裴國(guó)鳳， 胡　江， 王　青， 何　月

(中南民族大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院， 武漢 430074)

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東湖圍隔與主體湖區(qū)浮游植物群落結(jié)構(gòu)的比較研究

裴國(guó)鳳， 胡江， 王青， 何月

(中南民族大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院， 武漢 430074)

為研究東湖圍隔和主體湖區(qū)浮游植物群落結(jié)構(gòu)和理化因子的變化，并評(píng)價(jià)圍隔對(duì)水質(zhì)的改善作用，于2012年3月～2013年2月對(duì)湖區(qū)各樣點(diǎn)進(jìn)行了浮游植物的采集及理化因子的測(cè)定.結(jié)果表明：以浮游植物密度和葉綠素a(Chl-a)含量為參數(shù)評(píng)價(jià)，圍隔水質(zhì)明顯優(yōu)于主體湖區(qū)，圍隔藻類(lèi)種數(shù)總和及物種多樣性指數(shù)均高于主體湖區(qū)；圍隔絕大部分水體營(yíng)養(yǎng)因子數(shù)值均明顯低于主體湖區(qū)(除DO，pH).浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征季節(jié)變化明顯，表現(xiàn)在夏季浮游植物密度和Chl-a 含量均最高，冬季最低； 多樣性指數(shù)依秋、夏、春、冬遞減.

圍隔；浮游植物；理化因子；群落結(jié)構(gòu)；東湖

浮游植物是水生態(tài)系統(tǒng)的主要初級(jí)生產(chǎn)者，是水生態(tài)系統(tǒng)中能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)的基礎(chǔ)，其種類(lèi)組成、密度和生物量的變化是浮游植物群落動(dòng)態(tài)的重要特征[1].它對(duì)維持水生態(tài)系統(tǒng)健康具有重要意義[2,3]，浮游植物對(duì)環(huán)境變化具有指示作用，其與水生態(tài)環(huán)境因子之間具有著十分密切的關(guān)系，在不同營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的水體中，浮游植物的群落結(jié)構(gòu)存在較大差異，故浮游植物能綜合、真實(shí)地反映水體的生態(tài)條件和營(yíng)養(yǎng)狀況[4-6].

東湖位于武漢，是長(zhǎng)江中下游的淺水湖泊，20世紀(jì)80年代以來(lái)，大量未經(jīng)處理的污水流入東湖，導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化程度加重，東湖從草型湖泊演變成藻型湖泊[7].在東湖積累了長(zhǎng)期水生生物的資料，其中已有大量改善東湖水質(zhì)的研究，近年來(lái)出現(xiàn)了較多利用圍隔實(shí)驗(yàn)來(lái)研究治理湖泊水質(zhì)的方法[8,9]，但對(duì)東湖進(jìn)行圍隔實(shí)驗(yàn)多見(jiàn)于圍隔中水生植被的恢復(fù)重建及其對(duì)水質(zhì)的影響[10-12].本文對(duì)東湖圍隔與主體湖區(qū)進(jìn)行浮游植物采樣及理化因子測(cè)定，旨在通過(guò)浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征和理化因子的變化探討圍隔對(duì)水質(zhì)的凈化作用，為治理湖泊水體污染提供科學(xué)參考.

1　材料和方法

1.1采樣點(diǎn)的設(shè)置

本研究區(qū)域選擇在武漢東湖-郭鄭湖(主體湖區(qū))附近沿岸帶的圍隔，圍隔中的水體與東湖水隔開(kāi)，分別設(shè)置A、B圍隔各一個(gè)，面積分別約為1000 m2、1800 m2，對(duì)照是圍隔附近的主體湖區(qū).采樣時(shí)間為2012年3月～2013年2月，按照次/月的采樣頻率采集水樣.

1.2樣品采集和處理

在A、B圍隔和主體湖區(qū)分別設(shè)置一個(gè)采樣點(diǎn)，在50 cm處淺表水層采2 L水樣，混勻取其中1 L用魯哥氏碘液固定.實(shí)驗(yàn)室靜置沉淀24 h，濃縮至30 mL，混勻取0.1 mL置于顯微計(jì)數(shù)框下，采用視野計(jì)數(shù)法在40倍物鏡下計(jì)數(shù)及鑒定，每片連續(xù)觀察鑒定至少500個(gè)藻類(lèi)細(xì)胞數(shù).另取1 L水樣用于 Chl-a含量、COD及各類(lèi)氮磷含量的測(cè)定，種類(lèi)鑒定參考中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所編著的《中國(guó)淡水藻類(lèi)》[13].

1.3環(huán)境因子的測(cè)定方法

采樣期間，利用便攜式測(cè)量?jī)x對(duì)兩個(gè)圍隔和對(duì)照主體湖區(qū)各樣點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定電導(dǎo)率(EC)、pH值、溶解氧(DO)，水溫(WT).參照標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定水質(zhì)的化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)[14]，包括化學(xué)需氧量(COD)、總氮(TN)、總?cè)芙庑缘?TDN)、總磷(TP)、總?cè)芙庑粤?TDP)、可溶活性態(tài)磷(SRP).

1.4數(shù)據(jù)處理與分析

根據(jù)浮游植物優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(D)、Shannon-Wiene多樣性指數(shù)(H)及Pielous均勻度指數(shù)(J)對(duì)浮游植物的群落結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，其計(jì)算公式如下：

Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)：D=1-Σ(ni/N)2；

Shannon-Weaver多樣性指數(shù)：H=-Σ[(ni/N)ln(ni/N)] ；

Pielous均勻度指數(shù)：J=H/lnS.

式中ni為第i種的個(gè)體數(shù)，N為總個(gè)體數(shù)，S為每個(gè)樣點(diǎn)中浮游植物物種總和，數(shù)據(jù)分析均由SPSS 19.0完成.

2　結(jié)果與討論

2.1圍隔和主體湖區(qū)理化因子的比較

圍隔和主體湖區(qū)理化因子年均值見(jiàn)表1.圍隔水體中EC、WT、COD、TN、TDN、TP、TDP及SRP的年均值明顯低于主體湖區(qū)，而DO及pH年均值略高于主體湖區(qū).3個(gè)樣點(diǎn)中各種理化因子差異顯著性分析結(jié)果表明：圍隔A和B兩個(gè)樣點(diǎn)之間無(wú)顯著差異.圍隔A、B與主體湖區(qū)水體中TN存在顯著差異(p=0<0.01).圍隔A、B和主體湖區(qū)中TDN也存在顯著差異(p=0.023<0.05,p=0.002<0.01)，可見(jiàn)圍隔對(duì)水體中氮含量有顯著去除效果.圍隔A、B和主體湖區(qū)中TP存在極顯著差異(p=0<0.01)，但樣點(diǎn)間的TDP和SRP無(wú)顯著差異.圍隔A、B和主體湖區(qū)之間COD存在顯著差異(p=0.02<0.05,p=0.03<0.05)，可見(jiàn)圍隔能顯著地減小水體中有機(jī)物濃度.圍隔水體中離子濃度低于主體湖區(qū)，這與圍隔對(duì)水體中N、P的凈化作用相關(guān).

表1　東湖圍隔和主體湖區(qū)環(huán)境因子年均值及變化范圍

2.2浮游植物的群落結(jié)構(gòu)特征

2.2.1浮游植物的種類(lèi)組成

在3個(gè)樣點(diǎn)全年12次采樣中，鑒定的浮游植物包括硅藻門(mén)(Bacillariophyta)、藍(lán)藻門(mén)(Cyanophyta)、隱藻門(mén)(Cryptophyta)、綠藻門(mén)(Chlorophyta)、甲藻門(mén)(Pyrrophyta)、黃藻門(mén)(Xanthophyta)和裸藻門(mén)(Euglenophyta)7個(gè)門(mén)類(lèi)，共計(jì)161種(含變種).綠藻、硅藻和藍(lán)藻藻類(lèi)種數(shù)較其他門(mén)藻類(lèi)更多，其中綠藻種數(shù)最多，共58種，占浮游植物總種數(shù)的36.02 %；硅藻次之，共51種，占31.68 %；藍(lán)藻有29種，占18.01 %.其他藻類(lèi)種數(shù)所占比例僅為14.29 %(見(jiàn)表2).

浮游植物種類(lèi)組成的季節(jié)變化見(jiàn)表2.由表2可知：其中綠藻、硅藻、藍(lán)藻種類(lèi)組成的季節(jié)變化較大，表現(xiàn)為硅藻在夏季種數(shù)最低(24種)，冬季最高(37種)；藍(lán)藻在冬季種數(shù)最低(10種)，夏季種數(shù)最高(25種)；綠藻在春季(32種)、秋季(31種)種數(shù)較高，冬季種數(shù)最低(21種).這種顯著的季節(jié)性變化，可能為氣溫高的季節(jié)利于藍(lán)藻和綠藻的生長(zhǎng)，氣溫較低的季節(jié)利于硅藻的生長(zhǎng)[15].主體湖區(qū)的藻類(lèi)種數(shù)總和(79種)明顯少于圍隔B(103種)和圍隔A(110種)，主體湖區(qū)絕大部分藻類(lèi)的種數(shù)均少于圍隔(裸藻除外)，而兩個(gè)圍隔之間藻類(lèi)種數(shù)相近.研究發(fā)現(xiàn)：圍隔中物種較主體湖區(qū)豐富，圍隔能減弱風(fēng)浪擾動(dòng)的影響是其物種更豐富的原因之一[16].

表2　東湖圍隔和主體湖區(qū)浮游植物種數(shù)的季節(jié)變化

2.2.2浮游植物的密度變化

圍隔和主體湖區(qū)中浮游植物相對(duì)豐度的季節(jié)變化見(jiàn)圖1.由圖1可知：3個(gè)樣點(diǎn)均以夏季的浮游植物密度最高，春秋季次之，冬季的浮游植物密度最低(圍隔B除外).夏季3個(gè)樣點(diǎn)藍(lán)藻門(mén)占優(yōu)勢(shì)，相對(duì)豐度為58.12% ～ 85.25%，密度超過(guò)硅藻和綠藻.其最適生長(zhǎng)溫度為25～35 ℃，高于其他藻類(lèi)[17].2012年6～8月之間，東湖3個(gè)樣點(diǎn)的水溫在26～30℃，適合藍(lán)藻生長(zhǎng)，藍(lán)藻容易大量繁殖.秋季采樣溫度10～26℃，藍(lán)藻密度仍占優(yōu)勢(shì)，但其密度均小于夏季，占藻類(lèi)總數(shù)的55.45%～76.48%.冬季采樣溫度在4～12 ℃，以硅藻密度占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，相對(duì)豐富度為45.84%～77.22%，其次為隱藻.春季采樣溫度6～25 ℃，隱藻的密度較大，相對(duì)豐度為19.05%～47.65%.

a) 主體湖區(qū); b) 圍隔A; c) 圍隔B圖1　東湖圍隔和主體湖區(qū)中浮游植物相對(duì)豐度的季節(jié)變化Fig.1　Seasonal variation of the percentage of phytoplankton density in the enclosure and main body in East Lake

圍隔和主體湖區(qū)中浮游植物密度的周年變化見(jiàn)圖2.由圖2可知:主體湖區(qū)全年浮游植物密度均明顯高于圍隔，圍隔A、B浮游植物密度相近(除夏季圍隔B密度略高于圍隔A)，主體湖區(qū)浮游植物細(xì)胞密度全年變化范圍在(7.2～52.5)×106個(gè)/L，圍隔為(0.7～7.2)×106個(gè)/L.

圖2　東湖圍隔和主體湖區(qū)中浮游植物密度的周年變化Fig.2　Annual variation of phytoplankton density in the enclosure and main body in East Lake

2.2.3浮游植物Chl-a含量

圍隔和主體湖區(qū)中浮游植物Chl-a含量的周年變化見(jiàn)圖3.由圖3可知:3個(gè)樣點(diǎn)夏季的Chl-a含量最高，其次為秋季，冬季最低.3個(gè)樣點(diǎn)Chl-a的季節(jié)變化和密度季節(jié)變化趨勢(shì)較相近.就主體湖區(qū)而言，冬季藻密度最低，但Chl-a的含量高于春季，這可能與不同季節(jié)中藻的種類(lèi)有關(guān).

主體湖區(qū)全年Chl-a含量均明顯高于圍隔，圍隔A、B中Chl-a含量相近，主體湖區(qū)浮游植物Chl-a含量全年的變化范圍在73.49 ～ 95.74 μg/L，圍隔為3.11～ 16 μg/L.參照利用浮游植物密度及Chl-a含量來(lái)劃分營(yíng)養(yǎng)類(lèi)型的標(biāo)準(zhǔn)[18]，東湖主體湖區(qū)水質(zhì)在中富營(yíng)養(yǎng)(冬季)到富營(yíng)養(yǎng)(夏季)之間，圍隔水質(zhì)在貧中營(yíng)養(yǎng)(春季)到中營(yíng)養(yǎng)(夏季)之間.

圖3　東湖圍隔和主體湖區(qū)中浮游植物Chl-a含量的周年變化Fig.3　Annual variation of Chl-a in the enclosure and main body in East Lake

2.3群落特征指數(shù)的變化及相關(guān)性分析

群落結(jié)構(gòu)的季節(jié)變化能導(dǎo)致多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)等產(chǎn)生相應(yīng)變化，結(jié)果見(jiàn)圖4.

圖4　多樣性指數(shù)的季節(jié)變化Fig.4　Seasonal variation of biodiversity indices

由圖4可知：Shannon-Wiene多樣性指數(shù)H、優(yōu)勢(shì)度指數(shù)D、Pielous均勻度指數(shù)J這3個(gè)指數(shù)季節(jié)均值變化趨勢(shì)一致.H、D、J秋季均達(dá)到最大，分別為2.39、0.83、0.51；在冬季值最小，分別為2.05、0.77、0.45.相關(guān)性分析研究表明：3個(gè)樣點(diǎn)H與J之間極顯著正相關(guān)(r=1,p=0<0.01,n=12)，H與D之間無(wú)顯著相關(guān)性(r=0.941,p=0.059>0.05,n=12).由此推測(cè)，東湖物種多樣性指數(shù)的變動(dòng)更多由于群落均勻度的變動(dòng)所致.

浮游植物多樣性指數(shù)常被用作湖泊水庫(kù)營(yíng)養(yǎng)狀況的評(píng)價(jià)指標(biāo)[18].Shannon-Wiene多樣性指數(shù)H的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為：指數(shù)值越大水質(zhì)越好，即藻類(lèi)種類(lèi)多樣性指數(shù)越高，其群落結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，群落所包含的信息量也越大，穩(wěn)定性越大，水質(zhì)越好；多樣性指數(shù)越小則群落結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性差，水質(zhì)下降.差異顯著性分析表明(表3)：主湖體區(qū)分別與圍隔A(p=0.003<0.01)、圍隔B(p=0.024<0.05)的多樣性指數(shù)H存在顯著差異，兩個(gè)圍隔之間無(wú)顯著差異(p=0.432>0.05).主湖體區(qū)H年均值為1.81，圍隔A、B分別為2.29、2.45，可見(jiàn)主湖體區(qū)的H值明顯小于圍隔區(qū)，圍隔物種多樣性顯著高于東湖主湖體區(qū).對(duì)Pielous均勻度指數(shù)J進(jìn)行分析，主湖體區(qū)與圍隔A存在顯著差異(p=0.024<0.05)，與圍隔B也存在顯著差異(p=0.036<0.05)，兩個(gè)圍隔之間無(wú)顯著性差異(p=0.555>0.05).3個(gè)樣點(diǎn)均勻度指數(shù)均大于0.4，圍隔A均勻度指數(shù)最大，圍隔B次之，主湖體區(qū)最小，說(shuō)明圍隔浮游植物分布比東湖主湖體區(qū)更均勻.對(duì)優(yōu)勢(shì)度指數(shù)D進(jìn)行分析，主湖體區(qū)分別與圍隔A(p=0.003<0.01)、圍隔B(p=0.020<0.05)存在顯著差異，兩圍隔之間無(wú)顯著差異(p=0.473>0.05).由此可見(jiàn)，圍隔實(shí)驗(yàn)對(duì)東湖浮游植物多樣性有較大的影響，圍隔顯著提高了生物多樣性，圍隔內(nèi)H、D和J值明顯大于主體湖區(qū).

表3　主體湖區(qū)與圍隔多樣性指數(shù)單因素方差分析(LSD)

a) 主體湖區(qū); b) 圍隔A; c) 圍隔B ; *p<0.05

3　結(jié)語(yǔ)

本圍隔實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：圍隔對(duì)東湖水體具有明顯的改善作用，圍隔藻類(lèi)種數(shù)總和及各種藻類(lèi)種數(shù)均高于主體湖區(qū).主體湖區(qū)浮游植物細(xì)胞密度全年變化范圍在(7.2 ～ 52.5)×106個(gè)/L，圍隔為(0.7～7.21)×106個(gè)/L，主體湖區(qū)浮游植物Chl-a含量全年的變化范圍在73.49 ～ 95.74 μg/L，圍隔為3.11～16 μg/L.以浮游植物密度及Chl-a為參數(shù)評(píng)價(jià)水質(zhì)，發(fā)現(xiàn)主體湖區(qū)為中營(yíng)養(yǎng)(冬季)至富營(yíng)養(yǎng)(夏季)，圍隔全年水質(zhì)為貧中營(yíng)養(yǎng)(春季)至中營(yíng)養(yǎng)(夏季) .圍隔物種多樣性指數(shù)高于主體湖區(qū)，圍隔物種群落結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，浮游植物分布更均勻.圍隔中絕大部分表征水體營(yíng)養(yǎng)水平的理化因子數(shù)值均明顯低于主體湖區(qū)(DO、pH除外)，其中圍隔DO值高于主體湖區(qū)，說(shuō)明圍隔水體中氧含量更高.圍隔對(duì)水體中TN、TDN、TP有顯著去除作用，對(duì)TDP及SRP影響不顯著，但仍具有一定去除率.此外，圍隔能顯著降低水體中有機(jī)物濃度和離子濃度.

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A Comparative Study of Phytoplankton Community Structure in the Enclosure and Main Body of East Lake

PeiGuofeng,HuJiang,WangQing,HeYue

(College of Life Science, South-Central University for Nationlities, Wuhan 430074, China)

To study the variation of phytoplankton community structure and environmental parameters in the enclosure and main body of East Lake, and evaluate the ameliorative effect of enclosure on the water quality in East Lake, phytoplankton from various sampling points in the lake were collected from March 2012 to February 2013, and the physicochemical factors were determined. The results showed that the water quality of enclosure was significantly better than that of the main body of the lake in terms of phytoplankton density and the content of chlorophyll a (Chl-a). The number of algae species and the biodiversity indices of the enclosure were also higher than that of the main lake. Most nutrient factors in the enclosure were lower than that of main lake (except DO, pH). The seasonal variation of phytoplankton community structure and environmental parameters were obvious: the phytoplankton density and content of Chl-a were maximal in summer and minimal in winter, while the biodiversity indices decreased in the order of autumn, summer, spring and winter.

enclosure; phytoplankton; environmental factors; community structure; East Lake

2015-10-07

裴國(guó)鳳(1969-) ,女, 教授, 博士, 研究方向: 藻類(lèi)生物學(xué), E-mail: peigf@mail.scuec.edu.cn

湖北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015CFB416)

X835

A

1672-4321(2016)03-0021-05