李勝男，熊麗萍，彭 華，余 麗，紀(jì)雄輝

(1:湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院湖南省農(nóng)業(yè)環(huán)境生態(tài)研究所，農(nóng)業(yè)部長江中游平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410125)(2:湖泊與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210008)(3:湖南大學(xué)研究生院隆平分院，長沙 410125)(4:安徽建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，合肥230601)

浮游藻類是水生態(tài)系統(tǒng)中最重要的初級生產(chǎn)者. 根據(jù)粒徑大小可將浮游藻類分為超微型藻(< 3 μm)、納微型藻(3～20 μm)和微型藻(> 20 μm). 不同粒徑大小浮游藻類的生長速率、對營養(yǎng)要素的攝入速率、在食物網(wǎng)中的能流去向和沉降特性等均不同[1-3]，因而了解浮游藻類的粒級結(jié)構(gòu)特征對于研究水體生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)流動、能流結(jié)構(gòu)和湖泊碳通量等都具有重要意義.

藻細(xì)胞對營養(yǎng)鹽的吸收速率與其半徑的平方呈反比[4-5]，因此，大粒徑的藻類比小粒徑的藻類更容易受到營養(yǎng)鹽限制[5]. 一般，在貧營養(yǎng)水體中主要為超微型藻類占優(yōu)勢，而隨著營養(yǎng)水平的升高，微型和小型藻類的貢獻(xiàn)率逐漸增加[6-8]. 王軍靜在白洋淀的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，小型和微型浮游藻類是富營養(yǎng)化水體白洋淀葉綠素的主要貢獻(xiàn)者[9]. 在黃海冷水團(tuán)水域，與溫度相比，營養(yǎng)鹽水平對不同粒級浮游藻類生物量變化的影響更為重要[10]. 除此之外，由于小粒徑浮游藻類色素受到的包裹效應(yīng)(package effect)較小，對光量子的利用效率更高[11-12]，在弱光條件下更具競爭優(yōu)勢；因此，即使是在富營養(yǎng)水體中，超微型藻類仍可能具有較強(qiáng)的競爭優(yōu)勢. 更為重要的是，細(xì)胞粒徑也是影響浮游藻類新陳代謝速率的關(guān)鍵：極小和極大的細(xì)胞具有相似的新陳代謝率，而中等大小的細(xì)胞新陳代謝率最快，這也是大部分的藻類水華都主要由中等粒徑藻類組成的重要原因[13-14]. 因此，浮游藻類的粒級結(jié)構(gòu)變化很大程度地反應(yīng)了水環(huán)境條件(尤其是營養(yǎng)水平)的變化，是評價(jià)水環(huán)境質(zhì)量發(fā)展趨勢的重要依據(jù).

目前，國內(nèi)對于浮游藻類粒級結(jié)構(gòu)的報(bào)道主要集中在海洋生態(tài)系統(tǒng)中，研究區(qū)域已基本覆蓋我國主要海域，包括渤海、黃海、東海、臺灣海峽及南大洋等[15-18]，而淡水環(huán)境中的同類研究報(bào)道相對較少. 長江中下游地區(qū)分布著大量的淺水湖泊，這些湖泊的特征各異，在人類生產(chǎn)和生活中都發(fā)揮著極其重要的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)作用，同時(shí)湖泊功能也都受到了不同程度的損害，甚至出現(xiàn)富營養(yǎng)化問題. 然而，該區(qū)域研究主要集中在浮游藻類種群結(jié)構(gòu)的變化，而忽略了粒級結(jié)構(gòu)變化. 本研究以洞庭湖泊群中最大、保存最完好的主體湖盆東洞庭湖為研究對象，通過為期1年的野外監(jiān)測和調(diào)查，結(jié)合多元統(tǒng)計(jì)分析，揭示東洞庭湖浮游藻類群落的粒級結(jié)構(gòu)組成情況及其演替規(guī)律，探討影響不同粒級浮游藻類生長的關(guān)鍵環(huán)境因子，為洞庭湖水環(huán)境健康評價(jià)及湖泊生態(tài)功能研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù).

圖1 東洞庭湖位置及采樣點(diǎn)位Fig.1 Location of east Lake Dongting and distribution of the sampling sites

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

洞庭湖是我國第二大淡水湖，總面積約2691 km2，洪道面積1307 km2，是承納湘、資、沅、澧“四水”和吞吐長江的過水性洪道型湖泊，同時(shí)也是國際重要濕地. 由于資源豐富，其在洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)的發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用. 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，洞庭湖水質(zhì)呈惡化趨勢，尤其是東洞庭湖區(qū)，富營養(yǎng)化嚴(yán)重[19]. 東洞庭湖，位于洞庭湖東北隅，作為洞庭湖湖泊群中最大、保存最完好的主體湖盆，其水域面積占洞庭湖湖區(qū)總面積的55%，是整個(gè)洞庭湖湖水最終匯入長江的聚集水域，其健康程度不僅能直接反映洞庭湖區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，并可能直接影響長江中游荊江段水質(zhì).

本研究在東洞庭湖區(qū)共設(shè)置12個(gè)采樣點(diǎn)(圖1)，其中1#點(diǎn)位于洞庭湖東部君山，東洞庭湖水經(jīng)此匯入湘江行洪道流入長江；2#～5#點(diǎn)位于東洞庭湖北部湖區(qū)；6#～9#點(diǎn)位于東洞庭湖南部湖區(qū)；10#～12#點(diǎn)位于東洞庭湖東部湘江行洪道上. 由于受洞庭湖水位影響，北部和南部湖區(qū)部分或全部點(diǎn)位在冬季枯水期(圖1灰藍(lán)色區(qū)域，2018年12月-2019年3月)未能采集.

1.2 樣品采集及水質(zhì)分析

于2018年9月-2019年9月，每月對東洞庭湖進(jìn)行一次采樣調(diào)查，其中9-11月為秋季、12月-次年2月為冬季、3-5月為春季、6-8月為夏季. 通過GPS系統(tǒng)定位，利用采水器采集0～1.2 m范圍內(nèi)的表層水樣，混合均勻后，裝入無菌塑料瓶，冷藏運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析. 現(xiàn)場采用多參數(shù)水質(zhì)分析儀(Aquaread AP-2000, UK)原位測定水溫(T)、pH、溶解氧(DO)、濁度(Turb)、氧化還原電位(ORP)和電導(dǎo)率(EC)等指標(biāo)；利用塞氏黑白盤法測定水體透明度(SD)；利用便攜式水深探測儀(Speedtech SM-5A, Unionville, VA, USA)測定水深(Depth). 用采樣當(dāng)日洞庭湖城陵磯站水位表示水位(WL)變化.

1.3 不同粒級浮游藻類生物量測定

本研究利用葉綠素a(Chl.a) 濃度表征浮游藻類生物量. 采用分級過濾法，取部分水樣依次通過20、3和0.2 μm孔徑的濾膜(Merck Millipore Ltd., Tullagreen, Carrigtwohill Co. Cork, IRL)分別收集微型藻、納微型藻和超微型藻類. 過濾過程中根據(jù)過濾速度及時(shí)更換濾膜，以盡可能降低因孔徑堵塞，截留小粒徑藻類而引起的誤差. 濾膜采用90%丙酮提取法，于暗處-4℃靜置提取至少12 h，離心取上清液，再用90%丙酮定容，使用熒光分光光度計(jì)(RF-5301)測定Chl.a濃度[21]. 0.2、3和20 μm濾膜收集的藻細(xì)胞Chl.a分別代表超微型藻(Chl_pico)、納微型藻(Chl_nano)和微型藻(Chl_micro)的Chl.a濃度，三者之和即為總浮游藻類Chl.a濃度；并利用pChl_pico、pChl_nano和pChl_micro分別代表超微型藻、納微型藻和微型藻類Chl.a所占的比例.

1.4 數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計(jì)

通過雙因素方差分析Two-way ANOVAs對洞庭湖環(huán)境因子的時(shí)空分布進(jìn)行差異顯著性分析. 利用Spearman相關(guān)系數(shù)檢測浮游藻類生物量及不同粒級浮游藻類相對比例與主要水環(huán)境因子的相關(guān)性. 利用多元逐步回歸分析進(jìn)一步探究影響浮游藻類Chl.a和PC濃度的關(guān)鍵影響因子，利用矯正R2判定系數(shù)表征回歸模型中環(huán)境因子變異對浮游藻類Chl.a和PC濃度變異的解釋率；通過相對權(quán)重法分析各因子的對解釋變量預(yù)測的相對重要性. 利用冗余分析(RDA)分析浮游藻類粒級組成與環(huán)境因子的相關(guān)性，并且通過環(huán)境因子預(yù)選篩選出對浮游藻類粒級組成變化解釋率最高的環(huán)境因子. 所有統(tǒng)計(jì)分析和作圖均在R (version 3.5.3, http://cran.r-project.org)環(huán)境下完成.

表1 東洞庭湖全年環(huán)境因子和浮游藻類粒級組成均值及其時(shí)空變化的差異顯著性分析結(jié)果*

圖2 東洞庭湖水溫和水位周年變化Fig.2 The temporal changes of temperature and water levels in east Lake Dongting

2 結(jié)果與分析

2.1 湖泊理化特性分析

2018年9月-2019年9月全年檢測期間，東洞庭湖水環(huán)境因子均值及其變化范圍如表1所示. 雙因素方差分析結(jié)果表明，東洞庭湖大部分水環(huán)境因子時(shí)空變化差異顯著. 在時(shí)間上，洞庭湖為典型的過水性洪道型湖泊，受水位影響，不同季節(jié)水深變化明顯，夏季為豐水期，春季為水位上升期，秋季為水位下降期，冬季水位最低(圖2)；其次，東部行洪道水深顯著高于北部和南部湖區(qū)，而水體透明度顯著低于北部和南部湖區(qū)(圖3). 受亞熱帶季風(fēng)氣候影響，東洞庭湖水溫表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性差異，全年平均水溫22.01℃，冬季最低溫為5.1℃，夏季最高溫達(dá)到32.8℃. 水體pH和DO濃度分別與水溫呈現(xiàn)相似和相反的時(shí)間變化規(guī)律. 水體TN濃度在平均濃度1.49 mg/L左右波動，南部和北部湖區(qū)均在夏季達(dá)到最低值. TP濃度在春季水位上升期達(dá)到峰值，其他時(shí)間均保持相對穩(wěn)定，波動不明顯. 水體CODMn和DOC濃度均在冬季最低(圖3). 在空間上，東部行洪道水體理化因子顯著區(qū)別于南部和北部湖區(qū)(圖3). 其中東部行洪道pH、EC和DO濃度(尤其是夏季)均顯著低于北部和南部湖區(qū)，而Turb、ORP和TN濃度均顯著高于北部和南部湖區(qū).

圖3 東洞庭湖主要水環(huán)境因子的時(shí)空差異Fig.3 Temporal and spatial variations of the main physiochemical parameters in east Lake Dongting

2.2 東洞庭湖浮游藻類濃度變化及其影響因子

圖4 東洞庭湖浮游藻類葉綠素a和PC濃度的時(shí)空變化Fig.4 Temporal and spatial variations of phytoplanklon chlorophyll-a and phycocyanobilin concentrations in east Lake Dongting

東洞庭湖浮游藻類Chl.a全年的平均濃度為15.95 μg/L，變化范圍為1.13～68.51 μg/L，時(shí)空分布差異明顯(表1，圖4). 空間上，北部湖區(qū)浮游藻類Chl.a濃度最高，平均值為26.12 μg/L；其次為南部湖區(qū)，平均Chl.a濃度為15.81 μg/L；，東部行洪道上浮游藻類Chl.a濃度最低，平均為5.88 μg/L. 同時(shí)，浮游藻類Chl.a濃度還表現(xiàn)出明顯的季節(jié)波動，冬季最低，平均為3.28 μg/L；從春季開始逐漸升高，到夏季達(dá)到最高值，平均濃度達(dá)到22.43 μg/L；到秋季開始逐漸降低. PC濃度可用于表征水體藍(lán)藻生物量. 總體上，東洞庭湖PC濃度與浮游藻類Chl.a濃度呈現(xiàn)相似的時(shí)空分布規(guī)律(圖4). 北部湖區(qū)PC濃度最高，尤其是在夏季，最高濃度可達(dá)到103.11 μg/L，部分區(qū)域出現(xiàn)水華；秋季開始逐漸降低，冬季達(dá)到最低值. 而東部和南部湖區(qū)全年P(guān)C濃度均保持在較低水平，平均濃度分別為1.64和2.80 μg/L.

表2 浮游藻類葉綠素a及其粒級組成與環(huán)境因子的Spearman相關(guān)系數(shù)

圖5 逐步回歸分析中各變量相對權(quán)重柱狀圖(***表示P<0.001； **表示P<0.01；*表示P<0.001)Fig.5 Bar plots of relative weights of the factors retained after stepwise regression analyses

2.3 浮游藻類粒級結(jié)構(gòu)變化及其與環(huán)境因子的關(guān)系

如表1所示，納微型藻(3～20 μm)是東洞庭湖浮游藻類生物量的主要貢獻(xiàn)者，全年平均占比為52.8%；其次為超微型藻(< 3 μm)，全年平均占比為31.1%；微型藻(> 20 μm)占比最低. 此外，東洞庭湖浮游藻類粒級結(jié)構(gòu)還表現(xiàn)出明顯的季節(jié)差異. 納微型藻在冬季優(yōu)勢度最高，平均高達(dá)68%；春季開始超微型藻所占比例逐漸升高，在夏季到達(dá)最高，對浮游藻類總Chl.a濃度的貢獻(xiàn)量均值為42.1%；而微型藻(>20 μm)占比最低，全年平均占比16.2%，其比例在夏、秋季有所升高，尤其是在總Chl.a濃度最高的北湖湖區(qū)(圖6).

圖6 東洞庭湖不同湖區(qū)不同粒級浮游藻類絕對豐度和相對豐度組成變化Fig.6 Temporal variations of the absolute and relative compositions of different phytoplankton size components in east Lake Dongting

圖7 東洞庭湖不同粒級浮游藻類絕對組成(a)和相對組成(b)與環(huán)境因子的RDA分析Fig.7 Redundancy analysis (RDA) triplots of the absolute (a) and relative (b) compositions of phytoplankton size fractions in east Lake Dongting

3 討論

通過對浮游藻類生物量的分粒級研究發(fā)現(xiàn)，東洞庭湖浮游藻類主要由納微型藻組成，這與包括海洋在內(nèi)的其他生境中的研究結(jié)果相似，粒徑在2～20 μm中等粒徑的納微型浮游藻類是水體中浮游藻類的主要貢獻(xiàn)者[18,32-33]. 超微型藻是東洞庭湖浮游藻類生物量的第二大貢獻(xiàn)者，平均占比超過30%，顯著高于富營養(yǎng)化嚴(yán)重的太湖和巢湖(不到20%)[8]，進(jìn)一步表明隨著湖泊營養(yǎng)條件的增加超微型藻所占比例不斷降低. 這主要是由于超微型藻細(xì)胞粒徑小，比表面積大，營養(yǎng)吸收速率快，因此，在營養(yǎng)鹽水平較低的水體中更具競爭優(yōu)勢[1]. 研究表明，如果超微型藻能夠長時(shí)間維持較高吸收速率，那么在有瞬間的營養(yǎng)鹽濃度波動的環(huán)境中，它們就更具有競爭優(yōu)勢[34]；而通江湖泊水動力條件十分復(fù)雜，水環(huán)境條件變化頻繁，這也可能是超微型藻在東洞庭湖優(yōu)勢度高的重要原因之一，尤其是在夏季水位上升期.

RDA限制性排序結(jié)果表明，盡管不同粒級浮游藻類對環(huán)境因子的響應(yīng)趨勢相同，但適應(yīng)能力不同；主要體現(xiàn)在環(huán)境因子對浮游藻類絕對生物量和相對生物量的影響結(jié)果不同(圖7). 營養(yǎng)鹽是控制浮游植物粒級結(jié)構(gòu)最重要的因素，這主要是基于超微藻通常在寡營養(yǎng)水體中更占優(yōu)勢這一共識；但也有例外，如在營養(yǎng)鹽豐富的冬季，小粒徑的浮游藻類仍是浮游藻類生物量的主要貢獻(xiàn)者[35]. 這與冬季光的可利用性緊密相關(guān)，冬季光照條件是影響浮游藻類粒級結(jié)構(gòu)的重要因素之一，因?yàn)樾×絺€(gè)體細(xì)胞色素受包裹效應(yīng)相對較少，能更好地適應(yīng)弱光環(huán)境[11-12]. 此外，溫度也能顯著影響浮游藻類的粒級結(jié)構(gòu)，生物個(gè)體大小一般隨溫度的升高而逐漸降低，在冬季大粒徑的藻類細(xì)胞或聚集體占優(yōu)勢，而夏季浮游藻類生物量主要由小粒徑藻類組成[17,36-37]；另一方面，增溫還能促進(jìn)浮游動物對大粒徑藻類的捕食作用，從而增加超微型藻的優(yōu)勢度[38]. 這與本研究結(jié)果基本一致，溫度、透明度、水位、營養(yǎng)鹽和pH是影響東洞庭湖游藻類粒級結(jié)構(gòu)的重要因素，粒徑最大的微型藻所占比例與高pH值、低營養(yǎng)鹽濃度緊密相關(guān)，納微型藻在低溫、低透明度水體中更具競爭優(yōu)勢，而溫度上升、水位增加、濁度減小更利于超微型藻生長(圖7b). 高pH值和低營養(yǎng)鹽濃度環(huán)境可能是由于藻類生物量大量生長，消耗水體CO2和營養(yǎng)鹽，引起水體pH升高所致[39]，也進(jìn)一步表明大粒徑藻類更易受營養(yǎng)鹽限制. 值得注意的是，相關(guān)分析表明東洞庭湖超微藻所占比例與SD呈顯著正相關(guān)(表2，圖7b)，這與小粒徑藻類在弱光環(huán)境更具競爭優(yōu)勢的生態(tài)學(xué)原理相悖. 最近有研究報(bào)道，在洪泛平原漫灘湖泊中粒徑最小的超微型藻是洪水來臨時(shí)最先響應(yīng)的藻類群體[40]，這與本研究超微藻與水位呈極顯著正相關(guān)的趨勢一致(表2，圖7b)；而環(huán)境因子相關(guān)分析表明東洞庭湖水體透明度與水溫、水位均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，這也可能是東洞庭湖超微藻與SD呈顯著正相關(guān)的主要原因.

4 結(jié)論

1)東洞庭湖浮游藻類Chl.a和PC濃度均呈現(xiàn)顯著的時(shí)空分布差異. 在空間上，從北部湖區(qū)、南部湖區(qū)到東部行洪道上依次降低；在時(shí)間上，冬季最低，從春季開始逐漸上升，到夏季達(dá)到峰值，秋季開始逐漸降低.

3)納微型藻(3～20 μm)是東洞庭湖浮游藻類生物量的主要貢獻(xiàn)者，全年平均占比為52.8%；其次為超微型藻(< 3 μm)；微型藻(> 20 μm)占比最低. 東洞庭湖浮游藻類粒級結(jié)構(gòu)還表現(xiàn)出明顯的季節(jié)波動. 納微型藻在冬季優(yōu)勢度最高，而夏季超微型浮游藻類貢獻(xiàn)量顯著增加.

4)RDA限制性排序結(jié)果表明，不同粒級浮游藻類對環(huán)境因子的響應(yīng)趨勢相同，但適應(yīng)能力不同. 溫度、水位、營養(yǎng)鹽和pH等是影響東洞庭湖浮游藻類粒級結(jié)構(gòu)的重要因素.