常德市城市水系及景观湖泊浮游植物群落结构及其对环境因子的响应

谭梦婷, 胡丽丽,2, 杨春英, 陈玲, 向梓娟, 曾凡志, 周全民

(1. 湖南文理学院 生命与环境科学学院, 湖南 常德, 415000; 2. 水产生物资源与环境生态湖南省工程研究中心, 湖南 常德, 415000; 3. 湖南文理学院 师范学院, 湖南 常德, 415000)

我国多数城市保留有原有的护城河、溪流和湖泊等, 既可调节当地水文及局部气候[1], 又能美化城市风景, 同时具有一定的自净能力。城市景观水体多数时期较为封闭, 水体流动性差, 水环境容量小且易被污染[2-3]。伴随着社会经济的发展, 城市人口逐年增多, 城市水体受到人为干扰严重[4], 如城区大量的生活和工业废水汇入, 雨水对路面的冲刷, 导致水体氮磷营养盐浓度升高[5]。此外, 城市化建设可造成河岸植被消失, 生物多样性减少, 耐污浮游生物增多[6]。因此, 对城市水系的水质评价可为其整治和生态修复提供一定的依据。浮游植物作为水生态系统的初级生产者, 某些种类可作为水环境污染的重要指示生物[7]; 其次, 浮游植物的种类、数量及生物量可评估水环境质量[8-10]。此外，水体营养盐等变化可直接影响浮游植物群落结构特征[11]。

常德市地处湖南省北部, 亚热带季风气候。常德市区城市水系发达, 拥有面积为21.8 km2的城内湖泊柳叶湖。早年由于多个排污口及泵站向穿紫河内排放污水, 导致穿紫河成为城市的纳污水体[12-13]。2002 年“引沅济穿”提水工程与2016 年柳叶湖、穿紫河连通, 稀释了穿紫河的污染, 水质有所好转[14]。柳叶湖、穿紫河和沅江相连构成湖泊-河流湿地生态系统, 为浮游生物提供了丰富的生态环境。本文于2020—2021 年对常德市柳叶湖、穿紫河、丁玲公园以及白马湖公园连通的水系进行4 个季度的采样和环境指标分析, 探讨浮游植物群落结构的时空动态变化及其与环境因子的关系, 分析浮游植物群落组成对水质的响应, 以期为城市江—湖连通水系的生态评价以及水环境管理提供基础资料和科学依据。

1 材料与方法

1.1 样点设置和采样时间

2020 年9 月(秋季), 2020 年12 月(冬季), 2021 年3 月(春季), 2021 年6 月(夏季)对常德市柳叶湖、穿紫河、丁玲公园以及白马湖公园连通的水系进行采样, 共设置5 个站点, 分为柳叶湖大桥1#(N 29°4′26",E 111°44′11")、入湖口2#(N 29°3′5", E 111°43′39")、大小河街3#(N 29°3′7", E 111°42′21")、丁玲公园(N 29°4′4", E 111°40′25")、白马湖公园(N 29°3′5", E 111°40′24")。

1.2 样品采集与分析

溶解氧(DO)、pH 值、水温(WT)和电导率(采用YSL 多功能水质分析仪现场测定); 总氮(TN)、总磷(TP)、溶解性总氮(TDN)、溶解性总磷(TDP)、氨氮(NH4+-N)和硝态氮(NO3--N)(根据《水和废水检测方法》(国家环境保护总局, 2002)实验室测定)。取原水100—200 mL 过滤到1.2 μm 的玻璃纤维滤膜(GF/C,whatman), 用90 %丙酮浸提滤膜上浮游植物的叶绿素, 在663 nm 和645 nm 下读取吸光度值, 计算得到叶绿素(Chl-a)浓度。

使用有机玻璃采样器于水下0.5 m 处采取1 L 水样置于聚乙烯采样瓶中, 现场加入20 mL 鲁哥氏液固定, 实验室黑暗处静置48 h 后, 虹吸管去除上清液浓缩至50 mL, 使用Dragon Lab 移液枪吸取0.1 mL浓缩液加到浮游植物计数框中, 借助Algae C 软件在显微镜下进行种类识别与鉴定, 生物量根据Algae C 软件计算得出。

1.3 数据处理与分析

根据不同点位的浮游植物优势度(Y)来判定优势种, 其计算公式为:Y=(ni/N)×fi。式中,ni为i种的个体数,N为所有种类的总个体数,fi为该种出现的频率,Y值大于0.02 的种类为优势种。

通过Origin 8.0 软件对数据进行分析统计和图形制作。使用R 软件vegan 程序包对数据进行冗余分析(Redundancy analysis, RDA), 浮游植物生物量矩阵经hellinger 转换, 环境因子(pH 除外)数据全部进行log10转换; 通过蒙特卡洛置换检验筛选出有明显解释性的环境因子, 揭示环境因子与浮游植物优势种之间的相关性。

2 结果与分析

2.1 浮游植物细胞丰度和浮游植物群落时空特征

5 个点位浮游植物细胞丰度季节性变化动态如图 1。柳叶湖浮游植物细胞丰度变化为1.84×106～45.30×106cells·L-1, 入湖口为2.35×106～115.09×106cells·L-1, 大小河街为6.55×106～102.82×106cells·L-1, 丁玲公园为6.31×106～42.85×106cells·L-1, 白马湖公园为12.43×106～34.81×106cells·L-1。浮游植物季度平均丰度变化范围 13.28×106～33.93×106cells·L-1。柳叶湖1#和入湖口2#秋、春、夏三季均以蓝藻细胞丰度占绝对优势, 高达59 %以上, 春季以绿藻丰度占优势; 大小河街3#从秋至夏, 丰度优势门类经历了蓝藻—隐藻—绿藻—绿藻; 丁玲公园4#为蓝藻—硅藻—绿藻—绿藻; 而白马湖公园5#夏季以绿藻丰度占优势, 其余三季均以硅藻丰度占据优势。浮游植物细胞丰度季节变化规律总体表现为秋季＞夏季＞冬季＞春季。

图1 5 个点位浮游植物细胞丰度季节性变化

常德市连通柳叶湖的景观水体共鉴定出浮游植物8 门98 种(属), 共发现蓝藻18 种(属), 绿藻46 种(属), 硅藻22 种(属), 甲藻3 种(属), 隐藻3 种(属), 裸藻2 种(属), 金藻3 种(属), 黄藻2 种(属)。从浮游植物种类构成上看, 均以绿藻和硅藻种类为主, 蓝藻次之, 其它门种类较少。柳叶湖1#与入湖口2#夏秋两季多以蓝藻为优势门类, 主要以微囊藻(Microcystis sp.)和平裂藻(Merismopedia sp.)为优势种, 除此之外, 夏季还存在隐球藻(Aphanocapsa sp.)、浮生鱼腥藻(Dolichospermum planctonica)两种优势蓝藻; 冬季为绿藻—隐藻型, 绿藻以小球藻(Chlorella sp.)、小雪藻(Snowella sp.)等为优势种。大小河街3#秋季以蓝藻的微囊藻和平裂藻为优势种, 夏季以实球藻(Pandorina sp.)和颗粒直链藻极狭变种(Melosira granulata var. angustissima)为优势种, 冬季为硅藻—隐藻型, 优势种为啮蚀隐藻(Crytomonas erosa)、隐藻(Crytomonas sp.)、直链藻(Melosira sp.)和颗粒直链藻极狭变种。丁玲公园4#和白马湖公园5#夏季为蓝藻—绿藻型, 优势蓝藻为蓝纤维藻(Dactylococcopsis sp.), 白马湖公园5#还存在优势蓝藻平裂藻和优势硅藻针杆藻(Synedra sp.)(表1); 秋季丁玲公园4#蓝藻丰度占比最高, 优势蓝藻为平裂藻和伪鱼腥藻(Pseudanabaena sp.), 同时优势度相似的绿藻栅藻(Scenedesmus sp.)和硅藻直链藻; 而白马湖公园5#蓝藻优势种有隐球藻、平裂藻, 硅藻直链藻以及绿藻集星藻(Actinastrum sp.)。冬季丁玲公园和白马湖公园均为硅藻—隐藻型。春季5 个点位均存在优势种蓝纤维藻(Dactylococcopsis sp.)和隐藻, 丁玲公园4#和白马湖公园5#还存在优势硅藻直链藻, 其它点位则存在多种绿藻。

表1 5 个点位浮游植物优势种(属)优势度

续表1

2.2 水质理化指标

夏季水温达到峰值, 略高于30 ℃, 冬季最低为9.2 ℃(表2)。柳叶湖1#及入湖口2#的TN 和TDN春季达到峰值, 而大小河街3#、丁玲公园4#和白马湖公园5#的TN 冬季达到峰值, 且大小河街3#TN、TDN、NO3--N 以及NH4+-N 显著高于其它点位; 5 个点位的TP 和TDP 夏、秋季高于冬、春两季, 大小河街的TP 显著高于其它点位。此外, 夏季大小河街3#叶绿素浓度达到峰值87 µg/L 且显著高于其它点位, 秋季以入湖口2#叶绿素浓度最高, 冬、春两季均以白马湖公园5#为最高。

2.3 浮游植物群落与环境因子的关系

对筛选出的21 个优势属浮游植物数据进行除趋势对应分析(DCA)选择排序模型, 运用R 软件DCA函数分析得出最大梯度为3.34, 因此选择冗余分析(RDA)对浮游植物功能群与环境因子间的关系进行分析。分析结果显示, 第一轴特征值达到0.253, 第二特征值达到0.114; 通过对约束轴的置换检验及p值校正, RDA1 和RDA2 两个约束轴是显著的。从图2 可知WT、TN 和TP 对浮游植物群落结果影响较为显著, 且WT、TN 和TP 与第一排序轴最为紧密, TN 与第一排序轴正相关, WT、TP 与第一排序轴负相关, 相关系数分别为0.64、-0.74、-0.50。

蓝藻种类主要集中在第3、4 象限, 与TP、WT 和Chla正相关, 这与蓝藻喜高温有关, 当水温升高,蓝藻种类及生物量增加, 同时水体叶绿素浓度相应升高。隐藻和硅藻多与TN 呈正相关关系, 且与水温呈负相关关系。多数绿藻与水温呈正相关关系, 与营养盐浓度关系不大(图2)。浮游植物种类表现出典型的季节性差异, 如春季出现典型蓝藻—蓝纤维藻, 冬季以直链藻、隐藻为主, 而秋季存在丰度较高的平裂藻。

图2 浮游植物优势种类和环境因子RDA 排序图(注明: C 代表春季, X 代表夏季, Q 代表秋季, D 代表冬季;1～5 分别对应着柳叶湖、入湖口、大小河街、丁玲公园、白马湖公园)

3 结论与讨论

3.1 常德市城市水系及景观湖泊浮游植物群落时空差异

2020—2021 年柳叶湖等景观水体浮游植物主要以蓝藻、绿藻和硅藻为主。蓝藻门种类数变化范围较大, 秋季种类最多为15 种(属), 冬季种类最少为2 种(属); 绿藻门夏秋季多达30 种(属), 冬季最低为15 种(属); 隐藻门四季均存在; 这与前人的研究结果一致。

浮游植物群落组成存在较大的空间差异。柳叶湖1#与入湖口2#浮游植物组成相似, 入湖口2#蓝藻种类最为丰度, 高达18 种(属), 丁玲公园4#蓝藻种类最低, 仅有6 种(属); 绿藻种类, 以白马湖公园5#最多, 高达33 种(属), 柳叶湖1#最低, 仅有18 种(属); 硅藻种类以白马湖公园5#最多, 高达18 种(属),柳叶湖1#最低, 仅有6 种(属)。

从丰度和生物量来看, 大小河街3#浮游植物平均密度和生物量均显著高于其它点位。大小河街3#位于穿紫河河段, 由于近年来城市扩建和防洪排涝体系变化, 其间拦河闸坝增加, 切断了河流的连通性,同时受到人类活动影响, 外来营养物质不断输入, 增加了水体环境的异质性[12], 由此导致3#点位的浮游植物优势种类组成变化较大。

3.2 浮游植物群落与环境因子的关系

浮游植物优势种群存在较大时空差异。总体而言, 5 个点位蓝藻丰度均在秋季达到峰值, 柳叶湖1#—丁玲公园4#秋季优势种类均为平裂藻属, 相对丰度高达到68%以上, 这与前面的研究结果一致[13],然而白马湖公园5#秋季优势种类为直链藻属, 高达42%。通过RDA 分析, 多数蓝藻优势种与水温呈正相关关系, 如微囊藻和隐球藻。蓝藻属于喜温藻类, 水温对蓝藻生长具有促进作用[14]。因此, 平裂藻、伪鱼腥藻、湖生鱼腥藻多在夏、秋两季占较大比重。冬季隐藻生物量在各个点位达到峰值; 结果显示隐藻与水温呈负相关关系, 这与刘珍妮[15]研究结果一致。

隐藻个体较小, 生长速率快, 对光照的要求比较低, 在光照强度低的冬春季成为优势种, 甚至成为一些富营养化湖泊如上海淀山湖和滴水湖四季的优势种[16]。各个点位浮游植物组成存在较大差异, N、P 较高的大小河街3#虽然浮游植物丰度和生物量以及叶绿素浓度均较高, 但是蓝藻门种类并不多, 蓝藻的丰度和生物量也不是最高, 夏季绿藻种类多且丰度高, 其中, 实球藻、十字藻丰度较高。实球藻常分布于有机质丰度的水体, 对有机污染物具有较强的耐受能力, 是中营养型水体的指示种[17]。十字藻适合生活在较高温且有机质丰富的水体[18]。其次, 丁玲公园以绿藻-硅藻为主, 白马湖公园常年以硅藻直链藻为优势种。丁玲公园, 白马湖公园景观水体早些年人工种植慈姑、睡莲、金鱼藻等水生植被[19]。有研究表明, 金鱼藻、穗花狐尾藻和苦草等水生植被的化感物质对蓝藻-微囊藻生长有显著抑制作用,沉水植物在水环境恢复和净化中起着重要的作用[20]。