楊毓鑫， 杜春艷*， 錢 湛， 蔣昌波， 陳 宏， 余關(guān)龍， 李亞杰

1.長沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院， 湖南 長沙 410114

2.洞庭湖水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)湖南省重點實驗室， 湖南 長沙 410114

3.湖南省環(huán)境保護河湖污染控制工程技術(shù)中心， 湖南 長沙 410114

4.湖南省水利水電勘測設(shè)計研究總院， 湖南 長沙 410007

浮游植物是水體中主要的初級生產(chǎn)者之一，也是水生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)和能量流動的驅(qū)動因子，對于維持水域生態(tài)系統(tǒng)平衡起著極其重要的作用[1]. 水環(huán)境的改變不僅會引起水質(zhì)的變化，也會改變水體中生物群落的組成，其中浮游植物群落對環(huán)境變化的響應(yīng)十分迅速，常被用來作為評估水體健康狀況的指示性生物類群[2]，其種類、優(yōu)勢種群和豐度等群落結(jié)構(gòu)特征指標也被用于評價和檢測水環(huán)境[3]. 影響浮游植物群落結(jié)構(gòu)及分布特征的因素一般分為上行效應(yīng)和下行效應(yīng)，上行效應(yīng)主要影響光照、溫度、營養(yǎng)鹽、水動力等因素，下行效應(yīng)則通過浮游動物和濾食性魚類的攝食等方面影響浮游植物群落分布[4-5]. 浮游植物種類組成和分布對環(huán)境變化具有指示作用，而環(huán)境條件的改變也會直接或間接地影響浮游植物的群落結(jié)構(gòu)[6]，但浮游植物群落與環(huán)境因子的關(guān)系復(fù)雜，在不同類型的水體中，影響浮游植物群落結(jié)構(gòu)的環(huán)境因子各有差別[7-11].

洞庭湖是我國第二大淡水湖泊，對維系整個長江生態(tài)系統(tǒng)的平衡和安全發(fā)揮著重要作用，然而在自然和人類活動的雙重影響下，洞庭湖的水生態(tài)環(huán)境日益惡化，尤其是湖區(qū)內(nèi)堤垸(至1980年水利部停止圍墾時止，湖區(qū)堤垸達278個)的水體富營養(yǎng)化嚴重，水生態(tài)環(huán)境堪憂，而且垸內(nèi)溝渠、坑塘將垸內(nèi)居民與洞庭湖相連，垸內(nèi)水生態(tài)環(huán)境與洞庭湖湖區(qū)水生態(tài)環(huán)境相互影響. 近年來，有不少學(xué)者對洞庭湖湖區(qū)的浮游植物及水質(zhì)特征進行了相關(guān)研究[12-14]，而關(guān)于洞庭湖區(qū)堤垸內(nèi)水體浮游植物和水生態(tài)的研究卻未見報道. 因此，該研究選取了洞庭湖區(qū)污染較為嚴重的典型堤垸——南漢垸為研究對象，通過對南漢垸內(nèi)水體的野外調(diào)查和采樣監(jiān)測分析，對浮游植物的群落結(jié)構(gòu)特征及其與環(huán)境因子的相關(guān)性進行了研究，以期為洞庭湖堤垸內(nèi)水體污染治理和生態(tài)修復(fù)提供參考，為整個洞庭湖區(qū)水生態(tài)安全整治和管理提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況及采樣點設(shè)置

南漢垸為洞庭湖的重點堤垸，位于湖南省益陽市南縣西南部(29°04′N～29°18′N、112°12′E～112°18′E)，包括武圣宮鎮(zhèn)和廠窖鎮(zhèn)2個行政鎮(zhèn)，三面環(huán)水，藕池河中、西支與淞澧洪道流經(jīng)其東西兩側(cè)，總面積96 km2，耕地面積超50 km2，湖泊面積5.33 km2，外部河洲4.67 km2，屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，氣候溫暖濕潤，降水充足，降水量年際變化大，汛期南北洪水呈現(xiàn)頂托之勢，垸內(nèi)溝渠和內(nèi)湖眾多，豐富的水力資源為該區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展(包括規(guī)模化養(yǎng)殖業(yè)、種植業(yè)等)提供了保障，同時也帶來了不同程度的水體環(huán)境污染問題. 通過現(xiàn)場摸排并考慮水體功能和污染排放源，選取了11個具有代表性的采樣點，采樣時間為2017年11月和2018年6月. 11月為關(guān)泵封水期，垸內(nèi)水體處于相對封閉狀態(tài)，水體的表層流速小于0.1 ms，水體無明顯流動；6月為開泵放水期，垸內(nèi)水體處于流動狀態(tài)，外河水體經(jīng)泵站匯入渠道，再匯入外河. 采樣點的具體信息見表1.

表1 采樣點具體信息

1.2 樣品采集與分析方法

浮游植物定性樣品采用25#浮游生物采集網(wǎng)在水中呈“∞”緩慢拖網(wǎng)采集；浮游植物定量樣品采用拉式采樣器采集表層水樣1 L，樣品現(xiàn)場采用1.5%魯哥試液固定，帶回實驗室，經(jīng)沉淀48 h后，用虹吸法吸取上清液，濃縮至30 mL，用移液槍移取0.1 mL濃縮均液于計數(shù)框中，用顯微鏡(BX53，日本Olympus公司)進行鑒定和計數(shù)，浮游植物物種鑒定和計數(shù)等參考文獻[15-16]；現(xiàn)場檢測WT(水溫)、EC(電導(dǎo)率)、ρ(DO)、Turb(濁度)、pH和SD(透明度)；取500 mL表層水樣，于4 ℃保溫箱內(nèi)帶回實驗室，ρ(Chla)的分析方法參照HJ 897—2017《水質(zhì)葉綠素a的測定 分光光度法》，ρ(NO3--N)、ρ(NH4+-N)、ρ(TN)、ρ(TP) 和ρ(CODMn)的分析方法參照《水和廢水檢測分析方法》第四版[17].

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

1.3.1綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評價

依據(jù)TN、TP、SD、CODMn和Chla的分析結(jié)果，運用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法對南漢垸湖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進行評價，計算公式[18]：

(1)

式中,TLI(Σ)為綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù),Wj為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重,TLI(j)為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù),m為評價參數(shù)的個數(shù).

參考《中國水資源公報》中湖泊(水庫)富營養(yǎng)化評分與分類標準進行分級，同一營養(yǎng)狀態(tài)下，指數(shù)值越高，其營養(yǎng)程度越嚴重：貧營養(yǎng)，TLI(Σ)<30；中營養(yǎng)，30≤TLI(Σ)≤50；輕度富營養(yǎng)，5070.

1.3.2優(yōu)勢種屬

浮游植物優(yōu)勢種屬根據(jù)y(優(yōu)勢度)來確定[19]：

y=fi·Pi

(2)

式中，fi為第i屬的出現(xiàn)頻率，Pi為第i屬豐度占總豐度的比例. 當y≥0.02時，定義為優(yōu)勢屬[20]. 優(yōu)勢種屬的變化在一定程度上可直接反映水體污染程度和環(huán)境條件的改變.

1.3.3生物多樣性分析

為了避免單一多樣性指數(shù)造成結(jié)果偏差，利用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)、Pielou均勻度指數(shù)(J)和Margalef豐富度指數(shù)(d) 3個多樣性指數(shù)來計算南漢垸內(nèi)水體浮游植物的生物多樣性，計算公式：

(3)

J=H′lnS

(4)

d=(S-1)lnS

(5)

式中，ni為樣本中第i種浮游植物的個數(shù)，N為樣本中所有浮游植物物種的個數(shù)，S為采樣點的群落種數(shù). 多樣性指數(shù)評價標準參考文獻[21].

浮游植物優(yōu)勢屬與環(huán)境因子之間的DCA(去趨勢對應(yīng)分析)和RDA分析采用Canoco for window 4.5軟件，通過Monte Carlo檢驗選出對浮游植物類群有顯著影響的環(huán)境因子. 其中，物種數(shù)據(jù)采用藻類豐度指標，按照該物種在各樣點頻度>12.5%，相對密度≥1%的條件進行篩選，環(huán)境數(shù)據(jù)除pH外都進行l(wèi)g(x+1)轉(zhuǎn)換[22].

該研究其他分析和作圖在SPSS 22.0和Origin 2017中完成.

2 結(jié)果與分析

2.1 水環(huán)境因子特征

不同時期水環(huán)境因子的變化如表2所示. 由表2可見：6月南漢垸水體處于輕度富營養(yǎng)和中度富營養(yǎng)水平之間；除采樣點4以外，11月南漢垸水體處于中度富營養(yǎng)水平和重度富營養(yǎng)水平之間. 對2017年11月和2018年6月的環(huán)境因子進行獨立樣本T檢驗，發(fā)現(xiàn)WT、Turb和ρ(NH4+-N)差異顯著(P<0.05), 而SD、pH、EC、ρ(DO)等因子差異不顯著(P>0.05).

表2 南漢垸各時期水環(huán)境因子變化

注： 1) 表示獨立樣本T檢驗，P<0.05；數(shù)據(jù)為平均值±標準差.

為了辨識南漢垸水體水質(zhì)污染的主導(dǎo)因子，對12項水環(huán)境因子進行PCA分析. 按照特征值大于1的原則提取出4個主成分，其累計方差貢獻率達85.88%，說明主成分因子能夠表征這些指標整體的水環(huán)境污染狀況，且KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)系數(shù)為0.632,大于0.60，說明樣本復(fù)合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)合理的要求[23]，適合進行因子分析. 旋轉(zhuǎn)后的因子載荷率(見表3)表明，與PC1相關(guān)的主要水質(zhì)指標是ρ(TN)、ρ(TP)、ρ(NH4+-N)、ρ(CODMn)和ρ(NO3--N)，表征了水體的營養(yǎng)鹽狀況. 與PC2相關(guān)的是WT和Turb，表征了水體的溫度變化和渾濁狀況. 其他主成分因子與PC1相比重要性較低，結(jié)合旋轉(zhuǎn)后的因子載荷率判斷主成分因子與水環(huán)境狀況之間的相關(guān)性大小，篩選出ρ(TN)、ρ(TP)和ρ(NH4+-N)為水質(zhì)的主要污染因子.

表3 水環(huán)境因子旋轉(zhuǎn)后的因子載荷率

圖1 南漢垸各時期浮游植物豐度分布Fig.1 Abundance of phytoplankton in different periods of Nanhan Polder

2.2 浮游植物的群落結(jié)構(gòu)

2.2.1浮游植物的種類組成及優(yōu)勢屬

調(diào)查期間，共鑒定出浮游植物8門62屬，其中綠藻門種類最為豐富，為29屬；硅藻門、藍藻門和裸藻次之；甲藻門、隱藻門、金藻門和黃藻門最少. 從時間差異來看，浮游植物種類略有變化，其中11月浮游植物種類較多(見表4).

按照浮游植物某個種屬的優(yōu)勢度y≥0.02，則達到優(yōu)勢地位，稱之為優(yōu)勢種屬. 兩次采樣的優(yōu)勢種屬(括號內(nèi)數(shù)字為優(yōu)勢度)包括綠藻門的衣藻(Chlamydomonasspp., 0.13)、鼓藻(Cosmariumspp.,0.09)、卵囊藻(Oocystisspp., 0.04)和新月藻(Closteriumspp., 0.02)；藍藻門的平裂藻(Merismopediaspp., 0.03)、魚腥藻(Anabaenaspp., 0.05)和隱球藻(Aphanocapsaspp., 0.05)；硅藻門的直鏈藻(Melosiraspp., 0.05)、針桿藻(Synedraspp.,0.02)；隱藻門的隱藻(Cryptomonassp., 0.04)；金藻門的錐囊藻(Dinobryonspp., 0.05)；裸藻門的裸藻(Euglenaspp., 0.04).

表4 浮游植物種類數(shù)

2.2.2浮游植物的豐度變化

由圖1可見，南漢垸11月的浮游植物豐度為8.34×106～3.02×108L-1，平均豐度為7.92×107L-1，綠藻門、藍藻門和硅藻門的豐度占比超過80%. 6月浮游植物的豐度為1.13×106～2.04×107L-1，平均豐度為6.08×106L-1. 與11月相比，6月綠藻門的豐度占比減少較大，僅占總豐度的25.82%；隱藻門的豐度占比大幅增加，僅次于綠藻門，占總豐度的24.17%；此外，黃藻門沒有出現(xiàn)在此期間，甲藻門的豐度占比幾乎可以忽略不計；不同門類浮游植物的豐度分布更為均勻.

2.2.3浮游植物的多樣性特征

圖2 南漢垸浮游植物多樣性分布特征Fig.2 Distribution characteristics of phytoplankton diversity of Nanhan Polder

由圖2可見：南漢垸水體浮游植物的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)的變化范圍為1.10～3.24，11月各采樣點的多樣性指數(shù)普遍高于6月，11月僅以養(yǎng)殖業(yè)為主的6、8和11號采樣點為輕污染，大部分采樣點的多樣性評價為α-中污染或β-中污染；Margalef豐富度指數(shù)(d)波動較大，變化范圍為1.42～6.40，由于11月的浮游植物物種數(shù)顯著高于6月，所以11月的Margalef豐富度指數(shù)較高，其中3號采樣點最高，10號采樣點最低；Pielou均勻度指數(shù)(J)的波動范圍為0.48～0.87，其中11月6、8和11號采樣點最高，僅6月7號采樣點的評價為中污染.

2.3 浮游植物與環(huán)境因子的關(guān)系

對物種數(shù)據(jù)進行DCA分析，結(jié)果顯示，排序軸中梯度最大值<2，故對數(shù)據(jù)進行RDA分析[24]. 浮游植物代碼見表5，RDA統(tǒng)計結(jié)果如表6所示，總典范特征值為0.698. 該研究中兩個環(huán)境排序軸和兩個物種排序軸的相關(guān)系數(shù)均為0，且蒙特卡羅檢驗(Monte Carlo test)結(jié)果中第1軸和全部軸P<0.05，表明排序結(jié)果是可靠的；環(huán)境因子與物種數(shù)據(jù)的前兩個排序軸的相關(guān)系數(shù)分別為0.898和0.845，擬合程度較好.

表5 RDA分析中浮游植物物種代碼

圖3反映了南漢垸浮游植物豐度與環(huán)境因子之間的關(guān)系，從軸1看，主要的相關(guān)因子是WT、ρ(NH4+-N) 和ρ(TN)，相關(guān)系數(shù)分別為0.764、-0.506 和0.401；從軸2看，主要的相關(guān)因子是pH，相關(guān)系數(shù)為0.512. 軸1的特征值達0.499，軸1和軸2的物種-環(huán)境關(guān)系累積百分數(shù)為80.1%，說明軸1和軸2能解釋大多數(shù)浮游植物分布. 浮游植物優(yōu)勢物種集中分布在第2和第3象限，與WT呈顯著負相關(guān)，與ρ(NH4+-N)、pH及ρ(TN)呈顯著正相關(guān)，其中隱球藻、錐囊藻、裸藻、直鏈藻和衣藻位于兩排序軸的中心位置，對南漢垸水體具有較強的適應(yīng)性.

表6 浮游植物豐度與環(huán)境因子的RDA統(tǒng)計結(jié)果

圖3 浮游植物豐度與環(huán)境因子的RDA分析Fig.3 Redundancy analysis of phytoplankton abundance to environmental factors

3 討論

3.1 浮游植物的群落結(jié)構(gòu)特征及營養(yǎng)狀態(tài)評價

通南漢垸不同時期浮游植物的調(diào)查顯示，6月以綠藻門和隱藻門占絕對優(yōu)勢，其次是藍藻門；11月以綠藻門和藍藻門占絕對優(yōu)勢，造成這種差異的原因可能是6月處于開泵放水期，水體處于流動更新狀態(tài)，而隱藻是急流水體中的優(yōu)勢門類[25]；11月處于關(guān)泵封水期，水體基本處于靜止狀態(tài). 汪星等[13]研究結(jié)果顯示，洞庭湖的浮游植物以綠藻門為主，硅藻門與藍藻門次之，與該研究浮游植物群落結(jié)構(gòu)組成基本一致.

浮游植物豐度和相關(guān)水環(huán)境因子都能反映水體的富營養(yǎng)化程度，綜合富營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評價與浮游植物豐度評價結(jié)果基本一致. 參照湖泊富營養(yǎng)化浮游植物豐度評價方法[26]，6月的南漢垸水體均處于中營養(yǎng)狀態(tài)，11月的浮游植物豐度普遍高于6月，其中6、8、9和11號采樣點處于重富營養(yǎng)化狀態(tài). 營養(yǎng)鹽對浮游植物的種類組成及分布有著較重要的影響，6、8和11號采樣點主要從事魚類養(yǎng)殖，而11號采樣點有大量生活污水排放，人工投肥和生活污水為浮游植物的生長提供了足夠的營養(yǎng)鹽，從而削弱了浮游植物之間的競爭強度[27]，浮游植物豐度顯著增加.

3.2 浮游植物群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子的相關(guān)性

研究[28-30]表明，pH、溫度、營養(yǎng)鹽濃度、SD、化學(xué)需氧量和水動力條件等都能對浮游植物群落組成及分布產(chǎn)生影響. 該研究中RDA結(jié)果顯示，WT、pH、ρ(NH4+-N) 及ρ(TN)是影響洞庭湖區(qū)南漢垸浮游植物群落結(jié)構(gòu)組成及分布的主要環(huán)境因子.

溫度能通過控制光合作用的酶促反應(yīng)及呼吸作用的強度直接影響藻類的生長，且溫度對浮游植物生物及群落結(jié)構(gòu)的影響機理已有大量報道[31-32]，并已基本達成共識，即隨著WT升高，伴隨著喜溫浮游植物，尤其是藍藻、綠藻開始大量繁殖，浮游植物豐度也隨之升高. 然而該研究中，6月的浮游植物物種數(shù)及豐度均低于11月，RDA結(jié)果卻顯示浮游植物豐度與WT呈負相關(guān)，其原因可能是，6月為開泵放水期，外河水體流入致使溝渠水位升高，對浮游植物豐度具有稀釋作用，水體流速加快，而浮游植物的水平分布受水流的影響很大，較快的水流不利于浮游植物豐度的積累.

氮、磷是浮游植物生長最重要的營養(yǎng)物質(zhì)，也是生長限制元素，營養(yǎng)鹽的不足或過量都會影響浮游植物的生長和群落結(jié)構(gòu)[33-35]. 李利強等[12]研究表明，洞庭湖浮游植物的生長主要受到氮〔特別是ρ(NH4+-N)〕的限制，添加NH4+-N能顯著促進浮游藻類生物量的增加. 南漢垸位于洞庭湖區(qū)西北部，垸內(nèi)水體與淞澧洪道及藕池河中、西支相連，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動以種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)為主，存在生活污水及垃圾未進行集中收集和處理而直接排放的現(xiàn)象，而農(nóng)藥化肥和生活污水是ρ(TN)和ρ(NH4+-N)的主要貢獻者，且有研究[36]表明浮游植物傾向吸收水體中的銨態(tài)氮來合成細胞所需要的氨基酸等物質(zhì)，故ρ(TN)和ρ(NH4+-N) 能成為南漢垸浮游植物群落結(jié)構(gòu)組成與分布的主要限制因子. 除了溫度和營養(yǎng)鹽，pH也對浮游植物有著重要影響，浮游植物對過高或過低的pH十分敏感[37]. 陳立婧等[38]研究表明，pH通過調(diào)節(jié)水體中的可利用碳源，影響浮游植物的光合速率和種間競爭，且認為堿性環(huán)境更有利于浮游植物光合作用，促進浮游植物生長繁殖，這與該研究中pH與浮游植物豐度呈正相關(guān)的結(jié)果一致.

由表6可見，該研究環(huán)境因子對浮游植物豐度解釋了56.0%，表明還有其他因子對浮游植物豐度的變化產(chǎn)生了重要影響，因此南漢垸的浮游植物群落結(jié)構(gòu)及豐度的變化不僅受WT、pH及營養(yǎng)鹽的影響，還可能受到流域的水生植物及魚類[27,39]、光照強度[40]、土地利用類型[41]、水動力[42]等條件的影響.

3.3 浮游植物多樣性分析及水質(zhì)評價

整體而言，11月浮游植物多樣性指數(shù)高于6月，多樣性指數(shù)越高，群落結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，水質(zhì)狀況也越好. 其中，由于6號采樣點所在溝渠于2018年5月進行了溝渠清淤，其多樣性指數(shù)顯著低于同時期(6月)其他采樣點. 鐘繼承等[43]研究表明，底泥疏浚對浮游植物群落多樣性產(chǎn)生了影響，疏浚后初期生物群落多樣性指數(shù)顯著低于未疏浚時期，與該研究結(jié)果一致. 換水率與浮游植物生物量和營養(yǎng)濃度密切相關(guān)[44]，10號采樣點位于新碼頭電排渠與藕池河的接口處，仍有較大的流量，換水率較高，生物多樣性指數(shù)顯著低于同時期(11月)的其他采樣點. 綜上，南漢垸浮游植物多樣性評價介于輕污染與β-中污染之間，但局部采樣點的多樣性指數(shù)較低，多樣性評價為α-中污染，這與該采樣點人類干擾有明顯的關(guān)系. 此外，PCA結(jié)果表明，ρ(TN)、ρ(TP)和ρ(NH4+-N)為南漢垸水體的主要污染因子. 基于南漢垸目前的水環(huán)境情況，應(yīng)加強鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)面源污染的控制及管理，構(gòu)建生活污水處理設(shè)施，杜絕生活污水的肆意排放，控制氮、磷等營養(yǎng)鹽的輸入；同時，建立長效監(jiān)管機制，加強區(qū)域內(nèi)水污染綜合治理及其水生態(tài)修復(fù)工程，防止水質(zhì)進一步惡化.

4 結(jié)論

a) 洞庭湖南漢垸浮游植物調(diào)查共鑒定出8門62屬，主要隸屬于綠藻門、硅藻門及藍藻門；優(yōu)勢物種以綠藻門的衣藻和鼓藻為主；11月的浮游植物物種數(shù)及豐度顯著高于6月. 另外，綜合富營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評價與浮游植物豐度評價的結(jié)果一致，11月的水體營養(yǎng)狀態(tài)普遍高于6月.

b) PCA結(jié)果表明，ρ(TN)、ρ(TP)和ρ(NH4+-N)為南漢垸水體的主要污染因子. 浮游植物多樣性評價表明，南漢垸整體上介于輕污染與β-中污染之間，局部采樣點評價為α-中污染. 總的來看，11月的多樣性指數(shù)高于6月，群落結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，水質(zhì)狀況更好.

c) RDA結(jié)果顯示，洞庭湖區(qū)南漢垸浮游植物群落結(jié)構(gòu)分布受水環(huán)境因子影響較為明顯. 整體上，南漢垸浮游植物群落結(jié)構(gòu)分布與pH、ρ(NH4+-N)及ρ(TN)呈正相關(guān)，與WT呈負相關(guān)，其他因子對浮游植物群落結(jié)構(gòu)也有一定的影響和限制作用.