水质环境变化与硅藻的生态指示——以异龙湖为例

水质环境变化与硅藻的生态指示——以异龙湖为例摘要：环境与生物可以相互影响作用，并有研究查明硅藻对水环境条件变化极其敏感，有相当多的硅藻种只能生存在狭小的水环境条件下，如温度、酸碱度、营养盐、金属离子浓度等，还发现了一些指示环境的硅藻代表种类。

本文以异龙湖为研究区域，收集了异龙湖近40种硅藻的相关信息，通过硅藻特有的生态指示，分析异龙湖多年来的水质环境变化，并建立异龙湖生态环境与硅藻指示的对应关系。

关键词：异龙湖，硅藻，生态指示硅藻是广泛存在于水域中的一类微小植物，目前已证实其群落组合特征在指示和监测湖泊营养演化方面的相关性。

根据硅藻种类多、分布广且对水环境条件变化极其敏感的特点，可以探索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环境因子的改变情况，进而判断水质好坏。

异龙湖可谓云南省的一颗“高原明珠”，仅次于滇池、洱海、抚仙湖，于杞麓湖之前，可见其在云南省地位的举足轻重，因此其水质、生态环境颇受广泛关注，由于其水、热等自然条件优越，藻类植物丰富。

因此本文以异龙湖为例，运用多元统计学方法，分析不同的硅藻类型，组合以及其生态指示，以及对异龙湖的水质理化条件的逐年检测，揭示异龙湖生态系统的变化与硅藻种属的对应关系，为异龙湖湿地生态系统的保护和恢复研究提供一定的科学依据，对高原湖泊的保护、治理都具有极其重要的理论意义和现实意义。

1 异龙湖环境概况异龙湖位于纵向岭谷区的红河流域，在石屏县城东南3km处，仅靠珠江支流南盘江与红河两大流域分水岭，是云南省九大高原湖泊之一。

湖泊呈东西向条带状，湖区内地势平坦，微向东南倾斜，地理位置处于东经102°28′—102°38北纬23°38′—23°42′海拔1414.33m, 属断陷浸蚀浅水湖泊,湖面4. 47×103hm2,湖长13.8km,最宽3.3km,最深6.55m, 平均深2.75m,容积1. 3×109m3。

地处亚热带湿润季风地区,年平均气温为18℃, 极端最高温为34. 5℃, 最低温为- 2℃, 年平均雨量为928. 3mm, 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。

2 材料与方法2.1研究区的藻种与环境指标本次研究主要采集来自异龙湖纵向不同深度的39个藻种的数据。

主要的大类有曲壳藻属（Achnanthes）、卵形藻属(Cocconeis）、小环藻属（Cyllotella）、桥弯藻属（Cymbella）、窗纹藻科（Epithemia zebra）、脆杆藻属（Fragilaria construens）、异极藻科（Gomphonema exiguum）、直链藻属（Melosira spp.）、舟形藻属（Navicula menisculus）、菱形藻属（Nitzschia spp.）。

采集的异龙湖的环境指标主要包括：（1）总氮（TN）；（2）水体透明度（cm）。

（2）氨氮（NH3-N）；（3）总磷（TP）；（4）溶解氧（DO）；（5）叶绿素a（Chla）；（6）化学需氧量（COD）；（7）5日生化需氧量（BOD5）；2.2分析方法利用C2对研究区域收集到的硅藻种属数据进行主成分分析（PCA），利用spss、grapher5、coreldraw12等软件对环境数据进行标准化，绘制曲线图并进行对比。

从而揭示硅藻种属与水质环境变化的对应关系。

3 结果与分析3.1几种生态指标及其分析结果3.1.1 几种生态指标研究异龙湖多年以来的生态环境变化，必须收集到与水质密切相关的几种理化指标。

（1）温度温度是影响硅藻生长和生存的最重要环境因子之一，它对硅藻的生长和发育有调节作用。

不同的硅藻对温度的耐受能力因种类不同而存在很大的差异，因而各种藻类对温度的要求不同，对硅藻而言，存在最低，最高和适宜温度。

绝大多数硅藻在5-40℃都可存活，最适宜温度是15℃。

但也有例外的，如小环藻属于高温种，生长适宜温度在30-40℃。

（2）PH值水体的pH与藻类生长关系密切。

各种藻类生长都有它适合的pH 范围，pH变化会影响藻类的生长繁殖速度。

大多数硅藻的最适值为7.8-8.2的微碱性环境，但不同种类之间值的适宜范围也不同。

异龙湖硅藻大部分种属都生存在偏碱性环境中，也有个别种属（如Eunotia pectinalis var. minor）适宜在酸性环境中生长，小环藻适宜在中性环境中生长。

（3）溶解氧（DO）溶解氧的变化是衡量水体初级生产力高低的重要标志，还是研究水自净能力的一种依据。

水里的溶解氧被消耗，要恢复到初始状态，所需时间短，说明该水体的自净能力强，或者说水体污染不严重。

否则说明水体污染严重，自净能力弱，甚至失去自净能力。

（4）透明度透明度是表示光线透射入水体的深度。

透明度的大小取决于光源状态、水中悬浮有机或无机细微物质、浮游生物等。

透明度与光源状态呈正比，与微生物繁殖生长密度成反比。

另，透明度与溶解氧呈显著正相关关系（r=0.630 ，P =0.038 ＜0.05 ），透明度越高，湖泊中往往溶解氧越高，当透明度低的时候水体中藻类密度往往较高，较高的藻类密度导致水体透明度的减小，使水体感观性状下降。

（5）叶绿素a水体中叶绿素a的浓度能够指示藻类的生长繁殖状况。

当水体中藻类大量繁殖就会导致叶绿素浓度升高的，反之亦然。

因此叶绿素也可以作为衡量水体质量的一个指标。

（6）化学需氧量（COD Mn）化学需氧量是以化学方法测量水样中需要被氧化的还原性物质的量。

因此，化学需氧量（COD）又往往作为衡量水中有机物质含量多少的指标。

化学需氧量越大，说明水体受有机物的污染越严重。

反之亦然。

（7）5日生化需氧量（BOD5）这是用微生物代谢作用所消耗的溶解氧量来间接表示水体被有机物污染程度的一个重要指标。

20℃时在BOD的测定条件（氧充足、不搅动）下，一般有机物20天才能够基本完成在第一阶段的氧化分解过程（完成过程的99%）。

就是说，测定第一阶段的生化需氧量，需要20天，这在实际工作中是难以做到的。

为此又规定一个标准时间，一般以5日作为测定BOD的标准时间，因而称之为五日生化需氧量，以BOD5表示之。

BOD5约为BOD20的70%左右。

（7）总氮、氨氮、总磷总氮是指水中各种形态无机和有机氮的总量。

包括NO3-、NO2-和NH4+等无机氮和蛋白质、氨基酸和有机胺等有机氮，以每升水含氮毫克数计算。

常被用来表示水体受营养物质污染的程度。

总磷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。

水中磷可以以元素磷、正磷酸盐、缩合硫酸盐、焦磷酸盐、偏磷酸盐和有机团结合的磷酸盐等形式存在。

水体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。

氨氮是指水中以游离氨（NH3）和铵离子（NH4+）形式存在的氮。

水中氨氮含量增高时指以氨或铵离子形式存在的化合氨。

氨氮是水体中的营养素，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。

3.1.2生态环境因子分析结果使用spss软件将收集到的自1993-2010年异龙湖的各类生态环境因子的数据进行无量纲标准化后，运用grapher软件进行画图，令这些不同的环境数据在同一个X轴上显示出来，方便进行逐年变化的对比。

图1 异龙湖各环境因子的变化趋势如图所示，各环境因子逐年的变化趋势：①TN和TP曲线变化趋势相似，氮、磷含量自1993年起开始下降，水中氮、磷物质（藻类繁殖需要的主要营养物质）缩减，直至1998年前后下降到几乎最低值，推测此段时间，藻类植物开始大量繁殖，不断消耗水中氮磷物质，所以氮磷物质下降，此后随着氮磷下降，藻类生长状况也走下坡。

曲线从1998年处于稍有起伏的低水平趋势直至2008年，此期间藻类等微生物生长可能受抑制。

2008年后，TN、TP再次上升，可能与生活污水的排放有关，有助于藻类等微生物的生长。

②NH3-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。

1993-1996年存在的差异有可能与生活污水排放量的波动有关，进而影响水体中氨氮含量。

③chla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。

④BOD5、COD曲线变化趋势相似。

均是1993年含量开始下降至1998年前后至低谷，共同说明了水体中有机质的减少，污染程度有改善。

1998-2008年水体污染状况平缓变化，但2008年曲线急剧上升，水体污染问题趋严重。

⑤DO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。

说明水质从2006年以前、2009年以后总体是有改善的。

3.2硅藻种属的主成分分析根据收集到的来自不同深度的近40个种属的硅藻数据，运用C2软件里的PCA多元分析法进行判断。

分析结果如下：EigenvaluesId Eigenvalue1 Axis 1 0.557072 Axis 2 0.157513 Axis 3 0.102534 Axis 4 0.0486225 Axis 5 0.027621表1 特征值表由特征值表给出的数据结果，显然前三个轴解释了近80%的硅藻信息，单是前两个轴就解释了70%，可见PCA处理数据的结果可、行。

因此，我们选取包含轴一和轴二(暂且称为X、Y轴)的种属分析图进行分析。

异龙湖硅藻种属PCA分析图A分析图A是在原始PCA分析图基础上，选取几个种属特征较为明显的类型来显示的。

根据硅藻的生活习性资料查明Fragilaria construens、Fragilaria construens var. venter适宜在碱性环境之下繁殖，而中偏酸性的环境则适宜Cymbella ventricosa、Cyclotella stelligera的生长；Eunotia pectinalis var. minor也是偏爱酸性的硅藻种属。

对应分析图中5个硅藻种属的空间分布，，我们不难发现，酸性的Cymbella ventricosa、Cyclotella stelligera、Eunotia pectinalis var. minor均一致的分布在X轴左侧，而碱性的Fragilaria construens、Fragilaria construens var. venter则分布在X轴右侧，因此，我们推断X轴方向指示硅藻生境的PH值。

异龙湖硅藻种属PCA分析图B再看分析图B，Cyclotella stelligera、Fragilaria construens var. venter均是寡污染指示种，换言之，它们适宜在水体清洁、质量较好的环境下繁衍，这两者往Y轴正方向延伸。