射陽湖浮游植物群落特征及其與環(huán)境因子相關性

徐 明，許靜波，徐劍斌，趙家偉，李一平，唐春燕

(1.江蘇省泰州引江河管理處，江蘇 泰州 225321；2.河海大學環(huán)境學院，江蘇 南京 210098)

浮游植物的群落結構與周邊水質狀況密切相關，同時其生物量的動態(tài)變化又能靈敏地反映水環(huán)境的變化規(guī)律[1]，隨營養(yǎng)水平和鹽度等環(huán)境條件不同，在形態(tài)、結構和種群組成上存在較大差異，由此對水環(huán)境變化具有重要的指示作用[2]。

近年來，關于浮游植物群落結構及其時空分布已有較多研究進展，重點包括了群落結構特征、群落演替規(guī)律以及與水環(huán)境因子的響應關系等[3]，如劉川等[4]通過冗余分析得出水溫、電導率、pH值、CODMn、氨氮和總磷是影響青龍湖浮游植物群落結構的主要環(huán)境因子。馬迎群等[5]對嘉興南湖的7條主干河流和主要出入湖口共16個樣點的浮游植物進行分析，表明浮游植物的區(qū)域分布差異明顯。張春梅等[6]對南水北調中線干渠11個樣點進行采樣調查，通過多元線性回歸分析顯示水溫和營養(yǎng)鹽是影響群落結構的關鍵因素。

里下河腹地位于長江、淮河兩大水系交匯地帶，主要由射陽湖、大縱湖等41個零星分散的湖蕩及眾多的圩區(qū)組成。由于里下河腹地地面高程較低，河網湖蕩密布，隨著社會經濟的發(fā)展面臨嚴重的面源污染和濕地功能退化等問題[7]。本文選取里下河腹地最大湖泊—射陽湖，開展為期兩年的浮游植物及水質因子的逐月監(jiān)測，系統分析射陽湖浮游植物群落結構、優(yōu)勢種群、豐度、物種多樣性和均勻度的時空特征，利用相關性分析法探究浮游植物與水質因子之間的相關度，評價湖泊污染程度和富營養(yǎng)程度，以期為射陽湖以及里下河腹地的水資源合理開發(fā)與生態(tài)系統保護提供科學依據。

射陽湖位于江蘇省揚州市寶應縣、淮安市淮安區(qū)及鹽城市建湖縣、阜寧縣交界處，南北寬約28 km，東西長約20 km，湖泊保護范圍面積為127.384 km2，是里下河腹部地區(qū)湖泊群中保護面積最大的湖泊。射陽湖是一寬淺蝶形洼地，周邊高程為3～5 m，中部地區(qū)高程為1.5～3 m[8]，在研究期間(2016年9月至2017年8月)平均水深1.79 m，夏季豐水期水深為1.95 m。射陽湖周邊地區(qū)河網密集，縱橫交錯，是蘇北著名的水網圩區(qū)，具有調蓄洪水、漁業(yè)養(yǎng)殖、供水和旅游等綜合功能。

1 采樣與分析方法

1.1 采樣點布設及樣品采集處理

本研究在射陽湖共布設5個具有代表性的調查站點(圖1，用#1～#5表示)。于2015年10月至2017年8月每月一次進行采樣，監(jiān)測指標為水質指標(水溫、透明度、濁度、電導率、pH、DO、NH3-N、CODMn、TP、TN和Chl-a)和浮游植物種類、生物量。

圖1 研究區(qū)域及監(jiān)測點位布置

(1)浮游植物的采集與鑒定

浮游植物定量樣品用采水器在水體表層0.5 m處采集1 L水樣，加入15 mL魯哥試劑以固定，靜置24 h后濃縮至25～35 mL。用0.1 mL浮游植物計數框在10×40倍光學顯微鏡下進行鏡檢，根據文獻進行分類鑒別，并計算浮游植物細胞數量[9]。

(2)水質因子測定

水質因子的取樣測定與浮游植物樣品的采集同步進行，水質樣品的采集和分析依據《地表水環(huán)境質量標準》(GB3838—2002)中的規(guī)定。

1.2 數據處理和統計分析

(1)浮游植物生態(tài)學特征指數計算方法

采用浮游植物群落的優(yōu)勢度指數(Y)、藻類豐度(D)、多樣性指數(H，Shannon-Wiener index)和均勻度指數(J，Pielou)對射陽湖水體的浮游植物生態(tài)學特征進行評價[10]。

浮游植物優(yōu)勢種依據其優(yōu)勢度值(Y)確定：

(1)

式中：ni為第i種的個體總數；N為所有浮游植物總個數；fi為第i種藻類在各站點出現的頻率；Y>0.02的種類為優(yōu)勢種。

多樣性指數(H)確定：

(2)

H與水質的關系為：H>3，輕污染或無污染；1

均勻度指數(J)確定：

(3)

式中：S為站點中浮游植物總種數；J與水質的關系為：J>0.5，輕污染或無污染；0.3

根據藻類豐度(D)評價湖泊富營養(yǎng)化狀態(tài)：D≤10×106cell/L，貧營養(yǎng)狀態(tài)；10×106

(2)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數法

綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數計算公式為

(4)

式中：TLI(∑)為綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數；Wj為第j種參數的營養(yǎng)狀態(tài)指數的相關權重；TLI(j)為代表第j種參數的營養(yǎng)狀態(tài)指數。選用Chl-a、透明度、TP、TN和CODMn5項參數，根據《湖泊(水庫)富營養(yǎng)化評價方法及分級技術規(guī)定》計算TLI。

以Chl-a作為基準參數，則第j種參數的歸一化的相關權重計算公式為

(5)

式中：rij為第j種參數與基準參數Chl-a的相關系數；m為評價參數的個數。

2 結果與討論

2.1 浮游植物群落結構特征及優(yōu)勢種分析

射陽湖在調查期間共記錄浮游植物8門，103種(屬)，其中綠藻門的種類最多，有41種；其次硅藻、藍藻和裸藻種類分別為30、17和9種；黃藻、甲藻、金藻和隱藻均小于5種(圖2)。

圖2 射陽湖浮游植物種類組成

以優(yōu)勢度Y>0.02為標準，統計分析表明，浮游植物的主要優(yōu)勢種為隱藻門的嚙噬隱藻(Crypomonaserosa)，裸藻門的扁裸藻(Phacussp)，綠藻門的小球藻(Chlorellasp.)、蛋白核小球藻(Chlorellapyrenoidosa)、卵囊藻(Oocystissp.)、螺旋弓形藻(Schroederiaspiralis)、四尾柵藻(Scenedeamusquadricauda)和角星鼓藻(Starurastrumsp.)等。

射陽湖浮游植物種類組成具有明顯的時空變化特征。夏季(25種)和秋季(24種)浮游植物種類多于春季(19種)和冬季(15種)，其中4#樣點浮游植物的年平均種類最多為25種，而3#樣點浮游植物的種類最少為17種。

2.2 浮游植物豐度變化分析

2015年9月至2017年8月調查期間射陽湖各采樣點浮游植物的豐度波動范圍為0.91×106～7.26×106cells/L，平均豐度為3.34×106cells/L，說明射陽湖整體處于貧—中營養(yǎng)狀態(tài)(圖3)。浮游植物季節(jié)性波動趨勢明顯，每年7—8月份，浮游植物平均豐度呈現出最大值，隨后略有下降，到11—12月份波動上升；1—2月由于冬季氣溫較低，浮游植物的生長繁殖受到抑制，豐度明顯低于其他月份；隨后隨著氣溫回升，浮游植物豐度緩慢上升，比如2016和2017年7月浮游植物豐度比當年1月份分別增加了5.13和3.80倍，由此可見溫度是影響浮游植物豐度的重要因素。

圖3 2015年9月至2017年8月各采樣點浮游植物豐度變化

從浮游植物豐度的空間變化上看，2#樣點浮游植物的豐度年平均值最高(5.33 cells/L)，其次為5#樣點(3.74 cells/L)，3#樣點豐度年平均值最低(1.69 cells/L)，年變化范圍分別為0.17×106～15.99×106cells/L、1.84×106～6.71×106cells/L和0.15×106～5.58×106cells/L。射陽湖各采樣點浮游植物豐度的季節(jié)變化基本一致，最高值除了5#點位出現在春季(5—6月)以外，其他點位均出現在夏季(6—8月)，最低值一般出現在1—2月份。浮游植物的夏季高峰主要是受藍藻門的湖泊偽魚腥藻、兩棲顫藻、平裂藻、束縛色球藻、微囊藻、席藻、細小平裂藻等影響。

2.3 浮游植物多樣性及均勻度季節(jié)性變化

射陽湖浮游植物多樣性指數年平均值約2.60，從而可以判斷屬于中度污染水體。從浮游植物的均勻度來看，各樣點的年平均值為0.84，指示該湖泊為輕度污染水體。

各采樣點浮游植物的多樣性指數存在較明顯的季節(jié)性變化(圖4)。5#樣點浮游植物的多樣性指數年均值最高為3.08，處于輕污染狀態(tài)，3#樣點多樣性指數年均值最低為2.04，處于中污染狀態(tài)。由于3#樣點位于村鎮(zhèn)河道入射陽湖交匯處附近，受農業(yè)和生活污水影響較大，污染程度較重，所以3#樣點的浮游植物多樣性相對較低。各采樣點多樣性指數平均值在冬季(2.41)和夏季(2.43)較低，污染程度較為嚴重，春季(2.76)和秋季(2.82)則相對較好。1#、2#、3#、4#和5#樣點的均勻度指均大于0.5(圖5)，其中3#、4#、5#樣點浮游植物均勻度均為秋季最高，春季最低，1#樣點和2#樣點均勻度最高值分別出現在夏季(0.92)和春季(0.86)，最低值分別出現在冬季(0.63)和秋季(0.74)?？傮w來說，射陽湖5個采樣點的均勻性和多樣性指數表明水體處于輕～中度污染狀態(tài)，說明射陽湖浮游植物的物種多樣性比較豐富，其中5#樣點多樣性指數最高，4#采樣點的均勻度最高。

圖4 射陽湖浮游植物群落多樣性指數時空變化

圖5 射陽湖浮游植物群落均勻度指數時空變化

2.4 浮游植物與環(huán)境因子的關系

選用Chl-a、透明度、TP、TN和CODMn5項指標，根據綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數法計算射陽湖營養(yǎng)狀態(tài)，結果表明，2015年9月至2017年8月期間，綜合營養(yǎng)指數(ΣTLI)值范圍為52.52～57.39，整體屬于輕度富營養(yǎng)化狀態(tài)，與上文浮游植物生物學評價指標結果基本一致。由此可見，射陽湖的水生態(tài)環(huán)境的管理及治理工作仍需進一步加強。

射陽湖水質指標(水溫、透明度、pH、DO、NH3-N、CODMn、TP、TN和Chl-a)與浮游植物群落指數間的Pearson相關關系見表1。結果表明，水溫、透明度、DO和CODMn與浮游植物豐度在0.01級別顯著相關，pH和Chl-a與浮游植物多樣性在0.05級別顯著相關。與已有研究中影響長江中下游典型湖泊中藻類結構的重要環(huán)境因子為溫度、透明度、水位、營養(yǎng)鹽和pH的結論基本一致[12]。主要是由于浮游植物細胞的代謝過程大多為受酶活性的影響的酶促反應，而溫度對酶活性有極大影響，不同藻類在溫度適應性上存在差異，這導致優(yōu)勢物種隨溫度的變化而變化[13]。水體透明度通過影響浮游植物的光合作用和氮磷循環(huán)從而影響浮游植物群落結構，光照強度提供了部分浮游植物生長代謝所需的能量，而總懸浮固體濃度的變化影響浮游植物對氮和磷的吸收[14]。

表1 射陽湖水質指標與浮游植物群落指數之間Pearson相關性分析

同為里下河腹地典型湖泊的大縱湖的浮游植物群落參數與水溫、透明度、濁度和總氮顯著相關[15]。與部分長江中游和下游湖泊不同，武山湖影響浮游植物豐度和生物量的主要營養(yǎng)元素是磷[16]，駱馬湖影響浮游植物群落年際變化的環(huán)境因子總氮和氟離子濃度[17]，而射陽湖浮游植物結構特征與總氮和總磷相關性均不高，與CODMn相關性較高，原因是夏季降雨攜帶的固體顆粒物質與周圍田地農藥殘留有機物隨地表徑流被帶入射陽湖，從而與浮游植物豐度有較高相關性。

3 結 論

(1)2015—2017年期間在射陽湖5個采樣點，共鑒定到浮游植物8門，103種，以綠藻、硅藻、藍藻為主，分別為41、30和17種。射陽湖浮游植物種類

組成具有明顯的季節(jié)性變化特征，夏季和秋季種類明顯多于春季和冬季。

(2)射陽湖各采樣點浮游植物的豐度波動范圍為0.91×106～7.26×106cells/L，平均豐度為3.34×106cells/L，表明射陽湖處于貧—中營養(yǎng)狀態(tài)。豐度時空變化趨勢明顯，夏季豐度明顯上升，冬季回落，湖中心處樣點浮游植物豐度明顯高于湖邊樣點。

(3)射陽湖浮游植物物種多樣性指數和均勻度年均值分別為2.60和0.84，表明射陽湖處于輕—中度污染狀態(tài)；綜合營養(yǎng)指數法顯示射陽湖處于輕度富營養(yǎng)化狀態(tài)。

(4)水溫、透明度、DO和CODMn是影響射陽湖浮游植物群落豐度的主要水質指標，pH和Chl-a是影響射陽湖浮游植物群落多樣性的主要水質指標。