贵州高原百花水库浮游植物功能群的动态变化及驱动因子*

2022-06-30韩丽彬李秋华黄国佳马一明潘少朴李银久

湖泊科学 2022年4期

韩丽彬，王星，李秋华，黄国佳，马一明，潘少朴，李银久

(1:贵州师范大学贵州省山地环境信息系统和生态环境保护重点实验室，贵阳 550001)(2:贵州省国际合作研究基地水生态国际联合研究中心，贵阳 550001)(3:贵阳学院，贵阳 550001)(4:贵州师范大学地理与环境学院，贵阳 550001)

浮游植物在水生态系统中占有重要地位，对水生态系统的物质循环、能量流动及维持生态系统平衡方面都起着非常重要的作用[1-3].作为初级生产者，浮游植物的类群生物量、物种组成、优势种以及多样性能直接反映湖泊水质的状况，其群落组成和演替规律受水体物理、化学及生物等环境因子的影响[4].浮游植物传统分类方法虽能较好地反映群落结构组成，但是难以体现浮游植物在湖泊生态系统中的生态特征和生境类型.因此Reynolds等[5]提出的从生态功能的角度对浮游植物进行分类的功能群分类法开始应用于藻类生态学的研究，即把生理、形态和生存策略相似或相同的浮游植物归为一个功能群，作为浮游植物对生境变化的响应的基本单元.目前已归纳39个不同的浮游植物功能群[5-6]，极大地简化了传统生物分类系统的复杂性和反映生境特征的重叠性，该理论已广泛应用于国内外水生态的研究[7-9].董静等[10]首次将功能群理论运用到抚仙湖、洱海、滇池3个高原湖泊，分析了抚仙湖、洱海、滇池水体内的藻类功能群演替趋势特征.朱忆秋等[11]探究了功能群分类方法在亚热带水库环境变化中的适用性.Kim等[12]研究认为浮游植物功能群很好地反映了Nakdong河浮游植物在不同时间尺度的环境条件，为浮游植物群落行为和生态系统功能提供了详细的描述.浮游植物种类已经发展了形态和生理上的适应策略来适应不同的水体环境，以维持自身的群落稳定性.群落稳定性是指群落能够自我更新并维持，使群落的结构和功能长期维持在一个较高的且波动较小的水平[13-14].一般在波动环境中，群落更替速率越强，表明群落维持自身稳定性的能力越弱，因此，研究优势功能群的稳定性对揭示群落物种变化及生态系统功能具有重要的意义[15].

贵州高原山区地形高差较大，地势崎岖蜿蜒，降雨时空分布不均，导致部分区域缺水现象严重，尤其在山区最为明显，因此水库是贵州高原重要的水资源保障和自然环境基础[16-18].本文分析了2020年百花水库浮游植物功能群的变化特征与环境因子的关系，结合优势群落稳定性，以期为贵州高原生态与水库水质监管提供理论依据和技术支撑.

1 材料和方法

1.1 研究区域概况及采样点设置

百花水库(26°35′～26°41′N，106°27′～106°32′E)地处贵州高原中部，位于贵阳市西北郊，属于长江支流乌江水系猫跳河流域，是集发电、灌溉、旅游、养殖等多功能的大型二级水库.湖泊流域面积1895 km2，水域面积14.5 km2，湖泊补给系数为182.2，最大水深为45 m，平均水深10.8 m，总库容1.82×108m3，年总供水量为2872万m3[19].百花水库地处贵州高原喀斯特地区，属于季风湿润型气候，气候特征差异明显.百花水库是贵阳“两湖一库”的调蓄湖泊，其水质好坏直接关系到贵阳市的人民生活和水生态环境的改善.本研究于2020年1-12月份(除2月份)逐月进行水质和浮游植物采样.根据百花水库的形态设置了5个采样点，分别为大坝(DB)、贵铝水厂(GLSC)、麦西河(MXH)、岩脚寨(YJZ)和花桥(HQ)(图1)，进行表层(0.5 m)、中层(5 m)、下层(10 m)采样.

图1 百花水库采样点分布示意

1.2 样品采集和分析

浮游植物定量样品每个采样点取表层、中层和下层，混合后每个水样保留1.5 L，用浓度为3%～5%甲醛固定，在实验室静置24～48 h后用虹吸法浓缩至20～40 mL，在显微镜下根据文献鉴定[20]，浮游植物定性样品用25#浮游生物网在水面以下水平及垂直方向呈“∞”字拖网，现场加入3%～5%甲醛溶液固定.

现场用YSI(便携式多参数水质分析仪)测定水温(WT)、pH、溶解氧(DO)等，按照《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)测定总磷(TP)、总氮(TN)和高锰酸盐指数(CODMn)等指标.叶绿素a(Chl.a)浓度采用0.45 μm醋酸纤维滤膜抽滤水样500 mL，反复冻融，用丙酮萃取法在紫外分光度计下测定[21].

1.3 数据分析

采用ArcGIS软件绘制采样地图；冗余分析(RDA)采用Canoco 5.0软件分析浮游植物优势种与环境因子的关系，分析前对物种数据以及环境变量(pH除外)进行lg(x+1)转换.其他数据及图表采用Origin 2021软件绘制.浮游植物功能群分类参考Reynolds等提出的浮游植物功能群分类方法[5].浮游植物的细胞体积根据与其相近几何形状的体积计算，假定浮游植物的密度为1 g/cm3，计算浮游植物的生物量[22-23].

1.3.1 群落稳定性通过Bray-Curtis相异性指数(BC)来衡量群落稳定性，BC取值范围为[0,1]，BC值越大，表明物种更替性越强，稳定性越弱.BC的计算公式如下[24]：

(1)

式中，BC为群落更替指数；yi1为物种i第1次测量的生物量(mg/L)；yi2为物种i第2次测量的生物量(mg/L)；n为2次测量鉴别出的总物种数.

1.3.2 生态状态指数 FG功能群与环境特征能相互响应，所以欧盟水框架(Water Framework Directive，European Parliament and Council，2000)据此开发出生态状态指数以用于环境监测，水库生态状态指数(Q)的计算方法如下[25]，Q指数0～5分别表示：0～1差，1～2耐受，2～3中等，3～4好，4～5极好.

(2)

式中，n为浮游植物FG功能群的数量，N为浮游植物的总生物量，ni为第i个功能群的生物量，Fi为第i个功能类群的赋值.

1.3.3 综合营养状态指数以Chl.a、TP、TN、SD、CODMn为计算指标，综合营养状态指数TLI(∑)计算公式如下[26]：

(3)

式中，TLI(j)代表第j种参数的营养状态指数，Wj为第j种参数的营养状态指数的相关权重，m为评价参数的个数.

2 结果

2.1 环境因子变化特征

调查期间，百花水库DO、WT、pH、TN、TP、CODMn、SD和Chl.a浓度如图2所示.WT的变化范围为11.3～27.7℃，平均水温为19.1℃，各采样点位的水温波动小，单因素方差分析表明各月份水温存在显著差异(n=55，P<0.05).百花水库的水体整体呈现弱碱性，水体pH的变化范围为7.71～8.38，方差分析表明6月份的pH与1月份、12月份的pH值存在显著差异(n=55，P<0.05)，除花桥(HQ)采样外，其余采样点的变化趋势相同.DO浓度变化范围为4.01～13.01 mg/L，各采样点位DO浓度变化均呈现春季高冬季低的趋势.各采样点位的TN浓度的变化范围为1.18～2.89 mg/L，最高值出现在7月份，方差分析表明7月份与其他月份存在显著差异(n=55，P<0.05).除花桥采样点，TP浓度波动较小，花桥采样点的TP浓度明显高于其他采样点.冬季水体的透明度明显高于夏季，而CODMn的变化趋势正好相反，4-6月高于其他月份.

半乳甘露聚糖属于曲霉菌细胞壁的多聚抗原，在IFI早期便可释放入外周血，从而使外周血的GM水平升高。目前有研究表明，曲霉菌感染患者在出现临床症状或者影像学检查异常前的数天内，其体内的半乳甘露聚糖便可呈阳性反应 [11]。本研究中，GM试验的灵敏度较低，考虑原因为GM试验检测结果仅仅反映曲霉菌属的真菌感染，而此类真菌感染所占比重偏小。其中，假阳性率约为12.86%，导致阳性预测值较低，经进一步分析，认为主要与患者曾使用半合成青霉素尤其哌拉西林/他唑巴坦[12]，部分患者为肠道定植曲霉菌，以及样本发生溶血、黄疸等因素有关。

图2 百花水库环境因子变化

2.2 浮游植物群落结构的时空分布特征

研究期间，百花水库全年共检测出藻类7门64种.其中蓝藻门和硅藻门分别为13和14种，各占总物种数的20.31%和21.88%；检出的绿藻门物种数最多(为27种)，占比为42.19%；甲藻门和裸藻门均检出4种，各占比6.25%；隐藻门和金藻门各检出1种.如图3，百花水库月生物量在124.8～2235.4 μg/L之间，均值为891.66 μg/L，1月份的生物量最高，4月份的生物量最低，生物量贡献以硅藻门和甲藻门为主，平均贡献率为66.67%，甲藻门在秋、冬季的生物量较高，绿藻门和蓝藻门的生物量在夏、秋季的生物量明显增加.从空间上看，百花水库各点位的生物量范围为658.59～1087.83 μg/L，麦西河口点位的生物量最高，大坝点位的生物量最低，整体上生物量贡献以硅藻门、甲藻门和裸藻门为主.

图3 浮游植物各门生物量的时空分布

2.3 浮游植物功能群的划分与时空分布特征

根据Reynolds等[5]提出的浮游植物功能群分类方法，研究期间，百花水库共归类出26个功能群，分别为B、C、D、E、F、G、H1、J、K、LM、Lo、MP、N、P、S1、S2、SN、T、TC、W1、W2、X1、X2、X3、Y、Z(表1).将相对生物量至少在一个样本大于5%且出现频率大于50%的功能群定义为优势功能群.如图4，百花水库共归类出9个浮游植物优势功能群，分别为S1、LM、J、B、P、D、MP、Y和W1，优势功能群随时间的变化为LM/D/B(3、4月)→LM/D/B(5-7月)→Y/S1/LM/D/B(8-9月)→W1/P/LM/D/B(1、11、12月)，功能群LM、B和D的月生物量贡献较高，平均贡献率为54.52%，功能群Y和S1在夏季的生物量明显升高.从空间上，LM和W1是各点位的优势类群，代表藻分别为甲藻和裸藻，贡献率为41.51%，功能群J和S1在各点位形成微弱优势，以硅藻为主的功能群B、P、D和MP的贡献率为36.93%.

图4 浮游植物优势功能群生物量的时空分布

表1 百花水库浮游植物功能群的划分及适宜生境

2.4 群落稳定性

基于各月份浮游植物的9个优势功能群的生物量进行群落稳定性分析，发现功能群在各月份的群落更替指数(BC)均存在着更替和波动.如图5，整体上9个优势功能群在5-11月份的BC值小于0.5，表明在此期间各功能群更替程度相对稳定.功能群W1和LM的更替幅度大，BC值呈现先减少后增加的趋势；功能群MP、D和B在5-9月份的BC值较低，表明在该阶段3个功能群保持相对稳定的优势地位，而功能群S1的BC值波动较大，在1-5月BC值较大，在7-9月的BC值低，因此功能群S1在夏季的优势地位稳定；功能群J在6-10月份的更替幅度小于其他月份的更替幅度，在6-10月份该功能群的生物量保持相对稳定.

图5 百花水库浮游植物优势功能群的群落更替指数

2.5 浮游植物功能群的生态状态指数

用浮游植物功能群的生态状态指数(Q)对百花水库的水质进行评价.如图6，时间上Q的范围为0.73～3.46，平均值为2.38，说明百花水库的水质处于中等状态，这与TLI(∑)的结果一致，百花水库TLI(∑)范围为36.90～50.20，水质处于中营养状态.空间上，各点位的Q值在2.14～3.42之间，TLI(∑)值在40.43～49.78之间，各点位呈现Q值越大，TLI(∑)值越小的趋势.

图6 生态状态指数和综合营养状态指数的时空分布

2.6 优势功能群与环境因子的关系

通过对百花水库浮游植物9个优势功能群生物量进行DCA分析后，发现排序轴梯度长度最大值小于3，因此选择线性模型.选取9个优势功能群生物量和TN、TP、WT、DO等8个环境因子进行RDA排序分析，采用蒙特卡拟合方法分别对浮游植物功能群生物量与环境因子间关系进行显著性检验.RDA结果表明轴1和轴2分别解释了15.39%和5.86%的浮游植物优势功能群生物量与环境因子关系，说明本次排序分析较好地解释了优势功能群生物量与环境因子的关系(图7).显著性检验结果显示WT(F=5.0，P=0.004)、pH(F=3.0，P=0.022)是对优势功能群生物量有显著解释性的环境因子.WT沿轴1分布最长，pH沿轴2分布最长，是影响浮游植物有优势功能群分布最主要的环境因子.RDA分析呈现出一定的时间异质性，11、12和1月集中在第一象限，3、4月份集中在第二象限，紧密相关的是LM功能群，5-6月份集中在第3象限，优势功能群为D和MP，第四象限主要为8-10月份，优势功能群为S1和B.进一步对WT和pH进行方差分解分析(VPA)，WT的解释率为9.0%，pH的解释率为3.1%，两者共同的解释率为1.5%(图7).

图7 浮游植物优势功能群与环境因子的RDA分析和VPA分析

3 讨论

3.1 浮游植物功能群的演替特征

浮游植物的时空分布格局与营养特征、水文环境、人为活动干扰等密切相关，其分布特征是水库生态功能完整性与水质特征的有效指示[27-28]，研究期间，百花水库共中划分出26个功能群，分别为B、C、D、E、F、G、H1、J、K、LM、Lo、MP、N、P、S1、S2、SN、T、TC、W1、W2、X1、X2、X3、Y、Z，与红枫水库25个、花溪水库20个和汤浦水库24个功能群的调查结果相似[29-31].浮游植物种类、生物量的变化是环境因子在时间和空间相互影响的结果[32-33]，百花水库作为喀斯特地貌的高原水库，水库溶洞众多，形成的适宜浮游植物生长的生境较多[34]，因此功能群的变化与水库特殊的地貌环境和水体环境有关.

特定的浮游植物功能类群反映特定的水体生境状态，浮游植物群落的分布会随着营养梯度和季节梯度引起的水体环境的变化而变化[35].功能群B、D和LM在各月份均为优势功能群，功能群B和D适宜的生境都表明百花水库为中营养型水库[25]，这与TLI(∑)指示的结果一致，百花水库的TLI(∑)值基本小于50，说明百花水质处于中营养状态.功能群B的代表藻种为梅尼小环藻(Meneghinianacyclotella)，耐受低光照，对pH升高和硅元素缺乏等敏感.功能群D的代表藻种为尖针杆藻(Synedraacus)，耐受冲刷，对营养缺乏敏感.功能群LM主要以具有鞭毛的拟多甲藻(Peridiniopsissp.)和飞燕角甲藻(Ceratiumhirundinella)组成，有自主迁移的能力，能在混合的水体中生长.百花水库水体长期处于中营养、低光照，有利于功能群B和D的代表藻种生长繁殖，在生长竞争中占据优势.百花水库的水体平均氮磷比为58∶1，喀斯特地貌水体中Ca2+浓度较高，易与磷形成共沉淀，减少水体磷浓度[36].低磷水体有利于功能群LM的生长，因为其代表藻种会在磷充足的时候将磷储存于体内，利于在外界磷不足时继续生长[5].

时空异质性会存在不同的水体生境，会出现不同的优势功能群，功能群的稳定性也会有所差异.以湖泊假鱼腥藻(Pseudanabaenalimnetica)为主的功能群S1在7-10月份的生物量明显增加，夏季百花水库处于丰水期，水位上升明显，水体混合加强，透明度降低，为功能群S1的稳定生长提供了有利的竞争条件[5,25]，功能群S1在夏季的BC值小于0.5，也证明了功能群S1在夏季保持较高的稳定性.这与黄国佳等[29]和肖晶等[37]对红枫水库的研究结果一致，功能群S1在夏季的丰度占据绝对优势，百花水库和红枫水库都属于乌江水系猫跳河流域的大型水库，功能群B、D和LM同样是红枫水库常见的优势功能群.从空间上看，功能群S1的生物量从上游至下游呈现逐渐升高的趋势，下游有百花水库大坝和水厂的设立，水体搅动性较大，利于功能群S1的代表藻种生长.功能群W1以裸藻(Euglena)为代表藻属，在时空分布上都占据一定的优势，其所代表的生境特征是有机污染的浅水水体，百花水库的CODMn平均值高达2.5 mg/L，高于花溪水库和阿哈水库的化学耗氧量[30,38]，可能是由于百花水库周边有农业生产活动，外源有机质流入库区，为功能群W1的生长提供生长条件.适应静水环境的功能群Y在秋、冬季的BC值小，功能群稳定性较高，且在上游HQ点位的生物量较大.秋冬季水库进入枯水期，水体流动性降低，上游水流平缓，有利于功能群Y的稳定生长.

3.2 影响浮游植物功能群的主要环境因子

浮游植物群落的结构主要取决于资源的可获得性，特别是营养的可获得性和温度的变化[39].浮游植物对营养物的响应是水生生态学关注的主要问题之一[40]，水库监测的环境因子可以划分为物理指标和化学指标，其中物理指标包括水温、pH、电导率、透明度等，富营养化指标包括TN、TP、CODMn[41].从RDA排序分析和VPA分析结果可知，水温和pH的P值小于0.05，是影响百花水库浮游植物功能群结构的主要环境因子，二者交互影响百花水库功能群的演替.由相关性分析可知，功能群D、S1和MP与水温和pH呈显著正相关(P<0.01)，功能群B、P、MP和J与CODMn呈显著正相关(P<0.05)，功能群B和P与TN呈显著正相关(P<0.01)，功能群D和MP与DO呈显著正相关(P<0.05).这与赵耿楠等[42]对甘肃省的渭河干流、黄国佳等[43]对贵州省三板溪水库和夏莹霏等对太湖的研究结果类似[44].

水温通过控制光合作用的酶促反应或呼吸作用的强度来影响浮游植物的生长，水温升高会提高浮游植物的光合作用和呼吸作用，进而直接或间接影响群落结构的变化[45].已有研究表明浮游植物的自身生长是有其最适温度条件，Nalewajko等研究发现微囊藻属(Microcystis)和鱼腥藻属(Anabaena)的最适生长温度为28～32℃[46]，Kim等认为冠盘藻(Stephanodiscushantzschii)的最适生长温度为8.7℃[47]，Shafk等的实验认为梅尼小环藻的最佳生长温度为25℃[48].百花水库地处亚热带高原地区，夏秋季有良好的温度和光照条件，秋冬季的温度明显降低，较大的水温差为功能群的季节性变化提供了条件.从相关性分析可知水温与功能群D、S1和MP呈显著的正相关(r>0.417), 以硅藻为优势代表种类的功能D和MP在全年都为优势功能群，硅藻适宜较低温度，因此在夏季的生长速率有所降低，而喜高温的蓝藻和绿藻繁殖旺盛，提高了功能群S1和J在夏季的优势地位，说明水温在全年都是浮游植物演替的关键因子[49].

对于大多数的浮游植物来说，水体pH值是其生长代谢的重要因素，pH值过高或过低时都会抑制浮游植物的光合作用[50].pH值对浮游植物种类的扩散和生长非常重要，例如星杆藻是最耐受酸性的硅藻，在pH<4.9 时扩散能力依然很高，隐球藻在pH>7时扩散能力最大，多甲藻在酸性湖泊中争夺营养的能力很高[51].百花水库的pH值范围在7.71～8.38之间，均值为8.10，研究表明pH值为8.5是水体碳酸系统稳定性较高的一个数值，是最适宜浮游植物的生长繁殖[52].百花水库的弱碱性水体有利于浮游植物吸收大气中的二氧化碳，促进光合作用[53]，从而促进百花水库有较高初级生产力.百花水库夏季pH较高，可能是因为水库地处岩溶地区，水体中的钙镁离子含量较高，在夏季的水体复分解反应增强导致pH值较大，其次可能是由于夏季水库浮游植物生物量较高，植物光合作用较强[54].本研究表明pH对功能群D、MP和S1的有显著影响(r>0.407), 这与安瑞志等[55]对青藏高原巴松错和葛优等对阳澄西湖的研究结果是一致的[56].功能群S1是以耐受碱性水体的蓝藻为主，在夏季pH值升高时稳定生长，而D和MP功能群是以硅藻为主要代表藻种，适宜弱碱性水体，在秋冬季pH值降低时有较强的生长能力[57].

研究结果表明pH与WT呈显著正相关(r=0.315)，且pH和水温对百花水库功能群的共同解释率为1.5%，说明二者对浮游植物功能群的演替具有协同作用.水温的周期性变化必然会引起水体其他环境因子的变化，相关性分析可知水温与Chl.a呈显著正相关性，与透明度呈显著负相关(r>0.315)，这说明温度在调节浮游植物生长同时，也影响了水体中其他因素的变化，进而间接影响浮游植物的变化[58].水体pH值的变化不仅与水温有密切相关，而且受到其他因素的影响，如营养元素流入、浮游植物繁殖、DO浓度等[59]，相关性结果可知pH与CODMn、DO和Chl.a呈显著正相关(r>0.315)，与TN和SD呈显著负相关(r>-0.316)，由此可见，WT和pH是百花水库浮游植物功能群的分布特征的主要影响因子，同时也通过影响其他环境因子的变化间接调节了浮游植物的群落变化.这与贵州高原红枫水库和阿哈水库的研究结果有一致性，李磊等[60]对阿哈水库的研究表明水温、透明度等物理因子对阿哈水库浮游植物功能群时空分布的影响更为显著，金祖雪等[61]对红枫水库的研究表明水温、DO、TN、透明度是红枫水库藻类丰度的主要影响因素.