大縱湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征及其影響因子

張明明， 劉耿煒， 陳 剛， 劉倩文， 張小明

(1.江蘇省水文水資源勘測(cè)局鹽城分局， 江蘇 鹽城 224051； 2.江蘇省水文水資源勘測(cè)局徐州分局， 江蘇 徐州 221018)

眾多湖泊、水庫(kù)尤其是作為飲用水來(lái)源的水體的富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)程及生態(tài)健康狀況引起了廣大關(guān)注，通常進(jìn)行化學(xué)及微生物方面的監(jiān)測(cè)以確保飲用水安全[1-2]。浮游植物是淡水生態(tài)系中重要的初級(jí)生產(chǎn)者，其群落結(jié)構(gòu)的變化會(huì)引起系統(tǒng)中食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)的改變，從而影響系統(tǒng)的能量流動(dòng)、物質(zhì)循環(huán)和信息傳遞。目前，浮游植物群落結(jié)構(gòu)、多樣性、生態(tài)分布及其與環(huán)境影響因子是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[3-6]。大縱湖是里下河地區(qū)的重要湖泊，是鹽城市市區(qū)重要的飲用水源地，本文研究大縱湖浮游植物的種類(lèi)組成、豐度、多樣性和均勻度指數(shù)，并采用典型冗余分析(RDA)方法探討環(huán)境因子與浮游植物群落結(jié)構(gòu)變化之間的關(guān)系，為大縱湖監(jiān)測(cè)管理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

大縱湖是江蘇省級(jí)規(guī)劃保護(hù)的重點(diǎn)湖泊之一，地處里下河洼地中心地帶。位于鹽城市鹽都區(qū)大縱湖鎮(zhèn)和泰州市中堡鎮(zhèn)交界處，南北寬5.5 km，東西長(zhǎng)6 km，總面積36.67 km2．大縱湖略呈圓形，湖盆呈淺碟形，岸坡平緩，湖底高程大部分在0.1～0.3 m，相當(dāng)平坦；湖水較淺，多數(shù)地方常年水深為1 m左右，具有調(diào)蓄洪水、行洪、漁業(yè)養(yǎng)殖、生態(tài)環(huán)境、旅游等綜合功能，是鹽城市區(qū)重要的飲用水水源地。

1.2 采樣點(diǎn)設(shè)置

根據(jù)大縱湖的形狀和水質(zhì)狀況，在大縱湖選取3個(gè)采樣點(diǎn)，分別在2019年1月冬季、4月春季、8月夏季、11月秋季進(jìn)行采樣。

1.3 樣品采集與處理

浮游植物定量樣品用有機(jī)玻璃采水器在水深0.5 m處采集水樣1 000 mL，現(xiàn)場(chǎng)加入魯哥試劑并搖勻。帶回實(shí)驗(yàn)室靜置沉淀24 h后進(jìn)行沉淀和濃縮，用浮游植物計(jì)數(shù)框計(jì)數(shù)。

pH、DO、水溫、水深采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定。其他化學(xué)指標(biāo)采集樣品帶回實(shí)驗(yàn)室分析測(cè)定。其中TP的測(cè)定采用鉬酸銨分光光度法測(cè)定，NH3-N采用納氏試劑光度法測(cè)定，TN采用過(guò)硫酸鉀氧化—紫外分光光度法測(cè)定，CODMn采用酸性高錳酸鉀法測(cè)定，葉綠素a(Chl-a)采用分光光度法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

1.4.1 多樣性分析和均勻度指數(shù)分析

浮游植物的多樣性指數(shù)是判斷湖泊水庫(kù)營(yíng)養(yǎng)狀況最常用的檢測(cè)指標(biāo)。根據(jù)浮游生物的Pielou均勻度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)[7]對(duì)大縱湖水體的浮游生物生態(tài)學(xué)特征進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。上述各項(xiàng)指數(shù)的計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

式中：D為多樣性指數(shù)；J為均勻度指數(shù)；ni為站點(diǎn)中i種的個(gè)數(shù)；N為站點(diǎn)中浮游植物總個(gè)數(shù)；S為站點(diǎn)中浮游植物總種數(shù)。

1.4.2 統(tǒng)計(jì)分析

統(tǒng)計(jì)分析可以客觀有效的揭示群落、物種分布及其與環(huán)境因子之間的關(guān)系。本研究中，先將物種數(shù)據(jù)進(jìn)行除趨勢(shì)對(duì)應(yīng)分析(DCA)[8],4個(gè)排序軸中梯度長(zhǎng)度最大值為2.849，小于3，因此本研究選取典型冗余分析方法RDA，篩選出相對(duì)豐度至少在一個(gè)站點(diǎn)大于1%且在各站點(diǎn)的出現(xiàn)頻度>25%的種類(lèi)進(jìn)行排序，將浮游植物豐度值和理化數(shù)據(jù)進(jìn)行l(wèi)g(x+1)轉(zhuǎn)換處理[9]。DCA和RDA都在CANOCO4.5軟件下完成。

2 結(jié)果

2.1 種類(lèi)組成及優(yōu)勢(shì)種

2.1.1 種類(lèi)組成

大縱湖各采樣點(diǎn)全年浮游植物的種類(lèi)組成見(jiàn)表1。3個(gè)采樣點(diǎn)的樣品中，共觀察到浮游植物6門(mén)，66種(屬)，其中綠藻門(mén)的種類(lèi)最多，30種(屬)，占總數(shù)的45.4%；其次是硅藻門(mén)，19種(屬)，占總數(shù)的28.8%；藍(lán)藻門(mén)10種(屬)，占總數(shù)的15.2%；裸藻門(mén)5種(屬)，占總數(shù)的7.6%；隱藻門(mén)1種(屬)，占總數(shù)的1.5%；金藻門(mén)1種(屬)，占總數(shù)的1.5%。

大縱湖浮游植物種類(lèi)在8月達(dá)到最高，為42種，以綠藻、藍(lán)藻、硅藻為主，11月種類(lèi)最少，為17種，以硅藻和綠藻為主。藍(lán)藻在8月份最多，為10種；綠藻在8月份最多，為18種；硅藻在1月份最多，為10種。大縱湖富浮游植物的群落結(jié)構(gòu)變化規(guī)律為：春、秋、冬季呈綠藻—硅藻型，夏季呈綠藻—藍(lán)藻型。一般認(rèn)為，硅藻型的浮游植物群落是水質(zhì)污染較輕水體的典型特征，而藍(lán)藻型則意味著水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化程度比較高，所以，大縱湖春季、秋季、冬季的水質(zhì)好于夏季。

2.1.2 優(yōu)勢(shì)種

以?xún)?yōu)勢(shì)度來(lái)表示水體中浮游植物的優(yōu)勢(shì)種群，優(yōu)勢(shì)度的計(jì)算公式為：

Y=fiPi

(3)

式中：fi為第i種浮游植物出現(xiàn)的頻率，Pi為第i種浮游植物數(shù)量占浮游植物總數(shù)量的比例。當(dāng)Y大于0.02時(shí)，該種群即為優(yōu)勢(shì)群種[10]。

1月份優(yōu)勢(shì)種為4種，分別為硅藻門(mén)的等片藻、舟形藻，綠藻門(mén)的小球藻、月牙藻，4月份優(yōu)勢(shì)種為5種，分別為硅藻門(mén)的扁圓卵形藻、鈍脆桿藻、舟形藻、綠藻門(mén)的小球藻、月牙藻，8月份優(yōu)勢(shì)種為5種，分別為藍(lán)藻門(mén)的湖泊偽魚(yú)腥藻、色球藻、微囊藻、細(xì)絲藻、中華平裂藻，綠藻門(mén)的小球藻、11月份優(yōu)勢(shì)種為4種,分別為硅藻門(mén)的脆桿藻屬、顆粒直鏈藻、舟形藻，綠藻門(mén)的小球藻。

2.2 浮游植物豐度

DZH1樣點(diǎn)浮游植物的豐度在1.28～13.14×106ind./L之間，DZH2樣點(diǎn)浮游植物的豐度在0.58～8.67×106ind./L之間，DZH3樣點(diǎn)浮游植物的豐度在1.25～7.36×106ind./L之間。大縱湖各樣點(diǎn)浮游植物的豐度均呈現(xiàn)秋冬季節(jié)減少，春夏季節(jié)增多的趨勢(shì)。由此可見(jiàn)，溫度較高的夏秋季節(jié)比較有利于大縱湖浮游植物的生長(zhǎng)。參照浮游植物細(xì)胞密度評(píng)價(jià)水質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)[11]，浮游植物細(xì)胞密度不大于5×105cells/L,水體為極貧養(yǎng)水體，5×105～1×106cells/L為貧營(yíng)養(yǎng)，1×106～9×106cells/L為貧中營(yíng)養(yǎng)。根據(jù)富營(yíng)養(yǎng)指數(shù)評(píng)價(jià)，大縱湖水質(zhì)為貧中營(yíng)養(yǎng)。

表1 2019年大縱湖各月浮游植物的細(xì)胞密度所占比例

2.3 多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)

DZH1樣點(diǎn)1月、4月、8月、11月的多樣性指數(shù)分別為2.79、2.62、3.23、1.52， DZH2樣點(diǎn)1月、4月、8月、11月的多樣性指數(shù)分別為2.27、2.86、3.98、1.53，DZH3樣點(diǎn)1月、4月、8月、11月的多樣性指數(shù)分別為3.18、3.23、3.70、3.24，各站點(diǎn)多樣性指數(shù)均較高。

DZH1樣點(diǎn)1月、4月、8月、11月的均勻度指數(shù)分別為0.93、0.83、0.83、0.96，DZH2樣點(diǎn)1月、4月、8月、11月的均勻度指數(shù)分別為0.88、0.83、0.89、0.77，DZH3樣點(diǎn)1月、4月、8月、11月的均勻度指數(shù)分別為0.86、0.87、0.89、0.90。Shannon-Wiener指數(shù)值為0～1時(shí)，水體為重污染；其值為1～3時(shí)，水體為中污染，其值大于3時(shí)，水體為清污染或者無(wú)污染[11]。Pielou指數(shù)為0～0.3時(shí)，水體為重污染；其值為0.3～0.5時(shí)，中污染；其值大于0.5時(shí)，輕污染或無(wú)污染[11]。總體來(lái)說(shuō)，大縱湖3個(gè)采樣點(diǎn)的均勻性和多樣性指數(shù)表明水體處于輕—中度污染狀態(tài)。

2.4 水質(zhì)參數(shù)對(duì)浮游植物群落格局的影響

對(duì)經(jīng)過(guò)篩選的8種浮游植物及9個(gè)環(huán)境因子進(jìn)行RDA分析，分析結(jié)果見(jiàn)表2、圖1～3。本研究中2個(gè)物種排序軸和2個(gè)環(huán)境排序軸的相關(guān)系數(shù)都為0，排序結(jié)果可靠[12]。軸1和軸2能反映65.9%的物種信息。

Spec1:弓形藻 Schroederia setigera sp.;Spec2: 小環(huán)藻Cyclotella sp.; Spec3:舟形藻Navicula sp.; Spec4: 小球藻 Chlorella vulgarisbeij sp.; Spec5:月牙藻 Selenastrum bibraianum Reinsch; Spec6: 菱形藻Nitzschia sp.; Spec7: 顆粒直鏈藻 Aulacoseira granulata Ralfs; Spec8: 平裂藻 Merismopedia sp. NTU:濁度; NH3-N:氨氮; CODMn:高錳酸鹽指數(shù); TP:總磷; TN:總氮; Chl-a:葉綠素; Dep.:深度; Trans.:透明度; DO:溶解氧.圖1 物種與環(huán)境因子的RDA排序

由圖1可知，藍(lán)藻門(mén)的平裂藻與水溫、CODMn有很大的正相關(guān)；綠藻門(mén)的弓形藻、硅藻門(mén)的舟形藻、顆粒直鏈藻與Chl-a、SD有很大的正相關(guān)；綠藻門(mén)的月牙藻與水深有很大的正相關(guān)；硅藻門(mén)的菱形藻與TN和濁度有很大的正相關(guān)；硅藻門(mén)的小環(huán)藻與NH3-N有很大的正相關(guān)，綠藻門(mén)的小球藻與水溫、CODMn有很大的正相關(guān)。

由圖2可知，DZH1樣點(diǎn)4月、DZH2樣點(diǎn)1月、4月、8月以硅藻門(mén)的小環(huán)藻、菱形藻為主，DZH1樣點(diǎn)1月、8月、DZH3樣點(diǎn)4月、11月以綠藻門(mén)的弓形藻、硅藻門(mén)的舟形藻、顆粒直鏈藻為主，DZH1樣點(diǎn)8月、DZH2樣點(diǎn)11月、DZH3樣點(diǎn)8月以綠藻門(mén)的小球藻、藍(lán)藻門(mén)的平裂藻為主，DZH3樣點(diǎn)1月以綠藻門(mén)的月牙藻為主。

表2 大縱湖物種與環(huán)境因子RDA分析統(tǒng)計(jì)信息

1、4、7、10：站點(diǎn)1(1月、4月、8月、11月)；2、5、8、11：站點(diǎn)2(1月、4月、8月、11月)；3、6、9、12站點(diǎn)3(1月、4月、8月、11月)圖2 樣方與物種的RDA排序

圖3 樣方與物種的RDA排序

淡水水體中營(yíng)養(yǎng)鹽如氮、磷元素長(zhǎng)期以來(lái)被認(rèn)為是與浮游植物生長(zhǎng)密切相關(guān)，其中磷被廣泛認(rèn)為是淡水浮游植物演替的影響因素，但在大縱湖TP并非影響浮游植物群落分布的主要驅(qū)動(dòng)力。由圖3可知，NH3-N是排序軸1的主要影響因子，NH3-N、CODMn、水溫、TP、TN、NTU與第一排序軸正相關(guān)，與其他環(huán)境因子負(fù)相關(guān)。TN、NTU是排序軸2的主要影響因子，Chl-a、SD、TP、水溫、CODMn、NH3-N與第二排序軸正相關(guān)。水溫和CODMn有很大的相關(guān)性，TN和NTU有很大的相關(guān)性。1號(hào)站點(diǎn)春、冬季、2號(hào)站點(diǎn)的冬季、3號(hào)站點(diǎn)的春季物種差異性較小，影響因素為Chl-a和SD；2號(hào)站點(diǎn)的冬季、春季、夏季物種差異性較小，影響因素為T(mén)N和NTU。

3 結(jié) 論

根據(jù)2019年1月、4月、8月、11月的水質(zhì)和浮游植物調(diào)查結(jié)果，分析了浮游植物的群落結(jié)構(gòu)特征，利用典型冗余分析(RDA)研究了影響群落分布的環(huán)境因子，同時(shí)運(yùn)用豐度及多樣性指數(shù)等進(jìn)行了水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)。結(jié)論如下：

(1)2019年，大縱湖浮游植物種類(lèi)以綠藻、藍(lán)藻和硅藻三大藻群為主。3種藻類(lèi)種數(shù)占藻類(lèi)總種數(shù)的89.4%。夏季為大縱湖浮游植物種類(lèi)季節(jié)變化明顯，冬季種類(lèi)數(shù)最少，夏季最多。夏季以綠藻和藍(lán)藻為優(yōu)勢(shì)藻，春、秋冬季以綠藻和硅藻為優(yōu)勢(shì)藻。浮游植物的組成有明顯的季節(jié)變化，主要是受水環(huán)境因素的影響，水體不同季節(jié)的溫度、光照、DO和營(yíng)養(yǎng)鹽水平等均有差異。

(2)環(huán)境與浮游植物典型冗余分析表明，NH3-N、TN、NTU是影響大縱湖浮游植物群落分布的主要驅(qū)動(dòng)力。平裂藻與水溫、CODMn有很大的正相關(guān)；弓形藻、舟形藻、顆粒直鏈藻與Chl-a、SD有很大的正相關(guān)；月牙藻與水深有很大的正相關(guān)；菱形藻與TN和NTU有很大的正相關(guān)；小環(huán)藻與NH3-N有很大的正相關(guān)，小球藻與水溫、CODMn有很大的正相關(guān)。

(3)3個(gè)站點(diǎn)的多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)均較高，表征大縱湖水體為中—輕度污染，大縱湖年平均豐度為3.56×106cells/L，利用浮游植物豐度評(píng)價(jià)顯示，大縱湖為貧中營(yíng)養(yǎng)水平。