江蘇滆湖北部區整治后浮游植物時空分布及環境因子變化規律

高　亞，潘繼征，李　勇，何尚衛，吳曉東，4

(1：蘇州科技學院環境科學與工程學院，蘇州 215009)

(2：中國科學院南京地理與湖泊研究所湖泊與環境國家重點實驗室，南京 210008)

(3：江蘇省環境科學與工程重點實驗室，蘇州 215009)

(4：中國科學院大學， 北京 100049)

江蘇滆湖北部區整治后浮游植物時空分布及環境因子變化規律

高亞1，2，3，潘繼征2**，李勇1，3，何尚衛1，2，3，吳曉東2，4

(1：蘇州科技學院環境科學與工程學院，蘇州 215009)

(2：中國科學院南京地理與湖泊研究所湖泊與環境國家重點實驗室，南京 210008)

(3：江蘇省環境科學與工程重點實驗室，蘇州 215009)

(4：中國科學院大學， 北京 100049)

摘要：滆湖是我國長江中下游典型的淺水型湖泊，為了解其治理后浮游植物群落時空分布規律，2013年1-12月對其北部區浮游植物及環境因子進行調查.調查期間共檢出浮游植物7門43屬61種，春、冬季以柵藻(Scenedesmus)和小環藻(Cyclotella)為主要優勢種屬，夏、秋季以微囊藻(Microcystis)和顆粒直鏈藻(Melosira granulata)為主要優勢種屬，采樣期間浮游植物生物量最高值為90.6mg/L，出現在8月份，銅綠微囊藻(Microcystis aeruginosa)占絕對優勢.浮游植物平均密度呈現由西向東遞減的趨勢，植被覆蓋區低于敞水區.環境因子分析表明：總氮濃度、總磷濃度、水溫是影響滆湖北部區浮游植物密度和生物量的主要因子.比較相同月份湖區內部菱角蘆葦區和未治理的敞水區的平均生物量，菱角區生物量較敞水區低約72.7%~91.1%，蘆葦區生物量較敞水區低約63.9%~83.7%.在8、9月湖區內敞水區暴發水華時菱角區浮游植物生物量僅為敞水區的14.6%，蘆葦區為敞水區的30.3%.

關鍵詞：滆湖；浮游植物；群落結構；時空分布；環境因子

*國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07101-007)和江蘇高校水處理技術與材料協同創新中心項目聯合資助.2014-07-17收稿；2014-11-06收修改稿.高亞(1990~)，男，碩士研究生；E-mail：417671034@qq.com.

Spatio-temporal distribution of phytoplankton and environmental factors in the north part of Lake Gehu(Jiangsu) after muti-treatment

浮游植物作為湖泊水體中主要的初級生產者，是食物鏈的基礎環節，其具有個體小、細胞結構簡單、對棲息環境變化敏感等特點，易受環境中各種因素的影響而在較短的時間內發生變化，相對于其他生物類群更能及時反映水域生態系統的情況[1-2]，因此可以通過研究浮游植物的種類、生物量和群落結構等特征，分析和評價水質狀況[3-4]，在湖泊治理工作中具有重要的理論和實際意義.

滆湖(31°35′N，119°48′E)為太湖上游水系，1998年以前全湖有90%以上覆蓋著良好的水生植被，湖泊具有較強的水體自凈能力.近十多年以來，隨著滆湖周圍地區工農業生產的迅速發展和城市化進程的加快，進入滆湖的工業廢水和生活污水不斷增加，兼之湖內人工圍網養殖面積逐年擴大，養殖投餌帶入湖體內的氮、磷等營養物質逐年增多，致使湖區水體富營養化程度日益加重，湖泊生態系統日趨脆弱.1999年夏季持續時間較長的洪水高水位導致滆湖水生植被大面積消失，至2009年5月調查為止全湖沉水植被已基本消亡，北部湖區尤為嚴重，水質為劣Ⅴ類，生態系統已退化到十分嚴峻的程度.

2010年有關部門針對滆湖生態系統退化和水質富營養化問題在北部湖區開展了大規模的整治工作，整治措施主要包括：前置庫入湖污染負荷控制[5]、底泥疏浚、大型仿生式機械撈藻和水生植被重建等.水生植被重建作為生態修復的主要手段已經被用于國內外各大湖泊的治理[6]，吳曉東等[7]已經對滆湖東岸生態修復取得的水質凈化效果作了相關研究，而本研究則從水生植被重建后浮游植物群落時空分布規律出發，利用水質理化參數和浮游植物多樣性分析為工具，評價治理效果，為目前國內的淺水湖泊生態修復工作提供參考.

1 研究方法

1.1 樣點的布設

水生植被重建的分布見圖1，本研究在滆湖北部敞水區域共設置6個采樣點，在水生植被覆蓋區設置3個采樣點(荷花、蘆葦、菱角覆蓋區域各設置1個采樣點).采樣時間為2013年1-12月，每月1次.

圖1 滆湖北部區采樣點Fig.1 Sampling sites in the north part of Lake Gehu

1.2 樣品采集與分析

浮游植物鑒定方法：在水下0.5m處取1L水樣， 立刻加入15ml魯哥試劑固定浮游植物，帶回實驗室靜置48h后濃縮至30ml.鏡檢時隨機取0.1ml濃縮樣品加到40mm×40mm計數框內進行浮游植物種類和密度的鑒定，每個樣品計數2次取平均值.鑒定參照《中國淡水藻志》[8]、《淡水浮游生物圖譜》[9]和《中國淡水生物圖譜》[10].

水溫、透明度、pH、溶解氧用儀器現場測定， 總氮(TN)、總磷(TP)、溶解性總氮(TDN)、溶解性總磷(TDP)和高錳酸鹽指數等理化因子的測定參照《水和廢水監測分析方法》[11].

1.3 數據處理

運用Margalef豐富度指數(D)、Shannon-Wiener多樣性指數(H′)、Pielou均勻度指數(J)描述浮游植物群落特征[12-13]， 計算公式分別為：

D=(S-1)/lnN

(1)

(2)

J=H′/lnS

(3)

(4)

式中，pi=ni/N；pi為第i種藻類的個數與樣品中所有藻類個數的比值；ni為第i種藻類的個數；N為所有藻類總個數；S為樣品中藻類種類數；fi為第i種藻類在各站位出現的頻率；Y為優勢度，并將Y>0.02作為優勢種.

數據分析采用Excel 2003和SPSS 17.0軟件，作圖采用Excel 2003和Origin 7.5軟件.

2 結果與分析

2.1 浮游植物群落組成

2013年1-12月滆湖北部共鑒定出浮游植物7門43屬69種，各門類種數和密度見表1.其中，綠藻門最多，占43.5%，其次是硅藻門和藍藻門，分別占21.7%和20.3%.

表1 滆湖北部區浮游植物種數、密度及優勢種

2.2 優勢種

滆湖北部2013年1-12月浮游植物優勢種見表2，春、冬季節硅藻占絕對優勢，主要優勢種為小環藻和針桿藻(Synedrasp.)，出現頻率接近100%，夏季微囊藻占絕對優勢，各點位出現的頻率均為100%，最高密度出現在8月份的1#采樣點，為91425×104cells/L.顆粒直鏈藻(多為變種)在夏季也有出現，但密度和出現頻率低于微囊藻.冬季平裂藻(Merismopediasp.)、四角藻(Tetraedronsp.)占一定優勢，平均密度分別為127.4×104cells/L和376.2×104cells/L，小環藻在各樣點均有出現，但密度低于上述2種優勢種.

2.3 不同湖區生物量周年變化

生物量在滆湖北部不同湖區和不同月份之間均有顯著差異(圖2)，敞水區域生物量平均值普遍高于蘆葦和菱角種植區域，夏季水華暴發時生物量突增達到全年的最高值(90.6mg/L)，此后生物量迅速回落.蘆葦和菱角種植區生物量走勢較為平緩，雖然在夏季有小規模暴發的趨勢，但在全年始終低于敞水區.

圖2 滆湖北部不同湖區浮游植物生物量周年變化Fig.2 Biomass variation of phytoplankton in different lake areas in the north part of Lake Gehu

2.4 不同湖區TN、TP濃度周年變化

2013年1-12月滆湖北部區不同區域TN濃度變化范圍為0.07~5.96mg/L，平均值為2.21mg/L；TP濃度變化范圍為0.03~0.38mg/L，平均值為0.09mg/L，兩者濃度變化趨勢類似(TN、TP濃度為原水測定數據)(圖3).原因為在冬季水生植物枯萎無法對水體中的氮、磷起吸收作用，同時浮游植物受到溫度的限制生物量低，對氮、磷的消耗少，經過整個冬季入湖污染物的積累到4月份左右氮、磷濃度達到最高值.而隨著春、夏季節的來臨，水生植物和浮游植物的復蘇導致吸收作用和消耗作用增強，水體中氮、磷濃度迅速下降，TN濃度在8月達到最低值，菱角區TP濃度在9月達到最低.根據國家地表水等級的劃分標準，TN濃度處于劣Ⅴ類水標準(菱角區處于Ⅴ類水標準)，TP濃度基本處于Ⅲ類水標準，北部區水質富營養化情況仍然十分嚴重但治理效果已逐步顯現.

圖3 滆湖北部不同湖區TN、TP濃度的周年變化Fig.3 Annual changes of TN and TP concentrations in different lake areas in the north part of Lake Gehu

表2 2013年滆湖北部區浮游植物優勢種屬、出現頻率及平均密度

2.5 浮游植物多樣性指數全年變化

滆湖北部湖區多樣性指數具有明顯的季節性變化(圖4)，春季適當的氣溫和豐富的營養鹽適宜多數藻類的生長，因此多樣性指數較高.隨著氣溫的變化以及夏季入湖污染物的增加，一些藻類在競爭中逐漸成為優勢種，如銅綠微囊藻(8月份氣溫平均值在35℃以上，恰處在銅綠微囊藻生長的最適宜溫度范圍內).銅綠微囊藻在生長中與其他藻類共同競爭營養源并且釋放化學物質抑制其他藻類的生長[14]，導致整體湖區多樣性指數下降，在8月份水華暴發最嚴重時多樣性指數降至最低，而到了秋季氣溫回落，微囊藻失去最適宜的生長條件，綠藻硅藻失去微囊藻的抑制作用從而生物量增加，多樣性指數開始緩慢上升，藻類生態系統慢慢恢復.

圖4 滆湖北部區浮游植物多樣性指數季節變化Fig.4 Seasonal changes of phytoplankton diversity indexes in the north part of Lake Gehu

在湖區內部的Shannon-Wiener多樣性指數(H′)、Margalef豐富度指數(D)值存在明顯差異(表3)，H′在有水生植被種植的區域要明顯高于其他敞水區域，同時水體中浮游植物生物量較低，藻種以硅藻為主，表明這些區域水體較為清潔，生態系統優于敞水區.Pielou均勻度指數(J)變化趨勢較為平緩，各月份之間差異不明顯.一般說來，H′值越大，水質越好.H′處于0~1時，表示重度污染；H′值為1~3時，表示中度污染；而H′值大于3時，表示無污染.從多樣性指數分析來看，滆湖北部區夏季為重度污染，春、秋、冬季為中度污染.J在0~0.3之間為重度污染，在0.3~0.5之間為中度污染，而在0.5~0.8之間為輕度污染，由此可見北部區夏季為中度污染，春、秋、冬季為輕度污染.

表3 2013年5月滆湖北部區浮游植物多樣性指數

2.6 浮游植物與環境因子的關系

水體理化因子對浮游植物的生長有著直接或者間接的作用[15-16].Pearson相關性分析表明(表4)：浮游植物密度與水溫、TDN濃度、pH值等因子存在極顯著正相關(P<0.01)，與TP濃度存在顯著正相關(P<0.05)，水溫和TN、TDN濃度之間也存在顯著相關性.

3 討論

3.1 植被修復對浮游植物生態結構的影響

滆湖北部區浮游植物季節變化差異顯著，春、冬季優勢種以綠藻門和硅藻門為主，夏、秋季以藍藻門為主，與陳立婧等[17]的調查結果基本一致.通過與2009-2010年數據*“十一五”國家水體污染與治理科技重大專項湖泊主題太滆項目太滆課題子課題(2008ZX07101-007-05).對比后發現，治理后北部區浮游植物種類總數上升約40%，分布的門類更加廣泛，從原來的5門增加到7門.2010年8月優勢種有4種，分別為銅綠微囊藻、微小平裂藻、點狀平裂藻和小球藻，至2013年8月優勢種變為銅綠微囊藻、密集微囊藻、水華微囊藻、顆粒直鏈藻.研究表明未受污染的水體中浮游植物的種類多，主要是硅藻門，少數為綠藻門和藍藻門.而當水體受到污染之后，浮游植物群落的種類以硅藻門占優勢改變為以藍藻門、綠藻門占優勢[18].

表4 滆湖北部區浮游植物密度與環境因子的Pearson相關系數

*表示顯著相關，P<0.05；**表示極顯著相關，P<0.01.

滆湖北部區浮游植物生物量總體呈現由西北向東南遞減的趨勢，與污染物的流向基本一致，結果表明位于滆湖的前置庫入湖河口附近的1#點、2#點和荷花種植區浮游植物生物量明顯高于其他區域，優勢種主要為硅藻門(小環藻等)，一些研究表明硅藻由于其自身沉降系數較高的緣故，需要生活在較急的水流中以保持在水體中懸浮的狀態從而利用陽光進行光合作用[19]，而硅藻的大量繁殖會對水體中生物量的增加貢獻很大.從水質分析的數據表明這些區域營養鹽濃度高，水深較淺有利于藻類的光合作用從而導致生物量增加.而隨著污染物進入湖區，水生植物的凈化降低了水體的氮、磷等營養物質濃度，通過競爭作用抑制了藻類的生長.研究表明湖區內部生物量平均值約為入湖口處的27%左右，整治區內部浮游植物量得到有效的控制.

比較相同月份湖區內部菱角區、蘆葦區和未治理敞水區的生物量均值發現，菱角區生物量較敞水區低約72.7%~91.1%，蘆葦區生物量較敞水區低約63.9%~83.7%(圖2).在8、9月湖區內敞水區暴發水華時，菱角和蘆葦有效控制區域內浮游植物的生物量，避免水華的發生，菱角區浮游植物生物量僅為敞水區的14.6%，蘆葦區為敞水區的30.3%.

通過對全年不同湖區多樣性指數的分析發現：不同植被的種植以及處于不同營養鹽濃度下多樣性指數存在一定的規律性(表3)：(1) 入湖河口內的荷花種植區內H′值最高，此處營養鹽濃度為全湖最高、水流湍急，適宜硅藻和綠藻大量繁殖，藻種豐富多樣.相比較而言，位于湖區最東端與滆湖南部相連的蘆葦菱角混生區，其營養鹽經過全湖湖水的稀釋之后只有入湖河口的80%左右，水流常年處于靜止狀態，并且蘆葦由于其種植密集及植株較荷花高，對陽光的遮蔽作用更強，限制了浮游植物的光合作用.因此在營養鹽濃度低、光合作用受限制和不利的水利條件下只有少數浮游植物能正常生長，導致東部浮游植物多樣性常年處于低水平.(2) 在水利條件更好、陽光充足、營養鹽高的水域有利于更多的浮游植物生長.但是同樣處于入湖河口處敞水區的D值高于荷花種植區，研究表明荷花可以通過影響浮游植物對光照和營養鹽的利用達到限制其生長的目的[20].(3)J值在全湖范圍內差異不明顯，因此可根據其計算公式中與H′呈正比、與浮游植物種類呈反比的特點比較出不同湖區對浮游植物的影響效果，即蘆葦區>菱角區>荷花區>敞水區.

對比2009年*“十一五”國家水體污染與治理科技重大專項湖泊主題太滆項目太滆課題子課題(2008ZX07101-007-05).北部區多樣性指數發現(表5)，治理后湖區內多樣性指數均有提升，H′敞水區增加9.4%，植被區增加35.9%；D敞水區增加14.6%，植被區增加40.9%；J敞水區增加19.6%，植被區增加32.6%.H′和D分析表明湖區水體環境得到改善，能夠生長的浮游植物種類增加，分布也更加均勻.

表5 2009年和2013年滆湖北部區浮游植物多樣性指數比較

3.2 植被修復對水體氮、磷的影響

滆湖北部區水體中氮、磷濃度與上游來水中氮、磷濃度和湖區本身的凈化效果有密切關系，限于入湖污染物控制能力有限，湖區內部的消耗成為降低水體中氮、磷濃度的主要手段.水生植物對水體中氮、磷等營養鹽具有吸收作用，并以此影響浮游植物的群落分布，高吉喜等對滇池的研究表明，菱角等水生植被的種植能有效提高對氮、磷的凈化效果[21].分析表明從敞水區到內部菱角覆蓋區氮、磷濃度有遞減的趨勢，菱角種植區TN濃度比外圍敞水區下降68.9%，TP濃度下降49.6%，菱角種植區內氮、磷含量遠遠低于未種植區，并且種植區域內水體透明度顯著提高(P<0.05)，藻類密度明顯下降，多樣性指數增大，證實了蘆葦、菱角的種植在滆湖水質凈化和生態恢復工作中取得很好的效果.但是研究發現種植荷花的區域TN、TP濃度卻異常增高，這與以往研究中提到的荷花種植能削減水體中氮、磷營養鹽不符[22]，分析可能的原因為荷花的種植區位于北部區污染物入湖口處，其水體中本底營養鹽濃度較高，而水生植物對氮、磷吸收能力有限，所以造成此處濃度較高.

對比2009年北部區全年氮、磷濃度平均值*“十一五”國家水體污染與治理科技重大專項湖泊主題太滆項目太滆課題子課題(2008ZX07101-007-05).發現：敞水區TN濃度下降36.1%，TP濃度下降59.9%；植被覆蓋區TN濃度下降68.9%，TP濃度下降71.2%(表6)，處理效果顯著.

表6 2009年和2013年滆湖北部區氮、磷濃度比較

4 結論

1) 通過對滆湖北部區浮游植物組成的分析發現，北部區浮游植物種類繁多，季節性差異明顯，種類主要集中在藍藻門、綠藻門、硅藻門.綠藻門在全年均占有較大比重，出現頻率為100%.2013年生物量小于2009年，有水生植被區小于無植被區，湖區內部小于入湖河口.物種多樣性分析表明，水生植被的種植影響水體中營養鹽濃度、水力和光合條件，進而改變了原有的浮游植物生態結構，無植被覆蓋區浮游植物種類多，容易發生水華.

2) 北部區綜合整治改變了湖區內部的環境因子，水體中營養鹽濃度由入湖河口處向東南角遞減，為不同營養鹽需求的植物提供了適宜的生長條件，因此2013年湖區內部多樣性指數較2009年有較大提高.前置庫入湖污染控制也有利于降低湖區內氮、磷濃度，減輕湖區內部凈化措施負荷，是整治工作的重要方面.

3) 縱觀3種植被對生態修復的影響：荷花的生長對水位要求高，較深的水位不利于荷花的生長，所以只能種植在北部湖區水位較淺的入湖河口處，而此處污染物負荷較高超出其凈化能力，因此荷花無法在修復工作得到有效利用.而蘆葦和菱角種植在內湖區域，且湖中的水力適合兩者的生長，對水質的凈化效果要優與荷花.出于保證植被多樣性的考慮建議兩者混合種植并增大種植面積.另外，蘆葦和菱角是很好的經濟作物，適當加以利用可以提高當地居民收入.

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?2015 byJournalofLakeSciences

GAO Ya1，2，3， PAN Jizheng2， LI Yong1，3， HE Shangwei1，2，3& WU Xiaodong2，4

(1：SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering，SuzhouUniversityofScienceandTechnology，Suzhou215009，P.R.China)

(2：StateKeyLaboratoryofLakeScienceandEenvironment，NanjingInstituteofGeographyandLimnology，ChineseAcademyofScience，Nanjing210008，P.R.China)

(3：KeyLaboratoryofEnvironmentalScienceandEngineeringofJiangsuProvince，Suzhou215009，P.R.China)

(4：UniversityofChineseAcademyofSciences，Beijing100049，P.R.China)

Abstract：Lake Gehu is a representative shallow lake located in the downstream of Yangtze River in China. To identify the phytoplankton community distribution after its treatment， a survey was conducted on the phytoplanktonic community and environmental factors in its north part from January to December in 2013. According to the survey， there were altogether seven phylum， fourty-three genus and sixty-one species of phytoplankton， mainly with Scenedesmus and Cyclotella in spring and winter， Microcystis and Melosira granulata in summer and autumn. The maximum phytoplankton biomass during sampling period was 90.6mg/L in August， mainly with Microcystis aeruginosa. The average density of phytoplankton showed a decreasing trend from west to east， with lower vegetation coverage in the open water area. The environmental factor analysis indicated that total nitrogen， total phosphorus and water temperature were key factors that influence the phytoplanktonic density and biomass in this area. Comparing with the average biomass in the water chestnut area and reed area with that in the untreated open water area in the same month， we found that the water chestnut area decreased with the range of 72.7%-91.1%， and 63.9%-83.7% in the reed area. In August and September when algal bloom occurred in the open water area， the biomass in the chestnut area and in the reed area was only 14.6% and 30.3% of that in the water area， respectively.

Keywords：Lake Gehu； phytoplankton； community structure； spatial and temporal distribution； environmental factors

通信作者**；E-mail： jzhpan@niglas.ac.cn.

DOI10.18307/2015.0413