烏楊調節壩運行初期漢豐湖浮游植物群落結構及其與環境因子的相關性分析

胡 芯，印江平，唐洪玉，鄭永華

(西南大學動物科技學院水產系，西南大學淡水魚類資源與生殖發育教育部重點實驗室， 水產科學重慶市市級重點實驗室，重慶 400715)

浮游植物是水體中初級生產者之一[1]，同時也是一些浮游動物和魚類的食物，其在水域生態系統中起著重要作用。研究表明浮游植物受水體環境因子影響較大，且浮游植物種類組成和分布一定程度上能反映水體環境[2]。因此，研究水體浮游植物群落結構及其與環境因子的關系，對水域生態環境的保護和治理具有一定意義。

漢豐湖地處重慶市開州區，因三峽工程蓄水后倒灌形成，是三峽庫區最大的庫中人工湖[3]。漢豐湖是當地旅游開發的主要景點，關系著開州區的經濟發展。然而由于漢豐湖水位在三峽水庫“蓄清排渾”運行方式的影響下，庫區內每年都會形成30 m消落區[4]，影響湖內的水域生態環境。為緩解消落區帶來的負面影響，開州區政府在豐樂鎮烏楊村修建了調節壩來控制湖內水位變化，保證漢豐湖常年性穩定蓄水。調節壩于2016年8月31日正式運行，調節壩運行后漢豐湖內的水域生態環境可能發生改變，目前有關漢豐湖浮游植物的研究均集中在調節壩正式運行前[5，6]，有關調節壩運行初期漢豐湖的浮游植物現狀及其與水質的關系還未見報道。因此，通過對其運行初期的浮游植物群落結構和水質關系進行調查分析，了解調節壩運行后漢豐湖內水域生態環境情況尤為重要。

1 材料與方法

1.1 采樣時間和采樣點

2016年10月—2017年10月，每兩個月對漢豐湖進行采樣調查。依據《內陸水域浮游植物監測技術規程》，結合漢豐湖實際情況，本次調查共設置4個采樣點(見圖1)，分別為南河匯入口C1(鎮安，108°20′34.01″E ，31°9′8.63″N)，漢豐湖中心C2(故津廣場，108°23′18.22″E ，31°11′2.62″N)，東河匯入口C3(豐樂街道，108°25′18.12″E ，31°12′6.30″N)和出水口C4(調節壩，108°27′36.12″E ，31°10′59.83″N)。

圖1 漢豐湖采樣點分布圖Fig.1 The stations of the survey in Hanfeng Lake

1.2 樣品采集與分析

水質因子按照《水和廢水監測分析方法》[7]和《地表水環境質量標準》[8]，現場測定水溫(WT)和pH等指標，溶解氧(DO)、總磷(TP)、總氮(TN)、氨氮(NH3-N)、高錳酸鉀指數(CODMn)等指標利用采集回去的水樣，在實驗室及時進行測定。浮游植物樣品采集遵循《高級水生生物學》[9]要求進行操作，定性樣品采集用25#浮游生物網在水面下作“∞”形拖動約3～5 min，將網底的濃縮水樣倒入標本瓶中，加1%魯哥氏液；定量樣品采集直接采1 L水于水樣瓶中，并加入15 mL魯哥氏液充分搖勻固定帶回。浮游植物鑒定和計算參考《淡水浮游生物研究方法》[10]、《中國淡水藻類—系統、分類及生態》[11]和《中國常見淡水浮游藻類圖譜》[12]。

1.3 數據處理

Mcnaughton優勢度指數(Y)、Margalef指數(dMa)、Shannon—Weaver指數(H’e)、Pielou均勻度指數(Je)[13，14]計算公式如下：

ni為第i個種個體數；fi為第i個種在各采樣點出現的頻率；S為物種數目；N為所有物種個體數之和。本文將優勢度Y≥0.02的藻類定為優勢種。各多樣性指數評價標準[15]見表1。

表1 多樣性指數水質評判標準Tab.1 The water quality assessment criteria for diversity index

數據分析與繪圖主要采用Excle 2010和SPSS 22.0(t檢驗)等軟件。浮游植物和環境因子之間的排序分析采用Canoco 4.5軟件進行處理。

排序分析中，浮游植物的篩選主要滿足以下條件：該物種在各站位出現的頻率≥30%，且該物種在至少一個站位的相對豐度≥1 %[16]。接著進行去趨勢對應分析(Detrended correspondence analysis，DCA)，分析結果在3和4之間，典范對應分析(canonical correspondence analysis，CCA)和冗余分析(RDA)均可用，本文選用冗余分析(RDA)。環境因子的篩選主要滿足膨脹因子(inflation factor)小于20，且蒙特卡洛置換檢驗P<0.05[17]。此外，分析過程要對物種和環境因子先進行log(x+1)轉換再分析，環境因子分析結果使用CanoDraw for Windows 4.5進行繪圖。

2 結果

2.1 水質因子

調查期間漢豐湖各采樣點的水質因子變化范圍見表2，部分水質因子的年變化見圖2。其中，各采樣點的水質因子差異不顯著。水溫(WT)、高錳酸鹽指數(CODMn)以及總磷(TP)、總氮(TN)、氨氮(NH3-N)含量的時間變化趨勢相似，都是春冬季低，到夏季逐漸變高。透明度(SD)的變化趨勢則相反，為春冬季高，隨后到夏季有所下降。

2.2 浮游植物種類組成與優勢種

本次調查共檢測出浮游植物7門17目31科58屬，共計114種。其中綠藻門5目12科25屬45種，占39.47%；硅藻門5目9科17屬44種，占38.60%；藍藻門3目6科8屬9種，占7.89%；甲藻門1目1科3屬6種，占5.26%；隱藻門1目1科2屬5種，占4.39%；裸藻門1目1科2屬4種，占3.51%；金藻門1目1科1屬1種，占0.88%。10、12、2、4月硅藻門所占比例最大，6和8月綠藻門所占比例最大。調查水域的浮游植物種類組成時間變化詳見圖3。

表2 漢豐湖環境因子監測結果Tab.2 Environmental factor monitoring results of Hanfeng Lake

圖2 漢豐湖水質因子變化Fig.2 Ranges of the water quality factors in Hanfeng Lake (a)水溫、透明度變化；(b)總磷、亞硝態氮、氨氮和高錳酸鹽指數變化

圖3 漢豐湖浮游植物種類組成時間變化Fig.3 Temporal variation of phytoplankton composition in Hanfeng Lake

各個月份的浮游植物優勢種在5～10種之間，主要為硅藻門、隱藻門和藍藻門，其中尖針桿藻、梅尼小環藻和嚙蝕隱藻為出現次數較多的優勢種。具體優勢種詳見表3。本研究共監測到30種優勢種，且優勢度普遍不高。

2.3 浮游植物現存量的時空變化

監測期間，漢豐湖監測點浮游植物密度和生物量分別為0.85×105～22.05×105ind./L和0.19 ～4.69 mg/L，總均值分別為8.64×105ind./L和2.03 mg/L。時間上，漢豐湖浮游植物的月份平均密度和平均生物量最低值均出現在2016年12月，2017年2、4、6、8月不斷增加，在2017年8月達到最高值(19.47×105ind./L)，隨后到2017年10月有所下降。空間上，四個采樣點的平均密度和生物量有輕微差別，但差異不顯著(P>0.05)。具體變化詳見圖4和圖5。

表3 漢豐湖浮游植物優勢種分布及其優勢度Tab.3 Distribution of dominant phytoplankton species and their dominance in Hanfeng Lake

續表3

圖5 漢豐湖浮游植物生物量時空變化Fig.5 Temporal and spatial variation of phytoplankton biomass in Hanfeng Lake

2.4 浮游植物多樣性指數

漢豐湖各采樣點調查期間浮游植物群落多樣性指數結果(表4)表明，監測期間漢豐湖浮游植物Margalef 物種豐富度指數(dMa)為1.69～5.23；Shannon-Wiener指數(H’e)為1.12～2.75；Pielou均勻性指數(Je)為0.45～0.96。根據相應指數評價標準評價漢豐湖水體污染情況，就dMa值而言，屬于α-中污染至輕污染水體之間；就H’e值而言，屬于α-中污染/β-中污染水體；就Je值而言，屬于β-中污染至清潔水體。結合三個指數的評價結果，漢豐湖整體情況屬于中污染水體。

表4 漢豐湖浮游植物多樣性指數Tab.4 The diversity index of phytoplankton in Hanfeng Lake

2.5 浮游植物與環境因子的關系

通過CanoDraw for Windows 4.5作出二維排序圖，見圖6。

圖6 浮游植物與環境因子的二維排序圖Fig.6 Two dimensional ordination diagram of phytoplankton and environmental factors

3 討論

3.1 浮游植物群落結構特征

在種類組成方面，烏楊調節壩運行初期，漢豐湖浮游植物種類組成的季節演替過程基本符合PEG(Plankton Ecology Group)模式[20]，即冬春季(12月、2月和4月)以硅藻門為主，夏季(6月和8月)以綠藻門為主，夏末秋初(8月)藍藻比例增大，隨后(10月)又漸漸恢復硅藻門低溫條件下的競爭優勢[21]。優勢種一定程度上能反映浮游植物群落結構的穩定性，通常優勢種種類越多且優勢度越小，表明該群落結構越復雜越穩定。優勢種分析表明漢豐湖整體上浮游植物群落結構較復雜且穩定，主要是因為漢豐湖蓄水后，其水體變動小，湖內環境趨于穩定，有利于浮游植物生長。

漢豐湖浮游植物的密度和生物量也存在著季節性變化，與許多研究報道結果相似[22-24]。即春冬季低，夏季高，其中最主要的原因是隨著季節的變化，水溫和光照也在變化，夏季水溫高、光照強，有利于浮游植物的生長和繁殖[25]，因此在8月(夏季)浮游植物密度和生物量達到了最高值。本研究中，2016年12月的水溫稍比2017年2月高，浮游植物密度和生物量卻比2017年2月低，其原因可能是，這兩個月份漢豐湖浮游植物的種類組成都是以硅藻為主，在一定范圍內的低溫條件下，硅藻門的生長與溫度成負相關[26]，2016年12月和2017年2月都是低溫季節，其中2017年2月溫度相對更低，更有利于硅藻門的生長，因此藻類密度和生物量更大。調節壩運行后，漢豐湖水位趨于穩定，水體流動小，整體處于靜水水體，四個采樣點的水體環境相差不大，因此四個采樣點之間浮游植物密度和生物量差異不顯著(P>0.05)。

浮游植物多樣性指數dMa、H’e和Je值綜合評價漢豐湖屬于中污染水體，根據《地表水環境質量標準》[8](GB3838-2002)的基本項目標準限值，結合本文的水質數據，漢豐湖水體屬于Ⅳ類水體。主要原因可能是，漢豐湖蓄水后湖內的水體流動性差，周邊居民的生活污水排放蓄積，導致水體情況較差。

3.2 浮游植物群落與環境因子的關系

Jasser[27]表明浮游植物生長和時空分布的重要影響因子為營養鹽、光照和水溫。本研究通過對調節壩運行初期漢豐湖浮游植物群落結構和環境因子之間進行冗余分析，得知與漢豐湖內浮游植物群落結構排序顯著相關的環境因子為透明度、高錳酸鹽指數、總磷、亞硝態氮和氨氮。氮、磷是浮游植物生長和繁衍必不可少的物質，是浮游植物重要影響因子[28，29]。本研究表明，漢豐湖夏季氨氮、總磷含量高，能為浮游植物提供足夠的營養物質，因此其浮游植物密度和生物量也隨之增高。高錳酸鹽指數是地表水受有機物和還原性無機物污染程度的綜合指標[30]，水體浮游植物含量多，其產生的有機體增多，CODMn值也就隨之增高。透明度表示水的透光能力，其大小與影響太陽入射光強度的地理緯度、懸浮物質濃度以及浮游生物含量有很大關系[9]。本研究針對的是同一水體，其地理緯度不變，又因蓄水后湖水穩定，處于靜水水體，泥沙含量降低，顆粒懸浮物較少，所以該透明度主要受浮游生物含量的影響。大量的藻類及其分泌物使湖水渾濁不清，因此浮游植物和透明度呈負相關。