淮北采煤塌陷区小型湖泊浮游植物群落结构特征

杨 威，张婷婷，孙雨琛，刘 琪，黄 悦，邓道贵

(1.淮北师范大学信息学院，安徽淮北 235000；2.淮北师范大学生命科学学院，安徽淮北 235000)

淮北市位于安徽省北部，属暖温带半湿润季风气候，年平均气温14.5 ℃，年均降雨量892.8 mm，是我国著名的能源基地，以煤炭资源丰富而闻名。由于煤炭的大量开采，导致大面积的土地塌陷，形成许多小型塌陷湖泊。2015年淮北煤矿塌陷面积约167 km2，其中形成的湖泊面积为40 km2[1]。淮北采煤塌陷湖泊由于封闭性好，湖水碱性大、硬度高，水底多为煤矸石，水生态系统较为独特[2]，浮游动物群落结构小型化、富营养种类特征十分明显[2,3]。

目前国内对采煤塌陷湖泊浮游植物群落结构的调查已有一些报道，且主要集中在淮南煤矿塌陷湖泊[4,5]，而有关淮北煤矿塌陷湖泊浮游植物群落结构的研究相对较少[6]。王振红等[7]研究表明，采煤塌陷湖泊浮游植物群落结构演替不同于一般的水库和湖泊。在淮南潘谢矿区，水体氮、磷含量高，处于富营养化状态，浮游植物密度和多样性具有一定的差异[4]。在淮北南湖和乾隆湖，水体碱性大、水质矿化度高对浮游植物群落结构也具有一定的影响[6]。因此，深入开展淮北煤矿塌陷湖泊浮游植物的群落结构特征研究具有重要的意义。本研究通过对淮北采煤塌陷湖泊浮游植物的群落结构调查，探讨浮游植物群落结构的时空变化及其与环境因子的关系，以期为煤矿塌陷湖泊渔业资源的可持续利用、水质监测和生物多样性保护提供参考。

1 材料与方法

1.1 采样地点和采样时间

选择淮北采煤塌陷区湖泊东湖和刘桥湖为研究对象。东湖(N33°59′E116°51′)位于淮北市杜集区，2005年被定为国家级湿地公园，水域面积约1.9 km2，平均水深2.5 m，最大水深4 m，塌陷时间超过20年，为封闭性水体[8]。刘桥湖(N33°53′ E116°39′)位于淮北市刘桥镇，水域面积约2.78 km2，平均水深2.0 m，最大水深超过4 m，塌陷时间超过15年[9]，为封闭性水体，水质达到轻度-中度富营养化状态[10]。东湖和刘桥湖均开展渔业养殖，主要养殖鲢、鳙并投放少量的鱼类肥料，产量约为(2.5～3.0)×104kg/km2[3]。根据湖泊的形态特征，每个湖泊设置5个采样点(图1)，分别于2017年4月、7月、10月和2018年1月进行采样调查。

图1 东湖和刘桥湖采样点位置Fig.1 The location of sampling sites in Lake Donghu and Lake Liuqiao

1.2 浮游甲壳动物样品的采集与鉴定

用13# 浮游生物网(112 μm)在水中往复做∞形回旋多次，收集样品用于定性分析。定量样品用5 L有机玻璃采水器分3层进行采集，每层取10 L水样，再用25 #浮游生物网(64 μm)过滤，过滤后的样品用5%甲醛溶液固定[11]。

定性样品在实验室里通过镜检鉴定浮游甲壳动物种类。定量样品用5 mL浮游生物计数框在显微镜下计数，种群密度以ind./L表示。枝角类的鉴定主要参照《中国动物志·淡水枝角类》[12]，桡足类参照《中国动物志·淡水桡足类》[13]。

1.3 浮游植物样品的采集与鉴定

将25# 浮游生物网(64 μm)抛入水中，在水中往复做∞形回旋多次，收集样品，用于定性分析。定量样品用5 L有机玻璃采水器分3层进行采集，每层取5 L水样，混合后取1 L水样，现场用Lugol氏液固定，在实验室中沉淀48 h后，浓缩至50 mL。

定性样品在显微镜下进行分类鉴定。定量样品用0.1 mL浮游生物计数框在显微镜下采用视野计数法计数。1 L水中浮游植物的密度(N)计算方法：

式中Cs为计数框的面积(mm2)，Fs为每个视野的面积(mm2)，Fn为计数的视野数，V为样品浓缩后的体积(mL)，U为计数框的容积(0.1 mL)，Pn为计数所得到的浮游植物总数。种群密度以cells /L表示。浮游植物生物量的估算参照章宗涉等的研究方法[11]，浮游植物种类鉴定主要参照《中国淡水藻类—系统、分类及生态》[14]。

1.4 理化指标的测定

水温和pH值用pH计(Hach，美国)现场测定，透明度使用透明盘现场测定。总氮(TN)用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定，总磷(TP)用钼酸铵分光光度法测定。叶绿素a 浓度的测定参照章宗涉等的方法[11]。

1.5 浮游植物多样性指数

Shannon-Weiner指数：

式中s代表种类总数，pi代表第i种密度占总密度的比例。H′值在0～1之间为重度污染，在1～2之间为中度污染，在2～3间为轻度污染，>3为清洁[15]。

马加利夫(Margalef)指数：

D=(S-1)/lnN

式中S为种类总数，N为所有物种的总密度。D值在0～1之间为重度污染，在1～2之间为中度污染，在2～3之间为轻度污染，>3为清洁[16]。

1.6 浮游植物的优势度

物种优势度：Y=ni×fi/N

式中ni为物种i的密度，N为所有物种的总密度，fi为物种i出现的频率。Y≥0.02的种类确定为优势种[17]。

1.7 数据分析

用SPSS 17.0软件分析东湖和刘桥湖浮游植物密度和生物量与理化因子的相关性，用单因素方差(One-way ANOVA)分析浮游植物密度、生物量与水体理化因子、生物多样性指数的季节差异。利用CANOCA 4.5 软件分析两个湖泊中浮游植物优势种与环境因子间的关系。先进行去趋势对应分析(DCA)以检验两个湖泊的第1轴梯度长。结果表明，两个湖泊的第1轴梯度长均小于3，选择线性模型比选择单峰模型更为合理。因此，选择冗余分析(RDA)进行约束性排序。所有数据均进行ln(x+1)转换。

2 结果

2.1 理化因子

东湖和刘桥湖的TN、TP和Chl-a浓度均在夏秋季较高、冬春季较低，并具有显著的季节差异。东湖TN、TP和Chl-a浓度的平均值分别为1.52 mg/L、0.14 mg/L和55.8 μg/L，而刘桥湖的平均值分别为1.35 mg/L、0.138 mg/L和59.0 μg/L。两湖TN、TP和Chl-a浓度高，说明水体富营养化程度较高。东湖和刘桥湖水温变化趋势相一致，春季开始上升、夏季最高，秋季逐渐下降、冬季最低。东湖的透明度和pH均高于刘桥湖(表1)。

相关性分析表明，东湖的浮游植物密度和生物量与水温、总氮和总磷均呈极显著正相关，与透明度呈极显著负相关。刘桥湖的游植物密度和生物量与总氮和总磷均呈极显著正相关，与水温显著正相关，与透明度呈极显著负相关(表1)。因此，水温、总氮和总磷是影响东湖和刘桥湖浮游植物密度和生物量的主要环境因子。

表1 东湖和刘桥湖的理化参数及与浮游植物密度和生物量的相关分析Tab.1 Physico-chemical variables and their correlation with the density and biomass of phytoplankton in Lake Donghu and Lake Liuqiao

2.2 浮游甲壳动物

东湖和刘桥湖浮游甲壳动物的平均密度分别为(12.83±10.34) ind./L和(4.44±3.17) ind./L。东湖夏秋季优势种为短尾秀体溞(Diaphanosomabrachyurum)和广布中剑水蚤(Mesocyclopsleuckarti)，冬春季为方形尖额溞(Alonaquadranyularis)、盔形溞(Daphniagaleata)和卵形盘肠溞(Chydorusovalis)；刘桥湖夏秋季优势种为短尾秀体溞(D.brachyurum)、象鼻溞(Bosminasp.)和广布中剑水蚤(M.leuckarti)，冬春季为卵形盘肠溞(C.ovalis)和方形尖额溞(A.quadranyularis)。

2.3 浮游植物种类组成

东湖共记录浮游植物7门53属88种，其中绿藻门24属45种，占总浮游植物种类的51%；硅藻门14属20种，占23%；蓝藻门9属14种，占15.9%；隐藻门和裸藻门均2属3种；甲藻门1属2种；金藻门1属1种。刘桥湖共记录浮游植物7门47属80种，其中绿藻门23属45种，占总浮游植物种类的56%；硅藻门9属11种，占14%；蓝藻门8属12种，占15%；裸藻门3属7种；隐藻门2属3种；甲藻门和金藻门1属1种。绿藻、硅藻和蓝藻在东湖和刘桥湖浮游植物群落中处于优势地位。

2.4 浮游植物密度和生物量的季节动态

东湖和刘桥湖浮游植物的密度和生物量的季节差异均极显著。刘桥湖的平均密度和生物量(656.7×105cells/L和12.71 mg/L)高于东湖(654.8×105cells/L和6.24 mg/L)。东湖的最大密度和生物量(1 467.3×105cells/L和13.77 mg/L)均出现在夏季，最小值(85.0×105cells/L和1.68 mg/L)均出现在冬季。刘桥湖的最大密度和生物量(1 879.8×105cells/L和34.3 mg/L)分别出现在夏季和秋季，最小值(18.4×105cells/L和1.75 mg/L)均出现在冬季(图2)。东湖和刘桥湖浮游植物密度和生物量较高，水体达到富营养化状态，夏秋季水体富营养化程度较高，冬春季较低。

东湖和刘桥湖蓝藻的平均密度分别为524.8×105cells/L和505.6×105cells/L，分别占总密度的80%和77%。东湖硅藻的平均生物量为2.91 mg/L，占总生物量的47%，刘桥湖隐藻的平均生物量为8.81 mg/L，占总生物量的69%。

图2 东湖和刘桥湖浮游植物的总密度和生物量及相对比例Fig.2 Total density and biomass and its relative proportions of phytoplankton in Lake Donghu and Liuqiao

2.5 浮游植物优势种

东湖优势种在冬季和春季为针形纤维藻、集星藻、小席藻、尖尾蓝隐藻和梅尼小环藻，在夏季和秋季为微小平裂藻、小席藻、弯形尖头藻、中华尖头藻和长菱形藻弯端变种。刘桥湖优势种在冬季和春季为狭形纤维藻、小席藻、四尾栅藻、尖尾蓝隐藻和囊裸藻，夏季和秋季为微小平裂藻、小席藻和卵形隐藻(表2)。

刘桥湖浮游植物优势种数多于东湖，且两湖优势种的季节变化较明显。在东湖和刘桥湖，小席藻均为第一优势种，年平均密度分别为301×105cells/L和248×105cells/L，分别占总密度的46.0%和37.8%。小席藻、细小隐球藻、四尾栅藻、微小平裂藻和点形平裂藻作为优势种在不同季节出现频率较高。

表2 东湖和刘桥湖浮游植物优势种及优势度Tab.2 The dominant phytoplankton species and their dominance in Lake Donghu and Lake Liuqiao

2.6 浮游植物的多样性指数

东湖和刘桥湖浮游植物的Shannon-Wiener多样性指数均具有显著的季节差异。刘桥湖的Shannon-Wiener多样性指数(2.21)高于东湖(2.03)，东湖和刘桥湖Shannon-Wiener多样性指数的最大值(2.16和2.47)分别出现在冬季和春季，最小值(1.79和1.77)出现在夏季。刘桥湖Margalef丰富度指数具有极显著的季节差异，而东湖差异不显著(P>0.05)。东湖的Margalef丰富度指数(1.57)高于刘桥湖(1.41)，东湖和刘桥湖Margalef丰富度指数的最大值(1.68和1.66)分别出现在秋季和春季，最小值(1.42和1.02)分别出现在夏季和冬季(表3)。

根据Shannon-Wiener多样性指数的评价，东湖和刘桥湖均属于轻度污染，其中东湖和刘桥湖夏季处于中度污染中，而其他季节处于轻度污染中。根据Margalef丰富度指数的评价，东湖和刘桥湖4个季节均处于中度污染中。

表3 东湖和刘桥湖浮游植物群落多样性指数Tab.3 Diversity indexes of phytoplankton in Lake Donghu and Lake Liuqiao

2.7 浮游植物群落与环境因子的相关分析

利用CANOCO 4.5 软件分析了东湖和刘桥湖浮游植物与环境因子间的关系。东湖和刘桥湖分别选取14和17种优势度Y≥0.02的种类用于CCA分析。先进行去趋势对应分析(Detrended Correspondence Analysis,DCA)，东湖和刘桥湖的第1轴梯度长分别为1.746和1.612，因此选择冗余分析(Redundancy Analysis,RDA)进行约束性排序。冗余分析结果显示，东湖的第1轴和第2轴特征值分别为0.715和0.111，共解释了96.2%的物种与环境的关系；刘桥湖的第1轴和第2轴特征值分别为0.633和0.145，共解释了96.6%的物种与环境的关系(表4)。两个湖泊浮游植物优势种类与理化因子(TN、TP和水温)和浮游甲壳动物密切相关。在东湖，点形平裂藻、弯形尖头藻、中华尖头藻、卵形隐藻、长菱形藻弯端变种与TN、TP、pH、短尾秀体溞和广布中剑水蚤的密度呈正相关关系，四尾栅藻、二形栅藻、颤藻与水温和象鼻溞呈正相关关系，梅尼小环藻、针形纤维藻、集星藻与方形尖额溞和盔形溞的密度呈正相关关系(图3)。在刘桥湖，尖尾蓝隐藻、四尾栅藻、点形平裂藻、小席藻、弯形尖头藻与TN、水温、短尾秀体溞和广布中剑水蚤的密度呈正相关关系，球衣藻、小球衣藻、卵形隐藻与TP、象鼻溞的密度呈正相关关系，长菱形藻弯端变种、四角十字藻和中华尖头藻与pH呈正相关关系(图4)。

表4 东湖和刘桥湖浮游植物和环境因子的冗余分析Tab.4 Redundancy analysis between phytoplankton and environmental factors in Lake Donghu and Lake Liuqiao

图3 东湖优势浮游植物种类与环境因子的冗余分析Fig.3 Redundancy analysis between dominant phytoplankton species and environmental factors in Lake DonghuS1：球衣藻；S2：小球衣藻；S3：狭形纤维藻；S4：美丽胶网藻；S5：四尾栅藻；S6：四角十字藻；S7：点形平裂藻；S8：微小平裂藻；S9：微囊藻；S10：细小隐球藻；S11：小席藻；S12：弯形尖头藻；S13：中华尖头藻；S14：尖尾蓝隐藻；S15：卵形隐藻；S16：梅尼小环藻；S17：长菱形藻弯端变种；S18：针形纤维藻；S19：集星藻；S20：二形栅藻；S21：颤藻；Dg：盔形溞Bo：象鼻溞；Aq：方形尖额溞；Co：卵形盘肠溞；Db：短尾秀体溞；Mi：广布中剑水蚤；SD：透明度；TN：总氮；TP：总磷；T：水温。图4同

图4 刘桥湖优势浮游植物种类与环境因子的冗余分析Fig.4 Redundancy analysis between dominant phytoplankton species and environmental factors in Lake Liuqiao

3 讨论

3.1 淮北煤矿塌陷湖泊浮游植物的群落结构特征

本研究中，东湖共记录浮游植物88种，刘桥湖80种，高于淮北南湖的70种[6]，而低于迪沟湖的155种[5]。东湖和刘桥湖的浮游植物群落结构具有明显的季节差异。东湖浮游植物群落结构的季节变化为春季蓝藻-绿藻型、夏季蓝藻-硅藻型、秋季蓝藻型、冬季隐藻-绿藻型，刘桥湖春季为蓝藻-绿藻型、夏季蓝藻型、秋季隐藻-蓝藻型、冬季裸藻-绿藻型，这与徐鑫等[4]和万阳等[5]研究结果差异较大。

与淮南煤矿塌陷湖泊相比，淮北煤矿塌陷湖泊的浮游植物群落结构和营养盐具有显著的空间差异[4,5,18]。淮北的东湖和刘桥湖主要以小席藻、长菱形藻弯端变种、弯形尖头藻、中华尖头藻和卵形隐藻为优势种，皖北地区的迪沟湖主要以小席藻、两栖颤藻、尖尾蓝隐藻、密集锥囊藻为优势种，淮南的潘谢3个塌陷湖泊主要以链形小环藻、伪鱼腥藻、铜绿微囊藻为优势种。就密度而言，东湖和刘桥湖浮游植物的密度均大幅高于潘谢3个湖泊和迪沟湖。从营养盐来看，东湖和刘桥湖的TN高于潘谢顾桥站，低于潘谢潘集站、潘谢谢桥站和迪沟湖，而TP均高于潘集3个湖泊和迪沟湖。由此可见，淮南和淮北采煤塌陷湖泊氮、磷含量高，浮游植物主要以富营养化种类为优势种，水体呈现出不同程度的富营养化状态。因此，应减少鱼类养殖活动，加强环境保护，促进生态系统的良性循环。

3.2 淮北煤矿塌陷湖泊浮游植物与环境因子的关系

水温是影响浮游植物群落结构季节动态的重要因素[19]，可通过影响浮游植物的生长率进而影响其群落结构的变化[20]，且水温的升高有利于蓝藻和绿藻的生长繁殖[21]。本研究中，东湖和刘桥湖浮游植物密度均与水温呈极显著正相关，在夏季水温较高时，浮游植物密度达到最大值，冬季水温较低时，浮游植物密度最低。RDA分析结果显示，东湖的优势种小席藻、四尾栅藻、二形栅藻、颤藻与水温呈正相关关系，刘桥湖的优势种小席藻、微囊藻、细小隐球藻、点形平裂藻、四尾栅藻、弯形尖头藻与水温呈正相关关系。因此，水温是影响东湖和刘桥湖优势浮游植物群落结构的重要因素。

水体中的氮、磷等营养盐对浮游植物群落结构具有重要的影响[4,22]。营养盐是浮游植物生长的必要条件，浮游植物的密度、生物量和物种多样性与营养盐的组成和浓度是密不可分的[23]。本研究中，东湖和刘桥湖在夏秋季TN、TP的浓度明显高于冬春季，与之对应的是，在夏秋季2个湖泊的浮游植物的密度和生物量均明显高于冬春季，且东湖和刘桥湖浮游植物的密度和生物量均与TN和TP呈极显著正相关。RDA分析结果显示，东湖的优势种点形平裂藻、弯形尖头藻、中华尖头藻、卵形隐藻、长菱形藻弯端变种与TN、TP呈正相关关系，刘桥湖的优势种球衣藻、四尾栅藻、点形平裂藻、卵形隐藻、尖尾蓝隐藻、弯形尖头藻与TN和TP呈正相关关系。因此，营养盐(TN、TP)也是影响东湖和刘桥湖浮游植物密度和群落结构变化的重要因素。通常，透明度偏低降低了水下的光照强度，进而限制了藻类的光合作用[24]。但隐藻在低温和低光照时具有较强的适应能力[25]，并利用自身的兼性营养特点[24]，在低光照时能充分利用营养盐进行生长繁殖。在秋季，刘桥湖的透明度较低、营养盐含量较高及适宜的水温，为卵形隐藻的生长提供了条件，这可能是卵形隐藻生物量(30.61 mg/L)较高的重要原因。

浮游甲壳动物对浮游植物的群落结构也具有重要的影响[26]。研究表明，浮游甲壳动物对小型藻类的捕食，间接地有利于不可食用的丝状藻类和群体微囊藻的发展[27]。本研究中，东湖的浮游甲壳动物密度高于刘桥湖，与之相反的是，东湖的小型藻类生物量低于刘桥湖。RDA分析结果显示，浮游甲壳动物(短尾秀体溞、广布中剑水溞、象鼻溞和盔形溞等)与小型藻类(四尾栅藻、二形栅藻、球衣藻、卵形隐藻、针形纤维藻和集星藻等)密切相关。因此，浮游甲壳动物对东湖和刘桥湖浮游植物的群落结构具有重要的影响。