湯遜湖浮游生物群落結(jié)構(gòu)變化的現(xiàn)狀調(diào)查及分析

曹鵬陽，李麗雪，郭彪輝，鎮(zhèn)鴻燕，張 艷，韓曉芳

（江漢大學(xué)，a.環(huán)境與健康學(xué)院；b.醫(yī)學(xué)院，武漢 430056）

浮游植物個(gè)體小、生活周期短、對(duì)環(huán)境因子的變化響應(yīng)敏感，因此浮游植物被當(dāng)作水體生態(tài)環(huán)境的合適指示者。對(duì)驅(qū)動(dòng)浮游植物群落結(jié)構(gòu)的變化研究有很多，其中非生物因素如營養(yǎng)物質(zhì)、光和水溫都是影響浮游植物生長(zhǎng)、分布和演替的重要環(huán)境因子［1］。生物因素也是影響浮游植物群落組成變化的一個(gè)重要因素，浮游動(dòng)物對(duì)于浮游植物來說是位于食物鏈前端的消費(fèi)者，可直接影響浮游植物的群落結(jié)構(gòu)和生物量。影響浮游植物群落結(jié)構(gòu)的生物因素有許多，從食物鏈考慮，浮游動(dòng)物、魚類和其他水生動(dòng)物的群落結(jié)構(gòu)都會(huì)影響浮游植物的生物量和分布［2］。

目前，浮游植物群落結(jié)構(gòu)、多樣性、生長(zhǎng)分布及其與影響因子的關(guān)系是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)［3-7］，但是，對(duì)湯遜湖浮游生物與環(huán)境因子的關(guān)系研究甚少；近10 年來，湯遜湖水質(zhì)均未達(dá)到III 類水的標(biāo)準(zhǔn)，目前水質(zhì)劣V 類，尤其在2017、2018 年的夏季時(shí)湯遜湖的局部水域暴發(fā)藍(lán)藻水華，對(duì)周邊人群生活生產(chǎn)帶來嚴(yán)重影響。為了進(jìn)一步掌握湯遜湖水體生態(tài)現(xiàn)狀，本項(xiàng)目于2019 年在湯遜湖布設(shè)多個(gè)采樣點(diǎn)，進(jìn)行水質(zhì)和水生生物現(xiàn)狀調(diào)查，分析浮游生物密度和鑒定浮游生物的種群結(jié)構(gòu)，并由此反映出湯遜湖水體環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀，為湖泊治理提供一定的參考依據(jù)。

1 研究區(qū)域

1.1 研究區(qū)域概況

湯遜湖位于武漢市東南部，以江夏大道為界限，分為東側(cè)的內(nèi)湯遜湖和西側(cè)的外湯遜湖2 個(gè)部分，兩者之間有涵洞相通。其中，內(nèi)湯遜湖水域面積約占1/3；外湯遜湖水域面積約占2/3，湯遜湖流域面積約為248.85 km2，屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，雨量充沛。湯遜湖由于長(zhǎng)期納入污水處理廠尾水和部分混流污水，水質(zhì)污染嚴(yán)重，加上江湖隔絕造成的水生生物補(bǔ)充量減少，水生生物棲息環(huán)境日益惡化；此外，由于之前湯遜湖部分區(qū)域用于水產(chǎn)養(yǎng)殖，水域內(nèi)水生植物被魚類破壞，幾乎無沉水植物群落分布，僅見沿岸少量挺水植物斑塊分布。隨著湯遜湖周邊城市化發(fā)展，湯遜湖水質(zhì)呈顯著的惡化趨勢(shì)，近幾年水質(zhì)均出現(xiàn)超標(biāo)情況，湯遜湖污染防治工作的開展迫在眉睫［8］。

1.2 采樣點(diǎn)設(shè)置

根據(jù)湯遜湖湖區(qū)分區(qū)面積、地形輪廓、養(yǎng)殖分布以及主要出入湖河流等情況，在湯遜湖設(shè)置9 個(gè)采樣點(diǎn)，分布于湖泊的排放口附近，在外湯遜湖設(shè)采樣點(diǎn)4 個(gè)（1 號(hào)至4 號(hào)點(diǎn)位），在內(nèi)湯遜湖設(shè)采樣點(diǎn)5 個(gè)（5 號(hào)至9 號(hào)點(diǎn)位）（圖1）。

圖1 湯遜湖采樣點(diǎn)位分布

2 研究方法

2.1 監(jiān)測(cè)指標(biāo)

除了浮游植物和浮游動(dòng)物以外，水樣中其他分析指標(biāo)包括透明度、總磷（TP）、總氮（TN）、氨氮（NH3-N）、化學(xué)需氧量（COD），共5 個(gè)指標(biāo)。

2.2 監(jiān)測(cè)方法

進(jìn)行水樣分析，透明度采用塞氏圓盤法測(cè)定；化學(xué)需氧量采用酸性滴定法（GB/T 11892—1989）測(cè)定；氨氮采用納式試劑分光光度法（HJ535）測(cè)定；總氮采用過硫酸鉀消解紫外分光光度法（HJ636）測(cè)定；總磷采用過硫酸鉀消解紫外分光光度法（GB/T 11893—1989）［9］測(cè)定。

3 結(jié)果與分析

3.1 浮游植物種類組成及優(yōu)勢(shì)種

浮游植物可以作為生物指標(biāo)來指示水質(zhì)，因?yàn)楦∮沃参锏姆N群結(jié)構(gòu)變化是水環(huán)境演變的直接后果之一。由于能迅速響應(yīng)水體環(huán)境變化，且不同浮游植物對(duì)有機(jī)質(zhì)和其他污染物敏感性不同，因而可以用藻類群落組成來判斷不同水域水質(zhì)狀況。本研究中共鑒定出5 門34 種（表1），其中硅藻門8 種、藍(lán)藻門7 種、綠藻門14 種、隱藻門2 種、裸藻門3 種，盡管綠藻門種類數(shù)量最多，但湯遜湖浮游植物以藍(lán)藻門的偽魚腥藻屬、螺旋浮絲藻和平裂藻屬為絕對(duì)優(yōu)勢(shì)種，其平均密度均達(dá)106個(gè)細(xì)胞/L?？傮w來說，全湖浮游植物細(xì)胞密度較高，達(dá)107個(gè)細(xì)胞/L，內(nèi)湯遜湖和外湯遜湖藻類群落組成無明顯差異。

表1 湯遜湖浮游植物名錄（2019 年）

由圖2 可以看出，硅藻門、藍(lán)藻門、綠藻門和隱藻門在湯遜湖水體中占總種群的90%以上。藍(lán)藻為絕對(duì)優(yōu)勢(shì)種，占總比例的33%，其次是硅藻（26%），綠藻（22%）和隱藻（18%）。浮游植物群落具有明顯的季節(jié)演替規(guī)律，藍(lán)藻門、綠藻門、硅藻門始終是浮游植物的優(yōu)勢(shì)類群，春季低，夏季高。浮游植物的種群多樣性主要受到優(yōu)勢(shì)種的物種數(shù)量和細(xì)胞密度的影響。優(yōu)勢(shì)種越多，優(yōu)勢(shì)度越少，群落結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。

圖2 湯遜湖浮游植物種群構(gòu)成

3.2 影響湯遜湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)變化的環(huán)境因子

建立浮游植物和水環(huán)境的相關(guān)性對(duì)評(píng)估浮游植物的變化過程很重要。2019 年2—6 月，對(duì)湯遜湖水環(huán)境物理化學(xué)指標(biāo)及浮游植物進(jìn)行調(diào)查，研究了湯遜湖浮游植物分布特征、季節(jié)演替規(guī)律及影響群落結(jié)構(gòu)變化的主要環(huán)境因子。

3.2.1 透明度 透明度可以用來預(yù)測(cè)水體清澈程度和淺水湖泊生態(tài)質(zhì)量，透明度由水體中的懸浮固體顆粒物決定。浮游植物的大量繁殖和腐爛分解的顆粒會(huì)導(dǎo)致懸浮固體顆粒物的增加，進(jìn)而使水體透明度降低。湯遜湖水體透明度為0.18～0.28 m（圖3）。

圖3 湯遜湖各點(diǎn)位透明度

3.2.2 總磷 磷是浮游植物生長(zhǎng)必需的營養(yǎng)元素，被認(rèn)為是淡水生態(tài)系統(tǒng)中最重要的生長(zhǎng)限制性因素，尤其是在高磷氮比的湖泊。水體中高含量的磷會(huì)直接引起水體富營養(yǎng)化的發(fā)生，從而惡化水體。湯遜湖的磷濃度變化不大，且大部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)量結(jié)果處于地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)（范圍為0.025～0.050 mg/L），僅有少數(shù)點(diǎn)位處于地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)（范圍為0.05～0.10 mg/L）（圖4）。

圖4 湯遜湖各點(diǎn)位總磷濃度

3.2.3 總氮 總氮表示水體中各個(gè)形態(tài)的無機(jī)和有機(jī)氮的總量，包括氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮等無機(jī)氮和蛋白質(zhì)、氨基酸和有機(jī)胺等有機(jī)氮，通常被用來表示水體受到營養(yǎng)物質(zhì)污染的程度。湯遜湖中的平均總氮濃度為3.54 mg/L，其中，5 號(hào)點(diǎn)位最高值為6.90 mg/L，均超過地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，即總氮濃度超過2 mg/L，因此，根據(jù)“一票否決”制度，湯遜湖中的平均總氮處于地表水環(huán)境質(zhì)量劣Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)（圖5）。

圖5 湯遜湖各點(diǎn)位總氮濃度

3.2.4 化學(xué)需氧量 湯遜湖水體COD 濃度為46.65～76.75 mg/L，均超過地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，均大于40 mg/L，處于地表水環(huán)境質(zhì)量劣Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)（圖6）。

圖6 湯遜湖各點(diǎn)位化學(xué)需氧量濃度

3.2.5 營養(yǎng)鹽 水體中營養(yǎng)物質(zhì)含量的高低對(duì)浮游植物生長(zhǎng)、繁殖、分布都有重要影響，營養(yǎng)鹽濃度的變化會(huì)影響浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征，同時(shí)還會(huì)改變浮游植物生物量的大小。水體中營養(yǎng)物質(zhì)對(duì)浮游植物的影響主要表現(xiàn)在氮或磷限制上［7，8］。而湯遜湖藍(lán)藻密度與總氮、氨氮濃度關(guān)系不大，但與氮磷比有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)。這表明氮不是湯遜湖限制藍(lán)藻密度的因素，而磷是浮游植物生長(zhǎng)關(guān)鍵的營養(yǎng)元素，是淡水生態(tài)系統(tǒng)中一個(gè)重要的生長(zhǎng)限制性因素。在高氮磷比的情況下，較大地限制了藍(lán)藻細(xì)胞的生長(zhǎng)。對(duì)各測(cè)量點(diǎn)總磷含量與浮游植物密度進(jìn)行相關(guān)性分析可以推斷，磷是影響湯遜湖浮游植物生長(zhǎng)的一個(gè)重要因素（圖7）。

圖7 湯遜湖各測(cè)量點(diǎn)總磷含量與浮游植物密度的關(guān)系

3.3 浮游動(dòng)物鑒定

研究期間，共檢出浮游動(dòng)物2 類14 種，其中橈足類8 種，枝角類6 種（表2）。

表2 湯遜湖浮游動(dòng)物名錄

由湯遜湖各測(cè)量點(diǎn)的浮游動(dòng)物密度（圖8）和生物量分布（圖9）可知，外湯遜湖的浮游動(dòng)物生物量高于內(nèi)湯遜湖，但總體數(shù)據(jù)顯示湯遜湖浮游動(dòng)物的生物量較低，平均浮游動(dòng)物生物量為2.12 mg/L。由于魚類結(jié)構(gòu)的變化能夠改變浮游動(dòng)物種類和個(gè)體大小的組成，從而進(jìn)一步影響浮游動(dòng)物對(duì)浮游植物的濾食能力，改變水體中浮游植物結(jié)構(gòu)和生物量，進(jìn)而影響水體的富營養(yǎng)化過程。這種由食物鏈上層變化產(chǎn)生的對(duì)下層浮游植物的影響稱為“下行效應(yīng)”［10-12］。

圖8 湯遜湖各測(cè)量點(diǎn)浮游動(dòng)物密度

圖9 湯遜湖各測(cè)量點(diǎn)浮游動(dòng)物生物量

4 小結(jié)

根據(jù)2019 年對(duì)湯遜湖水體浮游生物分布的調(diào)查，湯遜湖水體藻類總體構(gòu)成為5 門34 種，包括硅藻門、藍(lán)藻門、綠藻門和隱藻門等，以藍(lán)藻門的偽魚腥藻屬、螺旋浮絲藻和平裂藻屬為絕對(duì)優(yōu)勢(shì)種，其平均密度均達(dá)106個(gè)細(xì)胞/L，藻類群落還具有明顯的季節(jié)演替規(guī)律。

湯遜湖中影響浮游植物群落結(jié)構(gòu)變化的因素主要有2 個(gè)，一個(gè)是湯遜湖水體中的營養(yǎng)元素的影響，另一個(gè)是浮游動(dòng)物的下行效應(yīng)對(duì)浮游植物生長(zhǎng)的影響。以營養(yǎng)鹽角度分析，湯遜湖空間差異下的浮游植物群落受營養(yǎng)元素的影響，具體體現(xiàn)在磷元素時(shí)空分布的差異導(dǎo)致浮游植物群落生長(zhǎng)產(chǎn)生了較大的差異，湯遜湖中磷含量高的測(cè)量點(diǎn)對(duì)浮游植物群落的生長(zhǎng)起到了較大的促進(jìn)作用，浮游植物密度的增長(zhǎng)明顯，因此，磷是湯遜湖中對(duì)浮游植物群落影響最大的營養(yǎng)元素。

在浮游動(dòng)物的研究方面，共檢出浮游動(dòng)物2 類14 種，其中橈足類8 種，枝角類6 種，主要分布在外湯遜湖中，內(nèi)湯遜湖由于大量的養(yǎng)殖漁業(yè)導(dǎo)致浮游動(dòng)物被濾食性的鳙魚大量濾食，浮游動(dòng)物的生物量較外湯遜湖低很多，進(jìn)而從食物鏈角度來看，浮游植物生長(zhǎng)缺少了上一營養(yǎng)級(jí)的限制，因此，內(nèi)湯遜湖的水體適合浮游植物群落的生長(zhǎng)，浮游植物的生物量明顯高于外湯遜湖。

內(nèi)湯遜湖浮游植物群落生長(zhǎng)的主要影響因子是食物網(wǎng)的下行效應(yīng)，因此需要使湯遜湖中的浮游動(dòng)物的生物量得到提高，可對(duì)漁場(chǎng)漁業(yè)進(jìn)行控制，減少鳙魚這類濾食性魚類的養(yǎng)殖，調(diào)控魚類養(yǎng)殖的比例，使內(nèi)湯遜湖的水生態(tài)系統(tǒng)處于一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)?；謴?fù)浮游動(dòng)物對(duì)浮游植物的限制作用，減少浮游植物群落的種群密度，從而阻止藍(lán)藻水華的發(fā)生，與此同時(shí)。對(duì)水質(zhì)的治理也要同步進(jìn)行。