大冶湖与网湖浮游植物多样性及环境响应的比较研究

张 严，兰 聪，胡一晗，吴晓东 ，李 恒，侯建军

(1.湖泊环境保护与资源可持续利用黄石市重点实验室(湖北师范大学)，湖北 黄石 435002；2.湖北师范大学 生命科学学院，湖北 黄石 435002；3. 湖北师范大学 城市与环境学院，湖北 黄石 435002)

0 引言

湖泊是一个与外界环境频繁进行物质与能量交换的复杂系统，其生态系统的多样性与环境之间存在着相互影响的关系[1]。大冶湖是大冶市境内最大的天然湖泊，发源于鄂南幕阜山北麓，流域面积1 106 km2，湖面位于114°39′E～115°24′E，29°52′N～30°12′N，湖中心坐标115°5′46′′E，30°5′25′′N.大冶湖流域属典型亚热带大陆性气候，冬冷夏热，光照充足，无霜期长[2]。网湖位于湖北省黄石市阳新县东，濒临长江，系沉溺河谷出流受阻积水而成[3]。湖区属亚热带季风气候，四季分明，雨量充沛，气候温和，年平均气温15.9 ℃[4].大冶湖和网湖均属于浅水湖泊。

浮游植物(phytoplankton)是一种小型、多样化的浮游生活植物，根据其形态构造、光合色素组成和储藏物质的化学性质，可将淡水浮游藻类划分为十三个门类。早在上个世纪，人们就开始了关于浮游植物对营养变化响应的研究，例如1988年Martin等人在实验中观察到，浮游植物叶绿素的含量与实验添加的nmoL级的铁含量呈比例增加，且缺铁会限制主要营养(磷酸盐、硝酸盐等)丰富的水域中浮游植物的生长[5]。近年来也有许多学者开展了一系列实验来研究湖泊中浮游植物与环境因子的关系及其演变趋势，如：王礼全等进行了太湖流域浮游藻类功能群结构组成与环境因子关系的研究[6]，石展耀等通过多元逐步回归分析探索了理化因子对山口湖初级生产力的影响[7]，王吉毅等对千岛湖浮游植物群落结构的垂向分布特征进行了研究[8]。浮游植物是水生生态系统的主要生产者之一[9]，在水体物质转换和能量循环过程中起着关键作用，某些特定浮游植物其物种的更替在一定程度可以反映水体的营养状况[10]，同时，水环境的变化也能直接或间接地影响浮游植物群落结构的演替和组成[11]，因此研究湖泊的浮游植物多样性对生态监测具有重要生态意义。

1 材料与方法

1.1 采样点设置及采样时间

根据大冶湖、网湖的水域面积，并遵循有代表性和覆盖性的原则，在大冶湖主湖和网湖各设置10个采样站点，采样点基本覆盖了大冶湖和网湖的全部功能区域以及代表性地形，分别于2021年春季和夏季对大冶湖和网湖进行取样等现场生态调查。采样在每天的上午10点到下午2点之间进行，采样站点位置分布如图1、图2所示。

图1 大冶湖采样点分布图

图2 网湖采样点分布图

1.2 浮游植物分粒级的过滤方法

结合文献确定采样方式，使用有机玻璃采水器采集大冶湖和网湖水下0.5 m处的水样[12]。水样采集完成后，做好相应标签，用黑色塑料袋避光保存，并对采样时间、采样站点经纬度以及现场理化指标进行实时记录。水样运回实验室后，用过滤装置进行过滤，依次用 200 μm、20 μm孔径的筛绢、5 μm孔径的聚碳酸酯滤膜、0.7 μm孔径的 GF/F 滤膜对现场水样进行分步过滤，采用差值法计算，得到分粒级的浮游植物样品。吸水纸吸干水分后，用铝箔纸密封保存，并写好相应标记，冷冻保存直至后续分析。

1.3 高效液相色谱法测定特征光合色素含量

采用高效液相色谱(High Performance Liquid Chromatography，HPLC)法对浮游植物光合色素进行测定分析。具体步骤为：将样品依次放入HPLC自动进样器中，当色素提取液进样后与流动相互相混合，在流经色谱柱时被分离开来[13]。高效液相色谱仪要求：Eclipse XDB-C8 柱色谱柱(3.5 μm，4.6×150 mm Agilent，USA)，柱温25 ℃.流动相采用二元梯度洗脱法[14]，流动相 A：甲醇+1M 醋酸铵(体积比为4∶1)；流动相 B：纯甲醇(色谱纯)。实验用水为超纯水(Millpore)。使用CHEMTAX来计算或Letelier等人提出的色素换算公式来量化研究浮游植物的群落结构和类群组成[15]。该方法具有快速、准确和高通量的优势，从而实现对不同藻类特征光合色素的准确定性和定量分析，在此基础上，通过特征光合色素的量化来进一步表征各粒级浮游植物的群落结构和演替过程[16]。

1.4 环境理化指标的测定

现场使用EXO3(YSI，美国)便携式水质检测仪测定的室外指标有水温(WT)、酸碱度(pH)、浊度(TUR)、电导率(SPC)、溶解性固体总量(TDS)、氧化还原电位(ORP)、溶解氧(DO)等。室内理化指标在实验室按照相关文献的步骤进行测定，测定总磷(TP)、总氮(TN)、磷酸盐 (PO43-)、铵盐(NH3-N)等，参照国家标准《水和废水监测分析方法》[12]。

2 结果和分析

2.1 大冶湖和网湖春夏季理化指标分析

分析水体环境因子变化并对其进行克鲁斯卡尔-沃利斯检验(Kruskal-Wallis test)发现， TN和PO43-浓度不同湖泊间差异较大，TP及NH3-N在不同季节间差异较显著(p<0.01)(表1，图3)。大冶湖春季TN浓度在0.624～1.534 mg/L范围内，而夏季的变化范围在0.654～2.031 mg/L，且均在D9点有最大值(春季为1.534 mg/L，夏季为2.031 mg/L)；网湖TN春季最大值(1.291 mg/L)与最小值(0.116 mg/L)相差较为显著，而夏季相差较小。PO43-在夏季平均值(0.053 mg/L)高于春季(0.038 mg/L)，但是各站点之间差异不大(p>0.05)。NH3-N在春季的变化范围在1.051～1.121 mg/L，夏季的变化范围在0.178～0.221 mg/L，从春季到夏季的数据变化趋势来看呈坠崖式。夏季TP平均浓度(0.146 mg/L)比春季(0.055 mg/L)高，且网湖TP浓度均高于大冶湖(p<0.05)。

表1 大冶湖网湖主要环境因子浓度及其时空变化的差异显著性分析结果

图3 大冶湖网湖春夏季主要理化指标变化

2.2 大冶湖网湖特征光合色素含量分析

基于HPLC技术检测大冶湖和网湖中浮游植物光合色素的含量，结果表明，有8种色素为主要的特征光合色素，分别为岩藻黄素(Fuco)、新黄素(Neox)、堇菜色素(Viol)、别藻黄素(Allo)、玉米黄素(Zeax)、叶黄素(Lute)、叶绿素 b(Chlb)和叶绿素 a(Chla)。

Fuco、Allo、Chlb、Chla是大冶湖最主要的特征光合色素，在不同站点上均有较大差异(图4)。其中，Fuco、Allo和Chlb的浓度在时间尺度具有明显差异。春季Fuco的浓度在246.53～892.44 ng/L范围内，大冶湖1-6号站点的Fuco浓度相对较高(>500 ng/L)；夏季的浓度较春季大为降低，浓度最高的为大冶湖1号站点(283.44 ng/L)，浓度最低仅为18.22 ng/L.春季Allo的平均浓度(1 039.74 ng/L)远高于夏季(321.43 ng/L)，大约为夏季的3倍。夏季Chlb浓度范围在429.15～796.54 ng/L之间，除了在4号站点比春季的稍低以外，其它站点均比春季的更高。Chla浓度在所有光合色素中是最高的，春季Chla浓度的最大值为6 440.52 ng/L，最小值为3 828.65 ng/L，各站点平均值高达3 828.65 ng/L；夏季Chla浓度平均值为4 340.26 ng/L，较春季有所增长，最大值出现在大冶湖9号站点，为8 016.75 ng/L.

Fuco、Zeax、Chlb、Chla是网湖主要的特征光合色素，四种特征光合色素的浓度高低排序为：Chla> Fuco > Chlb> Zeax.网湖春季1号站点的Fuco浓度最高，为1 072.94 ng/L，相较于春夏季其它站点浓度偏高；春夏季Fuco浓度的均值较为接近，都在300 ng/L左右。网湖春夏季Zeax的浓度范围为50.41～220.20 ng/L，春季和夏季的浓度范围相差不大。网湖春季的Chlb在3号和5号站点的浓度均为0，在1号站点浓度最高(496.59 ng/L)；夏季2号站点的Chlb浓度最高(466.05 ng/L)，3号站点的浓度最低(120.53 ng/L)。网湖春夏季Chla浓度的平均值都在2 500 ng/L左右。

图4 大冶湖网湖春夏季光合色素浓度

2.3 大冶湖网湖不同粒级浮游生物组成分析

大冶湖和网湖的浮游植物种类主要为以下7种：裸藻(Euglenophytes)、甲藻(Dinoflagellates)、隐藻(Cryptophytes)、金藻(Chrysophytes)、绿藻(Chlorophytes)、蓝藻(Cyanobacteria)和硅藻(Diatoms)，其中裸藻、隐藻、金藻、蓝藻和硅藻为主要优势物种。大冶湖和网湖的优势物种在时间和空间上均有差异。

大冶湖春季的优势种群为裸藻(76.28%)、硅藻(12.79%)(图5a)。分粒级上来看，春季大冶湖3种粒级的浮游植物的优势种群均为裸藻，微型浮游植物的优势物种还包括硅藻。大冶湖在夏季的优势种群为隐藻(79.04%)和裸藻(10.10%)(图5b)。分粒级来看，夏季大冶湖3种粒级浮游植物的优势种群均为隐藻，裸藻在微型浮游植物中也占一定优势。网湖春季的优势种群为裸藻(70.21%)、金藻(13.27%)(图5c)。春季网湖3种粒级浮游植物优势种群均为裸藻，微型浮游植物及超微型浮游植物中金藻也占优势。夏季的优势种群为裸藻(52.00%)、隐藻(14.17%)、硅藻(15.75%)、蓝藻(13.91%)(图5d)。网湖夏季小型浮游生物优势种群为裸藻(57.16%)和硅藻(42.12%)，微型浮游生物优势种群为裸藻(67.49%)和金藻(14.93%)，超微型浮游生物优势种群为裸藻(31.37%)、隐藻(27.52%)和蓝藻(35.21%)。

图5 大冶湖网湖春夏季藻组成图

2.4 大冶湖网湖浮游植物与环境因子相关性分析

不同的浮游藻类群和环境因子之间有一定的相关关系，浮游藻类周边不同的环境因子对藻类生长生活起着不可或缺的作用。对全粒级各个站点的藻类和环境因子进行了相关性分析表明(表2)：裸藻与WT、DO、CODMn呈极显著的负相关关系，与NH3-N呈极显著的正相关关系(p<0.01W)。隐藻与WT、DO、CODMn、TP呈极显著的正相关关系，与NH3-N呈极显著的负相关关系(p<0.01)。金藻与TN呈极显著负相关关系(p<0.01)。绿藻与CODMn呈极显著的负相关关系(p<0.01)。蓝藻与WT、TP、PO43-呈极显著的正相关关系，与TN呈极显著负相关关系(p<0.01)。

3 讨论

3.1 大冶湖与网湖的水质状况

从总体上看，大冶湖水质状况优于网湖。参照《地表水环境质量标准》[17]可知，大冶湖春季整体水质为Ⅲ类水(0.025 mg/L≤TP≤0.05 mg/L)，夏季为Ⅴ类(0.1 mg/L≤TP≤0.2 mg/L)；网湖春季整体水质为Ⅳ类(0.05 mg/L≤TP≤0.1 mg/L)，夏季为Ⅴ类(0.1 mg/L≤TP≤0.2 mg/L)。

两湖夏季TP平均浓度比春季高，且网湖TP浓度均高于大冶湖。大冶湖和网湖在春夏两季TP的浓度差异不大，且春夏两季大冶湖总氮的平均浓度均高于网湖。有研究认为，气候、地理及人类活动等是氮磷浓度变化的主要影响因素[18～20]。目前人口密度增加和工业、建筑业迅速发展，导致了生活、工业污水排放量的增加，这些是TN、TP浓度升高和水质恶化的主要原因，同时湖泊中的TN浓度在一定条件下还能反映人类活动的干扰强度[21]。

3.2 浮游植物总生物量及粒级变化特征

不同湖泊不同粒级的浮游植物有不同的Chla含量，其除了代表着各粒级的总生物量，还能快速指示湖泊水环境质量[22,23]，并且随着环境的变化而表现出明显差别。大冶湖春夏两季总生物量均高于网湖，且大冶湖夏季总生物量高于春季。原因在于季节变化导致的水温升高，提升了浮游植物的光合作用速率，从而促进了生物量的快速积累[24]。

裸藻是网湖和大冶湖中各个粒级浮游植物的优势物种。在大冶湖中，裸藻也是各个粒级浮游植物的优势物种，微型粒级浮游植物的优势物种还有绿藻和硅藻。在网湖中，小型粒级浮游植物的优势物种还有硅藻，微型粒级浮游植物的优势物种中还有隐藻和金藻，超微型粒级浮游植物的优势物种中还有隐藻和绿藻。大冶湖及网湖小型粒级中的裸藻含量要远高于超微型粒级。大冶湖微型粒级中的绿藻、蓝藻及硅藻要远高于小型和超微型粒级。网湖小型粒级中的隐藻、金藻和蓝藻相对于微型粒级和超微型粒级更占优势，小型粒级的硅藻含量远高于微型和超微型粒级。藻细胞越大，对营养盐的吸收速率也越快，大粒径的藻类更容易受营养盐限制[25]。超微型藻类在贫营养水体中更占优势，而随着营养水平的升高，微型和小型藻类的贡献率逐渐增加[26]。

3.3 浮游植物群落结构及其与环境因子的关系

研究表明，湖泊浮游植物群落存在明显的季节演替现象[27]。大冶湖春季的优势类群为裸藻和硅藻，夏季优势种群为隐藻和裸藻。网湖春季优势类群为裸藻、金藻，夏季优势种群为裸藻、隐藻、硅藻、蓝藻。优势类群的出现和演替主要是由于不同种类的浮游植物对营养物质利用和吸收能力有所差异[28]。

WT、DO、CODMn、TP、PO43-、NH3-N等环境因子是影响浮游植物群落组成及分布的主要影响因素，这与许多学者的研究结果相一致[29～32]。研究发现，水温与蓝藻和隐藻显著正相关，与裸藻负相关。蓝藻是喜温藻类，蓝藻与TP呈正相关[33]，与TN负相关[34]，这与本研究结果相同。水温是影响浮游植物生长的主要因素之一，受季节变化明显，除直接影响浮游植物生长繁殖外，还会通过影响浮游动物的生长对浮游植物产生间接影响[35]。总氮与金藻和蓝藻呈显著负相关关系；总磷与蓝藻和隐藻呈显著正相关关系。氮是浮游植物生长繁殖所需的必要元素，总氮与浮游植物群落演替及分布特征关系密切[36]。溶解氧与裸藻显著负相关，与隐藻显著正相关。溶解氧是表征水体污染程度的重要指标，当水中溶解氧较低时会抑制浮游植物的生长[37]。近年来，我国科研工作者又陆续开展了许多关于水体中的营养盐对浮游植物的影响的研究。Jiang等人发现水温、DO和PO43-是影响湖泊浮游植物的主要因素[14]。李钦钦等人发现NH3-N、TP和TN是影响春季浮游植物群落结构的主要环境因子，而夏季影响浮游植物分布的主要因素是TN、NH3-N、悬浮物、高等水生植物、TP和SD[38]。

4 结论

本研究通过在大冶湖和网湖春夏季各进行2次采样，报告了春夏两季来自两个不同湖泊的营养状态以及浮游植物的群落组成情况。结果表明：大冶湖总体水质状况优于网湖；Fuco、Chlb、Chla、Allo、Zeax是大冶湖和网湖的主要特征光合色素；大冶湖春夏季主要优势物种的演替规律为：裸藻+硅藻→裸藻+隐藻，网湖春夏季主要优势物种的演替规律为：裸藻+金藻→裸藻+隐藻+蓝藻+硅藻；WT、DO、CODMn、TN、TP、PO43-、NH3-N是影响大冶湖网湖浮游植物群落结构的主要因素。这些结果揭示了大冶湖与网湖的水质状况、浮游植物的变化特征及其影响因素，为浮游植物的生物多样性以及大冶湖网湖的生态环境监测提供了基本数据。

Comparative study on phytoplankton diversity and environmental response between the Daye Lake and the Wanghu Lake

ZHANG Yan1,2，LAN Cong1,2，HU Yi-han1,2，WU Xiao-dong3，LI Heng1,2，HOU Jian-jun1,2