寧波市某人工瀉湖浮游生物變化特征及影響因素分析

孫麗梅，汪文東,3，高鳳，曹昌麗,*，唐劍鋒

1. 中國科學院城市環境研究所，城市環境與健康重點實驗室，廈門 361021 2. 中國科學院寧波城市環境觀測研究站，寧波 315830 3. 中國科學院大學，北京 100049 4. 安徽師范大學生命科學學院，蕪湖 241000

湖泊生態系統在水循環過程中起著重要的作用，在生物圈循環中也有不可替代的作用，并具有獨特的結構特征[1]。近年來，隨著人們生活水平的提高和生態可持續發展理念的推廣，在城市規劃和景觀設計過程中，景觀水體的開發應用愈發廣泛。除具有景觀功能的天然湖泊水體外，人們還在原有自然水體的基礎上，通過人工改造形成人工瀉湖等景觀水體。人工瀉湖是湖泊生態系統的重要組成部分，對于人類的生產、生活、社會經濟以及城市景觀文化功能的提升具有重要的意義[2]。近年來，隨著城市化的快速發展，人們對湖泊生態系統的過渡干擾日益加重，導致部分區域水質惡化，形態結構破壞，水文動力學條件改變，生境退化以及重要敏感生物消失，使得其生態系統健康受損[3]。人工瀉湖生態系統健康已經成為許多國家和地區重點關注的環境問題之一。

在水生態系統中，浮游植物和浮游動物是食物鏈的重要組成成分，承擔了生產者和初級消費者的作用，對水生態系統具有重要的作用。浮游生物是水體營養等級的重要指示生物，其群落結構、生物多樣性指數等常常被作為水環境評價的重要指標[4]。浮游植物和浮游動物相互影響、共同存在。浮游植物個體小，生活周期短而易受環境變化的影響，可在短時間內對環境變化做出反應，其隨營養水平、鹽度等環境條件的不同，在形態、結構和種群組成上存在較大差異[1]。因此，浮游植物的群落結構能較好地反映水體環境狀況，也是評價水質和水體健康的重要手段。浮游動物是食物鏈的另一個重要環節，其種類和數量也與水環境質量密切相關，同時在生態系統的結構和功能中起著重要的調控作用[5]。浮游生物群落結構在水環境，尤其是湖泊環境中，對污染物環境行為的反應非常重要[6]。

因此，了解浮游生物的群落結構特征是進一步深入認識其生態環境效應的關鍵。長期以來，對于攔壩建庫截流形成的水庫型湖泊，被認為是污染物環境行為較為活躍的熱點地區[7]，朱廣偉等[8]對太湖流域水庫型水源地硅藻水華發生特征及對策進行了分析，浮游生物在其中的核心地位不容忽視。基于此，本文以寧波市某人工攔壩工程形成的人工瀉湖為例，深入研究在攔壩過程中人工瀉湖內浮游生物群落結構特征及其影響因素。為受人工攔壩及其水文情況變化下人工瀉湖的浮游生物結構特征及其水質影響機制的研究奠定基礎，為人工瀉湖優化調控提供理論基礎和科學依據。

1 材料與方法 (Materials and methods)

1.1 研究區域概況

梅山水道為人工瀉湖，位于寧波市北侖區梅山島與穿山半島之間，全長17 km，兩側分別為梅山港區和穿山港區，平時潮差較大，日潮差約3 m。水道寬度在0.5～1.6 km之間，水深在5～10 m之間。2014年為綜合考慮漁港、航道等相關規劃，寧波市北侖區政府通過梅山港抗超強臺風漁業避風錨地工程對梅山水道采用雙頭攔截的方式建設2條海堤，其中南堤長1 200 m，堤頂寬度7 m；北堤長900 m，堤頂寬度30 m，兼做交通道路；建設水閘2座，總凈孔80 m。其中南、北堤閘均為8 m×5孔；建設500噸級海船閘一座，尺寸120 m×12 m×3.36 m；營造岸線長30 km、水面寬度400～1 100 m、水域面積10.85 km2的景觀水域[9]。2016年5月，梅山水道合龍，合龍后梅山灣海域成一個閉合的人工瀉湖。

研究區域屬亞熱帶季風氣候，受海洋氣候影響較大，冬季盛行西北風，氣候干燥寒冷；春季氣溫開始回升，雨量增多，東風漸占優勢；夏季主要以東南風為主，降水集中在梅汛期和臺汛期；秋季日夜溫差較大，盛行西南風。多年平均氣溫為16.7 ℃[10]。

1.2 樣點分布與采樣時間

根據梅山水道人工瀉湖的水域情況，設置S1、S2、S3、S4共4個采樣點，分別位于北堤、南堤人工瀉湖內外，如圖1所示；采樣期間北堤已合攏，南堤尚在建設。根據梅山水道季節變化在不同季節(2015年3月、6月、9月、12月)開展采樣。

圖1 梅山水道采樣點分布Fig. 1 Distribution of sampling sites in Meishan Channel

1.3 采集和分析方法

1.4 數據處理與分析

1.4.1 水質生物評價

采用Shannon-Wiener多樣性指數(H′)、Margalef豐富度指數(D)、Pielou均勻度指數(J)進行浮游生物多樣性評價；采用物種優勢度Y計算浮游生物優勢種；采用Jaccard相似性指數(Jc)來反映群落的β-多樣性。計算公式如下：

式中，ni為第i個分類單元的個體數，N為樣品中所有物種的總個體數，S為樣品分類單元數；a、b分別為不同采樣點的浮游植物的總種數，c表示其共有種數。

1.4.2 富營養化指數法

采用富營養化指數法(EI)對采樣點水質進行分析評價：

1.4.3 統計分析方法

利用SPSS 22.0對數據進行Pearson相關系數計算，采用Origin 8.0分析處理數據。

2 結果(Results)

2.1 浮游植物分布特征

樣品中共鑒定出浮游植物5門66種，其中硅藻門44種，占總種數的67.7%；甲藻門7種，藍藻門6種，綠藻門7種，裸藻門2種。

浮游植物密度變化如圖2所示。從種類看，絕大部分點位均可檢測到硅藻和甲藻，除夏季S2外其他點位硅藻占藻密度76.5%以上，裸藻和藍藻在部分點位可檢測到，綠藻僅在夏季S2及秋季各點檢出，其中夏季S2綠藻占藻密度百分比達43.0%，其余點位綠藻占比較小；總體表現為夏秋季種類多春冬季種類少，夏季檢出5門31種，秋季5門33種，春季3門29種，冬季僅檢出硅藻和甲藻共22種，其中S2夏季種類最多為5門16種。從藻細胞密度看，S2夏秋季藻密度遠大于春冬季，S1夏季密度最大，S3、S4秋季密度最大；S2藻密度遠高于其他樣點且季節差別最大，春、秋季密度分別為2.95×105、2.51×103cells·L-1。

圖2 各采樣點浮游植物密度變化Fig. 2 Variation of algae density of samples

夏冬兩季浮游植物優勢種見表1，Jaccard物種相似指數見圖3。除夏季S2以綠藻門中的小球藻為優勢種(優勢度0.43)外，其他點位均以硅藻為優勢種；S2、S3在夏秋季單一種群優勢度大于S1、S4，春冬季優勢度趨于相似，表明S2、S3在溫度適于藻類生長時易出現單一優勢種。比較各點Jc值可看出，S2與其他點位之間的Jc值相較于其他點位之間的Jc值小，夏季最低，表明S2與其他點位之間的種群分布差異較大，夏季尤甚。綜上，S2植物種群與其他點位差別顯著，夏季差異最大。

浮游植物的生物多樣性見圖4。夏秋季3項生物評價指數均為S2、S3小于S1、S4，春冬季各采樣點生物評價指數差異減小；同時浮游植物的3項生物評價指數具有相同的趨勢。S2浮游植物的豐度最高，同時生物多樣性較低；植物豐度最低的S4生物多樣性較高。與水質生物多樣性指數評價標準[12]比較可知，H′、D值顯示水體為α-中污染水平，J值為輕污染或清潔水平。

2.2 浮游動物分布特征

浮游動物種類及密度分布見圖5。4個樣點共鑒定出浮游動物25種。其中，節肢動物門中的橈足類17種、輪蟲7種、原生動物1種，分布呈現時空差異。

春、夏、秋季分別鑒定出16、15、11種，主要為橈足類及少量輪蟲，冬季共鑒定出10種，以網紋蟲為主要優勢種；物種數春夏季多于秋冬季。夏秋季橈足類及輪蟲密度比春冬季高，例如S2冬季為4.8×103cells·L-1，夏季為2.3×105cells·L-1。四季浮游動物密度最高值均出現在S2，其中夏季為其他點位密度的6倍以上，冬季高達35倍；其他點位浮游動物密度春夏秋季差異較小，冬季S3顯著大于S1、S4。從種群優勢度看，夏秋季S1、S3、S4均以橈足類水蚤為優勢種，S2則出現了優勢種疣毛輪蟲和晶囊輪蟲；冬季網紋蟲優勢度達0.52以上，S2為最大值0.99。

圖3 各采樣點之間浮游植物的Jaccard物種相似指數Fig. 3 Jaccard indices of phytoplankton of samples

表1 各采樣點浮游植物優勢種Table 1 Composition of dominant species phytoplankton of samples

圖4 各采樣點浮游植物生物評價指數Fig. 4 Biodiversity indices of phytoplankton of samples

圖5 各采樣點浮游動物種類及密度分布Fig. 5 Species and density of zooplankton of samples

圖6 各采樣點之間浮游動物的Jaccard物種相似指數Fig. 6 Jaccard indices of zooplankton of samples

各采樣點之間浮游動物的Jaccard物種相似指數見圖6。春秋冬3季各點位間的Jc值為0.37～0.67，夏季S2 與其他點位之間的Jc值相較于其他點位之間的Jc值小。說明S2夏季與其他點位的浮游動物種群分布差別顯著，其他季節則趨于相似。

浮游動物各項生物評價指數見圖7。各項指數在夏、秋冬兩季均呈U形，即S1、S4的指數值大于S2、S3；S2夏季J值最低，秋、冬季3項評價指數均為最低；春季各項指數數值相近。參照水質生物多樣性指數評價標準[12]，D值顯示春季各點及夏季S1、S2為α-中污染，夏季S3、S4及秋冬季各樣點為重污染；J值顯示僅冬季S2、S3為重污染，其余各點為輕污染或清潔水平；H′值顯示冬季S2、S3為重污染，其余各點為α或β-中污染。綜合各點間生物評價指數大小差異及水質類型評價，S2水質污染水平最高，S3次之，且兩者均可能存在重污染；S1、S4水質較好。

2.3 水質參數分析

參照海水水質標準(GB3097—1997)對采樣點水質進行分析評價。其中，夏秋季水溫均值分別為23.5 ℃、25.4 ℃，春冬季分別為13.4 ℃、12.7 ℃，夏、秋季水溫較適宜浮游生物生長；pH、溶解氧在第一類水質范圍內，且各點間無明顯差異；S2鹽度均值為24.2，其他點位鹽度均值為25.1，S2鹽度低于其他點位，水質淡化趨勢明顯；懸浮物S1、S2明顯低于S3、S4；化學需氧量為0.78～1.86 mg·L-1，也在第一類水質范圍內；無機氮除春季各點為1.39 mg·L-1以上之外，其他季節波動范圍為0.14～0.45 mg·L-1，夏季為0.35～0.45 mg·L-1在第三、四類水質范圍內，秋冬季S3、S4為一類水質，S1、S2為二、三類水質；活性磷酸鹽含量較高均為四類水質；EI指數各點為中度富營養化，冬季僅S2為中度富營養化，其他點為輕度富營養化。

2.4 影響浮游生物時空變化的因子相關性分析

采用SPSS 20.0對鹽度、懸浮物、溶解氧、化學需氧量、無機氮、活性磷酸鹽共6項水質參數與浮游生物密度、生物多樣性進行Pearson相關性分析，分析結果見表2。鹽度與浮游動物密度呈顯著負相關(P<0.05)，與浮游動物D值、J值、H′值、浮游植物D值均呈顯著正相關，說明鹽度是浮游生物生長的潛在重要影響因子；懸浮物與浮游植物D值、J值呈顯著正相關(P<0.05)；化學需氧量與動物D值、J值、浮游植物D值呈顯著負相關(P<0.01、P<0.05、P<0.01)；此外無機氮與浮游植物J值呈顯著正相關(P<0.05)，但本研究中營養鹽含量豐富不是浮游植物生長的限制因子，對浮游植物生長影響較小，雖然兩者呈顯著正相關但并無因果關系[13]。

3 討論(Discussion)

3.1 生物多樣性分析與評價

梅山水道人工瀉湖自建堤后，其北堤內側采樣點S2浮游生物密度顯著上升，生物評價指數下降，并產生了區別于其他樣點的優勢種群；南堤外側采樣點S4表現為浮游生物密度低但生物評價指數高。2個采樣點的結果對比表明，北堤合龍后浮游生物密度上升、生物多樣性下降且群落結構改變，與文獻中研究結果一致[14]。夏季北堤內側出現優勢種綠藻，這是流動型水域轉化為湖泊型水域的生態特征[15]。橈足類中的水蚤在各采樣點均可檢出，而該類群作為廣溫廣鹽物種廣泛分布于近海陸架交匯混合水域[16]，輪蟲是淡水浮游動物的重要組成部分[17]僅在S2中為優勢種，這也說明攔壩后水道已淡水化。

浮游植物生物評價指數顯示，各采樣點水體為α-中污染水平；浮游動物生物評價指數顯示水道內側為重污染水平，外側為重污染或中污染水平。兩套指數評價結果存在差異，說明了單純依靠某一指數評價水質具有一定局限性；但各類指數的評價趨勢一致，即水道北堤內側水質最差、南堤內側其次、外側較好。

圖7 各采樣點浮游動物生物評價指數Fig. 7 Biodiversity indices of zooplankton of samples

表2 梅山水道環境因子與浮游生物多樣性相關性分析Table 2 The correlation of biodiversity indices with environmental factors in Meishan Channel

注：**，在0.01 水平上顯著相關；*，在0.05 水平上顯著相關。

Note:**P<0.01;*P<0.05.

3.2 理化參數分析與評價

水庫蓄水會導致水動力條件改變而帶來一系列物理、化學變化，如營養鹽、懸浮物等[18]。梅山水道在北堤合龍后淡化趨勢明顯，北堤較南堤懸浮物濃度顯著降低透明度上升，化學需氧量下降；這是因為北堤合龍后，堤壩兩側流速減慢懸浮物發生沉降，化學需氧量亦隨之降低[19]，而北堤內側與外側海水交換減少則鹽度下降。Bilous等[20]的研究發現，人工瀉湖存在氮素富集的現象，是農業源污染的地下水引起的；梅山水道內外側氮、磷營養鹽含量豐富但內部并不富集，可能是因為該地區地下水無明顯污染。

本次監測pH、溶解氧、化學需氧量均在第一類水質范圍內；同時各采樣點營養鹽含量大部分處于三、四類水質范圍內，有益于浮游生物生長；EI指數夏季各點為中度富營養化，冬季僅S2為中度富營養化，其他點為輕度富營養化，且僅S2為EI指數上升其他點為下降。綜合上述指標結果，梅山水道處于中度或輕度富營養化水平，攔壩后北堤內側富營養水平有所上升。

3.3 生物多樣性及理化參數相關性分析

各項水質理化因子的變化必然會影響到浮游生物[21]，下面從浮游植物、浮游動物兩方面探討其影響因素。

浮游植物方面，其密度增加在攔壩過程中經常出現[22]，如三峽庫區在蓄水后藻類數量大幅上升[21]。本研究中懸浮物濃度低的北堤其密度顯著大于懸浮物濃度較高的南堤，是由于在營養鹽豐富的情況下光照是浮游植物生長的限制因子，而北堤懸浮物濃度受水動力因素影響降低，使得光照增強有利于浮游植物生長，這與鄱陽湖的研究結果類似[13]。鹽度、懸浮物濃度與浮游植物評價指數顯著正相關，有海域相關研究發現鹽度和懸浮物是影響浮游植物群落的主要因素[23]，說明懸浮物和鹽度的降低均可能致浮游植物生物多樣性降低。

浮游動物方面，本研究中鹽度既影響了浮游動物密度又影響了均勻度指數，是浮游動物生長的重要影響因子，這與渤海、東海等大量相關研究結果一致[24-25]。化學需氧量與生物評價指數呈顯著負相關，曾陽等[26]的研究中化學需氧量與H′值變化趨勢呈現明顯的相關性，這可能是由于化學需氧量作為水質污染程度的重要因子，其值增大水質變差而使得生物多樣性降低[27]。

將浮游生物分布及水質理化參數結合來看，北堤合龍后使得水道內海水淡化、懸浮物含量下降，導致浮游生物密度上升、生物多樣性下降、出現淡水優勢種群；浮游生物評價指數與理化參數結合分析，水道處于中污染水平。