蘇州湖泊水源地浮游植物群落特征及營養狀況分析

孫淑文，夏 霆，楊金艷，潘新星，姚春雨

(1.南京工業大學，南京 211816；2.江蘇省水文水資源勘測局蘇州分局，江蘇 蘇州 215009)

在淡水湖泊中，浮游植物作為初級生產者和食物鏈的基礎環節, 在物質循環和能量轉化過程中起著重要作用, 其群落結構是反映水環境狀況的重要指標[1,2]，浮游植物受到水生環境中各種因素的限制[3]。由于浮游植物對水環境的敏感性，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[4-6]。

蘇州市現有城市飲用水源地15 個，其中9個為湖泊型水源地，涉及太湖、陽澄湖、尚湖和傀儡湖。近年來，由于蘇州市湖泊水源地入湖污染物量大，湖水交換不足，氮、磷濃度偏高，水體自凈能力低，易導致藻類大量繁殖并產生供水安全風險。本文通過對蘇州市9個湖泊飲用水源地開展藻類分布特征調查與監測，探討藻類生長演替特征與影響機制，結合綜合富營養化指數，分析蘇州市湖泊飲用水源地的營養狀況及藻類繁殖影響因素，為探討蘇州地區湖泊水源地藻類演變規律提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區域及采樣點布設

研究區域為蘇州太湖流域的浦莊、廟港、亭子港、漁洋山、鎮湖、金墅港水源地和陽澄湖、尚湖和傀儡湖水源地。采樣點設置在各水源地水廠取水口附近，對應設置9個。

浮游植物樣品的野外定量采集按照以下方法：在每個采樣點水面下0.5 m處取水樣1 L，立即加入15 mL魯哥氏液固定帶回實驗室。實驗室內將水樣置于穩定的實驗臺上，靜置沉淀24～36 h，用細小虹吸管(內徑3 mm)吸去上層清液，最后定容到30 mL。在實驗室內測定浮游植物樣品，將定量樣品搖勻后，用0.1 mL的吸管迅速取樣，在0.1 mL的浮游生物計數框內用10×40倍以及10×100倍顯微鏡計數，所用樣品均重復鑒定至少 2 次，為有效統計數值，取平均數作為該樣品的定量鑒定結果。浮游藻類的鑒定觀察使用OLYMPUS BX43型顯微鏡進行。

圖1 蘇州湖泊水源地分布及相關水系情況Fig.1 Distribution of lake-type dringking water sources in Suzhou and related water systems

1.2 數據來源與分析方法

1.2.1 SPSS聚類分析

采用SPSS 22.0進行Pearson分析和聚類分析。

1.2.2 優勢度指數計算

采用優勢度指數進行浮游植物優勢種的確定，該指數的計算將每種生物的個體豐度及出現頻率考慮在內，以反映每種生物在整個群落中的地位，其計算公式為：

Di=ni/N×fi

(1)

式中：ni為某樣點中第i種屬藻類的細胞數；N為某樣點中所有藻類的總細胞數；fi為該種屬在樣點中出現的頻率。

如果一個物種的優勢值大于0.02，則該物種在整個一年中被認為是占優勢的[3,7]。

1.2.3 多樣性指數分析

浮游植物群落特征的生物多樣性采用Shannon-Wiener多樣性指數(H)和Pielou均勻度指數(J)描述：

(2)

Hmax=lg2S

(3)

J=H/Hmax

(4)

式中：H為Shannon-Wiener多樣性指數；J為Pielou均勻性指數；ni為樣品中第i種生物的個體數；n為樣品中所有種類的總個體數；S為樣品中的種類總數[8]。根據多樣性指數與水體營養水平的關系[9]，H>3時水體為貧營養型，1≤H≤3之間為中營養型，H小于1為富營養型；均勻度指數J在0.5～0.8為貧營養型，在0.3～0.5之間為中營養，在0～0.3之間為富營養型。

1.2.4 綜合營養指數分析

富營養評估參照中國環境監測總站推薦的加權綜合營養狀態指數(TLI)法，考慮TN、TP、Chl-a、SD、CODMn5項水質因子[10]。水質監測在蘇州市水環境監測中心實驗室完成。

(5)

(6)

2 結果與分析

2.1 聚類分析

基于蘇州湖泊水源地9個采樣點為期1年的水質監測指標，運用聚類分析對水源地水質時空變化特征進行多元統計分析。空間尺度上，9個湖泊水源地可分為3組，GⅠ：廟港(MG)、亭子港(TZG)、金墅港(JSG)、鎮湖(ZH)、漁洋山(YYS)；GⅡ：浦莊(PZ)、尚湖(SH)；GⅢ：陽澄湖(YCH)、傀儡湖(KLH)。根據聚類分析結果，以15為界，除浦莊水源地外，太湖流域的廟港、北亭子港、金墅港、鎮湖、漁洋山水源地均屬于GⅠ組，說明太湖流域除浦莊水源地外，其余5個水源地水質特征相近。因此，在GⅠ組中選取浮游植物變化較明顯的漁洋山水源地作為GⅠ組的代表，將研究范圍精簡為漁洋山水源地、浦莊水源地、尚湖水源地、陽澄湖水源地和傀儡湖水源地。

圖2 水質空間尺度聚類分析Fig.2 Spatio-temporal cluster analysis of water quality

2.2 浮游植物種類組成及結構特征

2016年7月-2017年6月期間，5個水源地逐月調查分析浮游植物12次，5個水源地共定量檢出浮游植物8門86屬186種(含變種)。從數量上看，綠藻門種類最多為87種38屬，其次為硅藻門45種21屬，藍藻門29種14屬，裸藻門12種4屬，清潔物種金藻門、甲藻門、隱藻門和黃藻門種類數較少。在空間分布上，傀儡湖水源地種類最多，多樣性較好，漁洋山水源地種類最少。其中，硅藻、綠藻和藍藻是分布最廣的藻類。隱藻門、裸藻門、分布較少，清潔物種甲藻門、金藻門、黃藻門僅在個別月份個別地檢測到。

圖3 各水源地浮游植物種類數Fig.3 Number of phytoplankton species in each drinking water source

圖4 各水源地四季浮游植物群落密度及生物量Fig.4 Phytoplankton community density in each drinking water sources

各水源地春季優勢種較為豐富，主要為硅藻門的梅尼小環藻(Cyclotella meneghiniana)和肘狀針桿藻(Synedra ulna)、藍藻門的狹細顫藻(Oscillatoria tenuis)和綠藻門的四尾柵藻(Scenedesmus quadricauda)、加勒比單針藻(Monoraphidium caribeum Hindak)；夏秋季均以藍藻門占優，水華微囊藻(Microcystis flos-aquae)、狹細顫藻(Oscillatoria tenuis)和微小裂面藻(Merismopedia tenuissima)密度增大，且優勢度遠遠高于藍藻門和綠藻門；冬季漁洋山水源地仍以藍藻門的水華魚腥藻(Anabaena flos-aquae)和水華微囊藻占優，說明水體受到了一定程度的污染，其他水源地皆以硅藻門的梅尼小環藻(Cyclotella meneghiniana)、顆粒直鏈藻(Melosira granulata)占優。調查表明，各季節的優勢種差異明顯，主要原因可能為水溫變化，大量研究表明，在春冬溫度較低的季節，由于尚未形成溫躍層，更適宜硅藻的生長[12]；藍藻喜高溫，響應夏秋季溫度升高， 優勢度會逐漸增大，但實際上，也可能出現在較低的溫度下某些特定的藍藻種類密度大量增加，巢湖和千島湖[12]都曾在冬季出現過微囊藻水華現象，漁洋山冬季的藍藻占優還應結合營養鹽和一些環境因素綜合考慮。

綜合2016年7月-2017年6月期間藻類總密度數據，從時間上看，除冬季陽澄湖和傀儡湖硅藻門占比較大外，其他季節各水源地都以藍藻門占據絕對優勢，最終造成各湖區的總密度差別較大。在夏、秋季，浦莊、尚湖、傀儡湖和陽澄湖水源地浮游植物密度顯著增加，且藍藻擁有絕對性優勢；春、冬季硅藻大量生長，占比有所增加，也進一步說明了蘇州湖泊水源地受水溫影響較大。從空間上看，陽澄湖水源地藻類總密度最大，為72 200 萬L；其次為傀儡湖水源地>浦莊水源地>漁洋山水源地；尚湖水源地藻類總密度最小，為 12 600 萬L。因不同種類的藻類鮮藻質量存在較大差異，藍藻體積較小，生物量較低，硅藻體積較大，生物量較高，其生物量與藻類密度的變化趨勢不完全一致[6]。綜合各水源地12個月藻類總生物量，陽澄湖水源地>傀儡湖水源地>尚湖水源地>浦莊水源地>漁洋山水源地。

2.3 多樣性指數及富營養化狀態評價

物種多樣性是群落結構獨特的生態學特征，反映了群落中

圖5 各水源地綜合營養指數評價結果Fig.5 Evaluation results of comprehensive nutrition index of each drinking water source

種類組成的豐富度及其數量分布均勻程度和群落結構的穩定性，并常作為描述群落演替方向、 速度和穩定程度的指標[12-14]。各水源地水體不同季節浮游植物多樣性指數見表1。H指數反映群落中物種的復雜程度，J指數用于評價生物種類的均勻程度。

陽澄湖和傀儡湖水源地采樣點各季節均勻度指數J處于0.3～0.5之間，多樣性指數H均處于2～3之間，結合表1可以得出陽澄湖和傀儡湖水源地浮游植物多樣性指數較低，可見物種密度分布不均勻，水體環境受到輕-中度污染，水體屬于中營養型，生態穩定性弱于其他水源地，較易發生水華；浦莊、尚湖的H指數和J指數均表征水體處于較良好的狀態，營養化水平較低；漁洋山水源地冬季多樣性種間分布不均勻，群落結構生態穩定性較差。根據各水源地綜合營養指數，從全年的角度來看，漁洋山、浦莊、尚湖水源地平均處于中營養狀態。陽澄湖作為著名的大閘蟹養殖基地，養殖業所需的各種餌料的投放使水體中氮、磷含量增大；傀儡湖位于太湖流域下游，一部分由于上游陽澄湖周圍工農業生產未徹底截留的污染物進入湖中，加之湖內因大面積的水草枯亡以及鳥類糞便排入湖體等原因，水體富營養化程度加劇，陽澄湖和傀儡湖水源地處于輕度富營養化狀態。水體內營養鹽濃度富集，浮游植物密度在合適的季節易于增大，這與傀儡湖、陽澄湖藍藻密度較大，水華發生風險較大的情況相吻合。

表1 蘇州湖泊水源地多樣性指數Tab.1 Lake-type drinking water sources of Suzhou diversity index

2.4 浮游植物群落與環境因子相關性分析

根據各水源地水質指標與浮游植物群落指數Pearson相關性分析(表2)，藍藻門和裸藻門水溫呈顯著正相關；硅藻門與pH呈顯著負相關，與CODMn、TN、NH3-N、Chl-a呈顯著正相關。整體上浮游植物各群落均與pH、DO、SD呈負相關關系，這是由于淡水湖泊浮游植物大多數生長于弱堿性水域，過高的pH會破壞浮游植物細胞結構，影響細胞的生長，浮游植物減少使植物的光合作用減弱，DO降低。當水溫上升或者營養鹽含量增加，大量繁殖的浮游植物，易致水體渾濁，SD明顯降低。

表2 蘇州湖泊水源地水質指標與浮游植物群落密度的關系Tab.2 Relationship between water quality indicators and phytoplankton community density in lake-type drinking water sources of Suzhou

圖6 湖泊水源地Chl-a對TN、TP、T的生態響應Fig.6 Ecological response of lake-type drinking water sources Chl-a to TN, TP and T

水體富營養化會導致水體中的藻類急劇增殖形成水華。浮游植物生物量的高低對于水體中Chl-a水平有著巨大影響，因此，可以通過研究Chl-a 直觀地反映水體富營養化的狀況。水溫通過控制浮游植物呼吸代謝速率和光合作用來影響浮游植物的生長，與各門都呈較明顯的正相關關系，與Chl-a的線性方程斜率為0.697，綜合說明水溫升高對浮游植物的生長有較明顯的促進作用。營養鹽是影響浮游植物生長的重要因素，對作為浮游植物體內主要成分的Chl-a至關重要。由圖6可見，Chl-a與TN、TP之間的生態響應關系線性方程斜率分別為0.360 5、0.706，表明了蘇州地區水源地對磷的利用效率高于氮，水體營養化狀態主要由水體磷作為主導因子。

3 結 論

(1)浮游植物種類組成、數量變化是與水體環境相適應的結果。在本次調查中，蘇州市5個代表性水源地水體浮游植物群落皆以綠藻門、藍藻門、硅藻門為主，傀儡湖水源地種類最多，漁洋山水源地種類最少。除漁洋山外，各水源地均夏、秋季密度較大。

(2)綜合浮游植物多樣性指數和綜合營養指數法，漁洋山、浦莊、尚湖水源地總體處于中營養狀態；陽澄湖和傀儡湖水源地處于輕度富營養化狀態，因內、外污染源未得到有效控制原因，藍藻水華存在較大發生幾率。

(3)不同因子在不同程度上對浮游植物群落結構有所影響。整體上蘇州湖泊水源地浮游植物各群落均與pH、DO、SD呈負相關關系，與TN、TP、CODMn、NH3-N呈正相關。水體營養化關鍵性影響因子為磷。

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