張 嚴，蘭 聰，胡一晗，吳曉東 ，李 恒，侯建軍

(1.湖泊環(huán)境保護與資源可持續(xù)利用黃石市重點實驗室(湖北師范大學)，湖北 黃石 435002；2.湖北師范大學 生命科學學院，湖北 黃石 435002；3. 湖北師范大學 城市與環(huán)境學院，湖北 黃石 435002)

0 引言

湖泊是一個與外界環(huán)境頻繁進行物質(zhì)與能量交換的復雜系統(tǒng)，其生態(tài)系統(tǒng)的多樣性與環(huán)境之間存在著相互影響的關系[1]。大冶湖是大冶市境內(nèi)最大的天然湖泊，發(fā)源于鄂南幕阜山北麓，流域面積1 106 km2，湖面位于114°39′E～115°24′E，29°52′N～30°12′N，湖中心坐標115°5′46′′E，30°5′25′′N.大冶湖流域?qū)俚湫蛠啛釒Т箨懶詺夂?，冬冷夏熱，光照充足，無霜期長[2]。網(wǎng)湖位于湖北省黃石市陽新縣東，瀕臨長江，系沉溺河谷出流受阻積水而成[3]。湖區(qū)屬亞熱帶季風氣候，四季分明，雨量充沛，氣候溫和，年平均氣溫15.9 ℃[4].大冶湖和網(wǎng)湖均屬于淺水湖泊。

浮游植物(phytoplankton)是一種小型、多樣化的浮游生活植物，根據(jù)其形態(tài)構(gòu)造、光合色素組成和儲藏物質(zhì)的化學性質(zhì)，可將淡水浮游藻類劃分為十三個門類。早在上個世紀，人們就開始了關于浮游植物對營養(yǎng)變化響應的研究，例如1988年Martin等人在實驗中觀察到，浮游植物葉綠素的含量與實驗添加的nmoL級的鐵含量呈比例增加，且缺鐵會限制主要營養(yǎng)(磷酸鹽、硝酸鹽等)豐富的水域中浮游植物的生長[5]。近年來也有許多學者開展了一系列實驗來研究湖泊中浮游植物與環(huán)境因子的關系及其演變趨勢，如：王禮全等進行了太湖流域浮游藻類功能群結(jié)構(gòu)組成與環(huán)境因子關系的研究[6]，石展耀等通過多元逐步回歸分析探索了理化因子對山口湖初級生產(chǎn)力的影響[7]，王吉毅等對千島湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)的垂向分布特征進行了研究[8]。浮游植物是水生生態(tài)系統(tǒng)的主要生產(chǎn)者之一[9]，在水體物質(zhì)轉(zhuǎn)換和能量循環(huán)過程中起著關鍵作用，某些特定浮游植物其物種的更替在一定程度可以反映水體的營養(yǎng)狀況[10]，同時，水環(huán)境的變化也能直接或間接地影響浮游植物群落結(jié)構(gòu)的演替和組成[11]，因此研究湖泊的浮游植物多樣性對生態(tài)監(jiān)測具有重要生態(tài)意義。

1 材料與方法

1.1 采樣點設置及采樣時間

根據(jù)大冶湖、網(wǎng)湖的水域面積，并遵循有代表性和覆蓋性的原則，在大冶湖主湖和網(wǎng)湖各設置10個采樣站點，采樣點基本覆蓋了大冶湖和網(wǎng)湖的全部功能區(qū)域以及代表性地形，分別于2021年春季和夏季對大冶湖和網(wǎng)湖進行取樣等現(xiàn)場生態(tài)調(diào)查。采樣在每天的上午10點到下午2點之間進行，采樣站點位置分布如圖1、圖2所示。

圖1 大冶湖采樣點分布圖

圖2 網(wǎng)湖采樣點分布圖

1.2 浮游植物分粒級的過濾方法

結(jié)合文獻確定采樣方式，使用有機玻璃采水器采集大冶湖和網(wǎng)湖水下0.5 m處的水樣[12]。水樣采集完成后，做好相應標簽，用黑色塑料袋避光保存，并對采樣時間、采樣站點經(jīng)緯度以及現(xiàn)場理化指標進行實時記錄。水樣運回實驗室后，用過濾裝置進行過濾，依次用 200 μm、20 μm孔徑的篩絹、5 μm孔徑的聚碳酸酯濾膜、0.7 μm孔徑的 GF/F 濾膜對現(xiàn)場水樣進行分步過濾，采用差值法計算，得到分粒級的浮游植物樣品。吸水紙吸干水分后，用鋁箔紙密封保存，并寫好相應標記，冷凍保存直至后續(xù)分析。

1.3 高效液相色譜法測定特征光合色素含量

采用高效液相色譜(High Performance Liquid Chromatography，HPLC)法對浮游植物光合色素進行測定分析。具體步驟為：將樣品依次放入HPLC自動進樣器中，當色素提取液進樣后與流動相互相混合，在流經(jīng)色譜柱時被分離開來[13]。高效液相色譜儀要求：Eclipse XDB-C8 柱色譜柱(3.5 μm，4.6×150 mm Agilent，USA)，柱溫25 ℃.流動相采用二元梯度洗脫法[14]，流動相 A：甲醇+1M 醋酸銨(體積比為4∶1)；流動相 B：純甲醇(色譜純)。實驗用水為超純水(Millpore)。使用CHEMTAX來計算或Letelier等人提出的色素換算公式來量化研究浮游植物的群落結(jié)構(gòu)和類群組成[15]。該方法具有快速、準確和高通量的優(yōu)勢，從而實現(xiàn)對不同藻類特征光合色素的準確定性和定量分析，在此基礎上，通過特征光合色素的量化來進一步表征各粒級浮游植物的群落結(jié)構(gòu)和演替過程[16]。

1.4 環(huán)境理化指標的測定

現(xiàn)場使用EXO3(YSI，美國)便攜式水質(zhì)檢測儀測定的室外指標有水溫(WT)、酸堿度(pH)、濁度(TUR)、電導率(SPC)、溶解性固體總量(TDS)、氧化還原電位(ORP)、溶解氧(DO)等。室內(nèi)理化指標在實驗室按照相關文獻的步驟進行測定，測定總磷(TP)、總氮(TN)、磷酸鹽 (PO43-)、銨鹽(NH3-N)等，參照國家標準《水和廢水監(jiān)測分析方法》[12]。

2 結(jié)果和分析

2.1 大冶湖和網(wǎng)湖春夏季理化指標分析

分析水體環(huán)境因子變化并對其進行克魯斯卡爾-沃利斯檢驗(Kruskal-Wallis test)發(fā)現(xiàn)， TN和PO43-濃度不同湖泊間差異較大，TP及NH3-N在不同季節(jié)間差異較顯著(p<0.01)(表1，圖3)。大冶湖春季TN濃度在0.624～1.534 mg/L范圍內(nèi)，而夏季的變化范圍在0.654～2.031 mg/L，且均在D9點有最大值(春季為1.534 mg/L，夏季為2.031 mg/L)；網(wǎng)湖TN春季最大值(1.291 mg/L)與最小值(0.116 mg/L)相差較為顯著，而夏季相差較小。PO43-在夏季平均值(0.053 mg/L)高于春季(0.038 mg/L)，但是各站點之間差異不大(p>0.05)。NH3-N在春季的變化范圍在1.051～1.121 mg/L，夏季的變化范圍在0.178～0.221 mg/L，從春季到夏季的數(shù)據(jù)變化趨勢來看呈墜崖式。夏季TP平均濃度(0.146 mg/L)比春季(0.055 mg/L)高，且網(wǎng)湖TP濃度均高于大冶湖(p<0.05)。

表1 大冶湖網(wǎng)湖主要環(huán)境因子濃度及其時空變化的差異顯著性分析結(jié)果

圖3 大冶湖網(wǎng)湖春夏季主要理化指標變化

2.2 大冶湖網(wǎng)湖特征光合色素含量分析

基于HPLC技術檢測大冶湖和網(wǎng)湖中浮游植物光合色素的含量，結(jié)果表明，有8種色素為主要的特征光合色素，分別為巖藻黃素(Fuco)、新黃素(Neox)、堇菜色素(Viol)、別藻黃素(Allo)、玉米黃素(Zeax)、葉黃素(Lute)、葉綠素 b(Chlb)和葉綠素 a(Chla)。

Fuco、Allo、Chlb、Chla是大冶湖最主要的特征光合色素，在不同站點上均有較大差異(圖4)。其中，F(xiàn)uco、Allo和Chlb的濃度在時間尺度具有明顯差異。春季Fuco的濃度在246.53～892.44 ng/L范圍內(nèi)，大冶湖1-6號站點的Fuco濃度相對較高(>500 ng/L)；夏季的濃度較春季大為降低，濃度最高的為大冶湖1號站點(283.44 ng/L)，濃度最低僅為18.22 ng/L.春季Allo的平均濃度(1 039.74 ng/L)遠高于夏季(321.43 ng/L)，大約為夏季的3倍。夏季Chlb濃度范圍在429.15～796.54 ng/L之間，除了在4號站點比春季的稍低以外，其它站點均比春季的更高。Chla濃度在所有光合色素中是最高的，春季Chla濃度的最大值為6 440.52 ng/L，最小值為3 828.65 ng/L，各站點平均值高達3 828.65 ng/L；夏季Chla濃度平均值為4 340.26 ng/L，較春季有所增長，最大值出現(xiàn)在大冶湖9號站點，為8 016.75 ng/L.

Fuco、Zeax、Chlb、Chla是網(wǎng)湖主要的特征光合色素，四種特征光合色素的濃度高低排序為：Chla> Fuco > Chlb> Zeax.網(wǎng)湖春季1號站點的Fuco濃度最高，為1 072.94 ng/L，相較于春夏季其它站點濃度偏高；春夏季Fuco濃度的均值較為接近，都在300 ng/L左右。網(wǎng)湖春夏季Zeax的濃度范圍為50.41～220.20 ng/L，春季和夏季的濃度范圍相差不大。網(wǎng)湖春季的Chlb在3號和5號站點的濃度均為0，在1號站點濃度最高(496.59 ng/L)；夏季2號站點的Chlb濃度最高(466.05 ng/L)，3號站點的濃度最低(120.53 ng/L)。網(wǎng)湖春夏季Chla濃度的平均值都在2 500 ng/L左右。

圖4 大冶湖網(wǎng)湖春夏季光合色素濃度

2.3 大冶湖網(wǎng)湖不同粒級浮游生物組成分析

大冶湖和網(wǎng)湖的浮游植物種類主要為以下7種：裸藻(Euglenophytes)、甲藻(Dinoflagellates)、隱藻(Cryptophytes)、金藻(Chrysophytes)、綠藻(Chlorophytes)、藍藻(Cyanobacteria)和硅藻(Diatoms)，其中裸藻、隱藻、金藻、藍藻和硅藻為主要優(yōu)勢物種。大冶湖和網(wǎng)湖的優(yōu)勢物種在時間和空間上均有差異。

大冶湖春季的優(yōu)勢種群為裸藻(76.28%)、硅藻(12.79%)(圖5a)。分粒級上來看，春季大冶湖3種粒級的浮游植物的優(yōu)勢種群均為裸藻，微型浮游植物的優(yōu)勢物種還包括硅藻。大冶湖在夏季的優(yōu)勢種群為隱藻(79.04%)和裸藻(10.10%)(圖5b)。分粒級來看，夏季大冶湖3種粒級浮游植物的優(yōu)勢種群均為隱藻，裸藻在微型浮游植物中也占一定優(yōu)勢。網(wǎng)湖春季的優(yōu)勢種群為裸藻(70.21%)、金藻(13.27%)(圖5c)。春季網(wǎng)湖3種粒級浮游植物優(yōu)勢種群均為裸藻，微型浮游植物及超微型浮游植物中金藻也占優(yōu)勢。夏季的優(yōu)勢種群為裸藻(52.00%)、隱藻(14.17%)、硅藻(15.75%)、藍藻(13.91%)(圖5d)。網(wǎng)湖夏季小型浮游生物優(yōu)勢種群為裸藻(57.16%)和硅藻(42.12%)，微型浮游生物優(yōu)勢種群為裸藻(67.49%)和金藻(14.93%)，超微型浮游生物優(yōu)勢種群為裸藻(31.37%)、隱藻(27.52%)和藍藻(35.21%)。

圖5 大冶湖網(wǎng)湖春夏季藻組成圖

2.4 大冶湖網(wǎng)湖浮游植物與環(huán)境因子相關性分析

不同的浮游藻類群和環(huán)境因子之間有一定的相關關系，浮游藻類周邊不同的環(huán)境因子對藻類生長生活起著不可或缺的作用。對全粒級各個站點的藻類和環(huán)境因子進行了相關性分析表明(表2)：裸藻與WT、DO、CODMn呈極顯著的負相關關系，與NH3-N呈極顯著的正相關關系(p<0.01W)。隱藻與WT、DO、CODMn、TP呈極顯著的正相關關系，與NH3-N呈極顯著的負相關關系(p<0.01)。金藻與TN呈極顯著負相關關系(p<0.01)。綠藻與CODMn呈極顯著的負相關關系(p<0.01)。藍藻與WT、TP、PO43-呈極顯著的正相關關系，與TN呈極顯著負相關關系(p<0.01)。

3 討論

3.1 大冶湖與網(wǎng)湖的水質(zhì)狀況

從總體上看，大冶湖水質(zhì)狀況優(yōu)于網(wǎng)湖。參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》[17]可知，大冶湖春季整體水質(zhì)為Ⅲ類水(0.025 mg/L≤TP≤0.05 mg/L)，夏季為Ⅴ類(0.1 mg/L≤TP≤0.2 mg/L)；網(wǎng)湖春季整體水質(zhì)為Ⅳ類(0.05 mg/L≤TP≤0.1 mg/L)，夏季為Ⅴ類(0.1 mg/L≤TP≤0.2 mg/L)。

兩湖夏季TP平均濃度比春季高，且網(wǎng)湖TP濃度均高于大冶湖。大冶湖和網(wǎng)湖在春夏兩季TP的濃度差異不大，且春夏兩季大冶湖總氮的平均濃度均高于網(wǎng)湖。有研究認為，氣候、地理及人類活動等是氮磷濃度變化的主要影響因素[18～20]。目前人口密度增加和工業(yè)、建筑業(yè)迅速發(fā)展，導致了生活、工業(yè)污水排放量的增加，這些是TN、TP濃度升高和水質(zhì)惡化的主要原因，同時湖泊中的TN濃度在一定條件下還能反映人類活動的干擾強度[21]。

3.2 浮游植物總生物量及粒級變化特征

不同湖泊不同粒級的浮游植物有不同的Chla含量，其除了代表著各粒級的總生物量，還能快速指示湖泊水環(huán)境質(zhì)量[22,23]，并且隨著環(huán)境的變化而表現(xiàn)出明顯差別。大冶湖春夏兩季總生物量均高于網(wǎng)湖，且大冶湖夏季總生物量高于春季。原因在于季節(jié)變化導致的水溫升高，提升了浮游植物的光合作用速率，從而促進了生物量的快速積累[24]。

裸藻是網(wǎng)湖和大冶湖中各個粒級浮游植物的優(yōu)勢物種。在大冶湖中，裸藻也是各個粒級浮游植物的優(yōu)勢物種，微型粒級浮游植物的優(yōu)勢物種還有綠藻和硅藻。在網(wǎng)湖中，小型粒級浮游植物的優(yōu)勢物種還有硅藻，微型粒級浮游植物的優(yōu)勢物種中還有隱藻和金藻，超微型粒級浮游植物的優(yōu)勢物種中還有隱藻和綠藻。大冶湖及網(wǎng)湖小型粒級中的裸藻含量要遠高于超微型粒級。大冶湖微型粒級中的綠藻、藍藻及硅藻要遠高于小型和超微型粒級。網(wǎng)湖小型粒級中的隱藻、金藻和藍藻相對于微型粒級和超微型粒級更占優(yōu)勢，小型粒級的硅藻含量遠高于微型和超微型粒級。藻細胞越大，對營養(yǎng)鹽的吸收速率也越快，大粒徑的藻類更容易受營養(yǎng)鹽限制[25]。超微型藻類在貧營養(yǎng)水體中更占優(yōu)勢，而隨著營養(yǎng)水平的升高，微型和小型藻類的貢獻率逐漸增加[26]。

3.3 浮游植物群落結(jié)構(gòu)及其與環(huán)境因子的關系

研究表明，湖泊浮游植物群落存在明顯的季節(jié)演替現(xiàn)象[27]。大冶湖春季的優(yōu)勢類群為裸藻和硅藻，夏季優(yōu)勢種群為隱藻和裸藻。網(wǎng)湖春季優(yōu)勢類群為裸藻、金藻，夏季優(yōu)勢種群為裸藻、隱藻、硅藻、藍藻。優(yōu)勢類群的出現(xiàn)和演替主要是由于不同種類的浮游植物對營養(yǎng)物質(zhì)利用和吸收能力有所差異[28]。

WT、DO、CODMn、TP、PO43-、NH3-N等環(huán)境因子是影響浮游植物群落組成及分布的主要影響因素，這與許多學者的研究結(jié)果相一致[29～32]。研究發(fā)現(xiàn)，水溫與藍藻和隱藻顯著正相關，與裸藻負相關。藍藻是喜溫藻類，藍藻與TP呈正相關[33]，與TN負相關[34]，這與本研究結(jié)果相同。水溫是影響浮游植物生長的主要因素之一，受季節(jié)變化明顯，除直接影響浮游植物生長繁殖外，還會通過影響浮游動物的生長對浮游植物產(chǎn)生間接影響[35]。總氮與金藻和藍藻呈顯著負相關關系；總磷與藍藻和隱藻呈顯著正相關關系。氮是浮游植物生長繁殖所需的必要元素，總氮與浮游植物群落演替及分布特征關系密切[36]。溶解氧與裸藻顯著負相關，與隱藻顯著正相關。溶解氧是表征水體污染程度的重要指標，當水中溶解氧較低時會抑制浮游植物的生長[37]。近年來，我國科研工作者又陸續(xù)開展了許多關于水體中的營養(yǎng)鹽對浮游植物的影響的研究。Jiang等人發(fā)現(xiàn)水溫、DO和PO43-是影響湖泊浮游植物的主要因素[14]。李欽欽等人發(fā)現(xiàn)NH3-N、TP和TN是影響春季浮游植物群落結(jié)構(gòu)的主要環(huán)境因子，而夏季影響浮游植物分布的主要因素是TN、NH3-N、懸浮物、高等水生植物、TP和SD[38]。

4 結(jié)論

本研究通過在大冶湖和網(wǎng)湖春夏季各進行2次采樣，報告了春夏兩季來自兩個不同湖泊的營養(yǎng)狀態(tài)以及浮游植物的群落組成情況。結(jié)果表明：大冶湖總體水質(zhì)狀況優(yōu)于網(wǎng)湖；Fuco、Chlb、Chla、Allo、Zeax是大冶湖和網(wǎng)湖的主要特征光合色素；大冶湖春夏季主要優(yōu)勢物種的演替規(guī)律為：裸藻+硅藻→裸藻+隱藻，網(wǎng)湖春夏季主要優(yōu)勢物種的演替規(guī)律為：裸藻+金藻→裸藻+隱藻+藍藻+硅藻；WT、DO、CODMn、TN、TP、PO43-、NH3-N是影響大冶湖網(wǎng)湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)的主要因素。這些結(jié)果揭示了大冶湖與網(wǎng)湖的水質(zhì)狀況、浮游植物的變化特征及其影響因素，為浮游植物的生物多樣性以及大冶湖網(wǎng)湖的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測提供了基本數(shù)據(jù)。

Comparative study on phytoplankton diversity and environmental response between the Daye Lake and the Wanghu Lake

ZHANG Yan1,2，LAN Cong1,2，HU Yi-han1,2，WU Xiao-dong3，LI Heng1,2，HOU Jian-jun1,2