乌杨调节坝运行初期汉丰湖浮游植物群落结构及其与环境因子的相关性分析

胡 芯，印江平，唐洪玉，郑永华

(西南大学动物科技学院水产系，西南大学淡水鱼类资源与生殖发育教育部重点实验室， 水产科学重庆市市级重点实验室，重庆 400715)

浮游植物是水体中初级生产者之一[1]，同时也是一些浮游动物和鱼类的食物，其在水域生态系统中起着重要作用。研究表明浮游植物受水体环境因子影响较大，且浮游植物种类组成和分布一定程度上能反映水体环境[2]。因此，研究水体浮游植物群落结构及其与环境因子的关系，对水域生态环境的保护和治理具有一定意义。

汉丰湖地处重庆市开州区，因三峡工程蓄水后倒灌形成，是三峡库区最大的库中人工湖[3]。汉丰湖是当地旅游开发的主要景点，关系着开州区的经济发展。然而由于汉丰湖水位在三峡水库“蓄清排浑”运行方式的影响下，库区内每年都会形成30 m消落区[4]，影响湖内的水域生态环境。为缓解消落区带来的负面影响，开州区政府在丰乐镇乌杨村修建了调节坝来控制湖内水位变化，保证汉丰湖常年性稳定蓄水。调节坝于2016年8月31日正式运行，调节坝运行后汉丰湖内的水域生态环境可能发生改变，目前有关汉丰湖浮游植物的研究均集中在调节坝正式运行前[5，6]，有关调节坝运行初期汉丰湖的浮游植物现状及其与水质的关系还未见报道。因此，通过对其运行初期的浮游植物群落结构和水质关系进行调查分析，了解调节坝运行后汉丰湖内水域生态环境情况尤为重要。

1 材料与方法

1.1 采样时间和采样点

2016年10月—2017年10月，每两个月对汉丰湖进行采样调查。依据《内陆水域浮游植物监测技术规程》，结合汉丰湖实际情况，本次调查共设置4个采样点(见图1)，分别为南河汇入口C1(镇安，108°20′34.01″E ，31°9′8.63″N)，汉丰湖中心C2(故津广场，108°23′18.22″E ，31°11′2.62″N)，东河汇入口C3(丰乐街道，108°25′18.12″E ，31°12′6.30″N)和出水口C4(调节坝，108°27′36.12″E ，31°10′59.83″N)。

图1 汉丰湖采样点分布图Fig.1 The stations of the survey in Hanfeng Lake

1.2 样品采集与分析

水质因子按照《水和废水监测分析方法》[7]和《地表水环境质量标准》[8]，现场测定水温(WT)和pH等指标，溶解氧(DO)、总磷(TP)、总氮(TN)、氨氮(NH3-N)、高锰酸钾指数(CODMn)等指标利用采集回去的水样，在实验室及时进行测定。浮游植物样品采集遵循《高级水生生物学》[9]要求进行操作，定性样品采集用25#浮游生物网在水面下作“∞”形拖动约3～5 min，将网底的浓缩水样倒入标本瓶中，加1%鲁哥氏液；定量样品采集直接采1 L水于水样瓶中，并加入15 mL鲁哥氏液充分摇匀固定带回。浮游植物鉴定和计算参考《淡水浮游生物研究方法》[10]、《中国淡水藻类—系统、分类及生态》[11]和《中国常见淡水浮游藻类图谱》[12]。

1.3 数据处理

Mcnaughton优势度指数(Y)、Margalef指数(dMa)、Shannon—Weaver指数(H’e)、Pielou均匀度指数(Je)[13，14]计算公式如下：

ni为第i个种个体数；fi为第i个种在各采样点出现的频率；S为物种数目；N为所有物种个体数之和。本文将优势度Y≥0.02的藻类定为优势种。各多样性指数评价标准[15]见表1。

表1 多样性指数水质评判标准Tab.1 The water quality assessment criteria for diversity index

数据分析与绘图主要采用Excle 2010和SPSS 22.0(t检验)等软件。浮游植物和环境因子之间的排序分析采用Canoco 4.5软件进行处理。

排序分析中，浮游植物的筛选主要满足以下条件：该物种在各站位出现的频率≥30%，且该物种在至少一个站位的相对丰度≥1 %[16]。接着进行去趋势对应分析(Detrended correspondence analysis，DCA)，分析结果在3和4之间，典范对应分析(canonical correspondence analysis，CCA)和冗余分析(RDA)均可用，本文选用冗余分析(RDA)。环境因子的筛选主要满足膨胀因子(inflation factor)小于20，且蒙特卡洛置换检验P<0.05[17]。此外，分析过程要对物种和环境因子先进行log(x+1)转换再分析，环境因子分析结果使用CanoDraw for Windows 4.5进行绘图。

2 结果

2.1 水质因子

调查期间汉丰湖各采样点的水质因子变化范围见表2，部分水质因子的年变化见图2。其中，各采样点的水质因子差异不显著。水温(WT)、高锰酸盐指数(CODMn)以及总磷(TP)、总氮(TN)、氨氮(NH3-N)含量的时间变化趋势相似，都是春冬季低，到夏季逐渐变高。透明度(SD)的变化趋势则相反，为春冬季高，随后到夏季有所下降。

2.2 浮游植物种类组成与优势种

本次调查共检测出浮游植物7门17目31科58属，共计114种。其中绿藻门5目12科25属45种，占39.47%；硅藻门5目9科17属44种，占38.60%；蓝藻门3目6科8属9种，占7.89%；甲藻门1目1科3属6种，占5.26%；隐藻门1目1科2属5种，占4.39%；裸藻门1目1科2属4种，占3.51%；金藻门1目1科1属1种，占0.88%。10、12、2、4月硅藻门所占比例最大，6和8月绿藻门所占比例最大。调查水域的浮游植物种类组成时间变化详见图3。

表2 汉丰湖环境因子监测结果Tab.2 Environmental factor monitoring results of Hanfeng Lake

图2 汉丰湖水质因子变化Fig.2 Ranges of the water quality factors in Hanfeng Lake (a)水温、透明度变化；(b)总磷、亚硝态氮、氨氮和高锰酸盐指数变化

图3 汉丰湖浮游植物种类组成时间变化Fig.3 Temporal variation of phytoplankton composition in Hanfeng Lake

各个月份的浮游植物优势种在5～10种之间，主要为硅藻门、隐藻门和蓝藻门，其中尖针杆藻、梅尼小环藻和啮蚀隐藻为出现次数较多的优势种。具体优势种详见表3。本研究共监测到30种优势种，且优势度普遍不高。

2.3 浮游植物现存量的时空变化

监测期间，汉丰湖监测点浮游植物密度和生物量分别为0.85×105～22.05×105ind./L和0.19 ～4.69 mg/L，总均值分别为8.64×105ind./L和2.03 mg/L。时间上，汉丰湖浮游植物的月份平均密度和平均生物量最低值均出现在2016年12月，2017年2、4、6、8月不断增加，在2017年8月达到最高值(19.47×105ind./L)，随后到2017年10月有所下降。空间上，四个采样点的平均密度和生物量有轻微差别，但差异不显著(P>0.05)。具体变化详见图4和图5。

表3 汉丰湖浮游植物优势种分布及其优势度Tab.3 Distribution of dominant phytoplankton species and their dominance in Hanfeng Lake

续表3

图5 汉丰湖浮游植物生物量时空变化Fig.5 Temporal and spatial variation of phytoplankton biomass in Hanfeng Lake

2.4 浮游植物多样性指数

汉丰湖各采样点调查期间浮游植物群落多样性指数结果(表4)表明，监测期间汉丰湖浮游植物Margalef 物种丰富度指数(dMa)为1.69～5.23；Shannon-Wiener指数(H’e)为1.12～2.75；Pielou均匀性指数(Je)为0.45～0.96。根据相应指数评价标准评价汉丰湖水体污染情况，就dMa值而言，属于α-中污染至轻污染水体之间；就H’e值而言，属于α-中污染/β-中污染水体；就Je值而言，属于β-中污染至清洁水体。结合三个指数的评价结果，汉丰湖整体情况属于中污染水体。

表4 汉丰湖浮游植物多样性指数Tab.4 The diversity index of phytoplankton in Hanfeng Lake

2.5 浮游植物与环境因子的关系

通过CanoDraw for Windows 4.5作出二维排序图，见图6。

图6 浮游植物与环境因子的二维排序图Fig.6 Two dimensional ordination diagram of phytoplankton and environmental factors

3 讨论

3.1 浮游植物群落结构特征

在种类组成方面，乌杨调节坝运行初期，汉丰湖浮游植物种类组成的季节演替过程基本符合PEG(Plankton Ecology Group)模式[20]，即冬春季(12月、2月和4月)以硅藻门为主，夏季(6月和8月)以绿藻门为主，夏末秋初(8月)蓝藻比例增大，随后(10月)又渐渐恢复硅藻门低温条件下的竞争优势[21]。优势种一定程度上能反映浮游植物群落结构的稳定性，通常优势种种类越多且优势度越小，表明该群落结构越复杂越稳定。优势种分析表明汉丰湖整体上浮游植物群落结构较复杂且稳定，主要是因为汉丰湖蓄水后，其水体变动小，湖内环境趋于稳定，有利于浮游植物生长。

汉丰湖浮游植物的密度和生物量也存在着季节性变化，与许多研究报道结果相似[22-24]。即春冬季低，夏季高，其中最主要的原因是随着季节的变化，水温和光照也在变化，夏季水温高、光照强，有利于浮游植物的生长和繁殖[25]，因此在8月(夏季)浮游植物密度和生物量达到了最高值。本研究中，2016年12月的水温稍比2017年2月高，浮游植物密度和生物量却比2017年2月低，其原因可能是，这两个月份汉丰湖浮游植物的种类组成都是以硅藻为主，在一定范围内的低温条件下，硅藻门的生长与温度成负相关[26]，2016年12月和2017年2月都是低温季节，其中2017年2月温度相对更低，更有利于硅藻门的生长，因此藻类密度和生物量更大。调节坝运行后，汉丰湖水位趋于稳定，水体流动小，整体处于静水水体，四个采样点的水体环境相差不大，因此四个采样点之间浮游植物密度和生物量差异不显著(P>0.05)。

浮游植物多样性指数dMa、H’e和Je值综合评价汉丰湖属于中污染水体，根据《地表水环境质量标准》[8](GB3838-2002)的基本项目标准限值，结合本文的水质数据，汉丰湖水体属于Ⅳ类水体。主要原因可能是，汉丰湖蓄水后湖内的水体流动性差，周边居民的生活污水排放蓄积，导致水体情况较差。

3.2 浮游植物群落与环境因子的关系

Jasser[27]表明浮游植物生长和时空分布的重要影响因子为营养盐、光照和水温。本研究通过对调节坝运行初期汉丰湖浮游植物群落结构和环境因子之间进行冗余分析，得知与汉丰湖内浮游植物群落结构排序显著相关的环境因子为透明度、高锰酸盐指数、总磷、亚硝态氮和氨氮。氮、磷是浮游植物生长和繁衍必不可少的物质，是浮游植物重要影响因子[28，29]。本研究表明，汉丰湖夏季氨氮、总磷含量高，能为浮游植物提供足够的营养物质，因此其浮游植物密度和生物量也随之增高。高锰酸盐指数是地表水受有机物和还原性无机物污染程度的综合指标[30]，水体浮游植物含量多，其产生的有机体增多，CODMn值也就随之增高。透明度表示水的透光能力，其大小与影响太阳入射光强度的地理纬度、悬浮物质浓度以及浮游生物含量有很大关系[9]。本研究针对的是同一水体，其地理纬度不变，又因蓄水后湖水稳定，处于静水水体，泥沙含量降低，颗粒悬浮物较少，所以该透明度主要受浮游生物含量的影响。大量的藻类及其分泌物使湖水浑浊不清，因此浮游植物和透明度呈负相关。