長蕩湖富營養化水平及浮游植物群落組成

沈 偉,沈麗娟,謝文理*

(1.江蘇省常州環境監測中心,江蘇常州 213000;2.江蘇省環境保護水環境生物監測重點實驗室,江蘇常州 213001)

浮游植物是水生生態系統中的初級生產者,發揮著重要的作用[1]。浮游植物隨著水質的變化,營養鹽濃度增加,藻類異常增殖形成水華,這是富營養化水體最突出、最直觀的表現。浮游植物群落結構的變化受多種因素的影響,在不同地區、不同水域中,溫度、光照、營養鹽、水體擾動等均能影響浮游植物生長[2-4]。

浮游植物種類的組成隨溫度變化最為明顯,而且浮游植物群落結構與水體營養狀況有關[5]。從貧營養到中營養再到富營養,營養鹽濃度逐漸增加,水體由清澈到渾濁。不同的營養狀況導致不同的浮游植物種類組成,不同的浮游植物種類的組成變化也反映出了水環境變化[6]。目前,浮游植物群落與水體營養狀態之間的關系研究較多。營養鹽濃度對浮游植物的生物量影響較大,尤其是對藍藻、綠藻和裸藻的生物量,在富營養化水體中,一般以藍藻、綠藻或裸藻為優勢。藍藻的生態位較寬、適應能力較強,在各種水體中都能夠生長,微囊藻、束絲藻和長孢藻都是易于富營養化水體中形成優勢的藻類,并且都能夠形成水華,而且這些藻類一旦形成優勢后難發生演替,對水質的惡化有顯著的推動作用[7]。在貧營養水體,主要以金藻、黃藻和硅藻為主,甲藻中的飛燕角甲藻和多甲藻亦生長在貧-中營養的水體。

長蕩湖,又名洮湖、長塘湖,屬太湖水系。長蕩湖是典型的淺水型湖泊,是常州金壇重要的飲用水原地,同時兼具農業灌溉和漁業生產等多種功能。湖區地勢西高東低,湖水來源為地表徑流和降水補給,主要進出河道12條,其中西側的丹金溧漕河、北河為主要入湖河流,湖水通過湖東的湟里河、北干河、中干河等東泄至滆湖,后匯至太湖,是引江濟太重要的“前置庫”和“凈化池”。該研究通過對長蕩湖不同區域內水體理化指標和藻類群落組成周年測定,反映湖體富營養化水平和藻類群落組成的時空變化特征,并初步探討藻類與理化指標的響應關系。

1 材料和方法

1.1 采樣點設置根據長蕩湖的水系特征、主要出入湖河流、水生態功能區等狀況,按照代表性、科學性、經濟性等原則設置水質采樣點8個,浮游植物采樣點與水質采樣點一致,采樣點分布見圖1。

圖1 長蕩湖采樣點分布Fig.1 Distribution of sampling points in Changdang Lake

1.2 采樣與處理

1.2.1水質樣品采集及處理。水質樣品采樣時間為2019年1—12月。水質現場理化指標水溫、pH、濁度、溶解氧(DO)等參數使用水質多參數分析儀(美國YSI公司)測定;透明度(SD)、總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮(NH3)、化學需氧量(COD)、葉綠素a(Chla)等理化參數按照《國家地表水環境質量監測網監測任務作業指導書(試行)》[8]進行測定。

1.2.2浮游植物樣品采集及處理。浮游植物采樣時間與水質采樣同步。

1.2.2.1定性樣品采集與分析[9]。用25號浮游生物網在采樣點的水面下0.5 m處作“∞”形循環緩慢拖動,拖動時間1～3 min,后將網從水中提出,待水濾去,輕輕打開浮游生物網底管的活栓,使水樣流入樣品瓶中,加入魯哥氏液進行固定。用移液器或刻度滴管吸取60 μL左右樣品瓶底部的定性樣品滴到載玻片上,用鑷子蓋上蓋玻片,制成標本片,在顯微鏡下,盡量鑒定到種。

1.2.2.2定量樣品采集與分析[9]。用采水器在采樣點水面0.5 m 處采集1 L水樣,將水樣轉移至1 L樣品瓶中并加入魯哥氏液進行固定,帶回實驗室后搖勻并轉移至1 L的分液漏斗,靜置24～48 h后,用虹吸法小心將上清液吸去,僅收集沉淀下來的濃縮藻樣,將濃縮藻樣定容至30 mL后轉移至50 mL 樣品瓶中。將樣品充分搖勻,用移液器吸取0.1 mL樣品到計數框中,進行藻種鑒定及計數,盡量鑒定到種,每個樣品計數2次求平均值,一般每次計數100個視野。

1.2.3數據處理與分析。

(1)湖庫綜合營養狀態指數(TLI)[10]。

綜合營養狀態指數計算公式如下:

式中:TLI (∑)為綜合營養狀態指數;Wj為第j種參數的營養狀態指數的相關權重; TLI(j)為代表第j種參數的營養狀態指數。

各項目營養狀態指數計算:

TLI(Chla)=10(2.5+1.086lnChla)

TLI(TP)=10(9.436+1.624lnTP)

TLI(TN)=10(5.453+1.694lnTN)

TLI(SD)=10(5.118-1.94lnSD)

TLI(CODMn)=10(0.109+2.661lnCODMn)

式中:Chla 單位為mg/m3,SD 單位為m;其他指標單位均為mg/L。

(2)浮游植物完整性指數(P-IBI)[11-12]。采用浮游植物完整性指數進行水質生物學評價。

單項指數計算:淡水浮游植物完整性單項指數計算方法見表1,若計算結果為負值,取為0;若大于1,取為1。

表1 淡水浮游植物完整性單項指數計算方法

淡水浮游植物完整性指數計算:

(3)采用Excel2016和R語言軟件4.0.3對數據進行處理與分析。

2 結果與分析

2.1 水質理化特征長蕩湖水體水質周年變化見表2。

表2 2019年長蕩湖水質變化

長蕩湖水溫季節變化明顯,全年平均水溫16.7 ℃,夏、秋兩季水溫較高,由于是淺水湖泊,夏季平均水溫可高達27 ℃左右;長蕩湖全年透明度20 cm左右;全年電導率水平340 μS/cm,冬季最小、夏秋季較高;水體pH年平均7.9,偏堿性;溶解氧全年平均9.6 mg/L,夏季最低;葉綠素a濃度水平相對較高,全年平均28.6 μg/L;營養鹽含量水平較高,總氮年平均濃度達1.4 mg/L,總磷年平均濃度為0.100 mg/L。

2.2 水體富營養化狀況根據湖庫綜合營養狀態指數(TLI)計算結果,從時間來看,長蕩湖全年TLI范圍為57.3～65.5,從點位來看,長蕩湖不同湖區TLI范圍為59.6～62.7,長蕩湖TLI整體年均值61.5,全湖整體已處于輕度至中度富營養狀態。2019年長蕩湖富營養化狀況見圖2。

圖2 2019年長蕩湖富營養化狀況Fig.2 Eutrophication of Changdang Lake in 2019

2.3 浮游植物群里組成與動態在為期一年的浮游植物調查中,共監測到藍藻門、綠藻門、硅藻門、甲藻門、隱藻門、裸藻門、金藻門7個門類,144種。其中綠藻門最多,有70個種,其余依次是硅藻門32種、藍藻門19種、裸藻門12種、隱藻門4種、甲藻門4種、金藻門3種。

長蕩湖全年各月浮游植物出現的種類數變化不大,基本保持在73～87種,9月份最多,為87種;2月、3月較少,為73種。從種類組成上看,綠藻是種類最多的藻類,占總種類數的48.6%,主要有柵藻、四角藻等;其次是硅藻,占總種類數的22.2%,主要有直鏈藻、小環藻和針桿藻等;再次是藍藻,占總種類數的13.2%,主要有微嚢藻、平裂藻、顫藻和長孢藻等;其余裸藻、隱藻、甲藻和金藻種類均較少,主要有裸藻、囊裸藻、扁裸藻和卵形隱藻等。

研究期間長蕩湖浮游植物生物量,全年浮游植物細胞數均達千萬個每升的水平,其中密度最低為2月份,約1 300萬個/L;密度最高為9月份,約9 500萬個/L。在浮游植物的豐度組成上,藍藻為長蕩湖的優勢種群,其中微嚢藻、平裂藻、長孢藻和顫藻是全年度絕對優勢種,整個藍藻門優勢度全年平均達67%,呈現出典型的淺水型富營養化湖泊的特征;其次是硅藻,其優勢度全年平均僅8%。從浮游植物豐度上看,長蕩湖全年均為藍藻型,不同季節僅表現出不同優勢藍藻之間的演替,11月—翌年4月為平裂藻優勢,5—10月為微嚢藻優勢。

2.4 浮游植物與環境因子相關性為研究長蕩湖浮游植物群落結構和環境因子的響應關系,考慮選取水溫(WT)、pH、溶解氧(DO)、總氮(TN)、總磷(TP)、化學需氧量(COD)、氨氮(NH3)、生化需氧量(BOD)水體環境因子,通過浮游植物與所選環境因子的典型相關分析(CCA)分析(圖3),結果表明,長蕩湖營養鹽濃度和藻類群落組成呈現較強的季節變化特征;其中水溫、高錳酸鹽指數(CODMn)、TP和葉綠素a與藍藻豐度表現較強的正相關關系。

圖3 2019年長蕩湖環境因子與浮游植物CCA分析Fig.3 Changdang Lake environmental factors and phytoplankton CCA analysis in 2019

3 結論與討論

目前,長蕩湖整體已處輕度偏中度富營養化水平,東北、西南湖區要好于中部湖區;歷史數據上證實湖體富營養化程度有加重趨勢;長蕩湖浮游植物群落結構上呈現明顯的季節演替特征,夏季浮游植物優勢類群以絲狀藍藻為主,其相對高的生物量造成用水安全隱患。水溫和總磷為影響長蕩湖藍藻生長的潛在環境因子。

湖泊總磷及藻類問題是湖泊富營養化效應的典型表現,要根本解決這一問題,必須長期治理、科學治理、系統治理。結合該研究相關成果,建議發揮水生態修復的規模效益,實施內部清淤、抑浪工程和外部面源、點源治理工程,控制和削減內外源污染負荷,減緩湖泊富營養化進程,逐漸恢復“草型”生境[13]。