太湖東部水域浮游硅藻群落特征及其與環(huán)境因子關(guān)系

陳瑜，李繼影，高昕，景明

(江蘇省蘇州環(huán)境監(jiān)測中心,江蘇 蘇州 215204)

1 研究方法

1.1 采樣時間

通過自動監(jiān)測分析發(fā)現(xiàn)，硅藻和藍藻數(shù)量呈現(xiàn)出競爭性交替變化的特點，每年進入到秋冬季節(jié)，硅藻會呈現(xiàn)上升趨勢并成為優(yōu)勢種，并持續(xù)到第二年的2和3月份。采樣時間定于2019年秋季9—10月份。

1.2 采樣點位

設(shè)置9個采樣點，分別為T1—T9，見圖1。

圖1 太湖東部水域采樣點分布

1.3 監(jiān)測項目

pH值、水溫(t)、溶解氧(DO)、濁度(NTU)、電導(dǎo)率(Cond)、透明度(SD)、總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮(NH3-N)、五日生化需氧量(BOD5)、高錳酸鹽指數(shù)(IMn)、化學(xué)需氧量(COD)以及葉綠素a(Chl-a)。

1.4 樣品采集

1.4.1 水樣采集與分析

現(xiàn)場使用6600便攜式水質(zhì)分析儀(YSI Professional Plus, Yellow Springs, OH, 美國維賽公司)測定pH值、t、DO、NTU和Cond等；SD用塞式透明度盤測定。水樣用采水器采集水下50 cm及湖底以上50 cm處水樣，混勻取1 L，密封立即運回實驗室待分析。樣品保存及測定方法均參考《水和廢水監(jiān)測方法》(第四版)[5]。

1.4.2 浮游硅藻采集與分析

使用豎式采水器定量采集1～2 L水樣。分別在表層下0.5 m、底層上0.5 m各采集1次，不同層次采集的樣品作混合樣處理。樣品保存及觀察方法均參考文獻[5]。

從表4的統(tǒng)計結(jié)果可知,日本全部領(lǐng)域高被引論文的合作者人數(shù)比普通論文的2倍還多,除計算機科學(xué)和數(shù)學(xué)領(lǐng)域外,其他領(lǐng)域高被引論文的合作者人數(shù)均值皆大于普通論文,這與表3的作者人數(shù)統(tǒng)計結(jié)果基本一致,說明高被引論文的合作者人數(shù)超過了普通論文。但是,在某些領(lǐng)域也存在差異。在計算機科學(xué)和數(shù)學(xué)、環(huán)境/生態(tài)科學(xué)和地球科學(xué)、農(nóng)業(yè)科學(xué)和植物動物學(xué)領(lǐng)域，高被引論文的合作者人數(shù)少于普通論文;在其他領(lǐng)域,高被引論文的合作者人數(shù)更多。

1.5 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)浮游硅藻多度數(shù)據(jù)計算各采樣點Shannon-Wiener生物多樣性指數(shù)(H’)，采用Mcnaughton優(yōu)勢度指數(shù)(Y)來判定優(yōu)勢種的組成，選取Y>0.02的藻類為優(yōu)勢種，計算公式見(1)—(2)。

(1)

Y=(ni/n)fi

(2)

式中：s——樣品中的種類數(shù)；ni——樣品中第i種生物的個體數(shù)；n——樣品中生物總個體數(shù)；ni/n——第i種藻類的細胞數(shù)占所有藻類總細胞數(shù)的比值；fi——第i種藻類在采樣點中出現(xiàn)的頻率。

通過主成分分析(Principal Component Analysis，PCA)判定影響太湖東部水域水環(huán)境質(zhì)量的主要環(huán)境因子。對硅藻相對多度數(shù)據(jù)進行去趨勢對應(yīng)分析(DCA)，若DCA排序前4個軸中最大值>4，選擇單峰模型排序更合適；若<3，則選擇線性模型更好。進行冗余分析(Redundancy Analysis，RDA)時，除pH值外的所有水體理化數(shù)據(jù)和著生藻類相對多度數(shù)據(jù)均進行數(shù)據(jù)對數(shù)轉(zhuǎn)換[lg(x+1) ]。以上分析在Canoco5上進行(物種名稱采用保留屬名和種名的前4個字母的縮寫形式)，浮游藻類群落結(jié)構(gòu)圖在ArcMap 10.2.2上完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 浮游硅藻群落結(jié)構(gòu)分析

共采集到浮游硅藻16個屬，44種(2變種)。在9個點位中T7點位的物種豐富度最高，共鑒定出19種浮游硅藻，T4點位的物種豐富度最低，鑒定出浮游硅藻8種。物種豐富度呈現(xiàn)出北部水域<南部水域的趨勢。在9個點位出現(xiàn)頻率較高的是雙頭菱形藻(Nitzschiaamphibia)，針狀菱形藻(Nitzschiaacicularis)，顆粒直鏈藻(Melosiragranulata)，湖沼圓篩藻(Coscinodiscuslacustris)，極微小環(huán)藻(Cyclotellaatomus)。各點位浮游硅藻密度差別較大，最高為T1點位19.0萬個/L，最低為T6點位2.1萬個/L；T1、T5和T9 3個點位的藻密度較高，這3個點位均為半封閉型水體。生物量為0.23～3.21 mg/L，其分布特點與藻密度分布類似；Shannon-Wiener指數(shù)分布特點與藻密度相反，T1、T5和T9 3個點位均<2，其余點位均>2。藻密度、生物量、H′指數(shù)分布見圖2(a)(b)(c)。

圖2 藻密度、生物量、H’指數(shù)分布

采用Y>0.02為優(yōu)勢種，太湖東部水域各采樣點的優(yōu)勢種和優(yōu)勢度結(jié)果見表1。由表1可見，小環(huán)藻屬(Cyclotella)和菱形藻屬(Nitzschia)在整片水域中有著較高的優(yōu)勢度。

表1 太湖東部水域浮游硅藻優(yōu)勢種

2.2 硅藻優(yōu)勢種對水質(zhì)指示作用

硅藻生物指數(shù)(Biological diatom index, BDI)[6]將水質(zhì)劃分為7類(CL1—CL7，水質(zhì)等級越低代表水質(zhì)越差)并列舉了硅藻在不同水質(zhì)水體中出現(xiàn)的概率。圖3(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)(i)為9個點位的優(yōu)勢種在7類水質(zhì)中出現(xiàn)的概率，AVE代表該點位所有優(yōu)勢種在7類水質(zhì)中出現(xiàn)的平均概率。9個點位中，除了T3和T5點位的優(yōu)勢種在CL7類水質(zhì)中出現(xiàn)的平均概率>10%，其余均<2%；在CL5和CL6水質(zhì)條件下出現(xiàn)的平均概率均<50%，其中T4點位出現(xiàn)的平均概率最高為41.4%，T1點位出現(xiàn)的平均概率最低為16.2%；然而所有點位出現(xiàn)在CL2和CL3水質(zhì)中的平均概率相對較高，最高的為T1點位的56.3%。

圖3 各采樣點優(yōu)勢種在不同水質(zhì)類別中出現(xiàn)概率

文獻[7]建立的淡水硅藻生態(tài)指示值清單，列舉了1 500個硅藻種(屬)對于pH值、鹽度、需氧量、水生環(huán)境腐殖度、營養(yǎng)狀況、濕度等生態(tài)環(huán)境狀況的指示作用。9個點位的優(yōu)勢種及其所對應(yīng)的需氧量、水生環(huán)境腐殖度和營養(yǎng)狀況統(tǒng)計見表2。

2.3 藻類群落與環(huán)境因子分析

2.3.1 水質(zhì)理化因子分析

浮游硅藻的群落特點受到多種環(huán)境因子的綜合影響。為確定影響硅藻群落的主要因子，對太湖東部水域13項環(huán)境因子進行 PCA 分析，結(jié)果表明，第1主成分和第2主成分解釋率分別為0.46 和0.29，第1、2主成分累積解釋率為75%，因此保留第1、2主成分軸繪制排序圖(圖 4)。

由于SD和NTU具有顯著相關(guān)性，選取TP、IMn、Cond、NTU、pH值進入下一步分析。

表2 9個點位優(yōu)勢種生態(tài)指示值①

圖4 太湖東部水域環(huán)境因子PCA分析

2.3.2 浮游藻類群落特征與水質(zhì)理化因子分析

由于排序軸前四軸最大值為1.9(<3)，因此選用RDA分析。2軸的特征值分別為0.331 7和0.162 3，共解釋了49.41%的硅藻信息量。太湖東部水域浮游硅藻群落結(jié)構(gòu)與水環(huán)境因子的RDA結(jié)果(圖5)表明，顯著影響浮游硅藻群落結(jié)構(gòu)的環(huán)境因子為TP(P=0.02)。T1、T2、T3和T4受到TP和NTU的影響較大；T5受IMn影響較大；T9接近坐標原點，表明該點位受各項環(huán)境因子的影響處于平均水平。將剔除相對多度占比<1%的硅藻數(shù)據(jù)后對硅藻群落與環(huán)境因子進行RDA分析，結(jié)果表明，谷皮菱形藻(Nitzschiapalea)、虹彩圓篩藻(Coscinodiscusoculus-iridis)、小環(huán)藻(Cyclotella)、變異直鏈藻(MelosiravariansAgardh)、極微小環(huán)藻(Cyclotellaatomus)、針狀菱形藻(Nitzschiaacicularis)、顆粒直鏈藻(Melosiragranulata)受TP和NTU影響較大，輻節(jié)藻屬(Stauroneis)、肋縫菱形藻(Nitzschiafrustulum)受Cond影響較大，橋彎藻(Cymbella) 和雙頭菱形藻(Nitzschiaamphibia)主要受pH值的影響，而卵形藻屬(Cocconeis)、舟型藻屬(Navicula)、脆桿藻屬(Fragilaria)、 針桿藻屬(Synedra)、異極藻屬(Gomphonema)在TP、NTU和IMn的反方向，表明其之間關(guān)系為負相關(guān)。

圖5 太湖東部水域環(huán)境因子與物種組成RDA分析

3 討論

通過對太湖東部水域浮游硅藻的調(diào)查研究表明，浮游硅藻的整體生物多樣性不高，尤其是T1、T5和T9 3個點位，可能是由于自然風(fēng)貌與人類活動導(dǎo)致硅藻在地理分布上呈現(xiàn)一定的區(qū)域性，這3個水域為半封閉水體，水體流動性差，并受到旅游休閑區(qū)域人類活動的影響，致使水體富營養(yǎng)程度加重，顆粒直鏈藻(Melosiragranulata)、針狀菱形藻(Nitzschiaacicularis)等污生種大量繁殖聚集，群落結(jié)構(gòu)單一，因此H’偏低。H’整體呈現(xiàn)從北到南逐漸升高的特點，這與環(huán)境數(shù)據(jù)表現(xiàn)出一致性，溫超男等[8]在探究浮游動物與水質(zhì)關(guān)系時測定的各項環(huán)境數(shù)據(jù)也呈現(xiàn)從北到南逐漸變好的特點，出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能的原因是北部水體接近引江濟太的進水口，長江水沿途接納大量工業(yè)、生活污水和農(nóng)業(yè)退水澇水，通過主要入湖河流進入太湖，湖水流動過程中一些固體懸浮物、有機和無機污染物逐漸沉積或是被動植物吸收利用，因此在南部區(qū)域的水質(zhì)較北部好。

通過在線藻類分析儀對太湖水體中浮游藻類進行分析表明，藍藻、綠藻、硅藻為太湖的主要浮游藻類，而且硅藻和藍藻的密度會隨著季節(jié)和營養(yǎng)鹽呈現(xiàn)交替上升的特點。李娣等[9]研究表明，太湖浮游植物總密度與藍藻門密度呈極顯著正相關(guān)；綠藻門和硅藻門占浮游植物總密度百分比分別和藍藻門占浮游植物總密度百分比呈極顯著負相關(guān)。硅藻生物多樣性同時也受到其他藻類的影響，尤其是藍藻，藍藻與硅藻呈現(xiàn)競爭性交替增長，當(dāng)溫度較高時藍藻對營養(yǎng)鹽的競爭能力較強，隨著氣溫的下降藍藻會逐漸減少，硅藻逐漸成優(yōu)勢種，在采樣期間也發(fā)現(xiàn)，部分水體中藍藻仍然為優(yōu)勢種，且藍藻的相對多度也表現(xiàn)為南部水體大于北部水體。按照硅藻生物指數(shù)(BDI)[6]將9個點位的優(yōu)勢種所對應(yīng)的水質(zhì)類型中出現(xiàn)的概率進行整理分析，每組所對應(yīng)的水質(zhì)平均值分布在CL4以下的概率都超過60%，優(yōu)勢種的硅藻生態(tài)指示清單[7]也表明水體水生環(huán)境腐殖度較高，存在富營養(yǎng)化現(xiàn)象。

太湖東部水域浮游硅藻群落結(jié)構(gòu)與水環(huán)境因子的RDA結(jié)果表明，TP是顯著影響浮游硅藻群落結(jié)構(gòu)的環(huán)境因子。T1—T4點位受到TP影響較大，T5—T9受到的影響較小或為負影響。經(jīng)環(huán)保相關(guān)網(wǎng)站(http://hbt.jiangsu.gov.cn/art/2020/5/7/art_1649_9077170.html)公示的2019年在太湖東部水域的水質(zhì)顯示，水質(zhì)基本處于IV類，偶有TP超標現(xiàn)象。毛新偉等[10]研究表明，入湖河道平均水質(zhì)明顯差于太湖水質(zhì)，特別是TN、NH-N3、TP質(zhì)量濃度較高。2019年太湖湖體ρ(TP)空間分布顯示，太湖北部水域的ρ(TP)要高于東南部(圖6)。

受環(huán)境因子影響，硅藻群落在水體中的分布出現(xiàn)差異性。RDA結(jié)果表明，谷皮菱形藻(Nitzschiapalea)、虹彩圓篩藻(Coscinodiscusoculus-iridis)、小環(huán)藻屬(Cyclotella)、變異直鏈藻(MelosiravariansAgardh)、極微小環(huán)藻(Cyclotellaatomus)、針狀菱形藻(Nitzschiaacicularis)、顆粒直鏈藻(Melosiragranulata)與TP和NTU相關(guān)性較大。有研究指出，菱形藻生活的水體多表現(xiàn)為水質(zhì)較差[11-12]，其中谷皮菱形藻(Nitzschiapalea)主要生活在TP濃度較高環(huán)境中[10]。根據(jù)美國硅藻耐污指數(shù)(Pollution tolerance index，PTI)，橋彎藻屬(Cymbella)、直鏈藻屬(Melosira)的大多數(shù)種為耐污種。像脆桿藻屬(Fragilaria)、 針桿藻屬(Synedra)、異極藻屬(Gomphonema)這樣的清潔種屬在硅藻群落中的占比較低，且與TP、NTU、IMn表現(xiàn)為負相關(guān)(圖5)。橋彎藻屬(Cymbella)和短縫藻屬(Eunotia)與pH值相關(guān)性較大，孫亞玲等[13]通過渭河硅藻研究發(fā)現(xiàn)橋彎藻屬(Cymbella)適應(yīng)在低氮磷、高溶解氧、高pH值水體中生存。

圖6 采樣點ρ(TP)分布

4 結(jié)論

(1)雙頭菱形藻(Nitzschiaamphibia)，針狀菱形藻(Nitzschiaacicularis)，顆粒直鏈藻(Melosiragranulata)，湖沼圓篩藻(Coscinodiscuslacustris)，極微小環(huán)藻(Cyclotellaatomus)在各采樣點位中出現(xiàn)的頻率較高，小環(huán)藻屬(Cyclotella)和菱形藻屬(Nitzschia)在太湖東部水體中優(yōu)勢度較高。浮游硅藻的藻密度為2.1～19.0萬個/L。

(2)9個點位中有6個點位物種豐富度較高，個體分布比較均勻，評價級別為較豐富，有3個點位物種豐富度較低。運用 BDI水質(zhì)劃分標準對水質(zhì)進行評價，結(jié)果表明，所有點位出現(xiàn)在CL2和CL3水質(zhì)中的平均概率相對較高，說明太湖東部水質(zhì)較差。

(3)各點位的優(yōu)勢種生態(tài)指示值結(jié)果表明，水體的營養(yǎng)狀況大多為富營養(yǎng)型。浮游硅藻群落特征與水質(zhì)理化因子相關(guān)性分析表明，TP、NTU、IMn是影響浮游硅藻分布的重要環(huán)境因子。

由于浮游硅藻生長周期較短，而且浮游硅藻的分布也受到風(fēng)速、水體流動性等水文因子的影響，調(diào)查分析難免有不足之處。在今后的太湖生態(tài)監(jiān)測工作中應(yīng)不斷收集、匯總并分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，以期能夠更真實、更準確地反映浮游硅藻和水質(zhì)的關(guān)系，為太湖的水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測提供技術(shù)依據(jù)。