洞庭湖周边养殖型湖泊夏季浮游植物功能群及营养状态评价

2023-05-01胡丽丽张运生夏虎唐白露王素钦

水产学杂志 2023年2期

胡丽丽，张运生，夏虎，唐白露，王素钦

（1.湖南文理学院生命与环境科学学院，湖南常德 415000；2.水产生物资源与环境生态湖南省工程研究中心，湖南常德 415000；3.大湖水殖股份有限公司，湖南常德 415000）

初级生产者浮游植物群落结构特征在淡水生态系统的物质循环和能量流动过程具重要作用，与水体富营养化密切相关。浮游植物种类组成及优势类群变化能反映水环境状况[1]；浮游植物多样性分析广泛应用于各类水域的水环境评价中[2-4]。

不同类型湖泊的浮游植物群落结构各具特点。一般而言，寡营养水平水体的浮游植物以硅藻-甲藻、硅藻-绿藻或者金藻-硅藻为主，富营养水平的水体以蓝藻-硅藻、蓝藻-绿藻为主[5]。浮游植物功能群是基于浮游植物生理和形态特征，将具有类似生态学功能的浮游植物进行分类的一种方法，可较好地阐述浮游植物对生境变化的响应。Reynolds等（2002）[6]首次划分31 个浮游植物功能群。在此基础上，目前补充归类出39 个功能类群[7]。浮游植物功能群的理论在国内外已广泛应用[8]。朱忆秋等（2019）[9]提出，FG 功能群分类方法适用于探究亚热带水库浮游植物群落演替过程及其与环境的关系。大多数研究集中在探讨浮游植物功能群季节演替特征及其影响因子[10-12]。我国学者对河流、湖泊及水库等各种类型水体的浮游植物功能群也有不同程度的了解[13-15]，然而对于养殖型湖泊的浮游植物功能群结构特征及其与水体理化指标之间的关系却鲜有报道[16]。夏季为蓝藻高发季节，蓝藻可产生蓝藻毒素，具有肝毒性的微囊藻毒素（microcystin），细胞毒性的拟柱胞藻毒素（Cylindrospermopsis）以及神经毒性的鱼腥藻毒素（Anatoxin）可导致鱼类死亡[17]，其中，最为常见的微囊藻毒素可由微囊藻（Microcystis）、鱼腥藻（Anabaena）、颤藻（Oscillatoria）等产生。因此，对养殖型湖泊夏季蓝藻组成结构值得深入探讨。

东湖位于湖南省华容县境内，属洞庭湖水系，为长江中游的一个中型草型浅水湖泊，湖泊面积35 km2。北民湖地处湖南澧县东北部，是一个半封闭式的天然养殖湖泊，有效养殖水面20 km2。毛里湖地处湖南常德市津市东南部，湖面面积为38 km2，夏季平均水深为4.3 m。安乐湖位于湖南省汉寿县，地处西洞庭湖西南，湖泊面积14 km2，常年水体平均深度为4.5 m，草型湖泊，与洞庭湖洪道连接。这四个湖泊均为湖南洞庭湖水系，水产养殖方式为粗养，均以滤食性的鳙（Aristichthys nobilis）为主，其次是白鲢（Hypophtalmichthys molitrix）；还有青鱼（Mylopharyngodon piceus）、草鱼（Ctenopharyngodon idellus）以及一些小型鱼类，如洞庭青鲫（Carassius auratusindigentiaus Yang）、鲤（Cyprinidae）、鳊（Parabramis）、甲鱼（Trionyx sinensis）、翘嘴鲌（Culter alburnus）、蒙古鲌（Culter mongolicus）和鳜（Siniperca）等;其中北民湖中小鱼类种类较多。近年来大湖养殖水体由人工投喂转为粗放式养殖模式，鱼产量有所下降，鱼品质得到一定的提升，但是对于这种转变下湖泊水质的营养水平并没有较多的研究；其次，这些养殖型湖泊的浮游植物功能组成等生态学资料较为缺乏。

本研究采用湖泊生态调查方法，研究四个湖泊浮游植物的种类组成、丰度、生物量、水质理化特性，采用冗余分析（RDA）探究理化环境因子与浮游植物功能群组成之间的关系，旨在建立湖南省经济鱼类养殖水体浮游植物群落生态及水质理化特性数据库，并为水产养殖水库水环境的监测管理提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域采样点设置

根据水库面积及水质状况，分别在东湖（DH）（N29°23'31"～29°20'14"，E112°40'22"～112°37'15"）设置5 个采样点，北民湖（BMH）（N29°43'52"～29°41'30"，E111°54'10"～111°51'28"）设置3 个采样点，毛里湖（MLH）（N29° 28'58"～29° 23'4"，E111°58'30"～111°52'40"）设置5 个采样点，安乐湖（ALH）（N28°49'48"～28°47'47"，E112°12'39"～112°9'39"）设置4 个采样点。

1.2 样品采集与分析

用有机玻璃采样器取水下0.5 m 处1 L 水样置于聚乙烯采样瓶中，加入20 mL 鲁哥氏液固定，在实验室静置48 h 后，虹吸管去除上清液浓缩至50 mL，使用Dragon Lab 移液枪吸取0.1 mL 浓缩液加到浮游植物计数框中，借助Algae C 软件在显微镜下识别与鉴定种类，计算生物量。

图1 采样点位图Fig.1 Sampling sites

水质参数：水体透明度（SD）采用塞式盘现场测定；溶解氧含量（DO）、pH 以及水温（WT）采用YSL多功能水质分析仪现场测定；总氮（TN）、溶解性总氮（TDN）、总磷（TP）、溶解性总磷（TDP）、氨氮（NH4+-N）含量和化学需氧量（CODMn）根据《水和废水检测方法》（国家环境保护总局，2002）实验室测定。取原水100 mL 过滤到1.2 μm 的玻璃纤维滤膜（GF/C,whatman）上，用90%丙酮浸提滤膜上浮游植物的叶绿素，在663 nm 和645 nm 下读取吸光度值，计算得到叶绿素（Chl-a）浓度。

1.3 浮游植物功能群的划分

根据Reynolds 等[6]和Padisák 等[7]对浮游植物功能群的划分标准，划分四个湖泊的浮游植物功能，针对划分的功能群样本，把每个样本中相对生物量大于5%的种类划分为优势功能群[18]。数据处理与分析

以叶绿素（Chl-a）的TLI 指数为基准，再选择总磷、总氮以及透明度的TLI 参数与其进行相关加权综合，计算公式如下：

式中，TLI（Σ）表示综合营养状态指数；TLI（j）表示第j 种参数的营养状态指数，Wj表示第j 种参数的营养状态指数的相关权重，其计算公式如下：

式中，r1j为第j 个参数与叶绿素a 的相关系数；m 为选出的主要参数数目，本文选叶绿素a、总磷、总氮和透明度。根据TLI 指数可将水质营养状态分为六个营养水平：寡营养（0～30）、中营养（30～50）、轻度富营养（50～60）、中富营养（60～70）、富营养（70～80）以及重富营养（>80）[19,20]。

运用Shannon-Wiener 多样性指数（H）[21]（Shannon et al.,1949）、Pielou 均匀度指数（J）[22]（Pielou,1966）来描述浮游植物群落特征，丰富度指数H'（Margalef,1957）[23]计算公式：

式中，Pi为第i 个属的个体数（Ni）占个体总数（N）的比值；S 为浮游植物总种类数。

通过Excel 2010 和Origin 8.0 软件对数据进行分析统计及图形制作。使用Arcgis 软件绘制采样点图。使用R 软件vegan 程序包对数据进行冗余分析（Redundancy analysis，RDA），浮游植物功能群矩阵经hellinger 转换，环境因子数据除pH 外全部进行log10X 转换。通过蒙特卡洛置换检验筛选出有明显解释性的环境因子，进行分析作图，以揭示环境因子对优势浮游植物功能群的影响。以浮游植物功能群物种生物量为参数，使用R 软件pheatmap 程序包绘制浮游植物功能群热图。

2 结果与分析

2.1 浮游植物种类及功能群组成

在调查期间，东湖5 个采样点共鉴定出浮游植物7 门57 属（种），其中绿藻门最多，为28 属（种）（占49%），蓝藻门15 属（种）（26%），硅藻门10 属（种）（18%），裸藻门、隐藻门、甲藻门和金藻门各1种。北民湖3 个采样点共鉴定浮游植物7 门51 属（种），其中绿藻门最多，为21 属（种）（41%），蓝藻门17 属（种）（33%），硅藻门7 属（种）（14%），裸藻门和甲藻门各2 种，隐藻门和金藻门各1 种。毛里湖5个采样点共鉴定浮游植物7 门58 属（种），其中绿藻门最多，为27 属（种）（47%），蓝藻门18 属（种）（31%），硅藻门7 属（种）（12%），金藻门和甲藻门各2 种，隐藻门和裸藻门各1 种。安乐湖4 个采样点共鉴定浮游植物7 门62 属（种），其中绿藻门最多，为30 属（种）（48%），蓝藻门17 属（种）（27%），硅藻门7 属（种）（11%），金藻门3 种（属），甲藻门各2 种，隐藻门和裸藻门各1 种。

浮游植物群落多样性通常与物种丰富度和均匀度密切相关，根据浮游植物种类多样性指数可知，安乐湖的浮游植物多样性最高。Shannon 多样性指数评价标准：0～2 水体呈富营养化；2～3 呈中营养化；指数>3 呈贫营养化。东湖H 值平均为1.99±0.20，北民湖1.97±0.07，毛里湖1.42±0.14，安乐湖2.37±0.11（图2-a）。根据浮游植物Shannon 多样性指数对水体进行富营养化评价，东湖、北民湖、毛里湖均处于富营养化状态；而安乐湖处于中营养化状态。Peilou 均匀度指数J 范围在0～1 之间，指数越大，体现种间个体数分布较均匀。按照Peilou 均匀度评价标准：0～0.3 为重度污染；0.3～0.5 为中度污染；0.5～0.8 为轻度污染或无污染[24]。东湖、北民湖、毛里湖、安乐湖的均匀度指数分别为0.53±0.02，北民湖0.56±0.03，毛里湖0.39±0.04，安乐湖0.62±0.03（图2-b），可以看出安乐湖水质状况最好，毛里湖最差。丰富度指数H'：东湖为3.16～6.9，北民湖3.28～4.87，毛里湖3.93～4.54，安乐湖5.41～6.29（图2-c）。

图2 四个湖泊的浮游植物Shannon-Wiener 多样性指数H（a）、Pielou 均匀度指数J（b）丰富度指数H’（c）Fig.2 Shannon-Wiener index（a）,Pielou index（b）,and Margalef index（c）of phytoplankton functional groups among the four lakes（means±SD）

根据Reynolds 和Padisák 等提出的浮游植物功能群分类法，并结合四个湖泊水质及生态状况，共检测出17 个功能群，分别为H1、MP、S1、SN、M、T、A、C、P、LO、LM、J、F、D、G、Y 和W1。把每个功能群样本中相对生物量大于5%的种类规定为代表性功能群，四个湖泊代表性功能群不同。东湖，以长孢藻（Dolichospermum）为代表的功能群H1、以颤藻为代表的功能群MP、以伪鱼腥藻（Pseudanabaena）为代表的S1、以颗粒直链藻（Aulacoseira granulate）为代表的功能群P、以小环藻（Cyclotella）为代表的功能群C；北民湖的优势功能群包括上述的H1、C 及以微囊藻为主的LM；毛里湖优势功能群则包括H1、S1，以尖头藻（Raphidiopsis）和拟柱胞藻（Cylindrospermopsis）为主的SN和以多甲藻（Peridinium）为代表LO；安乐湖优势功能群包括H1、S1、LO，以微囊藻为主的M，以转板藻（Mougeotia）为代表的功能群T 及以扎卡四棘藻（Attheya zachariasi）为代表的功能群A（图4）。综上可知，四个湖泊共有的优势类群为蓝藻门的长孢藻，而伪鱼腥藻在东湖、毛里湖和安乐湖中占据优势；此外，尖头藻和拟柱胞藻在毛里湖占优势地位。安乐湖优势功能群种类最多，涵盖蓝-绿-硅三大门类。比较优势功能群的生物量可知，东湖浮游植物生物量最高，安乐湖最低（图3）。

图3 浮游植物功能群生物量Fig.3 The biomass of phytoplankton function groups

图4 四个湖泊不同点位浮游植物功能群热图Fig.4 The heat map of phytoplankton function groups in different sites in the four Lakes

2.2 水体理化指标

四个湖泊平均水温相差不大，但是透明度差异较大。毛里湖和安乐湖的平均透明度为0.85 m，显著高于东湖0.45 m 以及北民湖的0.4 m；安乐湖的pH 均值为8.5 及溶解氧含量显著低于其他三个水库。安乐湖的总氮显著高于东湖、北民湖以及毛里湖，安乐湖总氮均值为1.68 mg/L，毛里湖总氮最低，均值为0.35 mg/L；东湖的总磷均值为0.38 mg/L，显著高于其他三个水库，其中毛里湖和安乐湖的总磷含量较低，均值为0.02 mg/L；安乐湖的溶解性总氮浓度均值为1.56 mg/L，毛里湖溶解性总氮最低为0.04 mg/L；东湖溶解性总磷均值为0.256mg/L，显著高于其他三个水库，其中安乐湖溶解性总磷浓度最低，为0.003 mg/L；北民湖的氨氮浓度最低为0.36 mg/L，显著低于其他三个水库；值得注意的是，四个水库的氮磷比存在显著差异，安乐湖TN∶TP 高达120，而东湖最低，约为2.6。

华容县东湖、北民湖、毛里湖和安乐湖的TLI分别为68.1、62.7、47.2 和53.7。比较水质综合营养参数，毛里湖为中营养水平，安乐湖为轻度富营养化水平，而华容县东湖以及北民湖为富营养化状态。

2.3 浮游植物功能群与环境因子之间关系分析

表1 四个湖泊主要环境因子Tab.1 Main environmental parameters in four Lakes（mean ± SD）

对物种数据进行除趋势对应分析（DCA）选择排序模型，运用R 软件DCA 函数分析得出，最大梯度2.2655，排序轴<3，故对浮游植物功能群与环境因子间的关系采用冗余分析（RDA）。对浮游植物功能群数据进行筛选，选择11 个优势功能群用于排序。环境因子包括TP、TN、TDP、TDN、NH3-N、Chl-a、WT、SD、DO 和pH 共10 个。分析结果显示，第一轴特征值达到0.375，第二特征值达到0.192；RDA1 和RDA2 的解释量总和为0.567，能解释绝大部分浮游植物分布。通过对约束轴的置换检验及p 值校正，RDA1 和RDA2 两个约束轴显著。环境因子SD、Chl-a、WT 与轴1 的相关系数分别为0.55、-0.51、-0.44，环境因子TDP、pH、TP 与轴2 的相关系数分别为0.45、0.42、0.34。Chl-a 与H1功能群呈现显著正相关，与浮游植物分布关系密切。夏季以长孢藻为主H1、以微囊藻为主M和以颤藻为主的MP 与水温密切相关，以颗粒直链藻为主的功能群P 与H1、MP 与水体P 正相关，而以扎卡四棘藻为主的功能群A，以转板藻为主的功能群T 与透明度正相关（图5）。

图5 浮游植物优势功能群与环境因子的冗余分析Fig.5 Redundancy analysis（RDA）of the dominant phytoplankton functional groups and environmental factors in the sampling Lakes

3 讨论

3.1 洞庭湖水系养殖型湖泊水质评价

从水系分布来看，华容县东湖，津市北民湖和毛里湖为较为封闭的水库型湖泊，北民湖和毛里湖连接澧水，而安乐湖连接洞庭湖的沅水洪道。多样性指数（Shannon 指数）0～1 为重度污染，1～3 为中度污染，>3 为轻度污染或无污染；根据Margalef 指数>5 为清洁，>4 为寡污型，>3 为β 中污型，<3 为α中污型以及Peilou 均匀度评价标准[25]，判断安乐湖较为清洁，东湖为寡污染，毛里湖和北民湖处于中污染。水质综合营养指数TLI 表明，毛里湖为中营养水平，安乐湖为轻度富营养化水平，而华容县东湖以及北民湖为富营养化状态。浮游植物生物量数据表明，浮游植物生物量从高到低依次为：东湖、北民湖、毛里湖、安乐湖；而叶绿素浓度均值从高到低依次为：东湖、北民湖、安乐湖、毛里湖，毛里湖和安乐湖叶绿素浓度无显著差异。水体叶绿素浓度不仅与浮游植物生物量有关，也与浮游植物种类密切相关[26]。四个湖泊的浮游植物生物量与水体营养盐有密切关系，东湖和北民湖TN 含量均值高达0.9 mg/L，东湖TP 均值为0.38 mg/L，北民湖TP 均值为0.08，均已超出了国际公认富营养化的阈值标准（TN=0.2 mg/L，TP=0.02 mg/L）；而毛里湖和安乐湖TP 含量均值约为0.02 mg/L，安乐湖TDP 低至0.003 mg/L。因此，东湖和北民湖的叶绿素浓度远超过毛里湖和安乐湖。值得注意的是，安乐湖的TN 和TDN均值分别为1.68 mg/L 和1.56 mg/L，安乐湖的N 浓度在四个湖泊中最高，浮游植物生物量最低。夏季养殖型湖泊浮游植物生物量主要受P 限制。这与汪琪等[27]对大溪水库的研究结果一致，即浮游植物丰度和生物量与水体磷含量正相关。

3.2 养殖型湖泊浮游植物功能群分布特征及与水体理化因子的关系

湖南省洞庭湖水系养殖型湖泊水库夏浮游植物种类组成均以蓝藻门为主，东湖物种组成为蓝藻-硅藻型，北民湖和毛里湖硅藻和绿藻生物量相当，而安乐湖物种组成为蓝藻-绿藻型。四座湖泊夏季浮游植物主要功能群都有以浮游长孢藻和卷曲长孢藻为主的H1功能群，在东湖和北民湖占优势功能群总生物量40%以上，而在毛里湖和安乐湖占比为11%。我国部分湖库夏季以长孢藻为优势种类，如江西柘林湖和云南程海[28,14]。长孢藻在低氮磷比的湖泊中形成优势，而高氮磷有利于非固氮蓝藻如微囊藻等的生长[29，30]。本研究中，东湖氮磷比约为2.6；北民湖氮磷比约为10.7，因此东湖多以长孢藻为优势类群，而北民湖则以微囊藻为主的LM类群为优势类群。东湖水体的长孢藻存在明显的异形胞，在一定程度上，可缓解水体的氮限制[31]，东湖水体中以颤藻为主的功能群MP 也占一定的优势地位，以颤藻为主的MP 功能群生境特征为经常受搅动、浑浊的浅水湖泊，夏季常占优势[32]。

以伪鱼腥藻为主S1功能群适应生境浑浊的混合水体，适应重富营养水平水体生长，且在水库、湖泊形成优势类群[33-35]。S1作为典型的R 型策略功能群，对光照辐射具有较高的耐受性[29]，且在风力、降雨等干扰的混合水体中占绝对优势[33]。相反，微囊藻抗水文动力干扰能力较差，容易在静水中形成优势。本研究中，S1功能群在毛里湖占比高达67%，而在北民湖占比约为3%，同时，以微囊藻为主LM在北民湖占绝对的优势。对高原湖泊洱海的研究发现，微囊藻与伪鱼腥藻的演替过程[36]，微囊藻和伪鱼腥藻共存或竞争机制还需进一步的研究。毛里湖的优势功能群还包括H1和以尖头藻为主的SN，功能群SN适应温暖混合水体，耐受低光和低氮[6]。毛里湖相较于其他三个湖泊氮、磷浓度最低。

浮游植物功能群组成也受到浮游动物和滤食性鱼类的下行效应影响[37]。例如，群体蓝藻以及丝状蓝藻可抵抗鱼类以及浮游动物的摄食，从而在养殖型水体形成优势[38]。我国养殖水体常见浮游植物功能群包括以蓝藻门为主的H1、S1、M、SN等[16]。本文样品采集为夏季同一时间，各个湖泊的平均水温无显著性差异，浮游植物功能群均以蓝藻门生物为优势，但是各个湖泊之间优势类型存在较大差异，如东湖以H1、S1为优势功能群，北民湖以H1、M 为优势功能群，毛里湖主要是S1、SN、H1，安乐湖为S1、H1；总体来看，四个湖泊虽然营养盐等水质差异较大，但是H1均为优势功能群，可见富营养水体营养盐浓度的差异对H1优势地位的影响不大，对其生物量高低有一定的影响。RDA 分析表明，H1与水体叶绿素浓度呈现正相关关系，与H1为四个湖泊浮游植物优势生物类别有关。微囊藻可产生具有肝毒性的微囊藻毒素（microcystin），最为常见的微囊藻毒素可由微囊藻、鱼腥藻、颤藻等产生，在鱼的组织器官中富集[39,40]，如鳙（Aristichthys nobilis），影响人类健康。本研究中，四个养殖湖泊中蓝藻生物量比例范围为38%～90%，存在较大微囊藻毒素风险。除此之外，还可能存在拟柱胞藻毒素（Cylindrospermopsin）、鱼腥藻毒素（Anatoxin）等蓝藻毒素风险。对于四个湖泊蓝藻毒素风险评价还待进一步的研究和分析。

除上述以蓝藻门生物为主的浮游植物功能群之外，还存在以硅藻、绿藻、甲藻为主的其它优势功能群；如以直链藻为主的功能群P、以小环藻为主的功能群C，以扎卡四棘藻为主的A，以转板藻为主的T，以多甲藻为的Lo，还有以角甲藻为主LM。其中，东湖中功能群P、C 占优势地位，安乐湖T、Lo 占一定优势。适宜生活在混合高营养水体的功能群P 被报道在夏季成为优势类群[41,42]。RDA 分析表明，本文功能群P 与水体氨氮浓度和磷浓度呈正相关；功能群T 和与Lo 与水体SD 呈正相关关系。以转板藻为主的功能群T 常出现在中营养湖泊[43,36]，适应深水湖泊[44]。Mccormick 和O’dell[45]研究认为，功能群T适宜高磷水体，而Li 等[46]则认为，功能群T 更喜好高氮环境。本研究结果与Li 等[46]一致，即功能群T与水体氮浓度正相关。Dong 等[44]研究显示，夏季以多甲藻为主的功能群Lo 在抚仙湖为优势类群，而抚仙湖是寡营养的深水湖泊，其透明度较高。安乐湖的平均水深10～12 m，相对其他三个湖泊为最深，且安乐湖水体透明度较高。除了上述浮游植物功能群之外，安乐湖中以栅藻为主的功能群J 也占一定比例。有研究报道，含较高营养盐的渔业养殖水体，更适合J 功能群生活[16]，且以栅藻为代表种类的J功能群常在亚热带富营养化水库的夏季成为优势功能群[47]。本文RDA 结果显示，绿藻组成的功能群J 与氮营养盐呈显著正相关；总磷与MP、P 功能群呈正相关，与功能群J 呈负相关，这与王汩等[48]研究结果一致。