林 巖，趙子聞，侯俊青，李 佳，趙曼平，武琳慧,2*

(1 內(nèi)蒙古大學(xué) 生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，呼和浩特 010021；2 內(nèi)蒙古自治區(qū)環(huán)境污染控制與廢物資源化重點實驗室，呼和浩特 010021)

由于氣候和環(huán)境等因素，北方的寒旱區(qū)湖泊具有明顯的地域特性，其冰封期長、冰層厚、流量小、污染重，逐漸成為國內(nèi)外研究熱點[1-4]。在冰雪覆蓋下，浮游植物長期生活在低輻射、低溫度的環(huán)境中，而冰層能防止風(fēng)引起的擾動作用，使浮游植物難以懸浮在表層水面，并限制了營養(yǎng)物質(zhì)和其他氣體在水層的交換，可能會影響浮游植物的群落組成與分布，同時浮游植物變化也會對水質(zhì)狀況產(chǎn)生不同程度的影響?，F(xiàn)已有研究對烏梁素海非冰封期浮游植物分布特征和水質(zhì)指標(biāo)關(guān)系的研究[5-8]，而對冰封期的研究較少[9-11]。干旱區(qū)湖泊獨特的水文學(xué)、水化學(xué)和水生態(tài)學(xué)性質(zhì)，決定了它的屬性不同于濕潤區(qū)和高寒、高原區(qū)的湖泊，認(rèn)識和研究寒旱區(qū)冰封條件下湖泊生物與非生物因子的分布特征是豐富湖泊科學(xué)內(nèi)容、拓寬學(xué)科領(lǐng)域的需要[12]。本研究以寒旱區(qū)典型湖泊烏梁素海為對象，通過分析湖泊冰封期污染物分布特征，浮游植物群落結(jié)構(gòu)組成、生物多樣性變化及其與水質(zhì)特征的響應(yīng)關(guān)系，揭示寒旱區(qū)湖泊污染物遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，為湖泊污染預(yù)警性評估、湖泊的有效生態(tài)治理、寒旱區(qū)湖泊生態(tài)環(huán)境的改善提供參考。

1 材料和方法

1.1 采樣點布置

烏梁素海位于內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市烏拉特前旗境內(nèi)(40°36′～41°03′N, 108°43′～108°57′E)，是典型的淺草型湖泊，屬于溫帶大陸性氣候。湖泊除了明水區(qū)，還有大量的挺水植物區(qū)，挺水植物以蘆葦為主。綜合烏梁素海的地勢條件、水文動力學(xué)狀況和農(nóng)田退水等污染物入湖途徑，于2019年1月，自北向南對采樣點進(jìn)行均勻布設(shè)，由于北部小海子受到人為干擾很少，因此不設(shè)采樣點。本研究所有采樣點均設(shè)置在無植被覆蓋的明水區(qū)區(qū)域，分別編號為P1、P2、……、P12，其中P1～P6為北湖區(qū)，P7～P12為南湖區(qū)，根據(jù)水流流向分為上湖區(qū)(P1～P4)、中湖區(qū)(P5～P8)和下湖區(qū)(P9～P12)，具體位置如圖1所示。

1.2 樣品采集與測定

使用冰鋸對冰層進(jìn)行切割，于冰面下方收集水樣2 L用于水質(zhì)指標(biāo)的測定。浮游植物采集方法參照《湖泊生態(tài)調(diào)查觀察與分析》中的相關(guān)方法進(jìn)行[13]。浮游植物的定量檢測采用25號浮游生物網(wǎng)在水面劃“8”字，進(jìn)行撈取，將流出液進(jìn)行濃縮最終轉(zhuǎn)移到100 mL塑料瓶中并加入1 mL體積分?jǐn)?shù)為4%的甲醛溶液進(jìn)行固定保存；定性檢測采用塑料瓶取1 L水樣加入15 mL的魯哥試劑固定保存。采樣完成后迅速將樣品帶回實驗室進(jìn)行分析，定性檢測將預(yù)處理樣品靜置48 h后濃縮至50 mL離心管中，送至武漢水天地生物科技有限公司進(jìn)行檢測。采用《內(nèi)陸水域浮游植物檢測技術(shù)規(guī)程》(SL733-2016)的要求，經(jīng)過固定、靜置、去上清液和定容操作后在顯微鏡下觀察浮游藻類形態(tài)結(jié)構(gòu)特征并鑒定種類。按規(guī)程中公式計算物種豐度和生物量指標(biāo)。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)處理用Excel 2016軟件，方差和Pearson相關(guān)性分析用SPSS 20.0軟件，冗余分析用CANOCO 4.5軟件。

Shannon-Weiner多樣性指數(shù)H=-∑PilnPi

Simpson多樣性指數(shù)D=1-∑(Pi)2

式中：Pi=Ni/N，Ni為第i個種的個體數(shù)目，N為群落中所有種的個體總數(shù)。Pi為種i的個體數(shù)占群落中總個體數(shù)的比例。

Pearson(皮爾遜)相關(guān)系數(shù)計算公式為:

2 結(jié)果與分析

2.1 烏梁素海冰封期水體理化特征分析

2.2 浮游植物豐度與生物量分析

本研究中共檢測出浮游植物61種，隸屬于藍(lán)藻門(Cyanophyta)、綠藻門(Chlorophyta)、硅藻門(Bacillariophyta)、甲藻門(Pyrrophyta)、隱藻門(Cryptophyta)、裸藻門(Euglennophyta)和金藻門(Chrysophyta)。對所有樣點浮游植物物種豐度進(jìn)行門水平和種水平熱圖分析，結(jié)果如下：北湖區(qū)隱藻門、藍(lán)藻門和甲藻門豐度較高，最高值分別為4.76×106、4.50×106和2.65×106個·L-1。南湖區(qū)硅藻門和綠藻門豐度高于北湖區(qū)，最高值分別為4.45×106和2.32×106個·L-1(圖3，A)。 藍(lán)隱藻(Chroomonassp.)、偽魚腥藻(Pseudoanabaenasp.)、綠柄球藻(Stylosphaephaeridiumstipitatum)和旋轉(zhuǎn)囊裸藻(Trachelomonasvolvocina)是湖區(qū)中的高豐度物種，湖區(qū)各采樣點豐度變化范圍分別為0.01×106～4.33×106、0.09×106～4.50×106、0.05×106～2.23×106和0.01×106～3.50×106個·L-1，其中北湖區(qū)藍(lán)隱藻和偽魚腥藻豐度明顯高于南湖區(qū)(圖3，B)。

對浮游植物生物量分析發(fā)現(xiàn)，冰封期烏梁素海各采樣點浮游植物總生物量為0.21～18.86 mg·L-1，其中各樣點裸藻門平均生物量最低(0.03 mg·L-1)，甲藻門生物量在北湖區(qū)達(dá)最高(18.09 mg·L-1)。隱藻門生物量在北湖區(qū)明顯高于南湖區(qū)域，此外該區(qū)域藍(lán)藻門的豐度最高(0.04 mg·L-1)。南湖區(qū)硅藻門生物量和豐度高于其他區(qū)域，硅藻是該區(qū)域的優(yōu)勢物種(1.34～2.10 mg·L-1)(圖3，C)。

2.3 浮游植物群落結(jié)構(gòu)多樣性分析

Shannon-Wiener和Simpson多樣性指數(shù)是用來描述生境中物種數(shù)目多少和均勻程度的綜合指標(biāo)，綜合來看，兩種多樣性指數(shù)在空間上變化趨勢大致相同，不同種類的浮游植物的在空間分布上存在明顯的差異，在P3點的多樣性最低，P8點的多樣性最高，從Simpson多樣性指數(shù)的變化中可以發(fā)現(xiàn)中、下湖區(qū)物種類型多且組成較為均勻(圖4)。

2.4 浮游植物群落結(jié)構(gòu)與水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)性分析

表1 豐度、生物量和多樣性指數(shù)與水質(zhì)指標(biāo)的Pearson相關(guān)性分析

3 討 論

3.1 冰封期浮游植物群落結(jié)構(gòu)分布特征

通過對冰封期烏梁素海浮游植物熱圖分析發(fā)現(xiàn)，浮游植物豐度和生物量并不趨于一致，總體上隱藻門、硅藻門和藍(lán)藻門的豐度較高，說明這幾種門類中浮游植物的種類較多，生物量最高的門類為甲藻門，而它的豐度并不高，這說明甲藻門中浮游植物種類較少，但是數(shù)量巨大。P4樣點處甲藻生物量遠(yuǎn)高于其他區(qū)域，魏志兵等[18]對中國淺水湖泊長湖的浮游植物研究發(fā)現(xiàn)冬季裸甲藻耐受指數(shù)最高，生態(tài)位寬度大，對冬季有較強的適應(yīng)能力，同時此區(qū)域內(nèi)水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)投加餌料對此也有一定的影響[19]。從圖中可以看出北湖區(qū)入水口(P1點)處藍(lán)隱藻豐度最高，成為此區(qū)域中的優(yōu)勢種。有研究表明藍(lán)隱藻對溫度、溶解氧和光照適應(yīng)性極強，生態(tài)位較為廣譜[20]，對高鹽水也有一定的耐性[21]，因此可以在水流湍急、溶解氧波動明顯和不同濁度下大量生存，由于P1點靠近主排干入水口，在湖面結(jié)冰前此區(qū)域水文條件波動大且高鹽分農(nóng)業(yè)退水促使藍(lán)隱藻在該區(qū)域明顯占優(yōu)勢。北湖區(qū)偽魚腥藻豐度較高，研究表明偽魚腥藻為有毒水華藻種[22]，其大量存在對生態(tài)環(huán)境和水產(chǎn)養(yǎng)殖有不利影響，暗示了此區(qū)域水體具有暴發(fā)水華的可能性，而在主排干入水口處并未檢出此物種，可能是由于冰封期前水體流速大、湍流作用強，導(dǎo)致水體濁度高且透明度低，加之結(jié)冰后冰層阻礙太陽光線通過，影響了包括其在內(nèi)的一系列藻類的光合作用，使其生態(tài)位分化，不再成為該區(qū)域的優(yōu)勢種，其具體作用機理還有待于進(jìn)一步研究。南湖區(qū)綠藻豐度較高，結(jié)合理化指標(biāo)發(fā)現(xiàn)該區(qū)域營養(yǎng)鹽含量適宜，鹽度低于湖區(qū)主排干入水口附近水域，此外有研究表明此區(qū)域中動植物多樣性高，水流平緩且水深相對較深[23]，這樣的生境更有利于懸浮在水中和附著于水底巖石及沉水植物上的綠藻生長繁殖，使該藻在此區(qū)域生態(tài)位較為穩(wěn)定[24]。冬季湖中硅藻、隱藻和甲藻在豐度和生物量上占有明顯的優(yōu)勢，而在水深不一、氣候條件各異的其他湖泊如千島湖、星云湖、洪澤湖、太湖、撫仙湖中發(fā)現(xiàn)冬季均以硅藻與隱藻占優(yōu)勢[25-31]，這與本研究有相似之處。此外，根據(jù)龐清江等[32]和Matthews等[33]對湖泊營養(yǎng)程度的劃分可知冰封期烏梁素海屬于中營養(yǎng)型湖泊，與2018年春季相比，烏梁素海水質(zhì)得到改善，表明近年來引水工程等治理措施對其產(chǎn)生一定的效果[34]。

3.2 冰封期浮游植物群落與水質(zhì)指標(biāo)的關(guān)系

通過Pearson相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)浮游植物的豐度和生物量與TP有著顯著正相關(guān)性，而與TN是不顯著的負(fù)相關(guān)性，且通過冰封期IDW插值圖與豐度和生物量的熱圖可以看出，隨著TP含量增加，在湖區(qū)中部浮游植物的豐度和生物量也顯著增加，而在氮素和N/P比的較高地方，豐度和生物量反而減少，這說明TP是冰封期浮游植物生長和繁殖的重要影響因子。這一結(jié)果與蔣鑫艷等[35]的研究結(jié)果一致。河套灌區(qū)春季灌溉的農(nóng)田退水?dāng)y帶大量的氮磷營養(yǎng)鹽進(jìn)入湖泊，浮游植物生長季對磷素的相對需求遠(yuǎn)大于氮素，相較于氮素的利用形態(tài)，磷的可利用形態(tài)有限[36]，冰封期湖泊的外源營養(yǎng)鹽輸入幾乎為零，氮的轉(zhuǎn)化途徑較磷的轉(zhuǎn)化途徑多，導(dǎo)致氮磷比大于7.2，使磷成為重要的影響因素[36-37]。Alam等[38]發(fā)現(xiàn)在冬季日本的Kasumigaura湖泊的溫度和DO對pH值產(chǎn)生影響進(jìn)而引起浮游植物組成變化，溫度是影響大多數(shù)浮游植物細(xì)胞大小的最重要限制因子。本研究中pH顯著影響了浮游植物的多樣性，溫度也對生物量、豐度和多樣性指數(shù)均產(chǎn)生了一定的影響，與Alam等[38]的研究結(jié)果相近。ODonnell等[39]研究發(fā)現(xiàn)結(jié)冰時期貝加爾湖的Chla濃度與氮、磷濃度及氮磷共同作用呈正相關(guān)，這與本研究存在一定的差異，可能是由于包括可溶性磷酸鹽在內(nèi)的TP濃度相對較低所引起的。

4 結(jié) 論

結(jié)冰過程對污染物具有一定的濃縮富集效應(yīng)，使得烏梁素海中的浮游植物對各種水質(zhì)指標(biāo)做出了不同的響應(yīng)，進(jìn)而改變了冰封期浮游植物在湖泊中的群落組成和物種多樣性，基于上述研究，得出結(jié)論如下：

(1) 冰封期烏梁素海浮游植物中甲藻門和隱藻門的生物量最高，冰封期烏梁素海屬于中營養(yǎng)型湖泊。

(2) 冰封期浮游植物豐度分布具有鮮明的區(qū)域特點，隱藻門、藍(lán)藻門和甲藻門在北湖區(qū)占優(yōu)勢；南湖區(qū)中綠藻門豐度最高。

(4) TP是引起冰封期烏梁素海浮游植物物種豐度和生物量增加的主要水質(zhì)指標(biāo)，而氮素含量增加會導(dǎo)致浮游植物的多樣性指數(shù)降低。