淮南矿区小型煤矿塌陷湖泊浮游植物群落结构特征

徐 鑫易齐涛, 2王晓萌章 磊谢 凯

(1. 安徽理工大学地球与环境学院, 淮南 232001; 2. 中国科学院生态环境研究中心, 北京 100085; 3. 安徽理工大学理学院,淮南 232001)

淮南矿区小型煤矿塌陷湖泊浮游植物群落结构特征

徐 鑫1易齐涛1, 2王晓萌1章 磊1谢 凯3

(1. 安徽理工大学地球与环境学院, 淮南 232001; 2. 中国科学院生态环境研究中心, 北京 100085; 3. 安徽理工大学理学院,淮南 232001)

在淮南潘谢矿区内设置3个水文生态环境条件差异较大的小型煤矿塌陷湖泊研究站点, 即潘谢潘集站(PXPJ)、潘谢顾桥站 (PXGQ)和潘谢谢桥站(PXXQ), 于2013—2014年4个季度分别对塌陷湖泊的浮游植物结构组成特征及其水生态环境因子的关系进行了分析。3个小型塌陷湖泊共鉴定出浮游植物7门9纲18目34科70属131种, 浮游植物种类主要由蓝藻、绿藻和硅藻组成。其中绿藻门种类最多, 共59种, 占浮游植物总种数45.0%; 其次是蓝藻, 总共24种, 占浮游植物总种数18.3%; 硅藻22种, 占浮游植物总种数16.8%。从各门类藻细胞密度的百分比看, PXPJ站点以绿藻、硅藻和隐藻为主, 范围77.5%—90.5%; PXGQ站点蓝藻在夏秋季数量上均占据绝对优势, 分别占藻类总细胞密度的61.5%和46.2%; PXXQ站点隐藻在春季为绝对优势类群, 在总细胞密度中占的比率为94.6%, 夏秋以蓝藻为主, 分别为74.7%和81.8%。3个湖泊由于水文生态环境条件的不同, 浮游植物丰度、多样性和均匀度体现出了一定的差异。典范对应分析(CCA)表明, 光照、水温和营养盐含量与比率(TN/TP)是影响塌陷湖泊浮游植物群落结构的重要环境因子。

采煤沉陷区; 塌陷湖; 浮游植物; 典范对应分析; 水环境因子

受矿区水文地质条件和生态环境条件等因素制约, 各分矿区煤矿塌陷湖泊水文情势、污染负荷模式存在较大不同, 加上水域利用方式等方面的影响, 不同类型塌陷湖泊水质状态和生态系统响应程度也将出现显著差别。从区域尺度来看, 小型塌陷湖泊与矿区水文生态环境密切相关, 各分矿区水文情势、生态环境与人为活动等相关特征很大程度将会在区内湖泊生态系统中得以体现, 湖泊生态系统的结构与功能表征、其对水体富营养化进程响应过程和机制及相关生态环境效应, 是矿区生态环境重建、恢复及评价理论中面临的重要科学问题。相关研究表明, 塌陷湖泊富营养化起点高, 人为活动能在较短时间尺度内加快塌陷湖泊富营养化进程[2], 不同营养状态塌陷湖泊内浮游生物群落结构组成、季节动态及演替过程也具有显著的区别[3—5]。淮南煤矿近二十年来大规模持续开始使得区域地形地貌和水文生态条件发生了重要改变, 作为生态系统重要的组成部分, 浮游植物是生态系统的初级生产者和食物网的起点, 也是生态系统生物与环境因子作用的第一个重要界面, 其群落结构组成和演替规律对区域生态环境特征具有重要的指示作用, 同时对生态系统营养结构和功能起着基础性的调控作用, 因此对浮游植物群落结构与环境因子相互关系在水环境生态学研究方面具有十分重要的基础意义[6]。本研究将对淮南矿区3种类型的塌陷湖泊浮游植物群落结构与生态环境因子相互关系进行研究, 以期为深入理解这一特殊的水生态系统结构与功能提供基础资料, 同时为区域生态环境重建与保护对策提供相关的理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况与湖泊站点设置

选取潘谢矿区内塌陷湖泊为研究对象, 潘谢矿

区也是淮南煤矿基地中沉陷面积积水最为集中的区域, 其位于安徽省淮河北岸的冲击平原, 地理坐标为东经 116°18′32″—?116°57′05″, 北纬 32°42′23″—32°55′38″, 矿区东西长近58 km, 南北宽6—?25 km,面积约865 km2。矿区内地表水系较为发达, 天然河道有西淝河、港河、黑河、济河、泥河和架河, 人工河道有永辛河, 均由西北向东南流入淮河。分别在矿区潘谢东部的潘集(PJ)矿区、中部的顾桥(GQ)矿区和西部的谢桥(XQ)内各选1个小型塌陷湖泊为研究对象进行相关研究(图1)。

图1 淮南潘谢矿区沉陷积水区及研究湖泊站点分布Fig. 1 The distributions of the subsidence areas and studied sites around Panxie coal mine areas

3个小型塌陷湖泊沉陷积水历史及水文条件存在较大差异, 其中潘谢潘集(PXPJ)湖泊位于潘集矿区西北侧, 水域面积约3.5 km2, 平均水深4.4 m, 形成时间超过20年, 与流经矿区的河流泥河常年相通;潘谢顾桥(PXGQ)站点位于顾桥矿西北侧, 其水域面积约 4.0 km2, 平均水深超过 4.0 m, 形成时间5—6年, 水体较为封闭(无入湖河流); 潘谢谢桥(PXXQ)站点位于谢桥矿西北侧沉陷区内, 水域面积约 3.0 km2, 平均水深 4.5 m, 湖泊年龄约 15年,其通过节制闸与其南边的济河联通, 在汛期接纳济河季节性引水。3个塌陷湖泊均为失地农民所利用进行渔业活动, 主要投放易于捕获的鲢及少量鳙,但是没有行饵料和肥料的施加, 属于粗放式管理,根据渔民走访调查及初级生产力估算, 年均渔产量约为(1.5—3)×104kg/km2。

1.2 水质、浮游植物采样与分析

于2013—2014年分别对PXPJ、PXGQ和PXXQ 3个湖泊进行了春、夏、秋、冬 4个季度进行采样和分析, 在每个塌陷湖泊设置 7—9个水质采样点,用有机玻璃采水器采取表层水样。水质调查及分析的指标包括: 水温(T)、透明度(SD)、电导率(EC)、pH、溶解氧(DO)、碱度(ALK)、总悬浮颗粒物(TSS)、化学需氧量(CODcr)、总氮(TN)、总磷(TP)、叶绿素a(Chl.a)。水温、pH、DO用pH计(YIS pH100)和熔氧仪(DO200)现场测定, 透明度用赛氏盘测定。水质分析方法主要参照相关国家标准进行[7], ALK用酸碱指示剂滴定法测定, EC用电导率仪测定, TN用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法测定, TP用过硫酸钾消解-钼酸铵分光光度法测定, COD采用重铬酸钾法, Chl.a用分子荧光法分析测定。

在每个湖的湖心周围设置3个浮游植物采样点,并分别鉴定样品, 浮游植物定性样品采集用25# (网孔直径 64 μm)浮游生物网在水体表层中以“∞”字型来回捞取, 加鲁哥氏液固定, 部分样品作活体观察,用于鉴定种类[8]。对于定量样品, 用5.0 L采水器根据水深在上、中、下层采取进行混合, 然后装入1000 mL的采集瓶, 现场加入15 mL鲁哥氏液固定,带入实验室沉淀48h并浓缩至50 mL。计数前摇匀后取0.1 mL在20 mm×20 mm的计数框内鉴定和计数, 计数方法采用视野法, 一般至少100个视野, 如果数量太少, 则需要增加视野到 200个以上, 对于群体性藻类如铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa Kützing)等, 以个体数计数, 具体参照章宗涉和黄祥飞[9]相关研究方法。

1.3 数据分析方法

运用浮游植物优势种的优势度(Y)和 Jaccard相似性指数(X)[10]、Shannon-Wiener多样性指数(D)、Pielou均匀度指数(J)对塌陷湖泊浮游植物群落结构进行分析评价, 各项指数计算公式如下:

式中, X为相似性指数、D为多样性指数、J为均匀度指数、Y为优势度指数; ni为各站点i物种的个数、N为各站点浮游植物总个数、fi为i物种在各站位中出现的频率、S为站位中浮游植物总种数; a为站位A中出现的浮游植物种类数、b为站位 B中出现的浮游植物种类数, c为站位A和站位B中都出现的浮游植物种类数。

采用Canoco 4.5软件对对浮游植物的物种先进行去趋势对应分析(Detrended Correspondence Analysis, DCA)以检验其第一轴的梯度长, 其结果为3.013, 进行典范对应分析(Canonical Correspondence Analysis, CCA), 通过蒙特卡罗置换检验(Monte Carlo Permutation test)对环境变量进行自动筛选。筛选出相对丰度至少在一个站点＞2%且各站点出现的频度＞50%的种类进行排序, 将浮游植物丰度值和理化数据进行lg(x+1)转换, 使数据趋于正态分布, 作出物种与环境因子的双序图[11—13]。此外,采用SPSS 16.0软件对不同湖泊站点及不同季节内营养盐浓度及浮游植物密度等数据进行均值比较从而分析差异的显著性。

2 结果

2.1 三个塌陷湖泊水质特征分析

3个湖泊水体 4个季度调查期间温度范围在5.7—32.0 , pH℃ 在7.68—9.18, 为弱碱性水体(表1)。各水体 Chl.a浓度较高, 体现了富营养湖泊的典型特征。PXPJ站点 TP浓度季节变化范围为 0.085—0.120 mg/L, TN浓度季节范围为 0.79—2.08 mg/L, 而Chl.a浓度范围则为8.5—40.8 mg/m3; PXGQ站点TP、TN和Chl.a浓度季节变化范围分别为0.038—0.14 mg/L、0.63—1.44 mg/L和12.2—38.7 mg/m3; PXGQ TP浓度季节变化范围为0.010—0.076 mg/L, 而 TN 浓度相对较高, 季节变化范围为 1.73—5.37 mg/L, 特别是在春季夏季从济河引水带来了丰富的营养元素, 使得Chl.a浓度高达60 mg/m3以上。从4个季度浓度均值来看, PXPJ的TP浓度显著高于PXGQ和PXXQ站点, 而TN浓度大小则是PXXQ 和PXPJ显著高于PXGQ。

2.2 浮游植物种类组成

3个塌陷湖泊 4个季度调查期间总共观察到浮游植物共计7门9纲18目34科70属131种, 其中绿藻门种类最多, 共 59种, 占浮游植物总种数45.0%; 其次是蓝藻, 总共 24种, 占浮游植物总种数18.3%; 硅藻22种, 占浮游植物总种数16.8%; 裸藻14种, 占浮游植物总种数10.7%; 甲藻7种, 占浮游植物总种数5.3%, 隐藻3种, 占浮游植物总种数2.3%, 金藻2种, 占浮游植物总种数1.5%(图2)。其中PXPJ和PXGQ这2个湖泊水体4个季度浮游植物种类数变化一致, 即夏季＞秋季＞春季＞冬季, PXXQ站点春季调查期间可能由于高营养盐浓度河水(济河)的引入, 使得湖泊内浮游植物种数减少,远低于其他季节或站点。从浮游植物门类上看, 3个湖泊 4个季度都是绿藻门种类最多, 尤其是夏季和秋季, 3个站点绿藻门、蓝藻门和硅藻门类物种占到观察到物种总数的80%以上。

3个研究湖泊内4个季节浮游植物优势种如表2所示, 其中PXPJ站点4个季度的第1优势种分别为春季具尾蓝隐藻(Chroomonas caudata Geitler), 优势度Y=0.15, 夏秋冬为链形小环藻(Cyclotella catenata (Brun) Bach.), 优势度分别为 0.19、0.19和 0.22;

表1 淮南潘谢采煤沉陷区内3个小型塌陷湖泊水质指标Tab. 1 Water quality of the three subside small lakes around Huainan Panxie coal mine areas

图2 研究区内3个小型塌陷湖泊不同季节浮游植物的种类分布Fig. 2 Seasonal distributions of phytoplankton taxa in the three subsided lakes

PXGQ站春夏秋季第 1优势种分别为伪鱼腥藻(Pseudanabaena sp.), 优势度分别为 0.31、0.38和0.23, 冬季为链形小环藻, 优势度 0.16; PXXQ第 1优势种在春季为具尾蓝隐藻, 优势度 Y=0.71, 夏秋季为伪鱼腥藻, 优势度为 0.57和 0.44, 冬季为链形小环藻, 优势度0.23; 在蓝藻门中, 3个湖泊站点伪鱼腥藻和铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa Kützing)作为优势种在不同季节出现频率较高, 绿藻门中 小 球 藻 属 (Chlorella Beijierinck)和 衣 藻 属(Chlamydomonas Ehrenberg)、硅藻门中的链形小环藻、尖针杆藻(Synedra acus Kützing)和颗粒直链藻(Melosira granulate (Ehr.) Ralfs)以及隐藻门中的具尾蓝隐藻、卵形隐藻(Cryptomonas ovata Ehr.)和啮蚀隐藻(Cryptomonas erosa Ehr.)出现频率较高。

2.3 浮游植物丰度

PXPJ站点浮游植物细胞密度范围为(443—984)× 104cells/L, 秋季浮游植物数量最多, 冬季最少, 其中绿藻、硅藻和隐藻数量在4个季度数量都占的比例较大, 达到 77.5%—90.5%; 4个季度监测期间PXGQ浮游植物细胞密度在(190—1267)×104cells/L变化, 蓝藻在夏季和秋季在数量上均占据绝对优势,分别占藻类细胞总数的 61.5%和 46.2%, 而冬春季浮游植物数量最少; PXXQ站浮游植物细胞密度范围则为(557—3192)×104cells/L, 从春季到冬季逐渐减小, 特别是春季隐藻在数量上占绝对的优势, 占总数量的 94.6%; 夏秋季蓝藻在数量上占绝对优势,分别占总数量的 74.7%和 81.8%, 而冬季硅藻数量最多, 占总数的 51.5%。浮游植物总体细胞密度是PXXQ＞PXPJ＞PXGQ (图3)。

2.4 浮游植物多样性、均匀度与相似性

PXPJ站4个季度 Shannon-Wiener多样性指数范围在3.46—4.25, 均值为3.95(表3), PXGQ多多样性指数范围为3.70—4.15(均值3.97), 而PXXQ多样性指数从春季到冬季逐步增大, 其范围在 1.27—3.86, 均值则为2.79。其中PXPJ和PXGQ这2个站点 4个季度浮游植物群落结构多样性明显高于PXXQ站点, 且后者浮游植物多样性在不同季节具有较为明显的波动。

表2 研究区内3个小型塌陷湖泊浮游植物优势种名录Tab. 2 Dominant species of phytoplankton in 3 small subsided lakes

图3 研究区内3个小型塌陷湖泊不同季节浮游植物细胞密度分布Fig. 3 Seasonal phytoplankton cell concentrations in the three subsided lakes

表3 研究区内3个小型塌陷湖泊不同季节浮游植物多样性与均匀度Tab. 3 Shannon-Wiener diversity cellsex and Pielou uniformity cellsex in the three small subsided lakes

从Pielou均匀度指数来看, PXPJ站点浮游植物均匀度指数范围在 0.72—0.79, 各季节差异较小; PXGQ站点均匀度指数范围为 0.66—0.82, 冬季最高要略高于其他季节; PXXQ均匀度指数在 0.29—0.73, 各季节之间差异加大。同 Shannon-Wiener多样性指数相似, PXXQ站点均匀度要低于 PXPJ和PXXQ站点, 且季节变动较大。

3个塌陷湖泊站点 4个季度调查期间浮游植物相似性指数(X)变化在0.07—0.46 (表4)。从各站点季节变化来看, PXPJ、PXGQ和PXXQ各季节相似性指数变化范围分别为 0.31—0.44、0.16—0.23和0.16—0.45, 相似性一般或较差, 表明塌陷湖泊内浮游植物群落结构具有明显的季节变化; 总体来看, 3个塌陷湖泊浮游植物群结构在不同季节具有一定的相似性, 春季PXPJ站和PXXQ站浮游植物群落结构具有相对较高的相似性(J=0.46), 夏季PXPGQ站和PXXQ站夏季相似性最高, 为0.46, 秋季3个站点相似性指数范围为 0.41—0.46, 冬季 PXPJ站 PXGQ站相似性最高(J=0.41)。

2.5 浮游植物群落与环境因子关系的CCA分析

对浮游植物种类数经过相对丰度＞2%以及出现频率＞50%进行筛选, 选取 27种浮游植物和 9个环境因子进行CCA分析, 其中蓝藻门8种、绿藻门7种、硅藻门6种、隐藻门3种, 裸藻门、甲藻门和金藻门各1种, 浮游植物种类代码见表5。

2个物种排序轴和2个环境排序轴的相关系数都为0, 说明排序结果可信度高[14, 15]。Tem、SD、ALK 和TN对塌陷湖泊浮游植物群落结构影响较大, 其中SD和ALK与轴1呈正相关, 相关系数分别为0.5530 和0.5729, Tem与轴1呈负相关, 相关系数为–0.4993; Tem和TN与轴2呈正相关, 相关系数分别为0.5762 和0.6671, SD与轴2呈负相关, 相关系数为–0.795。

3个塌陷湖泊浮游植物在CCA排序轴中的得到较好的分化[16], 蓝藻种类主要集中在第2和第4象限, Tem、pH、SD、TN和ALK对其具有影响, 绿藻种类主要集中在第4象限, 与ALK、SD和TN呈正相关, 硅藻和隐藻主要集中在第 1和第 4象限, 与ALK、SD、TP和TN呈正相关; 具尾蓝隐藻受TN 和 ALK影响较大, 伪鱼腥藻和弯形小尖头藻与Tem、pH和CODcr呈正相关, 受其影响较大。

表4 研究区内3个小型塌陷湖泊不同季节浮游植物相似性Tab. 4 Jaccard similarity cell sex in the three small subsided lakes

表5 CAA分析中的浮游植物种类代码Tab. 5 Codes of phytoplankton species for CCA

CCA排序可以将研究站点分为4个类(图5), 类Ⅰ只包含PXXQ春季, 与TN呈现较强正相关, 受TN影响较大, 隐藻为主; 类Ⅱ包含 PXPJ春夏秋冬四个季度, 与ALK和TN/TP呈现正相关, 硅-隐为主; 类Ⅲ包含PXXQ冬季和PXGQ冬季, 与SD和TN/TP呈正相关, 绿-硅为主; 类Ⅳ包含PXXQ夏秋季、PXGQ春夏季和秋季, 与 Tem、pH和 CODcr呈正相关, 蓝藻为主。

3 讨论

一般用 PEG(Plankton ecology group)模式来描述富营养化湖泊浮游植物的季节演替规律[16, ?17], 该模式大致过程为: 浮游植物从冬春的隐藻-硅藻转变为夏季的绿藻, 到夏末秋初则以蓝藻占优势, 而秋季硅藻重要性再次上升。PXPJ站冬季和春季都以隐藻-硅藻占优势, 跟 PEG模式基本相似; PXGQ和PXXQ站点除了夏季, 其他三个季节浮游植物种类交替都是以冬春季节以隐藻-硅藻占优势, 到夏末秋初以蓝藻占优势, 与PEG模式保持一致, 因此PEG模式也很大程度上适用于富营养化的小型煤矿塌陷型湖泊, 淮北塌陷湖泊相关研究结果也表明了同样的规律[4]。CCA分析亦证实了由于季节变化导致环境因子如温度、透明度等对塌陷湖泊浮游植物群落结构组成的影响[18], 夏秋季主要受Tem和pH影响较大, 以蓝藻类群为主, 冬季水体透明度较高, 以绿-硅为主。3个站点中PXPJ以链形小环藻为主要优势种, 其主要生活在碳比较缺乏、富营养型的小型湖泊中[19]; PXGQ站点则以伪鱼腥藻为主, 生长于富营养化水体, 对光照较为敏感, 在夏秋季透明度较低的水体中占据优势地位; PXXQ站点最为明显的是春季的具尾蓝隐藻, 其主要收到 TN浓度的影响。

图4 浮游植物与环境因子CCA排序图Fig. 4 CCA diagram of phytoplankton dominant species and environment factors

图5 研究站点与环境因子CCA排序图Fig. 5 CCA diagram of the studied sites and environmental factors

3个塌陷湖泊水文特征及营养盐等物理化学性质的差异可能导致浮游植物群落结构组成差别的重要原因。从相似性指数上来看, 其反应了浮游植物生境相似的程度, 而和物种多样性无关[10]。相似性一般划分6级, 相似性指数(X)在0—1[20]。3个塌陷湖泊相似度在 0.07—0.46, 处于极不相似和轻度相似之间, 表明各个站点浮游植物在各自站点内存在显著的季节变化, 同时由于各站点之间生境变化也较大, 水体之间差别明显, 从而导致塌陷湖泊浮游植物群落结构在空间上分布的差异性。从体现物种丰富与组成复杂程度的多样性和均匀度[21]指数看, PXPJ站和PXGQ站多样性指数年均值分别为3.95 和 3.97, 均匀度指数范围分别为 0.72—0.79和0.66—0.82 (表2), 表明这2个塌陷湖泊浮游植物多样性丰富, 而且均匀度很好, 群落结构复杂且较为稳定。而对于PXXQ站点, 由于季节性从南边的河流季节性引水容导致水体环境因子出现显著的波动,浮游植物多样性和均匀度均明显低于 PXGQ站点,春季隐藻和夏秋季蓝藻在浮游植物群落结构中占据主要地位, 群落结构相对较为单一, 体现了小型塌陷湖泊内浮游植物群落结构对水文波动特征具有较为快速和明显的响应情况。

此外, 营养盐含量和比率对浮游植物种类和丰度有显著影响[22], 在区域水温和光照差异环境因子较小的情况下, 其也是营养塌陷湖泊浮游植物群落结构的重要因素, 3个塌陷湖泊水体已经进入富营养化状态, 同其他富营养湖泊一样, 蓝绿藻在浮游植物群落结构中占据较大的比率, PXPJ站点蓝绿藻占整个物种比率均值为59.0%, 而PXGQ和PXXQ则高达 70.0%和 70.6%, 主要出现的是富营养化的指示物种为伪鱼腥藻, 其生长于富营养化水体中, 对光照较为敏感。CCA分析表明, 塌陷湖泊浮游植物群落结构中绿藻、硅藻和隐藻受TN和TN/TP影响较大, 特别是隐藻, 适合于有机物和氮含量丰富的生境中, PXPJ和PXXQ由于周围河流输入带来了较为丰富的N元素, TN含量和TN/TP比率均比PXGQ 高, 隐藻细胞密度在浮游植物总细胞密度中占据的比率也较高, 尤其是具尾蓝隐藻作为第 1优势种,对塌陷湖泊的高氮环境具有重要的指示作用。

从生态系统营养结构组成看, 浮游植物则受到浮游动物或鱼类(滤食性生物)等捕食者的影响, 消费者通过直接捕食或间接的营养盐循环而影响浮游植物的生长和群落结构。从生态系统营养结构调控的角度来看, 塌陷湖泊浮游植物群落结构可能受到水域利用方式(渔业活动)的重要影响。矿区内农田生态系统向水生态系统转变后, 物质生产方式、生态系统结构和功能也发生彻底变化, 形成了以浮游植物初级生产为基础的食物网, 生态系统结构及生态环境功能均趋向复杂化和多样化。塌陷湖泊周围农业径流输入为塌陷湖泊带来了丰富的营养元素,支撑了浮游植物相当大的初级生产[23], 如 3个站点浮游植物细胞密度最高可达(1—3)×107cells/L, 作为生态系统食物链的起点, 是浮游动物和滤食性鱼类良好的天然的饵料, 每年为当地失地农民带来了较为可观的经济收入。与此同时, 年初大规模鱼苗(主要为鲢鳙)的投放可能给浮游植物带来了相当大的捕食压力, 在降低浮游植物细胞密度的同时控制藻类水华的暴发。值得指出的是, PXPJ站点尽管营养盐含量远高于 PXGQ, 但浮游植物细胞密度却较低, 可能也与鱼类的过量放养有关。因此未来以浮游植物群落结构组成为基础, 对生态系统营养结构的“上行”或“下行”调控机制与效应展开相关研究将对保持塌陷湖泊水生态环境健康与渔民的经济效益的平衡至关重要[9]。

4 结论

(1) 在3个塌陷湖泊中共观察到浮游植物共计7 门9纲18目34科70属131种, 其中绿藻门种类最多, 共 59种, 占浮游植物总种数 45.0%; 其次是蓝藻, 总共24种, 占浮游植物总种数18.3%; 硅藻22 种, 占浮游植物总种数 16.8%; 裸藻 14种, 占浮游植物总种数 10.7%。从各门类藻种细胞密度的百分比看, PXPJ站点以绿藻、硅藻和隐藻数量为主, 范围为77.5%—90.5%; PXGQ站点蓝藻在夏秋季数量上均占据绝对优势, 分别占藻类细胞总数的 61.5% 和 46.2%; PXXQ站点隐藻在春季为绝对优势类群,占总数量的94.6%, 夏秋以蓝藻为主, 分别为74.7% 和81.8%。

(2) 3个小型塌陷湖泊由于水文生态环境因子的不同, 浮游植物丰度、多样性和均匀度均体现出了一定的差异, 总体上3个塌陷湖泊生物多样性丰富、结构都较为复杂, 浮游植物分配均匀度好, 处于较完整和稳定的状态。而PXXQ湖泊由于水文条件和营养状况存在较大的波动, 浮游植物多样性和均匀度受到了一定的影响。CCA分析表明, 光照、温度和营养盐含量与比率(TN/TP)是影响塌陷湖泊浮游植物群落结构的重要环境因子。从空间上看, 氮浓度较高的水体中(PXPJ和PXXQ)隐藻为重要的类群,以具尾蓝隐藻为指示物种, 和氮浓度较低的 PXGQ具有明显的差异。从季节变化的环境因子来看, 3个湖泊具有一定的共性, 冬春季主要类群为硅藻-隐藻,以链形小环藻和具尾蓝隐藻为代表, 适应于富营养化的水体环境中。

[1] Zhang W. The coal mine collapse area of Huainan and Huaibei cities land reclamation pattern and project technical standard research [D]. Hefei: Anhui Agricultural University. 2008 [张玮. 两淮采煤塌陷区土地复垦模式及其工程技术研究. 合肥: 安徽农业大学. 2008]

[2] Qu X J, Yi Q T, Hu Y B, et al. Spatial-temporal distribution of nutrients and their eutrophication processes of subsidence waters in the Huainan and Huaibei Mining Areas [J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2013, 24(11): 3249—3258 [曲喜杰, 易齐涛, 胡友彪, 等. 两淮采煤沉陷积水区水体营养盐时空分布及富营养化进程. 应用生态学报, 2013, 24(11): 3249—3258]

[3] Wang Z H, Gui H R, Luo Z X, et al. The response of plankton in excavating coal subsidence pool to the mining area ecological changes [J]. China Environmental Science, 2005, 25(1): 42—46 [王振红, 桂和荣, 罗专溪, 等. 采煤塌陷塘浮游生物对矿区生态变化的响应. 中国环境科学, 2005, 25(1): 42—46]

[4] Deng D G, Meng X L, Lei J, et al. Community structure and seasonal dynamics of phytoplankton in small lakes of Huaibei excavating coal subsidence region [J]. Ecological Science, 2010, 29(6): 499—506 [邓道贵, 孟小丽, 雷娟, 等.淮北采煤塌陷区小型湖泊浮游植物群落结构和季节动态.生态科学, 2010, 29(6): 499—506]

[5] Deng D G, Jin X W, Ge Q, et al. Seasonal variations on community structures of rotifers in small lakes of an excavating coal subsidence region in Huaibei [J]. Journal of Lake Science, 2012, 24(1): 111—116 [邓道贵, 金显文, 葛茜, 等. 淮北采煤塌陷区小型湖泊轮虫群落结构的季节变化. 湖泊科学, 2012, 24(1): 111—116]

[6] Sanna S, Maria L, Maija H. Long-term changes in summer phytoplankton communities of the open northern Baltic Sea [J]. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 2006, 71(3—4):580—592

[7] Yin H. Standards and Specifications of Environment Monitoring Methods [M]. Water Environment. Beijing: National Standards Press of China. 2007, 123—195 [尹航.环境监测方法标准汇编: 水环境. 北京: 中国标准出版社. 2007, 123—195]

[8] Hu H J, Wei Y X. The Freshwater Algae of China Systematics, Taxonomy and Ecology [M]. Beijing: Science Press. 2006, 79—900 [胡鸿钧, 魏印心. 中国淡水藻类—系统、分类及生态. 北京. 科学出版社. 2006, 79—900]

[9] Zhang Z S, Huang X F. Research Methods for Freshwater Plankton [M]. Beijing: Science Press. 1991, 88—187 [章宗涉, 黄祥飞. 淡水浮游生物研究方法. 北京: 科学出版社. 1991, 88—187]

[10] Chen J C, Meng S L, You Y, et al. Characteristic of phytoplankton community in Lake Wuli Lake Taihu [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2009, 18(4): 1358—1367 [陈家长, 孟顺龙, 尤洋, 等. 太湖五里湖浮游植物群落结构特征分析. 生态环境学报, 2009, 18(4): 1358—1367]

[11] Ter Braak C J F. Canonical correspondence analysis: A new eigenvector technique for multivariate direct gradient analysis [J]. Ecology, 1986, 67: 1167—1179

[12] Ter Braak C J F, Verdonschot P F M. Canonical correspondence analysis and related multivariate methods in aquatic ecology [J]. Aquatic Science, 1995, 57: 255—289

[13] Lopes MRM, Bicudo CEM, Ferragut M C. Short term spatial and temporal variation of phytoplankton in a shallow tropical oligotrophic reservoir, southeast Brazil [J]. Hydrobiologia, 2005, 542: 235—247

[14] Hu F, Xu Z C, Yao L A, et al. Community structure of phytoplankton and its relationship with aquatic environment factors in Jiantan Reservoir [J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2014, 34(4): 950—958 [胡芳, 许振成, 姚玲爱, 等.剑潭水库浮游植物群落特征与水环境因子关系研究. 环境科学学报, 2014, 34(4): 950—958]

[15] Meng R, He L S, Guo L G, et al. Canonical correspondence analysis between phytoplankton community and environmental factors in macrophtic lakes of the middle and lower reaches of Yangtze River [J]. Environment Science, 2013, 34(7): 2588—2596 [孟睿, 何连生, 过龙根, 等. 长江中下游草型湖泊浮游植物群落及其与环境因子的典范对应分析. 环境科学, 2013, 34(7): 2588—2596]

[16] Wu J, Yu Z M. The succession of phytoplankton and the ecological effects of eutrophication control measures in Hangzhou West Lake [J]. China Environmental Science, 2001, 21(6): 540—544 [吴洁, 虞左明. 西湖浮游植物的演替及富营养化治理措施的生态效应. 中国环境科学, 2001, 21(6): 540—544]

[17] Sommer U, Gliwicz M Z, Lampert W, et al. The PEG-modelof seasonal succession of planktonic events in freshwaters [J]. Archives of Hydrobiology, 1986, 106: 422—477

[18] Li H, Ma Y W, Qi F, et al. Phytoplankton in Bosten Lake: community characteristics and driving factors [J]. Acta Hydrobiologica Sinica, 2014, 38(5): 921—928 [李红, 马燕武, 祁峰, 等. 博斯腾湖浮游植物群落结构特征及其影响因子分析. 水生生物学报, 2014, 38(5): 921—928]

[19] Dong J, Li Y H, Li G B, et al. Seasonal dynamics characteristics and affecting physical factors of phytoplankton functional groups in Dongjiang River [J]. Acta Hydrobiologica Sinica, 2013, 37(5): 836—843 [董静, 李艳晖, 李根保, 等. 东江水系浮游植物功能群季节动态特征及影响因子. 水生生物学报, 2013, 37(5): 836—843]

[20] Lu S Z, Yu Q G, Cao S W. Comparability of species diversity of tropical forest communities in Nuozhadu nature reserve, Yunnan province [J]. Journal of Anhui Agricultural Sciences, 2008, 36(9): 3773—3775 [卢双珍, 喻庆国, 曹顺伟. 云南糯扎渡自然保护区热带林群落物种多样性相似性研究. 安徽农业科学, 2008, 36(9): 3773—3775]

[21] Chen Q C, Huang L M, Yin J Q, et al. Studies on Zooplankton Diversity in Waters of the Nansha Islands. Nansha Integrative and Scientific Investigation Team, Chinese Academy of Sciences. Studies on Marine Biodiversity of the Nansha Islands and Neighbouring Waters I [M]. Beijing: China Ocean Press. 1994, 42—50[陈清潮, 黄良民, 尹建强, 等. 南沙群岛浮游动物多样性研究. 中国科学院南沙综合科学考察队. 南沙群岛及其邻近海区海洋生物多样性研究. 北京: 海洋出版社. 1994, 42—50]

[22] Zhu X Y, Huang W, Zeng J N, et al. Effects of nitrogen and phosphorus ratios on phytoplankton community structure in winter [J]. Chinese Journal of Applied and Environmental Biology, 2013, 19(2): 293—299 [朱旭宇, 黄伟, 曾江宁, 等. 氮磷比对冬季浮游植物群落结构的影响. 应用与环境生物学报, 2013, 19(2): 293—299]

[23] Yi Q T, Xu X, Qu X J, et al. Characteristics of primary productivity in the aquatic zones around Huainan and Huaibei coal mine subsidence areas [J]. China Environmental Science, 2014, 34(8): 2101—2110 [易齐涛, 徐鑫, 曲喜杰, 等. 两淮采煤沉陷积水区水体初级生产特征. 中国环境科学, 2014, 34(8): 2101—2110]

PHYTOPLANKTON COMMUNITY IN THE SMALL SUBSIDED LAKES AROUND HUAINAN COAL MINE SUBSIDENCE AREAS

XU Xin1, YI Qi-Tao1, 2, WANG Xiao-Meng1, ZHANG Lei1and XIE Kai3
(1. School of Earth and Environment, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China; 2. Research Center for Eco-environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China;
3. School of Sciences, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China)

To investigate phytoplankton community and aquatic environmental factors, three small lakes at PXPJ site, PXGQ site and PXXQ site in Huainan Panxie coal mine subsidence area were chosen over the four seasons from 2013 to 2014. A total of 131 species of phytoplankton were identified, which belong to 7 phyla, 9 classes, 25 orders, 34 families and 70 genera. The primary phytoplankton species were Cyanophyta, Chlorophyta, and Bacillariophyta. Chlorophyta, Cyanophyta, and Bacillariophyta had 59, 24 and 22 species, respectively accounting for 45.0%, 18.3% and 16.8% of the total specie, respectively. The predominant species at PXPJ site are Chlorophyta, Bacillariophyta and Cryptophyta, ranging from 77.5% to 90.5% to the total algal cells. The predominant species at PXGQ in summer and autumn is Cyanophyta accounting for 61.5% and 46.2%, respectively. Cyanophyta is the major one at PXXQ site but distributes differently over season - 94.6% ratio in spring, 74.7% in summer, and 81.8% in autumn, respectively. The abundance, diversity and uniformity of the three small subsided lakes could be influenced by the the difference of eco-hydrological environment conditions. Canonical correlation analysis (CCA) showed that light, temperature, nutrient content and ratios (TN/TP) were the key factors affecting the different characteristics of phytoplankton community in subsided lakes.

Coal mine subsidence areas; Subsidence lakes; Phytoplankton; Canonical correlation analysis; Aquatic environmental factors

Q145+.2

A

1000-3207(2015)04-0740-11

10.7541/2015.97

2014-07-21;

2014-11-25

国家自然科学基金项目(41202242); 中国博士后科学基金面上项目(2014M560127); 安徽理工大学青年教师科学研究自然类重点项目(QN201426)资助

徐鑫(1991—), 男, 陕西渭南人; 硕士研究生; 主要研究方向为富营养化湖泊水环境生态学。E-mail: xuxin121210 @sina.com

易齐涛, E-mail: yiqitao@163.com