环境科学  2020, Vol. 41 Issue (3): 1265-1275   PDF    
引用本文
王莲, 李璇, 马卫星, 邹立航, 赵强强, 丁成, 吴向阳. 盐龙湖水源生态净化系统FG和MBFG演替特征及水质响应性评价[J]. 环境科学, 2020, 41(3): 1265-1275.
WANG Lian, LI Xuan, MA Wei-xing, ZOU Li-hang, ZHAO Qiang-qiang, DING Cheng, WU Xiang-yang. Succession Characteristics and Water Quality Responsiveness Evaluation of FG and MBFG in Yanlong Lake Water Source Ecological Purification System[J]. Environmental Science, 2020, 41(3): 1265-1275.
盐龙湖水源生态净化系统FG和MBFG演替特征及水质响应性评价
王莲1,2, 李璇2, 马卫星2, 邹立航1,2, 赵强强2, 丁成1,2, 吴向阳1     
1. 江苏大学环境与安全工程学院, 镇江 212013;
2. 盐城工学院环境科学与工程学院, 盐城 224000
收稿日期: 2019-05-09; 修订日期: 2019-10-16
基金项目: 国家自然科学基金项目（51878587）；江苏省自然科学基金青年基金项目（BK20160438）；江苏省普通高校研究生科研创新计划项目（SJCX18-0889）；国家自然科学基金青年科学基金项目（51608466）
作者简介: 王莲(1995~), 女, 硕士研究生, 主要研究方向为微污染水源水处理, E-mail:1512831368@qq.com
通信作者: 李璇, E-mail:lixuan@ycit.edu.cn; 丁成, E-mail:ycdingc@163.com
摘要: 为探究水源生态净化系统水质净化及浮游植物控制效能，并评价FG（functional group，FG）和MBFG（morphology-based functional group，MBFG）两种功能群对水源生态净化系统内部环境以及水质响应的有效性，于2018年夏季对盐龙湖生态净化系统各单元出水水质和浮游植物功能群进行监测分析.结果表明，盐龙湖生态净化系统能够有效净化水质，进水总磷、总氮、溶解氧和浊度的平均值分别为0.20 mg·L-1、1.91 mg·L-1、2.88 mg·L-1和60.23 NTU，经系统处理后分别为0.09 mg·L-1、0.95 mg·L-1、6.26 mg·L-1和39.53 NTU.同时，系统内部水质的空间分布具有异质性，其中溶解氧（DO）、酸碱度（pH）和浊度的空间差异显著（P < 0.001）.盐龙湖生态净化系统在出水处于轻度富营养状态下仍能够有效控制浮游植物密度（4.42×105~4.32×106cells·L-1），降低水华风险.研究期间绝对优势FG功能群有5个：B、P、TC、J和W1，绝对优势MBFG功能群有6个：GroupⅠ、GroupⅢ、GroupⅣ、GroupⅤ、GroupⅥ和GroupⅦ，两种绝对优势功能群都能够有效指示生境条件的变化.RDA分析表明MBFG功能群的环境解释度要高于FG功能群.研究结果表明，选择MBFG分类法研究夏季盐龙湖生态净化系统中浮游植物的动态来了解生境的变化更合适.
关键词: 生态净化系统      调控      功能群(FG和MBFG)      冗余分析      响应     
Succession Characteristics and Water Quality Responsiveness Evaluation of FG and MBFG in Yanlong Lake Water Source Ecological Purification System
WANG Lian1,2 , LI Xuan2 , MA Wei-xing2 , ZOU Li-hang1,2 , ZHAO Qiang-qiang2 , DING Cheng1,2 , WU Xiang-yang1     
1. School of Environmental and Safety Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China;
2. College of Environmental Science and Engineering, Yancheng Institute of Technology, Yancheng 224000, China
Abstract: To explore the water purification efficiency and phytoplankton control efficiency of the water source ecological purification system, and evaluate the effectiveness of the functional group (FG) and morphology-based functional group (MBFG) in response to the internal environment and water quality of the water source ecological purification system, in the summer of 2018, the water quality and phytoplankton functional groups of each unit of the Yanlong Lake ecological purification system were monitored and analyzed. The results showed that the Yanlong Lake water source ecological purification system can effectively purify the water. The average values of total phosphorus, total nitrogen, dissolved oxygen, and turbidity in the influent water were 0.20 mg·L-1, 1.91 mg·L-1, 2.88 mg·L-1, and 60.23 NTU, respectively; after system treatment, these were 0.09 mg·L-1, 0.95 mg·L-1, 6.26 mg·L-1, and 39.53 NTU, respectively. Simultaneously, the spatial distribution of water quality within the system was heterogeneous, with significant spatial differences in dissolved oxygen (DO), pH, and turbidity (P < 0.001). The Yanlong Lake water source ecological purification system could effectively control the density of phytoplankton (4.42×105-4.32×106 cells·L-1) when the effluent was in a mild eutrophication state. This reduced the risk of algal blooms. There were five absolute advantage FG:B, P, TC, J, and W1. There were six absolute advantage MBFG:GroupⅠ, GroupⅢ, GroupⅣ, GroupⅤ, GroupⅥ, and GroupⅦ. Both absolute dominant functional groups were effective in indicating changes in habitat conditions. The results of RDA analysis found that the environmental interpretation of the MBFG was higher than that of the FG. The results suggested that it is more appropriate to study the dynamics of phytoplankton in the Yanlong Lake ecological purification system in summer by selecting the MBFG classification method.
Key words: ecological purification system      regulation      functional groups(FG and MBFG)      redundancy analysis      response     

近年来, 构建以人工湿地为核心的水源生态净化系统对微污染水源进行预处理已成为水处理领域的研究热点[1~4].水源生态净化系统内部水生植物、水生动物及水力运行条件等都有别于天然水体, 这些“非天然”因素导致系统内部环境具有高度空间异质性.一方面, 随着水体浊度减小透明度提高, 水下光强增大, 局部区域水力停留时间较长, 沉积物在厌氧或扰动的条件下向水体释放营养物质等因素为浮游植物大量繁殖提供了有利条件; 另一方面, 水生植物竞争吸收营养物质、植物间化感作用和水生动物摄食等因素控制了浮游植物的群落结构与繁殖速率.人工构建的水源生态净化系统为浮游植物提供了复杂多样的生存环境.

浮游植物是水环境中重要的初级生产者, 其群落结构和生物量的变化对水生态系统的稳定与功能的发展起到了至关重要的作用[5, 6], 水温[7]、光照强度[8]和营养盐[9, 10]等环境因子是驱动其演替的主要动力.生态学家常通过研究浮游植物群落的变化来了解水域的生态状况[11, 12].但由于传统的系统分类学方法难以体现浮游植物的生态学功能[13], 许多学者便采用浮游植物功能群分组的方法来研究海洋[14]、湖泊[15]和河流[16]等水体的生态状况.浮游植物功能群分组是一种基于浮游植物生理和形态特征, 将具有类似生态学功能的浮游植物进行分组的分类方法, 可以很好地阐释浮游植物对生境变化的响应[17, 18].Reynolds等[19]首次划分出31个浮游植物功能群组(functional group, FG).Padisák等[20]在此基础上补充, 形成了一套普遍采用的浮游植物功能群划分标准.Kruk等[21]首次提出了浮游植物形态功能群(morphology-based functional group, MBFG)的概念, 主要依据浮游植物形态特征将其划分为7大功能类群, 简化了研究工作, 为浮游植物功能群分类方法的广泛应用做出贡献.

夏季是流域水质问题高发的季节.鉴于高温是驱动蓝藻快速繁殖的主要因素[22], 在参考Wang等[23]依据气温划分季节的方法后, 将候平均气温高于22℃的6~9月划分为夏季, 共约130 d, 时间尺度较大.在此期间, 由于光合作用强水生植物大量消耗水中氧气, 暴雨将土壤中的污染物冲入天然水体当中, 造成富营养化程度加剧[24], 加上持续的高温和高光照强度, 蓝藻极易迅速繁殖形成水华, 且分泌毒害物质造成水生动物死亡, 进而使水体发黑发臭, 严重破坏水环境的生态健康.

若人工构建的水源生态净化系统中内部要素配置不合理, 导致水体生态失衡, 浮游植物会异常繁殖, 这不但会影响系统的正常运行, 还会对后续自来水厂的水处理过程产生影响, 人类饮水安全将无法得到保障.那么, 在夏季人工构建的水源生态净化系统能否有效控制浮游植物？且水源生态系统内部环境具有高度时空异质性, 浮游植物受到多种环境要素的综合影响, 究竟是哪些关键环境要素的改变使得浮游植物得到有效调控, 同时浮游植物产生了哪些响应变化？目前针对上述问题的研究尚未开展.因此, 本研究采用FG与MBFG这两种常用的浮游植物功能群划分方法, 对夏季盐龙湖生态净化系统中的浮游植物进行功能群划分, 研究两种浮游植物功能群的演替特征和水质响应的有效性, 以期为水源生态净化系统浮游植物功能群划分方法的选择提供一定研究基础.

1 材料与方法 1.1 研究区域概况与采样点设置

盐龙湖生态净化系统位于江苏省盐城市龙冈镇蟒蛇河南岸, 占地面积2.23 km2, 依次建有4处理单元：预处理单元、挺水植物单元、沉水植物单元和深度净化单元.其中, 预处理单元通过跌水、曝气和铺设人工介质等方法去除水中悬浮颗粒和挥发性有机物, 提高水体溶解氧水平; 生态净化单元(挺水植物单元和沉水植物单元)内种植了大量净化效果较强的水生植物(茭草、芦苇、黄菖蒲、狐尾藻和轮叶黑藻等)净化水体; 深度净化单元主要起到应急蓄水的作用, 同时其内部水生生物间的相互作用也能进一步净化和稳定水质.如图 1所示, 结合实际工程运行情况共设置了6个采样点：S1位于原水泵站处即进水, S2位于预处理单元出水, S3位于挺水植物B单元出水, S4位于挺水植物C单元出水, S5位于沉水植物单元出水, S6位于深度净化单元出水.于2018年6月10日(T1)、7月4日(T2)、7月20日(T3)、7月31日(T4)、8月22日(T5)和9月9日(T6)进行采样分析.

图 1 盐龙湖生态净化系统采样点分布示意 Fig. 1 Sampling stations in Yanlong Lake ecological purification system

1.2 样品的采集与分析

浮游植物定性样品采集：用25号浮游生物网于水平方向呈“∞”字形在水面匀速拖网, 蒸馏水反复冲洗网壁, 滤去多余水分后收集到装有福尔马林固定液的样品瓶中, 带回实验室进行种属鉴定.浮游植物定量样品采集：用5 L有机玻璃采水器采集水下30 cm处混合水样1 L, 加入1%的Lugol试剂混匀固定, 带回实验室静置48~96 h后用虹吸法浓缩样品, 充分摇匀后吸取样品于0.1 mL计数框内镜检计数.浮游植物的定性定量分析均在OLYMPUS CX41显微镜下进行, 浮游植物种属鉴定主要参考文献[25].

使用美国哈希公司出产的HQ40d多参数水质分析仪原位测定水温(WT)、酸碱度(pH)、溶解氧(DO)、氧化还原电位(ORP)和电导率(EC); 使用美国哈希公司出产的2100Q便携式浊度仪原位测定水体浊度.用样品瓶盛装1L水样, 快速运回实验室, 按文献[26]中的方法尽快测定水样的总磷(TP)、总氮(TN)、氨氮(NH4+-N)、硝酸盐氮(NO3--N)、高锰酸盐指数和叶绿素a(Chla), 用美国哈希公司出产的BODTrak-Ⅱ测定水样的五日生化需氧量(BOD5).使用小型气象站原位收集水文气象数据.

1.3 数据统计与分析

利用SPSS 22.0软件对水质参数进行单因素方差分析(ANOVA), 以检验各单元间水环境因子是否存在显著性差异.利用CANOCO4.5软件先对浮游植物功能群密度数据进行DCA分析, 发现SD值< 3, 于是选择冗余分析(RDA)来分析浮游植物功能群与环境因子的关系, 其中浮游植物功能群密度数据和环境因子(除pH外)数据先进行lg(x+1)转换, 然后再将所有数据均一化处理.其他图表用Origin 2017绘制.

采用优势度(Y)来表征浮游植物功能群结构特征, 计算公式如下：

式中, N为样品中所有功能群的细胞总数; Ni为样品中第i种功能群的细胞数; fi为第i种功能群在各采样点出现的频率.

本研究将Chla、TN、TP和高锰酸盐指数作为评价内容, 采用综合营养状态指数法评价水体营养状态, 计算公式如下：

式中, TLI(Σ)为综合营养状态指数; Wj为第j种参数的营养状态指数的相关权重; TLI(j)为第j种参数的营养状态指数; m为评价参数的个数.

2 结果与分析 2.1 盐龙湖生态净化系统水质净化效果

由表 1可知, 夏季盐龙湖生态净化系统中WT在23.20~32.30℃内, 系统进水平均WT(28.67℃)要高于出水(28.27℃); 水体pH在6.85~8.37内, 系统出水的平均pH(7.97)高于进水(7.35);水体EC在344~630 μS·cm-1范围内, 其中进水平均EC(563 μS·cm-1)高于出水(533 μS·cm-1); 水体ORP在64.6~271.0 mV内波动, 出水平均ORP(166.5 mV)较进水(179.5 mV)降低; 水体DO浓度在1.47~8.35 mg·L-1内, 出水平均DO水平(6.26 mg·L-1)高于进水(2.88 mg·L-1); 水体浊度在20.3~91.6 NTU内变化, 出水平均浊度(39.53 NTU)低于进水(60.23 NTU); 水体TP、TN、NH4+-N和NO3--N这些营养盐的浓度分别在0.02~0.34、0.64~3.40、0.05~1.90和0.06~0.97 mg·L-1范围内, 系统出水中各类营养盐的平均浓度与进水相比都有所降低; 水体高锰酸盐指数和BOD5浓度分别在4.56~8.40 mg·L-1和2.50~18.00 mg·L-1内波动, 系统出水中两种有机物指标的平均浓度也都低于进水; 水体SD在20.0~65.0 cm内, 出水平均SD(50.0 cm)高于进水(35.8 cm).进水水质总体上属于Ⅳ~Ⅴ类水, 经过系统处理后基本符合地表水环境质量Ⅲ类水标准.其中, 预处理单元主要提高了水体中DO含量, 该单元出水进入挺水植物单元后, 水体DO、营养盐和有机物浓度均有所下降, 这说明挺水植物根部处于耗氧状态[27], 植物体生长旺盛, 快速消耗水体营养物质, 从而很好地净化了水质.挺水植物单元出水进入沉水植物单元后水体浊度升高, 这可能是因为水体较浅, 底部基质易受风力扰动造成的.深度净化单元降低水体浊度, 提高水体透明度的作用明显.单因素方差分析结果显示(表 1), 夏季盐龙湖生态净化系统内DO、pH、浊度和SD的F值较高(5.147~16.786), 空间差异显著.

表 1 盐龙湖生态净化系统各单元基本水质参数浓度及单因素方差分析统计结果1) Table 1 Basic water quality parameter concentration and ANOVA of each unit in the Yanlong Lake ecological purification system

2.2 盐龙湖生态净化系统浮游植物暴发控制效果 2.2.1 盐龙湖生态净化系统富营养化状况

从图 2可知, 夏季盐龙湖生态净化系统水体TLI(Σ)在47.20~62.63范围内.其中进水TLI(Σ)在54.43~62.63范围内, 预处理单元出水TLI(Σ)在52.56~61.59范围内, 挺水植物B单元出水TLI(Σ)在48.56~58.59内变化, 挺水植物C单元出水TLI(Σ)在47.20~58.09内变化, 沉水植物单元出水TLI(Σ)在53.29~59.40内, 深度净化单元出水TLI(Σ)在48.53~54.20内.蟒蛇河原水在盐龙湖生态净化系统的逐级处理下, 水体TLI(Σ)总体呈现下降的趋势.根据有关湖泊(水库)营养状态分级规定, 水体中50＜TLI(Σ)≤60为轻度富营养, 60＜TLI(Σ)≤70为中度富营养, 夏季盐龙湖生态净化系统基本处于轻度富营养状态, 虽然水质得到提升, 但仍能够为浮游植物的大量繁殖提供较为充足的营养物质.

图 2 盐龙湖生态净化系统各单元TLI指数 Fig. 2 TLI index of each unit of the Yanlong Lake ecological purification system

2.2.2 盐龙湖生态净化系统浮游植物群落与总细胞密度变化

本研究期间盐龙湖生态净化系统中共鉴别出浮游植物5门40属, 如图 3(a)所示, 绿藻门种类最多, 占总种数的43%, 主要包括小球藻属、衣藻属、四尾栅藻属、盘星藻属等17属; 硅藻门占总种数的30.0%, 主要包括小环藻属、颗粒直链藻属、舟形藻属等12属; 蓝藻门占总种数的15.0%, 分别为颤藻属、平裂藻属、微囊藻属、伪鱼腥藻属、鱼腥藻属和隐球藻属; 裸藻门占总种数的10.0%, 分别为裸藻属、陀螺藻属、扁裸藻属和囊裸藻属; 甲藻门中只有多甲藻属, 占总种数的2%.夏季盐龙湖生态净化系统的浮游植物构成类型为绿藻-硅藻型.由图 3(b)可知, 夏季盐龙湖生态净化系统中浮游植物细胞密度在4.42×105~4.32×106cells·L-1范围内.其中预处理单元出水中浮游植物总细胞密度波动幅度较大, 而沉水植物单元出水中浮游植物总细胞密度波动幅度最小.夏季盐龙湖总藻细胞密度最大仅为4.32×106cells·L-1, 低于一般浮游植物水华安全预警值(1.5×107cells·L-1)[28], 可能是由盐龙湖生态净化系统中水生植物化感作用、浮游动物滤食、鱼类摄食和浮游植物间的相互作用等多种因素综合造成的.这间接说明盐龙湖生态净化系统内部各单元配置要素较为合理, 高温期运行基本正常, 能够对浮游植物群落结构及数量起到一定的调控作用.

图 3 盐龙湖生态净化系统浮游植物构成和细胞密度变化 Fig. 3 Phytoplankton composition and cell density changes in the Yanlong Lake ecological purification system

2.3 盐龙湖生态净化系统浮游植物功能群演替特征 2.3.1 盐龙湖生态净化系统FG功能群的时空变化特征

本研究期间盐龙湖生态净化系统中共划分出21个FG功能群组：B、D、N、NA、P、MP、TC、S1、X3、X2、X1、F、G、J、K、H1、Lo、M、W1、W2和Wo.各FG功能群组的划分结果和主要特征见表 2.选择FG功能群中Y﹥0.02且出现频率为100%的功能群B、P、TC、J、W1作为代表(绝对优势功能群), 对其优势度数据进行分析.由图 4可知随着时间的变化, 夏季盐龙湖生态净化系统各单元绝对优势功能群变化动态如下：系统进水为P→J→J→J→TC→B, 预处理单元为J→B→P→TC→W1→TC, 挺水植物B单元为TC→P→TC→J→W1→J, 挺水植物C单元为W1→W1→B→P→P→P, 沉水植物单元为W1→B→W1→W1→TC→W1, 深度净化单元为TC→J→J→W1→ P→J.由图 5可知在空间上, 夏季盐龙湖生态净化系统内进水和深度净化单元中功能群J占主要优势, 预处理单元和挺水植物B单元中功能群TC占主要优势, 挺水植物C单元中功能群P占主要优势, 沉水植物单元中功能群W1占主要优势.

表 2 盐龙湖生态净化系统FG功能群组划分 Table 2 Division of functional groups of phytoplankton in the Yanlong Lake ecological purification system

图 4 各单元绝对优势FG功能群的优势度的时间分布 Fig. 4 Time distribution of the dominance of absolute dominant phytoplankton functional groups in each unit

图 5 夏季绝对优势FG功能群的优势度的空间变化 Fig. 5 Spatial variation of the dominance of absolute dominant phytoplankton functional groups in summer

总体上, 夏季盐龙湖生态净化系统中绝对优势FG功能群在时间和空间上都发生了改变, 尤其是在时间上的变化更为多样.其中, 绝对优势FG功能群在挺水植物C单元中的时间变化规律与其他单元相比最为明显, 而在预处理单元中的演替规律则最为复杂.

2.3.2 盐龙湖生态净化系统MBFG功能群的时空变化特征

本研究期间盐龙湖生态净化系统中共划分出6个MBFG功能群组：GroupⅠ、GroupⅢ、GroupⅣ、GroupⅤ、GroupⅥ和GroupⅦ.各MBFG功能群组的划分结果和主要形态特征见表 3.由于所划分的MBFG功能群的优势度均大于0.02且出现频率均为100%, 因而对所有MBFG功能群优势度数据进行分析.如图 6所示, 随时间的变化, 夏季盐龙湖生态净化系统各单元MBFG功能群的变化动态如下：系统进水为GroupⅢ→GroupⅢ→GroupⅠ→GroupⅠ→GroupⅦ→GroupⅦ, 预处理单元为GroupⅠ→GroupⅥ→GroupⅣ→GroupⅦ→GroupⅦ→GroupⅢ, 挺水植物B单元为GroupⅥ→GroupⅠ→GroupⅢ→GroupⅢ→GroupⅣ→GroupⅤ, 挺水植物C单元为GroupⅢ→GroupⅤ→GroupⅥ→GroupⅣ→GroupⅥ→GroupⅦ, 沉水植物单元为GroupⅤ→GroupⅤ→GroupⅤ→GroupⅤ→GroupⅤ→GroupⅤ, 深度净化单元为GroupⅦ→GroupⅦ→GroupⅦ→GroupⅣ→GroupⅠ→GroupⅠ.由图 7可知, 在空间上夏季盐龙湖生态净化系统的进水、挺水植物B单元和深度净化单元中GroupⅠ占主要优势, 预处理单元和挺水植物C单元中GroupⅦ占主要优势, 沉水植物单元中GroupⅤ占主要优势.

表 3 盐龙湖生态净化系统MBFG功能群组划分 Table 3 Division of morphology-based functional groups of phytoplankton in the Yanlong Lake ecological purification system

图 6 各单元浮游植物形态功能群的优势度的时间分布 Fig. 6 Time distribution of the dominance of phytoplankton morphologically-based functional groups in each unit

图 7 夏季浮游植物形态功能群的优势度的空间变化 Fig. 7 Spatial variation of the dominance of phytoplankton morphologically-based functional groups in summer

夏季盐龙湖生态净化系统中各单元MBFG功能群组也产生了时空上的变化.虽然在时间上的演替规律也最为复杂, 但与绝对优势FG功能群相比较为明显, 尤其是沉水植物单元, 该单元中GroupⅤ一直占据着绝对优势的地位.

2.4 盐龙湖生态净化系统FG与MBFG功能群的冗余分析

如表 4所示, 盐龙湖生态净化系统中FG功能群组密度与环境因子间的相关性较高, 前2个轴的相关系数分别为0.801和0.809, 轴1解释了物种数据累积变化率的20.7%和物种-环境相关性累积变化率的42.0%, 轴2解释了物种数据累积变化率的29.2%和物种-环境相关性累积变化率的59.1%, 说明前两轴能够解释大多数FG功能群的分布.而MBFG功能群组密度与环境因子间的相关性与FG功能群相比更高, 前2个轴的相关系数分别为0.870和0.875, 轴1解释了物种数据累积变化率的53.9%和物种-环境相关性累积变化率的78.9%, 轴2解释了物种数据累积变化率的61.9%和物种-环境相关性累积变化率的90.6%, 也说明前两轴能够解释大多数MBFG功能群的分布.由图 8可知, 影响绝对优势FG功能群B和W1的关键环境因子为浊度, 影响绝对优势FG功能群P、TC和J的关键环境因子分别为TP、EC和pH, RDA分析结果显示浊度、TP、EC和pH与轴1的相关系数分别为0.136 6、-0.207 2、-0.437 4和0.186 5.影响GroupⅠ、GroupⅤ和GroupⅥ的关键环境因子为NO3--N, 影响GroupⅢ、GroupⅣ和GroupⅦ的关键环境因子分别为BOD5、TP和WT.RDA分析结果显示NO3--N、TP、BOD5和WT与轴1的相关系数分别为0.292 5、0.249 5、-0.547 2和-0.692 0.

表 4 盐龙湖生态净化系统不同浮游植物功能群密度与环境因子的RDA结果 Table 4 RDA analysis between densities of different phytoplankton functional groups in the Yanlong Lake ecological purification system

图 8 浮游植物功能群密度与环境因子的冗余分析(RDA) Fig. 8 Redundancy analysis(RDA)of density of phytoplankton functional groups and environmental factors

3 讨论 3.1 盐龙湖生态净化系统FG功能群生境响应特征

功能群W1[18]一般指有机质含量丰富的水体, 其优势度在进水中逐渐升高.RDA分析结果显示浊度为影响该功能群的关键环境因子, 再结合水质指标的变化可以看出这是由雨水冲刷带来了大量外源性有机质[29]和悬浮颗粒物造成的.预处理单元减少了水体中悬浮颗粒和能被微生物所利用的有机物, 促使功能群W1的优势度与进水相比明显降低.而水体进入沉水植物单元后, 功能群W1的优势度明显升高, 并占据该单元夏季浮游植物功能群中的绝对优势地位, 这可能与沉水植物单元水质净化效果差, 甚至反向释放营养盐和有机质有关.本研究期间发现沉水植物单元内的沉水植物分布不均, 生长缓慢.在雨水冲刷和鱼类扰动等作用下使底部沉积物悬浮, 增大了水体浊度, 再加上鱼类的啃食[30], 这些环境因素限制了沉水植物的生长.在深度净化单元出水中功能群W1的优势度明显减小, 这同样也是由水体浊度和有机物含量的进一步削减造成的.

功能群B常存在于中营养水体中, 主要由广适性小环藻属构成, 常成为水中的优势类群[7].虽然功能群B耐受低光照并对水体pH变化敏感, 但RDA分析表明浊度也同样是影响其分布的关键因素.夏季盐龙湖各单元中功能群B的优势度波动与其他功能群相比并不大.尽管预处理单元降低了水体浊度, 可功能群B的优势度与进水中相比并没有明显的降低, 而在深度净化单元出水中功能群B的优势度与沉水植物单元出水相比明显减小.深度净化单元水体透明度高, 水中光照强度大, 利于耐受高光照且易在理想条件下占据绝对优势的功能群J生存[29], 实际上功能群J也的确成为深度净化单元的绝对优势功能群, 可能正是在这样的竞争下, 导致功能群B的优势地位明显降低.此外, 功能群J的适宜生境为高营养的混合浅水, 夏季系统的进水正适合其生存, 也促使功能群J成为绝对优势的功能群.

功能群P适宜生境为中营养的混合水体, 是夏季挺水植物C单元的绝对优势功能群, RDA分析表明影响其分布的环境因子为TP.功能群TC适宜生境为具有挺水植物、富营养的流动缓慢水体, 是夏季挺水植物B单元的绝对优势功能群, RDA分析表明影响其分布的环境因子为EC.同样是挺水植物单元, 但在夏季两个单元内的绝对优势功能群却不同, 虽然影响这两种功能群分布的关键环境因子不同, 但这两种环境因子的空间差异并不显著, 这可能是由挺水植物生长状况不同导致的.本研究期间多次观察到挺水植物B单元的挺水植物生长状况较挺水植物C单元旺盛, 几乎全部覆盖, 而挺水植物C单元仍存在部分空白区域.功能群TC主要由颤藻属组成, 作为喜高温高光照的蓝藻, 其在预处理单元中成为绝对优势功能群多与该单元水体浊度降低, 水下光强增大有关.

3.2 盐龙湖生态净化系统MBFG功能群生境响应特征

夏季盐龙湖生态净化系统的进水、挺水植物B单元和深度净化单元中由小型单细胞或群体细胞构成的GroupⅠ为绝对优势功能群, 且中等大小单细胞或群体细胞构成的GroupⅣ的优势度波动与在其他单元中相比较小.RDA分析表明影响GroupⅠ和GroupⅣ分布的关键环境因子分别是NO3--N和TP, 但方差分析结果显示两者的空间差异并不显著, 这可能与夏季降雨有关, Rangel等[31]研究河流-水库系统的浮游植物特征时认为支流因高降水量稀释了浮游植物的密度, 有利于GroupⅠ和GroupⅣ这些耐受水流冲刷和低光照的功能群生存.但深度净化单元中水体浊度和流速均为最小, 这可能是因为GroupⅠ中的浮游植物具有高S/V, 对水中光能的利用率较高, 利于繁殖, 而GroupⅣ多由夏季常见的无运动器官的绿藻构成, 加上关键环境因子差异不大和环境中各功能群相互竞争的综合作用, 这些都可能是两者保持稳定的优势地位的原因.

GroupⅢ主要由颤藻、鱼腥藻和伪鱼腥藻这些具有气囊的丝状体蓝藻构成, 浑浊且高营养的水环境中也能生存[20, 31], GroupⅦ主要由微囊藻、平裂藻和隐球藻这些具有胶被的群体蓝藻细胞组成, 这两类功能群均由夏季易水华的蓝藻类浮游植物组成, 喜高温和高光强, 因而在预处理单元水体浊度降低, 水下光强增大时其优势度明显升高, 但在深度净化单元中两者的优势度却随时间变化而降低, 这可能是因为在水流冲刷、增氧机曝气和水生动物牧食等影响下, 导致群体分散, 从而对这类小群体细胞的计数存在较大的波动.

在盐龙湖生态净化系统大多数单元中, 中型到大型单细胞鞭毛类构成的GroupⅤ和具有硅质外壳、无鞭毛藻类构成的GroupⅥ的优势度变化较大, 夏季气候对这两类功能群中的浮游植物来说并不适宜, 这可能导致其分布多随着其他功能群的变化而变化, 因而波动较大.但在水体浊度较高、水质净化效果差的沉水植物单元中, GroupⅤ一直是占据着绝对优势地位, 这可能是因为GroupⅤ中浮游植物具有鞭毛, 能为了适应环境变化而运动[20], 从而在这样的生境条件下耐受性强于其他功能群.

在两个挺水植物单元当中, MBFG功能群的结构差异明显且绝对优势功能群也不相同, RDA分析结果中影响两者的关键环境因素空间差异并不大, 这可能也是由两个单元挺水植物生长状态和分布情况不同造成的.

3.3 盐龙湖生态净化系统FG和MBFG功能群生境响应性比较

RDA结果表明夏季盐龙湖生态净化系统中MBFG功能群组的环境解释度高于FG功能群组, 生境响应性强.Rangel等[31]在研究热带蓝藻为主导的河流-水库系统中个各种浮游植物分类方法适用性时也得出了同样的结论.Kruk等[32]比较了全球211个湖泊的浮游植物功能群分类数据时也得出了MBFG是水生态系统中预测浮游植物的最佳因子的结论.Izaguirre等[33]分析比较了3种分类方法后认为MBFG足以用来分析监测受人类影响的水生系统中浮游植物群落动态.尽管FG功能群的分类要求比MBFG更加严格, 但在夏季这种雨水冲刷频繁, 水温和光强适合具有多种形态、运动特征的蓝藻繁殖的季节, MBFG功能群在生境响应方面的优势可能会更加凸出.虽然不少研究报道了水温、营养盐和有机物对夏季浮游植物群落的变化有着重要的驱动作用[34~36].但从两种功能群的响应变化来看, 对于盐龙湖这类人工构建的水源生态净化系统, 似乎水体动力学的变化、水生植物的生长状态与分布、鱼类的摄食和扰动也是影响浮游植物分布的重要环境因素, 其影响力可能更高, 这种环境变化也许放大了浮游植物形态特征上的差异, 同样凸出了MBFG功能群在生境响应方面的优势.

4 结论

(1) 夏季盐龙湖生态净化系统能够有效净化水源水质.蟒蛇河原水经生态净化系统处理后, 水体浊度和营养盐含量降低, 水中DO和SD明显提高, 出水水质基本符合Ⅲ类水质标准.同时, 系统内部水环境的空间分布具有异质性, 其中, DO、pH和浊度的空间差异最为显著(P＜0.001).

(2) 夏季盐龙湖生态净化系统能够有效控制浮游植物.尽管蟒蛇河原水在盐龙湖生态净化系统处理下, 出水水质仍处于轻度富营养状态, 但浮游植物的总密度最高仅为4.32×106cells·L-1, 远低于水华安全预警值.

(3) 研究期间共划分出21个FG功能群和6个MBFG功能群.其中, 绝对优势FG功能群有5个：B、P、TC、J和W1;绝对优势MBFG功能群有6个：GroupⅠ、GroupⅢ、GroupⅣ、GroupⅤ、GroupⅥ和GroupⅦ.随着系统内部环境和水质的改变, 两种绝对优势功能群在时空尺度上进行演替, 能够有效指示生境变化.

(4) RDA分析表明影响绝对优势FG功能群的环境因子为浊度、TP、EC和pH, 影响MBFG功能群的环境因子为NO3--N、TP、BOD5和WT, 盐龙湖生态净化系统中MBFG功能群的生境响应性优于FG功能群.因此, 在夏季选择MBFG功能群划分方法研究水源生态净化系统中浮游植物对内部环境和水质变化的响应更加合适.

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