武汉市3种类型湖泊浮游植物群落特点及关键影响因子_张浩坤.pdf
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1、Eco-EnvironmentalKnowledge Web环 境 科 学Environmental Science第44卷第4期 2023年4月Vol44,No4 Apr,2023武汉市 3 种类型湖泊浮游植物群落特点及关键影响因子张浩坤1,2,闵奋力3,崔慧荣4,彭雪1,2,张心怡1,2,张淑娴1,2,李竹栖1,5,葛芳杰1,张璐1,吴振斌1,5,刘碧云1*(1 中国科学院水生生物研究所淡水生态与生物技术国家重点实验室,武汉430072;2 中国科学院大学,北京100049;3 长江勘测规划设计研究有限责任公司,武汉430071;4 武汉市水务执法总队,武汉430010;5 中国地质大学(
2、武汉)环境学院,武汉430074)摘要:为揭示不同类型湖泊浮游植物群落特点及关键影响因子,于2018 年春季、夏季、秋季和冬季对武汉市城市(UL)、郊野型(CL)和生态保育区(EL)这 3 种类型共 24 个湖泊 174 个采样点进行了浮游植物和水质参数采样调查 结果表明,3 种类型湖泊共鉴定出浮游植物 9 门 159 属 365 种,绿藻门、蓝藻门和硅藻门的种类最多,分别占总物种数的 55.34%、15.89%和15.07%浮游植物细胞密度变化范围为 3.60 106 421.99 106cell L1,叶绿素 a(Chla)变化范围为 15.60 240.50g L1,生物量变化范围为 2
3、7.71 379.79 mg L1,香浓-威纳(Shannon-Wiener)多样性指数变化范围为 0.29 2.86 在 3 种类型湖泊中,EL 和 UL 的细胞密度、Chla 和生物量均低于 CL,而 Shannon-Wiener 多样性指数则相反 非度量多维尺度分析(NMDS)和相似性分析(ANOSIM)结果表明,3 种类型湖泊浮游植物群落结构存在差异(Stress=0.13,=0.048,P=0.229 8),并具有显著的季节特征,夏季 Chla 和生物量显著高于冬季(P 0.05)Spearman 相关性分析显示,UL 和 CL 的浮游植物生物量随着水体 N P 的升高而降低,而 E
4、L 则相反;冗余分析(DA)结果显示:水温(WT)、pH、硝态氮(NO3)、电导率(EC)和氮磷比(N P)是显著影响武汉市 3 种类型湖泊浮游植物群落结构差异性的关键因子(P 0.05)关键词:3 种类型湖泊;浮游植物群落特征;水质参数;生境异质性;关键因子中图分类号:X173文献标识码:A文章编号:0250-3301(2023)04-2093-10DOI:1013227/j hjkx202205100收稿日期:2022-05-09;修订日期:2022-06-28基金项目:国家自然科学基金项目(32171632,31830013);湖北省重点研发计划项目(2020BCA073)作者简介:张浩
5、坤(1997 ),男,硕士研究生,主要研究方向为水生态修复,E-mail:15821616330163 com*通信作者,E-mail:liuby ihb ac cnCharacteristics of Phytoplankton Communities and Key Impact Factors in Three Typesof Lakes in WuhanZHANG Hao-kun1,2,MIN Fen-li3,CUI Hui-rong4,PENG Xue1,2,ZHANG Xin-yi1,2,ZHANG Shu-xian1,2,LI Zhu-xi1,5,GE Fang-jie1,ZHA
6、NG Lu1,WU Zhen-bin1,5,LIU Bi-yun1*(1 State Key Laboratory of Freshwater Ecology and Biotechnology,Institute of Hydrobiology,Chinese Academy of Sciences,Wuhan 430072,China;2 University of ChineseAcademy of Sciences,Beijing 100049,China;3 Changjiang Institute of Survey,Planning,Design and esearch,Wuha
7、n 430071,China;4 Wuhan Water EnforcementGeneral Unit,Wuhan 430010,China;5 School of Environmental Studies,China University of Geosciences(Wuhan),Wuhan 430074,China)Abstract:To reveal the characteristics and key impact factors of phytoplankton communities in different types of lakes,sampling surveys
8、for phytoplankton and water qualityparameters were conducted at 174 sampling sites in a total of 24 lakes covering urban,countryside,and ecological conservation areas of Wuhan in spring,summer,autumn,and winter 2018 The results showed that a total of 365 species of phytoplankton from nine phyla and
9、159 genera were identified in the three types of lakes The main specieswere green algae,cyanobacteria,and diatoms,accounting for 55.34%,15.89%,and 15.07%of the total number of species,respectively The phytoplankton cell densityvaried from 3.60 106-421.99 106cell L1,chlorophyll-a content varied from
10、15.60-240.50 g L1,biomass varied from 27.71-379.79 mg L1,and the Shannon-Wiener diversity index varied from 0.29-2.86 In the three lake types,cell density,Chla,and biomass were lower in EL and UL,whereas the opposite was true for theShannon-Wiener diversity index NMDS and ANOSIM analysis showed diff
11、erences in phytoplankton community structure(Stress=0.13,=0.048,P=0.229 8)Inaddition,the phytoplankton community structure of the three lake types had significant seasonal characteristics,with chlorophyll-a content and biomass being significantlyhigher in summer than in winter(P 0.05)Spearman correl
12、ation analysis showed that phytoplankton biomass decreased with increasing N P in UL and CL,whereas theopposite was true for EL edundancy analysis(DA)showed that WT,pH,NO3,EC,and N P were the key factors that significantly affected the variability inphytoplankton community structure in the three typ
13、es of lakes in Wuhan(P 0.05)Key words:three lake types;phytoplankton community characteristics;water quality parameters;habitat heterogeneity;key factors浮游植物是水体生态系统中重要的初级生产者和食物链、食物网的基础1,其物种组成和生物量的变化直接或间接影响水体生态系统的功能和稳定性2,3 同时,浮游植物对水体环境的变化响应十分敏感,是水质监测和水生态健康的重要指示物种4,5 不同类型湖泊之间由于周围用地、湖泊形态和面积的不同,经常表现出一定的
14、生境异质性,导致浮游植物群落分布的关键因子有所不同,如陈康等6 对鄱阳湖流域的研究发现,浮游植物群落主要受透明度、电导率、铵态氮和硝态氮的影响;祁梅等7 对长湖的研究表明,水温、总氮和磷酸盐是主环境科学44 卷要的影响因子;冯秋国等8 对滇池的研究发现,氮磷比和总有机碳等环境因子影响浮游植物群落 此外,也有研究发现沉水植物化感作用可以特异性地抑制一些浮游植物生长和繁殖,从而调整浮游植物群落结构9,10 然而,目前多数研究主要关注于独立的湖泊或者同一湖泊不同湖区的浮游植物群落结构与环境因子的关系,而对同一地理区域不同生境和生态功能类型的湖泊研究鲜见报道橙色:城市湖泊;黄色:郊野型湖泊;绿色:生态
15、保育区湖泊图 1武汉市 24 个湖泊区位分布示意Fig 1Distribution map of 24 lakes in Wuhan武汉市(11341 11505 E,2958 3122N)位于江汉平原东部,长江流域中游,亚热带气候,年平均降水量为1 150 1 450 mm,长江和汉江在此处交会,江河湖泊众多,水网纵横9 全市共有大小天然湖泊 166 个,被誉为“百湖之市”,湖泊水域面积达 867.07 km2,水资源丰富11 近年来,城市化进程发展和人类活动加剧对不同类型湖泊的生态环境造成一定的影响,湖泊生态状态也反馈相应干扰 武汉市湖泊根据地理位置、周边土地利用以及湖泊功能,将其分类为城
16、市湖泊(UL)、郊野型湖泊(CL)、生态保育区湖泊(EL)3 种类型,以加强对不同湖泊的管理和保护基于 2018 年武汉市 24 个湖泊(分属 3 种湖泊类型)的浮游植物和环境水质物理化学特征的时空调查数据,本研究从浮游植物的群落组成、相对丰度、优势种属分析、生物量和多样性指数等方面分析了不同湖泊类型的浮游植物群落结构特征,解析了浮游植物的群落结构特征差异与关键环境因素的关系,通过揭示不同类型湖泊浮游植物群落结构时空变化特征和关键的驱动因子,以期为不同类型湖泊保护与综合管理提供重要依据1材料与方法1.1采样点设置本研究于 2018 年选择了武汉市城市、郊野型和生态保育区湖泊共 24 个(图 1
17、),开展了春季、夏季、秋季和冬季这 4 个季度浮游植物和主要水质参数调查分析,根据湖泊大小设置采样点,每个湖泊采样点不低于 3 个,共有采样点 174 个 其中城市湖泊包括青山北湖、汤逊湖、南湖、黄家湖、莲花湖、沙湖、49024 期张浩坤等:武汉市 3 种类型湖泊浮游植物群落特点及关键影响因子南太子湖、三角湖和小墨水湖;郊野湖泊包括严西湖、野湖、青菱湖、武湖、郭家湖、官莲湖、后官湖、朱山湖、潭子湖和幺教湖;生态保育区湖泊包括张家大湖、崇仁湖、梁子湖、枯竹海和前拦湖1.2样品采集与测定1.2.1理化因子的样品采集与分析现场使用水质分析仪(YSI ProPlus,USA)测定每个采样点水面以下0.
18、5 m 处的溶解氧(DO)、电导率(EC)、pH 值和水温(WT),分别用塞氏圆盘、便携式浊度计和水深仪测量透明度(SD)、水质浊度(Tur)和水深(Depth)使用 3 L 的有机玻璃采样器采集 2 L 水样储存到聚乙烯瓶中,带回实验室中测定水质的总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮(NH+4)、硝酸盐氮(NO3)、高锰酸盐指数和叶绿素 a(Chla),测定方法参照国家标准12 1.2.2浮游植物的样品采集、鉴定和计数使用 25 号浮游生物网在每个采样点表层至0.5 m 水深处“”形来回拖动采集数次,定性样品加4%甲醛溶液固定,现场采集1 000 mL水样后加入鲁哥氏液固定,静置沉淀 48 h
19、后,抽掉上清液,沉淀物定容至 50 mL,用于浮游植物鉴定与定量分析 在10 40 倍 Olympus BX51 型光学显微镜下进行鉴定与计数,浮游植物种类的鉴定具体参照文献 13,14,通过视野法和体积测量计算浮游植物的细胞数量和生物量15 1.3数据分析与统计1.3.1多样性指数计算物种多样性指数的计算采用 Shannon-Wiener 多样性指数(H)16、优势度指数(Y)17 和均匀性指数(J)18,计算公式为:H=Si=1Pi lnPiY=Pi fiJ=H/lnS式中,H 为物种多样性指数;Pi为第 i 种的个体数(ni)与样品中总个数(N)的比值(ni/N);fi为第 i种在各湖泊
20、出现的频率;J 表示均匀度;S 表示样品中总物种数 优势度指数 Y 0.02 的为优势种19 1.3.2统计分析利用 Microsoft Excel、IBM SPSS Statistics 26 和Origin 2022 进行数据的处理与绘图,3 种类型湖泊浮游植物群落结构 NMDS 和 ANOSIM 分析、优势属种的 Venn 图 及 浮 游 植 物 群 落 与 环 境 因 子 的Spearman 和 DA 分析通过 4.0.2 绘图完成利用“vegan”包进行 3 种湖泊浮游植物细胞密度与环境因子的 DA 分析,首先进行去趋势分析(DCA),利用方差膨胀因子分析和蒙特卡洛置换检验(Mont
21、e Carlo permutation test)分别对环境因子进行共线性分析和显著性检验 除 pH 外,浮游植物和环境因子分别进行 Hellinger 和 lg(x+1)转化,以提高数据的均一性和正态性2结果与分析2.1水质物理化学参数特征3 种类型湖泊不同季度平均水质参数如表 1 所示,城市湖泊、郊野型湖泊和生态保育区湖泊的(TN)平均值分别为 3.62、1.53 和 1.46 mg L1,(TP)的 平 均 值 分 别 为 0.22、0.14 和 0.14mg L1,(NH+4)的平均值分别为 1.98、0.64 和0.61 mg L1,(NO3)的平均值分别为 0.78、0.43和 0
22、.39 mg L1,EC 的 平 均 值 分 别 为 518.85、317.42 和 309.16 S cm1,高锰酸盐指数的平均值分别为 6.72、5.51 和 5.93 mg L1,且 TN 和 TP 在这 3 种类型湖泊中具有显著性差异(P 0.05)此外,3 种类型湖泊的 WT、SD、DO 和高锰酸盐指数存在显著的季节性变化(P 0.05),DO、SD 和高锰酸盐指数在冬季显著高于夏季,而 WT 则相反2.2浮游植物的物种组成2018 年 3 种类型湖泊共鉴定出浮游植物 9 门159 属 365 种,其中绿藻门(Chlorophyta)的种类最多,有 76 属 200 种,占总物种数的
23、 55.34%;蓝藻门(Cyanophyta)次之,有 33 属 58 种,占总物种数的15.89%;硅藻门(Bacillariophyta)有 27 属 56 种,占总物种数的 15.07%,裸藻门(Euglenophyta)、隐藻门(Cryptophyta)、金藻门(Chrysophyta)、甲藻门(Pyrrophyta)、黄藻门(Xanthophyta)和定鞭藻门(Haptophyta)较少,共占总物种数的 13.7%其中,城市湖泊共 8 门 230 种,其中绿藻最多,占比为52.6%,蓝藻和硅藻次之,占比分别为 17.4%和14.8%,郊野型湖泊共 9 门 247 种,绿藻最多,蓝藻和
24、硅藻次之,占比分别为 55.1%、17.4%和 14%,生态保育区湖泊共 9 门 268 种,绿藻、蓝藻和硅藻占比分别为 52.6%、19.4%和 16%(图 2)2.3浮游植物的相对丰度、Chla 和优势种3 种类型湖泊中浮游植物细胞密度变化范围为3.60 106421.99 106cell L1,相对丰度组成均为蓝藻-绿藻-硅藻型 蓝藻占据了全年的优势地位,夏季和秋季的相对丰度高于春季和冬季,而绿藻和硅藻则相反,夏季和秋季的相对丰度低于春季和冬季(图 3)(Chla)变化范围为 15.60 240.50g L1,城市湖泊的 Chla 高于郊野型和生态保育区5902环境科学44 卷表 1武汉
25、市城市、郊野型和生态保育区湖泊不同季度水质物理化学特点1)Table 1Seasonal changes in the physicochemical characteristics of water quality in urban,countryside,and ecological conservation area lakes in Wuhan水质参数湖泊类型春季夏季秋季冬季P(S)P(T)WT/pHSD/cmDO/mg L1(TN)/mg L1(TP)/mg L1N P(NH+4)/mg L1(NO3)/mg L1高锰酸盐指数/mg L1EC/S cm1UL2417 3373079
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