湯遜湖浮游生物群落結構變化的現狀調查及分析

曹鵬陽，李麗雪，郭彪輝，鎮鴻燕，張 艷，韓曉芳

（江漢大學，a.環境與健康學院；b.醫學院，武漢 430056）

浮游植物個體小、生活周期短、對環境因子的變化響應敏感，因此浮游植物被當作水體生態環境的合適指示者。對驅動浮游植物群落結構的變化研究有很多，其中非生物因素如營養物質、光和水溫都是影響浮游植物生長、分布和演替的重要環境因子［1］。生物因素也是影響浮游植物群落組成變化的一個重要因素，浮游動物對于浮游植物來說是位于食物鏈前端的消費者，可直接影響浮游植物的群落結構和生物量。影響浮游植物群落結構的生物因素有許多，從食物鏈考慮，浮游動物、魚類和其他水生動物的群落結構都會影響浮游植物的生物量和分布［2］。

目前，浮游植物群落結構、多樣性、生長分布及其與影響因子的關系是國內外研究的熱點［3-7］，但是，對湯遜湖浮游生物與環境因子的關系研究甚少；近10 年來，湯遜湖水質均未達到III 類水的標準，目前水質劣V 類，尤其在2017、2018 年的夏季時湯遜湖的局部水域暴發藍藻水華，對周邊人群生活生產帶來嚴重影響。為了進一步掌握湯遜湖水體生態現狀，本項目于2019 年在湯遜湖布設多個采樣點，進行水質和水生生物現狀調查，分析浮游生物密度和鑒定浮游生物的種群結構，并由此反映出湯遜湖水體環境質量現狀，為湖泊治理提供一定的參考依據。

1 研究區域

1.1 研究區域概況

湯遜湖位于武漢市東南部，以江夏大道為界限，分為東側的內湯遜湖和西側的外湯遜湖2 個部分，兩者之間有涵洞相通。其中，內湯遜湖水域面積約占1/3；外湯遜湖水域面積約占2/3，湯遜湖流域面積約為248.85 km2，屬于亞熱帶濕潤季風氣候，雨量充沛。湯遜湖由于長期納入污水處理廠尾水和部分混流污水，水質污染嚴重，加上江湖隔絕造成的水生生物補充量減少，水生生物棲息環境日益惡化；此外，由于之前湯遜湖部分區域用于水產養殖，水域內水生植物被魚類破壞，幾乎無沉水植物群落分布，僅見沿岸少量挺水植物斑塊分布。隨著湯遜湖周邊城市化發展，湯遜湖水質呈顯著的惡化趨勢，近幾年水質均出現超標情況，湯遜湖污染防治工作的開展迫在眉睫［8］。

1.2 采樣點設置

根據湯遜湖湖區分區面積、地形輪廓、養殖分布以及主要出入湖河流等情況，在湯遜湖設置9 個采樣點，分布于湖泊的排放口附近，在外湯遜湖設采樣點4 個（1 號至4 號點位），在內湯遜湖設采樣點5 個（5 號至9 號點位）（圖1）。

圖1 湯遜湖采樣點位分布

2 研究方法

2.1 監測指標

除了浮游植物和浮游動物以外，水樣中其他分析指標包括透明度、總磷（TP）、總氮（TN）、氨氮（NH3-N）、化學需氧量（COD），共5 個指標。

2.2 監測方法

進行水樣分析，透明度采用塞氏圓盤法測定；化學需氧量采用酸性滴定法（GB/T 11892—1989）測定；氨氮采用納式試劑分光光度法（HJ535）測定；總氮采用過硫酸鉀消解紫外分光光度法（HJ636）測定；總磷采用過硫酸鉀消解紫外分光光度法（GB/T 11893—1989）［9］測定。

3 結果與分析

3.1 浮游植物種類組成及優勢種

浮游植物可以作為生物指標來指示水質，因為浮游植物的種群結構變化是水環境演變的直接后果之一。由于能迅速響應水體環境變化，且不同浮游植物對有機質和其他污染物敏感性不同，因而可以用藻類群落組成來判斷不同水域水質狀況。本研究中共鑒定出5 門34 種（表1），其中硅藻門8 種、藍藻門7 種、綠藻門14 種、隱藻門2 種、裸藻門3 種，盡管綠藻門種類數量最多，但湯遜湖浮游植物以藍藻門的偽魚腥藻屬、螺旋浮絲藻和平裂藻屬為絕對優勢種，其平均密度均達106個細胞/L。總體來說，全湖浮游植物細胞密度較高，達107個細胞/L，內湯遜湖和外湯遜湖藻類群落組成無明顯差異。

表1 湯遜湖浮游植物名錄（2019 年）

由圖2 可以看出，硅藻門、藍藻門、綠藻門和隱藻門在湯遜湖水體中占總種群的90%以上。藍藻為絕對優勢種，占總比例的33%，其次是硅藻（26%），綠藻（22%）和隱藻（18%）。浮游植物群落具有明顯的季節演替規律，藍藻門、綠藻門、硅藻門始終是浮游植物的優勢類群，春季低，夏季高。浮游植物的種群多樣性主要受到優勢種的物種數量和細胞密度的影響。優勢種越多，優勢度越少，群落結構越穩定。

圖2 湯遜湖浮游植物種群構成

3.2 影響湯遜湖浮游植物群落結構變化的環境因子

建立浮游植物和水環境的相關性對評估浮游植物的變化過程很重要。2019 年2—6 月，對湯遜湖水環境物理化學指標及浮游植物進行調查，研究了湯遜湖浮游植物分布特征、季節演替規律及影響群落結構變化的主要環境因子。

3.2.1 透明度 透明度可以用來預測水體清澈程度和淺水湖泊生態質量，透明度由水體中的懸浮固體顆粒物決定。浮游植物的大量繁殖和腐爛分解的顆粒會導致懸浮固體顆粒物的增加，進而使水體透明度降低。湯遜湖水體透明度為0.18～0.28 m（圖3）。

圖3 湯遜湖各點位透明度

3.2.2 總磷 磷是浮游植物生長必需的營養元素，被認為是淡水生態系統中最重要的生長限制性因素，尤其是在高磷氮比的湖泊。水體中高含量的磷會直接引起水體富營養化的發生，從而惡化水體。湯遜湖的磷濃度變化不大，且大部分監測點測量結果處于地表水環境質量Ⅱ類標準（范圍為0.025～0.050 mg/L），僅有少數點位處于地表水環境質量Ⅲ類標準（范圍為0.05～0.10 mg/L）（圖4）。

圖4 湯遜湖各點位總磷濃度

3.2.3 總氮 總氮表示水體中各個形態的無機和有機氮的總量，包括氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮等無機氮和蛋白質、氨基酸和有機胺等有機氮，通常被用來表示水體受到營養物質污染的程度。湯遜湖中的平均總氮濃度為3.54 mg/L，其中，5 號點位最高值為6.90 mg/L，均超過地表水環境質量Ⅴ類標準，即總氮濃度超過2 mg/L，因此，根據“一票否決”制度，湯遜湖中的平均總氮處于地表水環境質量劣Ⅴ類標準（圖5）。

圖5 湯遜湖各點位總氮濃度

3.2.4 化學需氧量 湯遜湖水體COD 濃度為46.65～76.75 mg/L，均超過地表水環境質量Ⅴ類標準，均大于40 mg/L，處于地表水環境質量劣Ⅴ類標準（圖6）。

圖6 湯遜湖各點位化學需氧量濃度

3.2.5 營養鹽 水體中營養物質含量的高低對浮游植物生長、繁殖、分布都有重要影響，營養鹽濃度的變化會影響浮游植物群落結構特征，同時還會改變浮游植物生物量的大小。水體中營養物質對浮游植物的影響主要表現在氮或磷限制上［7，8］。而湯遜湖藍藻密度與總氮、氨氮濃度關系不大，但與氮磷比有較強的關聯。這表明氮不是湯遜湖限制藍藻密度的因素，而磷是浮游植物生長關鍵的營養元素，是淡水生態系統中一個重要的生長限制性因素。在高氮磷比的情況下，較大地限制了藍藻細胞的生長。對各測量點總磷含量與浮游植物密度進行相關性分析可以推斷，磷是影響湯遜湖浮游植物生長的一個重要因素（圖7）。

圖7 湯遜湖各測量點總磷含量與浮游植物密度的關系

3.3 浮游動物鑒定

研究期間，共檢出浮游動物2 類14 種，其中橈足類8 種，枝角類6 種（表2）。

表2 湯遜湖浮游動物名錄

由湯遜湖各測量點的浮游動物密度（圖8）和生物量分布（圖9）可知，外湯遜湖的浮游動物生物量高于內湯遜湖，但總體數據顯示湯遜湖浮游動物的生物量較低，平均浮游動物生物量為2.12 mg/L。由于魚類結構的變化能夠改變浮游動物種類和個體大小的組成，從而進一步影響浮游動物對浮游植物的濾食能力，改變水體中浮游植物結構和生物量，進而影響水體的富營養化過程。這種由食物鏈上層變化產生的對下層浮游植物的影響稱為“下行效應”［10-12］。

圖8 湯遜湖各測量點浮游動物密度

圖9 湯遜湖各測量點浮游動物生物量

4 小結

根據2019 年對湯遜湖水體浮游生物分布的調查，湯遜湖水體藻類總體構成為5 門34 種，包括硅藻門、藍藻門、綠藻門和隱藻門等，以藍藻門的偽魚腥藻屬、螺旋浮絲藻和平裂藻屬為絕對優勢種，其平均密度均達106個細胞/L，藻類群落還具有明顯的季節演替規律。

湯遜湖中影響浮游植物群落結構變化的因素主要有2 個，一個是湯遜湖水體中的營養元素的影響，另一個是浮游動物的下行效應對浮游植物生長的影響。以營養鹽角度分析，湯遜湖空間差異下的浮游植物群落受營養元素的影響，具體體現在磷元素時空分布的差異導致浮游植物群落生長產生了較大的差異，湯遜湖中磷含量高的測量點對浮游植物群落的生長起到了較大的促進作用，浮游植物密度的增長明顯，因此，磷是湯遜湖中對浮游植物群落影響最大的營養元素。

在浮游動物的研究方面，共檢出浮游動物2 類14 種，其中橈足類8 種，枝角類6 種，主要分布在外湯遜湖中，內湯遜湖由于大量的養殖漁業導致浮游動物被濾食性的鳙魚大量濾食，浮游動物的生物量較外湯遜湖低很多，進而從食物鏈角度來看，浮游植物生長缺少了上一營養級的限制，因此，內湯遜湖的水體適合浮游植物群落的生長，浮游植物的生物量明顯高于外湯遜湖。

內湯遜湖浮游植物群落生長的主要影響因子是食物網的下行效應，因此需要使湯遜湖中的浮游動物的生物量得到提高，可對漁場漁業進行控制，減少鳙魚這類濾食性魚類的養殖，調控魚類養殖的比例，使內湯遜湖的水生態系統處于一個穩定的狀態。恢復浮游動物對浮游植物的限制作用，減少浮游植物群落的種群密度，從而阻止藍藻水華的發生，與此同時。對水質的治理也要同步進行。