安徽城东湖浮游植物群落结构与水质评价

赵秀侠，卢文轩，，李静，梁阳阳，方婷，杨坤

1. 安徽省农业科学院水产研究所，合肥 230001

2. 水产增养殖安徽省重点实验室，合肥 230001

0 前言

浮游植物是水生态系统中的初级生产者和食物链的基础，在物质循环和能量转换中起重要作用，在维持水生态系统平衡中具有重要地位；其群落种类组成、演替规律与水环境化学和生物等环境因子密切相关[1-3]。浮游植物种类组成、丰度以及多样性指数等是评价水体富营养化和污染状况的重要指标，即不同营养型水体的浮游植物群落结构具有不同特点[4-5]。浮游植物群落结构研究一直是浅水湖泊水质生物学评价的重要内容。

城东湖位于安徽省六安市霍邱县城东部，属亚热带湿润季风气候区，具有四季分明、光照充足、雨量充沛等特点。 城东湖整体狭长，东西宽度 5.0 km，南北长度 39.0 km，平均水深 3.0 m，最深水位 6.0 m，湖面面积为 338 km2，湖底高程17.8 m，非汛期一般控制水位19.5 m，属于浅水型湖泊[6]。城东湖位于淮河支流-汲河下游，是淮河中游重要的湖泊洼地和蓄洪区，国家级调蓄洪生态功能保护区和重要的生活饮用水水源地，同时也是霍邱县东西湖省级自然保护区的重要组成部分，具有重要的生态服务功能。

城东湖是以城市供水为主，兼有防洪、农业灌溉等综合利用的水体。作为霍邱县重要的饮用水源地，其水质必须符合饮用水水质标准，为了确保城东湖供水安全，城东湖管理部门在控制湖区周围污染源的同时，采取了净水生态渔业技术措施调控湖泊水环境，防止湖泊富营养化及“水华”发生。目前关于城东湖生态学研究较少[6]，浮游植物群落结构等基础研究欠缺，而浮游植物种类组成及群落结构研究是掌握城东湖生态系统功能的基础。为查明城东湖浮游植物群落结构及空间分布，本研究对城东湖2016—2017年浮游植物种类组成、群落结构等生态学特征进行系统的调查研究，对水体营养状态进行评价，以期为城东湖水域生态环境监测和资源保护提供基础资料。

1 材料和方法

1.1 采样点设置与采样时间

1.2 样品采集与分析

1.2.1 浮游植物

图1 城东湖浮游植物采样点分布图Figure 1 Sampling stations of phytoplankton in Chengdong Lake

浮游植物样品采集参照相关文献方法[7]。定性样品: 以25#浮游生物网(网眼孔径为64 μm)在水体表层呈“∞”字形捞取5 min左右，将滤取样品放入标本瓶中用于浮游植物定性分析；定量样品: 以 1 L的Patalas有机玻璃采水器采集1 L水样(表层和底层水混合)。定性和定量样品各加入水样体积1.5%鲁哥氏液固定。每个样点采集混合水样1 L，4 ºC保存用于理化参数分析。实验室中采用常规方法处理样品，在Olympus BX53显微镜下进行鉴定、计数[8]。浮游植物种类鉴定主要参照胡鸿钧和魏印心的分类系统[9]。

1.2.2 理化参数测定

在各采样点使用多参数水质分析测定仪(YSI ProPlus)现场测定溶解氧(DO)、pH；塞氏盘测定水体透明度(SD)；总氮(TN)、总磷(TP)、化学需氧量(COD)、氯化物、总硬度、总碱度等参照《水和废水监测分析方法(第4版)》[10]进行测定。

1.2.3 浮游植物群落结构参数

运用 Margalef物种丰富度指数(D)、Shannon-Wiener物种多样性指数(H)、Pielou均匀度指数(J)(公式 1-4)[11-13]及浮游植物优势度等参数分析城东湖浮游植物群落结构特征。优势度Y≥0.02的为优势种[14]。各参数计算公式如下:

式中:S为浮游植物总种数；N为浮游植物个体总数；ni为第i种浮游植物个体数；fi为第i种浮游植物在各采样点的出现频率。水质判定标准:D＞5为水质清洁，＞4为寡污型，＞3 为 β 中污型，＜3 为α 中污型；H值 0～1.0为重度污染，1.0～3.0 为中度污染(其中，1-2 为 α 中污，2-3为β中污)，＞3.0为轻度污染或无污染；J值在0-0.3为重度污染，0.3-0.5为中度污染，0.5-0.8为轻度污染[14-15]。

她一下子想起的是瓦塘，那个就在身边却一直没有真正回过的家，现在她再也不敢，没有资格回去了，她觉得她已经不像瓦塘的女儿，不过够资格了，尽管她的浑身流淌着瓦塘的血液。“小波，我真浑啊！”

1.3 数据分析

运用软件 SPSS 20.0进行数据分析处理，利用Canono 4.5软件对浮游植物物种和环境数据进行除趋势对应分析(DCA)与冗余分析(RDA)。采用Origin 9.0软件绘图。

2 结果与分析

2.1 理化参数分析

2016年、2017年调查期间城东湖水质理化指标见表 1，参照地表水环境质量标准(GB38383—2002)对城东湖水质进行分析评价，结果为Ⅱ-Ⅲ类水质。

表1 城东湖水质理化参数Table 1 Physicochemical parameters in Chengdong Lake

2.2 浮游植物种类组成及优势种

本次调查浮游植物定性样品中，共鉴定硅藻门、绿藻门、黄藻门、甲藻门、金藻门、蓝藻门、裸藻门、隐藻门，8 门，56 属，106 种(含变种)。其中绿藻门 25 属50种，占总种类数的47.17%；硅藻门其次，13属23种，占总种类数的21.70%；裸藻门4属12种，占总种类数的11.32%；蓝藻门6属10种，占总种类数的9.43%；甲藻门3属3种，占总种类数的2.83%；金藻门1属3种2.83%；黄藻门2属2种，占总种类数的1.89%。从种类组成数量分析，城东湖浮游植物以绿藻、硅藻类群为主，裸藻类群其次(表 2)，种类组成随着采样时间不同有所差异。

根据浮游植物优势度的计算结果(见表4)，优势度值大于0.02的优势种共有30种，其中绿藻门种类11种，种类最多，其次为硅藻门和蓝藻门类群物种，均为6种。浮游植物优势种在不同的采样时间有所变动，颗粒直链藻极狭变种Melosira granulatevar.angustissima为秋冬季主要优势种，在调查月份中均为优势种，卵形隐藻Cryptomonas ovata，啮蚀隐藻Cryptomonas erosa，分歧锥囊藻Dinobryon divergens为次要优势种。

2.3 浮游植物细胞丰度与生物量

调查期间，城东湖蓝藻类群的相对丰度为53.80%，为绝对的优势类群，硅藻与绿藻类群相对丰度分别为19.95%、14.97%，隐藻、金藻与裸藻类群相对细胞丰度为 5.89%、2.66%与1.88%，甲藻和黄藻所占比例较低，分别为0.78%和0.07%。蓝藻类群是城东湖浮游植物细胞丰度主体，其次为硅藻和绿藻类群。浮游植物生物量方面，硅藻相对生物量为33.39%，绿藻类群相对生物量为 26.01%，裸藻和隐藻类群相对生物量分别为 14.91%和 13.13%，甲藻和黄藻类群相对生物量较低，分别为4.06%和0.23%。硅藻生物量是城东湖浮游植物生物量的主体(表3)。

表2 城东湖浮游植物物种种类组成(%)Table 2 Phytoplankton species composition in Chengdong Lake during the sampling period (%)

表3 城东湖浮游植物及各类群细胞丰度与生物量Table 3 Abundance and biomass of phytoplankton and its taxas in Chengdong Lake

在调查期间，浮游植物细胞丰度总范围为0.559×104cells·L-1—31.454×104cells·L-1，平均为6.773×104cells·L-1；浮游植物各门类细胞丰度有差异，在 2016年 7月、8月，温度满足蓝藻、硅藻大量繁殖需求，细胞丰度达到峰值；在10月、11月随水温下降，对水温变化敏感，喜透明度高、有机质含量少的清水型的金藻类群开始出现。

调查期间，采样点浮游植物生物量范围为0.575—1.745 mg·L-1，生物量最高值出现在 1#采样点(1.745 mg·L-1)，最低值出现在 8#采样点(0.575 mg·L-1)。采样点生物量以硅藻、绿藻、裸藻类群为主，硅藻类群比例最高为 48.22%；绿藻类群比例最高为 45.80%；裸藻类群占总生物量比例最高为28.81%(图2)。综合分析，浮游植物总细胞丰度在水平分布上差异不显著(P＞0.05)，月份分布上差异显著(r= -0.657，P＜0.05)；生物量在水平分布上差异不显著(P＞0.05)，月份分布上差异不显著(P＞0.05)。

图2 城东湖不同采样点浮游植物及各类群细胞丰度与生物量Figure 2 Cell abundance and biomass of phytoplankton and taxa in different sampling sites in Chengdong Lake

表4 城东湖浮游植物优势种Table 4 The dominant species in Chengdong Lake

2.4 浮游植物种类多样性指数及水质生物学评价

本研究使用浮游植物群落结构的丰富度指数D、物种多样性指数H’和均匀度指数J对城东湖进行水质评价。结果表明，多样性指数在不同月份、 各采样点间有较大差异(图 3)。浮游植物物种丰富度指数D值范围在0.627—3.830之间，均值为2.029，参照丰富度指数水质评价标准，判定城东湖为 α-β中污型水质。Shannon-Wiener指数H’范围为 0.741—4.118，均值为2.193，依据H’值水质评价标准，为β中度污染状态。浮游植物均匀度指数J值范围0.247—0.975，平均值为0.714，依据J值判定城东湖水体为清洁-轻度污染。

综合多样性指数和均匀度指数评价结果，城东湖为中营养型水体，不同采样月份之间有差别。分析除与水温条件有关外，还可能与湖体形状、底质类型、水源等有关系，城东湖为南北狭长型湖泊，汲河为主要入湖水源，城东湖平均水位20 m以上，由于水体不易排出，水质变化受季节变化影响较大。

图3 城东湖浮游植物Margalef丰富度指数、Shannon-Wiener多样性指数和Pielou均匀度指数分布Figure 3 Distribution of Margalef index, Shannon-Wiener index and Pielou index of phytoplankton in Chengdong Lake

2.5 浮游植物与环境因子的关系

运用除趋势对应分析(DCA)和典范对应分析(CCA)对浮游植物群落结构及其环境因子关系进行研究。为了使研究结果更加准确，在进行对应分析之前，按浮游植物种类出现频率和相对丰度进行筛选，首先将环境因子(除 pH)经过 lg(x+1)数据转换，使得趋于正态分布；其次，用于排序分析的浮游植物物种在各样点出现频率≥15%，以降低稀有物种权重[16]。

DCA分析结果显示，2017年样点基本聚为一组，2016年样点聚为一组(图4)。运用CANOCO4.5先进行DCA分析以检验其第1轴的梯度长，其结果为 2.521，因此选择 RDA分析进行约束性排序。通过前选法(forward selection)和蒙特卡罗检验(Monte Carlo permutation test)排除贡献小的因子，最后得出水深(WD)、透明度(SD)、溶解氧(DO)、化学需氧量(COD)、总氮(TN)、总磷(TP)、总硬度、总碱度为影响城东湖浮游植物分布的环境因子(P＜0.05)(图 5)其中，SD与浮游植物群落结构的相关性最强(r=0.86)。RDA分析结果显示，前3轴的累计值占特征值总和的82.90%，表明这3轴集中了约4/5的环境因子对浮游植物分布格局影响的信息(表5)。

图4 基于物种丰度的 DCA 排序图(◊为 2016年样品, ○为2017年样品)Figure 4 DCA ordination based on species abundance (◊represents samples of 2016, ○represents samples of 2017)

图5 采样点-环境相互关系RDA排序图(◊为2016年样品, ○为2017年样品)Figure 5 RDA of the sampling site-environment relationships(◊ represents samples of 2016, ○ represents samples of 2017)

筛选的各环境因子对 RDA各轴的贡献存在显著差异(P＜0.05)(表 5)，其中，SD、总碱度与第 1 轴呈显著正相关(r=0.86，r=0.82)，总磷与总硬度与第2轴呈正相关(r=0.68，r=0.66)。RDA 分析表明，2016年浮游植物细胞丰度与 TN、TP呈负相关关系，与COD、水体总硬度呈负相关；2017年浮游植物丰度主要与SD、总碱度及DO 相关(图5)。RDA分析结果表明，与浮游植物群落结构相关性较强的环境因子在各采样点是不同的，并且各采样点在RDA第1轴和第2轴上得到较好的分化。

3 讨论

3.1 城东湖浮游植物群落分布特征

不同湖泊生态系统浮游植物群落组成和动态变化随着所在地域与水体类型差异而不同[17-18]，城东湖本次调查的浮游植物群落组成以绿藻、硅藻为主要类群，物种数量组成上绿藻和硅藻占优势(60%以上)，裸藻次之。这不仅体现在总物种的相对组成上，也体现在不同类群相对组成的空间分布特征上，这与国内外湖泊的浮游植物群落组成模式相符合[19-21]，也说明城东湖水质现状较好。

表5 RDA分析Table 5 Summary results of RDA

有研究表明人类活动对浮游植物群落结构组成有重要影响[22]，其中，水体交换能力是影响浮游植物空间分布的一个重要因素[23-24]。本研究发现，1#、2#、3#样点蓝藻细胞丰度比例相对较高，浮游植物生物量以硅藻、绿藻类群为主，这 3个样点位于城东湖下游东湖闸附近，而东湖闸仅在作为淮河蓄洪区功能时开放(常年处于关闭状态)，水体滞留时间长，水量交换更新周期较长，营养物质沉积较多；8#、9#、10#样点浮游植物群落相似性较高，这3个样点位于城东湖主要入湖河流汲河河口附近，河流营养盐的外源补充，增加物种丰富度同时对浮游植物群落有稀释作用。此外，浮游植物分布差异可能与水情状况有关，城东湖是相对封闭、静止型湖泊，为适宜细胞体积小具伪空胞的蓝藻类群繁殖，形成蓝藻类群细胞丰度占据一定优势提供条件。

此外，入湖河流周围未发现明显污染源，浮游植物群落结构受外源污染影响程度较小。本次城东湖调查区域在霍邱县城东侧且地理位置相差不远，调查期间浮游植物群落结构整体上具有一定的相似性，推测河流外源补充、闸坝的干扰与水体滞留是影响城东湖浮游植物群落结构的主要因素之一。

3.2 城东湖浮游植物多样性指数与水质评价

浮游植物对水质环境变化敏感，其群落结构特征具有一定的时序变化性，常被用于水质评价[25]；可以根据不同时期多样性指数，判定湖泊营养化程度的发展趋势[26-27]。本研究选用了使用最为广泛的指示物种法、多样性指数与理化指标综合评价城东湖水质现状。结果发现，运用 Shannon-Wiener多样性指数H’、Margalef物种丰富度指数D与Pielou均匀度指数J的评价结果有一定的差异，已有研究表明多样性指数进行水质评价的结果有一定差异[28]。由于水域环境、计数方法等多方面的因素会对多样性指数产生影响，结合主要水体理化指标(TN范围0.87—1.61 mg·L-1，TP范围 0.12—0.27 mg·L-1)进行综合评价，城东湖水质处于轻度污染-α中污的过渡水平。

3.3 城东湖浮游植物结构与环境因子关系

淮河中下游地区多数湖泊为浅水型湖泊，浅水型湖泊的主要特点为单位水体具有更大的沉积物-水接触面积，具有更高的透光层深度/水深比例，频繁的水土界面物质交换，因此也具有更复杂的生态类型、营养盐循环机制及营养盐交换关系[29-31]。关于淮河中下游地区湖泊浮游植物群落结构与营养盐的关系问题，虽然在个别湖泊中已有研究，然而缺乏大量浅水型湖泊的比较湖沼学研究，因此，对浅水型湖泊浮游植物分布规律及其与营养盐的生态效应关系的认识仍有不足。

淮河流域浅水型湖泊水质多为中营养-富营养型水平，这些湖泊的浮游植物群落组成均主要以绿藻、硅藻、蓝藻为主，浮游植物群落结构的变化规律较为相似，硅藻与绿藻为全年优势种[32-37]。这种结构上的相似性可能与湖泊类型、水动力过程、水温等因素相关，浅水型湖泊在水体上下层交换、营养盐生化循环与分布中更有优势；且绿藻、硅藻对水温、光照等具有很好的适应能力，在不同季节均能获得竞争优势。将城东湖浮游植物群落结构与邻近水体相比较发现，其多样性指数(H’=2.19)低于高邮湖(H’＞3，J＞0.7)、沱湖(H’=2.6—3.8，J=0.5—0.8)；与洪泽湖(H’=1.63，J=0.69)相比较，城东湖浮游植物多样性(H’=2.19)高于洪泽湖，均匀度(J=0.71)与洪泽湖相当。城东湖浮游植物群落结构多样性较低原因分析，可能与城东湖水生植物覆盖率低于高邮湖、沱湖，城东湖浮游植物群落多样性高于洪泽湖，分析原因可能与水体滞留时间有关，洪泽湖是过水性湖泊，换水周期较快；而城东湖相对较封闭，换水周期较慢，浮游植物易于聚集。一般情况下，在合适的氮磷比值范围内，浮游植物会随着水体中氮、磷浓度增加而快速增殖，浮游植物的增殖速度与水体中氮、磷浓度呈正相关关系[38-39]。在本研究中，总氮、总磷浓度与浮游植物呈负相关，分析原因可能与城东湖水体中总氮、总磷浓度水平相对较高(总氮处于中度营养水平，总磷处于轻度到中度营养水平)，不能成为浮游植物生长的限制性因素有关。

调查期间，城东湖浮游植物群落结构与透明度、总碱度、溶氧等环境因子相关性较强，表明这3个水环境因子是影响城东湖浮游植物群落结构最主要的环境因子。透明度是衡量水体光学性质的重要参数，主要影响水体光吸收与散射作用，不同透明度水层所接受的光照强度以及水体热力学状态有差异，进而影响浮游植物群落组成[40]。影响水体透明度的主要因素为泥沙浓度、水体悬浮物浓度等，其中，悬浮物包括无机颗粒(泥沙等)和有机颗粒(浮游植物、腐殖质等)，而浮游植物等有机悬浮物主要取决于生物量的累积[41]。本研究中，城东湖浮游植物生物量空间分布差异小、时间分布差异大，水体透明度与生物量之间的相关性较强，在季节变化上，两者拟合度也较好，进一步说明水体透明度对浮游植物累积量有明显影响。

综上所述，城东湖水质整体处于中营养水平。城东湖作为霍邱县城及周边乡镇主要饮用水水源地，其水质有待进一步加强调控管理。目前城东湖渔业利用方式仅限人工增殖放流和自然增殖，相关管理部门开展的净水生态渔业通过优化滤食性鲢鳙鱼类放养比例，发挥其对浮游植物的下行效用，优化捕捞方案等对防控城东湖水体营养化程度具有重要意义。

致谢: 感谢安徽农业大学动物科技学院韦众教授提供本研究的理化数据。