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        軍山湖浮游植物群落結構及其與環(huán)境因子的關系

        2018-08-08 08:09:12陶志英余智杰陳文靜張燕萍黃江峰朱桂根
        江蘇農(nóng)業(yè)科學 2018年14期
        關鍵詞:軍山綠藻藍藻

        陶志英,余智杰,陳文靜,張燕萍,黃江峰,朱桂根

        (江西省水產(chǎn)科學研究所,江西南昌 330039)

        浮游植物是水體中重要的初級生產(chǎn)者,能吸收水體中的氮(N)、磷(P)等營養(yǎng)元素,并通過光合作用釋放出氧氣,是整個水生態(tài)系統(tǒng)物質循環(huán)和能量流動的基礎[1]。浮游植物是濾食性魚類的天然餌料,其種類組成、數(shù)量變化和分布對環(huán)境變化具有指示作用,為水質評價提供了生物學參數(shù)[2]。

        軍山湖為江西省進賢縣境內第一大湖,面積192.5 km2,湖體東南部較淺,西北部深,最大水深6 m,原屬鄱陽湖南部一大湖汊,因圍湖造田筑堤建閘將其從鄱陽湖阻隔出來[3],與鄱陽湖水交換量減少,導致湖泊自凈能力下降。另外,湖中進行圍欄養(yǎng)殖,以及周邊農(nóng)田施肥等面源污染,都直接或間接影響了浮游植物的群落結構。20世紀90年代初調查顯示,軍山湖浮游植物有7門50屬[4],綠藻、硅藻為優(yōu)勢門類;2014年,劉霞等報道軍山湖有浮游植物6~7門,25~63屬[5],藍藻、隱藻為優(yōu)勢種,湖泊已呈由中貧營養(yǎng)變富營養(yǎng)化趨勢。此外,其他學者也對軍山湖浮游植物和水質情況進行過研究[5-8],但對于引起浮游植物群落結構變化的驅動因子,以及浮游植物群落結構變化與環(huán)境關系的研究較少。

        典范對應分析(canonical correspondence analysis,簡稱CCA)可結合多個環(huán)境因子在同一排序圖上反映群落與環(huán)境的關系,包含的信息量大,結果直觀[9]。近些年來被廣泛應用于湖泊等水體藻類群落與水環(huán)境因子復雜關系的研究[10-12]。本研究應用典范對應分析2013年5月—2014年3月軍山湖的浮游植物和水質監(jiān)測數(shù)據(jù),闡明軍山湖浮游植物結構特征,探討影響其水質情況的因素和主要驅動因子,以期為湖區(qū)功能規(guī)劃和水生態(tài)保護決策等提供生態(tài)學依據(jù),促進軍山湖水資源的可持續(xù)利用。

        1 材料與方法

        1.1 采樣點的設置

        本研究共設置15個采樣點,分別為軍山湖入湖口1#,與鄱陽湖涵閘相通處2#,湖汊匯合處3、6、7、8、9、11、12、13、15#,來水匯合處4、5、10、14#(圖1)。

        1.2 樣品的采集和處理

        1.2.1 浮游植物采集與鑒定計數(shù) 2013年5月—2014年3月,每2個月進行1次浮游植物標本的采集和水質檢測,按照相關規(guī)程對軍山湖浮游植物水樣進行采集[13],取0.5~1.0 m處水1 L,立即滴加15 mL魯格氏液固定,帶回實驗室靜置沉淀48 h后棄上清,并將沉淀濃縮至30 mL后用顯微鏡鏡檢,進行浮游植物的分類和計數(shù),種類鑒定參考有關書籍[14-16]。

        1.2.2 理化指標的測定 水溫(water temperature,簡稱WT)、溶解氧(dissolved oxygen,簡稱DO)含量、酸堿度(pH值)均用YSI85-25便攜式水質分析儀現(xiàn)場測定;水深、透明度(SD)分別用鉛垂線、塞氏盤現(xiàn)場測定。

        1.2.3 其他理化指標的測定 取500 mL水樣置于聚乙烯瓶中,于4 ℃條件保存,用于總氮(TN)含量、總磷(TP)含量、總堿度(Tot-A)、總硬度(Tot-H,即鈣、鎂含量)、鈣硬度(Ga-H,即鈣含量)、鎂硬度(Mg-H,即鎂含量)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、葉綠素a(Chla)含量、氨態(tài)氮(NH3-N)含量、硝態(tài)氮(NO3--N)含量、亞硝態(tài)氮(NO2--N)含量的測定,詳細測定步驟參考《水和廢水監(jiān)測分析方法》[17]。另取水裝入1 L聚乙烯瓶中常溫保存,用于葉綠素a含量的測定,葉綠素a含量的測定采用分光光度法,計算方法參照文獻[18]。

        1.3 數(shù)據(jù)處理方法

        1.3.1 生物指標計算公式 浮游植物優(yōu)勢度指數(shù)采用McNaughton指數(shù)(Y):

        式中:fi為第i種物種的出現(xiàn)頻率;ni為水樣中第i種的個體數(shù);N為水樣中浮游植物總個體數(shù)。當Y>0.02時,表示該物種為優(yōu)勢種[19]。

        1.3.2 典范對應分析(canonical correspondence analusis,簡稱CCA) 浮游植物和環(huán)境因子的數(shù)據(jù)采用Canoco for Windows 4.5軟件進行CCA分析,排序結果用各藻-環(huán)境因子關系的雙序圖表示。在分析過程中篩選滿足條件的物種:該物種在各采樣點出現(xiàn)的頻度>12.5%[20],至少在1個采樣點的相對密度≥1%。由于各指標數(shù)據(jù)差異較大,需要對物種及環(huán)境數(shù)據(jù)進行l(wèi)g(x+1)轉換(x為細胞豐度),pH值除外[21]。

        2 結果與分析

        2.1 水質理化指標

        2013年5月至2014年3月監(jiān)測的軍山湖水體理化狀況見表1??梢姾鯄A性,水溫、溶解氧含量、葉綠素a含量平均值最高分別為32.53 ℃、10.67 mg/L、9.48 μg/L;水深、高錳酸鉀指數(shù)、總氮含量、總磷含量、氨態(tài)氮含量、硝態(tài)氮含量、亞硝態(tài)氮含量平均值最高分別為5.66 m、3.93、1.03 mg/L、0.06 mg/L、0.56 mg/L、0.02 mg/L、0.01 mg/L;總堿度平均值的最高值出現(xiàn)在3月,為48.88 mg/L,鈣含量平均值的最高值出現(xiàn)在7月,為26.29 mg/L,總硬度、鎂含量在9月平均值最高,分別為51.55、31.11 mg/L,透明度平均值的最低值出現(xiàn)在9月,為41.69 cm。

        表1 2013年5月至2014年3月軍山湖水體理化因子

        2.2 浮游植物群落結構

        2.2.1 種類組成與優(yōu)勢種 本研究共檢測到浮游植物84種,隸屬于7門60屬,其中綠藻門種類最多,有40屬54種,占總種類數(shù)的64.29%;藍藻門有10屬13種,占15.48%;硅藻門有6屬10種,占11.90%;裸藻門有3屬4種,占4.76%;隱藻門、甲藻門、黃藻門各1屬1種,占1.19%。3月份種類數(shù)最多,11月份種類數(shù)最少,2013年5—11月種類數(shù)逐漸減少,2013年11月—2014年3月種類數(shù)逐漸增多(圖2)。

        軍山湖浮游植物的優(yōu)勢種有小球藻、隱藻等34種,分布在藍藻門、硅藻門、綠藻門、隱藻門等,其中綠藻門中分布得最多。從表2可以看出,綠藻門小球藻、隱藻門卵形隱藻在每次采樣中均有發(fā)現(xiàn)。另外,綠藻門串珠絲藻、四尾柵藻也是常見種。2013年5月綠藻門優(yōu)勢種數(shù)最多,2013年7月藍藻門優(yōu)勢種數(shù)最多。

        表2 軍山湖浮游植物主要優(yōu)勢種優(yōu)勢度的月變化

        2.2.2 軍山湖浮游植物豐度 軍山湖浮游植物細胞豐度的周年平均值為2.18×106cells/L,最高值為1.01×107cells/L,在試驗時間范圍內在12.2×105~43.5×105cells/L 之間存在明顯的變化,其中藍藻門、綠藻門的豐度最高,周年平均值分別為8.58×105、9.60×105cells/L,硅藻門、黃藻門、裸藻門、隱藻門、甲藻門的豐度均較低。浮游植物的細胞豐度在2013年7月達到最高值,且藍藻門的細胞數(shù)量最多,2014年1月最低,2013年3—7月遞增,2013年9月至2014年1月遞減,各月份的浮游植物細胞豐度的物種組成差異不明顯(圖3)。

        2.3 浮游植物與水質因子的關系

        為了較清楚地反映主要浮游植物的分布與環(huán)境因子的關系,對物種數(shù)據(jù)按出現(xiàn)的頻度和相對豐度進行了篩選,得到浮游植物物種與環(huán)境因子的二維排序結果。由圖4可以看出,第1、2軸的特征值分別為0.188、0.117,環(huán)境因子軸與物種排序軸之間的相關系數(shù)分別為0.867和0.862(表3)。物種變異累積百分數(shù)分別為11.6%、18.9%;物種-環(huán)境變異累積百分數(shù)分別為41.3%、67.1%。2個物種排序軸近似垂直,相關系數(shù)為-0.063,2個環(huán)境排序軸相關系數(shù)為0,說明排序軸與環(huán)境因子間線性結合的程度較好地反映了物種與環(huán)境之間的關系,排序結果是可靠的[22-23]。

        經(jīng)過499次蒙特卡羅置換檢驗(Monte Carlo test),篩選得出水溫、硝酸態(tài)氮含量、pH值、鈣硬度、總堿度、溶解氧含量、總硬度、透明度、鎂硬度是與軍山湖浮游植物豐度變化顯著相關的主要環(huán)境因子(P<0.05),共同解釋了屬種數(shù)據(jù)累積方差的45.4%,比16個環(huán)境因子的總解釋量僅低9%,說明上述9個環(huán)境因子可以很好地解釋軍山湖浮游植物的豐度變化。由圖4箭頭的長短可知,pH值、鈣硬度、總堿度、總硬度、鎂硬度對整體浮游植物群落的分布影響作用較小,水溫、硝態(tài)氮含量、溶解氧含量、透明度對群落分布都有明顯的影響,其中水溫高低與第1物種排序軸呈最大負相關(相關系數(shù)為-0.698),硝態(tài)氮含量與第2物種排序軸呈最大正相關(相關系數(shù)為0.732),其次為透明度、溶解氧含量,相關系數(shù)分別為0.601、0.565。

        表3 浮游植物、環(huán)境因子前2個CCA排序與環(huán)境因子間的關系

        注:SP1、SP2為物種排序軸,EN1、EN2為環(huán)境因子排序軸。

        3 分析與討論

        3.1 基于水體理化因子的水質評價

        由本研究可知,軍山湖pH值較黎倩等報道的7.2更趨堿性[24];透明度監(jiān)測結果較1993年7—11月下降大于 20 cm,溶解氧含量偏高,葉綠素a含量為1.83~9.48 μg/L,總堿度、總硬度、鈣硬度、鎂硬度均高于黎倩等調查的結果[24],湖水趨向于硬水??偭缀烤禐?.02~0.06 mg/L,總氮含量均值為0.58~1.03 mg/L,參考地表水環(huán)境質量標準[25],偏向于Ⅲ類水質。

        3.2 浮游植物種類組成的特點

        軍山湖在6次采樣中共采集到84種浮游植物,隸屬于7門60屬,與太湖蠡湖冬、春季調查中有88種浮游植物的報道相近[26],與方春林等報道的結果相近[4-5],較楊平報道的軍山湖有8門76屬122種浮游植物的結果要少些[8],較錢奎梅等關于鄱陽湖有7門67屬132種浮游植物的報道少很多種[27]??梢?,軍山湖浮游植物種類減少。

        3.3 基于浮游植物優(yōu)勢種群的水質評價

        軍山湖綠藻門的種類數(shù)占總種數(shù)的64%,是絕對優(yōu)勢種,優(yōu)勢種群為綠藻門、隱藻門,且綠藻門小球藻、隱藻門卵形隱藻在每次采樣中均為優(yōu)勢種。研究表明,綠藻適應性強,在有機質豐寡條件下都能大量生長[19];隱藻獨特的光合色素、兼性營養(yǎng)方式使其能適應寬范圍的輻射照度和富營養(yǎng)化水體[28-31],表明軍山湖水質有富營養(yǎng)化趨勢。2014年3月隱藻優(yōu)勢度最高,與該月總氮最高濃度1.03 mg/L相對應,說明水中氮類營養(yǎng)鹽富集,應加強防治。

        90年代初軍山湖浮游植物調查結果顯示,綠藻門、硅藻門為優(yōu)勢門類[4];本研究于2013—2014年對軍山湖的研究表明,優(yōu)勢種群集中在綠藻門、隱藻門,而劉霞等報道的2012—2013年軍山湖優(yōu)勢種屬于藍藻門、隱藻門[5],可見軍山湖不同年份的浮游植物優(yōu)勢種群不同,且出現(xiàn)污染型隱藻[4-5]。主要原因是軍山湖與主湖鄱陽湖阻隔后,水文條件發(fā)生了改變,相當于形成一個相對靜止的大湖汊,沒有水位波動驅動營養(yǎng)鹽變化[32],浮游植物優(yōu)勢種群隨之改變。

        3.4 軍山湖浮游植物群落細胞豐度的特點及其原因

        從浮游植物細胞豐度上看,浮游植物的細胞豐度年平均值為2.18×106cells/L,低于2012—2013年軍山湖浮游植物細胞數(shù)量年平均值6.77×107cells/L[5],也低于楊平報道的軍山湖的植物細胞數(shù)量1.67×107cells/L[8],高于鄱陽湖的1.13×106cells/L及其他湖泊[8,26,33-34],可見軍山湖浮游植物細胞豐度在不斷波動中,但均高于鄱陽湖,原因是軍山湖被阻隔后水流減緩、水體自凈能力下降,湖周邊現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)與農(nóng)業(yè)種植業(yè)的發(fā)展又加重了該湖入湖污染負荷[35]。也有報道顯示,鄱陽湖承載的入湖污染負荷遠超過軍山湖[36-37],但浮游植物細胞豐度卻不高,原因是鄱陽湖與長江聯(lián)通,流速是軍山湖的50多倍,10 d可進行1次水體交換[38],水體自凈能力很高。

        從本研究可以看出,藻類生長量在5、7、9月間差異顯著,在7月達到最大值。這與以往學者認為的藻類生長主要受溫度影響,藻類生長應在夏、秋季(5—9月)達到峰值,冬、春季(11月至次年3月)達到最低值一致。高溫時藍藻生長速率較快并逐漸取得優(yōu)勢地位[39-40],由本研究可知,7月水溫最高,藍藻優(yōu)勢種最多且細胞豐度最高。

        3.5 軍山湖浮游植物群落結構與環(huán)境因子的關系

        藻類生長繁殖除受到自身生物學特性的影響,還受到周圍環(huán)境因子如溫度、營養(yǎng)鹽等因素的影響[41],而不同水域環(huán)境中的主要影響因子不同[42-44]。由本研究可知,分布在排序軸左上方物種主要是蹄形藻、空星藻、黏四集藻、湖生小椿藻、十字藻、并聯(lián)藻、弓形藻、盤星藻、席藻屬、針桿藻屬、舟形藻屬,這些藻類與湖泊中的硝態(tài)氮含量、透明度有較高的最適值,建議通過控制氮營養(yǎng)鹽的輸入來控制這些藻類的繁殖。螺旋藻、平列藻屬、魚腥藻、顫藻屬、纖細角星鼓藻位于排序軸左下方,與水溫有很大的相關性,其中螺旋藻、魚腥藻與水溫關系緊密,魚腥藻分泌藻毒素,高水溫時應注意防止藍藻水華。串珠絲藻、纖維藻屬、小球藻、膠星藻、腎形藻、卵形隱藻、菱形藻屬與溶解氧含量關系緊密,而關系最緊密是腎形藻,表明這幾種藻類生長受溶解氧含量影響較大。除左下方?jīng)]有硅藻出現(xiàn),其他各方均有硅藻,說明硅藻能夠適應多變的環(huán)境條件,與Licursi等的研究結果[44]一致。

        本試驗的CCA結果表明,影響軍山湖浮游植物群落結構的環(huán)境因子主要是水溫、硝態(tài)氮含量、溶解氧含量、透明度。

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