蘇州湖泊水源地浮游植物群落特征及營養(yǎng)狀況分析

孫淑文，夏 霆，楊金艷，潘新星，姚春雨

(1.南京工業(yè)大學(xué)，南京 211816；2.江蘇省水文水資源勘測(cè)局蘇州分局，江蘇 蘇州 215009)

在淡水湖泊中，浮游植物作為初級(jí)生產(chǎn)者和食物鏈的基礎(chǔ)環(huán)節(jié), 在物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化過程中起著重要作用, 其群落結(jié)構(gòu)是反映水環(huán)境狀況的重要指標(biāo)[1,2]，浮游植物受到水生環(huán)境中各種因素的限制[3]。由于浮游植物對(duì)水環(huán)境的敏感性，其群落結(jié)構(gòu)、生物多樣性指數(shù)等常常被作為水環(huán)境評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)[4-6]。

蘇州市現(xiàn)有城市飲用水源地15 個(gè)，其中9個(gè)為湖泊型水源地，涉及太湖、陽澄湖、尚湖和傀儡湖。近年來，由于蘇州市湖泊水源地入湖污染物量大，湖水交換不足，氮、磷濃度偏高，水體自凈能力低，易導(dǎo)致藻類大量繁殖并產(chǎn)生供水安全風(fēng)險(xiǎn)。本文通過對(duì)蘇州市9個(gè)湖泊飲用水源地開展藻類分布特征調(diào)查與監(jiān)測(cè)，探討藻類生長演替特征與影響機(jī)制，結(jié)合綜合富營養(yǎng)化指數(shù)，分析蘇州市湖泊飲用水源地的營養(yǎng)狀況及藻類繁殖影響因素，為探討蘇州地區(qū)湖泊水源地藻類演變規(guī)律提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域及采樣點(diǎn)布設(shè)

研究區(qū)域?yàn)樘K州太湖流域的浦莊、廟港、亭子港、漁洋山、鎮(zhèn)湖、金墅港水源地和陽澄湖、尚湖和傀儡湖水源地。采樣點(diǎn)設(shè)置在各水源地水廠取水口附近，對(duì)應(yīng)設(shè)置9個(gè)。

浮游植物樣品的野外定量采集按照以下方法：在每個(gè)采樣點(diǎn)水面下0.5 m處取水樣1 L，立即加入15 mL魯哥氏液固定帶回實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)將水樣置于穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，靜置沉淀24～36 h，用細(xì)小虹吸管(內(nèi)徑3 mm)吸去上層清液，最后定容到30 mL。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)定浮游植物樣品，將定量樣品搖勻后，用0.1 mL的吸管迅速取樣，在0.1 mL的浮游生物計(jì)數(shù)框內(nèi)用10×40倍以及10×100倍顯微鏡計(jì)數(shù)，所用樣品均重復(fù)鑒定至少 2 次，為有效統(tǒng)計(jì)數(shù)值，取平均數(shù)作為該樣品的定量鑒定結(jié)果。浮游藻類的鑒定觀察使用OLYMPUS BX43型顯微鏡進(jìn)行。

圖1 蘇州湖泊水源地分布及相關(guān)水系情況Fig.1 Distribution of lake-type dringking water sources in Suzhou and related water systems

1.2 數(shù)據(jù)來源與分析方法

1.2.1 SPSS聚類分析

采用SPSS 22.0進(jìn)行Pearson分析和聚類分析。

1.2.2 優(yōu)勢(shì)度指數(shù)計(jì)算

采用優(yōu)勢(shì)度指數(shù)進(jìn)行浮游植物優(yōu)勢(shì)種的確定，該指數(shù)的計(jì)算將每種生物的個(gè)體豐度及出現(xiàn)頻率考慮在內(nèi)，以反映每種生物在整個(gè)群落中的地位，其計(jì)算公式為：

Di=ni/N×fi

(1)

式中：ni為某樣點(diǎn)中第i種屬藻類的細(xì)胞數(shù)；N為某樣點(diǎn)中所有藻類的總細(xì)胞數(shù)；fi為該種屬在樣點(diǎn)中出現(xiàn)的頻率。

如果一個(gè)物種的優(yōu)勢(shì)值大于0.02，則該物種在整個(gè)一年中被認(rèn)為是占優(yōu)勢(shì)的[3,7]。

1.2.3 多樣性指數(shù)分析

浮游植物群落特征的生物多樣性采用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)和Pielou均勻度指數(shù)(J)描述：

(2)

Hmax=lg2S

(3)

J=H/Hmax

(4)

式中：H為Shannon-Wiener多樣性指數(shù)；J為Pielou均勻性指數(shù)；ni為樣品中第i種生物的個(gè)體數(shù)；n為樣品中所有種類的總個(gè)體數(shù)；S為樣品中的種類總數(shù)[8]。根據(jù)多樣性指數(shù)與水體營養(yǎng)水平的關(guān)系[9]，H>3時(shí)水體為貧營養(yǎng)型，1≤H≤3之間為中營養(yǎng)型，H小于1為富營養(yǎng)型；均勻度指數(shù)J在0.5～0.8為貧營養(yǎng)型，在0.3～0.5之間為中營養(yǎng)，在0～0.3之間為富營養(yǎng)型。

1.2.4 綜合營養(yǎng)指數(shù)分析

富營養(yǎng)評(píng)估參照中國環(huán)境監(jiān)測(cè)總站推薦的加權(quán)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)法，考慮TN、TP、Chl-a、SD、CODMn5項(xiàng)水質(zhì)因子[10]。水質(zhì)監(jiān)測(cè)在蘇州市水環(huán)境監(jiān)測(cè)中心實(shí)驗(yàn)室完成。

(5)

(6)

2 結(jié)果與分析

2.1 聚類分析

基于蘇州湖泊水源地9個(gè)采樣點(diǎn)為期1年的水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)，運(yùn)用聚類分析對(duì)水源地水質(zhì)時(shí)空變化特征進(jìn)行多元統(tǒng)計(jì)分析。空間尺度上，9個(gè)湖泊水源地可分為3組，GⅠ：廟港(MG)、亭子港(TZG)、金墅港(JSG)、鎮(zhèn)湖(ZH)、漁洋山(YYS)；GⅡ：浦莊(PZ)、尚湖(SH)；GⅢ：陽澄湖(YCH)、傀儡湖(KLH)。根據(jù)聚類分析結(jié)果，以15為界，除浦莊水源地外，太湖流域的廟港、北亭子港、金墅港、鎮(zhèn)湖、漁洋山水源地均屬于GⅠ組，說明太湖流域除浦莊水源地外，其余5個(gè)水源地水質(zhì)特征相近。因此，在GⅠ組中選取浮游植物變化較明顯的漁洋山水源地作為GⅠ組的代表，將研究范圍精簡為漁洋山水源地、浦莊水源地、尚湖水源地、陽澄湖水源地和傀儡湖水源地。

圖2 水質(zhì)空間尺度聚類分析Fig.2 Spatio-temporal cluster analysis of water quality

2.2 浮游植物種類組成及結(jié)構(gòu)特征

2016年7月-2017年6月期間，5個(gè)水源地逐月調(diào)查分析浮游植物12次，5個(gè)水源地共定量檢出浮游植物8門86屬186種(含變種)。從數(shù)量上看，綠藻門種類最多為87種38屬，其次為硅藻門45種21屬，藍(lán)藻門29種14屬，裸藻門12種4屬，清潔物種金藻門、甲藻門、隱藻門和黃藻門種類數(shù)較少。在空間分布上，傀儡湖水源地種類最多，多樣性較好，漁洋山水源地種類最少。其中，硅藻、綠藻和藍(lán)藻是分布最廣的藻類。隱藻門、裸藻門、分布較少，清潔物種甲藻門、金藻門、黃藻門僅在個(gè)別月份個(gè)別地檢測(cè)到。

圖3 各水源地浮游植物種類數(shù)Fig.3 Number of phytoplankton species in each drinking water source

圖4 各水源地四季浮游植物群落密度及生物量Fig.4 Phytoplankton community density in each drinking water sources

各水源地春季優(yōu)勢(shì)種較為豐富，主要為硅藻門的梅尼小環(huán)藻(Cyclotella meneghiniana)和肘狀針桿藻(Synedra ulna)、藍(lán)藻門的狹細(xì)顫藻(Oscillatoria tenuis)和綠藻門的四尾柵藻(Scenedesmus quadricauda)、加勒比單針藻(Monoraphidium caribeum Hindak)；夏秋季均以藍(lán)藻門占優(yōu)，水華微囊藻(Microcystis flos-aquae)、狹細(xì)顫藻(Oscillatoria tenuis)和微小裂面藻(Merismopedia tenuissima)密度增大，且優(yōu)勢(shì)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于藍(lán)藻門和綠藻門；冬季漁洋山水源地仍以藍(lán)藻門的水華魚腥藻(Anabaena flos-aquae)和水華微囊藻占優(yōu)，說明水體受到了一定程度的污染，其他水源地皆以硅藻門的梅尼小環(huán)藻(Cyclotella meneghiniana)、顆粒直鏈藻(Melosira granulata)占優(yōu)。調(diào)查表明，各季節(jié)的優(yōu)勢(shì)種差異明顯，主要原因可能為水溫變化，大量研究表明，在春冬溫度較低的季節(jié)，由于尚未形成溫躍層，更適宜硅藻的生長[12]；藍(lán)藻喜高溫，響應(yīng)夏秋季溫度升高， 優(yōu)勢(shì)度會(huì)逐漸增大，但實(shí)際上，也可能出現(xiàn)在較低的溫度下某些特定的藍(lán)藻種類密度大量增加，巢湖和千島湖[12]都曾在冬季出現(xiàn)過微囊藻水華現(xiàn)象，漁洋山冬季的藍(lán)藻占優(yōu)還應(yīng)結(jié)合營養(yǎng)鹽和一些環(huán)境因素綜合考慮。

綜合2016年7月-2017年6月期間藻類總密度數(shù)據(jù)，從時(shí)間上看，除冬季陽澄湖和傀儡湖硅藻門占比較大外，其他季節(jié)各水源地都以藍(lán)藻門占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，最終造成各湖區(qū)的總密度差別較大。在夏、秋季，浦莊、尚湖、傀儡湖和陽澄湖水源地浮游植物密度顯著增加，且藍(lán)藻擁有絕對(duì)性優(yōu)勢(shì)；春、冬季硅藻大量生長，占比有所增加，也進(jìn)一步說明了蘇州湖泊水源地受水溫影響較大。從空間上看，陽澄湖水源地藻類總密度最大，為72 200 萬L；其次為傀儡湖水源地>浦莊水源地>漁洋山水源地；尚湖水源地藻類總密度最小，為 12 600 萬L。因不同種類的藻類鮮藻質(zhì)量存在較大差異，藍(lán)藻體積較小，生物量較低，硅藻體積較大，生物量較高，其生物量與藻類密度的變化趨勢(shì)不完全一致[6]。綜合各水源地12個(gè)月藻類總生物量，陽澄湖水源地>傀儡湖水源地>尚湖水源地>浦莊水源地>漁洋山水源地。

2.3 多樣性指數(shù)及富營養(yǎng)化狀態(tài)評(píng)價(jià)

物種多樣性是群落結(jié)構(gòu)獨(dú)特的生態(tài)學(xué)特征，反映了群落中

圖5 各水源地綜合營養(yǎng)指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.5 Evaluation results of comprehensive nutrition index of each drinking water source

種類組成的豐富度及其數(shù)量分布均勻程度和群落結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并常作為描述群落演替方向、 速度和穩(wěn)定程度的指標(biāo)[12-14]。各水源地水體不同季節(jié)浮游植物多樣性指數(shù)見表1。H指數(shù)反映群落中物種的復(fù)雜程度，J指數(shù)用于評(píng)價(jià)生物種類的均勻程度。

陽澄湖和傀儡湖水源地采樣點(diǎn)各季節(jié)均勻度指數(shù)J處于0.3～0.5之間，多樣性指數(shù)H均處于2～3之間，結(jié)合表1可以得出陽澄湖和傀儡湖水源地浮游植物多樣性指數(shù)較低，可見物種密度分布不均勻，水體環(huán)境受到輕-中度污染，水體屬于中營養(yǎng)型，生態(tài)穩(wěn)定性弱于其他水源地，較易發(fā)生水華；浦莊、尚湖的H指數(shù)和J指數(shù)均表征水體處于較良好的狀態(tài)，營養(yǎng)化水平較低；漁洋山水源地冬季多樣性種間分布不均勻，群落結(jié)構(gòu)生態(tài)穩(wěn)定性較差。根據(jù)各水源地綜合營養(yǎng)指數(shù)，從全年的角度來看，漁洋山、浦莊、尚湖水源地平均處于中營養(yǎng)狀態(tài)。陽澄湖作為著名的大閘蟹養(yǎng)殖基地，養(yǎng)殖業(yè)所需的各種餌料的投放使水體中氮、磷含量增大；傀儡湖位于太湖流域下游，一部分由于上游陽澄湖周圍工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)未徹底截留的污染物進(jìn)入湖中，加之湖內(nèi)因大面積的水草枯亡以及鳥類糞便排入湖體等原因，水體富營養(yǎng)化程度加劇，陽澄湖和傀儡湖水源地處于輕度富營養(yǎng)化狀態(tài)。水體內(nèi)營養(yǎng)鹽濃度富集，浮游植物密度在合適的季節(jié)易于增大，這與傀儡湖、陽澄湖藍(lán)藻密度較大，水華發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)較大的情況相吻合。

表1 蘇州湖泊水源地多樣性指數(shù)Tab.1 Lake-type drinking water sources of Suzhou diversity index

2.4 浮游植物群落與環(huán)境因子相關(guān)性分析

根據(jù)各水源地水質(zhì)指標(biāo)與浮游植物群落指數(shù)Pearson相關(guān)性分析(表2)，藍(lán)藻門和裸藻門水溫呈顯著正相關(guān)；硅藻門與pH呈顯著負(fù)相關(guān)，與CODMn、TN、NH3-N、Chl-a呈顯著正相關(guān)。整體上浮游植物各群落均與pH、DO、SD呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，這是由于淡水湖泊浮游植物大多數(shù)生長于弱堿性水域，過高的pH會(huì)破壞浮游植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)，影響細(xì)胞的生長，浮游植物減少使植物的光合作用減弱，DO降低。當(dāng)水溫上升或者營養(yǎng)鹽含量增加，大量繁殖的浮游植物，易致水體渾濁，SD明顯降低。

表2 蘇州湖泊水源地水質(zhì)指標(biāo)與浮游植物群落密度的關(guān)系Tab.2 Relationship between water quality indicators and phytoplankton community density in lake-type drinking water sources of Suzhou

圖6 湖泊水源地Chl-a對(duì)TN、TP、T的生態(tài)響應(yīng)Fig.6 Ecological response of lake-type drinking water sources Chl-a to TN, TP and T

水體富營養(yǎng)化會(huì)導(dǎo)致水體中的藻類急劇增殖形成水華。浮游植物生物量的高低對(duì)于水體中Chl-a水平有著巨大影響，因此，可以通過研究Chl-a 直觀地反映水體富營養(yǎng)化的狀況。水溫通過控制浮游植物呼吸代謝速率和光合作用來影響浮游植物的生長，與各門都呈較明顯的正相關(guān)關(guān)系，與Chl-a的線性方程斜率為0.697，綜合說明水溫升高對(duì)浮游植物的生長有較明顯的促進(jìn)作用。營養(yǎng)鹽是影響浮游植物生長的重要因素，對(duì)作為浮游植物體內(nèi)主要成分的Chl-a至關(guān)重要。由圖6可見，Chl-a與TN、TP之間的生態(tài)響應(yīng)關(guān)系線性方程斜率分別為0.360 5、0.706，表明了蘇州地區(qū)水源地對(duì)磷的利用效率高于氮，水體營養(yǎng)化狀態(tài)主要由水體磷作為主導(dǎo)因子。

3 結(jié) 論

(1)浮游植物種類組成、數(shù)量變化是與水體環(huán)境相適應(yīng)的結(jié)果。在本次調(diào)查中，蘇州市5個(gè)代表性水源地水體浮游植物群落皆以綠藻門、藍(lán)藻門、硅藻門為主，傀儡湖水源地種類最多，漁洋山水源地種類最少。除漁洋山外，各水源地均夏、秋季密度較大。

(2)綜合浮游植物多樣性指數(shù)和綜合營養(yǎng)指數(shù)法，漁洋山、浦莊、尚湖水源地總體處于中營養(yǎng)狀態(tài)；陽澄湖和傀儡湖水源地處于輕度富營養(yǎng)化狀態(tài)，因內(nèi)、外污染源未得到有效控制原因，藍(lán)藻水華存在較大發(fā)生幾率。

(3)不同因子在不同程度上對(duì)浮游植物群落結(jié)構(gòu)有所影響。整體上蘇州湖泊水源地浮游植物各群落均與pH、DO、SD呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與TN、TP、CODMn、NH3-N呈正相關(guān)。水體營養(yǎng)化關(guān)鍵性影響因子為磷。

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