张欢，张佳磊，刘德富*，刘璇，贡丹丹,2

1.湖北工业大学土木建筑与环境学院，河湖生态修复与藻类利用湖北省重点实验室，湖北 武汉 430068 2.三峡大学水利与环境学院，三峡库区生态环境教育部工程研究中心，湖北 宜昌 443002

三峡水库水温对浮游植物群落演替和多样性的影响

张欢1，张佳磊1，刘德富1*，刘璇1，贡丹丹1,2

1.湖北工业大学土木建筑与环境学院，河湖生态修复与藻类利用湖北省重点实验室，湖北 武汉 430068 2.三峡大学水利与环境学院，三峡库区生态环境教育部工程研究中心，湖北 宜昌 443002

通过对三峡水库浮游植物生物量及种类的长期监测发现，水温是影响三峡水库浮游植物演替的关键要素。设计了室内控制试验，以验证水温是否为影响三峡水库的浮游植物演替的关键要素，分析了水温与浮游植物生物量和群落结构的关系。结果表明：水温是影响浮游植物生物量和群落结构(多样性)的关键要素，16～25 ℃时，浮游植物生物量随水温的升高而增大；25～40 ℃时，浮游植物生物量随水温的升高而减小；23～25 ℃时，浮游植物生物量达到最大，群落多样性也达到最大。

水温；浮游植物；群落结构；生物量；多样性指数

2003年6月长江三峡水库蓄水后，对防洪及发电和航运起到巨大的作用，但同时也给水库的生态环境带来一系列的影响。因蓄水成库对三峡水库的水动力条件产生显著影响，导致水库的水体层化模式、营养盐迁移转化模式产生显著变化，其最终以浮游植物群落结构变化、水华爆发这一形式表现出来[1-2]。从生态学角度来说，水华的形成是藻类演替占优，快速生长增殖，上浮聚集至水体表层为肉眼所见的过程[3]。Tilman等[4]试验演示了很多湖泊中所观察到的浮游藻类的种类演替：春季硅藻占优势；夏季绿藻占优势；夏末则以蓝藻占优势。近10年的现场跟踪监测数据也表明：三峡水库蓄水成库后，浮游植物群落由河道型的硅-甲藻向湖泊型的蓝-绿藻演替[5]；且年内呈显著的季节性演替，春季以硅藻(小环藻、星杆藻)、甲藻(多甲藻)为优势种，夏季以绿藻(小球藻)、蓝藻(微囊藻)为优势种，秋季以绿藻、硅藻、甲藻为优势种，冬季以硅藻、甲藻为优势种[1]。

影响浮游植物生长的因素包括光照、水温、酸碱度、氮磷等营养盐浓度及水体自身的水文条件等。光照对浮游植物的生长、光合作用、光吸收特性以及营养盐的吸收和同化等均有重要影响[6]。水温影响藻类生命活动的活性、速率、对水中营养物的利用率和自身代谢率，并对藻类在水体中的分布和数量起一定的作用[7-8]。水体酸碱度也会影响藻类的生长繁殖速度，进而影响到种类的演替；pH与藻类数量之间也存在较好的相关性[9]。水体的营养水平与浮游藻类的种类、数量密切相关，氮、磷等营养盐浓度及占比会影响浮游藻类的生长、群落构成和数量[10-12]。而水体的水流速度和泥沙含量等水文条件也对藻类繁殖速度、种群变化起到不可忽略的作用[13-14]。

温度通过控制光合作用的酶促反应或呼吸作用强度，直接影响藻类的增殖。并可通过控制水体中的各类营养物的溶解度、解离度或分解率等理化过程间接影响藻类的生长。温度对藻类在水体中的分布和数量起一定的作用。易仲强等[15]对香溪河库湾水温结构及其对春季水华影响的研究发现：香溪河库湾下游水温整体高于上游，水温年变化明显，夏季高，春秋季次之，冬季最低；库湾中上游存在明显的底层温差异重流现象；水温的迅速上升是香溪河库湾春季水华暴发的重要诱导因素之一；并利用数理统计，通过对采集的野外监测数据进行分析得出，水温是影响浮游植物生物量和群落结构的关键要素[5]。据此，笔者有针对性地设计了不同水温梯度的室内控制试验，以验证水温是否是影响浮游植物演替的关键要素，同时构建了水温与浮游植物生物量、群落结构的响应关系，以期为后期的水华防控提供基础数据和理论支撑。

1 方法和材料

1.1 供试藻种

将扩大培养的藻液沉降，3 500 r/min离心5 min，弃掉上清液，用15 mg/L的NaHCO3溶液洗涤藻细胞2次，除去附着在藻细胞上的营养盐，作为试验供试藻种。试验初始添加的藻液是以绿藻为绝对优势的混合藻种。

1.2 试验装置

所有试验均在用窗帘遮挡外界光源的封闭实验室内进行。试验容器为直径6 cm、高80 cm的玻璃管，玻璃管底部为弧形构造。试验期间，采用日光灯提供光源，空调调节室内温度，利用电磁式空气泵将经0.2 μm的空气过滤器除菌后的空气运送至通气管内，并利用泵的开关调节长玻璃管中的曝气强度，使长玻璃管中藻液混合均匀(图1)。

注：玻璃管直径为6 cm，高为80 cm。图1 试验装置Fig.1 Experiment device

1.3 试验方法

试验光照强度稳定在各种藻类适宜生存的4 500 lx，光照时间为24 h。设置16、20、23、25、28、35和40 ℃ 7组温度梯度，利用电加热棒调节温度，测定其对混合藻生长及群落结构的影响。

1.4 监测指标及方法

自配BG11培养基及A5配方见表1和表2。经测定BG11培养基中的溶解性总氮(DTN)浓度为247 mg/L，溶解性总磷(DTP)浓度为8 mg/L。

表1 BG11培养基配方

表2 A5药品配方

注：用蒸馏水配制。

向BG11培养液中投入光密度一定的均匀混合藻种，试验时间为混合藻类1个完整的生长—繁殖—稳定周期。测定指标包括水温(WT)、光照强度、pH、DTN浓度、DTP浓度、叶绿素(Chl-a)浓度、光密度(OD)及浮游植物生物量和群落结构。采样时间为每天09：30，每天采样后做好水位标记，用相同的培养液补充试验期间蒸发损失的培养液，保持水体积不变。其中光照强度和水温分别选用通用的TES-1330A照度计(上海美析)和玻棒煤油温度计(河北光华)测定，每次记录3个数据，取平均值；利用UV-1700紫外分光光度计(上海美析)测定水体的DTN、DTP和Chl-a浓度，试验为2组数据取平均值；WT、pH及DTN、DTP和Chl-a浓度的室内测定方法参照文献[16]，藻类分类和鉴定参照文献[17]。

1.5 数据处理及分析方法

采用Shannon指数[18]、Margalef指数[19]、Pielou均匀度指数[20]研究浮游植物群落结构。各指数计算方法见表3。

表3 3种指数计算方法

比增长率最大值指在一定条件下藻类潜在增长率的最高表现，即最佳生态位的条件，计算公式为：

μmax=ln(Xt/X0)/t

式中：μmax为比增长率的最大值，d-1；Xt为Chl-a的最大浓度，mg/L；X0为对数期初始时Chl-a浓度，mg/L；t为从对数期开始时到峰值的时间，d。

方差分析(ANOVA)和皮尔逊相关分析均采用SPSS 17.0统计软件处理，其中,皮尔逊相关性分析采用双变量相关性分析，双尾检验，显著性水平为0.05和0.01。

2 结果及分析

2.1 环境参数特征

2.1.1 营养盐

图2 不同水温条件下营养盐浓度的变化Fig.2 Nutrient characteristics under different temperature conditions

不同水温条件下营养盐变化特征如图2所示。由图2可知，试验期间水体中氮、磷浓度充足。在研究期间，水体中DTN和DTP浓度分别为3.76～288.66和0.01～0.33 mg/L。

由图2(a)可知，水体中DTN浓度在试验期间(1月12—22日)均呈显著上升趋势，最小值出现在试验初期，浓度为3.76 mg/L，最大值出现在试验后期，浓度为288.66 mg/L。造成DTN持续升高的原因，可能是在整个培养过程中，取样后对培养液进行补充，而浮游植物对DTN的吸收量小于其补充量。

从图2(b)可知，水体中DTP浓度在23、25、28、35和40 ℃这5组试验的前期(1月12—15日)呈显著上升趋势，最大值为0.32 mg/L，最小值为0.04 mg/L；1月15日浮游植物生物量达到峰值，之后因DTP浓度消耗增大，浮游植物对DTP吸收量大于其补充量，导致DTP浓度呈下降趋势，由0.32 mg/L降到0.01 mg/L。而16和20 ℃试验组在试验后期(1月19日)才达到最大值，最大浓度为0.33 mg/L。1月22日又降到0.01 mg/L。造成浓度骤降的原因与前5组一样，都是由于浮游植物生物量达到了最大值，消耗了大量的DTP所致。

2.1.2 pH

在藻的生长过程中，培养液的pH变化较大，均在7 d后升到10.0左右，并一直维持在该水平(图3)。

图3 不同水温条件下pH的变化Fig.3 pH change characteristics under different temperature conditions

从图3可以看出，在16 ℃时，pH变化不大；随着水温的升高，pH变化逐渐增大，在25～35 ℃时，pH变化较大；在40 ℃时，pH变化降低。水体中pH变化的原因可能是水温影响了藻类体内各种反应酶的活性，间接影响藻类的光合作用速率，改变水体自由态CO2浓度，导致碳酸盐平衡系统发生变化，使培养液的pH增大。

花芽被害后，严重者花蕾不能开放，萎缩枯死。轻者被害花萼片和花梗畸形，花瓣狭长，色淡绿，在花萼洼或梗洼处产生白色粉斑。受害花的雌、雄蕊失去作用，不能授粉坐果，最后干枯死亡。

2.2 浮游植物生物量和群落结构演变特征

2.2.1 浮游植物生物量的变化

试验期间，Chl-a浓度的总体变化趋势(图4)为：试验前期(1月12—15日)，浓度维持在3～15 mg/L，基本稳定，此时水体中浮游植物处于适应期；试验中期(1月16—20日)，水体中浮游植物进入到对数生长期，Chl-a浓度大幅度提高，最低为4.79 mg/L，最高为1 836.60 mg/L；试验后期(1月21—22日)，水体中藻类大量死亡，开始步入衰亡期，Chl-a浓度急剧下降，最小值为58.70 mg/L。

图4 不同水温条件下Chl-a浓度变化Fig.4 Chlorophyll concentration change under different temperature conditions

由图4可知，试验前期(1月12—15日)，温度为16～40 ℃时，Chl-a浓度基本维持在3～15 mg/L，温度较低，抑制藻类生长。试验中期(1月16—20日)，16～25 ℃时，Chl-a浓度随着温度的升高而升高；28～35 ℃时藻类提前进入衰亡期(1月19日)，进入新一轮种类竞争；40 ℃时藻类生长期维持至1月21日才开始进入衰亡期。试验后期(1月21—22日)，16～35 ℃时，Chl-a浓度随着水温的升高而缓慢升高。

比增长率反映了在某一时间间隔内藻类的生长速率。研究表明，水温对比增长率有一定影响，且不同温度下比增长率最大值各不相同(表4)。从表4可以看出，16和40 ℃时的比增长率较低；23和25 ℃时有较高的比增长率。

表4 不同水温下的比增长率最大值(μmax)

2.2.2 浮游植物群落结构特征

经形态鉴定，1月12日浮游植物共检出5门17属：其中种类最丰富的是绿藻门，为10属，占总属数的58.8%；硅藻门3属，占17.6%；蓝藻门2属，占11.8%；裸藻门1属，占5.9%；隐藻门1属，占5.9%。1月22日浮游植物共检出5门22属；其中种类最丰富的还是绿藻门，为13属，占总属数的59.4%；硅藻门5属，占22.5%；蓝藻门2属，占9.1%；裸藻门1属，占4.5%；隐藻门1属，占4.5%。

试验期间，因温度差异所导致的浮游植物多样性的差异如图5所示。由图5(a)可知，在试验后期，温度为16～20 ℃时，多样性指数(Shannon指数)基本维持在1.5左右；23～28 ℃时，多样性显著升高；到35～40 ℃时，多样性显著降低。由图5(b)可知，在试验前期，丰富度指数(Margalef指数)随着温度的升高，开始保持不变，后来降低，最后又升高；在试验后期，丰富度指数呈递减趋势。由图5(c)可知，均匀度指数(Piekou均匀度指数)在试验前期基本保持不变；试验后期，随温度的升高呈先增大后减小再增大的趋势。

图5 不同水温条件下浮游植物群落结构特征Fig.5 Phytoplankton community structure characteristics under different temperature conditions

2.2.3 浮游植物演替过程

研究发现，随水温的升高，藻类优势种演替规律基本为：栅藻→小球藻→席藻或衣藻。在16～25 ℃时，主要是以栅藻占优；在25～35 ℃，水体内各种藻类均开始生长，小球藻取代栅藻成为新的优势种；40 ℃时，栅藻、小球藻等不耐高温的藻种逐渐失去竞争优势，而一些耐高温的藻种如席藻和衣藻渐渐成为新的优势种。

3 讨论

水温作为重要的生态因子，通过影响藻类细胞酶的活性[21]和营养物的吸收[22]，从而直接或间接地影响藻类的代谢与增殖，以及生长环境，不同的浮游植物适应生长的温度范围不一样[23]。适宜的温度有利于藻类进行光合作用，加快酶促反应，增加生物量，促进藻类大面积蔓延和暴发。在水华潜伏期，适宜的水温是水华藻类快速生长、繁殖的必要条件。温度的改变往往导致其他环境因子的改变，从而对藻类的生长和集群结构产生间接影响[24]。浮游植物在设置水温梯度范围内均能大量增殖,但种类有所不同。10～30 ℃时硅藻均有出现,绿藻在18～30 ℃下均能生长良好,蓝藻能在40 ℃的高水温下生长[25-26]。23～25 ℃水体中藻类比增长率最大。试验初始添加的藻液是以绿藻为绝对优势的混合藻种，设置温度为16～40 ℃，适合绿藻、蓝藻和硅藻的生长。试验结束时，绿藻出现了不同程度的优势度，硅藻、隐藻和裸藻含量很少，而蓝藻在高温情况下随着时间的增加，生物量逐渐增大，说明水温对蓝藻的生长起重要作用，蓝藻优势的确立要达到一定温度条件才能形成。温度对浮游植物群落结构及物种的多样性也有影响，低温时物种的丰富度较大，但个体之间分布不均匀，多样性指数不高；中高温时，物种个体之间均匀性和丰富度都不高，多样性指数也较低；只有在较适宜的23～25 ℃，物种个体之间的均匀性和丰富度都较高时，物种多样性才达到最大。另外，温度对浮游植物的比增长率也有影响，在23～25 ℃时，达到大多数藻最适生长温度，因此在该区间段群落比增长率最大。

水温梯度的设置主要是为了拟合自然水体中水温的季节性变化，尤其是藻类水华暴发的春夏季温度的变化，从而探究温度对浮游植物生物量和群落结构演替特征的影响。但野外现场浮游植物生物量的变化、群落结构的演替以及水华的暴发是多个影响因子综合作用的结果，作为室内控制性试验，只控制温度单一变量，无法模拟现场复杂的水文、水动力条件。因此，仅从温度控制水华和浮游植物生物量尚存在缺陷。其他主控因素的阈值也需进一步研究。

4 结论

(1)水温是影响三峡水库浮游植物生物量和群落结构多样性的关键要素。不同水温的优势种存在差异，且随着水温升高，群落结构由栅藻→小球藻→席藻或衣藻演替。23～25 ℃时，群落种类最多，多样性最大；超过25 ℃，随着温度的升高，群落多样性逐渐降低。

(2)藻类比增长率随温度变化而变化，23～25 ℃时，藻类生长速度最快，在试验期的1月20日Chl-a浓度达到所有组中最高值，25 ℃以后，比增长率与温度成反比。

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The influence of water temperature on phytoplankton community succession and diversity in Three Gorges Reservoir

ZHANG Huan1, ZHANG Jialei1, LIU Defu1, LIU Xuan1, GONG Dandan1,2

1.Civil Engineering and Construction and Environment Institute of Hubei University of Technology, Key Laboratory of Ecological Restoration of Lakes and Algae Use of Hubei Province, Wuhan 430068, China 2.Water Conservancy and Environment Institute of China Three Gorges University，Ecological Environment Engineering Research Center of Ministry of Education, Yichang 443002, China

Based on long-term monitoring of phytoplankton biomass and species in Three Gorges Reservoir, it was found that the water temperature was the key element to influence the succession of phytoplankton in Three Gorges Reservoir. In order to verify whether the water temperature is the key elements of the succession of phytoplankton in the reservoir, the interior control experiment was designed, and the relationship between the water temperature and phytoplankton biomass and community structure was analyzed. The results show that the water temperature is the key element affecting phytoplankton biomass and community structure (diversity). Under the water temperature of 16-25 ℃, phytoplankton biomass increases with the rising of water temperature; under 25-40 ℃, phytoplankton biomass decreases with the increase of water temperature; under 23-25 ℃, the maximum phytoplankton biomass and the largest community diversity of phytoplankton can be achieved.

water temperature; phytoplankton; community structure; biomass; diversity index

2016-05-30

国际科技合作与交流专项(2014DFE70070)；国家重点基础研究发展计划(973计划)前期研究专项(2014CB460601)；国家青年科学基金(51209190，51509086)；国家水体污染控制与治理科技重大专项(2014ZX07104-006-001)

张欢(1992—)，男，硕士研究生，主要从事生态水工学研究，zhanghuan201605@sina.com

*责任作者：刘德富(1962—),男，教授，主要从事生态水工学研究，dfliu@189.cn

X524

1674-991X(2017)02-0134-06

10.3969/j.issn.1674-991X.2017.02.020

张欢，张佳磊，刘德富,等.三峡水库水温对浮游植物群落演替和多样性的影响[J].环境工程技术学报,2017,7(2):134-139.

ZHANG H,ZHANG J L,LIU D F,et al.The influence of water temperature on phytoplankton community succession and diversity in Three Gorges Reservoir[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2017,7(2):134-139.