馮超群,徐東坡、,陳永進(jìn),徐跑、,單峻峰

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 漁業(yè)學(xué)院，江蘇 無錫 214081；2.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院淡水漁業(yè)研究中心，農(nóng)業(yè)部長江下游漁業(yè)資源環(huán)境科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站，江蘇 無錫 214081；3.江蘇興利生物技術(shù)工程有限公司，江蘇 無錫 214092)

富營養(yǎng)化引起的藍(lán)藻水華已成為影響環(huán)境的重要問題之一，特別是2007年貢湖自來水危機(jī)事件[1]，引起了國內(nèi)外廣泛關(guān)注。為改善太湖水質(zhì)，維護(hù)生態(tài)平衡，研究人員嘗試了大量的生態(tài)恢復(fù)措施[1-3]，如機(jī)械打撈、化學(xué)沉降、生物修復(fù)等。其中，Shapiro等[4]提出的經(jīng)典生物操縱理論(Bio-manipulation)，主張利用浮游動(dòng)物來控制藻類數(shù)量；謝平[5]提出的非經(jīng)典生物操縱理論(Non-traditional bio-manipulation)，則認(rèn)為投放濾食性魚類控藻效果更好。鰱Hypophthalmichthysmolitrix、鳙Aristichthysnobilis是典型的濾食性魚類，主要以水體中浮游生物為食，故常常作為控藻生物引入各個(gè)水體[4-7]。然而，關(guān)于鰱鳙控藻仍存在較多爭議[6]。有研究認(rèn)為，放養(yǎng)鰱鳙能有效控制藍(lán)藻水華[7]；也有研究表明，鰱鳙非但無法控藻，反而會導(dǎo)致浮游生物小型化[8]，且會降低浮游動(dòng)物現(xiàn)存量，對控藻不利[9-10]。

浮游植物是水生生態(tài)系統(tǒng)中重要的生產(chǎn)者，也是物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的重要環(huán)節(jié)[11]。浮游植物與水環(huán)境因子有著密切關(guān)系，其種類組成、生物量等群落特征在多種水環(huán)境因子的作用下，會出現(xiàn)一定的動(dòng)態(tài)變化，而這種變化是水環(huán)境質(zhì)量的重要標(biāo)志，因此，浮游植物常被用來作為水質(zhì)監(jiān)測和評估的指示生物[12]。目前，通過圍隔(阻礙水體自由交換)試驗(yàn)對水質(zhì)及浮游生物群落變化做分析比較的研究較多[13-15]，而對生物圍欄(水體可自由交換)內(nèi)外的調(diào)查研究鮮有報(bào)道，僅見柯志新等[16]在水體自由交換條件下對圍欄內(nèi)外浮游甲殼動(dòng)物群落變化進(jìn)行了研究。本研究中，在水體自由交換條件下對太湖三國城大型鰱鳙放流圍欄內(nèi)外浮游植物及環(huán)境因子的差異進(jìn)行了對比，分析了造成這種差異的關(guān)鍵因子，以及鰱鳙放流對其的影響，以期為后續(xù)的控藻放流模式提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

三國城位于太湖北部港灣——梅梁灣內(nèi)灣，是無錫著名的旅游景區(qū)及影視文化基地。隨著無錫經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人口不斷增多，以及人類活動(dòng)對三國城水域造成嚴(yán)重的破壞，導(dǎo)致近20年間藍(lán)藻水華頻頻暴發(fā)，水質(zhì)嚴(yán)重惡化。為改善這一狀況，2016年7月,在太湖三國城水域設(shè)置大型生物圍欄，面積約866.7 hm2，圍欄用孔徑1.5 cm的尼龍網(wǎng)與木樁連接而成，底部插入泥底，上部高出水面1～1.5 m。圍欄內(nèi)投放規(guī)格約2.7 g/尾的鰱鳙魚苗種共2228.90萬尾，鰱、鳙比例為1∶1，生物量約3.27 g /m3。截止2016年12月初，經(jīng)測產(chǎn)，圍欄內(nèi)鰱鳙魚生物量約82.85 g/m3，增長了20多倍。

1.2 方法

1.2.1 采樣點(diǎn)設(shè)置 根據(jù)鰱鳙放流圍欄結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，共設(shè)置7個(gè)采樣點(diǎn)(圖1)，其中S1、S2、S3位于圍欄內(nèi)，S4、S5、S6、S7位于圍欄外，距圍欄300 m左右。于2016年8—11月每月15日左右采樣1次。

圖1 三國城圍欄及樣點(diǎn)分布Fig.1 Sketch of locations of fence disposed and sampling sites in Three Kingdoms City

1.2.2 樣品的采集與處理 浮游植物樣品采集與鑒定、密度與生物量的計(jì)算均參照《淡水浮游生物研究方法》[17]執(zhí)行。分別用溶氧儀(YSI 550A USA)、pH儀(YSI pH60USA)、塞式黑白盤現(xiàn)場測定水體的水溫(WT)、溶解氧(DO)、pH、透明度(SD)。用有機(jī)玻璃采水器采集表層水樣(三國城水域平均水深僅1.8 m，不足2.0 m，故未進(jìn)行分層采樣),帶回實(shí)驗(yàn)室后參照《水和廢水監(jiān)測分析方法 (第四版)》[18]測定總氮(TN)、總磷(TP)、化學(xué)需氧量(CODMn)、葉綠素a(Chl-a)。

1.2.3 水質(zhì)評價(jià) 根據(jù)物種優(yōu)勢度指數(shù)(Y)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)、Margalef物種豐富度指數(shù)(D)、Pielou均勻度指數(shù)(J)、Jaccard種類相似度指數(shù)(P)[19-21]對三國城抑藻放流圍欄內(nèi)外浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析，并結(jié)合綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI(∑)[22]對水質(zhì)進(jìn)行評價(jià)。Y、H′、D、J、P計(jì)算公式分別為

Y=Pi×fi，

(1)

(2)

D=(S-1)/lnN，

(3)

J=H′/lnS，

(4)

P=c/(a+b-c)。

(5)

其中：Pi=Ni/N，Ni為第i種的個(gè)體數(shù)；N為所有種類的總個(gè)體數(shù)；fi為各采樣點(diǎn)第i種的出現(xiàn)頻率；S為樣點(diǎn)中出現(xiàn)的浮游植物總種數(shù)；a、b分別為兩個(gè)地區(qū)浮游植物出現(xiàn)的總種數(shù)；c為兩個(gè)地區(qū)浮游植物共有種數(shù)。其綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)為

(6)

其中：TLI(∑)為綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；Wj為第j種因子的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)相關(guān)權(quán)重；TLI(j)為第j種因子的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；m為評價(jià)因子個(gè)數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 22.0軟件對圍欄內(nèi)外差異性進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA)，用Pearson相關(guān)性分析環(huán)境因子與浮游植物的相關(guān)性。利用Canoco 4.5軟件對浮游植物密度與環(huán)境因子的關(guān)系進(jìn)行冗余分析(RDA)。

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境因子

從表1可見：圍欄內(nèi)外水溫(WT)變化基本一致，8—11月水溫逐漸下降；透明度(SD)變化幅度較大，9月和11月透明度接近，8月最低，但圍欄內(nèi)外總體平均值十分接近；圍欄內(nèi)溶解氧(DO)、pH值略低于圍欄外，最大值分別出現(xiàn)在10月和11月；圍欄內(nèi)總氮(TN)、總磷(TP)、化學(xué)需氧量(CODMn)平均值低于圍欄外，但相差不大；圍欄外葉綠素a除8月外均高于圍欄內(nèi)，10月相差最大，約為5倍。但方差分析表明，圍欄內(nèi)外環(huán)境因子均無顯著性差異(P>0.05)。

表1 圍欄內(nèi)外主要環(huán)境因子對比Tab.1 Comparison of main environmental factors within and outside the fence

2.2 浮游植物群落結(jié)構(gòu)

2.2.1 種類組成及數(shù)量變化 本調(diào)查共鑒定出浮游植物6門44屬90種(包括變種)。其中，綠藻門種類最多，占浮游植物總種數(shù)的63.30%；其次為藍(lán)藻門(15.50%)和硅藻門(12.40%)。圍欄內(nèi)外浮游植物種類組成差別不大，根據(jù)Jaccard種類相似度指數(shù)計(jì)算，圍欄內(nèi)外浮游植物種類相似度指數(shù)為0.51，為中度相似。

圍欄內(nèi)浮游植物密度平均值為(54.83±24.77)×106cells/L，生物量平均值為(2.94±1.65)mg/L；圍欄外密度平均值為(72.06±35.14)×106cells/L，生物量平均值為(3.61±1.76)mg/L。方差分析顯示，圍欄內(nèi)外浮游植物密度和生物量均有顯著性差異(P<0.05)。圍欄內(nèi)外藍(lán)藻密度占比最大，約92%，而綠藻密度占比不到1%。浮游植物密度總體呈下降趨勢。其中，8—10月圍欄內(nèi)浮游植物密度降低了65.70%，圍欄外降低了61.71%，10—11月圍欄內(nèi)外均略有上升(圖2)。生物量變化趨勢和密度基本一致。

2.2.2 優(yōu)勢種 根據(jù)優(yōu)勢度計(jì)算(Y>0.02為優(yōu)勢種)，圍欄內(nèi)外共發(fā)現(xiàn)優(yōu)勢種9種，其中藍(lán)藻門最多(5種)，分別是微囊藻屬M(fèi)icrocystis、假魚腥藻屬Pseudoanabaena、卷曲魚腥藻Anabaenacircinalis、細(xì)小平裂藻Merismopediaminima和旋折平裂藻Merismopediaconvoluta；硅藻門2種，分別是梅尼小環(huán)藻Cyclotellameneghiniana和谷皮菱形藻Nitzschiapalea；隱藻門2種，分別是嚙蝕隱藻Cryptomonserosa和尖尾藍(lán)隱藻Chroomonasacuta(表2)。微囊藻屬是絕對優(yōu)勢種，8月微囊藻密度最大，隨后不斷減?。患亵~腥藻屬、細(xì)小平裂藻為次優(yōu)勢種。圍欄外假魚腥藻屬密度變化幅度較小，而圍欄內(nèi)的魚腥藻密度則持續(xù)減少。細(xì)小平裂藻變化趨勢與微囊藻屬一致，8月圍欄內(nèi)密度較圍欄外小，9月圍欄內(nèi)密度超過圍欄外。梅尼小環(huán)藻、嚙蝕隱藻和尖尾藍(lán)隱藻密度與微囊藻屬變化趨勢則相反，11月密度最大，且圍欄內(nèi)密度較大(圖3)。方差分析顯示，圍欄內(nèi)外優(yōu)勢種密度無顯著性差異(P>0.05)。

注：IB為圍欄內(nèi)生物量；ID為圍欄內(nèi)密度；OB為圍欄外生物量；OD為圍欄外密度。豎條表示標(biāo)準(zhǔn)差(圍欄內(nèi)N=3，圍欄外N=4)Note：IB, biomass inside the fence; ID, density inside the fence; OB, biomass outside the fence; OD, density outside the fence. Bars indicate standard deviation (Inside N=3; Ouside N=4)圖2 圍欄內(nèi)外浮游植物密度和生物量的變化Fig.2 Changes in phytoplankton densityand biomass inside and outside fence

2.2.3 多樣性指數(shù) 研究區(qū)圍欄內(nèi)與圍欄外浮游植物Shannon-Wiener多樣性指數(shù)H′、Pielou均勻度指數(shù)J與Margalef豐富度指數(shù)D的對比結(jié)果如表3所示。圍欄內(nèi)多樣性指數(shù)H′最大值出現(xiàn)在11月，豐富度指數(shù)D最大值出現(xiàn)在8月，而均勻度指數(shù)J在整個(gè)調(diào)查期間均處于較低水平(<0.2)。方差分析表明，圍欄內(nèi)外浮游植物多樣性均無顯著性差異(P>0.05)。

表2 圍欄內(nèi)外優(yōu)勢種優(yōu)勢度Tab.2 Dominance of dominant species inside and outside the fence

表3 圍欄內(nèi)外浮游植物多樣性指數(shù)Tab.3 Diversity index of phytoplankton inside and outside the fence

圖3 圍欄內(nèi)外主要優(yōu)勢種密度的變化Fig.3 Changes in the density of the main dominant species inside and outside the fence

2.3 浮游植物與環(huán)境因子的相關(guān)性

相關(guān)性分析顯示(表4)，三國城圍欄內(nèi)外浮游植物密度、生物量和藍(lán)藻密度均與溫度(WT)呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與溶解氧(DO)呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)；不同的是圍欄內(nèi)浮游植物密度、生物量和藍(lán)藻密度與透明度(SD)無顯著相關(guān)關(guān)系(P>0.05),而圍欄外則表現(xiàn)為顯著相關(guān)(P<0.05)。

根據(jù)浮游植物相對密度與相對頻率，本研究中選擇了15種浮游植物(表5)與7種環(huán)境因子作DCA分析，結(jié)果表明，圍欄內(nèi)外第一軸均小于3.0，適合作RDA(單峰模型)分析。DCA分析結(jié)果顯示，圍欄內(nèi)軸Ⅰ與軸Ⅱ的特征值分別為0.326、0.096，圍欄外分別為0.427、0.074，物種排序軸與環(huán)境因子排序軸的相關(guān)系數(shù)，圍欄內(nèi)分別為0.969、0.692，圍欄外分別為0.941、0.814，且Monte Carlo檢驗(yàn)顯示差異性顯著(P<0.05)，說明這兩個(gè)排序軸能很好地反映圍欄內(nèi)外浮游植物與環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系。

表4 圍欄內(nèi)外浮游植物與環(huán)境因子的相關(guān)性Fig.4 Correlation between phytoplankton and environmental factors inside and outside the fence

注： *表示顯著相關(guān)(P<0.05), **表示極顯著相關(guān)(P<0.01)

Note： * means significant correlations(P<0.05), **means very significant correlations(P<0.01)

表5 RDA分析中浮游植物物種代碼Tab.5 Codes of phytoplankton species in RDA analysis

如圖4所示，影響圍欄內(nèi)外浮游植物的環(huán)境因子有所差別，圍欄內(nèi)主要受水溫、溶解氧、pH值的影響，而圍欄外受水溫、溶解氧、pH值、透明度的影響較大。其中，圍欄內(nèi)微囊藻屬、假魚腥藻屬、微小平裂藻、旋折平裂藻、谷皮菱形藻、雙對柵藻、四尾柵藻、雙棘柵藻與水溫呈正相關(guān)，與pH值、溶解氧呈負(fù)相關(guān)；而卷曲魚腥藻、細(xì)小平裂藻、梅尼小環(huán)藻、嚙蝕隱藻、尖尾藍(lán)隱藻與pH、溶解氧呈正相關(guān)，與水溫呈負(fù)相關(guān)。圍欄外藍(lán)藻門與綠藻門所有種類均與水溫呈正相關(guān)，與溶解氧、pH、透明度呈負(fù)相關(guān)，而硅藻門與隱藻門生物則與溶解氧、pH、透明度呈正相關(guān)，與水溫呈負(fù)相關(guān)。

3 討論

3.1 鰱鳙放流對浮游植物群落結(jié)構(gòu)的影響及水質(zhì)評價(jià)

本研究表明，三國城水域圍欄內(nèi)外浮游植物種類組成差異不顯著，Jaccard種類相似度指數(shù)也說明，圍欄內(nèi)外種類組成至少有51%的相似性。浮游植物優(yōu)勢種以藍(lán)藻門居多，微囊藻屬占絕對優(yōu)勢，這與歷史資料[23]同期相比，結(jié)果基本一致。圍欄內(nèi)浮游植物密度和生物量均顯著低于圍欄外，說明鰱鳙攝食對浮游植物現(xiàn)存量具有一定的影響[24-25]。鰱鳙對食物的選擇性，主要取決于食物的可得性和顆粒物大小[26]，由于三國城水域夏秋季節(jié)主要以藍(lán)藻門生物為主，因此，藍(lán)藻是鰱鳙主要的食物來源[27]，這是導(dǎo)致圍欄內(nèi)藍(lán)藻平均密度比圍欄外低30%的原因之一。隨著鰱鳙的生長，藍(lán)藻密度下降速率逐漸加快，其10—11月圍欄內(nèi)藍(lán)藻密度下降速率約為圍欄外的2倍。鰱鳙鰓耙結(jié)構(gòu)限制了其攝食藻類的大小范圍，只有那些大于鰓耙間隙的藻類才能被有效濾食[14-15]。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，試驗(yàn)期間圍欄內(nèi)大型藻類如束絲藻、假魚腥藻屬等生物量顯著下降，到試驗(yàn)結(jié)束時(shí)幾乎消失，表明鰱鳙對浮游植物的控制主要體現(xiàn)在對大型藻類的攝食上[28]。隨著鰱鳙的攝食，大型藻類數(shù)量下降，小型藻類生存壓力減小，加上枝角類等能抑制小型藻類的浮游動(dòng)物數(shù)量減少，刺激小型藻類大量繁殖[14]。小型藻類能迅速吸收營養(yǎng)鹽并進(jìn)行繁殖生長，在較高營養(yǎng)鹽條件下可形成較高的相對豐度[29]。鰱鳙在控制藍(lán)藻的同時(shí)，促進(jìn)了硅藻和隱藻的生長(圖4)，這可能是11月圍欄內(nèi)浮游植物密度上升幅度大于圍欄外的原因。此外，劉霞等[30]研究發(fā)現(xiàn)：冬春季太湖北部灣藍(lán)藻生物量百分比均低于10%，而此時(shí)隱藻生物量百分比較高，為30%～70%；夏季藍(lán)藻水華頻發(fā)，其生物量百分比為60%～87%，此時(shí)隱藻生物量百分比均低于10%。三國城藍(lán)藻和隱藻存在明顯的群落演替，可能是隱藻在低溫環(huán)境下具有較高的繁殖能力，生長周期短，當(dāng)藻類群落攝食壓力增大時(shí)，高繁殖率能彌補(bǔ)由于魚類攝食帶來的損失[14]。

圖4 圍欄內(nèi)外浮游植物—環(huán)境關(guān)系的RDA二維排序圖Fig.4 RDA biplot of relationship between phytoplankton species and environmental variables

鰱鳙放流增加了對浮游植物的攝食壓力，間接改變了水體的理化因子。通過輸出漁獲物，可以減輕水體營養(yǎng)物含量，降低氮、磷負(fù)荷[15]，從而抑制藻類生長。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，三國城圍欄外總氮較高，但與圍欄內(nèi)無顯著性差異，總磷基本相同，說明鰱鳙放流對降低水體總氮、總磷的作用不明顯，可能要長時(shí)間降低氮磷輸入量和增加輸出量，才能徹底減輕氮磷對水體的負(fù)荷[31]。另外，鰱鳙的擾動(dòng)可以增加水體渾濁度，對浮游植物光合作用具有一定影響，也是造成試驗(yàn)中葉綠素a含量明顯變化的原因之一，但圍欄內(nèi)外環(huán)境因子均無顯著性差異，這可能是由于圍欄是個(gè)開放系統(tǒng)，水體能自由交換，掩蓋了魚類對水質(zhì)的影響[16]。

本次調(diào)查中，三國城浮游植物種類以綠藻門居多，但密度卻以藍(lán)藻門貢獻(xiàn)最大。這種藻量豐富且以藍(lán)藻為優(yōu)勢的群落特征，是水體嚴(yán)重富營養(yǎng)化的標(biāo)志[32]。三國城水域還發(fā)現(xiàn)大量富營養(yǎng)型(β-α-ms型)水體指示種[33]，如細(xì)小平裂藻、針晶藍(lán)纖維藻、四角藻屬等。原因可能是三國城處于梅梁灣內(nèi)灣，水體交換緩慢，且進(jìn)入梅梁灣的直湖港、武進(jìn)港、梁溪河都是重污染河流，導(dǎo)致灣內(nèi)污染物不斷積累，以及營養(yǎng)鹽含量不斷升高[27,34]。根據(jù)浮游植物多樣性指數(shù)對水質(zhì)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[19-20]及綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)分析[22]，太湖三國城屬于中-重污染富營養(yǎng)型水體。

3.2 浮游植物與環(huán)境因子的關(guān)系

浮游植物與水體中各種環(huán)境因子關(guān)系密切，特別是水溫、pH、營養(yǎng)鹽等環(huán)境因子[35-37]對浮游植物影響較大。水溫變化對浮游植物密度和生物量有明顯的影響，是驅(qū)動(dòng)浮游植物季節(jié)性更替的關(guān)鍵因素[38]。本研究中，相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，三國城水域圍欄內(nèi)外浮游植物密度、生物量和藍(lán)藻密度與水溫呈極顯著正相關(guān)，這與國內(nèi)外學(xué)者提出的水溫是影響浮游植物最直接的因素這一結(jié)論一致[36-37]。RDA分析結(jié)果也表明，水溫是影響三國城水域浮游植物的關(guān)鍵因子之一。pH對浮游植物群落有著重要影響，當(dāng)pH>8.0時(shí)，藍(lán)藻成為主要優(yōu)勢種[12]。同時(shí)，藍(lán)藻可通過一系列的生理生化反應(yīng)來調(diào)節(jié)水體pH，使其維持在適宜藻類生長的范圍內(nèi)[39]。RDA分析結(jié)果表明，pH是影響三國城水域藻類的重要因子之一。氮、磷元素能調(diào)節(jié)促進(jìn)浮游植物生長，Redfield[40]提出，滿足浮游植物對營養(yǎng)物質(zhì)的生理需求的氮磷原子比為16∶1(質(zhì)量比為7∶1)。在本次調(diào)查中，三國城抑藻區(qū)氮磷比約為12∶1，說明磷是浮游植物生長的限制因子之一。夏季藍(lán)藻暴發(fā)，藻類大量死亡，水體中溶解氧降低[12]。之后隨著藻類密度減少，溶解氧逐漸恢復(fù)。透明度能反映水體懸浮物的含量，一般來說，浮游植物密度越高，透明度越低。圍欄外浮游植物密度與透明度負(fù)顯著相關(guān)，圍欄內(nèi)則無顯著相關(guān)性，可能是鰱鳙的存在，弱化了它們的關(guān)系。葉綠素a是浮游植物的一個(gè)重要組成部分，其在水體里的含量與分布一定程度反映了浮游植物密度的變化。本研究中，8月圍欄內(nèi)葉綠素a含量較高，但之后低于圍欄外，說明隨著鰱鳙的生長，對藻類的攝食不斷增多，造成葉綠素a含量低于圍欄外；但到了11月，圍欄內(nèi)外葉綠素a含量接近，可能是圍欄內(nèi)硅藻和隱藻大量繁殖引起葉綠素a含量上升。

4 結(jié)語

三國城水域夏秋季節(jié)浮游植物綠藻門種類最多，藍(lán)藻門密度最大，微囊藻屬占絕對優(yōu)勢。隨著鰱鳙的生長，圍欄內(nèi)藍(lán)藻的大幅減少表明鰱鳙放流對控制藍(lán)藻水華具有一定積極作用。鰱鳙的攝食降低了大型藻類和浮游動(dòng)物的數(shù)量，刺激小型藻類的生長，導(dǎo)致試驗(yàn)后期浮游植物密度和生物量有所回升，說明單純放養(yǎng)鰱鳙適合主要目的為控制藍(lán)藻水華而非藻類總量。鰱鳙對浮游植物的種類組成，多樣性的作用并不明顯，因此，以控藻為目的的鰱鳙放流模式有待進(jìn)一步探索。