东平湖硅藻群落结构特征及其与水环境的关系

陈诗越, 刘双爽, 杨丽伟, 陈影影

(1.江苏师范大学 城市与环境学院,江苏 徐州 221116; 2.聊城大学 环境与规划学院,山东 聊城 252059; 3.南京大学 地理与海洋科学学院,江苏 南京 210093)

浮游植物的群落结构与水环境之间有着十分密切的关系,其组成和分布对水环境,尤其是营养盐水平的变化具有指示作用[1-2]．作为水体里初级生产力的重要成分且体内含有硅藻叶绿素的光自养生物——硅藻,其对某些水环境指标(如pH值、盐度、温度、营养盐等)有特定的最佳值及忍耐值,能很好地指示水环境的变化,包括湖泊的酸化和富营养化等[3-5]．硅藻适宜生长在较温暖且透明度、营养盐浓度频繁波动的水体中[6],水环境条件的改变会显著影响浮游植物的群落结构组成及生物量的变化[7]．通常利用排序分析法[8](包括间接梯度法和直接梯度法)来揭示硅藻与环境因子之间的关系．本文采用直接梯度法对东平湖硅藻-环境指标进行分析,以揭示东平湖底泥硅藻群落结构与水环境的关系．

东平湖(35°30′～36°20′N,116°00′～116°30′E)位于淮海经济区北部,泰安市西部,湖区为暖温带大陆性半湿润季风气候,多年平均气温13.4 ℃,降水量为640 mm[9-11]．作为仅次于南四湖的山东省第二大淡水湖,其总面积627 km2,长年蓄水面积124 km2,分老湖区与新湖区,老湖属于黄河水系,新湖属于淮河水系．随着我国南水北调东线工程的建设实施,其又成为南水北调的调蓄湖和山东省西水东送的水源地,在国家水资源配置战略中具有十分重要的地位．然而,近年来由于流域内经济的快速发展、人口的增加和水资源的不合理开发与利用,湖泊污染物的输入迅速增大,湖泊功能遭到破坏,其富营养化急速发展,水环境急剧恶化[12-13]．尤其是1998年以来,东平湖常年水质基本为Ⅴ或劣Ⅴ类.湖泊营养化状况分析也表明,该湖多年来一直处于中-富营养水平[14]．本文通过对东平湖表层沉积硅藻和水环境指标的冗余分析(redundancy analysis, RDA),探讨硅藻与水环境间的关系,以为东平湖水环境保护和南水北调输水水质安全提供科学参考．

1 材料和方法

1.1 样品采集和实验分析

于2011年分季节对东平湖表层沉积硅藻样品和水样(表层0.5 m处)进行了同步采集,并现场对湖水pH值、透明度(SD)、水深、电导率和表层水温(T)进行测定,具体采样点见图1．

图1 东平湖采样点分布图

实验室水化学分析,测试项目包括总P的质量浓度(ρP)、总N的质量浓度(ρN)、叶绿素a(Chla)的质量浓度、化学耗氧量(COD).ρN,ρP和Chla浓度用752型分光光度计测定,其中ρN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定,ρP采用钼酸铵分光光度法测定,叶绿素a用丙酮萃取法提取,COD用高锰酸钾(KMnO4)指数法测定．样品分析方法参照《地表水环境质量标准》和《湖泊富营养化调查规范》进行[15]．

硅藻的处理方法参照文献[16],即约取0.5 g沉积物,先用10%的盐酸去钙质胶结物,再用双氧水去有机质,离心清洗制片．硅藻属种鉴定主要依据Krammer & Lange-Bertalot的分类系统[17]．对每个沉积物样品至少鉴别300例硅藻,属种数量用百分比表示．

1.2 数据统计分析

降维对应分析(detrended correspondence analysis, DCA)用于提取硅藻种群的动态变化,在排序分析中选择至少在两个样品中出现且一个样品中含量超过2%的属种(共计35个)．由于一些硅藻属种如Nitzschiadissipata,Nitzschiagracilis,Naviculacrytocephala,Naviculaviridula,Naviculacapitata,Cymbellalanceolata,Epithemiaadnata和Cymbellasilesiaca在各采样点样品含量偏低(<2%),为避免这些属种对排序结果造成过大影响而予以删除．DCA分析结果显示第一轴长度为1.46个标准单位,因此选用线性模式——RDA进行分析[18]．

RDA是一种直接梯度分析方法,能从统计学的角度评价一个或一组变量与另一组多变量数据之间的相互关系[19-20]．数据分析过程中,硅藻属种数据作为解释变量,用平方根进行转换;将湖泊水环境数据作为RDA分析中的响应变量,数据介于10与100之间的进行开平方处理,大于100的取对数．响应变量中存在高度自相关的变量,如Ca2+,Mg2+,Al3+,SiO24个环境指标膨胀系数较大,在最终数据分析时将其删除．然后,用剩余变量来分析影响硅藻种群变化的份额[21],通过进一步选择(forward selection)和蒙特卡罗检验(Monte Carlo permutation test) (p<0.05,n=999)得到解释硅藻群落变化的显著变量．最后对得到的显著变量进一步地检验,使用Bonferroni correction方法对显著性p的临界值重新选择,即用0.05/(n+1)来界定[22]．上述统计分析在程序CANOCO 4.5中运行．

2 研究结果

2.1 水环境指标

图2 东平湖湖水理化指标变化趋势图

2.2 硅藻群落组成

东平湖共鉴定硅藻16属43种,由相对丰度图谱(图3)可以看出,东平湖主要以部分附生和浮游种为主,除少数样点属种比较突出外,东平湖硅藻属种在32个采样点的分布相对均匀．依据划分区域看,30#,31#,32#这3个样点较为特殊,属种Gyrosigmaacuminatum在30#点含量为14.7%,所占比重较大．Sueirellaovalis为3个样点的特有属种,31#点属种含量达到15%．Nitzschiaperminuta属种近乎为32#采样点的独有属种,在该采样点含量达13.1%．Cyclotellameneghiniana绝大多数分布在30#,31#,32#采样点,说明该区域富营养化较其他区域严重．但整体来说,东平湖优势种较少,主要有Achnanthesminutissima,Aulacoseiraambigua,Aulacoseiragranulata,Fragilariacapucinav.vaucheriea,Cyclotellaoccelata,Synedratenera,Synedraulnav.acus,Gyrosigmaacuminatum.另外,Amphoralibyca,Cocconeisplacentula,Cyclotellameneghiniana,Cyclotellastelligera,Cymbellamicrocephala,Naviculaspecies2,Nitzschiapalea和Thalassiosirabaltica等属种也占有一定的比例．

图3 东平湖硅藻属种分布图

2.3 RDA分析

RDA分析最终结果见图4.第一、二轴的特征值为0.15和0.13,说明硅藻属种分布受两轴环境因子的共同作用．ρN与第一轴成正相关关系,深度d, pH值与第一轴成负相关关系; CODMn与第二轴成正相关关系,ρP,电导率γ与第二轴成负相关关系,两轴共同反映湖泊营养参数．由物种-环境变量排序图可以看出,深度d,pH值和CODMn对硅藻分布起主要影响．同样,在采样点-环境变量排序轴上,各采样点的分布也与实际情况相符．Monte Carlo检验表明:在东平湖各采样点中,ρP(F=2.76,p=0.002),pH值(F=2.85,p=0.002),CODMn(F=2.04,p=0.012)和d(F=2.70,p=0.002)是影响硅藻组合变化的显著因子,轴一和轴二共同解释了28.1%的硅藻组合的累计变率及50.6%的物种与环境之间的累计百分变量关系．

3 讨论

东平湖表层沉积硅藻中主要以附生和浮游种为主,底栖种相对较少.Aulacoseiraambigua,Aulacoseiragranulata为湖泊绝对优势种,所占比例达所有属种含量的20.6%.Synedra,Fragilaria两种主要指示湖泊营养状态的属种也占一定的比例．研究表明,Synedra,Fragilaria等对较低ρP(<100 μg/L)有一定的指示意义,忍耐幅度也较小,当这些属种成为优势种时,水体ρP仍然偏低,尚未发生富营养化[26].Aulacoseiraambigua,Aulacoseiragranulata为长江中下游富营养湖泊中常见属种[3-4,24-25,27],湖泊处于富营养至重富营养时,属种含量会减小,在较高ρP的水体中竞争力比较小．结合东平湖全年ρP较低、ρN相对较高的情况可知,东平湖处于中富营养状态,水生生物的生长受到了磷的限制．Kirilova等[28]研究了荷兰8个深水富营养湖泊,认为这些湖泊中普遍分布的C.ocellata,A.granulata,C.dubius和S.hantzschii也指示了中营养到富营养的水体条件．此外,董旭辉等[5]研究发现Aulacoseria是一种硅化程度高、有较高沉降率的属,其生长环境偏好于扰动强烈的水体,可以揭示湖泊水动力的强弱．由此可推断东平湖水动力作用可能较强．

图4 东平湖采样点与环境及环境与硅藻的RDA分析图

从RDA分析的结果来看,东平湖硅藻组合变化的主要影响因子为pH和CODMn,其次是深度d和ρP,再次是电导率γ和ρN．样点与环境变量排序图也体现出较好的一致性,如8#,9#,10#样点在pH值指标正向的远端,而该采样区域也存在着一定比例的指示湖泊偏碱性水体的属种．近几年,由于流域降雨量少,蒸发量相对大,因此东平湖硅藻属种中可见部分喜微碱性淡水的属种.Achnanthes,Fragilaria,Cymbella,Synedra和Nitzschia属种与d,pH值和ρP相关性较大,且呈正相关关系;属种Synedratenera则与ρN呈明显正相关关系;Aulacoseiragranulata与ρN,CODMn相关性较大,呈正相关关系;属种Aulacoseiraambigua,Cyclotellaoccelata则是受γ和ρN影响较大．值得注意的是,随着东平湖渔业的发展以及工农业、生活污水的大量排放,东平湖水质面临污染的威胁,将对国家南水北调和山东省西水东送的水质安全造成影响．

4 结论

东平湖硅藻的主要优势属种为Aulacoseiraambigua和Aulacoseiragranulata,水质处于中营养及中营养向富营养方向转化之中,说明东平湖整体水质状态仍较好．但近年来,随着东平湖流域工业经济快速发展及库区移民的大量回迁,大量未经处理的工业废水和生活污水排入东平湖,加上东平湖人工养殖业蓬勃发展及对湖沙的开采力度不断加大,东平湖水质有向严重污染方向转化的趋势,应引起有关部门的高度重视．

影响东平湖硅藻组合分布的显著性因子为ρP, pH, CODMn和水深d,其中pH,CODMn的影响作用最大,表明东平湖硅藻群落的分布主要受湖泊营养盐和湖泊酸碱程度的控制.今后要注意控制水体富营养化的发展,以确保调水水质的安全．

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