苏州湖泊水源地浮游植物群落特征及营养状况分析

孙淑文，夏 霆，杨金艳，潘新星，姚春雨

(1.南京工业大学，南京 211816；2.江苏省水文水资源勘测局苏州分局，江苏 苏州 215009)

在淡水湖泊中，浮游植物作为初级生产者和食物链的基础环节, 在物质循环和能量转化过程中起着重要作用, 其群落结构是反映水环境状况的重要指标[1,2]，浮游植物受到水生环境中各种因素的限制[3]。由于浮游植物对水环境的敏感性，其群落结构、生物多样性指数等常常被作为水环境评价的重要指标[4-6]。

苏州市现有城市饮用水源地15 个，其中9个为湖泊型水源地，涉及太湖、阳澄湖、尚湖和傀儡湖。近年来，由于苏州市湖泊水源地入湖污染物量大，湖水交换不足，氮、磷浓度偏高，水体自净能力低，易导致藻类大量繁殖并产生供水安全风险。本文通过对苏州市9个湖泊饮用水源地开展藻类分布特征调查与监测，探讨藻类生长演替特征与影响机制，结合综合富营养化指数，分析苏州市湖泊饮用水源地的营养状况及藻类繁殖影响因素，为探讨苏州地区湖泊水源地藻类演变规律提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域及采样点布设

研究区域为苏州太湖流域的浦庄、庙港、亭子港、渔洋山、镇湖、金墅港水源地和阳澄湖、尚湖和傀儡湖水源地。采样点设置在各水源地水厂取水口附近，对应设置9个。

浮游植物样品的野外定量采集按照以下方法：在每个采样点水面下0.5 m处取水样1 L，立即加入15 mL鲁哥氏液固定带回实验室。实验室内将水样置于稳定的实验台上，静置沉淀24～36 h，用细小虹吸管(内径3 mm)吸去上层清液，最后定容到30 mL。在实验室内测定浮游植物样品，将定量样品摇匀后，用0.1 mL的吸管迅速取样，在0.1 mL的浮游生物计数框内用10×40倍以及10×100倍显微镜计数，所用样品均重复鉴定至少 2 次，为有效统计数值，取平均数作为该样品的定量鉴定结果。浮游藻类的鉴定观察使用OLYMPUS BX43型显微镜进行。

图1 苏州湖泊水源地分布及相关水系情况Fig.1 Distribution of lake-type dringking water sources in Suzhou and related water systems

1.2 数据来源与分析方法

1.2.1 SPSS聚类分析

采用SPSS 22.0进行Pearson分析和聚类分析。

1.2.2 优势度指数计算

采用优势度指数进行浮游植物优势种的确定，该指数的计算将每种生物的个体丰度及出现频率考虑在内，以反映每种生物在整个群落中的地位，其计算公式为：

Di=ni/N×fi

(1)

式中：ni为某样点中第i种属藻类的细胞数；N为某样点中所有藻类的总细胞数；fi为该种属在样点中出现的频率。

如果一个物种的优势值大于0.02，则该物种在整个一年中被认为是占优势的[3,7]。

1.2.3 多样性指数分析

浮游植物群落特征的生物多样性采用Shannon-Wiener多样性指数(H)和Pielou均匀度指数(J)描述：

(2)

Hmax=lg2S

(3)

J=H/Hmax

(4)

式中：H为Shannon-Wiener多样性指数；J为Pielou均匀性指数；ni为样品中第i种生物的个体数；n为样品中所有种类的总个体数；S为样品中的种类总数[8]。根据多样性指数与水体营养水平的关系[9]，H>3时水体为贫营养型，1≤H≤3之间为中营养型，H小于1为富营养型；均匀度指数J在0.5～0.8为贫营养型，在0.3～0.5之间为中营养，在0～0.3之间为富营养型。

1.2.4 综合营养指数分析

富营养评估参照中国环境监测总站推荐的加权综合营养状态指数(TLI)法，考虑TN、TP、Chl-a、SD、CODMn5项水质因子[10]。水质监测在苏州市水环境监测中心实验室完成。

(5)

(6)

2 结果与分析

2.1 聚类分析

基于苏州湖泊水源地9个采样点为期1年的水质监测指标，运用聚类分析对水源地水质时空变化特征进行多元统计分析。空间尺度上，9个湖泊水源地可分为3组，GⅠ：庙港(MG)、亭子港(TZG)、金墅港(JSG)、镇湖(ZH)、渔洋山(YYS)；GⅡ：浦庄(PZ)、尚湖(SH)；GⅢ：阳澄湖(YCH)、傀儡湖(KLH)。根据聚类分析结果，以15为界，除浦庄水源地外，太湖流域的庙港、北亭子港、金墅港、镇湖、渔洋山水源地均属于GⅠ组，说明太湖流域除浦庄水源地外，其余5个水源地水质特征相近。因此，在GⅠ组中选取浮游植物变化较明显的渔洋山水源地作为GⅠ组的代表，将研究范围精简为渔洋山水源地、浦庄水源地、尚湖水源地、阳澄湖水源地和傀儡湖水源地。

图2 水质空间尺度聚类分析Fig.2 Spatio-temporal cluster analysis of water quality

2.2 浮游植物种类组成及结构特征

2016年7月-2017年6月期间，5个水源地逐月调查分析浮游植物12次，5个水源地共定量检出浮游植物8门86属186种(含变种)。从数量上看，绿藻门种类最多为87种38属，其次为硅藻门45种21属，蓝藻门29种14属，裸藻门12种4属，清洁物种金藻门、甲藻门、隐藻门和黄藻门种类数较少。在空间分布上，傀儡湖水源地种类最多，多样性较好，渔洋山水源地种类最少。其中，硅藻、绿藻和蓝藻是分布最广的藻类。隐藻门、裸藻门、分布较少，清洁物种甲藻门、金藻门、黄藻门仅在个别月份个别地检测到。

图3 各水源地浮游植物种类数Fig.3 Number of phytoplankton species in each drinking water source

图4 各水源地四季浮游植物群落密度及生物量Fig.4 Phytoplankton community density in each drinking water sources

各水源地春季优势种较为丰富，主要为硅藻门的梅尼小环藻(Cyclotella meneghiniana)和肘状针杆藻(Synedra ulna)、蓝藻门的狭细颤藻(Oscillatoria tenuis)和绿藻门的四尾栅藻(Scenedesmus quadricauda)、加勒比单针藻(Monoraphidium caribeum Hindak)；夏秋季均以蓝藻门占优，水华微囊藻(Microcystis flos-aquae)、狭细颤藻(Oscillatoria tenuis)和微小裂面藻(Merismopedia tenuissima)密度增大，且优势度远远高于蓝藻门和绿藻门；冬季渔洋山水源地仍以蓝藻门的水华鱼腥藻(Anabaena flos-aquae)和水华微囊藻占优，说明水体受到了一定程度的污染，其他水源地皆以硅藻门的梅尼小环藻(Cyclotella meneghiniana)、颗粒直链藻(Melosira granulata)占优。调查表明，各季节的优势种差异明显，主要原因可能为水温变化，大量研究表明，在春冬温度较低的季节，由于尚未形成温跃层，更适宜硅藻的生长[12]；蓝藻喜高温，响应夏秋季温度升高， 优势度会逐渐增大，但实际上，也可能出现在较低的温度下某些特定的蓝藻种类密度大量增加，巢湖和千岛湖[12]都曾在冬季出现过微囊藻水华现象，渔洋山冬季的蓝藻占优还应结合营养盐和一些环境因素综合考虑。

综合2016年7月-2017年6月期间藻类总密度数据，从时间上看，除冬季阳澄湖和傀儡湖硅藻门占比较大外，其他季节各水源地都以蓝藻门占据绝对优势，最终造成各湖区的总密度差别较大。在夏、秋季，浦庄、尚湖、傀儡湖和阳澄湖水源地浮游植物密度显著增加，且蓝藻拥有绝对性优势；春、冬季硅藻大量生长，占比有所增加，也进一步说明了苏州湖泊水源地受水温影响较大。从空间上看，阳澄湖水源地藻类总密度最大，为72 200 万L；其次为傀儡湖水源地>浦庄水源地>渔洋山水源地；尚湖水源地藻类总密度最小，为 12 600 万L。因不同种类的藻类鲜藻质量存在较大差异，蓝藻体积较小，生物量较低，硅藻体积较大，生物量较高，其生物量与藻类密度的变化趋势不完全一致[6]。综合各水源地12个月藻类总生物量，阳澄湖水源地>傀儡湖水源地>尚湖水源地>浦庄水源地>渔洋山水源地。

2.3 多样性指数及富营养化状态评价

物种多样性是群落结构独特的生态学特征，反映了群落中

图5 各水源地综合营养指数评价结果Fig.5 Evaluation results of comprehensive nutrition index of each drinking water source

种类组成的丰富度及其数量分布均匀程度和群落结构的稳定性，并常作为描述群落演替方向、 速度和稳定程度的指标[12-14]。各水源地水体不同季节浮游植物多样性指数见表1。H指数反映群落中物种的复杂程度，J指数用于评价生物种类的均匀程度。

阳澄湖和傀儡湖水源地采样点各季节均匀度指数J处于0.3～0.5之间，多样性指数H均处于2～3之间，结合表1可以得出阳澄湖和傀儡湖水源地浮游植物多样性指数较低，可见物种密度分布不均匀，水体环境受到轻-中度污染，水体属于中营养型，生态稳定性弱于其他水源地，较易发生水华；浦庄、尚湖的H指数和J指数均表征水体处于较良好的状态，营养化水平较低；渔洋山水源地冬季多样性种间分布不均匀，群落结构生态稳定性较差。根据各水源地综合营养指数，从全年的角度来看，渔洋山、浦庄、尚湖水源地平均处于中营养状态。阳澄湖作为著名的大闸蟹养殖基地，养殖业所需的各种饵料的投放使水体中氮、磷含量增大；傀儡湖位于太湖流域下游，一部分由于上游阳澄湖周围工农业生产未彻底截留的污染物进入湖中，加之湖内因大面积的水草枯亡以及鸟类粪便排入湖体等原因，水体富营养化程度加剧，阳澄湖和傀儡湖水源地处于轻度富营养化状态。水体内营养盐浓度富集，浮游植物密度在合适的季节易于增大，这与傀儡湖、阳澄湖蓝藻密度较大，水华发生风险较大的情况相吻合。

表1 苏州湖泊水源地多样性指数Tab.1 Lake-type drinking water sources of Suzhou diversity index

2.4 浮游植物群落与环境因子相关性分析

根据各水源地水质指标与浮游植物群落指数Pearson相关性分析(表2)，蓝藻门和裸藻门水温呈显著正相关；硅藻门与pH呈显著负相关，与CODMn、TN、NH3-N、Chl-a呈显著正相关。整体上浮游植物各群落均与pH、DO、SD呈负相关关系，这是由于淡水湖泊浮游植物大多数生长于弱碱性水域，过高的pH会破坏浮游植物细胞结构，影响细胞的生长，浮游植物减少使植物的光合作用减弱，DO降低。当水温上升或者营养盐含量增加，大量繁殖的浮游植物，易致水体浑浊，SD明显降低。

表2 苏州湖泊水源地水质指标与浮游植物群落密度的关系Tab.2 Relationship between water quality indicators and phytoplankton community density in lake-type drinking water sources of Suzhou

图6 湖泊水源地Chl-a对TN、TP、T的生态响应Fig.6 Ecological response of lake-type drinking water sources Chl-a to TN, TP and T

水体富营养化会导致水体中的藻类急剧增殖形成水华。浮游植物生物量的高低对于水体中Chl-a水平有着巨大影响，因此，可以通过研究Chl-a 直观地反映水体富营养化的状况。水温通过控制浮游植物呼吸代谢速率和光合作用来影响浮游植物的生长，与各门都呈较明显的正相关关系，与Chl-a的线性方程斜率为0.697，综合说明水温升高对浮游植物的生长有较明显的促进作用。营养盐是影响浮游植物生长的重要因素，对作为浮游植物体内主要成分的Chl-a至关重要。由图6可见，Chl-a与TN、TP之间的生态响应关系线性方程斜率分别为0.360 5、0.706，表明了苏州地区水源地对磷的利用效率高于氮，水体营养化状态主要由水体磷作为主导因子。

3 结 论

(1)浮游植物种类组成、数量变化是与水体环境相适应的结果。在本次调查中，苏州市5个代表性水源地水体浮游植物群落皆以绿藻门、蓝藻门、硅藻门为主，傀儡湖水源地种类最多，渔洋山水源地种类最少。除渔洋山外，各水源地均夏、秋季密度较大。

(2)综合浮游植物多样性指数和综合营养指数法，渔洋山、浦庄、尚湖水源地总体处于中营养状态；阳澄湖和傀儡湖水源地处于轻度富营养化状态，因内、外污染源未得到有效控制原因，蓝藻水华存在较大发生几率。

(3)不同因子在不同程度上对浮游植物群落结构有所影响。整体上苏州湖泊水源地浮游植物各群落均与pH、DO、SD呈负相关关系，与TN、TP、CODMn、NH3-N呈正相关。水体营养化关键性影响因子为磷。

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