淮北临涣采煤沉陷水域浮游植物群落结构特征及其影响因子

汪晨琛， 吴奇丽， 万 阳， 林 志， 许 建， 周忠泽

(1. 安徽大学 资源与环境工程学院， 合肥 230601； 2. 安徽省环保厅， 合肥 230071)

浮游植物群落结构和多样性变化与湖泊生态系统的结构与功能的变化紧密相关，同时在维持水生态系统的平衡中也起着关键的作用[1-4]。浮游植物的群落变化、多样性、分布和细胞丰度也可以反映水生态系统的状态[5]。我国东部地区开展的浮游植物研究主要集中于通江湖泊如华阳湖群[6]、升金湖[7]、菜子湖等[8]。采煤塌陷水域作为一种特殊的地表水体，目前，关于对采煤塌陷水体浮游植物的研究主要集中在淮南采煤沉陷区。徐鑫等对比研究了淮南3个小型采煤沉陷湖泊浮游植物群落结构，发现光照、水温和营养盐含量是造成浮游植物细胞丰度、多样性和均匀度差异的主要影响因子[9]；易齐涛等将上述3个采煤沉陷湖泊的浮游植物种类划分为16个功能群，同时指出主要优势功能群可以反映小型富营养化湖泊水体的生境特征[10]。

两淮矿区小型沉陷湖泊数量众多，根据开采时间和沉陷程度，形成了不同沉陷时间序列的湖泊：1)初期非稳定沉陷湖泊，沉陷时间小于3年，仍在动态沉陷中且丰水期水深小于2 m，沉陷面积小于10 hm2；2)中期非稳定沉陷阶段湖泊，沉陷时间5～20年，水深一般不足10 m，沉陷面积大于100 hm2。王振红等在对淮南采煤沉陷塘浮游生物研究中，初步揭示了不同采煤沉陷阶段水体浮游植物群落演替特征，发现采煤沉陷水体浮游植物群落演替不同于自然湖泊[11]。由于临涣、迪沟和后湖3个采煤沉陷水体处于不同典型沉陷时间序列的湖泊，因此利用这3个采煤沉陷湖泊的浮游植物群落结构的数据来验证这一假设具有重要意义。

本文研究了临涣采煤沉陷水域浮游植物的群落结构，比较了处于不同沉陷时间序列湖泊的浮游植物群落结构，探讨了不同沉陷时间序列湖泊浮游植物群落演替特征及其影响因素，为揭示我国东部高潜水位地区采煤沉陷不同时间序列湖泊浮游植物群落演替规律提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

临涣湖沉陷区主体面积近1.74 km2，水深最深可达11 m，沉陷超过17年。位于临涣工业园区北面，北部通过香顺沟与浍河相连，东西两侧有小型矸石山和粉煤灰场，水生植被相对较少，以水烛(Typhaangustifolia)、喜旱莲子草(Alternantheraphiloxeroides)为主。

1.2 样点布设与采样时间

采样点的设置参照《淡水浮游生物研究方法》[12]，同时结合临涣湖的特点，共设置6个采样点，如图1所示。采样时间分别为2015年的8月、10月、12月和2016年的2月、4月、6月。

1.3 样品采集与处理

定性和定量样品用25#浮游生物网采集，鲁哥试液固定。具体方法参照《淡水浮游生物研究方法》[12]。在10×40倍光学显微镜下进行种类鉴定和计数[13]。

现场测定水温、pH值、溶解氧、电导率、透明度，实验室内测定总氮、总磷、氨氮、硝氮、CODcr、叶绿素a等指标，依据《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)[14]。

图1 临涣湖及采样点分布图

1.4 数据处理

浮游植物优势种依据Mcnaughton优势度指数Y，其公式为：

式中，Ni为i种的个体数，N为所有种类总的个体数，fi为i种个体出现的频率。Y>0.02的种类为优势种。

浮游植物群落结构特征采用生物多样性指数进行表征，香农威纳多样性指数(H′)、丰富度指数(d)均匀度指数(J)计算公式分别为：

数据分析软件包括：EXCEL2010进行浮游植物细胞密度和生物量的计算以及图表的绘制，利用ArcGIS 10.2软件绘制生物量的空间分布图，采用SPSS 19.0 进行相关性分析，Canoco 4.5 软件进行冗余分析(RDA)并绘制物种与环境因子关系图。

表1 临涣湖主要环境因子参数(平均值±标准差)的季节变化

2 结果与分析

2.1 水质特征与修正的卡尔森营养状态指数

临涣湖水体主要环境因子的平均值如表1所示。采样期间，水温季节差异较大，2015年8月、2015年10月、2016年6月较高，2015年12月、2016年2月及2016年4月较低，变化范围在6.57℃～29.68℃，与当地自然气候一致；透明度在2016年2月份达到最高值(80±14.14) cm，在2015年10月份出现最低值(42.83±4.25) cm；总氮、总磷和叶绿素a的变化趋于一致。

2.2 浮游植物种类组成

调查期间，共记录到浮游植物7门65属134种(包括变种)。其中，绿藻门种数最多(24属58种)，占浮游植物总种数的43.28%；其次为硅藻门和蓝藻门(分别为17属30种和14属27种)，占总种数的22.39%和20.15%；种数最少的为金藻门，仅1属1种，占总种数的1%(图2)。2015年8月份种类数最多为84种，2015年12月份种类最少为47种。

图2 临涣湖浮游植物群落结构组成

2.3 浮游植物细胞丰度和生物量

临涣湖浮游植物细胞丰度平均值为107.32×105cells/L，范围为11.23×105～284.22×105cells/L；生物量平均值为8.11 mg/L，范围为1.7～15.7 mg/L(图3)。临涣湖浮游植物的细胞丰度和生物量变化趋势存在差异，细胞丰度的时间变化明显，在2016年6月达到最高值284.22×105cells/L，2016年2月达到最低值11.23×105cells/L；但生物量在2015年8月最高(15.7 mg/L)；在2015年12月最低(1.7 mg/L)。

浮游植物生物量的水平分布变化较为显著(图4)。临涣湖的变化趋势由东向西逐渐升高，湖西侧L1点出现最高值，为10.15 mg/L；中部湖心区域4个采样点生物量变化范围较小，在7.17～7.77 mg/L波动；湖东侧L6点出现最小值为6.25 mg/L。

图3 临涣湖浮游植物细胞丰度和生物量月份变化

图4 临涣湖湖泊浮游植物生物量的空间变化

表2 临涣湖各月份优势种

2.4 优势种类

Mcnaughton优势度指数的结果显示，临涣湖共有优势种12种(表2)。临涣湖各月份之间优势种随季节变化，2015年8月和2015年10月以蓝绿藻占优势，以绿色颤藻(Oscillatoriachlorina)为主，但在秋季出现了丝状蓝藻小席藻(Phormidiumtenue)。在秋季，随着温度降低，金藻门和隐藻门逐渐占优势，以密集锥囊藻(Dinobryonsertularia)和啮蚀隐藻(Cryptomonaserosa)为主，并出现藻颗粒直链藻(Melosiragranulata)，而小席藻在2015年10月、2015年12月和2016年2月一直为优势种。2016年4月，随着温度的上升，蓝藻绿藻又逐渐占优势，特别是在2016年6月，优势种仅为丝状蓝藻小席藻和小型绿藻狭形纤维藻(Ankistrodesmusangustus)，其中小席藻在6个采样点的平均优势度高达0.334。

2.5 多样性指数分析

临涣湖各月份的Shannon-Wiener指数和Pielou均匀度指数的季节变化趋势基本一致(图5)：2016年4月最高，2016年6月最低。Margalef指数在2015年10月份达到最大(3.33)，2015年12月份最低(2.28)，变化趋势与前两种指数有明显差异。临涣湖各位点(图6)Shannon-Wiener指数平均值为2.81，Margalef指数的平均值为2.96，Pielou指数的平均值为0.617。由图6可知，L1采样点的3个指数值相对其他采样点均较高，而在L6采样点较低。

图5 2015年8月—2016年6月临涣湖浮游植物多样性指数Figure 5 Diversity indices of phytoplankton in Linhuan Lake from August 2015 to June 2016

图6 临涣湖各位点浮游植物多样性指数、丰富度指数和均匀度指数

2.6 浮游植物和环境因子的关系

2.6.1 相关性分析

对浮游植物的细胞密度和生物量与环境因子之间进行Pearson相关性分析(表3)。结果表明：浮游植物的细胞丰度与水温呈极显著正相关(P<0.01)，与溶解氧呈显著负相关(P<0.05)，与透明度呈极显著负相关(P<0.01)，与TP呈显著正相关(P<0.05)；浮游植物的生物量与水温呈极显著正相关(P<0.01)，与透明度呈极显著负相关(P<0.05)，与浊度呈显著的正相关，与TN呈极显著的正相关(P<0.01)，与TP呈极显著的正相关(P<0.01)，与叶绿色a呈极显著的正相关(P<0.01)。

表3 临涣湖浮游植物细胞丰度和生物量与理化指标的Pearson相关性分析

**表示P<0.01，为水平(双侧)上极显著相关;*表示P<0.05，为水平(双侧)上显著相关

2.6.2 RDA分析

对浮游植物12个优势种的生物量与通过筛选的10个环境参数，进行RDA分析(图7)。结果表明：小席藻与TP、浊度和叶绿素a呈正相关，与透明度呈现负相关，四足十字藻与水温呈正相关，肘状针杆藻与pH呈正相关，小球藻与电导率呈正相关，密集锥囊藻和啮噬隐藻与透明度呈正相关。

3 讨论

3.1 不同沉陷时间序列的湖泊对浮游植物群落演替的影响

生态系统中普遍存在环境异质性，它影响着种群动态和群落结构[15]。有研究发现沉陷时间序列、沉陷水体规模、水系连通性，以及水生植被现存量和结构会影响浮游生物的丰富度和多样性[16]。本课题的调查发现，后湖采煤沉陷湖泊处于初期沉陷阶段，水体封闭，共发现浮游植物7门55种，浮游植物优势种为硅藻门的钝脆杆藻(Fragilariacapucina)、肘状针杆藻(Synedraulna)和金藻门的长锥形锥囊藻(Dinobryonbavaricum)。迪沟采煤沉陷湖泊和淮北临涣采煤沉陷湖泊处于中期沉陷阶段，水系连通，分别发现浮游植物7门155种[17]、7门135种，其浮游植物群落结构优势种为席藻、小球藻(Chlorellavulgaris)、密集锥囊藻和噬蚀隐藻。浮游植物优势种由沉陷初期的硅藻和金藻向中期沉陷阶段的绿藻和蓝藻转变，与王振红等[11]研究发现初期的硅藻和裸藻向中期的绿藻和蓝藻优势转变，存在一定的差异。这也许与所划分沉陷序列标准以及选取的研究湖泊差异导致，采煤沉陷湖泊浮游植物演替规律还需进一步地深入研究。

1:梅尼小环藻(Cyclotellacomta); 2:颗粒直链藻(Melosiragranulata); 3:肘状针杆藻(Synedraulna);4:狭形纤维藻(Ankistrodesmusangustus); 5:小球藻(Chlorellavulgaris); 6:四足十字藻(Crucigeniatetrapedia); 7:密集锥囊藻(Dinobryonsertularia); 8:啮蚀隐藻(Cryptomonaserosa);9:固氮鱼腥藻(Anabaenaazotica); 10:小席藻(Phormidiumtenue)；11:绿色颤藻(Oscillatoriachlorina); 12:地中尖头藻(Raphidiopsismediterranea)。WT：水温; DO:溶解氧; SD:透明度; Cond:电导率; TN:总氮; TP:总磷; AN:铵氮; pH:酸碱值; Turb:浊度; chl-a:叶绿素a

图7 临涣湖浮游植物优势种与理化因子的冗余分析

Figure 7 Redundancy analysis between biomass of the dominant species and environmental factors in Linhuan Lake

本研究发现相比于后湖采煤沉陷湖泊，处于中期沉陷阶段的临涣和迪沟采煤沉陷湖泊浮游植物多样性较高且优势种存在显著的差异，这与其沉陷面积和生境的异质性有关。环境异质性导致生物多样性增加依赖于水体面积和生境变化[18]。在临涣采煤沉陷区与浍河连通的河道口附近生物多样性指数高于附近的其他采样点，而在迪沟采煤沉陷区与河流连通的采样点，Shannon-Wiener多样性指数值较高，水系连通促进浮游植物发育和生物多样性的增加。

此外水系连通也能通过水流带来水生植物的繁殖体，影响该水域水生植被现存量和结构，其中的沉水植物通过降低水的浊度和利用养分，构成了众多浮游生物的避难所，进而改变了浮游植物群落的优势结构[16]。在迪沟采煤沉陷水域以沉水植物黑藻(Hydrillaverticillata)和菹草(Potamogetoncrispus)为主的区域，Margalef丰富度指数值达到最高[17]，临涣采煤沉陷区在分布着水生植物喜旱莲子草的L1采样点也具有相似的结果。

3.2 环境因子对浮游植物群落结构的影响

3.2.1 理化因子的影响

Pearson相关性分析及RDA分析结果表明，影响浮游植物群落结构的主要理化因子为水温、透明度、营养盐及叶绿素a等。这与当前两淮采煤沉陷区的研究结果一致[9-10,17,19]。水温对浮游植物的季节演替具有重要作用[20]，研究区域浮游植物的细胞丰度和生物量与水温呈极显著的正相关(P<0.01)。由于临涣湖寒冷月份气温较低，透明度高，有机质含量低，浮游植物的细胞丰度和生物量都较低，浮游植物优势种以隐藻门和金藻门为主，随着气温上升绿藻门逐渐占优势；当温度继续上升，蓝藻门占优势并一直延伸至夏末秋初，细胞丰度和生物量达到最高。在2016年6月、2015年8月和2015年10月对浮游植物细胞丰度和生物量贡献最高的主要藻种为绿色颤藻和小席藻，这主要是因为蓝藻对高温的适应性要强于其他藻类[21]。RDA分析显示小席藻与TP呈正相关，与透明度呈负相关，这与采煤沉陷水域营养物质的注入有关。2015年8月、2015年10月、2016年6月研究区域TP浓度均高于0.1 mg/L，一方面受外源性营养盐的注入[22]，如浍河水通过香顺沟对研究水域进行水补给，补给到研究水域时带来了相对较好营养条件，促进了浮游植物的生长，从中部湖区浮游植物的空间分布来看，靠近香顺沟的L4点生物量要高于旁边的L2点；另一方面也受到内源性营养物质释放的影响。在高水温以及适宜的营养条件下，蓝藻达到最大的生长速度[23]。

3.2.2 其他因素的影响

桂和荣等[24]研究发现煤矿沉陷湖的蓝藻形态表现为个体形态单一、纤细。而临涣湖的浮游植物群落结构也具有类似的特征，特别是丝状蓝藻在整个群体中占据较高比例，以小席藻为代表的优势种长期处于优势地位。Hilton等[25]指出，水体富营养化过程中浮游植物会向底栖藻类、丝状藻类优势过渡。此外，细长的细胞可以比同等体积的球形细胞摄入更多的营养，由于丝状蓝藻小席藻具有较大的表面体积比[26]，这也许是其处于竞争优势的原因之一。临涣湖生物量空间分布呈现西高东低，Shannon-Wiener指数、Margalef指数和Pielou均匀度指数都在点L1具有最高值，在点L6具最低值。通过对比采样点，发现采样点的底质存在差异：L1为农田沉陷，底部以淤泥为主；中部湖心区域为煤矸石和淤泥混合底质，L6底部以煤矸石为主，且附近为粉煤灰厂。此前在该沉陷水域的大型底栖生物研究中发现煤炭废弃物如粉煤灰和煤矸石会对水体环境造成不同程度的污染，影响底栖生物的群落结构，并对其多样性指数产生影响[27]。Petty等[28]研究也发现粉煤灰的沉降严重改变了水质环境盐度和金属离子浓度，破坏了浮游生物的群落结构，致使生物多样性下降。因此推断采样区域的煤矸石及粉煤灰的沉降可能会使浮游生物的生物量和多样性指数受到影响。有关煤矸石和粉煤灰对浮游植物的具体影响机理还需进一步研究。