贡湖浮游植物时空分布特征及其与环境因子的关系

王　震，邹　华，杨桂军，许慧萍

（江南大学 环境与土木工程学院，江苏 无锡214122）

贡湖浮游植物时空分布特征及其与环境因子的关系

王震，邹华*，杨桂军，许慧萍

（江南大学 环境与土木工程学院，江苏 无锡214122）

为了弄清贡湖生态环境特征，基于2013年3月至2014年2月间贡湖8个采样点水环境状况的监测数据，运用数理统计分析手段，对浮游植物时空分布特征及其与环境因子的相关性进行了分析。贡湖总体上处于富营养化状态，而水源地附近水环境状况相对较好。蓝藻水华易发期水质透明度、悬浮物、叶绿素a、亚硝态氮、总氮时空分布差异显著（ANOVA，p＜0.05）。浮游植物细胞密度的空间分布差异显著（ANOVA，p＜0.05），浮游植物细胞密度的最高值出现在2号点，最低值出现在 5号点。利用Pearson相关性分析法分析藻细胞密度与环境因子间的关系，表明藻细胞密度与总氮、总磷、高锰酸盐指数、悬浮物、叶绿素 a呈极显著相关，与溶解氧呈极显著负相关。利用冗余度分析（redundancy analysis，RDA）浮游植物种类组成与环境因子之间的关系，表明营养盐（总氮、总磷和氨氮）、高锰酸盐指数、水温、悬浮物、pH是影响浮游植物组成的主要因素。贡湖水生态环境特征存在显著的空间特征异质性。浮游植物群落结构组成受到水环境特征和空间相邻性的双重影响。

水源地；浮游植物；环境因子；相关性

湖泊富营养化已成为我国乃至全球共同面临的最重要的水环境问题之一，由此而产生的水华已经给人们的生产生活及经济发展带来了巨大的影响［1］。每当水华暴发时，蓝藻等浮游植物在水体表面大量聚集，使得水体中溶解氧迅速降低、透光性变差，导致鱼类大量死亡和水生植物多样性下降；同时能产生藻毒素等［2-3］有毒有害物质及散发出恶臭等气味，严重危害饮用水安全和破坏水体景观。目前，我国已经有很多水域出现不同程度的蓝藻水华，包括太湖［4］、巢湖［5］、滇池［6］等。

近年来，Chen等［7］研究了作为饮用水源地的太湖梅梁湾在历经为期 3年的生态修复后，水质改善与浮游植物的响应；沈强［8］等对浙江省 4座大中型水库水源地的的浮游生物现状进行了调查，并采用浮游生物完整性指数（P-IBI）评价水源地富营养化、藻类水华风险程度等水生态健康状况；李钦钦［9］等分析了太湖金墅湾水源地春、夏季浮游植物的种类组成、数量和分布等特征，探讨了浮游植物群落结构特征与水质污染的关系，但缺少太湖水源地浮游植物与环境因子的季节性研究。

贡湖是太湖北部三大湖湾之一，是无锡和苏州主要供水水源地之一，集中了苏锡两市 4个水厂。贡湖中浮游植物的种类、数量的变化直接影响到两市的供水能力和供水质量。作者基于2013年3月至 2014年 2月间在贡湖 8个监测点进行逐月野外定点水环境状态调查，分析贡湖浮游植物群落结构组成与季节演替过程，揭示影响贡湖浮游植物细胞密度及群落结构的环境因子，为弄清贡湖生态环境特征提供参考。

1　材料与方法

1.1采样方法与分析方法

自2013年3月至 2014年2月，在贡湖主要水源地分布区（#1、#4、#6）、入湖河口附近水域（#2、#3、#5、#7）及湾口（#8）设置采样点，并在每月月中对此8个采样点进行定点采样（图 1）。用上、下底均有阀门的5 L有机玻璃采水器采集水面下0.5m的和离水底 0.5 m的混合水样；采集的水样 24 h内进行各指标的测定。同时，用采水器采集 1 L水样，并用10mL鲁哥氏液固定水样，用于浮游植物的鉴定。此外，现场测定指标包括：透明度（赛氏圆盘法），水温（WT）、pH和溶解氧（DO）（YSI-6600多参数水质仪）。

采集的水样分析指标主要有：亚硝态氮（NO2--N）、硝态氮（NO3--N）、氨氮（NH4+-N）、总氮（TN）、磷酸盐（PO43-）、总磷（TP）、高锰酸盐指数（CODMn）、悬浮物（SS）、叶绿素a（Chla）。高锰酸盐指数采用酸性高锰酸钾法测定。悬浮物采用重量法测定。Chla的测定采用丙酮萃取分光光度法［10］。亚硝态氮、硝态氮、氨氮、总氮、磷酸盐、总磷均使用AutoAnalyzer 3 （AA3）连续流动分析仪进行测定。测定浮游植物的水样经48 h静置沉淀后，利用虹吸轻轻吸掉上清液，浓缩至 50 mL。不同门类的藻类鉴定与计数参照文献［11］。

图1　太湖贡湖湾采样点分布图Fig.1　Sam pling sites in the Gonghu Bay of Taihu Lake

1.2生物学评价方法

采用种类相似性指数（Jaccard指数，J）对样点间浮游植物群落结构的相似性进行评价：

式中，J为相似性指数；a为样本A的种类数；b为样本B的种类数；c为样本A和B共有种类数。

当0＜J＜0.25时，极不相似；当0.25≤J＜0.50时，中等不相似；当0.50≤J＜0.75时，中等相似；当0.75≤J＜1.00时，极相似［12］。

1.3数据统计分析

数据统计分析和作图使用 Excel、Origin 8.0、SPSS 20.0和CANOCO 4.5软件。

藻细胞密度与环境因子间的关系采用 Pearson相关分析法。聚类分析方法采用目前广泛应用的系统聚类［13］，从而可以划分出贡湖水生态环境的特征水域。

由于监测指标的单位不完全相同，在进行聚类分析时，为了消除量纲的影响，对原始数据进行标准化，公式如下：

式中，Xij为变量标准化之后的第 i个采样点的第 j个指标的数值，Sij为原始数据，为第 j个指标的均值。

首先用 CANOCO软件进行去趋势对应分析（detrended correspondence analysis，DCA），结果显示“Lengths of gradient”最大梯度为1.674，故选择冗余度分析（redundancy analysis，RDA）分析浮游植物的种类组成与环境因子的关系。为使得浮游植物的细胞密度数据获得正态分布，将其进行lg（x+1）转换［14］。

2　结果与分析

2.1贡湖环境参数特征

贡湖全年环境参数见表1。水温差异不显著，变化范围为（17.48±9.41）～（21.28±8.49）℃。DO含量的范围为（8.15±2.51）～（10.90±2.63）mg/L；pH含量的范围为（7.88±0.29）～（8.39±0.70），均为中性偏弱碱性水体。

SS含量各点呈极显著差异（ANOVA，F=3.09，p＜0.01），变化范围为 （14.20±17.38）～（192.08± 310.87）mg/L，最大值出现在的2号点。SD呈显著差异（ANOVA，F=2.7，p＜0.05），在（0.28±0.16）～（0.61±0.34）m变化，同样最小值出现在2号点。叶绿素 a在空间分布上呈显著差异 （ANOVA，F= 2.7，p＜0.05）。SS的最大值、最小值分别出现在2号点、7号点，叶绿素 a的最大值、最小值分别出现在2号点、7号点，透明度的最大值、最小值分别出现在7号点、2号点。这说明了透明度主要受浮游植物和悬浮物的双重影响，并可能与该区域的水环境条件也有一定关系［15］。

高锰酸盐指数作为有机污染的指标，当其超过4 mg/L时，表示水体受到有机污染［16］。高锰酸盐指数范围在（5.96±1.38）～（63.70±135.88）mg/L，说明贡湖已经受到一定程度的有机污染。高锰酸盐指数空间分布无显著差异（ANOVA，p＜0.05）。在时间分布上，高锰酸盐指数峰值出现在水华暴发期，水华暴发期藻类生长量远远大于死亡量，因此高锰酸盐指数在水华暴发期增高，与藻类大量生长累积有机物有关。可溶态高锰酸盐指数的增加，与藻类死亡分解有关。

贡湖氮、磷含量见表1。方差分析结果表明TN的空间分布呈显著差异 （ANOVA，F=2.44，p＜0.05），含量变化范围在（1.985±1.353）～（15.784± 29.668）mg/L，其中 NO3--N空间分布无显著差异，在（0.858±0.690）～（1.138±1.127）mg/L；而 NO2--N空间分布显著差异（ANOVA，F=2，p＜0.05）。这与2号点在水华暴发期间藻类大量聚集有着密切的关系。2号点和3号点与其他点位相比，硝态氮较低，氨氮呈现较高的趋势。这与太湖浮游植物更易于吸收硝态氮来合成细胞所需要的氨基酸等物质有关［17］。TP含量变化范围为（0.1222±0.0873）～（1.1647±2.3723）mg/L，各采样点无显著差异。依据经济合作和发展组织（OECD）对水体营养类型划分标准［18］，贡湖水体总体上处于富营养化状态，而水源地附近（#1、#4、#6）水环境状况相对较好。

表1　贡湖各采样点环境参数（年平均值±标准差）Table 1　Variability of environmental parameters（mean±sd）in Gonghu Bay

2.2浮游植物的分布特征

贡湖全年共检出浮游植物 8门 53属 （表 2），其中绿藻门和硅藻门最多，分别为20属、15属，其次蓝藻门 9属，裸藻门 3属，甲藻门和隐藻门均为2属，黄藻门和金藻门均鉴定出1属。春季采获浮游植物8门39属，夏季采获浮游植物 7门48属，秋季采获浮游植物7门46属，冬季采获浮游植物8门 31属。各采样点细胞密度和主要藻类组成随季节的变化见表3。

表2　贡湖水源地浮游植物名录Table 2　List of phytoplankton in the drinking water resource of Gonghu Bay

续表2

表3　各采样点的浮游植物变化特征Table　3　Distribution　features of phytoplanktons　at different samp ling sites

贡湖浮游植物分布主要表现出以下特征：

1）贡湖水华的优势藻种较为单一，以蓝藻门为优势种的水华。

2）藻类的细胞密度是水生态系统功能和水质评价的重要参数之一［19-20］。从空间分布上来看，藻类的细胞密度最低值出现在 5号点，细胞密度的最高值出现在2号点。

3）采用 Jaccard指数分析不同样点浮游植物群落的相似性，结果表明：6号点、8号点、1号点两两比较的相似性系数分别为 0.767、0.756、0.674，基本达到极相似的水平；2号点和3号点比较的相似性系数为0.761，同样也达到极相似的水平。2号点和7号点比较的相似性系数为0.469，群落结构中等不相似。

2.3浮游植物与环境因子的相关关系

2.3.1相关性分析水华通常是指浮游植物的生物量显著地高于一般水体中的平均值，并在水体表面大量聚集，形成肉眼可见的藻类聚积体［21］。正是由于水华暴发的前提之一是足够的藻类生物量，因此探讨水华暴发成因的关键就是要分析浮游植物细胞密度与环境因子的相关关系。相关关系见表 4，结果表明：浮游植物细胞密度与TN和TP呈极显著相关，即较高的营养盐含量对藻类的生长起到一定的促进作用。这与Jiang等在巢湖的研究结果类似［22］。同时，浮游植物细胞密度与高锰酸盐指数、SS 和Chla呈极显著相关，与DO呈极显著负相关；但水温、透明度与浮游植物细胞密度相关性不显著。浮游植物的生长过程中需要吸收有机物，同时藻类死亡也会向水体贡献有机物，故与高锰酸盐指数呈极显著相关。浮游植物细胞密度与DO呈极显著负相关，主要表现在两方面：一是藻类生长和腐烂需要消耗一定的溶解氧，二是藻类大量漂浮聚集在水面，阻碍了覆氧。

表4　浮游植物细胞密度与环境因子相关关系分析Table 4　Correlation coefficients between phytoplankton density and environmental factors

Chla与 TN、TP、高锰酸盐指数和 SS呈极显著相关，与浮游植物细胞密度和环境因子的相关关系具有一致性。Wang等［23］通过在太湖连续5年的监测数据指出：pH、DO和高锰酸盐指数为富营养化的反馈因子。相关分析结果表明：pH与Chla没有显著的相关性，而高锰酸盐指数和 Chla有显著的相关性。说明藻类的快速增长导致其光合作用加强，从而使水体的pH值升高［24］。

2.3.2RDA分析贡湖浮游植物群落与环境因子的RDA分析结果见图2。前3个轴解释了79.6%浮游植物与环境因子相关性的信息。在浮游植物种属与环境因子之间的相关系数中，轴1中浮游植物种属与环境因子的相关性达到 0.517，轴 2也有0.417，说明在轴1、轴2中相关性都比较高。从图2中可以看出，与蓝藻呈显著正相关的有 WT、TN、pH、SS、TP、CODMn；与裸藻呈显著正相关的有 TN、pH、SS；与甲藻呈显著正相关的是 pH、SS、CODMn、NH4+-N、TP和 Chla；蓝藻、裸藻、甲藻均与 NO3-、DO呈显著负相关；与隐藻呈显著正相关的是PO43-，绿藻、金藻、黄藻、硅藻与环境因子相关性不显著。有研究表明，蓝藻比较适应稳定的水体，而且也偏好较高的光照强度和高温，透明度的增大导致光强也比较高。蓝藻具有储磷机制，能够对磷进行富集［25］，从而导致磷 的浓度随着蓝藻数量的增加而升高。裸藻和甲藻与水温呈正相关，这表明在水华暴发期间，裸藻和甲藻的细胞密度随着温度的升高而升高。

图2　贡湖浮游植物组成与环境因子关系的RDA排序图Fig.2　Biplot of the first two axes of RDA analysis for the environmental　factors　associated　w ith phytoplankton variation

2.4水生态环境特征

依据贡湖藻类细胞密度、环境因子等 14个监测指标进行系统聚类分析，聚类分析结果见图3。当聚类距离取值为3时，可分为4类。第1类为3号点、4号点和5号点，这3个点毗邻望虞河，望虞河是“引江济太”工程的重要通道，引流的长江水本身藻类密度低，大量引水也可以稀释该水域的藻类；也是重要航运路径，故其水流速度和水体紊动扩散能力导致水体交换比较频繁，水华发生的概率较低。第2类为6号点、8号点和1号点，这3个采样点处水域开阔，水体流动交换速度快；6号点沉水植物生长茂盛，8号点和 1号点次之；故水华发生的概率较低。第3类为7号点，地理位置特殊，在夏季盛行的东南风作用下，该点处于背风区，水流缓慢，滞留时间延长，水体交换能力减弱，水华发生的概率较大。第4类为2号点，该采样点地处贡湖公园附近，人流量较大，外源输入量大；且湖边有大量景观芦苇带，易在东南风作用下藻类在芦苇丛中大量聚集，发生水华的概率较大。

图3　贡湖各采样点水生态环境的聚类分析结果Fig.3　Cluster analysis of aquatic environmental features in the Gonghu Bay

聚类分析结果表明，2号点与 7号点水生态环境特征差异显著；Jaccard指数分析结果表明，这两个采样点浮游植物群落结构差异显著。6号点、8号点、1号点生态环境相似，其群落结构也基本达到极相似的水平，说明浮游植物的群落结构受到了生态环境特征的影响。3号点与4号点、5号点虽然具有相似的生态环境特征，但是其群落结构与相邻的2号点相似性水平高于 4号点、5号点。这说明浮游植物的群落结构受到了水生态环境特征与地域相邻性的影响；藻类的一部分来源于采样点原位生长，另一部分来源于水力或风力驱动表层藻类的漂移。郑炳辉［26］等在三峡库区支流大宁河也观测到类似的现象。聚类结果表明贡湖水体水生态环境特征存在显著的空间异质性，这对分析贡湖湾水华发生的主要控制因子和水环境质量分区管理具有重要意义。

3　结语

1）贡湖全年共检出浮游植物 8门 53属，其中绿藻门和硅藻门最多，分别为 20属、15属，其次蓝藻门9属，裸藻门3属，甲藻门和隐藻门均为2属，黄藻门和金藻门均鉴定出1属。贡湖水华的优势藻种较为单一，是以蓝藻门为优势种的水华。

2）贡湖浮游植物细胞密度与 TN、TP、CODMn、SS、Chla呈极显著相关，与DO呈极显著负相关。同时，营养盐、CODMn、WT、SS、pH是影响浮游植物组成的主要因素。

3）目前，贡湖总体上处于富营养化状态，但水生态环境特征存在显著的空间特征异质性，水源地情况相对较好。贡湖水华易发期透明度、悬浮物、叶绿素a、亚硝态氮、总氮时空分布差异显著（ANOVA，p＜0.05）。浮游植物细胞密度的分布同样具有显著的空间异质性。群落结构组成受到水环境特征和空间相邻性的双重影响。

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Spatial-Tem poral Characteristics of Phytop lanktons and the Relationship w ith Environmental Factors in the Gonghu Bay

WANG Zhen， ZOU Hua*，YANGGuijun， XU Huiping
（School of Environment and Civil Engineering，Jiangnan University，Wuxi 214122，China）

The spatial-temporal characteristics of phytoplanktons andits relationshipw ith environmental factors were studied to understand the ecological environment characteristics，using multivariate statistical analysis based on themonitoring data recorded from March 2013 to February 2014 in the Gonghu Bay.Gonghu Bay was generally in a eutrophic state；however，the nearby sampling siteswere in a relative better condition.The significantspatial-temporal characteristicswas observed for the transparency，suspended substance，chlorophyll a，nitrite and the total nitrogen during cyanobacteria bloom（ANOVA，p＜0.05）.A comparatively high spatial heterogeneity was indicated in the phytoplankton community composition（ANOVA，p＜0.05）.Themaximum cell density was found in the 2nd sampling site，while the minimum in the 5th sampling site.Pearsoncorrelation analysis was performed to illustrate the relationship between algae density and environmental variables.Significant positive correlationswere found between algae density and the total nitrogen，total phosphorus，permanganate index，suspended substance，and chlorophyll a.But the correlations between algae density and dissolved oxygen were highly negative.Relationship between phytoplankton community composition and environmental factors were analyzed by redundancy analysis（RDA）.The results indicated that nutrients（i.e.，the total nitrogen，total phosphorus and ammonia nitrogen），permanganate index，water temperature，suspended substance，and pH made amajor contribution to the composition of phytoplankton community.There was a remarkable spatial heterogeneity of ecological environmental in Gonghu Bay.The phytoplankton community composition was substantially and cooperatively affected by the environmental characteristicsand adjacentsampling sites.

drinkingwater source，phytoplankton，environmental factors，correlation

X 52

A

1673—1689（2016）04—0399—09

2014-11-20

国家水体污染控制与治理科技重大专项项目（2012ZX07503-002-01）。

邹华（1972—），男，江苏无锡人，工学博士，副教授，主要从事天然水体污染控制和环境生物技术研究。E-mail：zouhua@jiangnan.edu.cn