平水期南洞庭湖浮游植物群落特征及其与水环境因子的关系

袁 鸿，罗华辉，肖亚琴，刘静逸，陈敦学，牛艳东*

(1.贵州大学动物科学学院，贵州贵阳 550025；2.湖南省林业科学院，湖南长沙 410004；3.湖南洞庭湖湿地生态系统国家定位观测研究站，湖南长沙 410004；4.洞庭湖流域生态系统管理与水资源可持续利用国际科技合作基地，湖南长沙， 410004；5.中南林业科技大学，湖南长沙 410004)

浮游植物是水域生态系统最为重要的初级生产者之一，是水体溶解氧的主要提供者，对于维持生态系统的稳定和完整具有重要作用[1]。浮游植物个体微小、结构简单、生活周期短、繁殖速度快，水环境中磷酸盐浓度、氨氮浓度[2]、溶解氧浓度、硝态氮浓度[3]、总氮浓度、总磷浓度、水温[4]等的变化，能够促使浮游植物对其群落结构作出快速调整[5]，因此，浮游植物群落结构的变化常被用于评价水质及水域的生态状况[6]。此外，通过综合营养状态指数(TLI)整合水环境因素(叶绿素a 浓度、总氮浓度、总磷浓度、高锰酸盐指数、透明度等)，将单变量分析的简单性与多变量分析的准确性相结合，能够更好地反映水环境的营养状况[7-8]。

洞庭湖是我国第二大淡水湖泊，是长江流域唯一的吞吐型湖泊，具有调蓄洪水、净化水质等重要生态价值[9]。近年来，随着湖区经济、社会的快速发展，洞庭湖生物群落的结构和功能发生了显著变化[10]，水体富营养化程度越来越高[11-13]，研究洞庭湖水体富营养化的主要水环境因素具有重要意义。研究表明，东洞庭湖浮游植物群落结构主要受温度、水位、营养盐、pH等因素的影响[14]，氮磷比也是限制东洞庭湖浮游植物群落结构的主要因素[15]；电导率、生化需氧量、高锰酸盐指数和化学需氧量是影响洞庭湖浮游植物群落结构的主要限制因素[16]，洞庭湖浮游植物群落结构还受水文和水动力条件[17]、外源有机物输入[18]等因素的影响。然而，关于南洞庭湖浮游植物群落与水环境因子关系的研究比较少见。

南洞庭湖由东南湖、万子湖和横岭湖组成，属通江型湖泊，湖泊因承纳江水江沙，形成了大小不一的湖群，流水区、静水区错落分布。与丰水期相比，平水期大量洲滩显露，形成水-陆生态系统，浮游植物群落结构与水环境因子之间的关系变得更为复杂。通过探究平水期南洞庭湖浮游植物群落结构的变化，利用综合营养指数评价水体的营养状况，挖掘限制浮游植物群落生长的水环境因素，以期为南洞庭湖生态环境监测评价与保护修复提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区

南洞庭湖位于洞庭湖西南，总面积约8.02×104km2，由湘江、资江和澧水汇流注入湖体，湖区内河流纵横，湖泊星罗棋布，属通江型湖泊[19]。南洞庭湖所处地理位置特殊，是连接西洞庭湖与东洞庭湖的纽带，依次流经东南湖、万子湖和横岭湖，是重要的运输航道和鸟类栖息地，现已被列入国际重要湿地名录，成为国家级湿地自然保护区[20]。南洞庭湖气候属亚热带湿润型气候，年平均气温(16.2±2.0) ℃，年平均径流量为9.49×109m3，易受季节影响，9 月以后雨水减少，出湖水量大于入湖水量，水位逐渐下降，进入平水期。

1.2 采样点设置

2020年9～10月，在南洞庭湖的东南湖、万子湖和共设置18 个采样点，其中，东南湖7 个(11 号至13 号采样点、15 号至18 号采样点)，万子湖5 个(3 号、4 号、9 号、10 号和14 号采样点)，横岭湖6 个(1 号、2 号、5 号至8 号采样点)(图1)。东南湖主要由沅江和澧水汇流注入湖体，万子湖由资江水注入，横岭湖由湘江水注入。

1.3 样品采集与处理

参照《湖泊富营养化调查规范(第二版)》，进行浮游植物样品采集与鉴定[21]。利用浮游生物网呈“∞”形缓慢拖动，用1 L 容量的采水器，在水面下0.5 m处，分别采集浮游植物定性和定量样品，利用鲁哥氏液和4%的甲醛溶液固定保存，在10×40倍光学显微镜(Leica DM500)下进行细胞计数。利用下式计算浮游植物丰度[22]：

公式(1)中，N(cells/L)为水样中浮游植物总丰度；A(mm2)为计数框面积；Ac(mm2)为计数视野面积；Vs(mL)为1 L 水样经沉淀浓缩后的体积；Va(mL)为计数框的体积；ni(cells)为计数所得浮游植物的数目。

利用YSI便携式水质检测仪，现场测定水温、酸碱度、电导率和溶解氧；利用赛氏盘，现场测定水体透明度。将采集的混合水样带回实验室，采用分光光度法(HJ 897-2017)，测定叶绿素a 含量；采用纳氏试剂分光光度法(HJ 535-2009)，测定氨氮含量；采用稀释与接种法(HJ 505-2009)，测定生化需氧量；采用钼酸铵分光光度法(GB11893-89)，测定总磷含量；采用碱性过硫酸钾消解-分光光度法(GB11894-89)，测定总氮含量；采用酸性高锰酸盐法(GB11892-89)，测定高锰酸盐指数；采用锅炉用水和冷却水分析方法(GB/T6913-2008)，测定磷酸盐含量。

1.4 数据分析

采用Shannon-Wiener多样性指数[23]和Margalef丰富度指数[24]，进行水质评价；采用综合营养状态指数(TLI)[25]，进行水体富营养状况评价；根据优势度指数(Y)[26]确定浮游植物的优势种(Y≥0.02)。计算公式如下：

公式(2)中，H′为Shannon-Wiener多样性指数；Pi为第i种浮游植物的个体数(ni)与总个体数(N)的比值(ni/N)。若H′=0，水体为严重污染；若0＜H′≤1，水体为重污染；若1＜H′≤2，水体为α中等污染；若2＜H′≤3，水体为β中等污染；若H′＞3，表示水体清洁。

公式(3)中，D为Margalef 丰富度指数；S为浮游植物总种类数；N为浮游植物总个体数。

公式(4)中，Pi为第i种浮游植物的丰度与浮游植物总丰度的比值(ni/N)；fi为第i种浮游植物在各采样点出现的频度；若Y≥0.02，则该物种为优势种。

公式(5)中，TLI(∑)为综合营养状态指数；Wj为第j种参数营养状态指数的相关权重；TLI(j)为第j种参数的营养状态指数。若TLI(∑)＜30，为贫营养；若30≤TLI(∑)≤50，为中营养；若50＜TLI(∑)≤60，为轻度富营养；若60＜TLI(∑)≤70，为中度富营养；若TLI(∑)＞70，为重度富营养。

选用叶绿素a浓度、透明度、总磷浓度、总氮浓度和高锰酸盐指数共5项参数，以叶绿素a浓度作为基准参数，第j种参数的归一化相关权重计算公式如下：

公式(6)中，rij为第j种参数与基准参数叶绿素a 浓度的相关系数；m为评价参数的个数。

利用CANOCO 5.0 软件，对浮游植物优势种与水环境因子进行冗余分析(RDA)，结果用物种与环境因子关系的双序图表示；利用Excel 2010和Origin 2021 软件，进行数据统计与制图；利用ArcGIS 10.8 软件，绘制采样点分布图；利用SPSS 22.0软件，进行相关分析。

2 结果与分析

2.1 浮游植物群落结构特征

2.1.1 种类组成

在南洞庭湖共鉴定出浮游植物6 门35 属49种，其中硅藻门物种数最多，有10属17种，占总种数的34.96%，其次为绿藻门，有11属14种，占总种数的28.57%；有裸藻门5属9种，占18.37%；蓝藻门6 属6 种，占12.24%；隐藻门2 属2 种，占4.08%；甲藻门1属1种，占2.04%。在空间分布上，南洞庭湖浮游植物种类数以东南湖最多(23 属29 种)，横岭湖次之(22属26种)，万子湖最低(21属24种)(表1)。

表1 南洞庭湖不同湖区各门类浮游植物物种数量Table 1 Species number of different phyla of phytoplankton in different areas of the south Dongting Lake

2.1.2 优势种

南洞庭湖浮游植物优势种整体上以蓝藻门和绿藻门居多，但是不同湖区浮游植物优势类群存在较大差异(表2)。其中，东南湖以硅藻门优势物种居多，万子湖以蓝藻门和绿藻门优势物种居多，横岭湖以绿藻门优势物种居多。密集微囊藻(Microcystis densa)的优势度在全湖、东南湖、万子湖和横岭湖都最大，分别为0.35、0.23、0.39 和0.45。东南湖和万子湖浮游植物优势种的种类数较多，都为7种，横岭湖最低，为5种。

表2 南洞庭湖浮游植物优势种及其优势度指数值Table 2 Dominant phytoplankton species and their dominance index values in the south Dongting Lake

2.1.3 浮游植物丰度

南洞庭湖浮游植物丰度为6.50×104～69.62×104cells/L，平均值为34.22×104cells/L，浮游植物丰度的高低顺序依次为横岭湖、全湖、东南湖、万子湖。浮游植物生物量为0.25～1.05 mg/L，平均值为0.54 mg/L，浮游植物生物量从大到小依次为横岭湖、全湖体、万子湖、东南湖，浮游植物丰度和生物量在不同湖区之间无显著差异(p＞0.05)。东南湖浮游植物丰度为6.50×104～51.60×104cells/L，生物量为0.25～1.05 mg/L，其中硅藻门丰度和生物量都占绝对优势。万子湖浮游植物丰度为20.80×104～35.37×104cells/L，生物量为0.36～0.84 mg/L，其中蓝藻门丰度占优势，生物量则以绿藻门占优势。横岭湖浮游植物丰度为22.98×104～59.62×104cells/L，生物量为0.35～0.82 mg/L，其中蓝藻门在丰度上占优势，绿藻门的生物量占优势(图2)。

图2 南洞庭湖不同湖区浮游植物丰度和生物量Fig.2 Phytoplankton abundance and biomass in different areas of the south Dongting Lake

2.2 水体理化指标

南洞庭湖全湖总氮、总磷、氨氮和叶绿素a 质量浓度分别为1.92～2.56 mg/L、0.32～0.53 mg/L、0.14～0.20 mg/L 和3.55～9.33 μg/L，pH 为7.37～7.44，水体总体上呈弱碱性(表3)。总氮浓度、总磷浓度、磷酸盐浓度、高锰酸盐指数、生化需氧量、pH、电导率和透明度在3 个湖区之间均无显著差异(p＞0.05)，氨氮浓度、叶绿素a浓度、温度和溶解氧浓度存在显著差异(p＜0.05)。

表3 南洞庭湖不同湖区水体理化指标值Table 3 Physicochemical indexes values of water in different lake areas of the south Dongting Lake

从空间上来看，总磷浓度从西向东呈上升趋势，总氮浓度自西向东呈下降趋势。其中横岭湖总磷和叶绿素a 浓度最高，分别为0.53 mg/L 和9.33 μg/L，万子湖氨氮浓度、高锰酸盐指数、溶解氧浓度和电导率最高，分别为0.20 mg/L、3.21 mg/L、5.91 mg/L和(274.26±37.31)μS/cm(表3)。

2.3 浮游植物生态指数及综合营养状态评价

浮游植物的Shannon-Wiener 多样性指数和Margalef 丰富度指数越低，则水体污染程度越高，反之，则水质越好。在平水期，南洞庭湖浮游植物的Shannon-Wiener 多样性指数为1.41～3.19，平均值为2.59，其中，万子湖最高，横岭湖最低；Margalef 丰富度指数为0.17～1.20，平均值为0.67，万子湖最高，东南湖最低(表4)。浮游植物Shannon-Wiener 多样性指数显示，南洞庭湖水体处于β中等污染状态。南洞庭湖综合营养状态指数为63.83，其中横岭湖最高，为65.74，万子湖最低，为61.95(表4)。由综合营养状态指数可知，平水期南洞庭湖3个湖区均处于中度富营养状态。

表4 南洞庭湖浮游植物生态指数及综合营养状态指数Table 4 Phytoplankton ecological indices and comprehensive nutrition state index in the south Dongting Lake

2.4 浮游植物群落结构与水体理化因子的关系

2.4.1 浮游植物群落结构与水环境因子的相关分析

对平水期南洞庭湖各门类浮游植物丰度与环境因子进行Pearson 相关分析，结果表明，硅藻门丰度与总氮浓度显著负相关(p＜0.05)，蓝藻门丰度与pH 显著正相关(p＜0.05)，蓝藻门、甲藻门和绿藻门丰度与不同水环境因子之间的相关性均不显著(p＞0.05)(图3)。

图3 南洞庭湖浮游植物与环境因子的相关性热图Fig.3 Correlation heatmap between phytoplankton and environmental factors in the south Dongting Lake

2.4.2 优势种与水环境因子的冗余分析

选取南洞庭湖11种环境因子与9种浮游植物优势种丰度进行冗余分析，结果显示，第一轴特征值为0.214 8，第二轴特征值为0.152 1，两轴累计变异百分率解释了物种数据的36.69%，解释了物种与环境因子之间关系的83.57%，表明浮游植物优势种与环境因子之间具有较高的相关性，能够较好地反映主要环境因子对浮游植物空间分布的影响程度。其中最重要的环境影响因子是水温(p=0.002)，其次是高锰酸盐指数(p=0.048)和总氮浓度(p=0.050)(图4)。

图4 南洞庭湖浮游植物丰度与环境因子的冗余分析Fig.4 Redundancy analysis of phytoplankton abundance and environmental factors in the south Dongting Lake

3 讨 论

3.1 不同湖体浮游植物群落结构特征

平水期通江型湖泊和阻隔型湖泊浮游植物一般都以硅藻和隐藻为主[27]，静止或弱紊水体有利于蓝藻和绿藻生长，而紊动水体对硅藻生长更具优势[28]。南洞庭湖平水期浮游植物以硅藻门为主，与前人对洞庭湖浮游植物群落结构的研究结果类似[17]。浮游植物丰度在各湖区之间存在差异，在东南湖为硅藻-蓝藻-绿藻型，在万子湖为蓝藻-硅藻-绿藻型，在横岭湖为蓝藻-绿藻-硅藻型。南洞庭湖硅藻门丰度由西向东、由上游到下游逐渐降低，蓝藻门和绿藻门丰度则逐渐上升，这与其他研究人员对平水期藻类群落变化的研究结论一致[28-29]。

本研究中，浮游植物的平均丰度为34.22×104cells/L，与在洞庭湖的研究结果[30]相比有所增加，并且总氮和总磷浓度都有明显上升，表明南洞庭湖水体污染程度有所加剧。南洞庭湖优势种以密集微囊藻(优势度为0.35)丰度最高，但并未有过南洞庭湖水华爆发的相关报道。南洞庭湖属通江型湖泊，流体动力较强，微囊藻不易形成大的聚集体，因此难以发生水华[31]。各湖体优势种类有明显变化，东南湖硅藻门优势种类增加，主要由于东南湖有沅江、澧水等多条河流汇入湖体，水体紊动大，使硅藻获得丰度增加优势[28]，万子湖则以隐藻门为优势种，横岭湖优势种类数减少。然而，密集微囊藻丰度从西至东逐渐增大(优势度分别为0.23、0.39、0.45)，其群体受水体流速影响大，水体紊动性小，小群体易碰撞形成大群体，形成大群体后抗逆性更强[32-33]，横岭湖密集微囊藻优势度高，要预防微囊藻属水华产生的藻毒素对人类饮用水安全和水生态健康造成的威胁[34]。

3.2 浮游植物多样性及综合营养状态指数

物种多样性是生物多样性最主要的结构和功能单位，是指在一定区域内各物种种群的大小、数量和物种分布的均匀度，是衡量一定区域内生物资源丰富程度的客观指标[35]。一般情况下，水体富营养化越严重，物种多样性越低[7,36]。本研究中，南洞庭湖浮游植物的Shannon-Wiener多样性指数和Margalef 丰富度指数均较低，而综合营养状态指数较高。其中，万子湖浮游植物多样性指数和丰富度指数值均最高，万子湖综合营养状态指数值最低，优势种种类数量多，竞争激烈，难以形成绝对优势种。横岭湖浮游植物多样性指数值最低，综合营养状态指数值最高，优势种种类数量少，优势种最大优势度与最小优势度差值也最高，易形成绝对单一的优势种。东南湖浮游植物丰富度指数值最低，综合营养状态指数值较低，浮游植物种类数多，群落结构较稳定。根据浮游植物Shannon-Wiener多样性指数、Margalef丰富度指数和综合营养状态指数对南洞庭湖水质状况进行评价，发现平水期南洞庭湖水体呈中度富营养-β中等污染状态，研究结果能够为南洞庭湖生态环境监测评价与保护修复提供科学依据。

3.3 浮游植物群落结构与环境因子的关系

浮游植物群落结构是水体物理因素、化学因素和生物环境的综合反映[37-38]。叶绿素a浓度可以基本反映浮游植物生物量的多少[39]，横岭湖浮游植物叶绿素a浓度与东南湖和万子湖差异显著，浮游植物生物量远大于东南湖和万子湖，叶绿素a浓度偏高。溶解氧浓度直接影响浮游植物的生存，反映了水体水质的好坏，其含量越高水质越好[40-41]。万子湖溶解氧质量浓度(5.91±0.11 mg/L)显著高于东南湖(5.75±0.03 mg/L)，表明万子湖的水质比东南湖更好，与多样性指数及综合营养状态指数的评价结果相同。氨氮能提供水体氮源，易被浮游植物吸收，但随温度和pH 升高，易转变为有毒物质非离子氨，抑制浮游植物生长[42]。万子湖与东南湖氨氮浓度显著高于横岭湖，而横岭湖浮游植物丰度最高，可能因为横岭湖氨氮浓度低，有毒物质非离子氨转换量少，浮游植物丰度高。

氮、磷是影响浮游植物生长的主要营养盐，也是常见的限制性营养元素[22]。有研究表明，氮、磷是洞庭湖水质恶化和水体营养化程度加剧的重要因子[43]，当氮磷比小于16∶1时，浮游植物生长主要受氮限制，磷的添加有助于绿藻和硅藻获取营养，使其生物量增加[44]。在南洞庭湖各湖体中，东南湖、万子湖和横岭湖氮磷比分别为3.62、6.67 和8.00，表明南洞庭湖为典型的氮限制型营养结构，在磷含量高的横岭湖，绿藻和硅藻生物量远大于东南湖和万子湖。冗余分析表明，影响南洞庭湖浮游植物群落结构的主要因素为温度、高锰酸盐指数和总氮浓度，温度能够影响浮游植物的新陈代谢速率，对生物体内酶的活性有着不同程度的影响，从而在生理活动上影响浮游植物对营养盐的获取[45]。横岭湖的水温与东南湖和万子湖差异显著，浮游植物丰度、生物量都远高于东南湖和万子湖，即在一定范围内，温度的升高有利于浮游植物细胞分裂。高锰酸盐指数能够反映水体中有机物的含量[46]，有机物组成生命体的物质基础，对浮游植物生长、繁殖有着直接影响。万子湖高锰酸盐指数值相对较高，但浮游植物生物量并不高，这从侧面反映了万子湖浮游植物群落结构的主要影响因子更偏向于水温和总氮浓度。Pearson 相关分析表明，总氮浓度与硅藻丰度显著负相关，而南洞庭湖为典型的氮限制型营养结构，磷的添加有利于硅藻生长繁殖[44]，横岭湖水体总磷浓度高，硅藻生物量高。

4 结 论

每年9 月以后，南洞庭湖进入平水期，水流相对平缓，水位下降，不同湖区浮游植物丰度发生变化。由于南洞庭为通江型湖泊，各江河注水区主要集中在东南湖和万子湖，横岭湖位于南洞庭湖下端，更容易集聚浮游植物，叶绿素a 浓度远远高于东南湖和万子湖。水体水质评价结果为中度富营养-β中污染状态，温度、高锰酸盐指数和总氮浓度为影响浮游植物空间分布的主要环境因子，有效控制南洞庭湖水体总氮浓度，能够改变浮游植物群落结构，改善水体富营养化程度，从而保护南洞庭湖的生态环境。