嚴平川，王 軍，肖貴清，畢永紅

(1：湖北省荊州市水文水資源勘測局，荊州 434000) (2：湖北省水文水資源局，武漢 430071) (3：中國科學院水生生物研究所，中國科學院藻類生物學重點實驗室，武漢 430072)

江漢平原湖群藻相特征及其環(huán)境狀況評價*

嚴平川1，王 軍1，肖貴清2，畢永紅3**

(1：湖北省荊州市水文水資源勘測局，荊州 434000) (2：湖北省水文水資源局，武漢 430071) (3：中國科學院水生生物研究所，中國科學院藻類生物學重點實驗室，武漢 430072)

于2011年4月-2012年5月豐、平、枯3個水期對江漢平原水面面積為10km2以上的22個湖泊進行了水質(zhì)和藻類同步監(jiān)測.結果顯示：江漢平原主要湖泊中鑒定出藻類7門100屬191種(亞種、變種)，其中藍藻門17屬29種，綠藻門45屬99種，硅藻門26屬40種，隱藻門2屬5種，裸藻門4屬9種，甲藻門3屬5種，金藻門3屬4種；全年平均藻細胞豐度為0.93×106～84.18×106cells/L，細胞豐度以藍藻門最高(50.65%)，其次是綠藻門(29.56%)，再次是硅藻門(12.30%)、隱藻門(6.19%)、裸藻門(0.56%)、甲藻門(0.39%)和金藻門(0.35%)；豐水期生物量顯著高于平水期和枯水期，Shannon-Wiener多樣性指數(shù)年均值在1.44～2.10之間，豐水期的多樣性指數(shù)略高于其他水期；藻類種類組成及優(yōu)勢種有明顯的季節(jié)變化和空間差異.依據(jù)藻相特征的PCA分析將22個湖泊分為4個類群，不同類群具有顯著不同的環(huán)境狀況，氮磷營養(yǎng)負荷、水質(zhì)狀況和開發(fā)利用程度的不同是導致湖泊分化的內(nèi)在原因；研究結果顯示，江漢平原湖群總體上屬于輕度污染狀況，水體主要是中營養(yǎng)狀態(tài)，豐水期與枯水期的湖泊生態(tài)環(huán)境狀況具有顯著差異；以藻相特征判斷22個湖泊存在明顯的時空異質(zhì)性，部分湖泊因過度開發(fā)利用存在嚴重的富營養(yǎng)化風險；基于湖泊生態(tài)狀況的顯著時空異質(zhì)性，對江漢平原湖群的管理應“因湖而異”制訂科學合理的方法.

藻相特征；富營養(yǎng)化；湖泊；江漢平原

湖(泊)群與人類文明起源、社會經(jīng)濟的發(fā)展關系密切.探討湖(泊)群地區(qū)發(fā)展的基本理論，通過湖(泊)群地區(qū)演化過程分析找出規(guī)律，提出湖(泊)群地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的對策具有重要的理論和現(xiàn)實意義，有助于豐富湖(泊)群地區(qū)研究的內(nèi)涵和可持續(xù)發(fā)展的理論范疇，指導湖(泊)群地區(qū)的合理開發(fā)，從更大范圍上促進區(qū)域的全面發(fā)展.江漢平原分布有大小湖泊約300多個，統(tǒng)稱為江漢湖群.這些湖泊有著提供水資源、調(diào)蓄洪水、水產(chǎn)養(yǎng)殖、旅游觀光、維系生態(tài)平衡和生物多樣性等重要功能.江漢湖群位于湖北省境內(nèi)，是整個長江中下游淡水湖泊的重要組成部分.在地質(zhì)歷史時期，江漢湖群經(jīng)歷了復雜的演化過程；在近代，江漢湖群演化又深深打上了人類的烙印.江漢湖群所在地江漢平原是我國重要的糧食生產(chǎn)基地和經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，在我國空間經(jīng)濟布局上有重要地位；同時該地區(qū)又是我國典型的生態(tài)環(huán)境脆弱地區(qū)，長期以來，對江漢湖群的研究沒有引起足夠的關注和重視，缺乏有價值的歷史資料.近年來，陸續(xù)有學者開始關注江漢湖群的歷史變遷[1-2]、面源污染負荷[3]、水資源管理[4]等；尤其是近年來由于江湖阻隔、圍墾造田、攔湖筑汊等不當開發(fā)行為，加之管理無序、開發(fā)過度、保護不力等多種因素疊加，導致湖泊數(shù)量銳減、面積萎縮、水體污染、富營養(yǎng)化等問題突出，引起了眾多專家學者對江漢平原湖泊生態(tài)現(xiàn)狀的關注[5-7]，但對于水體生態(tài)環(huán)境研究依然匱乏，江漢湖群水域生態(tài)環(huán)境調(diào)查研究的匱乏對于認識和了解江漢湖群的水生態(tài)環(huán)境狀況極為不利，因此有必要加強對江漢湖群的生態(tài)環(huán)境研究，以期為湖群管理、治理和保護提供理論依據(jù).本研究以江漢平原主要湖泊的水質(zhì)、藻類生態(tài)為調(diào)查內(nèi)容，從湖泊藻相特征入手，評價水體污染狀況及營養(yǎng)狀況，旨在為未來的湖泊開發(fā)利用、生態(tài)修復與管理決策提供參考依據(jù).

1 材料與方法

1.1 調(diào)查區(qū)域

本次調(diào)查監(jiān)測對象為江漢平原水面面積大于或近于10km2的22個湖泊，包括：荊州市的洪湖、淤泥湖、上津湖、天鵝湖、天星湖、崇湖、小南海、菱角湖、老江湖，荊門市的南湖，孝感市的汈汊湖、野豬湖、龍賽湖、東西汊湖，武漢市的后官湖、小奓湖、沉湖，以及跨省界湖泊牛浪湖和4個跨市界湖泊：長湖、借糧湖、五湖和西湖(圖1).

圖1 江漢平原采樣湖泊示意圖Fig.1 Sketch map of sampling lakes from the Jianghan Plain

1.2 采樣點布設與采樣時間

采樣點布設在每個湖泊的進出口水域、納污水域、清潔水域等代表湖泊生態(tài)現(xiàn)狀的水域，藻類調(diào)查與水質(zhì)監(jiān)測采樣點一致.當水深小于3m、水體混合均勻、透光可達水底層時，藻類采樣點布設在水面下0.5m；個別湖泊水深大于3m時，取水面和1/2水深處混合樣.

監(jiān)測時間為2011年4月-2012年5月，分豐(7-8月)、平(11-12月)、枯(1-3月)3個水期進行.采樣時間一般選擇在上午8：00-10：00，并盡量避開陰雨天氣.

1.3 監(jiān)測指標

藻類和常規(guī)水質(zhì)參數(shù)同步監(jiān)測.藻類樣品的采集、處理、分類鑒定參照《水生生物監(jiān)測手冊》[9]、《水環(huán)境監(jiān)測規(guī)范》(SL219-1998)和《中國淡水藻類——系統(tǒng)、分類及生態(tài)》[10]進行.

1.4 多樣性指數(shù)和營養(yǎng)狀況指數(shù)

藻類物種多樣性分析采用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)，并進行污染程度評價.

(1)

式中，S為藻類的種數(shù)，pi為第i種藻占所有藻數(shù)量的比例.Shannon-Wiener多樣性指數(shù)可以反映水體的水質(zhì)狀況，當物種多樣性指數(shù)大于3時，水體為輕污染或無污染；指數(shù)為1～3時為中度污染；指數(shù)為0～1時為重度污染[11].

營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)主要用來研究水庫(湖泊)的營養(yǎng)狀態(tài)[12].本文使用上述測定的水質(zhì)參數(shù)，參照《地表水資源質(zhì)量評價技術規(guī)程》(SL395-2007)中關于湖泊富營養(yǎng)化評價標準對湖泊富營養(yǎng)化程度進行計算并評價.

1.5 數(shù)據(jù)分析

用Excel 2007對測定的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，ANOVA分析用于檢驗不同水體間的藻相特征差異與水環(huán)境差別.藻相特征“物種數(shù)、生物量、細胞豐度和生物多樣性指數(shù)”的PCA分析使用Canoco for Windows 4.5軟件進行.

2 結果

2.1 湖群藻相特征

2.1.1 藻類組成、優(yōu)勢種及其季節(jié)差異 對江漢平原22個主要湖泊進行藻類調(diào)查，共鑒定出浮游藻類7門100屬191種(亞種、變種)，其中藍藻門17屬29種，綠藻門45屬99種，硅藻門26屬40種，隱藻門2屬5種，裸藻門4屬9種，甲藻門3屬5種，金藻門3屬4種.藻類相對細胞豐度以藍藻門最高(50.65%)，其次是綠藻門(29.56%)，然后依次是硅藻門(12.30%)、隱藻門(6.19%)、裸藻門(0.56%)、甲藻門(0.39%)和金藻門(0.35%)；各個湖泊藻類細胞豐度分布差異較大.除了崇湖、汈汊湖、老江湖、天鵝湖、小奓湖外，藍藻門是大部分湖泊中的主要藻類類群；而在這些以藍藻門為主要類群的湖泊中，其他6門藻類的細胞豐度也存在明顯差異(圖2).

22個湖泊中的常見優(yōu)勢種為藍藻門的水華魚腥藻(Anabaenaflos-aquae)、銀灰平裂藻(Merismopediaglauca)、銅綠微囊藻(Microcystisaeruginosa)、湖生顫藻(Oscillatorialimnitica)、中華尖頭藻(Raphidiopsissinensia)、湖生色球藻(Chroococcuslimneticum)、小席藻(Phormidiumtenue)和項圈藻(Anabaenopsissp.)，綠藻門的十字藻(Crucigeniaapiculata)、鐮形纖維藻(Ankistrodesmusfalcatus)、弓形藻(Schroederiarobusta)、蹄形藻(Kirchneriellasp.)、二形柵藻(Scenedesmusdimorphus)、四尾柵藻(Scenedesmusquadricauda)、單角盤星藻(Pediastrumsimplex)、空球藻(Eudorinaelegans)、隱球藻(Aphanocapsasp.)和新月藻(Closteriumsp.)，硅藻門的湖北小環(huán)藻(Cyclotellahubeiana)、尖針桿藻(Synedraacus)、簡單舟形藻(Naviculasimplex)和變異直鏈藻(Melosiravarians)以及隱藻門的卵形隱藻(Cryptomonasovata).

圖2 江漢平原22個湖泊的藻類細胞相對豐度Fig.2 Algal relative abundance in the 22 lakes from the Jianghan Plain

這些優(yōu)勢種的出現(xiàn)具有明顯的季節(jié)特性，一般而言，豐水期出現(xiàn)的主要為硅藻、綠藻和藍藻，平水期則硅藻和綠藻常見，枯水期主要是硅藻、甲藻；不同湖泊的優(yōu)勢種可能因水體環(huán)境差異而不同，即便在夏季豐水期以藍藻為優(yōu)勢種時，不同水體也存在顯著不同的藍藻優(yōu)勢類群；常見優(yōu)勢種有微囊藻、平裂藻、魚腥藻、顫藻、色球藻、項圈藻等，有時還形成以微囊藻、魚腥藻、顫藻或束絲藻中的一種或兩種為優(yōu)勢種的藍藻“水華”.春、秋兩季所檢湖泊中綠藻門種屬較多，常見優(yōu)勢種有纖維藻、柵藻、蹄形藻、弓形藻、小球藻、盤星藻等.硅藻一年四季均有出現(xiàn)，以平水期檢出種類較多，但是沒有形成枯水期硅藻優(yōu)勢種群.常年可見的硅藻門種屬有小環(huán)藻、針桿藻、直鏈藻以及舟形藻等.隱、裸、甲、金藻門的種屬也有檢出，但種類不多，部分藻種是季節(jié)性出現(xiàn)的，甚至形成區(qū)域性水華，如牛浪湖湖心區(qū)2011年枯水期曾出現(xiàn)甲藻水華.屬于清潔水域指示物種的黃藻門藻種全湖未檢出，部分湖泊在不同水期出現(xiàn)以綠色裸藻(Euglenaviridis)和甲藻(Peridiniopsissp.)為優(yōu)勢種的獨特現(xiàn)象；隱藻成為菱角湖、沉湖、小南海的常年優(yōu)勢種或常見種.

2.1.2 藻類細胞豐度與生物量 22個湖泊中平均藻類細胞豐度最高的為淤泥湖(84.18×106cells/L)，最低的為老江湖(0.93×106cells/L)，其它湖泊平均藻類細胞豐度由高到低排序依次為南湖、菱角湖、小奓湖、沉湖、后官湖、長湖、小南海、牛浪湖、上津湖、借糧湖、西湖、野豬湖、天星湖、五湖、崇湖、洪湖、龍賽湖、東西汊湖、天鵝湖、汈汊湖(圖3).細胞豐度上可以將22個湖泊分為兩個類群，五湖、崇湖、洪湖、龍賽湖、東西汊湖、天鵝湖和汈汊湖的細胞豐度顯著低于其他湖泊(ANOVA，P<0.05).

圖3 江漢平原22個湖泊平均藻類細胞豐度分布Fig.3 The mean algal cell abundance in the 22 lakes from the Jianghan Plain

藻類細胞豐度存在顯著的季節(jié)特性，豐水期細胞豐度最高，枯水期的細胞豐度最低(圖4a)，不同水期的藻類細胞豐度差異顯著(ANOVA，P<0.05).

使用水體Chl.a含量代表水體藻類生物量，不同湖泊藻類生物量存在顯著差異(ANOVA，P<0.05)，生物量較高的湖泊主要是淤泥湖、小奓湖、小南海、借糧湖、后官湖、菱角湖、牛浪湖、上津湖、南湖等水體，以淤泥湖、牛浪湖、南湖最高(圖4b).

2.2 多樣性指數(shù)

多樣性指數(shù)的計算結果顯示，Shannon-Wiener指數(shù)年均值在1.44～2.10之間(圖4c)，以豐水期最高；依據(jù)多樣性指數(shù)評價發(fā)現(xiàn)46.1%的監(jiān)測水面(1673km2)為輕度污染，52.4%的監(jiān)測水面(1903km2)為中度污染，淤泥湖、牛浪湖和后官湖3個湖泊部分水域為重度污染.

2.3 湖泊水質(zhì)及營養(yǎng)狀況評價

依據(jù)監(jiān)測指標計算全部監(jiān)測樣點的營養(yǎng)狀況綜合指數(shù)，192個監(jiān)測點位中有97個為中營養(yǎng)，占50.5%；91個點位為輕度富營養(yǎng)，占47.4%；有4個點位為中度富營養(yǎng)，占2.1%.按照不同湖泊計算TLI指數(shù)，江漢湖群的主要水體類型為中營養(yǎng)，富營養(yǎng)水體所占比例較?。粡募竟?jié)上來看，豐水期的營養(yǎng)負荷最高，其次為枯水期，最低的是平水期；沉湖、牛浪湖、上津湖、南湖和五湖的營養(yǎng)負荷全年較高，均為輕度富營養(yǎng)狀態(tài)(圖7).

3 分析與討論

對江漢湖群22個湖泊進行PCA分析，結果顯示22個湖泊大體上可以歸為4類(圖8)，野豬湖(圖中序號為20)獨自游離在其他21個湖泊之外，并沒有被歸于任何一個類群，從藻相特征上來看，該湖藻類物種數(shù)、生物量、細胞豐度和多樣性指數(shù)均不高，與其他湖泊的藻相特征明顯不同，可能與該水體年度水交換量較大有關.其他21個湖泊被分為4個類群，每個類群均有各自明顯的藻相特征：類群Ⅰ生物多樣性指數(shù)和生物量為4個類群所屬的21個湖泊中最低的，藻類細胞豐度方面藍、綠、硅藻所占比例相近，僅在豐水期藍藻略偏高，無明顯優(yōu)勢種群；除了豐水期，其他季節(jié)的細胞豐度顯著偏低；類群Ⅱ的物種多樣性高于類群Ⅰ，但生物量、細胞豐度均低于類群Ⅰ，物種數(shù)方面，藍藻并未占據(jù)絕對優(yōu)勢，而是與綠藻硅藻共同組成群落的主要物種；類群Ⅲ生物多樣性指數(shù)最高，生物量僅僅低于類群Ⅳ而高于類群Ⅰ和Ⅱ，物種數(shù)方面藍藻、綠藻、硅藻為主要物種，但以硅藻和綠藻為主體；類群Ⅳ為本研究中最大的群體，有8個湖泊聚集到該類群中，其特征主要是生物量和細胞豐度在全部湖泊中最高，多樣性指數(shù)居第二位，物種數(shù)方面藍藻、綠藻、硅藻為主要物種，硅藻和藍藻交替成為主要優(yōu)勢種.

圖4 江漢平原22個湖泊不同水期的藻類細胞豐度(a)、 生物量(b)和Shannon-Wiener指數(shù)(c)Fig.4 The algal cell abundance(a), biomass(b) and Shannon-Wiener indexes(c) in different water seasons in the 22 lakes from the Jianghan Plain

圖5 江漢平原22個湖泊各類水質(zhì)所占比例Fig.5 Percentage of different water qualities of the 22 lakes from the Jianghan Plain

圖6 22個湖泊不同水期的水質(zhì)類別匯總情況Fig.6 Water quality in different water seasons in the 22 lakes from the Jianghan Plain

圖7 江漢平原22個湖泊營養(yǎng)狀況評價(虛線為富營養(yǎng)的閾值)Fig.7 Nutrient status of the 22 lakes from the Jianghan Plain(The dotted line stands for the threshold of eutrophication)

圖8 基于藻相特征的江漢湖群PCA分析結果(湖泊編號1～22分別代表沉湖、崇湖、汈汊湖、洪湖、后官湖、東西汊湖、借糧湖、老江湖、菱角湖、龍賽湖、南湖、牛浪湖、上津湖、天鵝湖、天星湖、五湖、西湖、小南海湖、小奓湖、野 豬湖、淤泥湖、長湖)Fig.8 The PCA analysis results based on the algal characteristics in the lakes from the Jianghan Plain

依據(jù)藻相特征的差異將江漢平原22個湖泊明顯歸并到不同的類群中，這些類群具有顯著的特點.藻類作為對環(huán)境狀況敏感的生物，它的基本特征一定程度上是水體環(huán)境質(zhì)量的外在表現(xiàn).這些湖泊的水質(zhì)監(jiān)測結果與PCA分析結果基本一致.類群Ⅰ與野豬湖一起，這5個湖泊成為4個類群中水體環(huán)境狀況良好的湖泊，受人工養(yǎng)殖影響較小，污染狀況較輕，水質(zhì)主要為Ⅲ～Ⅳ類，TN、TP含量相對其他水體偏低，營養(yǎng)狀況以中營養(yǎng)為主，輕度富營養(yǎng)水體所占比例極??；類群Ⅳ的8個湖泊為全部調(diào)查湖泊中污染最嚴重的水域，水質(zhì)類別主要為V類和劣V類，TN含量最高達到3.05mg/L、TP含量最高達到0.50mg/L，輕度富營養(yǎng)是該類群的主要營養(yǎng)狀況.類群Ⅱ和Ⅲ介于它們之間.調(diào)查發(fā)現(xiàn)，江漢湖群上游湖泊均不同程度被人類開發(fā)利用，人類活動對湖泊的干擾、河網(wǎng)水系變化、垸田開發(fā)與圍湖墾殖、水利工程、長江中上游生態(tài)環(huán)境建設等都直接作用于江漢湖群[2]，造成其出現(xiàn)明顯分化，不同干擾形式和干擾強度是湖群分化的主要驅動力，類群Ⅳ所屬的8個湖泊是主要水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)，養(yǎng)殖生產(chǎn)活動對水體的負面影響由此可見一斑；對這些湖泊的過度開發(fā)利用使得藻類群落加速演變?yōu)樗{藻占絕對優(yōu)勢的群落類型，改變了水體的初級生產(chǎn)結構和水質(zhì)狀況，破壞了水體的正常生態(tài)服務功能[13]，降低了湖泊所具有的經(jīng)濟價值[14].

調(diào)查結果顯示，江漢湖群總體生態(tài)環(huán)境狀況不容樂觀，需要引起足夠重視，加強對江漢湖群的管理、治理力度勢在必行.由于不同湖泊具有不同特征，需要“因湖因地制宜”采用不同的管理措施和治理對策，切忌“一刀切”的簡單粗放管理治理模式；類群Ⅰ所屬的幾個湖泊中，水生植物和蔬菜(芡實、蓮藕、茭白)較多，水生植物的大量存在對于水體環(huán)境狀況有良好的凈化保護作用，為魚類等水生生物具有提供食物來源和營造棲息地[15]；對這類水體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量尚好的水體需要加強保護管理，在保護的基礎上，以不損害水域生態(tài)環(huán)境為前提適度開發(fā)利用生物資源，確保湖泊的可持續(xù)發(fā)展和利用；對于類群Ⅳ的湖泊，因過度利用導致水質(zhì)惡化，生態(tài)問題嚴重，需要嚴格控制開發(fā)利用力度，削減養(yǎng)殖規(guī)模，控制污染負荷[16]；同時，對于特定水體需要給予必要的治理，協(xié)助恢復水域的生態(tài)自凈功能，確保水體環(huán)境的好轉.

致謝：衷心感謝湖北省水環(huán)境監(jiān)測中心所屬分中心姚家芬、伊郎、章玉琴、蔡云等同志協(xié)助進行藻類分類鑒定工作.

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Characteristics of phytoplankton community and its relationship with water environment in lakes from the Jianghan Plain

YAN Pingchuan1， WANG Jun1， XIAO Guiqing2& BI Yonghong3

(1：JingzhouSurveyBureauofHydrologyResources，Jingzhou434000，P.R.China)(2：HubeiSurveyBureauofHydrologyResources，Wuhan430071，P.R.China)(3：KeyLaboratoryofAlgalBiology，InstituteofHydrobiology，ChineseAcademyofSciences，Wuhan430072，P.R.China)

Phytoplankton is an important composition of aquatic ecosystem， its community structure and function is always adaptable to water environment and vary with the changes of water environment.The characteristics of phytoplankton community structure could be used as an important index in the assessment of water quality.In order to understand the change of water environment in the 22 lakes from the Jianghan Plain， phytoplankton communities and water quality were investigated from April， 2011 to May， 2012. 191 taxa belonging to 7 divisions and 100 genera were identified.Among them， 29 belonged to Cyanophyta， 99 belonged to Chlorophyta， and 40 belonged to Bacillariophyta.The annual mean cell abundance was 0.93×106-84.18×106cells/L， the relative abundance of different divisions indicated that Cyanophyta is the highest(occupied 50.65%)， followed by Chlorophyta(29.56%)， Bacillariophyta(12.30%)， Cryptophyta(6.19%)， Euglenophyta(0.56%)， Pyrrophyta(0.39%) and Chrysophyta(0.35%).The annual mean of Shannon-Wiener index was 1.44-2.10， with highest value in the flood season.Algal species and the dominant species showed the significant difference in the spatio-temporal distribution.The 22 lakes were divided into 4 groups according to PCA analysis.Characteristics of phytoplankton community and the different conditions， such as the nutrient loading， water quality and the exploitation extent were the reasons for the further polarize in the 22 lakes.It was concluded that the significant spatio-temporal heterogeneous was found in the lakes from the Jianghan Plain， and some lakes faced serious eutrophication due to the over-exploitation.Some lake-specific measurements should be taken for the lake management.

Phytoplankton characteristics； eutrophication； lake； Jianghan Plain

*第一次全國水利普查項目資助.2013-10-09收稿；2014-06-24收修改稿.嚴平川(1976～)，男，高級工程師；E-mail：754807936@qq.com.

**通信作者；E-mail：biyh@ihb.ac.cn.