鄱阳湖区藻类丰度分布及其与环境因子的关联分析

程新+黄林+李昆太

摘要：于2012年10月至2013年7月在江西省鄱阳湖4个采样点进行了采样，并对表层水体中藻类丰度与环境因子之间的关系进行研究。结果表明，藻类丰度随季节变化差异显著（P<0.05），夏季最高[（2.58±1.85）×106 CFU/L]，冬季最低[（4.3±3.2）×105 CFU/L]，水体理化因子也随季节和采样点的不同而有很大的变化。通过相关分析和GAM分析表明，鄱阳湖藻类丰度与水温和叶绿素a呈极显著的正相关（P<0.01），与氨氮、总磷呈极显著负相关（P<0.01）。从总体情况看，鄱阳湖水体藻类丰度呈上升趋势，水质正在逐步恶化，需要加以关注。

关键词：鄱阳湖；藻类丰度；广义可加模型；环境因子

中图分类号：Q949.1；X173 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）15-2865-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.15.017

Abstract： Surface water samples from 4 sites of Poyang Lake in Jiangxi Province were collected from October 2012 to July 2013. Environmental variables of each sampling site were measured using standard methods，and the relationship between phytoplankton abundance and environmental parameters was explored. The results showed that the phytoplankton abundance varied significantly with season（P<0.05），with the highest value being recorded in summer [（2.58±1.85）×106 CFU/L] and the lowest in winter[（4.3±3.2）×105 CFU/L]. The results of correlation analysis and GAM showed that phytoplankton abundance was positive correlation with temperature and chlorophyll a（Chl-a） significantly （P<0.01），and was negative correlation with total phosphorus and amino nitrogen significantly（P<0.01）. Overall，phytoplankton abundance in Poyang Lake was on the rise，and water quality was gradually worsening in recent years，which should be paid attention.

Key words： Poyang Lake； phytoplankton abundance； generalized additive models； environmental parameters

鄱陽湖（115°49′-116°46′N，28°24′-29°46′E）位于江西省北部，长江中下游交接处南岸，是中国最大的淡水湖泊和十大生态功能保护区之一，也是具有国际性保护意义的淡水湿地和世界自然基金会划定的全球重要生态区之一，对维护长江下游地区的水生态安全具有重要作用[1]。

浮游藻类作为湖泊的初级生产者，在维持水生生态系统的平衡方面起着重要的作用， 而浮游藻类对水体的污染有着明显的指示作用[2，3]。近年来随着工业化、城镇化进程的推进，大量污废水进入鄱阳湖，致使其水质每况愈下。目前，鄱阳湖区水体氮、磷含量已接近富营养化水平，且有进一步恶化的趋势[4]，鄱阳湖水体已经具备了蓝藻爆发的营养条件。

鄱阳湖水质问题已经引起人们的广泛关注，但大多数研究集中在对氮、磷污染或其他营养因子的分析或对藻类密度的调查[4，5]，而对于湖区不同季节的藻类丰度及其与环境因子关系的研究尚未见报道。本研究通过对鄱阳湖4个采样点浮游藻类的丰度及水体理化因子的测定，利用广义可加模型（Generalize addictive model，GAM）阐述鄱阳湖藻类丰度与环境理化因子的响应关系，为鄱阳湖的环境保护和生态修复提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 样品采集

根据鄱阳湖水面分布情况，共设置4个采样点，分别为蚌湖、星子、棠荫和湖口。藻类样品采集方法参照文献[5]，采样时间为一个水文周期，分别为2012年10月和2013年1月、4月和7月。现场采集5 L水样，理化测定用水样经0.45 μm的微孔滤膜过滤后，加H2SO4并置于冰上保存，3 h内运回实验室。采样期间鄱阳湖水体温度变化见图1。

1.2 藻类物种鉴定、计数和水质理化参数测定

浮游藻类种类鉴定参照文献[6]；浮游藻类数量的测定参照文献[7]，采用显微镜视野法计数。

水质理化参数的测定包括pH、溶解氧（DO）、温度（T）、透明度（SD）、五日生化需氧量（BOD5）、化学需氧量（COD）、总磷（TP）、总氮（TN）和氨氮（NH4+-N），测定方法参照《水和废水监测分析方法》[8]。多样性指数计算参照文献[2]。

1.3 数据处理和模型建立

数据分析采用软件R 2.15.1完成，浮游藻类丰度与环境因子的相关性分析采用Pearson相关系数法。选用广义可加模型（GAM）探讨藻类丰度与环境因子的相互关系，GAM模型的建立由统计软件R中的mgcv包（Version 3.0.0）完成。endprint

2 结果与分析

2.1 鄱阳湖水体主要理化特性

从图2可以看出，不同采样地点采集的水样在理化性质上存在一定的差异，但大体趋势相同。总氮、总磷、氨氮浓度在冬季较高，而在夏季下降；叶绿素a和BOD5在夏季较高而冬季较低；COD数值的变化趋势随采样点的不同而呈现出不同的变化趋势。

2.2 鄱阳湖藻类丰度的季节变化

镜检结果表明，鄱阳湖水域藻类的种群主要由硅藻门、绿藻门和蓝藻门等构成。鄱阳湖表层水体藻类丰度随季节变化差异显著（P<0.05），冬季藻类丰度最低，平均为（4.3±3.2）×105 CFU/L；夏季最高，平均为（2.58±1.85）×106 CFU/L。在不同采样点之间，藻类丰度也存在显著差异（P<0.05），其中夏季星子取样点的藻类丰度最高，达到（5.6±0.23）×106 CFU/L，与此同时，棠荫和蚌湖取样点的藻類丰度只有（1.1±0.24）×106 CFU/L，差距较为明显（图3）。

根据鄱阳湖水文局在2009年7月所进行的调查显示，鄱阳湖区棠荫、蚌湖、湖口3个监测点的藻类丰度均低于1.0×105 CFU/L，星子监测点的藻类丰度为1.08×105 CFU/L，总体藻类丰度较低。本研究的结果显示，鄱阳湖区夏季4个监测点的藻类丰度在4年间已发生了较大变化，其数值均已大幅度提高，湖区的藻类防治工作不容忽视。

通过对湖体中藻类的鉴定结果可以看出，蓝藻（Cyanobacteria）、硅藻（Bacillariophyta）和绿藻（Chlorophyta）是鄱阳湖水体中的优势藻，其中蓝藻与硅藻的含量较高，并分别在不同季节占有优势，且二者占浮游植物总丰度的比例呈相反的变化趋势（图4）。温度较低的季节，优势藻类主要是硅藻，如根管藻属（Rhizosolenia）、针杆藻属（Synedra）、平板藻属（Tabellaria）、羽纹藻属（Pinnularia）、直链藻属（Melosira）等；而在温度较高的季节，湖体中的优势藻类主要为蓝藻，以微囊藻属（Microcystis）为主。

分别采用Shannon多样性指数、Margalef指数对水体中藻类多样性进行评价，结果如图5所示。从图5可以看出，鄱阳湖区全年的Shannon多样性指数变化范围为1.17～2.69，星子、蚌湖、棠荫和湖口4个采样点的平均Shannon多样性指数分别为1.62、1.93、1.56和1.61，最高和最低值分别出现在4月的蚌湖采样点和1月的棠荫采样点。Margalef指数变化范围为0.38～1.59，星子、蚌湖、棠荫和湖口4个采样点的平均Margalef指数分别为0.96、0.78、0.57和0.73，最低和最高值分别出现在10月的蚌湖采样点和4月的星子采样点。总体而言，春夏季节鄱阳湖区的水体生物多样性较好，而气温降低后生物多样性较差。从多样性指数来看，鄱阳湖区水体属于中度污染，在部分时间段接近重度污染。

2.3 鄱阳湖藻类丰度与理化因子的相关分析及GAM模型

藻类的生长与水体环境理化因子具有密切的关系，特别是氮、磷等营养物质的含量起着关键作用。为了研究藻类丰度与环境理化因子的关系，从而确定影响藻类丰度的关键因子，采用Pearson相关系数法对所得结果进行分析。结果（表1）显示，鄱阳湖藻类丰度与水温和叶绿素a呈极显著的正相关（P<0.01），而与氨氮、总磷呈极显著负相关（P<0.01）。

为了进一步分析藻类丰度与各环境因子之间的关系，本研究选用广义可加模型（GAM）探讨藻类丰度与环境因子的相互关系。以藻类丰度为因变量，所监测环境因子作为解释变量建立GAM模型，GAM模型中各自变量之间的关系彼此独立，可以得出各个因子与藻类丰度之间的关系。

水体中藻类的生长受很多因素的影响。杨丽标等[9]研究结果表明，总磷是影响巢湖藻类物种分布格局的重要因素。沈会涛等[10]对白洋淀藻类群落与环境因子的分析结果表明，pH和总磷是影响该区域浮游藻类分布的重要因素。从本研究GAM模型结果（图6）可以看出，水温对鄱阳湖藻类丰度的影响最大，藻类丰度随着水温的升高而增大，并且在水温高于20 ℃时，增长速率迅速增加，曲线开始变得陡峭；叶绿素a、总磷和氨氮与藻类丰度呈良好的线性关系。

3 讨论

3.1 鄱阳湖水质有逐步下降的趋势

从本研究的试验结果可以看出，鄱阳湖氮、磷营养盐浓度整体水平较高，营养盐都是在夏季出现最低值，冬季出现最高值，说明枯水期水体营养程度更高。与2009年江西省鄱阳湖水文局的调查及其他相关文献相比，鄱阳湖区水体的富营养化和藻类丰度均有一定程度的提高，这说明随着环鄱阳湖区工农业的发展和人口密度的提升，鄱阳湖区的水体生态环境有恶化的趋势。

根据湖泊营养类型评价的藻类生物学标准[3]，鄱阳湖区的藻类情况总体较好，在藻类丰度最高的夏季，水体基本处于中营养化水平；而根据叶绿素水平评价，湖体水质也在中营养化水平以下。但值得注意的是，湖体中藻类的区系可以反映水体的营养状况，中营养型湖泊中常以甲藻、隐藻、硅藻类占优势，而富营养型湖泊则常以绿藻、蓝藻类占优势[11，12]。根据此次的调查及计算结果，鄱阳湖水体中蓝藻和绿藻的比重之和已经超过50%，说明鄱阳湖的水体营养化程度正在逐步加深。李荣昉等[13]的研究结果也表明鄱阳湖水体的质量有逐年下降的趋势。考虑到鄱阳湖在长江中下游地区的重要生态和经济地位，水体污染问题亟需得到重视。

3.2 藻类丰度与环境因子之间的关联

水体中藻类丰度与环境因子之间的关联分析一直是研究的热点问题，目前经常采用的有典范对应分析（CCA）[14]、多元回归分析[15]等。由于藻类丰度和环境的关系错综复杂，单纯的线性分析有时并不足以解释二者之间的相互关系。所以本研究选用广义可加模型（GAM）探讨藻类丰度与环境因子的相互关系。GAM为广义线性模型的非参数化扩展，其优点是无需预定的参数模型，能直接处理响应变量与多个解释变量之间的非线性关系，对变量的数据类型和统计分布特征适应性更广，是目前较为先进的研究物种与环境之间关系的方法[16]，但在微生物学研究领域应用较为少见。endprint

温度可以通过影响生物体新陈代谢相关酶活性而改变环境中微生物的区系和密度。本研究结果表明，鄱阳湖水体中藻类丰度受水温的影响较大。随着水温的升高，藻类丰度总体上也呈现上升的趋势，因此水温是调节鄱阳湖水体中藻类丰度季节性变化的最主要因素。

营养盐也是影响细菌丰度的主要环境因子。研究表明，细菌会以提高丰度对富营养化过程做出响应。在超寡营养湖泊至超富营养湖泊中，细菌的丰度一般在105～107 CFU/mL。根据本研究测定结果，尽管从总体情况来看，鄱阳湖水体还基本处于中度营养化阶段，但近年来鄱阳湖水体中的营养物质如总磷、氨氮等，其浓度都有逐步上升的趋势，因此水体中的藻类丰度已经超过一般的中营养化湖泊，如博斯腾湖[17]等，而接近一些富营养化湖泊如太湖、乌梁素海[18]等。

叶绿素a也是影响鄱阳湖藻类丰度的重要环境因子。叶绿素a含量代表了浮游植物的生长密度，而浮游植物与藻类的生长繁殖有着密切关系[19]。浮游植物光合产物——溶解性有机物（DOM）可以为藻类生长提供所需的碳源，进而促进藻类的生长繁殖，而藻类也能通过自身代谢为浮游植物的生长提供必要的有机营养和生长因子，并调节浮游植物生长的微环境，因此浮游植物也可以作为水体中藻类丰度的指标之一。

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