影响东洞庭湖浮游植物群落分布的环境因子分析

尹宇莹 ,蒋艳萍 ,朱丹丹

(1.湖南省长沙生态环境监测中心,湖南 长沙 410000;2.湖南省岳阳生态环境监测中心,湖南 岳阳 414000)

0 引言

东洞庭湖位于洞庭湖区东部,面积1328 km2,三口、四水汇合东洞庭湖后,通过湖泊调蓄,由城陵矶注入长江.东洞庭湖区毗邻岳阳市,城镇集聚多,土地垦殖率高,工农业较为发达[1].近年来,区域农业面源污染严重,加上日益增多的生活污水、工业废水排放,使湖区营养物质(如氮、磷)的输入量增加,东洞庭湖水环境呈日益恶化趋势[2～4].目前东洞庭湖氮磷营养盐含量已远超富营养水平(总氮年均1.58 mg/L、总磷年均0.101 mg/L),为浮游植物的生长提供了条件[3].因此,研究东洞庭湖浮游植物群落的特征与环境因子的关系能够为东洞庭湖的水质管理和可持续利用提供参考,同时为洞庭湖水质评价及保护提供科学依据.

浮游植物是水体初级生产者以及食物链的基础,在生态系统中发挥着重要作用[1].浮游植物的组成和数量结构变化受物理、化学和生物等环境因子的影响[2].浮游植物种类的组成和分布对环境变化具有指示作用,而环境条件的改变也会影响浮游植物的个体、种群和群落[4～6].因此,研究湖泊浮游植物群落结构及分布特征,对于湖泊的生态环境监测及环境质量管理均具有重要意义.

1 材料与方法

1.1 采样点设置

在东洞庭湖共设置7 个监测点位,分别为鹿角(S1)、扁山(S2)、东洞庭湖(S3)、岳阳楼(S4)、洞庭湖出口(S5)、大小西湖(S6)、主湖体5(S11).其中S1～S6 为原有的国控或省控断面,S11 为新增点位.各监测点位均采集水样和生物样.东洞庭湖监测点位及相关信息见图1 和表1.

表1 东洞庭湖监测点位信息

图1 东洞庭湖监测点位

1.2 样品采集

1.2.1 水质样品采集

根据《地表水和污水监测技术规范》(HJ/T 91—2002),每个水质监测断面设左、中、右3 条垂线,分别采表层(0.5 m)水样.

浮游植物样品的采集: 在水体表层 0.5 m 处取1 L 水样放入广口瓶,立即加入15 mL 鲁哥氏液固定,静置24 h 以上浓缩至30 mL.计数时取0.1 mL 放入浮游植物计数框内进行镜检,对浮游植物进行细胞分类计数统计[6,7].

水质因子: 采样现场利用黑白盘测定水的透明度和水深,用YSI 多参数水质分析仪现场测定水温、流速、电导率、pH 值.

溶解氧: 滴定法(碘量法).

水质总磷的测定: 钼酸铵分光光度法(GB11893—89).

水质总氮的测定: 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(HJ636—2012).

浮游植物样品根据《淡水浮游生物图谱》《中国淡水志》《淡水浮游生物研究方法》进行分类鉴定[7].

1.2.2 藻类生物学指标

以细胞密度、优势种(Y)对东洞庭湖浮游植物群落结构特征进行分析,计算公式[8～11]为

其中Pi(=ni/N)为第i个属细胞密度 (ni)占总细胞密度(N)的比例;fi为第i个属出现的频率.Y≥0.02的属即为优势属.

1.3 主成分分析

主成分分析(PCA)方法是通过原有变量的线性组合以及各个主成分的求解来实现变量降维.它的主要目的不是简单去掉那些不太重要的指标,而是通过全面分析各项指标所携带的信息,筛选出比原始指标少、又能解释大部分信息的综合性指标.

2 结果分析

2.1 水质理化性质及营养盐含量

5—12 月东洞庭湖水质的理化性质变化情况见表2.8 月东洞庭湖的水流速度最低为0.27 m/s.溶解氧和pH 值变化不大.5—12 月东洞庭湖营养盐的变化情况见表2.5—8 月氨氮浓度逐渐增大,8 月达到最大值为0.305 mg/L,最低浓度出现在9 月为0.182 mg/L;总磷(TP)的最大值出现在5 月,浓度为0.112 mg/L,最小值出现在8 月为0.062 mg/L;总氮(TN)的最大值出现在6 月,浓度为1.69 mg/L,最小值出现在8 月为1.17 mg/L.东洞庭湖环境因子监测值为采样点平均值.

表2 东洞庭湖环境因子

2.2 浮游植物藻类丰度变化及功能群划分

2.2.1 浮游植物种群组成

调查期间东洞庭湖浮游植物细胞密度分布情况见图2.本次调查共发现8 门76 属浮游植物,其中蓝藻门(Cyanophyta)13 属,占浮游植物总种类数的17.10%;绿藻门(Chlorophyta)31 属,占40.79%;硅藻门(Bacillariophyta)19 属,占25.00%;隐藻门(Cryptophyta) 2 属,占2.63%;裸藻门(Euglenophyta)6 属,占7.89%;甲藻门(Pyrrophyta)3 属,占3.95%;金藻门(Chrysophyta) 1 属,黄藻门(Xanthophyta)1 属,各占1.32%.浮游植物5 月份有60 属,6 月份有61 属,8 月份有57 属,9 月份有53 属,10 月份有57 属,11 月份有46 属,12 月份有45 属.

图2 东洞庭湖浮游植物细胞密度分布

2.2.2 浮游植物的数量组成

2020 年5 月至12 月东洞庭湖浮游植物藻密度存在明显变化,藻密度随着时间先增加后降低,变化范围为9.8×106cells/L～1.45×108cells/L,藻密度最大值出现在8 月,最小值出现在10 月.其中大小西湖(S6)断面的藻密度是所有断面中最大的.5 月绿藻门占绝对优势,6—10 月蓝藻门占绝对优势,11—12 月硅藻门占绝对优势.

2.2.3 浮游植物优势属和多样性

经过调查发现,在东洞庭湖中蓝藻门、绿藻门、硅藻门浮游植物分布广泛,优势属出现在蓝藻门、绿藻门和硅藻门.这是由于蓝藻门、绿藻门、硅藻门浮游植物对环境要求不高,因而在物种竞争方面占有优势,利于建群和生存,容易成为优势类群[8,9].

5 月的优势属为绿藻门的栅藻和十字藻,6 月的优势属为蓝藻门的颤藻属、伪鱼腥藻属、鱼腥藻属,8月的优势属为蓝藻门的伪鱼腥藻属,9 月的优势属为蓝藻门的伪鱼腥藻属和尖头藻属,10 月的优势属为蓝藻门的颤藻属和伪鱼腥藻属,11 月的优势属为硅藻门的菱形藻属,12 月的优势属为硅藻门的直链藻属.东洞庭湖的优势种属主要集中在蓝藻门,个别断面中优势种属出现硅藻门和绿藻门.

2.3 浮游植物群落结构与环境因子的相关性分析

通过RV4.1.1 对浮游植物密度与环境指标进行主成分分析,结果如图3 所示.S1、S2、S3、S4 这四个点位的环境因子与藻密度性质比较相近,S11 的环境因子与藻密度的性质与其他几个断面有较大的差异.pH 值、Chl.a、CODMn对藻密度影响较小,TN、流速V、温度T 对藻密度的影响比较大,其中流速与藻密度的关系最为紧密.

图3 东洞庭湖藻密度与环境因子PCA 结果

3 结果与讨论

3.1 东洞庭湖浮游植物群落结构特征及时空变化

浮游植物可以作为湖泊水环境演化和富营养化发展的指示性生物,以隐藻门为优势种的湖泊,一般为贫—中营养;以硅藻门为优势种的湖泊,一般为中—富营养;而以蓝藻门为优势种的湖泊,一般为重富营养[11,12].本研究在东洞庭湖共发现浮游植物8 门76 属,其中蓝藻门13 属,绿藻门31 属,硅藻门19属,隐藻门2 属,裸藻门6 属,甲藻门3 属,金藻门1 属,黄藻门1 属.优势类群为蓝藻门、绿藻门、硅藻门,分别占东洞庭湖种类的17.10%、40.79%、25.00%.这与王丑明等[2]的研究结果基本相同.浮游植物的多样性是反映水环境质量好坏的一个重要指标[13～15].近年来随着长江禁止捕鱼行动的开展,洞庭湖的水生环境逐年好转,在洞庭湖发现的浮游植物的门类比之前有较大增加[16,17].

东洞庭湖各点位浮游植物的种类和丰度都存在明显的时间和空间差异,硅藻门和绿藻门广泛分布,纬度、经度和海拔对浮游植物生物多样性有很大影响,这说明淡水浮游植物的生物多样性同样是随着地理条件变化而变化的,而这种变化程度主要取决于当地的环境因子[18].

在整个调查期间,S1、S2、S3、S4 这四个断面的环境因子与藻密度的性质比较接近,而S11 的环境因子与藻密度的性质与其他几个断面有较大的差异.这可能是因为洞庭湖浮游植物优势种群从以隐藻和硅藻为主转变为以硅藻和绿藻为主,2008 年以后东洞庭湖大小西湖的浮游植物已经转变为以蓝藻为优势种群,近30 年来洞庭湖的营养状态从贫—中营养转为中—富营养,大小西湖已成为重度富营养化[2,5],洞庭湖已经到了由中营养到轻度富营养化的转折点[2],由于大小西湖的富营养化,导致其在夏季温度较高时,出现蓝藻暴发,从而导致藻密度变大.

3.2 东洞庭湖浮游植物与水质理化指标的相关性分析

影响东洞庭湖浮游植物的环境因子较为复杂,但是总体来说流速V、TN 和温度T 对藻密度的影响最大.多个研究表明,温度是浮游植物的结构和演替的重要影响因子[19,20],其中流速与藻密度的关系最为紧密,且二者成正比.有研究表明,20～25 ℃的温度最适合藻类的生长[19],而本研究调查期间东洞庭湖的水温正处于一个适宜的温度,此时适量的流速有利于微囊藻等蓝藻门浮游植物的生长与繁殖[20].调查发现,浮游植物的密度与TN 呈现显著正相关.TN 是洞庭湖水体主要污染物之一,高浓度的TN 能够刺激浮游植物的生长.因此为了防止东洞庭湖流域在夏季出现水华等现象,主要应从温度、流速和TN等因子出发,改善水体条件,减少蓝藻的繁殖和生长.