dòng)上升趨勢（圖4a）；總氮（TN）和總磷（TP）的濃度范圍分別為2.93～9.66 mg/L和0.10～0.25 mg/L，兩者均呈現(xiàn)先升后降的時(shí)相變化，均在5月份達(dá)到最高值（圖4b）。杞麓湖還表現(xiàn)出高氮低磷的特征，總氮與總磷比例（TN∶TP）范圍在14～40之間，其時(shí)相變化不穩(wěn)定（圖4b）。

圖4 杞麓湖關(guān)鍵理化因子的時(shí)相變化Fig.4 Period variation of key physicochemical factorsin Qilu Lake

2.3 浮游植物與關(guān)鍵理化因子、浮游動(dòng)物的關(guān)系

本研究調(diào)查得到杞麓湖浮游動(dòng)物的總豐度為15.40× 104個(gè)/L，總生物量為27.29 mg/L。其中，輪蟲和原生動(dòng)物在數(shù)量上占主要優(yōu)勢。通過以浮游動(dòng)物總豐度和關(guān)鍵理化因子作為自變量，浮游植物總豐度為因變量，進(jìn)行線性回歸分析，結(jié)果顯示僅環(huán)境因子中總氮（TN）、總磷（TP）以及TN/TP對浮游植物總豐度有顯著影響（P＜0.05）。

通過對造成不同月份間浮游植物群落結(jié)構(gòu)差異貢獻(xiàn)前5的物種的平均豐度與關(guān)鍵理化因子、浮游動(dòng)物平均豐度的相關(guān)分析，結(jié)果（圖5）顯示，杞麓湖浮游植物受到理化因子和浮游動(dòng)物的共同影響，其中在數(shù)量上占主要優(yōu)勢的阿氏浮絲藻和水華束絲藻，分別受到化學(xué)需氧量（CODcr）和原生動(dòng)物中鐘蟲（Vorticellasp.）的影響。此外，通過分析不同月份間浮游植物各類群的豐度和生物量所占比例與關(guān)鍵理化因子、浮游動(dòng)物各類群豐度和生物量所占比例，結(jié)果顯示（圖6），藍(lán)藻門生物量所占比例與總氮（TN）成正相關(guān)，隱藻門生物量所占比例與總氮（TN）成負(fù)相關(guān)。

圖5 造成杞麓湖不同月份浮游植物豐度差異貢獻(xiàn)前5的物種與環(huán)境因子之間的相關(guān)分析Fig.5 Correlation analysisof top 5 phytoplankton speciesin abundancewith environmental factors in Qilu Lake in different months

圖6 杞麓湖不同月份浮游植物各類群豐度和生物量占比與環(huán)境因子之間的相關(guān)分析Fig.6 Correlation analysis of the rate of phytoplankton abundance and biomass with environmental factors in Qilu Lake in different months

3 結(jié)論與討論

3.1 杞麓湖浮游植物群落特征及演替

本研究發(fā)現(xiàn)杞麓湖浮游植物包括綠藻門、硅藻門、藍(lán)藻門和裸藻門等淡水生態(tài)系統(tǒng)較為常見的8個(gè)門類，相比于1982—2018年的調(diào)查[13,16-17]，浮游植物種類組成并未發(fā)生明顯的變化。該湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)與其他九大高原湖泊中的陽宗海、滇池、星云湖和異龍湖的單一型浮游植物群落結(jié)構(gòu)相似，由藍(lán)藻門藻類占絕對優(yōu)勢[16]。在這些高原湖泊中，陽宗海和異龍湖的浮游植物以阿氏浮絲藻和水華束絲藻為主要優(yōu)勢物種[16,31]，與本研究結(jié)果相似。從1980年至今，與一直以微囊藻為主要優(yōu)勢物種的滇池和星云湖[13,16,32-33]相比，杞麓湖浮游植物的優(yōu)勢物種從1980年和1990年的微囊藻[13]，到2016年的史式棒膠藻（Rhabdogloea smithii）、水華束絲藻、阿氏浮絲藻和螺旋藻（Spirulina）[16]，再到2017—2018年的阿氏浮絲藻和孟氏浮絲藻（Planktothrix mougeotii）[17]，逐漸演替為2020年的阿氏浮絲藻和水華束絲藻等。可能是因?yàn)殍铰春?、以及類似變化下的陽宗海和異龍湖其氮磷比遠(yuǎn)高于滇池和星云湖的氮磷比[16]，微囊藻容易在低氮磷比的湖中爆發(fā)，而高氮磷比的湖泊更適合水華束絲藻這種固氮型絲狀藍(lán)藻的大量繁殖有關(guān)，這種趨勢與Yamamoto和Nakahara的研究結(jié)果[34]也相似。與2017—2018年的結(jié)果相比[17]，本研究調(diào)查得到2020年杞麓湖浮游植物的細(xì)胞數(shù)量有明顯下降。除此之外，相比于更早些的研究[13,16-17]，該湖藍(lán)藻細(xì)胞的豐度和生物量所占比例也有下降趨勢。國內(nèi)外多位學(xué)者證明，鰱對藍(lán)藻有較高的消化率[35-39]。大量實(shí)驗(yàn)證明，鰱、鳙等魚類通過控制難以被浮游動(dòng)物捕食的大型絲狀藍(lán)藻的數(shù)量，降低了個(gè)體較大的浮游植物的量[40-44]。近十年來，杞麓湖累計(jì)投放1000余萬尾的濾食性鰱鳙[45]，可能在一定程度上控制了湖中占主要優(yōu)勢的大型絲狀藍(lán)藻的數(shù)量，對湖內(nèi)浮游植物數(shù)量的減少起到了一定的作用。

本研究還發(fā)現(xiàn)杞麓湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)存在明顯的季節(jié)性演替。7月份，湖內(nèi)浮游植物數(shù)量達(dá)到全年最高值，藍(lán)藻相對豐度達(dá)到全年最高水平（92.78%），浮游植物群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和均勻度全年最低，湖區(qū)在該時(shí)期正處于水華束絲藻爆發(fā)階段。由于在富營養(yǎng)化或者重度富營養(yǎng)化湖泊中，浮游植物通常被幾種藍(lán)藻物種占據(jù)，形成主要優(yōu)勢物種，因此均勻度也較低[29]。杞麓湖在夏季浮游植物群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較弱且均勻度低，從而更容易導(dǎo)致藍(lán)藻大量繁殖形成水華。

3.2 浮游植物與環(huán)境因子的關(guān)系

杞麓湖中浮游植物受關(guān)鍵理化因子和浮游動(dòng)物共同的影響。關(guān)鍵理化因子中，氮、磷是浮游植物生長常見的限制營養(yǎng)元素，可以調(diào)節(jié)浮游植物的生長，影響浮游植物的生物量和數(shù)量[4-47]。本研究發(fā)現(xiàn)總氮和總磷是影響該湖浮游植物的主導(dǎo)因素，總氮、總磷以及兩者之比對浮游植物總豐度有顯著影響。Smith[48]收集17個(gè)湖泊的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了TN/TP規(guī)則。當(dāng)TN/TP質(zhì)量比超過29時(shí)，藍(lán)藻很少，而當(dāng)TN/TP質(zhì)量比低于29時(shí)，藍(lán)藻占優(yōu)勢[48]。部分學(xué)者對浮游植物種群受TN/TP比值的影響持支持觀點(diǎn)[49-50]。也有一些持反對觀點(diǎn)的，比如Xie等[51]的試驗(yàn)結(jié)果與TN/TP規(guī)則不符，在高度富營養(yǎng)化的東湖中，低TN/TP值不是微囊藻水華的原因，而是微囊藻水華的結(jié)果。本研究中杞麓湖無論是在TN/TP低于29的多數(shù)月份，還是在TN/TP高于29的月份，藍(lán)藻始終占主要優(yōu)勢。因此，本研究結(jié)果同樣不符合TN/TP規(guī)則。盡管發(fā)現(xiàn)湖中優(yōu)勢類群藍(lán)藻的生長受到一定程度氮的限制，但是結(jié)果顯示造成不同月份間浮游植物群落的差異顯著貢獻(xiàn)最高的兩種藍(lán)藻，同時(shí)又是主要優(yōu)勢物種的阿氏浮絲藻和水華束絲藻均未與氮磷有相關(guān)性，而是分別受到化學(xué)需氧量和原生動(dòng)物的影響，并且這兩種主要優(yōu)勢絲狀藍(lán)藻之間的相互作用機(jī)制尚不明確。因此，有關(guān)杞麓湖水華束絲藻和阿氏浮絲藻之間的相互作用等問題，值得進(jìn)一步研究。

致謝：感謝中國科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所楊君興研究員對論文寫作的指導(dǎo)！感謝中國科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所何宇嬌、西南林業(yè)大學(xué)杜小兵和郭榮、集美大學(xué)耿華禮和李垣甫在數(shù)據(jù)收集時(shí)的幫助！