太湖（蘇州轄區(qū)）出入湖水體著生硅藻群落分布特點

陳 瑜， 景 明， 高 昕， 李繼影

(江蘇省蘇州環(huán)境監(jiān)測中心, 江蘇 蘇州 215004)

0 引言

太湖（北緯30°55′40" ～31°32′58"和東經119°52′32" ～120°36′10"）橫跨江、浙2 省，位于長江三角洲的南緣，是中國第三大淡水湖。太湖的主要進出河流有50 余條[1]，環(huán)太湖出入湖水量是對太湖水量變化影響最大的一個因子[2]。 所處的太湖流域為典型的平原河網地區(qū)，河道總長約12 萬km， 密度達3.3 km/km2，0.5 km2以上的大小湖泊189 個，多年平均水資源量176 億m3，人均本地水資源量僅為全國平均水平的1/5[3]。 太湖在給人們帶來物質文化財富的同時，也承受著人類活動帶來的污染，其中太湖的主要外源污染是由河流輸入[4-5]。 水利部太湖流域管理局自2002年起實施引江濟太調水工程，通過望虞河將長江水引入太湖，“引江濟太” 工程使得太湖換水周期縮短，水質改善，但也為太湖環(huán)境治理帶來了新挑戰(zhàn)[6]。 “引江濟太”一定程度上抬高了太湖TP 濃度；入湖河流TP 與考核目標有較大差距，入湖負荷仍處于高位[7]。 毛新偉[8]的研究表明引水期長江及入湖的TN 和TP 濃度基本高于貢湖灣。

硅藻( Diatoms) 是一種真核單細胞微藻類。作為水體中重要的初級生產者[9]，硅藻在水生生態(tài)系統(tǒng)和全球碳循環(huán)中具有舉足輕重的地位[10]。 研究發(fā)現，硅藻對環(huán)境變化尤其是有機污染和富營養(yǎng)化反應很快，對水環(huán)境因子變化非常敏感[11]，溫度、營養(yǎng)鹽、浮游動物捕食等環(huán)境的變化都會使硅藻的種類及數量發(fā)生相應的改變[12-13]。硅藻廣泛存在于不同營養(yǎng)類型水體中，硅藻與環(huán)境因子相互影響，多項研究表明，二者之間的相互作用在水生生態(tài)系統(tǒng)中產生了重要影響。 2000年歐盟水框架指導委員會(Water Framework Directive of the European Union) 將硅藻推薦為當前水環(huán)境整治決策中可以用來確定營養(yǎng)水平的一個有效的生物指標[14]。 因其對環(huán)境的指示作用比藍藻、綠藻更靈敏[15-17]，作為良好的水生態(tài)環(huán)境指示生物[18]，硅藻已被國內外廣泛應用于監(jiān)測湖泊和河流水質的變化[19-21]。

本研究擬通過對太湖主要出入湖河道及太湖湖體（蘇州轄區(qū)）15 個點位的著生硅藻和水環(huán)境因子進行調查研究，探究硅藻與環(huán)境的關系，期望能夠為太湖環(huán)境監(jiān)測和治理以及水源地保護提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 采樣點位

太湖的主要進出河流眾多， 其中望虞河是太湖最大入湖河道之一， 望虞河是引江濟太調水的重要工程。 太湖在蘇州轄區(qū)的出湖河道有木光河、胥江、太浦河和蘇東河等。 本研究在出入湖河道及太湖水域共設置15 個采樣點，見圖1。

圖1 太湖東部水域采樣點分布

1.2 樣品采集

1.2.1 水質檢測

現場使用便攜式水質分析儀 （YSI Professional Plus,Yellow Springs,OH,USA）測定pH 值、水溫（T）、溶解氧（DO）、濁度（NTU）和電導率（Cond）等；透明度（SD）用塞式透明度盤測定。 實驗室測定水樣用采水器采集水下50 cm 及湖底以上50 cm 處水樣，混勻取1 L，密封立即運回實驗室分析測定總氮（TN）、總磷（TP）、氨氮（NH3-N）、五日生化需氧量（BOD5）、高錳酸鹽指數（CODMn）、化學需氧量（CODCr）以及葉綠素a（Chla）等指標，樣品保存及測定方法均參考《水和廢水監(jiān)測分析方法（第4 版）》(國家環(huán)境保護總局，2002)[22]。

1.2.2 著生硅藻采樣

將硅藻計（菲迪環(huán)境GZJ1-10）放置于采樣點1個月后取樣， 用毛刷或硬膠皮將基質上所著生的藻類及其他生物，全部刮到盛有蒸餾水的玻璃瓶中，并用蒸餾水將基質沖洗多次，用魯哥氏液固定，定容至30 mL 備用。 采樣方法及樣品保存方法均參考《水和廢水監(jiān)測分析方法（第4 版）》。

1.2.3 數據分析

根據著浮游硅藻多度數據計算各采樣點Shannon-Wiener 多樣性指數H′， 采用Mcnaughton優(yōu)勢度指數來判定優(yōu)勢種的組成，選取Mcnaughton優(yōu)勢度指數（Y ＞0.02）的藻類為優(yōu)勢種[23]。

Shannon-Wiener 生物多樣性指數按下式計算：

式中：s 為樣品中的種類數；ni為樣品中第i 種生物的個體數；n 為樣品中生物總個體數；ni/n 為第i 種藻類的細胞數占所有藻類總細胞數的比值；fi為第i種藻類在樣點中出現的頻率。

根據PETR 等[24-26]對Canoco5 軟件使用方法的說明，將藻類數據和水質數據導入Canoco 5 進行初步分析， 保留可以進一步分析的水質數據（forward selection results）進行約束（constrained）分析。根據項目效應（term effects）結果，綜合簡單效應結果（simple effects）和附條件的效應結果（conditional effects）選取水質因子進入RDA 分析。 進行冗余分析（Redundancy Analysis，RDA)分析時，除pH 值外的所有水體理化數據和著生藻類相對多度數據均進行數據對數轉換[lg(x+1)]。以上分析在Canoco5 上進行，浮游藻類群落結構圖ArcMap 10.2.2 上完成.

2 著生硅藻群落結構分析

太湖東部水體出入湖河道及太湖水體中共鑒定出著生藻類4 門63 屬， 其中硅藻門32 屬80 種，藍藻門9 屬，裸藻門1 屬，綠藻門21 屬。硅藻群落中分類單元最多的種屬為舟形藻屬（Navicula）10 種、異極藻屬（Gomphonema）12 種、菱形藻屬（Nitzschia）13種。 優(yōu)勢種為兩棲菱形藻（Nitzschia amphibia）、具球異極藻（Gomphonema sphaerophorum）、線形舟形藻（Navicula graciloides）、谷皮菱形藻（Nitzschia palea）、奇異菱形藻（Nitzschia paradoxa）、 胡斯特橋彎藻（Cymbella hustedtii）、窄異極藻（Gomphonema angustatum）、顆粒直鏈藻（Melosira granulata）、絲葉菱形藻（Nitzschia filiformis）、鈍脆桿藻（Fragilaria brevistriata）、梅尼小環(huán)藻（Cyclotella meneghiniana）。

河道水體中的物種豐富度比湖體高， 物種數最多的點位為T13，T15 和T4， 分別為35 種、27 種和26 種；豐富度最少的點位為T6 和T11，均為11 種。著生硅藻密度沒有明顯的規(guī)律可循， 藻類密度平均值為6.35×105個/cm2, 大于107個/cm2有3 個，T5，T13 和T15； 小 于104個/cm2有2 個，T9 和T11。Shannon-Wiener 指數均值為2.87，入湖河道及湖體的Shannon-Wiener 指數值普遍大于3，而出湖河道的Shannon-Wiener 指數普遍在2 左右。 見表1。

表1 各采樣點位的Shannon-Wiener 指數、藻類密度和物種豐富度

3 著生藻類聚類分析

將處理后的藻密度數據采用Ward 方法，以Euclidean 距離對采樣點位進行聚類分析[27]，分析結果見圖2。 組1 包含6 個點位，組2 包含9 個點位。組1 的點位多為湖體點位和距離湖體較近的出湖河道點位，優(yōu)勢種為胡斯特橋彎藻（Cymbella hustedtii）、顆粒直鏈藻（Melosira granulata）、肘狀針桿藻（Synedra ulna）、具球異極藻（Gomphonema sphaerophorum）、鈍脆桿藻（Fragilaria brevistriata）、尖針桿藻（Synedra acus）、新月形橋彎藻（Cymbella cymbiformis）； 組2 的點位多為入湖河道點位和距離湖體較遠的出湖河道點位，優(yōu)勢種為兩棲菱形藻（Nitzschia amphibia）、具球 異極藻（Gomphonema sphaerophorum）、線形舟形藻（Navicula graciloides）、谷皮菱形藻（Nitzschia palea）、奇異菱形藻（Nitzschia paradoxa）、胡斯特橋彎藻 （Cymbella hustedtii）、 窄異極藻（Gomphonema angustatum）、 顆粒直鏈藻（Melosira granulata）、絲葉菱形藻（Nitzschia filifor-mis）、梅尼小環(huán)藻（Cyclotella meneghiniana）。 組1 的豐富度均值為13， 比組2 小9；2 組的Shannon-Wiener 指數均值差別不大分別為2.88 和2.86；組2 的藻密度均值約為組1 的5 倍。

圖2 根據藻類種類和密度進行采樣點聚類分析

4 著生硅藻生態(tài)指示型分析

VAN D 等[28]通過分析硅藻生存環(huán)境中的pH 值、氧含量、鹽度、水生環(huán)境腐殖度和營養(yǎng)狀況建立了淡水硅藻生態(tài)指示值清單。按照指示清單，將2 組硅藻所對應的需氧量、 水生環(huán)境腐殖度和營養(yǎng)狀況這3個生態(tài)指示類型進行統(tǒng)計， 計算了2 個分組不同生態(tài)類型物種的占比情況。 見表2（硅藻生態(tài)型分類及數據計算由OMNIDIA 6 完成）。 由表2 可知，從組1的硅藻類型主要為極度需氧型和需氧型， 組2 中的硅藻主要為中度需氧型和需氧型； 水生環(huán)境腐殖度指示結果表明，組1 硅藻主要是寡污型，其次是α-中度腐生型和β-中度腐生型， 組2 主要是α-中度腐生型和β-中度腐生型；組1 硅藻所指示的營養(yǎng)狀況從寡營養(yǎng)型至富營養(yǎng)型均有分布， 富營養(yǎng)型相對較多，組2 所指示的營養(yǎng)狀況則主要為富營養(yǎng)型。

表2 各分組藻類生態(tài)型

5 環(huán)境因子分析

RDA 分析結果表明，影響藻類群落的主要環(huán)境因子為水溫，TN，DO，CODCr，TP 和pH 值。 以上因子在個點位的分布見圖3。 橫坐標為點位信息，縱坐標為水質數據值，其中TP 值為實驗測得結果乘以20。 將水質數據和著生藻類聚類結果進行綜合分析，組1 和組2 的水溫，pH 值和CODCr均值差別不大；組1 的DO 均值比組2 高1.56；組2 的TN 均值是組1 的2 倍，TP 是組1 的3 倍。

圖3 各采樣點位重要水質因子狀況

6 環(huán)境因子與硅藻群落RDA 分析

根據Term Effects 篩選出影響15 個采樣點位著生藻類分布的環(huán)境因子為DO，TP，TN，CDOCr， 見圖4。 它們的解釋度和P 值依次為DO（18.0%，0.004），TP（16.7%，0.016），TN（16.2%，0.01），CODCr（9.0%，0.184）；影響組1 著生藻類分布的環(huán)境因子為水溫，pH 值 和DO， 見 圖5。 解釋度和P值依次為T（38.5%，0.012），pH 值（19.2%，0.256），DO （17.9%，0.32）；影響組2 著生藻類分布的環(huán)境因子為CODCr，TN，TP，見圖6。解釋度和P 值依次為CODCr（20.2%，0.042），TN（19.8%，0.027），TP（11.0%，0.348）。 結合環(huán)境因子分析和圖4 可知全流域的TP，TN 及CODCr處于較高水平，組1 中的點位T5，T6，T7 和T11 與DO 相關性較大，組2 中的點位和TP，TN 及CODCr的相關性較大（本文RDA 分析根據Term Effects 篩選，首先將所有的環(huán)境因子和每個點位的藻類進行分析，再從中選取解釋度和P 值高的即為影響藻類分布的主要環(huán)境因子）。

圖4 15 個采樣點位藻類與環(huán)境因子RDA 分析

圖5 組1（遠離湖體點位）藻類與環(huán)境因子RDA 分析

圖6 組2（近湖體點位）藻類與環(huán)境因子RDA 分析

7 討論

太湖的出入河道眾多，其中望虞河作為“引江濟太”的主要輸水通道,對太湖主要區(qū)域水體交換的影響起著至關重要的作用[29]。 入湖河道增加了太湖的流動性、減少了太湖的換水周期，也給太湖環(huán)境治理帶來了新挑戰(zhàn)。 朱偉等[30]認為河水中大量營養(yǎng)鹽進入太湖，磷大多數以顆粒態(tài)存在并沉積在湖泊中，在適宜條件下釋放入水體。

本次的研究表明， 影響太湖主要出入湖河道著生硅藻群落的環(huán)境因子為DO，TP，TN，CODCr。 基于著生硅藻的群落結構特征， 將太湖河道著生藻類群落劃分為2 個類群。 組1 的點位多為湖體點位和距離湖體較近的出湖河道點位， 組2 的點位多為入湖河道點位和距離湖體較遠的出湖河道點位。

對2 組著生硅藻的生態(tài)指示型進行分析， 組1硅藻所指示的營養(yǎng)狀況從寡營養(yǎng)型至富營養(yǎng)型均有分布， 組2 所指示的營養(yǎng)狀況則主要為富營養(yǎng)型。RDA 結果表明影響組1 和組2 著生藻類分布的環(huán)境因子分別為水溫，DO，pH 值，CODCr，TN 和TP。 水質指標也印證了硅藻的分組結果， 組1 的DO 均值優(yōu)于組2；組2 的TN 和TP 均值是組1 的2 倍以上。黃漪平[2]的研究表明太湖主要的外源污染來自河流，人們生產生活產生的污染物質經由河道輸入到湖泊中。 本研究的結果顯示入湖河道的CODCr，TN，TP 等水質因子比湖體中高， 近湖體的河道水質與湖體相差不大， 而離湖體較遠的河道水質因子比湖體低也表明太湖具有一定的自我凈化能力，。

由于受限于采樣次數和采樣點位量， 本研究難免有不足之處，在今后的工作中不斷收集、匯總并分析，以期能夠更真實、更準確的反映硅藻和水質的關系。