乌梁素海冰封期浮游植物分布特征及其与水质指标的关系

林 岩，赵子闻，侯俊青，李 佳，赵曼平，武琳慧,2*

(1 内蒙古大学 生态与环境学院，呼和浩特 010021；2 内蒙古自治区环境污染控制与废物资源化重点实验室，呼和浩特 010021)

由于气候和环境等因素，北方的寒旱区湖泊具有明显的地域特性，其冰封期长、冰层厚、流量小、污染重，逐渐成为国内外研究热点[1-4]。在冰雪覆盖下，浮游植物长期生活在低辐射、低温度的环境中，而冰层能防止风引起的扰动作用，使浮游植物难以悬浮在表层水面，并限制了营养物质和其他气体在水层的交换，可能会影响浮游植物的群落组成与分布，同时浮游植物变化也会对水质状况产生不同程度的影响。现已有研究对乌梁素海非冰封期浮游植物分布特征和水质指标关系的研究[5-8]，而对冰封期的研究较少[9-11]。干旱区湖泊独特的水文学、水化学和水生态学性质，决定了它的属性不同于湿润区和高寒、高原区的湖泊，认识和研究寒旱区冰封条件下湖泊生物与非生物因子的分布特征是丰富湖泊科学内容、拓宽学科领域的需要[12]。本研究以寒旱区典型湖泊乌梁素海为对象，通过分析湖泊冰封期污染物分布特征，浮游植物群落结构组成、生物多样性变化及其与水质特征的响应关系，揭示寒旱区湖泊污染物迁移转化规律，为湖泊污染预警性评估、湖泊的有效生态治理、寒旱区湖泊生态环境的改善提供参考。

1 材料和方法

1.1 采样点布置

乌梁素海位于内蒙古自治区巴彦淖尔市乌拉特前旗境内(40°36′～41°03′N, 108°43′～108°57′E)，是典型的浅草型湖泊，属于温带大陆性气候。湖泊除了明水区，还有大量的挺水植物区，挺水植物以芦苇为主。综合乌梁素海的地势条件、水文动力学状况和农田退水等污染物入湖途径，于2019年1月，自北向南对采样点进行均匀布设，由于北部小海子受到人为干扰很少，因此不设采样点。本研究所有采样点均设置在无植被覆盖的明水区区域，分别编号为P1、P2、……、P12，其中P1～P6为北湖区，P7～P12为南湖区，根据水流流向分为上湖区(P1～P4)、中湖区(P5～P8)和下湖区(P9～P12)，具体位置如图1所示。

1.2 样品采集与测定

使用冰锯对冰层进行切割，于冰面下方收集水样2 L用于水质指标的测定。浮游植物采集方法参照《湖泊生态调查观察与分析》中的相关方法进行[13]。浮游植物的定量检测采用25号浮游生物网在水面划“8”字，进行捞取，将流出液进行浓缩最终转移到100 mL塑料瓶中并加入1 mL体积分数为4%的甲醛溶液进行固定保存；定性检测采用塑料瓶取1 L水样加入15 mL的鲁哥试剂固定保存。采样完成后迅速将样品带回实验室进行分析，定性检测将预处理样品静置48 h后浓缩至50 mL离心管中，送至武汉水天地生物科技有限公司进行检测。采用《内陆水域浮游植物检测技术规程》(SL733-2016)的要求，经过固定、静置、去上清液和定容操作后在显微镜下观察浮游藻类形态结构特征并鉴定种类。按规程中公式计算物种丰度和生物量指标。

1.3 数据处理与分析

数据处理用Excel 2016软件，方差和Pearson相关性分析用SPSS 20.0软件，冗余分析用CANOCO 4.5软件。

Shannon-Weiner多样性指数H=-∑PilnPi

Simpson多样性指数D=1-∑(Pi)2

式中：Pi=Ni/N，Ni为第i个种的个体数目，N为群落中所有种的个体总数。Pi为种i的个体数占群落中总个体数的比例。

Pearson(皮尔逊)相关系数计算公式为:

2 结果与分析

2.1 乌梁素海冰封期水体理化特征分析

2.2 浮游植物丰度与生物量分析

本研究中共检测出浮游植物61种，隶属于蓝藻门(Cyanophyta)、绿藻门(Chlorophyta)、硅藻门(Bacillariophyta)、甲藻门(Pyrrophyta)、隐藻门(Cryptophyta)、裸藻门(Euglennophyta)和金藻门(Chrysophyta)。对所有样点浮游植物物种丰度进行门水平和种水平热图分析，结果如下：北湖区隐藻门、蓝藻门和甲藻门丰度较高，最高值分别为4.76×106、4.50×106和2.65×106个·L-1。南湖区硅藻门和绿藻门丰度高于北湖区，最高值分别为4.45×106和2.32×106个·L-1(图3，A)。 蓝隐藻(Chroomonassp.)、伪鱼腥藻(Pseudoanabaenasp.)、绿柄球藻(Stylosphaephaeridiumstipitatum)和旋转囊裸藻(Trachelomonasvolvocina)是湖区中的高丰度物种，湖区各采样点丰度变化范围分别为0.01×106～4.33×106、0.09×106～4.50×106、0.05×106～2.23×106和0.01×106～3.50×106个·L-1，其中北湖区蓝隐藻和伪鱼腥藻丰度明显高于南湖区(图3，B)。

对浮游植物生物量分析发现，冰封期乌梁素海各采样点浮游植物总生物量为0.21～18.86 mg·L-1，其中各样点裸藻门平均生物量最低(0.03 mg·L-1)，甲藻门生物量在北湖区达最高(18.09 mg·L-1)。隐藻门生物量在北湖区明显高于南湖区域，此外该区域蓝藻门的丰度最高(0.04 mg·L-1)。南湖区硅藻门生物量和丰度高于其他区域，硅藻是该区域的优势物种(1.34～2.10 mg·L-1)(图3，C)。

2.3 浮游植物群落结构多样性分析

Shannon-Wiener和Simpson多样性指数是用来描述生境中物种数目多少和均匀程度的综合指标，综合来看，两种多样性指数在空间上变化趋势大致相同，不同种类的浮游植物的在空间分布上存在明显的差异，在P3点的多样性最低，P8点的多样性最高，从Simpson多样性指数的变化中可以发现中、下湖区物种类型多且组成较为均匀(图4)。

2.4 浮游植物群落结构与水质指标相关性分析

表1 丰度、生物量和多样性指数与水质指标的Pearson相关性分析

3 讨 论

3.1 冰封期浮游植物群落结构分布特征

通过对冰封期乌梁素海浮游植物热图分析发现，浮游植物丰度和生物量并不趋于一致，总体上隐藻门、硅藻门和蓝藻门的丰度较高，说明这几种门类中浮游植物的种类较多，生物量最高的门类为甲藻门，而它的丰度并不高，这说明甲藻门中浮游植物种类较少，但是数量巨大。P4样点处甲藻生物量远高于其他区域，魏志兵等[18]对中国浅水湖泊长湖的浮游植物研究发现冬季裸甲藻耐受指数最高，生态位宽度大，对冬季有较强的适应能力，同时此区域内水产养殖行业投加饵料对此也有一定的影响[19]。从图中可以看出北湖区入水口(P1点)处蓝隐藻丰度最高，成为此区域中的优势种。有研究表明蓝隐藻对温度、溶解氧和光照适应性极强，生态位较为广谱[20]，对高盐水也有一定的耐性[21]，因此可以在水流湍急、溶解氧波动明显和不同浊度下大量生存，由于P1点靠近主排干入水口，在湖面结冰前此区域水文条件波动大且高盐分农业退水促使蓝隐藻在该区域明显占优势。北湖区伪鱼腥藻丰度较高，研究表明伪鱼腥藻为有毒水华藻种[22]，其大量存在对生态环境和水产养殖有不利影响，暗示了此区域水体具有暴发水华的可能性，而在主排干入水口处并未检出此物种，可能是由于冰封期前水体流速大、湍流作用强，导致水体浊度高且透明度低，加之结冰后冰层阻碍太阳光线通过，影响了包括其在内的一系列藻类的光合作用，使其生态位分化，不再成为该区域的优势种，其具体作用机理还有待于进一步研究。南湖区绿藻丰度较高，结合理化指标发现该区域营养盐含量适宜，盐度低于湖区主排干入水口附近水域，此外有研究表明此区域中动植物多样性高，水流平缓且水深相对较深[23]，这样的生境更有利于悬浮在水中和附着于水底岩石及沉水植物上的绿藻生长繁殖，使该藻在此区域生态位较为稳定[24]。冬季湖中硅藻、隐藻和甲藻在丰度和生物量上占有明显的优势，而在水深不一、气候条件各异的其他湖泊如千岛湖、星云湖、洪泽湖、太湖、抚仙湖中发现冬季均以硅藻与隐藻占优势[25-31]，这与本研究有相似之处。此外，根据庞清江等[32]和Matthews等[33]对湖泊营养程度的划分可知冰封期乌梁素海属于中营养型湖泊，与2018年春季相比，乌梁素海水质得到改善，表明近年来引水工程等治理措施对其产生一定的效果[34]。

3.2 冰封期浮游植物群落与水质指标的关系

通过Pearson相关性分析发现浮游植物的丰度和生物量与TP有着显著正相关性，而与TN是不显著的负相关性，且通过冰封期IDW插值图与丰度和生物量的热图可以看出，随着TP含量增加，在湖区中部浮游植物的丰度和生物量也显著增加，而在氮素和N/P比的较高地方，丰度和生物量反而减少，这说明TP是冰封期浮游植物生长和繁殖的重要影响因子。这一结果与蒋鑫艳等[35]的研究结果一致。河套灌区春季灌溉的农田退水携带大量的氮磷营养盐进入湖泊，浮游植物生长季对磷素的相对需求远大于氮素，相较于氮素的利用形态，磷的可利用形态有限[36]，冰封期湖泊的外源营养盐输入几乎为零，氮的转化途径较磷的转化途径多，导致氮磷比大于7.2，使磷成为重要的影响因素[36-37]。Alam等[38]发现在冬季日本的Kasumigaura湖泊的温度和DO对pH值产生影响进而引起浮游植物组成变化，温度是影响大多数浮游植物细胞大小的最重要限制因子。本研究中pH显著影响了浮游植物的多样性，温度也对生物量、丰度和多样性指数均产生了一定的影响，与Alam等[38]的研究结果相近。ODonnell等[39]研究发现结冰时期贝加尔湖的Chla浓度与氮、磷浓度及氮磷共同作用呈正相关，这与本研究存在一定的差异，可能是由于包括可溶性磷酸盐在内的TP浓度相对较低所引起的。

4 结 论

结冰过程对污染物具有一定的浓缩富集效应，使得乌梁素海中的浮游植物对各种水质指标做出了不同的响应，进而改变了冰封期浮游植物在湖泊中的群落组成和物种多样性，基于上述研究，得出结论如下：

(1) 冰封期乌梁素海浮游植物中甲藻门和隐藻门的生物量最高，冰封期乌梁素海属于中营养型湖泊。

(2) 冰封期浮游植物丰度分布具有鲜明的区域特点，隐藻门、蓝藻门和甲藻门在北湖区占优势；南湖区中绿藻门丰度最高。

(4) TP是引起冰封期乌梁素海浮游植物物种丰度和生物量增加的主要水质指标，而氮素含量增加会导致浮游植物的多样性指数降低。