湖泊水环境变化与硅藻的生态指示
——以石屏县异龙湖为例
摘要：以云南省石屏县异龙湖为研究区域，研究湖泊1993年-2010年硅藻与水环境变化之间的联系，测
得总氮(TN)、氨氮(NH3-N)、总磷(TP)、叶绿素A（chla）、溶解氧（DO）、化学需氧量(CODMn)、5日生化需氧量(BOD5)7个指标因子，然后采C2软件进行PCA排序分析，通过CorelDRAW12对结果图进行处理。结果表明：不同种属的硅藻分布情况能够判断出水环境，且硅藻能很好地指示湖泊富的营养化程度；异龙湖属重富营养型湖泊，污染要素有总磷、氨氮、透明度、COD、BOD等。此外，环境可以对生物产生影响，而生物也可以改变和反映环境。因此,可以通过研究环境因子对硅藻群落的影响机制,建立硅藻组成与水环境状态之间的对应关系,最终用硅藻组成变化来指示相关环境因子,进而判断水质好坏。为保护湖泊生态提供科学的研究提供相关参考。
关键词：水环境；硅藻；异龙湖；生态指示
水环境是指自然界中水的形成、分布和转化所处空间的环境。是指围绕人群空间及可直接或者间接影响人类生活和发展的水体，其正常功能的各种自然因素和有关社会因素的总和。水环境是构成环境的基本要素之一，是人类社会赖以生存和发展的重要场所，也是受人类干扰和破坏最严重的领域。随着社会经济的发展，水资源短缺、水环境质量问题已经日益成为制约经济发展、影响人们生活质量的关键因素。水环境的污染和破坏已成为当今世界主要的环境问题之一，研究水环境对生态环境的保护有着重要的作用。硅藻为单细胞藻类群落，对水体温度、pH值、电导率、营养盐浓度等变化极敏感，对水体污染程度和评价水体富营养状态等方面的判别具有广泛的应用价值，国外相关报告较多
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。由于硅藻的自身
特点，光自养型藻类。另外，硅藻具有种类多分布广的特点，是天然水体的重要成分，可以在绝大多数水环境生态条件下存活，但是因为硅藻对水环境条件的变化极为明显，相当多的硅藻种类只能在狭小的水环境条件下生存，对于水环境和硅藻类之间的关系研究已有很多报告
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。硅藻与水环境之间的关系能较好的对生态环境起指示作用。因此，本文主要以异龙
湖39种硅藻类型以及不同深度单位的硅藻与水环境之间进行研究，通过研究环境因子对硅藻群落的影响机制,建立硅藻组成与水环境状态之间的对应关系，为保护湖泊生态提供科学的研究提供相关参考。
1 研究区概况
异龙湖原名玉龙湖，以湖面南岸的玉龙山得名。位于石屏县城以东两公里处（如图1），东经102°28'~102°38'，北纬23°38'~23°42'。是云南省九大高原淡水泊之一，为云南九大湖泊中最小的湖泊；属断陷浸蚀浅水湖泊,湖面4.47×103 hm2，湖长13.8 km,最宽3.3 km,最深6.55 m，平均深2.75 m，容积1.3×109 m3；地处亚热带湿润季风地区，年平均水温18℃，极端最高气温34.5℃，极端最低气温-2.4 ℃，年温差小于11 ℃，年平均雨量为928.3 mm。异龙湖
呈东西向条带状，湖区内地势平坦，微向东南倾斜，东岸浅滩为细砂底质，其他均为淤泥底质，淤泥厚约2 m，呈灰黑色，含腐殖质较多并行大量螺类外壳，属湖有机沉淀物；异龙湖有大小入湖河流20条、主要有城河、城南河、城北河，入湖河流中除城河有常年流水外，其他均为季节河，出水河道在东端老洪山与回龙山之间的新街村，经长山谷汇入南盘江。异龙湖是云南高原湖泊中纬度最低、海拔最低、水温最高、雨量最高、最富营养化的一个。
图1 异龙湖形状及地理位置图
2 研究方法
2.1 数据采集及分析
在异龙湖中选择适当的位置，每0.1 m为单位，共63个深度单位进行取样，测得1993—2010年异龙湖包括总氮(TN)、氨氮(NH3-N)、总磷(TP)、叶绿素A（chla）、溶解氧（DO）、化学需氧量(CODMn)、5日生化需氧量(BOD5)及透明度（m）8个指标因子。但是因为透明度（m）这一指标数据不全，所以不在本研究范围内。另外，通过实验测得异龙湖共有Achnanthes delicatula、Achnanthes exigua、Cocconeis placentula、Epithemia zebra、Melosira granulata、Navicula menisculus等39中不同类型的硅藻。 2.2 数据处理
本研究采用主成分分析（PCA）方法，通过C2软件的支持下完成，同时利用CorelDRAW12软件对结果图进行相关处理。
3 结果分析
3.1 异龙湖硅藻属种
通过对异龙湖硅藻取样研究得出异龙湖属的属性种类分类，包括有曲壳藻属（Achnanthes）、美壁藻属（Caloneis）、卵形藻属（Cocconeis）、小环藻属（Cyclotella）、桥弯藻属（Cymbella）双壁藻属（Diploneis）、窗纹藻属（Epithemia）短缝藻属（Eunotia）、
脆杆藻属（Fragilaria）、异极藻属（Gomphonema）、胸隔藻属（Mastogloia）、直链藻属（Melosira）、舟形藻属（Navicula）、菱形藻属（Nitzschia）、棒杆藻属（Rhopalodia）、针杆藻属（Synedra）。通过对其酸碱性进行分类得出异龙湖生态属种（酸碱性）表，结果显示为异龙湖硅藻生态属种酸碱度，以碱性种为主，其次为中心种，最后为酸性中，统计结果见表1。
表1 异龙湖硅藻生态属种（酸碱性）
硅藻生态类型
属种
Cyclotella meneghiniana Cymbella cymbiformis Cymbella hustedii Epithemia sorex Epithemia zebra Fragilaria construens
Fragilaria construens var. venter
Fragilaria inflata GompHonema exiguum Mastogloia elliptica Melosira granulata
Melosira granulata var. angustissima
Melosira islandica Navicula menisculus Navicula viridula Nitzschia denticula Rhopalodia gibba Cyclotella stelligera Cymbella ventricosa Eunotia pectinalis var. minor
碱性种
中性种 酸性种
3.2 异龙湖环境指标因子
异龙湖各环境指标因子中，总氮（TN）是指水中各种形态无机和有机氮的总量，常被用来表示水体受营养物质污染的程度。水中的总氮含量是衡量水质的重要指标之一，其测定有助于评价水体被污染和自净状况；氨氮(NH3-N)是水体中的营养素，可导致水富营养化现象产生，是水体中的主要耗氧污染物，对鱼类及某些水生生物有毒害；总磷(TP)指的是水样经消解后将各种形态的磷转变成正磷酸盐后测定的结果，以每升水样含磷毫克数计量，水中的磷是藻类生长需要的一种关键元素，过量磷是造成水体污秽异臭，使湖泊发生富营养化和海湾出现赤潮的主要原因；叶绿素A(chla)（chlorophyll)是一类与光合作用(photosynthesis)有关的最重要的色素，是衡量初级生产力的指标，可直接或间接反映水质富营养化的程度。溶解氧(DO)的多少是衡量水体自净能力的一个较为重要指标；化学需氧量CODMn是指标水体有机污染的一项重要指标,能够反应出水体的污染程度。化学需氧量越大，说明水体受有机物的污染越严重；地面水体中微生物分解有机物的过程消耗水中的溶解氧的量，称生化需氧量，通常记为BOD ，为使BOD值有可比性，因而采用在20℃条件下，培养五天后测定溶解氧消耗量作为标准方法，称五日生化需氧量，以BOD5表示。当BOD小于1mg/L表示水体清
洁；大于3-4mg/L，表示受到有机物的污染。通过测得1993年—2012年异龙湖环境指标因子，结果见表2。
表2 异龙湖环境指标因子表
Age 1993 1994 1995 1996 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010
TN 5.8633 5.2533 4.9267 3.2767 2.0128 2.1317 2.5933 2.5022 2.0006 2.5697 1.7158 1.7989 2.7786 2.6450 2.0647 3.9933 5.9525
NH3-N 0.4267 1.4100 0.1633 0.8500 0.4617 0.1772 0.0794 0.1178 0.1750 0.1127 0.2267 0.0758 0.2194 0.3478 0.3286 0.2586 0.4447
TP 0.0800 0.0733 0.0733 0.0767 0.0546 0.0558 0.0391 0.0458 0.0372 0.0512 0.0321 0.0452 0.0698 0.1047 0.0467 0.1048 0.1480
chla 78.3900 86.5267 93.6133 34.6467 20.5611 23.3333 26.4278 41.8611 25.0167 47.9400 13.6306 17.4250 33.6167 45.3194 28.3886 148.2872 179.4600
DO 6.6900 6.7233 6.5600 5.9433 6.3261 5.7317 5.3933 5.6933 5.1478 4.7950 5.0872 5.9628 4.5725 5.4317 5.8569 7.3958 6.5383
CODMn 23.5767 21.0967 16.6433 12.2700 7.3061 11.2972 8.8856 11.0750 9.7117 12.6760 9.0672 9.3633 12.1625 10.7431 9.3753 17.0111 27.4753
BOD5 10.1767 8.8067 7.6000 4.3000 3.2972 3.1728 3.2461 3.9817 3.3900 4.8720 2.4389 2.8811 4.0550 4.9914 2.8297 10.9822 14.8456
从表中可以看出，TP和TN的变化趋势较为相似，其含量从1993—1998年开始急剧下降，1998－2008 年期间总氮含量总体处于低值状态，2008年之后又直线上升，总体上表现为“谷状”。这与异龙湖藻类植物的生长有关，由于生活污水的大量排放，使得藻类植物开始疯狂生长，经过一定的治理后又趋于平稳；NH3-N变化趋势除1996年以前有较大的起伏外，几乎与氮磷变化趋势一致。年平均氨氮含量为0.35mg·L，最高含量出现在1994 年为1.42 mg·L，最低质量浓度出现在2000 年为0.08 mg·L。亚硝态氮是水体中氮循环过程极不稳定的中间产物，易被氧化为硝态氮，也易被还原成氨氮，结合氨氮与硝态氮含量，可以推测水体营养与自净的程度。硝态氮可被多数水生生物所利用，因而月湖水中硝态氮含量水平受到藻类的强烈影响，在其大量繁殖季节，硝态氮含量低，反之则高。总的来看，异龙湖氨氮含量较低。chla叶绿素的变化也说明水体中藻类自1993年起繁殖放慢，到1996年处于低谷，此状态维持到2008年。2008年后chla含量急剧上升，侧面说明藻类的旺盛生长。叶绿素A含量变化呈现先下降后上升的基本特点。年平均叶绿素A含量为55.56mg·L。最高含量出现在2010年为179.46 mg·L，最低质量浓度出现在2004 年为13.63mg·L。1996－2008 年这一时期营养盐等生态因子不适宜藻类生长，是导致这一时期叶绿素A 较低的重要原因；BOD5年平均值为13.51 mg·L，说明水体污染较轻。从1993年化学需氧量开始急剧下降，1998－2008 年期间总氮含量总体处于低值状态，2008年之后又直线上升。化学需氧量出现明显下降的重要原因与1998－2008 年期间水体中有机物质下降有关；COD年
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平均值为5.64 mg·L，说明水体有轻度污染。从1993年5日生化需氧量开始急剧下降，1998－2008 年期间5日生化需氧量总体处于低值状态，2008年之后又直线上升。5日生化需氧量出现明显下降说明1998－2008 年期间水体中可被微生物分解的有机物总量下降；DO含量在2006年以前一直波动下降至低谷，此后上升，至2009年又再次下降年平均含量平均为5.87mg·L，。说明水质从2006年以前、2009年以后总体是有改善的。 3.3 硅藻PCA排序分析
硅藻与环境之间的关系有很大的关系，利用相关数据采用C2软件分析，对异龙湖39个不同类型以及63个不同的深度单位的硅藻进行占位分析，后提取得分较高的集中硅藻类型进行分析，然后用CorelDRAW12软件对结果图进行相关处理。结果如图2。
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图2 异龙湖硅藻PCA排序分析图
主成分分析(PCA)是通过对属种数据的分析，在双轴图中(第一和第二指标轴)间接地反映出各硅藻种属的关系。PCA分析结果表明，前两个轴的特征值(δ1=0.536, δ2=0.150)解释了69%的硅藻信息量。图9 中根据主要硅藻种的分布, Fragilaria construens 和
Cyclotella stelligera 等呈反相关关系, 代表了营养梯度的主要方向。脆杆藻属
（Fragilaria ）属于富营养藻类，位于营养梯度的正方向, 而小环藻属（Cyclotella）等作为清洁藻类, 则位于营养梯度的负方向。
4 结论
对样品数据在C2中做PCA分析，得到草图后，剔除了其中冗杂的硅藻类，保留了其中6个较为明显的硅藻样本，分别是Fragilaria construens var# venter、Mastogloia elliptica、Fragilaria construens、Achnanthes lanceolata var# elliptica、Navicula menisculus、Cyclotella stelliger，其中Fragilaria construens var# venter无论是在第一贡献值还是在第二贡献值上均较高，其第一、第二贡献值分别2.65、2.75，表明该藻类在整个样点中影响较大，其余各藻类只在单一的贡献值上表现突出，第一贡献值最大的为Fragilaria construens达到了4.59，