洪澤湖西北部濕地富營養化特征研究

周思聰， 趙 宇， 沈匯超， 何 卿， 葛晴宇

（1.江蘇省環境工程重點實驗室，江蘇省環境科學研究院， 江蘇 南京 210036；2.江蘇省環科院環境科技有限責任公司， 江蘇 南京 210036）

0 引言

湖泊富營養化問題是全球范圍內普遍面臨的水環境問題之一，其發生的主要原因是水體N，P 等營養元素含量過高，超出了水體的自凈能力，藻類大量繁殖，水質惡化，嚴重威脅生態健康與用水安全[1-3]。洪澤湖是我國第四大淡水湖， 具有獨特的自然環境條件和特殊的濕地生物資源，承接淮河、懷洪新河、新汴河等上游水體來水。 近年來， 由于外源污染加重、內源污染釋放、圍湖墾植、外來物種入侵等多種原因，水生資源遭到破壞，湖體自凈能力受到一定損害[4-5]。2018年，洪澤湖總體呈輕度富營養化狀態，水質為V 類， 主要污染指標為TP，COD 和CODMn指數。 洪澤湖西北部濕地位于洪澤湖上游，挺水植物、沉水植物等濕生植物分布廣泛，對懷洪新河、新汴河等上游來水具有重要緩釋作用， 在控制湖區污染狀況方面具有一定效用。

國內外學者已對濕地的凈化功能進行了大量研究。 濕生植物是濕地凈化作用的關鍵，植物根系及葉面可吸收N，P 等營養物質，起到一定的截留作用[6-9]。濕地基質和底泥則可吸收和吸附水體中的營養物質，達到控制水體富營養化水平的效果[10-11]。微生物也是濕地生態系統凈化過程的重要參與者， 通過新陳代謝分解或轉化水體中污染物[12-13]， 從而改善水體水質， 微生物學研究也成為了濕地凈化機制與功能研究的重要環節。

本研究將水體、 底泥和微生物作為整體進行研究，分析洪澤湖濕地水體富營養化狀況的時空變化，表征洪澤湖濕地對水體富營養化的控制效果， 對相關環境因子的特征進行探究。

1 材料與方法

1.1 樣品的采集和保存

水樣和底泥樣品采集自洪澤湖西北部濕地的7個位點，點位分布見圖1。 水樣的采集和保存均依據GB/T 5750.2—2006《生活飲用水標準檢驗方法 水樣的采集與保存》。用于檢測常規指標的樣品4 ℃冷藏保存，待微生物檢測的樣品使用干冰保存，運送至實驗室進行分析。

圖1 樣品采集點位

1.2 實驗方法

1.2.1 常規指標

常規指標的測試方法見表1。

表1 常規指標的檢測方法與依據

1.2.2 微生物群落結構分析

（1）DNA 抽提和PCR 擴增

（2）Illumina Miseq 測序

使用2%瓊脂糖凝膠回收PCR 產物， 利用AxyPrep DNA Gel Extraction Kit (Axygen Biosciences,Union City, CA, USA) 進行純化，Tris-HCl 洗脫，2%瓊脂糖電泳檢測。 利用QuantiFluorTM-ST (Promega,USA)進行檢測定量。本研究中所有底泥樣品由上海美吉生物醫藥科技有限公司利用Illumina 公司的Miseq PE300 平臺進行測序。

1.3 富營養化指數

根據TN，TP，CODMn，SD 和Chl-a 的測定結果，基于以下計算過程得出富營養化指數[14-15]。

（1）評價因子營養狀態指數

TLI（Chl-a）=10（2.5+1.086 lnChl-a）

TLI（TP）=10（9.436+1.624 lnTP）

TLI（TN）=10（5.453+1.694 lnTN）

TLI（SD）=10（5.118-1.94 lnSD）

TLI（CODMn)=10(0.109+2.661 lnCODMn)

式中：TLI 為富營養化指數；Chl-a 為葉綠素a 的質量濃度mg/m3；TP，TN，CODMn分別為TP，TN，CODMn的質量濃度mg/L；SD 為水體透明度cm。

（2）相關權重

以Chl-a 為基準， 歸一化計算各評價因子的相關權重：

式中：j 為評價因子；rij為評價因子與基準參數Chl-a的相關系數；Wj為第j 種參數營養狀態指數的相關權重。

各評價因子的rij和Wj見表2。

表2 相關系數與相關權重

（3）綜合營養狀態指數

TLI（∑）即富營養化指數，其數值大小可表征水體所處的富營養化狀態，數值越高，營養程度越重。判定標準為：TLI（∑）＜30 指貧營養；30 ≤TLI（∑）≤50 指中營養；TLI（∑）＞50 指富營養；50 ＜TLI（∑）≤60 指輕度富營養；60 ＜TLI（∑）≤70 指中度富營養；TLI（∑）＞70 指重度度富營養。

1.4 數據分析

使用IBM SPSS Statistics 分析環境因子間的相關性。 使用GraphPad Prism 分析點位間及月份間環境因子數據的差異性。 使用美吉生物云平臺分析底泥樣品高通量測序數據。

2 結果與討論

2.1 富營養化特征

2.1.1 水體富營養化狀況

洪澤湖濕地富營養化狀況見圖2。 由圖2 可知，洪澤湖濕地水體在10月份呈輕度富營養化，其余月份基本呈中營養化狀態。 從時間上來看，富營養化指數呈下降趨勢，秋季水體的富營養化指數高于冬季。溫度可影響物質循環與生物活動， 是影響水體富營養化狀態的關鍵因素， 較低的溫度可抑制藻類增殖[16]，有助于濕地生態系統起到更好的富營養化控制效果[17]。從空間上來看，上下游水體富營養化狀態無顯著差異。 在所有點位中，S4 的富營養化指數最高，S6的富營養化指數最低?？臻g差異與水體生態環境、人類活動量等要素相關[18]，S6 位于退漁還濕的生態修復區域，植有大量荷花，水體清澈，無人類活動干擾，生態條件較好；S4 位于新挖航道，來往船只較多，水流擾動大。 由此可見，濕地植物生長茂盛、人類活動量較小的區域水體質量更高， 自然保護區管理處采取的濕地生態修復措施對改善水體富營養湖狀態具有一定效果。

圖2 洪澤湖濕地富營養化狀況時空變化

2.1.2 底泥N，P 含量

底泥N，P 變化見圖3。 由圖3 可知， 從時間來看， 底泥含N 量總體呈上升趨勢，2月的底泥含N量最高；含P 量變化無明顯規律。根據單因素方差分析，10月至次年1月間的底泥含N 量沒有顯著差異，前4 個月份與次年2月的底泥含N 量均有顯著差異。 根據自然保護區科學考察報告，洪澤湖出、入湖水量主要集中在7 ～9月，12月至次年2月為枯水期，因此外源輸入的可能性較小，2月底泥含N 量的顯著增加可能與濕地植物的腐敗降解等內源輸入相關。10月和次年1月、1月和2月間的底泥含P 量有顯著差異，其余月份間無顯著差異。

從空間上來看，各點位的底泥中N，P 含量均無顯著差異，S1，S6 的N，P 含量季節性波動較大，其余點位波動較小。 S1 位于入湖河口，沖淤變化比較顯著， 造成底泥N，P 含量的較大波動；S6 位于生態修復區， 水體-植物-底泥間的物質交換相對頻繁，低溫季節植物體的枯死可能是造成底泥N，P 含量波動的主要原因[19]。

圖3 底泥含N，P 時空分布統計

2.1.3 相關性分析

秋季水體和底泥中N，P 含量的相關性分析顯示見表3。由表3 可知，水體TP 和底泥TP 顯著負相關，說明水體和底泥間存在P 的遷移。對冬季樣本的分析結果則顯示，水體和底泥中N，P 含量無顯著相關性，說明冬季水體和底泥間的N，P 含量處于相對平衡的狀態。

表3 秋季水體與底泥N，P 含量相關性

2.2 底泥微生物群落結構

微生物群落結構分析結果顯示，14 個底泥樣本的有效序列數為20509-555692， 測得的8 387 條OTUs 分屬于59 個門，158 個綱，299 個目，551 個科，1 012 個屬和2 220 個種。通過群落組成分析，洪澤湖濕地底泥微生物主要門類包括變形桿菌門、綠屈撓菌門、酸桿菌門、放線菌門、硝化螺旋菌門、厚壁菌門、藍細菌門、Nitrospinae、 疣微菌門、Ignavibacteriae、Aminicenantes、Parcubacteria、螺旋體門、芽單胞菌門、Latescibacteria 和浮霉菌門。 優勢門類為變形桿菌門（29.7%～44.4%）、綠屈撓菌門（12.0%～23.5%）、酸桿菌門（5.0%～13.4%）、放線菌門（5.1%～7.6%）、硝化螺旋菌門（3.6%～8.9%）、厚壁菌門（0.9%～8.6%）、藍細菌門（1.3%～6.2%）和Nitrospinae（1.9%～4.2%），其它門類的細菌豐度均低于3%。

眾多研究顯示， 變形桿菌門是湖泊底泥中豐度最高的細菌門類， 豐度較高的細菌門類還包括綠屈撓菌門、酸桿菌門、放線菌門、硝化螺旋菌門、厚壁菌門等，但豐度排序與研究對象有關。本研究中豐度最高的細菌門類同樣為變形桿菌門， 豐度排序靠前的細菌門類也與其它研究大致相同。

2.3 環境因子與微生物群落結構

對秋冬季樣品的RDA 分析結果見圖4。 由圖4（a）可知，底泥N 含量對底泥微生物群落結構影響的顯著性最高（p=0.004），其次為Chl-a（p=0.12），其余因子的影響不顯著。 底泥N 含量與主要門類細菌正相關；Chl-a 與豐度排序第二的綠屈撓菌門正相關， 與豐度排序第一的變形桿菌門和第三的酸桿菌門負相關。 由圖4（b）可知，底泥P 含量對秋季底泥微生物群落結構影響的顯著性最高（p=0.019），其次是底泥N 含量（p=0.148）。 底泥P 含量則與變形桿菌門正相關，與綠屈撓菌門和藍細菌門負相關；底泥N 含量和變形桿菌門、綠屈撓菌門和藍細菌門正相關。由此推測，底泥N，P 含量和TN 對濕地底泥的細菌群落的影響較大。

圖4 秋冬季底泥細菌門分類群落與環境因子的RDA 分析

基于威爾科克森秩和檢驗，在門水平上，秋冬季2 組樣品微生物相對豐度無顯著性差異。 基于克魯斯卡爾-沃利斯秩和檢驗，秋季樣本中，各點位間底泥微生物群落的硝化螺旋菌門、Aminicenantes、Ignavibacteriae、 螺旋體門豐度存在顯著性差異；冬季樣本中，各點位間底泥微生物群落的放線菌門、藍藻菌門、Nitrospinae、疣微菌門、Parcubacteria、芽單胞菌門、和浮霉菌門豐度存在顯著性差異。隨著季節變化，底泥微生物群落結構相對穩定，但不同點位底泥的微生物種群具有差異性。

3 結論

（1）洪澤湖濕地自然保護區水體秋冬季基本呈富營養化狀態，冬季富營養化水平低于秋季，潛在影響因素有溫度、人類活動和植物生長狀態。

（2）底泥N 含量和P 含量無顯著差異在空間上無顯著性差異。秋季水體和底泥間存在P 遷移；2月的底泥N 含量顯著增加，可能原因是低溫季節植物枯死，導致N 由植物體向底泥基質遷移。

（3）底泥細菌群落優勢門類為變形桿菌門（29.7%～44.4%）、綠屈撓菌門（12.0% ～23.5%）、酸桿菌門（5.0%～13.4%）、放線菌門（5.1%～7.6%）、硝化螺旋菌門（3.6%～8.9%）、厚壁菌門（0.9%～8.6%）、藍細菌門（1.3%～6.2%）和Nitrospinae（1.9%～4.2%），微生物群落結構相對穩定，但空間上有差異性。

（4）底泥N，P 含量和TN 及水體透明度對濕地底泥的物種影響較大。