程海湖夏季浮游植物功能群特征及其影響因子研究

鄧樂 ，戚菁，宋勇軍 ，劉樺聰 ，柏耀輝，劉會娟，李海翔

1. 桂林理工大學環境科學與工程學院，廣西 桂林 541004；2. 中國科學院生態環境研究中心/中國科學院飲用水科學與技術重點實驗室，北京 100085；3. 清華大學環境學院/環境模擬與污染控制國家重點聯合實驗室，水質與水生態研究中心，北京 100084

浮游植物作為水生態系統中的初級生產者，其種類和數量變化可以反映水環境的變化（Liu et al.，2010），常被用作湖泊健康評價的重要指示物種之一。傳統浮游植物鑒定根據物種同源性特點將其歸入不同的類群，很少體現其生態屬性和生境特征，在生態學的研究和應用上存在一定的局限性（Dong et al.，2013）。Reynolds et al.（2002）提出的從生態功能的角度對浮游植物進行分類的功能群分類法開始應用于藻類生態學的研究，該方法能反映浮游植物的生境特征、對環境的耐受性等各方面（Huang et al.，2015），目前已歸納39 個不同的浮游植物功能群（Padisák et al.，2009）。浮游植物功能群的理論已廣泛應用于生態學研究中，各國學者們對河流、湖泊及水庫等各種類型水體的浮游植物功能群進行了不同程度的研究（盧金鎖等，2013；胡韌等，2015；Liu et al.，2015）。研究報道國內眾多湖泊浮游植物功能群季節演替特征及影響因子，表明功能群分類在分析湖泊浮游植物組成及季節動態變化的實用性（黃享輝等，2013；夏瑩霏等，2019）。董云仙（2014）曾對云南九大高原湖泊藻類研究進展進行了闡述，表明高原湖泊藻類研究尚有許多未知的領域。而后相繼報道了洱海、滇池浮游植物群落結構特征及與環境因子的典范對應分析（萬敏等，2016；王華等，2016）。目前為止，有關高原湖泊浮游植物功能群的研究鮮有報道。

程海湖又名黑伍海，為滇西第二大淡水湖，是云南省九大高原湖泊之一，屬中亞熱帶高原季風氣候。程海湖原由海口河流入金沙江，至1609 年后水位逐年下降，不再通江，逐步演變為內陸湖泊。呈南北長而東西窄的橢圓形湖泊，湖面海拔高程1 502 m，湖泊面積75.97 km2，程海湖最大水深35.1 m，平均水深25.7m。因程海湖為封閉性湖泊，具有水體交換周期長、湖泊富營養化進程較快的特點。王若南等（1988）于1985 年初次鑒定出程海湖浮游植物126 種，以硅藻門、綠藻門和藍藻門為主，其中藍藻占優勢。之后董云仙等（2012）報道了程海湖浮游植物種群結構呈現季節性變化，數量結構特點是藍藻占絕對優勢。本文首次利用功能群概念對程海湖浮游植物進行劃分，分析了浮游植物群落結構與環境因子的關系，明確程海湖浮游植物群落結構的主要影響因子，為程海湖水環境保護及水質評價提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域樣點設置

程海湖地處青藏高原與云貴高原的銜接部位，地理坐標為100°38′—100°41′E，26°17′—26°28′N。程海湖周邊企業主要集中在程海湖南端，根據程海湖的湖區情況，程海湖南區周邊聚集部分螺旋藻企業，北區為居民集中區域，自程海湖湖南到湖北設置5 個斷面，共15 個采樣點，基本覆蓋了程海湖的污染類型。于2018 年6—8 月每月進行一次采樣，采樣點設置如圖1 所示。

圖1 程海湖樣點設置示意 Fig. 1 Sampling sites in Chenghai Lake

1.2 樣品采集與分析

在水面下0.5 m 處采取1 L 水樣于聚乙烯棕色瓶中，加入15 mL 魯哥氏液固定，靜置48 h 后，虹吸管上清液濃縮至50 mL，使用Dragon Lab 移液槍移取0.1 mL 濃縮液均勻涂在浮游植物計數框中，在顯微鏡下進行種類識別與鑒定，生物量采用細胞體積推算法，通過浮游植物的體積系數與豐度的乘積得到生物量。

水質參數：水體透明度（SD）采用塞式盤現場測定；電導率（EC）、pH、總溶解性固體（TDS）、溫度（WT）、氧化還原電位（ORP）采用多功能水質參數儀現場測定；溶解氧（DO）采用YSL 多功能水質分析儀現場測定；總氮（TN）、總磷（TP）、氨氮（NH4+-N）、硝氮（NO3--N）依據《水和廢水檢測方法》（國家環境保護總局，2002）在實驗室測定。其水質評價標準參考《地表水環境質量標準》。

1.3 浮游植物功能群的劃分

根據Reynolds et al.（2002）和Padisák et al.（2009）對浮游植物功能群的劃分標準，對程海湖夏季浮游植物進行功能群劃分，針對劃分的功能群樣本，把每個樣本中相對生物量大于5%的種類劃定為代表性功能群（胡韌等，2015）。

1.4 數據處理與分析

運用Shannon-Wiener 多樣性指數（H）、Pielou均勻度指數（J）來描述浮游植物群落特征，計算公式：

式中，N 為浮游植物總個體或細胞數；ni為i種的個體或細胞數；S 為浮游植物總種類數。

通過Excel 2009 和Origin 8.5 軟件對數據進行統計和分析。使用Arcgis 軟件并運用反距離權重法對浮游植物生物量空間分布進行描述。使用Canoco for Windows 4.5 軟件對數據進行冗余分析（Redundancy analysis，RDA），浮游植物功能群矩陣經log10(x+1)轉換，環境因子數據除pH 外全部進行lg(x+1)轉換。通過蒙特卡洛置換檢驗篩選出有明顯解釋性的環境因子，進行分析作圖，以揭示環境因子對優勢浮游植物功能群的影響。

2 結果與分析

2.1 程海湖浮游植物種類及功能群組成

在調查期間，15 個采樣點共鑒定出浮游植物87 種，隸屬7 門44 屬。其中綠藻門種類最多，共計23 屬49 種，占總種類數的8.6%；藍藻門9 屬19 種，占總種類數的86.7%；甲藻門4 屬8 種，占總種類數的4.3%；硅藻門5 屬8 種；隱藻門1 屬3種；金藻門1 屬1 種；紅藻門1 屬1 種。程海湖夏季各區域浮游植物種類以藍藻門、綠藻門為主，硅藻門、甲藻門種類較少，隱藻門、金藻門、紅藻門種類只在個別采樣點位出現。

參考浮游植物功能群分類法，并結合程海湖的水質及生態狀況，劃分出H1、MP、SN、J、S1、N、D、F、X1、L0、Y、X2、Z、TC、B、C 共計16個功能群。把每個功能群樣本中相對生物量大于5%的種類規定為代表性功能群，得到程海湖夏季共6 組代表性功能群，分別是以圓柱魚腥藻為代表的功能群H1、以雙眼鼓藻為代表的功能群N、以微小四角藻為代表的功能群J、以坎寧頓擬多甲藻為代表的功能群L0、以尖頭藻為代表的功能群SN、以偽魚腥藻為代表的功能群S1，各功能群耐受性、敏感性及生境如表1 所示。其中6 月和7 月主要功能群為H1、N、J、L0，8 月主要功能群為H1、N、J、L0、SN、S1。

程海湖浮游植物功能群在空間分布上的差異主要表現在功能群豐度大小和組成比例的變化（圖2）。夏季浮游植物生物量為（0.08—1.43）mg·L-1，在8 月達到峰值為1.43 mg·L-1出現在湖泊東南區，7 月湖泊南區（1、2、3）生物量最高，湖泊南區、中部、北區差異較為明顯。從圖3 程海湖夏季優勢功能群的分布特征可以看出，程海湖功能類群動態變化主要表現為H1→H1→H1/S1，其中6 月和7 月以圓柱魚腥藻（Anabaena cylindrica）為主的H1 功能群所占比例最大，分別為34.63%—87.58%、70.45%—93.16%，各采樣點之間功能群分布無明顯差異；8 月以偽魚腥藻屬（Pseudoanabaenasp）為主的功能群S1 大量出現，所占比例高達30.58%，功能群H1 所占比例為31.46%，8 月浮游植物功能群多樣性高于6、7 月。湖泊北區（13、14、15）H1 功能群的占比高于湖泊南區（1、2、3），同時S1 功能群的占比湖泊南區高于湖泊北區。

2.2 浮游植物多樣性變化

浮游植物群落多樣性通常與物種的豐富度和均勻度密切相關，本研究使用Shannon-Wiener 多樣性指數和Peilou 均勻度指數對程海湖浮游植物群落進行分析，Shannon-Wiener 多樣性指數主要反映水體浮游植物群落結構的復雜程度，用來作為指示水質的生物指標，Shannon-Wiener 多樣性指數越高，表示浮游植物群落結構就越復雜，穩定性越強，進而反映水質條件越好。Shannon-Wiener 多樣性指數評價標準（楊敏等，2015）：小于1 為重度污染；1—2 為中度度污染；大于3 為輕度污染或無污染；Peilou 均勻度指數主要反映群落均勻度，均勻度范圍在0—1 之間，Peilou 均勻度指數越大，體現種間個體數分布較均勻。按照Peilou 均勻度評價標準（田旺等，2017）：0—0.3 為重度污染；0.3—0.5 為中度污染；0.5—0.8 為輕度污染或無污染。

表1 程海湖夏季浮游植物功能群組成 Table 1 Functional group composition in Lake Chenghai during summer

圖2 程海湖浮游植物主要功能群生物量空間分布 Fig. 2 Spatial distribution of phytoplankton biomass in Chenghai Lake

圖3 程海湖各點位代表功能群相對豐度 Fig. 3 Each point of Chenghai Lake represents the relative abundance of functional groups

程海湖6、7、8 月浮游植物群落Shannon-Wiener多樣性指數分別介于1.18—3.15、0.72—2.39、2.43—3.36 之間（圖4），均值分別為1.97、1.28 和2.84，最高值為2.43 出現在8 月，程海湖夏季水質整體呈現變好趨勢，水質處于輕度污染或無污染，湖泊各區域無明顯變化。6、7、8 月Peilou 均勻度指數分別介于0.26—0.67、0.18—0.63、0.50—0.78 之間，均值分別為0.44、0.32 和0.67，與Shannon-Wiener多樣性指數相似，其最高值為0.50 出現在8 月，水質處于輕度污染或無污染，湖泊北區的水質改善程度高于湖泊南區。綜合來看，湖泊8 月水質條件最優，在空間分布上Shannon-Wiener 多樣性指數和Peilou 均勻度指數各區域均無明顯差異。

2.3 程海湖浮游植物功能群與環境因子的關系

程海湖夏季水體環境因子如表2 所示，采樣期間，TN、TP 營養鹽平均值分別為0.77、0.06 mg·L-1，依據《地表水環境質量標準》程海湖目前水質處于Ⅳ類水水平。由于采樣時間為夏季溫度較高，均值為25.22 ℃，其變化范圍相對較小。程海湖屬于高堿性湖泊，pH 范圍為9.21—9.48，并在夏季呈現逐步上升趨勢。DO、Turb 和TOC 波動變化較明顯，TOC 最低值、最高值相差48.63 mg·L-1。NH4+-N、NO3--N 均在6、7 月各點位變化幅度較小，8 月湖泊各點位波動較大。

圖4 程海湖各采樣點浮游植物Shannon-Wiener 多樣性指數、Pielou 均勻度指數的時空變化 Fig. 4 Shannon-Wiener diversity index and Pielou evenness index of different sampling points of Chenghai Lake in different Spatial and temporal

表2 程海湖夏季水體環境因子變化 Table 2 Changes in the environmental factors of Chenghai Lake in summer

對物種數據進行除趨勢對應分析（DCA）選擇排序模型，結果顯示Lengths of gradient 最大值小于3 為1.074，因此選用冗余分析（RDA）對浮游植物功能群與環境因子之間進行約束性排序（圖5）。對物種數據進行篩選，選擇6 個常見功能群進行排序。環境因子包括DO、Turb、SD、EC、pH、TDS、WT、NH4+-N、NO3--N、TN、TOC、TP 共12 個，采用蒙特卡洛置換檢驗篩選出DO、Turb、SD、EC、pH、TDS、WT、NH4+-N、TN 和TOC 共10 個有顯著解釋性的環境因子（P＜0.05）。結果顯示第一軸的特征值為0.396，說明第一軸可以解釋絕大部分浮游植物的分布。不同的功能群與不同的環境因子之間呈現相關性，主要優勢功能群H1 與DO、WT、EC、TDS 呈現正相關，8 月出現的功能群S1、SN與TOC、NH4+-N、Turb、TN 呈現正相關。綜合來看，影響程海湖功能群演替的主要驅動因子為DO、TOC、NH4+-N、TN、Turb。

圖5 程海湖浮游植物優勢功能群與環境因子的RDA 分析 Fig. 5 Redundancy analysis of Biomass and Environmental Factors of Phytoplankton Functional Groups in Chenghai Lake

3 討論

3.1 程海湖浮游植物功能群分布特征

隨著國家經濟的快速發展，程海湖東南部湖濱區螺旋藻養殖業從無到有并進入穩定的發展期，湖泊流域輸入水體中的營養物質增加，程海湖水體環境壓力加劇（周欽，1997）。程海湖7 月平均生物量最高為0.54 mg·L-1，且7 月湖泊生物量空間分布差異較為明顯，湖泊南區生物量最高，同樣8 月湖泊東南區生物量最高，螺旋藻生產企業均處于湖邊東南區斜坡地帶，所排放的污廢水成分復雜，污染濃度高，使其周圍水體營養物質豐富促進藻類的生長繁殖（王睿喆等，2015）。董云仙等（2012）報道程海湖浮游植物夏季優勢藻種為固氮魚腥藻，從程海湖浮游植物功能群組成來看，程海湖夏季主要功能群為以圓柱魚腥藻為主的H1 功能群，圓柱魚腥藻與固氮魚腥藻同屬于魚腥藻屬。而國內眾多非高原泊的優勢功能群很少出現H1 功能群，其優勢功能群主要為以顫藻為主的MP 功能群和以小環藻為主的功能群C，MP 功能群生境特征為頻繁擾動的渾濁型淺水湖泊，C 功能群生境特征為富營養中小水體（夏瑩霏等，2019；陳楠等，2018）。高原湖泊流水系普遍較少，湖泊換水周期長，在撫仙湖和洱海中H1 功能群均為優勢功能群，其主要代表藻種為水華束絲藻（董靜等，2014）。優勢藻種與浮游植物群落內物質循環和能量流動的方式密切相關，甚至能指引浮游植物群落演替的方向（李慧，2014）。

有學者將浮游植物的外形特征、生理特征與C-R-S 生態環境適應策略相聯系，提出浮游植物功能群的結構劃分（Padisák et al.，2009；胡韌等，2015）。程海湖中以圓柱魚腥藻為主的H1 功能群屬于S 策略種類，S 策略種類增殖速率緩慢，沉降速率較低，在物質短缺條件下將通過自懸浮機制、生物固氮等獲取生長所需的營養元素，對資源獲取能力非常強，其生命形式多為群體生存（Lund，2010；Naselli-Flores et al.，2016）。Padisák et al.（2003）研究指出，無機氮的濃度、水體中干擾模式及突然的天氣變化等，導致浮游植物功能群間常處于競爭狀態，浮游植物功能群的季節性變化往往表現為H1→S1，在克羅地亞的Sakada 湖也有這一現象發生（Stevic et al.，2013）。8 月S1 功能群的大量出現，為夏秋季節轉換時期優勢藻種隨氣候條件及水體環境的變化而發生變化。S1 功能群適宜混合渾濁、透明度低的生境條件，在中營養水體中生長良好，主要代表藻種為湖泊偽魚腥藻。國內外眾多湖泊中以S1 為優勢功能群的現象普遍存在（夏瑩霏等，2019；Zhao et al.，2019）。

3.2 程海湖功能群與環境因子的相關性

水生生態系統中浮游植物與環境因子之間存在密切聯系（藍于倩等，2015），影響浮游植物群落變化的因素有很多，如光照、水溫、營養鹽、浮游動物攝取和水文動態等（Xiao et al.，2011）。程海湖環境變量與物種數據的RDA 分析表示，不同功能群受不同環境因子的影響。主要優勢功能群H1 的主要影響因子為溶解氧（DO），溶解氧是浮游植物生長的重要條件，也是浮游植物代謝過程所必需的（吳阿娜等，2011）。夏季水體溫度較高，對溶解氧有一定的調節作用，通過藻類培養試驗表明DO 與藻類的生長呈現顯著正相關（游亮等，2007）。功能群S1、SN 與TOC、NH4+-N、Turb、TN 呈現正相關。影響程海湖功能群分布的主要環境因子為DO、TOC、NH4+-N、TN、Turb。

近年來隨著程海湖周邊經濟和工業的快速發展，大量營養物質輸入使程海湖水體面臨著富營養化的問題，對程海湖浮游植物生長和群落結構演替產生了一定影響（Xiao et al.，2018；Liu et al.，2015）。6、7 月H1 功能群豐度占69.00%和87.97%，3、5、9 和12 號點位H1 占比相對較少，其浮游植物多樣性也相對其他點位較為豐富，這些點位基本靠近湖泊東岸，湖泊東岸主要為工業及花果種植區域。8月功能群S1、SN 出現，功能群多樣性升高。全湖H1 功能群豐度占 31.46%，S1 功能群豐度占30.58%，湖泊北區功能群H1 占比高于S1，相反湖泊南端功能群S1 出現占比較高。S1 功能群適宜混合渾濁、透明度低的生境條件，8 月TOC 含量最高，且湖泊北區濁度要低于湖泊南區。8 月為程海雨季，實地考察過程中發現當地降雨分布不均，降雨主要集中于湖泊南區，降雨及地表徑流增加了湖泊南區水體的濁度。

TN 是評估湖泊水體富營養水平的重要指標，同時也是浮游植物生長代謝必不可少的元素之一，當水體中TN 含量過高或過低時，均會影響浮游植物的生長和群落結構的演替（Paparazzo et al.，2017）。調查期間，程海湖TN 含量在(0.38—1.40) mg·L-1之間變化，最小值出現在8 月。8 月為當地雨季降雨量充沛，而程海湖整體水域環境封閉，不與其他河流進行水體交換，導致氮磷含量降低，此時該水體中出現大量生長的S1 功能群，這種現象在其他的一些研究中得到相同結論（秦伯強等，2016），浮游植物在不同濃度營養鹽環境中會衍生出不同的群落分布模式。另外，水體中氮磷比的含量也是影響浮游植物功能群的組成的因素之一（李紅飛等，2019）。通常浮游植物對營養鹽的吸收利用遵循N/P 比16:1 的Redfield 定律，當氮磷比大于16:1 時，浮游植物生長表現為磷限制，而N/P 小于16:1 時，表現為氮限制（Redfield，1960）。夏季程海湖平均氮磷比為12:1，屬于氮限制，太湖、洞庭湖中的浮游植物生長繁殖是以P 為主要限制因子（Huang et al.，2015；汪星等，2016）。同時在太湖藻類營養鹽閾值研究中提出水體中TP 濃度高于0.03 mg·L-1后將不再影響浮游植物的生長，目前程海湖TP 含量明顯高于此，這也是TP 與浮游植物功能群的相關性不顯著的原因（Xu et al.，2015）。綜合來看，TN 是驅動程海湖浮游植物功能群分布和演變的主要環境變量，而水體中DO、TOC、NH4+-N和Turb 與浮游植物功能類群變化過程密切相關。

4 結論

（1）程海湖共鑒定浮游植物7 門87 種。根據功能群劃分原則，對程海湖夏季浮游植物進行功能分組，可分為16 個功能群。其中H1、N、J、L0、SN、S1 共6 個功能群為優勢功能群。

（2）程海湖夏季Shannon-Wiener 多樣性指數介于0.72—3.36 之間，最高值出現在8 月為3.36，程海湖夏季水質整體呈現變好趨勢，水質處于輕度污染或無污染。Peilou 均勻度指數與Shannon-Wiener多樣性指數趨勢相似。

（3）溶解氧、總氮、總有機碳、氨氮和濁度是影響程海湖浮游植物功能群分布的主要環境因子。