长荡湖富营养化水平及浮游植物群落组成

沈 伟,沈丽娟,谢文理*

(1.江苏省常州环境监测中心,江苏常州 213000;2.江苏省环境保护水环境生物监测重点实验室,江苏常州 213001)

浮游植物是水生生态系统中的初级生产者,发挥着重要的作用[1]。浮游植物随着水质的变化,营养盐浓度增加,藻类异常增殖形成水华,这是富营养化水体最突出、最直观的表现。浮游植物群落结构的变化受多种因素的影响,在不同地区、不同水域中,温度、光照、营养盐、水体扰动等均能影响浮游植物生长[2-4]。

浮游植物种类的组成随温度变化最为明显,而且浮游植物群落结构与水体营养状况有关[5]。从贫营养到中营养再到富营养,营养盐浓度逐渐增加,水体由清澈到浑浊。不同的营养状况导致不同的浮游植物种类组成,不同的浮游植物种类的组成变化也反映出了水环境变化[6]。目前,浮游植物群落与水体营养状态之间的关系研究较多。营养盐浓度对浮游植物的生物量影响较大,尤其是对蓝藻、绿藻和裸藻的生物量,在富营养化水体中,一般以蓝藻、绿藻或裸藻为优势。蓝藻的生态位较宽、适应能力较强,在各种水体中都能够生长,微囊藻、束丝藻和长孢藻都是易于富营养化水体中形成优势的藻类,并且都能够形成水华,而且这些藻类一旦形成优势后难发生演替,对水质的恶化有显著的推动作用[7]。在贫营养水体,主要以金藻、黄藻和硅藻为主,甲藻中的飞燕角甲藻和多甲藻亦生长在贫-中营养的水体。

长荡湖,又名洮湖、长塘湖,属太湖水系。长荡湖是典型的浅水型湖泊,是常州金坛重要的饮用水原地,同时兼具农业灌溉和渔业生产等多种功能。湖区地势西高东低,湖水来源为地表径流和降水补给,主要进出河道12条,其中西侧的丹金溧漕河、北河为主要入湖河流,湖水通过湖东的湟里河、北干河、中干河等东泄至滆湖,后汇至太湖,是引江济太重要的“前置库”和“净化池”。该研究通过对长荡湖不同区域内水体理化指标和藻类群落组成周年测定,反映湖体富营养化水平和藻类群落组成的时空变化特征,并初步探讨藻类与理化指标的响应关系。

1 材料和方法

1.1 采样点设置根据长荡湖的水系特征、主要出入湖河流、水生态功能区等状况,按照代表性、科学性、经济性等原则设置水质采样点8个,浮游植物采样点与水质采样点一致,采样点分布见图1。

图1 长荡湖采样点分布Fig.1 Distribution of sampling points in Changdang Lake

1.2 采样与处理

1.2.1水质样品采集及处理。水质样品采样时间为2019年1—12月。水质现场理化指标水温、pH、浊度、溶解氧(DO)等参数使用水质多参数分析仪(美国YSI公司)测定;透明度(SD)、总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮(NH3)、化学需氧量(COD)、叶绿素a(Chla)等理化参数按照《国家地表水环境质量监测网监测任务作业指导书(试行)》[8]进行测定。

1.2.2浮游植物样品采集及处理。浮游植物采样时间与水质采样同步。

1.2.2.1定性样品采集与分析[9]。用25号浮游生物网在采样点的水面下0.5 m处作“∞”形循环缓慢拖动,拖动时间1～3 min,后将网从水中提出,待水滤去,轻轻打开浮游生物网底管的活栓,使水样流入样品瓶中,加入鲁哥氏液进行固定。用移液器或刻度滴管吸取60 μL左右样品瓶底部的定性样品滴到载玻片上,用镊子盖上盖玻片,制成标本片,在显微镜下,尽量鉴定到种。

1.2.2.2定量样品采集与分析[9]。用采水器在采样点水面0.5 m 处采集1 L水样,将水样转移至1 L样品瓶中并加入鲁哥氏液进行固定,带回实验室后摇匀并转移至1 L的分液漏斗,静置24～48 h后,用虹吸法小心将上清液吸去,仅收集沉淀下来的浓缩藻样,将浓缩藻样定容至30 mL后转移至50 mL 样品瓶中。将样品充分摇匀,用移液器吸取0.1 mL样品到计数框中,进行藻种鉴定及计数,尽量鉴定到种,每个样品计数2次求平均值,一般每次计数100个视野。

1.2.3数据处理与分析。

(1)湖库综合营养状态指数(TLI)[10]。

综合营养状态指数计算公式如下:

式中:TLI (∑)为综合营养状态指数;Wj为第j种参数的营养状态指数的相关权重; TLI(j)为代表第j种参数的营养状态指数。

各项目营养状态指数计算:

TLI(Chla)=10(2.5+1.086lnChla)

TLI(TP)=10(9.436+1.624lnTP)

TLI(TN)=10(5.453+1.694lnTN)

TLI(SD)=10(5.118-1.94lnSD)

TLI(CODMn)=10(0.109+2.661lnCODMn)

式中:Chla 单位为mg/m3,SD 单位为m;其他指标单位均为mg/L。

(2)浮游植物完整性指数(P-IBI)[11-12]。采用浮游植物完整性指数进行水质生物学评价。

单项指数计算:淡水浮游植物完整性单项指数计算方法见表1,若计算结果为负值,取为0;若大于1,取为1。

表1 淡水浮游植物完整性单项指数计算方法

淡水浮游植物完整性指数计算:

(3)采用Excel2016和R语言软件4.0.3对数据进行处理与分析。

2 结果与分析

2.1 水质理化特征长荡湖水体水质周年变化见表2。

表2 2019年长荡湖水质变化

长荡湖水温季节变化明显,全年平均水温16.7 ℃,夏、秋两季水温较高,由于是浅水湖泊,夏季平均水温可高达27 ℃左右;长荡湖全年透明度20 cm左右;全年电导率水平340 μS/cm,冬季最小、夏秋季较高;水体pH年平均7.9,偏碱性;溶解氧全年平均9.6 mg/L,夏季最低;叶绿素a浓度水平相对较高,全年平均28.6 μg/L;营养盐含量水平较高,总氮年平均浓度达1.4 mg/L,总磷年平均浓度为0.100 mg/L。

2.2 水体富营养化状况根据湖库综合营养状态指数(TLI)计算结果,从时间来看,长荡湖全年TLI范围为57.3～65.5,从点位来看,长荡湖不同湖区TLI范围为59.6～62.7,长荡湖TLI整体年均值61.5,全湖整体已处于轻度至中度富营养状态。2019年长荡湖富营养化状况见图2。

图2 2019年长荡湖富营养化状况Fig.2 Eutrophication of Changdang Lake in 2019

2.3 浮游植物群里组成与动态在为期一年的浮游植物调查中,共监测到蓝藻门、绿藻门、硅藻门、甲藻门、隐藻门、裸藻门、金藻门7个门类,144种。其中绿藻门最多,有70个种,其余依次是硅藻门32种、蓝藻门19种、裸藻门12种、隐藻门4种、甲藻门4种、金藻门3种。

长荡湖全年各月浮游植物出现的种类数变化不大,基本保持在73～87种,9月份最多,为87种;2月、3月较少,为73种。从种类组成上看,绿藻是种类最多的藻类,占总种类数的48.6%,主要有栅藻、四角藻等;其次是硅藻,占总种类数的22.2%,主要有直链藻、小环藻和针杆藻等;再次是蓝藻,占总种类数的13.2%,主要有微嚢藻、平裂藻、颤藻和长孢藻等;其余裸藻、隐藻、甲藻和金藻种类均较少,主要有裸藻、囊裸藻、扁裸藻和卵形隐藻等。

研究期间长荡湖浮游植物生物量,全年浮游植物细胞数均达千万个每升的水平,其中密度最低为2月份,约1 300万个/L;密度最高为9月份,约9 500万个/L。在浮游植物的丰度组成上,蓝藻为长荡湖的优势种群,其中微嚢藻、平裂藻、长孢藻和颤藻是全年度绝对优势种,整个蓝藻门优势度全年平均达67%,呈现出典型的浅水型富营养化湖泊的特征;其次是硅藻,其优势度全年平均仅8%。从浮游植物丰度上看,长荡湖全年均为蓝藻型,不同季节仅表现出不同优势蓝藻之间的演替,11月—翌年4月为平裂藻优势,5—10月为微嚢藻优势。

2.4 浮游植物与环境因子相关性为研究长荡湖浮游植物群落结构和环境因子的响应关系,考虑选取水温(WT)、pH、溶解氧(DO)、总氮(TN)、总磷(TP)、化学需氧量(COD)、氨氮(NH3)、生化需氧量(BOD)水体环境因子,通过浮游植物与所选环境因子的典型相关分析(CCA)分析(图3),结果表明,长荡湖营养盐浓度和藻类群落组成呈现较强的季节变化特征;其中水温、高锰酸盐指数(CODMn)、TP和叶绿素a与蓝藻丰度表现较强的正相关关系。

图3 2019年长荡湖环境因子与浮游植物CCA分析Fig.3 Changdang Lake environmental factors and phytoplankton CCA analysis in 2019

3 结论与讨论

目前,长荡湖整体已处轻度偏中度富营养化水平,东北、西南湖区要好于中部湖区;历史数据上证实湖体富营养化程度有加重趋势;长荡湖浮游植物群落结构上呈现明显的季节演替特征,夏季浮游植物优势类群以丝状蓝藻为主,其相对高的生物量造成用水安全隐患。水温和总磷为影响长荡湖蓝藻生长的潜在环境因子。

湖泊总磷及藻类问题是湖泊富营养化效应的典型表现,要根本解决这一问题,必须长期治理、科学治理、系统治理。结合该研究相关成果,建议发挥水生态修复的规模效益,实施内部清淤、抑浪工程和外部面源、点源治理工程,控制和削减内外源污染负荷,减缓湖泊富营养化进程,逐渐恢复“草型”生境[13]。