長蕩湖富營養(yǎng)化水平及浮游植物群落組成

沈 偉,沈麗娟,謝文理*

(1.江蘇省常州環(huán)境監(jiān)測中心,江蘇常州 213000;2.江蘇省環(huán)境保護水環(huán)境生物監(jiān)測重點實驗室,江蘇常州 213001)

浮游植物是水生生態(tài)系統(tǒng)中的初級生產(chǎn)者,發(fā)揮著重要的作用[1]。浮游植物隨著水質(zhì)的變化,營養(yǎng)鹽濃度增加,藻類異常增殖形成水華,這是富營養(yǎng)化水體最突出、最直觀的表現(xiàn)。浮游植物群落結(jié)構(gòu)的變化受多種因素的影響,在不同地區(qū)、不同水域中,溫度、光照、營養(yǎng)鹽、水體擾動等均能影響浮游植物生長[2-4]。

浮游植物種類的組成隨溫度變化最為明顯,而且浮游植物群落結(jié)構(gòu)與水體營養(yǎng)狀況有關(guān)[5]。從貧營養(yǎng)到中營養(yǎng)再到富營養(yǎng),營養(yǎng)鹽濃度逐漸增加,水體由清澈到渾濁。不同的營養(yǎng)狀況導(dǎo)致不同的浮游植物種類組成,不同的浮游植物種類的組成變化也反映出了水環(huán)境變化[6]。目前,浮游植物群落與水體營養(yǎng)狀態(tài)之間的關(guān)系研究較多。營養(yǎng)鹽濃度對浮游植物的生物量影響較大,尤其是對藍藻、綠藻和裸藻的生物量,在富營養(yǎng)化水體中,一般以藍藻、綠藻或裸藻為優(yōu)勢。藍藻的生態(tài)位較寬、適應(yīng)能力較強,在各種水體中都能夠生長,微囊藻、束絲藻和長孢藻都是易于富營養(yǎng)化水體中形成優(yōu)勢的藻類,并且都能夠形成水華,而且這些藻類一旦形成優(yōu)勢后難發(fā)生演替,對水質(zhì)的惡化有顯著的推動作用[7]。在貧營養(yǎng)水體,主要以金藻、黃藻和硅藻為主,甲藻中的飛燕角甲藻和多甲藻亦生長在貧-中營養(yǎng)的水體。

長蕩湖,又名洮湖、長塘湖,屬太湖水系。長蕩湖是典型的淺水型湖泊,是常州金壇重要的飲用水原地,同時兼具農(nóng)業(yè)灌溉和漁業(yè)生產(chǎn)等多種功能。湖區(qū)地勢西高東低,湖水來源為地表徑流和降水補給,主要進出河道12條,其中西側(cè)的丹金溧漕河、北河為主要入湖河流,湖水通過湖東的湟里河、北干河、中干河等東泄至滆湖,后匯至太湖,是引江濟太重要的“前置庫”和“凈化池”。該研究通過對長蕩湖不同區(qū)域內(nèi)水體理化指標(biāo)和藻類群落組成周年測定,反映湖體富營養(yǎng)化水平和藻類群落組成的時空變化特征,并初步探討藻類與理化指標(biāo)的響應(yīng)關(guān)系。

1 材料和方法

1.1 采樣點設(shè)置根據(jù)長蕩湖的水系特征、主要出入湖河流、水生態(tài)功能區(qū)等狀況,按照代表性、科學(xué)性、經(jīng)濟性等原則設(shè)置水質(zhì)采樣點8個,浮游植物采樣點與水質(zhì)采樣點一致,采樣點分布見圖1。

圖1 長蕩湖采樣點分布Fig.1 Distribution of sampling points in Changdang Lake

1.2 采樣與處理

1.2.1水質(zhì)樣品采集及處理。水質(zhì)樣品采樣時間為2019年1—12月。水質(zhì)現(xiàn)場理化指標(biāo)水溫、pH、濁度、溶解氧(DO)等參數(shù)使用水質(zhì)多參數(shù)分析儀(美國YSI公司)測定;透明度(SD)、總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮(NH3)、化學(xué)需氧量(COD)、葉綠素a(Chla)等理化參數(shù)按照《國家地表水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)監(jiān)測任務(wù)作業(yè)指導(dǎo)書(試行)》[8]進行測定。

1.2.2浮游植物樣品采集及處理。浮游植物采樣時間與水質(zhì)采樣同步。

1.2.2.1定性樣品采集與分析[9]。用25號浮游生物網(wǎng)在采樣點的水面下0.5 m處作“∞”形循環(huán)緩慢拖動,拖動時間1～3 min,后將網(wǎng)從水中提出,待水濾去,輕輕打開浮游生物網(wǎng)底管的活栓,使水樣流入樣品瓶中,加入魯哥氏液進行固定。用移液器或刻度滴管吸取60 μL左右樣品瓶底部的定性樣品滴到載玻片上,用鑷子蓋上蓋玻片,制成標(biāo)本片,在顯微鏡下,盡量鑒定到種。

1.2.2.2定量樣品采集與分析[9]。用采水器在采樣點水面0.5 m 處采集1 L水樣,將水樣轉(zhuǎn)移至1 L樣品瓶中并加入魯哥氏液進行固定,帶回實驗室后搖勻并轉(zhuǎn)移至1 L的分液漏斗,靜置24～48 h后,用虹吸法小心將上清液吸去,僅收集沉淀下來的濃縮藻樣,將濃縮藻樣定容至30 mL后轉(zhuǎn)移至50 mL 樣品瓶中。將樣品充分搖勻,用移液器吸取0.1 mL樣品到計數(shù)框中,進行藻種鑒定及計數(shù),盡量鑒定到種,每個樣品計數(shù)2次求平均值,一般每次計數(shù)100個視野。

1.2.3數(shù)據(jù)處理與分析。

(1)湖庫綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)[10]。

綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計算公式如下:

式中:TLI (∑)為綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù);Wj為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重; TLI(j)為代表第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。

各項目營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計算:

TLI(Chla)=10(2.5+1.086lnChla)

TLI(TP)=10(9.436+1.624lnTP)

TLI(TN)=10(5.453+1.694lnTN)

TLI(SD)=10(5.118-1.94lnSD)

TLI(CODMn)=10(0.109+2.661lnCODMn)

式中:Chla 單位為mg/m3,SD 單位為m;其他指標(biāo)單位均為mg/L。

(2)浮游植物完整性指數(shù)(P-IBI)[11-12]。采用浮游植物完整性指數(shù)進行水質(zhì)生物學(xué)評價。

單項指數(shù)計算:淡水浮游植物完整性單項指數(shù)計算方法見表1,若計算結(jié)果為負值,取為0;若大于1,取為1。

表1 淡水浮游植物完整性單項指數(shù)計算方法

淡水浮游植物完整性指數(shù)計算:

(3)采用Excel2016和R語言軟件4.0.3對數(shù)據(jù)進行處理與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 水質(zhì)理化特征長蕩湖水體水質(zhì)周年變化見表2。

表2 2019年長蕩湖水質(zhì)變化

長蕩湖水溫季節(jié)變化明顯,全年平均水溫16.7 ℃,夏、秋兩季水溫較高,由于是淺水湖泊,夏季平均水溫可高達27 ℃左右;長蕩湖全年透明度20 cm左右;全年電導(dǎo)率水平340 μS/cm,冬季最小、夏秋季較高;水體pH年平均7.9,偏堿性;溶解氧全年平均9.6 mg/L,夏季最低;葉綠素a濃度水平相對較高,全年平均28.6 μg/L;營養(yǎng)鹽含量水平較高,總氮年平均濃度達1.4 mg/L,總磷年平均濃度為0.100 mg/L。

2.2 水體富營養(yǎng)化狀況根據(jù)湖庫綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)計算結(jié)果,從時間來看,長蕩湖全年TLI范圍為57.3～65.5,從點位來看,長蕩湖不同湖區(qū)TLI范圍為59.6～62.7,長蕩湖TLI整體年均值61.5,全湖整體已處于輕度至中度富營養(yǎng)狀態(tài)。2019年長蕩湖富營養(yǎng)化狀況見圖2。

圖2 2019年長蕩湖富營養(yǎng)化狀況Fig.2 Eutrophication of Changdang Lake in 2019

2.3 浮游植物群里組成與動態(tài)在為期一年的浮游植物調(diào)查中,共監(jiān)測到藍藻門、綠藻門、硅藻門、甲藻門、隱藻門、裸藻門、金藻門7個門類,144種。其中綠藻門最多,有70個種,其余依次是硅藻門32種、藍藻門19種、裸藻門12種、隱藻門4種、甲藻門4種、金藻門3種。

長蕩湖全年各月浮游植物出現(xiàn)的種類數(shù)變化不大,基本保持在73～87種,9月份最多,為87種;2月、3月較少,為73種。從種類組成上看,綠藻是種類最多的藻類,占總種類數(shù)的48.6%,主要有柵藻、四角藻等;其次是硅藻,占總種類數(shù)的22.2%,主要有直鏈藻、小環(huán)藻和針桿藻等;再次是藍藻,占總種類數(shù)的13.2%,主要有微嚢藻、平裂藻、顫藻和長孢藻等;其余裸藻、隱藻、甲藻和金藻種類均較少,主要有裸藻、囊裸藻、扁裸藻和卵形隱藻等。

研究期間長蕩湖浮游植物生物量,全年浮游植物細胞數(shù)均達千萬個每升的水平,其中密度最低為2月份,約1 300萬個/L;密度最高為9月份,約9 500萬個/L。在浮游植物的豐度組成上,藍藻為長蕩湖的優(yōu)勢種群,其中微嚢藻、平裂藻、長孢藻和顫藻是全年度絕對優(yōu)勢種,整個藍藻門優(yōu)勢度全年平均達67%,呈現(xiàn)出典型的淺水型富營養(yǎng)化湖泊的特征;其次是硅藻,其優(yōu)勢度全年平均僅8%。從浮游植物豐度上看,長蕩湖全年均為藍藻型,不同季節(jié)僅表現(xiàn)出不同優(yōu)勢藍藻之間的演替,11月—翌年4月為平裂藻優(yōu)勢,5—10月為微嚢藻優(yōu)勢。

2.4 浮游植物與環(huán)境因子相關(guān)性為研究長蕩湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)和環(huán)境因子的響應(yīng)關(guān)系,考慮選取水溫(WT)、pH、溶解氧(DO)、總氮(TN)、總磷(TP)、化學(xué)需氧量(COD)、氨氮(NH3)、生化需氧量(BOD)水體環(huán)境因子,通過浮游植物與所選環(huán)境因子的典型相關(guān)分析(CCA)分析(圖3),結(jié)果表明,長蕩湖營養(yǎng)鹽濃度和藻類群落組成呈現(xiàn)較強的季節(jié)變化特征;其中水溫、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、TP和葉綠素a與藍藻豐度表現(xiàn)較強的正相關(guān)關(guān)系。

圖3 2019年長蕩湖環(huán)境因子與浮游植物CCA分析Fig.3 Changdang Lake environmental factors and phytoplankton CCA analysis in 2019

3 結(jié)論與討論

目前,長蕩湖整體已處輕度偏中度富營養(yǎng)化水平,東北、西南湖區(qū)要好于中部湖區(qū);歷史數(shù)據(jù)上證實湖體富營養(yǎng)化程度有加重趨勢;長蕩湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)明顯的季節(jié)演替特征,夏季浮游植物優(yōu)勢類群以絲狀藍藻為主,其相對高的生物量造成用水安全隱患。水溫和總磷為影響長蕩湖藍藻生長的潛在環(huán)境因子。

湖泊總磷及藻類問題是湖泊富營養(yǎng)化效應(yīng)的典型表現(xiàn),要根本解決這一問題,必須長期治理、科學(xué)治理、系統(tǒng)治理。結(jié)合該研究相關(guān)成果,建議發(fā)揮水生態(tài)修復(fù)的規(guī)模效益,實施內(nèi)部清淤、抑浪工程和外部面源、點源治理工程,控制和削減內(nèi)外源污染負荷,減緩湖泊富營養(yǎng)化進程,逐漸恢復(fù)“草型”生境[13]。