鄱陽湖區藻類豐度分布及其與環境因子的關聯分析

程新+黃林+李昆太

摘要：于2012年10月至2013年7月在江西省鄱陽湖4個采樣點進行了采樣，并對表層水體中藻類豐度與環境因子之間的關系進行研究。結果表明，藻類豐度隨季節變化差異顯著（P<0.05），夏季最高[（2.58±1.85）×106 CFU/L]，冬季最低[（4.3±3.2）×105 CFU/L]，水體理化因子也隨季節和采樣點的不同而有很大的變化。通過相關分析和GAM分析表明，鄱陽湖藻類豐度與水溫和葉綠素a呈極顯著的正相關（P<0.01），與氨氮、總磷呈極顯著負相關（P<0.01）。從總體情況看，鄱陽湖水體藻類豐度呈上升趨勢，水質正在逐步惡化，需要加以關注。

關鍵詞：鄱陽湖；藻類豐度；廣義可加模型；環境因子

中圖分類號：Q949.1；X173 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）15-2865-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.15.017

Abstract： Surface water samples from 4 sites of Poyang Lake in Jiangxi Province were collected from October 2012 to July 2013. Environmental variables of each sampling site were measured using standard methods，and the relationship between phytoplankton abundance and environmental parameters was explored. The results showed that the phytoplankton abundance varied significantly with season（P<0.05），with the highest value being recorded in summer [（2.58±1.85）×106 CFU/L] and the lowest in winter[（4.3±3.2）×105 CFU/L]. The results of correlation analysis and GAM showed that phytoplankton abundance was positive correlation with temperature and chlorophyll a（Chl-a） significantly （P<0.01），and was negative correlation with total phosphorus and amino nitrogen significantly（P<0.01）. Overall，phytoplankton abundance in Poyang Lake was on the rise，and water quality was gradually worsening in recent years，which should be paid attention.

Key words： Poyang Lake； phytoplankton abundance； generalized additive models； environmental parameters

鄱陽湖（115°49′-116°46′N，28°24′-29°46′E）位于江西省北部，長江中下游交接處南岸，是中國最大的淡水湖泊和十大生態功能保護區之一，也是具有國際性保護意義的淡水濕地和世界自然基金會劃定的全球重要生態區之一，對維護長江下游地區的水生態安全具有重要作用[1]。

浮游藻類作為湖泊的初級生產者，在維持水生生態系統的平衡方面起著重要的作用， 而浮游藻類對水體的污染有著明顯的指示作用[2，3]。近年來隨著工業化、城鎮化進程的推進，大量污廢水進入鄱陽湖，致使其水質每況愈下。目前，鄱陽湖區水體氮、磷含量已接近富營養化水平，且有進一步惡化的趨勢[4]，鄱陽湖水體已經具備了藍藻爆發的營養條件。

鄱陽湖水質問題已經引起人們的廣泛關注，但大多數研究集中在對氮、磷污染或其他營養因子的分析或對藻類密度的調查[4，5]，而對于湖區不同季節的藻類豐度及其與環境因子關系的研究尚未見報道。本研究通過對鄱陽湖4個采樣點浮游藻類的豐度及水體理化因子的測定，利用廣義可加模型（Generalize addictive model，GAM）闡述鄱陽湖藻類豐度與環境理化因子的響應關系，為鄱陽湖的環境保護和生態修復提供數據支持。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

根據鄱陽湖水面分布情況，共設置4個采樣點，分別為蚌湖、星子、棠蔭和湖口。藻類樣品采集方法參照文獻[5]，采樣時間為一個水文周期，分別為2012年10月和2013年1月、4月和7月?，F場采集5 L水樣，理化測定用水樣經0.45 μm的微孔濾膜過濾后，加H2SO4并置于冰上保存，3 h內運回實驗室。采樣期間鄱陽湖水體溫度變化見圖1。

1.2 藻類物種鑒定、計數和水質理化參數測定

浮游藻類種類鑒定參照文獻[6]；浮游藻類數量的測定參照文獻[7]，采用顯微鏡視野法計數。

水質理化參數的測定包括pH、溶解氧（DO）、溫度（T）、透明度（SD）、五日生化需氧量（BOD5）、化學需氧量（COD）、總磷（TP）、總氮（TN）和氨氮（NH4+-N），測定方法參照《水和廢水監測分析方法》[8]。多樣性指數計算參照文獻[2]。

1.3 數據處理和模型建立

數據分析采用軟件R 2.15.1完成，浮游藻類豐度與環境因子的相關性分析采用Pearson相關系數法。選用廣義可加模型（GAM）探討藻類豐度與環境因子的相互關系，GAM模型的建立由統計軟件R中的mgcv包（Version 3.0.0）完成。endprint

2 結果與分析

2.1 鄱陽湖水體主要理化特性

從圖2可以看出，不同采樣地點采集的水樣在理化性質上存在一定的差異，但大體趨勢相同。總氮、總磷、氨氮濃度在冬季較高，而在夏季下降；葉綠素a和BOD5在夏季較高而冬季較低；COD數值的變化趨勢隨采樣點的不同而呈現出不同的變化趨勢。

2.2 鄱陽湖藻類豐度的季節變化

鏡檢結果表明，鄱陽湖水域藻類的種群主要由硅藻門、綠藻門和藍藻門等構成。鄱陽湖表層水體藻類豐度隨季節變化差異顯著（P<0.05），冬季藻類豐度最低，平均為（4.3±3.2）×105 CFU/L；夏季最高，平均為（2.58±1.85）×106 CFU/L。在不同采樣點之間，藻類豐度也存在顯著差異（P<0.05），其中夏季星子取樣點的藻類豐度最高，達到（5.6±0.23）×106 CFU/L，與此同時，棠蔭和蚌湖取樣點的藻類豐度只有（1.1±0.24）×106 CFU/L，差距較為明顯（圖3）。

根據鄱陽湖水文局在2009年7月所進行的調查顯示，鄱陽湖區棠蔭、蚌湖、湖口3個監測點的藻類豐度均低于1.0×105 CFU/L，星子監測點的藻類豐度為1.08×105 CFU/L，總體藻類豐度較低。本研究的結果顯示，鄱陽湖區夏季4個監測點的藻類豐度在4年間已發生了較大變化，其數值均已大幅度提高，湖區的藻類防治工作不容忽視。

通過對湖體中藻類的鑒定結果可以看出，藍藻（Cyanobacteria）、硅藻（Bacillariophyta）和綠藻（Chlorophyta）是鄱陽湖水體中的優勢藻，其中藍藻與硅藻的含量較高，并分別在不同季節占有優勢，且二者占浮游植物總豐度的比例呈相反的變化趨勢（圖4）。溫度較低的季節，優勢藻類主要是硅藻，如根管藻屬（Rhizosolenia）、針桿藻屬（Synedra）、平板藻屬（Tabellaria）、羽紋藻屬（Pinnularia）、直鏈藻屬（Melosira）等；而在溫度較高的季節，湖體中的優勢藻類主要為藍藻，以微囊藻屬（Microcystis）為主。

分別采用Shannon多樣性指數、Margalef指數對水體中藻類多樣性進行評價，結果如圖5所示。從圖5可以看出，鄱陽湖區全年的Shannon多樣性指數變化范圍為1.17～2.69，星子、蚌湖、棠蔭和湖口4個采樣點的平均Shannon多樣性指數分別為1.62、1.93、1.56和1.61，最高和最低值分別出現在4月的蚌湖采樣點和1月的棠蔭采樣點。Margalef指數變化范圍為0.38～1.59，星子、蚌湖、棠蔭和湖口4個采樣點的平均Margalef指數分別為0.96、0.78、0.57和0.73，最低和最高值分別出現在10月的蚌湖采樣點和4月的星子采樣點?？傮w而言，春夏季節鄱陽湖區的水體生物多樣性較好，而氣溫降低后生物多樣性較差。從多樣性指數來看，鄱陽湖區水體屬于中度污染，在部分時間段接近重度污染。

2.3 鄱陽湖藻類豐度與理化因子的相關分析及GAM模型

藻類的生長與水體環境理化因子具有密切的關系，特別是氮、磷等營養物質的含量起著關鍵作用。為了研究藻類豐度與環境理化因子的關系，從而確定影響藻類豐度的關鍵因子，采用Pearson相關系數法對所得結果進行分析。結果（表1）顯示，鄱陽湖藻類豐度與水溫和葉綠素a呈極顯著的正相關（P<0.01），而與氨氮、總磷呈極顯著負相關（P<0.01）。

為了進一步分析藻類豐度與各環境因子之間的關系，本研究選用廣義可加模型（GAM）探討藻類豐度與環境因子的相互關系。以藻類豐度為因變量，所監測環境因子作為解釋變量建立GAM模型，GAM模型中各自變量之間的關系彼此獨立，可以得出各個因子與藻類豐度之間的關系。

水體中藻類的生長受很多因素的影響。楊麗標等[9]研究結果表明，總磷是影響巢湖藻類物種分布格局的重要因素。沈會濤等[10]對白洋淀藻類群落與環境因子的分析結果表明，pH和總磷是影響該區域浮游藻類分布的重要因素。從本研究GAM模型結果（圖6）可以看出，水溫對鄱陽湖藻類豐度的影響最大，藻類豐度隨著水溫的升高而增大，并且在水溫高于20 ℃時，增長速率迅速增加，曲線開始變得陡峭；葉綠素a、總磷和氨氮與藻類豐度呈良好的線性關系。

3 討論

3.1 鄱陽湖水質有逐步下降的趨勢

從本研究的試驗結果可以看出，鄱陽湖氮、磷營養鹽濃度整體水平較高，營養鹽都是在夏季出現最低值，冬季出現最高值，說明枯水期水體營養程度更高。與2009年江西省鄱陽湖水文局的調查及其他相關文獻相比，鄱陽湖區水體的富營養化和藻類豐度均有一定程度的提高，這說明隨著環鄱陽湖區工農業的發展和人口密度的提升，鄱陽湖區的水體生態環境有惡化的趨勢。

根據湖泊營養類型評價的藻類生物學標準[3]，鄱陽湖區的藻類情況總體較好，在藻類豐度最高的夏季，水體基本處于中營養化水平；而根據葉綠素水平評價，湖體水質也在中營養化水平以下。但值得注意的是，湖體中藻類的區系可以反映水體的營養狀況，中營養型湖泊中常以甲藻、隱藻、硅藻類占優勢，而富營養型湖泊則常以綠藻、藍藻類占優勢[11，12]。根據此次的調查及計算結果，鄱陽湖水體中藍藻和綠藻的比重之和已經超過50%，說明鄱陽湖的水體營養化程度正在逐步加深。李榮昉等[13]的研究結果也表明鄱陽湖水體的質量有逐年下降的趨勢?？紤]到鄱陽湖在長江中下游地區的重要生態和經濟地位，水體污染問題亟需得到重視。

3.2 藻類豐度與環境因子之間的關聯

水體中藻類豐度與環境因子之間的關聯分析一直是研究的熱點問題，目前經常采用的有典范對應分析（CCA）[14]、多元回歸分析[15]等。由于藻類豐度和環境的關系錯綜復雜，單純的線性分析有時并不足以解釋二者之間的相互關系。所以本研究選用廣義可加模型（GAM）探討藻類豐度與環境因子的相互關系。GAM為廣義線性模型的非參數化擴展，其優點是無需預定的參數模型，能直接處理響應變量與多個解釋變量之間的非線性關系，對變量的數據類型和統計分布特征適應性更廣，是目前較為先進的研究物種與環境之間關系的方法[16]，但在微生物學研究領域應用較為少見。endprint

溫度可以通過影響生物體新陳代謝相關酶活性而改變環境中微生物的區系和密度。本研究結果表明，鄱陽湖水體中藻類豐度受水溫的影響較大。隨著水溫的升高，藻類豐度總體上也呈現上升的趨勢，因此水溫是調節鄱陽湖水體中藻類豐度季節性變化的最主要因素。

營養鹽也是影響細菌豐度的主要環境因子。研究表明，細菌會以提高豐度對富營養化過程做出響應。在超寡營養湖泊至超富營養湖泊中，細菌的豐度一般在105～107 CFU/mL。根據本研究測定結果，盡管從總體情況來看，鄱陽湖水體還基本處于中度營養化階段，但近年來鄱陽湖水體中的營養物質如總磷、氨氮等，其濃度都有逐步上升的趨勢，因此水體中的藻類豐度已經超過一般的中營養化湖泊，如博斯騰湖[17]等，而接近一些富營養化湖泊如太湖、烏梁素海[18]等。

葉綠素a也是影響鄱陽湖藻類豐度的重要環境因子。葉綠素a含量代表了浮游植物的生長密度，而浮游植物與藻類的生長繁殖有著密切關系[19]。浮游植物光合產物——溶解性有機物（DOM）可以為藻類生長提供所需的碳源，進而促進藻類的生長繁殖，而藻類也能通過自身代謝為浮游植物的生長提供必要的有機營養和生長因子，并調節浮游植物生長的微環境，因此浮游植物也可以作為水體中藻類豐度的指標之一。

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