淮北臨渙采煤沉陷水域浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征及其影響因子

汪晨琛， 吳奇麗， 萬 陽， 林 志， 許 建， 周忠澤

(1. 安徽大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院， 合肥 230601； 2. 安徽省環(huán)保廳， 合肥 230071)

浮游植物群落結(jié)構(gòu)和多樣性變化與湖泊生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能的變化緊密相關(guān)，同時(shí)在維持水生態(tài)系統(tǒng)的平衡中也起著關(guān)鍵的作用[1-4]。浮游植物的群落變化、多樣性、分布和細(xì)胞豐度也可以反映水生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)[5]。我國東部地區(qū)開展的浮游植物研究主要集中于通江湖泊如華陽湖群[6]、升金湖[7]、菜子湖等[8]。采煤塌陷水域作為一種特殊的地表水體，目前，關(guān)于對采煤塌陷水體浮游植物的研究主要集中在淮南采煤沉陷區(qū)。徐鑫等對比研究了淮南3個(gè)小型采煤沉陷湖泊浮游植物群落結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)光照、水溫和營養(yǎng)鹽含量是造成浮游植物細(xì)胞豐度、多樣性和均勻度差異的主要影響因子[9]；易齊濤等將上述3個(gè)采煤沉陷湖泊的浮游植物種類劃分為16個(gè)功能群，同時(shí)指出主要優(yōu)勢功能群可以反映小型富營養(yǎng)化湖泊水體的生境特征[10]。

兩淮礦區(qū)小型沉陷湖泊數(shù)量眾多，根據(jù)開采時(shí)間和沉陷程度，形成了不同沉陷時(shí)間序列的湖泊：1)初期非穩(wěn)定沉陷湖泊，沉陷時(shí)間小于3年，仍在動態(tài)沉陷中且豐水期水深小于2 m，沉陷面積小于10 hm2；2)中期非穩(wěn)定沉陷階段湖泊，沉陷時(shí)間5～20年，水深一般不足10 m，沉陷面積大于100 hm2。王振紅等在對淮南采煤沉陷塘浮游生物研究中，初步揭示了不同采煤沉陷階段水體浮游植物群落演替特征，發(fā)現(xiàn)采煤沉陷水體浮游植物群落演替不同于自然湖泊[11]。由于臨渙、迪溝和后湖3個(gè)采煤沉陷水體處于不同典型沉陷時(shí)間序列的湖泊，因此利用這3個(gè)采煤沉陷湖泊的浮游植物群落結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)來驗(yàn)證這一假設(shè)具有重要意義。

本文研究了臨渙采煤沉陷水域浮游植物的群落結(jié)構(gòu)，比較了處于不同沉陷時(shí)間序列湖泊的浮游植物群落結(jié)構(gòu)，探討了不同沉陷時(shí)間序列湖泊浮游植物群落演替特征及其影響因素，為揭示我國東部高潛水位地區(qū)采煤沉陷不同時(shí)間序列湖泊浮游植物群落演替規(guī)律提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

臨渙湖沉陷區(qū)主體面積近1.74 km2，水深最深可達(dá)11 m，沉陷超過17年。位于臨渙工業(yè)園區(qū)北面，北部通過香順溝與澮河相連，東西兩側(cè)有小型矸石山和粉煤灰場，水生植被相對較少，以水燭(Typhaangustifolia)、喜旱蓮子草(Alternantheraphiloxeroides)為主。

1.2 樣點(diǎn)布設(shè)與采樣時(shí)間

采樣點(diǎn)的設(shè)置參照《淡水浮游生物研究方法》[12]，同時(shí)結(jié)合臨渙湖的特點(diǎn)，共設(shè)置6個(gè)采樣點(diǎn)，如圖1所示。采樣時(shí)間分別為2015年的8月、10月、12月和2016年的2月、4月、6月。

1.3 樣品采集與處理

定性和定量樣品用25#浮游生物網(wǎng)采集，魯哥試液固定。具體方法參照《淡水浮游生物研究方法》[12]。在10×40倍光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行種類鑒定和計(jì)數(shù)[13]。

現(xiàn)場測定水溫、pH值、溶解氧、電導(dǎo)率、透明度，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測定總氮、總磷、氨氮、硝氮、CODcr、葉綠素a等指標(biāo)，依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)[14]。

圖1 臨渙湖及采樣點(diǎn)分布圖

1.4 數(shù)據(jù)處理

浮游植物優(yōu)勢種依據(jù)Mcnaughton優(yōu)勢度指數(shù)Y，其公式為：

式中，Ni為i種的個(gè)體數(shù)，N為所有種類總的個(gè)體數(shù)，fi為i種個(gè)體出現(xiàn)的頻率。Y>0.02的種類為優(yōu)勢種。

浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征采用生物多樣性指數(shù)進(jìn)行表征，香農(nóng)威納多樣性指數(shù)(H′)、豐富度指數(shù)(d)均勻度指數(shù)(J)計(jì)算公式分別為：

數(shù)據(jù)分析軟件包括：EXCEL2010進(jìn)行浮游植物細(xì)胞密度和生物量的計(jì)算以及圖表的繪制，利用ArcGIS 10.2軟件繪制生物量的空間分布圖，采用SPSS 19.0 進(jìn)行相關(guān)性分析，Canoco 4.5 軟件進(jìn)行冗余分析(RDA)并繪制物種與環(huán)境因子關(guān)系圖。

表1 臨渙湖主要環(huán)境因子參數(shù)(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)的季節(jié)變化

2 結(jié)果與分析

2.1 水質(zhì)特征與修正的卡爾森營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)

臨渙湖水體主要環(huán)境因子的平均值如表1所示。采樣期間，水溫季節(jié)差異較大，2015年8月、2015年10月、2016年6月較高，2015年12月、2016年2月及2016年4月較低，變化范圍在6.57℃～29.68℃，與當(dāng)?shù)刈匀粴夂蛞恢拢煌该鞫仍?016年2月份達(dá)到最高值(80±14.14) cm，在2015年10月份出現(xiàn)最低值(42.83±4.25) cm；總氮、總磷和葉綠素a的變化趨于一致。

2.2 浮游植物種類組成

調(diào)查期間，共記錄到浮游植物7門65屬134種(包括變種)。其中，綠藻門種數(shù)最多(24屬58種)，占浮游植物總種數(shù)的43.28%；其次為硅藻門和藍(lán)藻門(分別為17屬30種和14屬27種)，占總種數(shù)的22.39%和20.15%；種數(shù)最少的為金藻門，僅1屬1種，占總種數(shù)的1%(圖2)。2015年8月份種類數(shù)最多為84種，2015年12月份種類最少為47種。

圖2 臨渙湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)組成

2.3 浮游植物細(xì)胞豐度和生物量

臨渙湖浮游植物細(xì)胞豐度平均值為107.32×105cells/L，范圍為11.23×105～284.22×105cells/L；生物量平均值為8.11 mg/L，范圍為1.7～15.7 mg/L(圖3)。臨渙湖浮游植物的細(xì)胞豐度和生物量變化趨勢存在差異，細(xì)胞豐度的時(shí)間變化明顯，在2016年6月達(dá)到最高值284.22×105cells/L，2016年2月達(dá)到最低值11.23×105cells/L；但生物量在2015年8月最高(15.7 mg/L)；在2015年12月最低(1.7 mg/L)。

浮游植物生物量的水平分布變化較為顯著(圖4)。臨渙湖的變化趨勢由東向西逐漸升高，湖西側(cè)L1點(diǎn)出現(xiàn)最高值，為10.15 mg/L；中部湖心區(qū)域4個(gè)采樣點(diǎn)生物量變化范圍較小，在7.17～7.77 mg/L波動；湖東側(cè)L6點(diǎn)出現(xiàn)最小值為6.25 mg/L。

圖3 臨渙湖浮游植物細(xì)胞豐度和生物量月份變化

圖4 臨渙湖湖泊浮游植物生物量的空間變化

表2 臨渙湖各月份優(yōu)勢種

2.4 優(yōu)勢種類

Mcnaughton優(yōu)勢度指數(shù)的結(jié)果顯示，臨渙湖共有優(yōu)勢種12種(表2)。臨渙湖各月份之間優(yōu)勢種隨季節(jié)變化，2015年8月和2015年10月以藍(lán)綠藻占優(yōu)勢，以綠色顫藻(Oscillatoriachlorina)為主，但在秋季出現(xiàn)了絲狀藍(lán)藻小席藻(Phormidiumtenue)。在秋季，隨著溫度降低，金藻門和隱藻門逐漸占優(yōu)勢，以密集錐囊藻(Dinobryonsertularia)和嚙蝕隱藻(Cryptomonaserosa)為主，并出現(xiàn)藻顆粒直鏈藻(Melosiragranulata)，而小席藻在2015年10月、2015年12月和2016年2月一直為優(yōu)勢種。2016年4月，隨著溫度的上升，藍(lán)藻綠藻又逐漸占優(yōu)勢，特別是在2016年6月，優(yōu)勢種僅為絲狀藍(lán)藻小席藻和小型綠藻狹形纖維藻(Ankistrodesmusangustus)，其中小席藻在6個(gè)采樣點(diǎn)的平均優(yōu)勢度高達(dá)0.334。

2.5 多樣性指數(shù)分析

臨渙湖各月份的Shannon-Wiener指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)的季節(jié)變化趨勢基本一致(圖5)：2016年4月最高，2016年6月最低。Margalef指數(shù)在2015年10月份達(dá)到最大(3.33)，2015年12月份最低(2.28)，變化趨勢與前兩種指數(shù)有明顯差異。臨渙湖各位點(diǎn)(圖6)Shannon-Wiener指數(shù)平均值為2.81，Margalef指數(shù)的平均值為2.96，Pielou指數(shù)的平均值為0.617。由圖6可知，L1采樣點(diǎn)的3個(gè)指數(shù)值相對其他采樣點(diǎn)均較高，而在L6采樣點(diǎn)較低。

圖5 2015年8月—2016年6月臨渙湖浮游植物多樣性指數(shù)Figure 5 Diversity indices of phytoplankton in Linhuan Lake from August 2015 to June 2016

圖6 臨渙湖各位點(diǎn)浮游植物多樣性指數(shù)、豐富度指數(shù)和均勻度指數(shù)

2.6 浮游植物和環(huán)境因子的關(guān)系

2.6.1 相關(guān)性分析

對浮游植物的細(xì)胞密度和生物量與環(huán)境因子之間進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析(表3)。結(jié)果表明：浮游植物的細(xì)胞豐度與水溫呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與溶解氧呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，與透明度呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，與TP呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；浮游植物的生物量與水溫呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與透明度呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，與濁度呈顯著的正相關(guān)，與TN呈極顯著的正相關(guān)(P<0.01)，與TP呈極顯著的正相關(guān)(P<0.01)，與葉綠色a呈極顯著的正相關(guān)(P<0.01)。

表3 臨渙湖浮游植物細(xì)胞豐度和生物量與理化指標(biāo)的Pearson相關(guān)性分析

**表示P<0.01，為水平(雙側(cè))上極顯著相關(guān);*表示P<0.05，為水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)

2.6.2 RDA分析

對浮游植物12個(gè)優(yōu)勢種的生物量與通過篩選的10個(gè)環(huán)境參數(shù)，進(jìn)行RDA分析(圖7)。結(jié)果表明：小席藻與TP、濁度和葉綠素a呈正相關(guān)，與透明度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，四足十字藻與水溫呈正相關(guān)，肘狀針桿藻與pH呈正相關(guān)，小球藻與電導(dǎo)率呈正相關(guān)，密集錐囊藻和嚙噬隱藻與透明度呈正相關(guān)。

3 討論

3.1 不同沉陷時(shí)間序列的湖泊對浮游植物群落演替的影響

生態(tài)系統(tǒng)中普遍存在環(huán)境異質(zhì)性，它影響著種群動態(tài)和群落結(jié)構(gòu)[15]。有研究發(fā)現(xiàn)沉陷時(shí)間序列、沉陷水體規(guī)模、水系連通性，以及水生植被現(xiàn)存量和結(jié)構(gòu)會影響浮游生物的豐富度和多樣性[16]。本課題的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，后湖采煤沉陷湖泊處于初期沉陷階段，水體封閉，共發(fā)現(xiàn)浮游植物7門55種，浮游植物優(yōu)勢種為硅藻門的鈍脆桿藻(Fragilariacapucina)、肘狀針桿藻(Synedraulna)和金藻門的長錐形錐囊藻(Dinobryonbavaricum)。迪溝采煤沉陷湖泊和淮北臨渙采煤沉陷湖泊處于中期沉陷階段，水系連通，分別發(fā)現(xiàn)浮游植物7門155種[17]、7門135種，其浮游植物群落結(jié)構(gòu)優(yōu)勢種為席藻、小球藻(Chlorellavulgaris)、密集錐囊藻和噬蝕隱藻。浮游植物優(yōu)勢種由沉陷初期的硅藻和金藻向中期沉陷階段的綠藻和藍(lán)藻轉(zhuǎn)變，與王振紅等[11]研究發(fā)現(xiàn)初期的硅藻和裸藻向中期的綠藻和藍(lán)藻優(yōu)勢轉(zhuǎn)變，存在一定的差異。這也許與所劃分沉陷序列標(biāo)準(zhǔn)以及選取的研究湖泊差異導(dǎo)致，采煤沉陷湖泊浮游植物演替規(guī)律還需進(jìn)一步地深入研究。

1:梅尼小環(huán)藻(Cyclotellacomta); 2:顆粒直鏈藻(Melosiragranulata); 3:肘狀針桿藻(Synedraulna);4:狹形纖維藻(Ankistrodesmusangustus); 5:小球藻(Chlorellavulgaris); 6:四足十字藻(Crucigeniatetrapedia); 7:密集錐囊藻(Dinobryonsertularia); 8:嚙蝕隱藻(Cryptomonaserosa);9:固氮魚腥藻(Anabaenaazotica); 10:小席藻(Phormidiumtenue)；11:綠色顫藻(Oscillatoriachlorina); 12:地中尖頭藻(Raphidiopsismediterranea)。WT：水溫; DO:溶解氧; SD:透明度; Cond:電導(dǎo)率; TN:總氮; TP:總磷; AN:銨氮; pH:酸堿值; Turb:濁度; chl-a:葉綠素a

圖7 臨渙湖浮游植物優(yōu)勢種與理化因子的冗余分析

Figure 7 Redundancy analysis between biomass of the dominant species and environmental factors in Linhuan Lake

本研究發(fā)現(xiàn)相比于后湖采煤沉陷湖泊，處于中期沉陷階段的臨渙和迪溝采煤沉陷湖泊浮游植物多樣性較高且優(yōu)勢種存在顯著的差異，這與其沉陷面積和生境的異質(zhì)性有關(guān)。環(huán)境異質(zhì)性導(dǎo)致生物多樣性增加依賴于水體面積和生境變化[18]。在臨渙采煤沉陷區(qū)與澮河連通的河道口附近生物多樣性指數(shù)高于附近的其他采樣點(diǎn)，而在迪溝采煤沉陷區(qū)與河流連通的采樣點(diǎn)，Shannon-Wiener多樣性指數(shù)值較高，水系連通促進(jìn)浮游植物發(fā)育和生物多樣性的增加。

此外水系連通也能通過水流帶來水生植物的繁殖體，影響該水域水生植被現(xiàn)存量和結(jié)構(gòu)，其中的沉水植物通過降低水的濁度和利用養(yǎng)分，構(gòu)成了眾多浮游生物的避難所，進(jìn)而改變了浮游植物群落的優(yōu)勢結(jié)構(gòu)[16]。在迪溝采煤沉陷水域以沉水植物黑藻(Hydrillaverticillata)和菹草(Potamogetoncrispus)為主的區(qū)域，Margalef豐富度指數(shù)值達(dá)到最高[17]，臨渙采煤沉陷區(qū)在分布著水生植物喜旱蓮子草的L1采樣點(diǎn)也具有相似的結(jié)果。

3.2 環(huán)境因子對浮游植物群落結(jié)構(gòu)的影響

3.2.1 理化因子的影響

Pearson相關(guān)性分析及RDA分析結(jié)果表明，影響浮游植物群落結(jié)構(gòu)的主要理化因子為水溫、透明度、營養(yǎng)鹽及葉綠素a等。這與當(dāng)前兩淮采煤沉陷區(qū)的研究結(jié)果一致[9-10,17,19]。水溫對浮游植物的季節(jié)演替具有重要作用[20]，研究區(qū)域浮游植物的細(xì)胞豐度和生物量與水溫呈極顯著的正相關(guān)(P<0.01)。由于臨渙湖寒冷月份氣溫較低，透明度高，有機(jī)質(zhì)含量低，浮游植物的細(xì)胞豐度和生物量都較低，浮游植物優(yōu)勢種以隱藻門和金藻門為主，隨著氣溫上升綠藻門逐漸占優(yōu)勢；當(dāng)溫度繼續(xù)上升，藍(lán)藻門占優(yōu)勢并一直延伸至夏末秋初，細(xì)胞豐度和生物量達(dá)到最高。在2016年6月、2015年8月和2015年10月對浮游植物細(xì)胞豐度和生物量貢獻(xiàn)最高的主要藻種為綠色顫藻和小席藻，這主要是因?yàn)樗{(lán)藻對高溫的適應(yīng)性要強(qiáng)于其他藻類[21]。RDA分析顯示小席藻與TP呈正相關(guān)，與透明度呈負(fù)相關(guān)，這與采煤沉陷水域營養(yǎng)物質(zhì)的注入有關(guān)。2015年8月、2015年10月、2016年6月研究區(qū)域TP濃度均高于0.1 mg/L，一方面受外源性營養(yǎng)鹽的注入[22]，如澮河水通過香順溝對研究水域進(jìn)行水補(bǔ)給，補(bǔ)給到研究水域時(shí)帶來了相對較好營養(yǎng)條件，促進(jìn)了浮游植物的生長，從中部湖區(qū)浮游植物的空間分布來看，靠近香順溝的L4點(diǎn)生物量要高于旁邊的L2點(diǎn)；另一方面也受到內(nèi)源性營養(yǎng)物質(zhì)釋放的影響。在高水溫以及適宜的營養(yǎng)條件下，藍(lán)藻達(dá)到最大的生長速度[23]。

3.2.2 其他因素的影響

桂和榮等[24]研究發(fā)現(xiàn)煤礦沉陷湖的藍(lán)藻形態(tài)表現(xiàn)為個(gè)體形態(tài)單一、纖細(xì)。而臨渙湖的浮游植物群落結(jié)構(gòu)也具有類似的特征，特別是絲狀藍(lán)藻在整個(gè)群體中占據(jù)較高比例，以小席藻為代表的優(yōu)勢種長期處于優(yōu)勢地位。Hilton等[25]指出，水體富營養(yǎng)化過程中浮游植物會向底棲藻類、絲狀藻類優(yōu)勢過渡。此外，細(xì)長的細(xì)胞可以比同等體積的球形細(xì)胞攝入更多的營養(yǎng)，由于絲狀藍(lán)藻小席藻具有較大的表面體積比[26]，這也許是其處于競爭優(yōu)勢的原因之一。臨渙湖生物量空間分布呈現(xiàn)西高東低，Shannon-Wiener指數(shù)、Margalef指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)都在點(diǎn)L1具有最高值，在點(diǎn)L6具最低值。通過對比采樣點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)采樣點(diǎn)的底質(zhì)存在差異：L1為農(nóng)田沉陷，底部以淤泥為主；中部湖心區(qū)域?yàn)槊喉肥陀倌嗷旌系踪|(zhì)，L6底部以煤矸石為主，且附近為粉煤灰廠。此前在該沉陷水域的大型底棲生物研究中發(fā)現(xiàn)煤炭廢棄物如粉煤灰和煤矸石會對水體環(huán)境造成不同程度的污染，影響底棲生物的群落結(jié)構(gòu)，并對其多樣性指數(shù)產(chǎn)生影響[27]。Petty等[28]研究也發(fā)現(xiàn)粉煤灰的沉降嚴(yán)重改變了水質(zhì)環(huán)境鹽度和金屬離子濃度，破壞了浮游生物的群落結(jié)構(gòu)，致使生物多樣性下降。因此推斷采樣區(qū)域的煤矸石及粉煤灰的沉降可能會使浮游生物的生物量和多樣性指數(shù)受到影響。有關(guān)煤矸石和粉煤灰對浮游植物的具體影響機(jī)理還需進(jìn)一步研究。