大莲湖湿地修复区浮游植物群落结构与水质环境因子分析

朱浩 刘兴国 陈晓龙

摘要：为了解大莲湖湿地修复区浮游植物及水体富营养化状况，在2018年1—5月对大莲湖湿地修复区的浮游植物群落结构，包括浮游植物的种类构成、密度、生物量优势度及生物多样性进行调查研究，调查期间共鉴定出28种浮游植物，隶属5门25属;其中优势种2个门类，共3种。浮游植物群落结构以绿藻为主，其密度占总数的64.95%。冗余分析结果表明，氮营养盐含量是绿藻群落分布的主要影响因子;溶氧含量、pH值以及氮营养盐含量是蓝藻群落分布的主要影响因子;运用多样性指数与水体污染程度的关系对大莲湖生态修复区水体污染情况进行综合评价，结果表明，该区域处于轻度到中度污染状态。

关键词：大莲湖;浮游植物;多样性指数;冗余分析;群落结构

中图分类号： S963.21+3;S718.54+2  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2020）11-0270-05

收稿日期：2019-07-06

基金项目：农业技术试验示范与服务支持（编号：2018LKY007）。

作者简介：朱 浩（1985—），男，江苏句容人，硕士，助理研究员，主要从事生态工程方面的研究。E-mail：zhuhao0511@163.com。

通信作者：刘兴国，博士，研究员，主要从事生态工程方面研究。E-mail：liuxg1223@163.com。  浮游植物是淡水生态系统中重要的初级生产者，在淡水生态系统的能量流动、物质循环和信息传递中起着至关重要的作用[1-2]。浮游植物在藻类密度、群落结构和功能等方面会随着水体水质的改变而产生相应的变化，可以指示水体的营养状态[3-5]。

大莲湖生态修复区位于上海市青浦区西部，地理坐标为121°00′E、31°04′N，位于淀山湖下游，是黄浦江上游重要的水源地保护区[6]。2008年12月至2009年5月，上海市林业局野生动植物保护站组织多家单位和公司，对大莲湖生态修复区一期工程进行了面积为41.67 hm2的地型塑造、水系灌通等一系列生态修复工程[7]，目前距生态修复工程实施完工后已满10年，笔者所在课题组于2018年1—5月对大莲湖生态修复区水域的浮游植物和环境因子进行了调查，比较分析浮游植物的群落结构和种群密度，评价生态修复区内的水质状况，并使用冗余分析（RDA）方法探讨浮游植物分布对环境因子的响应，以期为大莲湖生态修复区的进一步管理提供一定的数据支持。

1 材料与方法

1.1 样点布设及采样时间

于2018年1—5月对大莲湖生态修复区进行采样调查，5个月共采样5次。在大莲湖湿地修复区共设3个采样点，即进水口、湖中区、出水口，分别记为S1、S2、S3（图1）。

1.2 样品采集和处理

采用有机玻璃采水器采集距表层1 m、离底 0.5 m 的各层混合水5 L，其中1 L水样加15 mL鲁哥氏液固定，用于浮游植物定量分析，其余水样用于测定水体理化因子。然后采用25号浮游植物网在表层水体呈“∞”形来回缓慢拖动数次，捞取浓缩藻样并加适量鲁哥氏液进行现场固定，用于浮游植物定性分析。浮游植物的定性、定量样本依据《淡水浮游生物研究方法》[8]进行分析，浮游植物种类鉴定主要依据《中国淡水藻类》[9]。水温、溶解氧含量以及浮游植物种类数、密度和生物量、多样性指数等指标均采用上、中、下3层数据的平均值，水深、透明度为3次测定的平均值。水环境因子的监测参考《水和废水监测分析方法》[10]。

1.3 指标的测定与计算

浮游植物的优势种根据各个种的优势度（Y）值来确定。

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

式中：D为0～1时，表示重污染;D为1～2时，表示严重污染;D为2～4时，表示中污染;D为4～6时，表示轻污染;D>6时，表示清洁。S为物种数。

式中：H′为0～1时，表示重污染;H′为1～2时，表示中污染;H′为2～3时，表示轻污染;H′>3时，表示清洁。

式中：J为0～0.3时，表示重污染;J为 0.3～0.5时，表示中污染;J>0.5时，表示轻污染或无污染。

1.4 数据处理

运用SPSS 13.0和Excel 2010对测定数据进行统计分析和绘图。采用Canoco 5.0软件对浮游植物与环境因子之间的关系进行冗余分析。据其第1轴长度确定分析类型[大于4时使用典型相关分析（CCA），小于3时使用RDA，处于3～4之间时二者均可][11-12]。

2 结果与分析

2.1 水质指标

由表1可知，高锰酸盐指数（CODMn）变化较大，总体呈降低的趋势，总氮（TN）、总磷（TP）、氨态氮（NH3-N）、亚硝态氮（NO-2-N）、硝态氮（NO-3-N）、溶解氧（DO）含量以及pH值的年平均值均达到了国家Ⅲ类水质标准。综合表明，大莲湖生态修复区水质全年整体处于国家Ⅲ类水质状态。

2.2 浮游植物种类组成

在调查期间，大莲湖湿地修复区3个采样点共鉴定出28种浮游植物，隶属5门25属（表2）。由表2可见，绿藻门种类最多，共13种，占总种数的46%;蓝藻门次之，共6种，占总种数的21%;硅藻门共5种，占总种数的18%;黄藻门3种;甲藻门1种;绿藻门浮游植物种类数的变化决定着大莲湖湿地修复区浮游植物种类数的变化。从浮游植物的密度和分布来看，本次调查的浮游植物共出现2个门类的优势种，共3种，具体见表3。

2.3 浮游植物密度与生物量

大莲湖生态修复区浮游植物平均密度和生物

总密度的64.95%;之后依次是蓝藻门，為 274 892 cells/L，占总密度的24.72%，硅藻门，为 64 118 cells/L，占总密度的5.76%，黄藻门 47 259 cells/L，甲藻门 3 603 cells/L。由表5可见，浮游植物总的生物量为219.00 μg/L，在生物量组成中绿藻门最高，为 96.00 μg/L，其次依次是硅藻门69.00 μg/L，黄藻门23.00 μg/L，甲藻门 22.00 μg/L，蓝藻门 9.00 μg/L。

2.5 浮游植物群落與环境因子RDA分析

经Canoco 5.0软件对浮游植物与环境因子之间的关系进行分析可知，第1轴长度为3.2（小于4），选择线性模型RDA，分析结果显示，前2个排序轴的特征值分别为0.22、0.14，共解释了浮游植物数据59.2%的方差值，解释变量分别为21.59、3553，物种与环境相关性轴1特征值为0.976 6，轴2为0871 2，前2个轴中物种与环境关系的累积百分比为57.12%，说明2个排序轴能较好地反映大莲湖生态修复区浮游植物与各环境因子之间的相互关系。图2显示，DO含量、pH值、CODMn含量与轴1呈负相关，因此轴1与环境因子有关;TN、TP、NH3-N、NO-2-N、NO-3-N含量与轴2正相关，小球藻与水生集胞藻主要集中在第2象限，与 NH3-N、NO-2-N、NO-3-N、TN正相关，因此轴2与水体的营养状况有关;极小拟小椿藻、湖沼色球藻、狭形纤维藻、针杆藻与DO、pH值、COD正相关。

3 讨论

3.1 大莲湖生态修复区浮游植物群落结构及其变化

大莲湖生态修复区的水主要来自外源拦路港，外源水从进水口进入大莲湖，在湖区中央停留一段时间后从排水口排出[13]，生态修复区内湖泊的换水频率达到2个月1次。水体交换量大，因此，水体中总氮、硝态氮含量波动较大，本次调查发现，生态修复区内浮游植物群落以绿藻为主，其个体数量占优势。对大莲湖生态修复区的调查结果表明，浮游植物的种类组成与往年的调查结果[14-15]相比，经过这些年的治理，有机污染己经得到了较大的改善。

3.2 环境因子与大莲湖生态修复浮游植物群落的关系

浮游植物群落结构受环境因素的综合影响，5次采样中测得的理化因子变化较大且对应的浮游植物群落结构也存在差异，说明环境因子对大莲湖浮游植物群落演替起着较重要的作用。RDA结果初步反映了生态修复区浮游植物与主要环境因子的相关性。在测得的理化因子中，小球藻和水生集胞藻与氨态氮、亚硝态氮、硝态氮、总氮正相关，极小拟小椿藻、湖沼色球藻与DO、pH值、CODMn含量正相关。金磊等研究发现，水体中的氮磷营养盐和透明度是影响绿藻和蓝藻分布的主要环境因子[16]。本次调查发现，大莲湖生态修复区浮游植物主要受氮营养盐、水中溶解氧含量以及水体pH值限制。有研究得出，浮游藻类生长的最佳氮磷比为16 ∶ 1，当大于 16 ∶ 1 时，主要受磷限制，当小于16 ∶ 1时，主要受氮限制[17-18]。但Steinberg等的研究表明，在总磷浓度超过10 μg/L时，蓝藻的生长在很大程度上受物理因子的影响[19]。孔繁翔等提出，水文条件、气象因素是引起藻类水华的主要原因[20]。宗梅等的研究表明，巢湖发生水华后，微囊藻与水温相关性最高[21]。本研究中，绿藻主要受氮营养盐含量的影响，蓝藻受溶解氧含量、pH值以及氮营养盐含量的影响，与上述研究结果相一致。薄香兰等的研究表明，氮磷比为34.60 ∶ 1 时，小球藻叶绿素含量和细胞密度最高，从藻类营养需求上也证明了这一点[22]。

3.3 大莲湖生态修复区水质评价

大莲湖生态修复区的水源为拦路港，拦路港与黄浦江航运河道相通，外源水体中总氮、总磷含量以及高锰酸盐指数均较高[12]。有研究指出，生物多样性指数越高，其群落结构越复杂，稳定性越大，水质越好[23];而当水质受到污染时，敏感性种类消失，多样性指数降低，群落结构趋于简单，稳定性变差，水质下降[24]。运用多样性指数与水体污染程度的关系[25]来判断水体污染程度，大莲湖Shannon-Wiener多样性指数变化范围为0.85～1.43，Margalef丰富度指数变化范围为0.27～0.46;Pielou均匀度指数变化范围为0.63～0.88，说明大莲湖生态修复区处于轻度到中度污染状态。

从水质方面来评价，大莲湖生态修复区总氮含量小于等于1.21 mg/L，总磷含量小于等于 0.28 mg/L，处于轻度富营养化状态。化学评价与生物学评价得出的水质等级较为接近，综合评价结果表明，大莲湖生态修复区属于轻度污染状态，相比于2008年[13]，大莲湖生态修复区经过治理后，水质得到明显的改善。

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