貢湖浮游植物時空分布特征及其與環境因子的關系

王　震，鄒　華，楊桂軍，許慧萍

（江南大學 環境與土木工程學院，江蘇 無錫214122）

貢湖浮游植物時空分布特征及其與環境因子的關系

王震，鄒華*，楊桂軍，許慧萍

（江南大學 環境與土木工程學院，江蘇 無錫214122）

為了弄清貢湖生態環境特征，基于2013年3月至2014年2月間貢湖8個采樣點水環境狀況的監測數據，運用數理統計分析手段，對浮游植物時空分布特征及其與環境因子的相關性進行了分析。貢湖總體上處于富營養化狀態，而水源地附近水環境狀況相對較好。藍藻水華易發期水質透明度、懸浮物、葉綠素a、亞硝態氮、總氮時空分布差異顯著（ANOVA，p＜0.05）。浮游植物細胞密度的空間分布差異顯著（ANOVA，p＜0.05），浮游植物細胞密度的最高值出現在2號點，最低值出現在 5號點。利用Pearson相關性分析法分析藻細胞密度與環境因子間的關系，表明藻細胞密度與總氮、總磷、高錳酸鹽指數、懸浮物、葉綠素 a呈極顯著相關，與溶解氧呈極顯著負相關。利用冗余度分析（redundancy analysis，RDA）浮游植物種類組成與環境因子之間的關系，表明營養鹽（總氮、總磷和氨氮）、高錳酸鹽指數、水溫、懸浮物、pH是影響浮游植物組成的主要因素。貢湖水生態環境特征存在顯著的空間特征異質性。浮游植物群落結構組成受到水環境特征和空間相鄰性的雙重影響。

水源地；浮游植物；環境因子；相關性

湖泊富營養化已成為我國乃至全球共同面臨的最重要的水環境問題之一，由此而產生的水華已經給人們的生產生活及經濟發展帶來了巨大的影響［1］。每當水華暴發時，藍藻等浮游植物在水體表面大量聚集，使得水體中溶解氧迅速降低、透光性變差，導致魚類大量死亡和水生植物多樣性下降；同時能產生藻毒素等［2-3］有毒有害物質及散發出惡臭等氣味，嚴重危害飲用水安全和破壞水體景觀。目前，我國已經有很多水域出現不同程度的藍藻水華，包括太湖［4］、巢湖［5］、滇池［6］等。

近年來，Chen等［7］研究了作為飲用水源地的太湖梅梁灣在歷經為期 3年的生態修復后，水質改善與浮游植物的響應；沈強［8］等對浙江省 4座大中型水庫水源地的的浮游生物現狀進行了調查，并采用浮游生物完整性指數（P-IBI）評價水源地富營養化、藻類水華風險程度等水生態健康狀況；李欽欽［9］等分析了太湖金墅灣水源地春、夏季浮游植物的種類組成、數量和分布等特征，探討了浮游植物群落結構特征與水質污染的關系，但缺少太湖水源地浮游植物與環境因子的季節性研究。

貢湖是太湖北部三大湖灣之一，是無錫和蘇州主要供水水源地之一，集中了蘇錫兩市 4個水廠。貢湖中浮游植物的種類、數量的變化直接影響到兩市的供水能力和供水質量。作者基于2013年3月至 2014年 2月間在貢湖 8個監測點進行逐月野外定點水環境狀態調查，分析貢湖浮游植物群落結構組成與季節演替過程，揭示影響貢湖浮游植物細胞密度及群落結構的環境因子，為弄清貢湖生態環境特征提供參考。

1　材料與方法

1.1采樣方法與分析方法

自2013年3月至 2014年2月，在貢湖主要水源地分布區（#1、#4、#6）、入湖河口附近水域（#2、#3、#5、#7）及灣口（#8）設置采樣點，并在每月月中對此8個采樣點進行定點采樣（圖 1）。用上、下底均有閥門的5 L有機玻璃采水器采集水面下0.5m的和離水底 0.5 m的混合水樣；采集的水樣 24 h內進行各指標的測定。同時，用采水器采集 1 L水樣，并用10mL魯哥氏液固定水樣，用于浮游植物的鑒定。此外，現場測定指標包括：透明度（賽氏圓盤法），水溫（WT）、pH和溶解氧（DO）（YSI-6600多參數水質儀）。

采集的水樣分析指標主要有：亞硝態氮（NO2--N）、硝態氮（NO3--N）、氨氮（NH4+-N）、總氮（TN）、磷酸鹽（PO43-）、總磷（TP）、高錳酸鹽指數（CODMn）、懸浮物（SS）、葉綠素a（Chla）。高錳酸鹽指數采用酸性高錳酸鉀法測定。懸浮物采用重量法測定。Chla的測定采用丙酮萃取分光光度法［10］。亞硝態氮、硝態氮、氨氮、總氮、磷酸鹽、總磷均使用AutoAnalyzer 3 （AA3）連續流動分析儀進行測定。測定浮游植物的水樣經48 h靜置沉淀后，利用虹吸輕輕吸掉上清液，濃縮至 50 mL。不同門類的藻類鑒定與計數參照文獻［11］。

圖1　太湖貢湖灣采樣點分布圖Fig.1　Sam pling sites in the Gonghu Bay of Taihu Lake

1.2生物學評價方法

采用種類相似性指數（Jaccard指數，J）對樣點間浮游植物群落結構的相似性進行評價：

式中，J為相似性指數；a為樣本A的種類數；b為樣本B的種類數；c為樣本A和B共有種類數。

當0＜J＜0.25時，極不相似；當0.25≤J＜0.50時，中等不相似；當0.50≤J＜0.75時，中等相似；當0.75≤J＜1.00時，極相似［12］。

1.3數據統計分析

數據統計分析和作圖使用 Excel、Origin 8.0、SPSS 20.0和CANOCO 4.5軟件。

藻細胞密度與環境因子間的關系采用 Pearson相關分析法。聚類分析方法采用目前廣泛應用的系統聚類［13］，從而可以劃分出貢湖水生態環境的特征水域。

由于監測指標的單位不完全相同，在進行聚類分析時，為了消除量綱的影響，對原始數據進行標準化，公式如下：

式中，Xij為變量標準化之后的第 i個采樣點的第 j個指標的數值，Sij為原始數據，為第 j個指標的均值。

首先用 CANOCO軟件進行去趨勢對應分析（detrended correspondence analysis，DCA），結果顯示“Lengths of gradient”最大梯度為1.674，故選擇冗余度分析（redundancy analysis，RDA）分析浮游植物的種類組成與環境因子的關系。為使得浮游植物的細胞密度數據獲得正態分布，將其進行lg（x+1）轉換［14］。

2　結果與分析

2.1貢湖環境參數特征

貢湖全年環境參數見表1。水溫差異不顯著，變化范圍為（17.48±9.41）～（21.28±8.49）℃。DO含量的范圍為（8.15±2.51）～（10.90±2.63）mg/L；pH含量的范圍為（7.88±0.29）～（8.39±0.70），均為中性偏弱堿性水體。

SS含量各點呈極顯著差異（ANOVA，F=3.09，p＜0.01），變化范圍為 （14.20±17.38）～（192.08± 310.87）mg/L，最大值出現在的2號點。SD呈顯著差異（ANOVA，F=2.7，p＜0.05），在（0.28±0.16）～（0.61±0.34）m變化，同樣最小值出現在2號點。葉綠素 a在空間分布上呈顯著差異 （ANOVA，F= 2.7，p＜0.05）。SS的最大值、最小值分別出現在2號點、7號點，葉綠素 a的最大值、最小值分別出現在2號點、7號點，透明度的最大值、最小值分別出現在7號點、2號點。這說明了透明度主要受浮游植物和懸浮物的雙重影響，并可能與該區域的水環境條件也有一定關系［15］。

高錳酸鹽指數作為有機污染的指標，當其超過4 mg/L時，表示水體受到有機污染［16］。高錳酸鹽指數范圍在（5.96±1.38）～（63.70±135.88）mg/L，說明貢湖已經受到一定程度的有機污染。高錳酸鹽指數空間分布無顯著差異（ANOVA，p＜0.05）。在時間分布上，高錳酸鹽指數峰值出現在水華暴發期，水華暴發期藻類生長量遠遠大于死亡量，因此高錳酸鹽指數在水華暴發期增高，與藻類大量生長累積有機物有關。可溶態高錳酸鹽指數的增加，與藻類死亡分解有關。

貢湖氮、磷含量見表1。方差分析結果表明TN的空間分布呈顯著差異 （ANOVA，F=2.44，p＜0.05），含量變化范圍在（1.985±1.353）～（15.784± 29.668）mg/L，其中 NO3--N空間分布無顯著差異，在（0.858±0.690）～（1.138±1.127）mg/L；而 NO2--N空間分布顯著差異（ANOVA，F=2，p＜0.05）。這與2號點在水華暴發期間藻類大量聚集有著密切的關系。2號點和3號點與其他點位相比，硝態氮較低，氨氮呈現較高的趨勢。這與太湖浮游植物更易于吸收硝態氮來合成細胞所需要的氨基酸等物質有關［17］。TP含量變化范圍為（0.1222±0.0873）～（1.1647±2.3723）mg/L，各采樣點無顯著差異。依據經濟合作和發展組織（OECD）對水體營養類型劃分標準［18］，貢湖水體總體上處于富營養化狀態，而水源地附近（#1、#4、#6）水環境狀況相對較好。

表1　貢湖各采樣點環境參數（年平均值±標準差）Table 1　Variability of environmental parameters（mean±sd）in Gonghu Bay

2.2浮游植物的分布特征

貢湖全年共檢出浮游植物 8門 53屬 （表 2），其中綠藻門和硅藻門最多，分別為20屬、15屬，其次藍藻門 9屬，裸藻門 3屬，甲藻門和隱藻門均為2屬，黃藻門和金藻門均鑒定出1屬。春季采獲浮游植物8門39屬，夏季采獲浮游植物 7門48屬，秋季采獲浮游植物7門46屬，冬季采獲浮游植物8門 31屬。各采樣點細胞密度和主要藻類組成隨季節的變化見表3。

表2　貢湖水源地浮游植物名錄Table 2　List of phytoplankton in the drinking water resource of Gonghu Bay

續表2

表3　各采樣點的浮游植物變化特征Table　3　Distribution　features of phytoplanktons　at different samp ling sites

貢湖浮游植物分布主要表現出以下特征：

1）貢湖水華的優勢藻種較為單一，以藍藻門為優勢種的水華。

2）藻類的細胞密度是水生態系統功能和水質評價的重要參數之一［19-20］。從空間分布上來看，藻類的細胞密度最低值出現在 5號點，細胞密度的最高值出現在2號點。

3）采用 Jaccard指數分析不同樣點浮游植物群落的相似性，結果表明：6號點、8號點、1號點兩兩比較的相似性系數分別為 0.767、0.756、0.674，基本達到極相似的水平；2號點和3號點比較的相似性系數為0.761，同樣也達到極相似的水平。2號點和7號點比較的相似性系數為0.469，群落結構中等不相似。

2.3浮游植物與環境因子的相關關系

2.3.1相關性分析水華通常是指浮游植物的生物量顯著地高于一般水體中的平均值，并在水體表面大量聚集，形成肉眼可見的藻類聚積體［21］。正是由于水華暴發的前提之一是足夠的藻類生物量，因此探討水華暴發成因的關鍵就是要分析浮游植物細胞密度與環境因子的相關關系。相關關系見表 4，結果表明：浮游植物細胞密度與TN和TP呈極顯著相關，即較高的營養鹽含量對藻類的生長起到一定的促進作用。這與Jiang等在巢湖的研究結果類似［22］。同時，浮游植物細胞密度與高錳酸鹽指數、SS 和Chla呈極顯著相關，與DO呈極顯著負相關；但水溫、透明度與浮游植物細胞密度相關性不顯著。浮游植物的生長過程中需要吸收有機物，同時藻類死亡也會向水體貢獻有機物，故與高錳酸鹽指數呈極顯著相關。浮游植物細胞密度與DO呈極顯著負相關，主要表現在兩方面：一是藻類生長和腐爛需要消耗一定的溶解氧，二是藻類大量漂浮聚集在水面，阻礙了覆氧。

表4　浮游植物細胞密度與環境因子相關關系分析Table 4　Correlation coefficients between phytoplankton density and environmental factors

Chla與 TN、TP、高錳酸鹽指數和 SS呈極顯著相關，與浮游植物細胞密度和環境因子的相關關系具有一致性。Wang等［23］通過在太湖連續5年的監測數據指出：pH、DO和高錳酸鹽指數為富營養化的反饋因子。相關分析結果表明：pH與Chla沒有顯著的相關性，而高錳酸鹽指數和 Chla有顯著的相關性。說明藻類的快速增長導致其光合作用加強，從而使水體的pH值升高［24］。

2.3.2RDA分析貢湖浮游植物群落與環境因子的RDA分析結果見圖2。前3個軸解釋了79.6%浮游植物與環境因子相關性的信息。在浮游植物種屬與環境因子之間的相關系數中，軸1中浮游植物種屬與環境因子的相關性達到 0.517，軸 2也有0.417，說明在軸1、軸2中相關性都比較高。從圖2中可以看出，與藍藻呈顯著正相關的有 WT、TN、pH、SS、TP、CODMn；與裸藻呈顯著正相關的有 TN、pH、SS；與甲藻呈顯著正相關的是 pH、SS、CODMn、NH4+-N、TP和 Chla；藍藻、裸藻、甲藻均與 NO3-、DO呈顯著負相關；與隱藻呈顯著正相關的是PO43-，綠藻、金藻、黃藻、硅藻與環境因子相關性不顯著。有研究表明，藍藻比較適應穩定的水體，而且也偏好較高的光照強度和高溫，透明度的增大導致光強也比較高。藍藻具有儲磷機制，能夠對磷進行富集［25］，從而導致磷 的濃度隨著藍藻數量的增加而升高。裸藻和甲藻與水溫呈正相關，這表明在水華暴發期間，裸藻和甲藻的細胞密度隨著溫度的升高而升高。

圖2　貢湖浮游植物組成與環境因子關系的RDA排序圖Fig.2　Biplot of the first two axes of RDA analysis for the environmental　factors　associated　w ith phytoplankton variation

2.4水生態環境特征

依據貢湖藻類細胞密度、環境因子等 14個監測指標進行系統聚類分析，聚類分析結果見圖3。當聚類距離取值為3時，可分為4類。第1類為3號點、4號點和5號點，這3個點毗鄰望虞河，望虞河是“引江濟太”工程的重要通道，引流的長江水本身藻類密度低，大量引水也可以稀釋該水域的藻類；也是重要航運路徑，故其水流速度和水體紊動擴散能力導致水體交換比較頻繁，水華發生的概率較低。第2類為6號點、8號點和1號點，這3個采樣點處水域開闊，水體流動交換速度快；6號點沉水植物生長茂盛，8號點和 1號點次之；故水華發生的概率較低。第3類為7號點，地理位置特殊，在夏季盛行的東南風作用下，該點處于背風區，水流緩慢，滯留時間延長，水體交換能力減弱，水華發生的概率較大。第4類為2號點，該采樣點地處貢湖公園附近，人流量較大，外源輸入量大；且湖邊有大量景觀蘆葦帶，易在東南風作用下藻類在蘆葦叢中大量聚集，發生水華的概率較大。

圖3　貢湖各采樣點水生態環境的聚類分析結果Fig.3　Cluster analysis of aquatic environmental features in the Gonghu Bay

聚類分析結果表明，2號點與 7號點水生態環境特征差異顯著；Jaccard指數分析結果表明，這兩個采樣點浮游植物群落結構差異顯著。6號點、8號點、1號點生態環境相似，其群落結構也基本達到極相似的水平，說明浮游植物的群落結構受到了生態環境特征的影響。3號點與4號點、5號點雖然具有相似的生態環境特征，但是其群落結構與相鄰的2號點相似性水平高于 4號點、5號點。這說明浮游植物的群落結構受到了水生態環境特征與地域相鄰性的影響；藻類的一部分來源于采樣點原位生長，另一部分來源于水力或風力驅動表層藻類的漂移。鄭炳輝［26］等在三峽庫區支流大寧河也觀測到類似的現象。聚類結果表明貢湖水體水生態環境特征存在顯著的空間異質性，這對分析貢湖灣水華發生的主要控制因子和水環境質量分區管理具有重要意義。

3　結語

1）貢湖全年共檢出浮游植物 8門 53屬，其中綠藻門和硅藻門最多，分別為 20屬、15屬，其次藍藻門9屬，裸藻門3屬，甲藻門和隱藻門均為2屬，黃藻門和金藻門均鑒定出1屬。貢湖水華的優勢藻種較為單一，是以藍藻門為優勢種的水華。

2）貢湖浮游植物細胞密度與 TN、TP、CODMn、SS、Chla呈極顯著相關，與DO呈極顯著負相關。同時，營養鹽、CODMn、WT、SS、pH是影響浮游植物組成的主要因素。

3）目前，貢湖總體上處于富營養化狀態，但水生態環境特征存在顯著的空間特征異質性，水源地情況相對較好。貢湖水華易發期透明度、懸浮物、葉綠素a、亞硝態氮、總氮時空分布差異顯著（ANOVA，p＜0.05）。浮游植物細胞密度的分布同樣具有顯著的空間異質性。群落結構組成受到水環境特征和空間相鄰性的雙重影響。

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Spatial-Tem poral Characteristics of Phytop lanktons and the Relationship w ith Environmental Factors in the Gonghu Bay

WANG Zhen， ZOU Hua*，YANGGuijun， XU Huiping
（School of Environment and Civil Engineering，Jiangnan University，Wuxi 214122，China）

The spatial-temporal characteristics of phytoplanktons andits relationshipw ith environmental factors were studied to understand the ecological environment characteristics，using multivariate statistical analysis based on themonitoring data recorded from March 2013 to February 2014 in the Gonghu Bay.Gonghu Bay was generally in a eutrophic state；however，the nearby sampling siteswere in a relative better condition.The significantspatial-temporal characteristicswas observed for the transparency，suspended substance，chlorophyll a，nitrite and the total nitrogen during cyanobacteria bloom（ANOVA，p＜0.05）.A comparatively high spatial heterogeneity was indicated in the phytoplankton community composition（ANOVA，p＜0.05）.Themaximum cell density was found in the 2nd sampling site，while the minimum in the 5th sampling site.Pearsoncorrelation analysis was performed to illustrate the relationship between algae density and environmental variables.Significant positive correlationswere found between algae density and the total nitrogen，total phosphorus，permanganate index，suspended substance，and chlorophyll a.But the correlations between algae density and dissolved oxygen were highly negative.Relationship between phytoplankton community composition and environmental factors were analyzed by redundancy analysis（RDA）.The results indicated that nutrients（i.e.，the total nitrogen，total phosphorus and ammonia nitrogen），permanganate index，water temperature，suspended substance，and pH made amajor contribution to the composition of phytoplankton community.There was a remarkable spatial heterogeneity of ecological environmental in Gonghu Bay.The phytoplankton community composition was substantially and cooperatively affected by the environmental characteristicsand adjacentsampling sites.

drinkingwater source，phytoplankton，environmental factors，correlation

X 52

A

1673—1689（2016）04—0399—09

2014-11-20

國家水體污染控制與治理科技重大專項項目（2012ZX07503-002-01）。

鄒華（1972—），男，江蘇無錫人，工學博士，副教授，主要從事天然水體污染控制和環境生物技術研究。E-mail：zouhua@jiangnan.edu.cn