影響東洞庭湖浮游植物群落分布的環(huán)境因子分析

尹宇瑩 ,蔣艷萍 ,朱丹丹

(1.湖南省長(zhǎng)沙生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,湖南 長(zhǎng)沙 410000;2.湖南省岳陽(yáng)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,湖南 岳陽(yáng) 414000)

0 引言

東洞庭湖位于洞庭湖區(qū)東部,面積1328 km2,三口、四水匯合東洞庭湖后,通過湖泊調(diào)蓄,由城陵磯注入長(zhǎng)江.東洞庭湖區(qū)毗鄰岳陽(yáng)市,城鎮(zhèn)集聚多,土地墾殖率高,工農(nóng)業(yè)較為發(fā)達(dá)[1].近年來,區(qū)域農(nóng)業(yè)面源污染嚴(yán)重,加上日益增多的生活污水、工業(yè)廢水排放,使湖區(qū)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(如氮、磷)的輸入量增加,東洞庭湖水環(huán)境呈日益惡化趨勢(shì)[2～4].目前東洞庭湖氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽含量已遠(yuǎn)超富營(yíng)養(yǎng)水平(總氮年均1.58 mg/L、總磷年均0.101 mg/L),為浮游植物的生長(zhǎng)提供了條件[3].因此,研究東洞庭湖浮游植物群落的特征與環(huán)境因子的關(guān)系能夠?yàn)闁|洞庭湖的水質(zhì)管理和可持續(xù)利用提供參考,同時(shí)為洞庭湖水質(zhì)評(píng)價(jià)及保護(hù)提供科學(xué)依據(jù).

浮游植物是水體初級(jí)生產(chǎn)者以及食物鏈的基礎(chǔ),在生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用[1].浮游植物的組成和數(shù)量結(jié)構(gòu)變化受物理、化學(xué)和生物等環(huán)境因子的影響[2].浮游植物種類的組成和分布對(duì)環(huán)境變化具有指示作用,而環(huán)境條件的改變也會(huì)影響浮游植物的個(gè)體、種群和群落[4～6].因此,研究湖泊浮游植物群落結(jié)構(gòu)及分布特征,對(duì)于湖泊的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)及環(huán)境質(zhì)量管理均具有重要意義.

1 材料與方法

1.1 采樣點(diǎn)設(shè)置

在東洞庭湖共設(shè)置7 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位,分別為鹿角(S1)、扁山(S2)、東洞庭湖(S3)、岳陽(yáng)樓(S4)、洞庭湖出口(S5)、大小西湖(S6)、主湖體5(S11).其中S1～S6 為原有的國(guó)控或省控?cái)嗝?S11 為新增點(diǎn)位.各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位均采集水樣和生物樣.東洞庭湖監(jiān)測(cè)點(diǎn)位及相關(guān)信息見圖1 和表1.

表1 東洞庭湖監(jiān)測(cè)點(diǎn)位信息

圖1 東洞庭湖監(jiān)測(cè)點(diǎn)位

1.2 樣品采集

1.2.1 水質(zhì)樣品采集

根據(jù)《地表水和污水監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 91—2002),每個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面設(shè)左、中、右3 條垂線,分別采表層(0.5 m)水樣.

浮游植物樣品的采集: 在水體表層 0.5 m 處取1 L 水樣放入廣口瓶,立即加入15 mL 魯哥氏液固定,靜置24 h 以上濃縮至30 mL.計(jì)數(shù)時(shí)取0.1 mL 放入浮游植物計(jì)數(shù)框內(nèi)進(jìn)行鏡檢,對(duì)浮游植物進(jìn)行細(xì)胞分類計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)[6,7].

水質(zhì)因子: 采樣現(xiàn)場(chǎng)利用黑白盤測(cè)定水的透明度和水深,用YSI 多參數(shù)水質(zhì)分析儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定水溫、流速、電導(dǎo)率、pH 值.

溶解氧: 滴定法(碘量法).

水質(zhì)總磷的測(cè)定: 鉬酸銨分光光度法(GB11893—89).

水質(zhì)總氮的測(cè)定: 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(HJ636—2012).

浮游植物樣品根據(jù)《淡水浮游生物圖譜》《中國(guó)淡水志》《淡水浮游生物研究方法》進(jìn)行分類鑒定[7].

1.2.2 藻類生物學(xué)指標(biāo)

以細(xì)胞密度、優(yōu)勢(shì)種(Y)對(duì)東洞庭湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析,計(jì)算公式[8～11]為

其中Pi(=ni/N)為第i個(gè)屬細(xì)胞密度 (ni)占總細(xì)胞密度(N)的比例;fi為第i個(gè)屬出現(xiàn)的頻率.Y≥0.02的屬即為優(yōu)勢(shì)屬.

1.3 主成分分析

主成分分析(PCA)方法是通過原有變量的線性組合以及各個(gè)主成分的求解來實(shí)現(xiàn)變量降維.它的主要目的不是簡(jiǎn)單去掉那些不太重要的指標(biāo),而是通過全面分析各項(xiàng)指標(biāo)所攜帶的信息,篩選出比原始指標(biāo)少、又能解釋大部分信息的綜合性指標(biāo).

2 結(jié)果分析

2.1 水質(zhì)理化性質(zhì)及營(yíng)養(yǎng)鹽含量

5—12 月東洞庭湖水質(zhì)的理化性質(zhì)變化情況見表2.8 月東洞庭湖的水流速度最低為0.27 m/s.溶解氧和pH 值變化不大.5—12 月東洞庭湖營(yíng)養(yǎng)鹽的變化情況見表2.5—8 月氨氮濃度逐漸增大,8 月達(dá)到最大值為0.305 mg/L,最低濃度出現(xiàn)在9 月為0.182 mg/L;總磷(TP)的最大值出現(xiàn)在5 月,濃度為0.112 mg/L,最小值出現(xiàn)在8 月為0.062 mg/L;總氮(TN)的最大值出現(xiàn)在6 月,濃度為1.69 mg/L,最小值出現(xiàn)在8 月為1.17 mg/L.東洞庭湖環(huán)境因子監(jiān)測(cè)值為采樣點(diǎn)平均值.

表2 東洞庭湖環(huán)境因子

2.2 浮游植物藻類豐度變化及功能群劃分

2.2.1 浮游植物種群組成

調(diào)查期間東洞庭湖浮游植物細(xì)胞密度分布情況見圖2.本次調(diào)查共發(fā)現(xiàn)8 門76 屬浮游植物,其中藍(lán)藻門(Cyanophyta)13 屬,占浮游植物總種類數(shù)的17.10%;綠藻門(Chlorophyta)31 屬,占40.79%;硅藻門(Bacillariophyta)19 屬,占25.00%;隱藻門(Cryptophyta) 2 屬,占2.63%;裸藻門(Euglenophyta)6 屬,占7.89%;甲藻門(Pyrrophyta)3 屬,占3.95%;金藻門(Chrysophyta) 1 屬,黃藻門(Xanthophyta)1 屬,各占1.32%.浮游植物5 月份有60 屬,6 月份有61 屬,8 月份有57 屬,9 月份有53 屬,10 月份有57 屬,11 月份有46 屬,12 月份有45 屬.

圖2 東洞庭湖浮游植物細(xì)胞密度分布

2.2.2 浮游植物的數(shù)量組成

2020 年5 月至12 月東洞庭湖浮游植物藻密度存在明顯變化,藻密度隨著時(shí)間先增加后降低,變化范圍為9.8×106cells/L～1.45×108cells/L,藻密度最大值出現(xiàn)在8 月,最小值出現(xiàn)在10 月.其中大小西湖(S6)斷面的藻密度是所有斷面中最大的.5 月綠藻門占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),6—10 月藍(lán)藻門占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),11—12 月硅藻門占絕對(duì)優(yōu)勢(shì).

2.2.3 浮游植物優(yōu)勢(shì)屬和多樣性

經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn),在東洞庭湖中藍(lán)藻門、綠藻門、硅藻門浮游植物分布廣泛,優(yōu)勢(shì)屬出現(xiàn)在藍(lán)藻門、綠藻門和硅藻門.這是由于藍(lán)藻門、綠藻門、硅藻門浮游植物對(duì)環(huán)境要求不高,因而在物種競(jìng)爭(zhēng)方面占有優(yōu)勢(shì),利于建群和生存,容易成為優(yōu)勢(shì)類群[8,9].

5 月的優(yōu)勢(shì)屬為綠藻門的柵藻和十字藻,6 月的優(yōu)勢(shì)屬為藍(lán)藻門的顫藻屬、偽魚腥藻屬、魚腥藻屬,8月的優(yōu)勢(shì)屬為藍(lán)藻門的偽魚腥藻屬,9 月的優(yōu)勢(shì)屬為藍(lán)藻門的偽魚腥藻屬和尖頭藻屬,10 月的優(yōu)勢(shì)屬為藍(lán)藻門的顫藻屬和偽魚腥藻屬,11 月的優(yōu)勢(shì)屬為硅藻門的菱形藻屬,12 月的優(yōu)勢(shì)屬為硅藻門的直鏈藻屬.東洞庭湖的優(yōu)勢(shì)種屬主要集中在藍(lán)藻門,個(gè)別斷面中優(yōu)勢(shì)種屬出現(xiàn)硅藻門和綠藻門.

2.3 浮游植物群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子的相關(guān)性分析

通過RV4.1.1 對(duì)浮游植物密度與環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行主成分分析,結(jié)果如圖3 所示.S1、S2、S3、S4 這四個(gè)點(diǎn)位的環(huán)境因子與藻密度性質(zhì)比較相近,S11 的環(huán)境因子與藻密度的性質(zhì)與其他幾個(gè)斷面有較大的差異.pH 值、Chl.a、CODMn對(duì)藻密度影響較小,TN、流速V、溫度T 對(duì)藻密度的影響比較大,其中流速與藻密度的關(guān)系最為緊密.

圖3 東洞庭湖藻密度與環(huán)境因子PCA 結(jié)果

3 結(jié)果與討論

3.1 東洞庭湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征及時(shí)空變化

浮游植物可以作為湖泊水環(huán)境演化和富營(yíng)養(yǎng)化發(fā)展的指示性生物,以隱藻門為優(yōu)勢(shì)種的湖泊,一般為貧—中營(yíng)養(yǎng);以硅藻門為優(yōu)勢(shì)種的湖泊,一般為中—富營(yíng)養(yǎng);而以藍(lán)藻門為優(yōu)勢(shì)種的湖泊,一般為重富營(yíng)養(yǎng)[11,12].本研究在東洞庭湖共發(fā)現(xiàn)浮游植物8 門76 屬,其中藍(lán)藻門13 屬,綠藻門31 屬,硅藻門19屬,隱藻門2 屬,裸藻門6 屬,甲藻門3 屬,金藻門1 屬,黃藻門1 屬.優(yōu)勢(shì)類群為藍(lán)藻門、綠藻門、硅藻門,分別占東洞庭湖種類的17.10%、40.79%、25.00%.這與王丑明等[2]的研究結(jié)果基本相同.浮游植物的多樣性是反映水環(huán)境質(zhì)量好壞的一個(gè)重要指標(biāo)[13～15].近年來隨著長(zhǎng)江禁止捕魚行動(dòng)的開展,洞庭湖的水生環(huán)境逐年好轉(zhuǎn),在洞庭湖發(fā)現(xiàn)的浮游植物的門類比之前有較大增加[16,17].

東洞庭湖各點(diǎn)位浮游植物的種類和豐度都存在明顯的時(shí)間和空間差異,硅藻門和綠藻門廣泛分布,緯度、經(jīng)度和海拔對(duì)浮游植物生物多樣性有很大影響,這說明淡水浮游植物的生物多樣性同樣是隨著地理?xiàng)l件變化而變化的,而這種變化程度主要取決于當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境因子[18].

在整個(gè)調(diào)查期間,S1、S2、S3、S4 這四個(gè)斷面的環(huán)境因子與藻密度的性質(zhì)比較接近,而S11 的環(huán)境因子與藻密度的性質(zhì)與其他幾個(gè)斷面有較大的差異.這可能是因?yàn)槎赐ズ∮沃参飪?yōu)勢(shì)種群從以隱藻和硅藻為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐怨柙搴途G藻為主,2008 年以后東洞庭湖大小西湖的浮游植物已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐运{(lán)藻為優(yōu)勢(shì)種群,近30 年來洞庭湖的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)從貧—中營(yíng)養(yǎng)轉(zhuǎn)為中—富營(yíng)養(yǎng),大小西湖已成為重度富營(yíng)養(yǎng)化[2,5],洞庭湖已經(jīng)到了由中營(yíng)養(yǎng)到輕度富營(yíng)養(yǎng)化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)[2],由于大小西湖的富營(yíng)養(yǎng)化,導(dǎo)致其在夏季溫度較高時(shí),出現(xiàn)藍(lán)藻暴發(fā),從而導(dǎo)致藻密度變大.

3.2 東洞庭湖浮游植物與水質(zhì)理化指標(biāo)的相關(guān)性分析

影響東洞庭湖浮游植物的環(huán)境因子較為復(fù)雜,但是總體來說流速V、TN 和溫度T 對(duì)藻密度的影響最大.多個(gè)研究表明,溫度是浮游植物的結(jié)構(gòu)和演替的重要影響因子[19,20],其中流速與藻密度的關(guān)系最為緊密,且二者成正比.有研究表明,20～25 ℃的溫度最適合藻類的生長(zhǎng)[19],而本研究調(diào)查期間東洞庭湖的水溫正處于一個(gè)適宜的溫度,此時(shí)適量的流速有利于微囊藻等藍(lán)藻門浮游植物的生長(zhǎng)與繁殖[20].調(diào)查發(fā)現(xiàn),浮游植物的密度與TN 呈現(xiàn)顯著正相關(guān).TN 是洞庭湖水體主要污染物之一,高濃度的TN 能夠刺激浮游植物的生長(zhǎng).因此為了防止東洞庭湖流域在夏季出現(xiàn)水華等現(xiàn)象,主要應(yīng)從溫度、流速和TN等因子出發(fā),改善水體條件,減少藍(lán)藻的繁殖和生長(zhǎng).