2024, Vol. 16 
2. 江苏省环境监测中心，江苏 南京 210029;
3. 中国环境监测总站，北京 100012
2. Jiangsu Provincial Environmental Monitoring Center, Nanjing, Jiangsu 210019, China;
3. China National Environmental Monitoring Center, Beijing 100012, China
浮游植物，也称浮游藻类，是水生态系统重要的初级生产者。因其对外界环境变化具有较好的指示作用，常常被作为反映淡水或海洋生态环境变化的指示生物使用。陈红等[1]针对城市发展带来的城市河流生态环境问题，把浮游植物应用到灞河城市段的水质状况综合评价。徐沙等[2]通过水质理化指标、营养状态指数、浮游植物污染指示种以及浮游植物多样性指数，完成了汉江上游平水期水质综合评价。申恒伦[3]等则利用浮游植物功能群特征，对济南市大明湖开展生态健康评价。在海洋生态环境方面，黎明民等[4]利用浮游植物指标，构建生物完整性指数，较好地评价了南海北部湾的生态健康状态。
太湖是我国第三大淡水湖。在水体富营养化的背景下，太湖浮游植物一直是关注的热点。由于关注点不同，相关研究的监测时间、地点也不尽相同。比如，孟顺龙等[5-6]于2007年1月和3月对太湖蠡湖(五里湖)开展浮游植物调查，分析浮游植物群落特征并对水质进行评价，在2008年又对太湖梅梁湾浮游植物群落开展周年变化监测和分析；原居林等[7]于2008年8—9月对南太湖(太湖南部湖区)的浮游植物进行调查；陈家长等[8]在2008年调查分析了太湖五里湖浮游植物群落结构特征；李钦钦等[9]以太湖金墅湾水源地为对象，分析了2009年3月(春季)和6月(夏季)浮游植物群落结构及其与环境因子的关系；沈爱春等[10]于2010年9月调查分析了太湖夏季不同类型湖区浮游植物群落结构及环境解释；李娣等[11]利用2013年1—12月太湖浮游植物和水质数据，分析了太湖浮游植物群落结构及其与水质指标间的关系；王敏等[12]利用2003—2012年的数据，分析了太湖西北湖区氮磷浓度及浮游植物主要类群的变化趋势；陈瑜等[13]则聚焦太湖东部水域的硅藻，分析了其群落特征与环境因子的关系。此外，浮游植物还被成功应用到太湖治理工程的生态效应评估方面。原居林等[14]应用浮游植物群落结构评价了南太湖(太湖南部湖区)的底泥疏浚效果；徐卫东等[15]将浮游植物应用到太湖五里湖水生态修复的效果分析评估中。
为深入贯彻落实习近平生态文明思想，推动太湖生态环境保护纵深发展，苏州市吴中区将金庭镇(西山岛)、东山镇(东山岛)及周边区域划定为生态涵养实验区，总面积约285 km2，水域面积约116.4 km2。本研究基于2023—2024年太湖西山岛、东山岛周边水域浮游植物季度调查数据，分析区域浮游植物种类组成和变化；结合太湖浮游植物相关文献资料，对比分析西山岛、东山岛周边水域浮游植物多样性特征。
1 材料和方法 1.1 研究区域和点位设置西山岛、东山岛位于苏州市吴中区太湖水域，是苏州市生态涵养实验区，也是太湖水域内面积最大的离岸岛屿和半岛。岛上居民以水果、茶叶种植为主要经济来源，是果树—茶叶套种模式的典型，也是岛上和周边水体农业面源的主要来源。
本研究的调查区域为环西山岛、东山岛周边水域，共设置11个采样点(编号依次为S1—S11)，调查点位分布示意见图 1。
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图 1 太湖生态涵养区水域浮游植物调查点位分布示意 |
浮游植物调查分别于2023年7月(夏季)、10月(秋季)和2024年1月(冬季)、4月(春季)分4次开展。使用1 L采水器，在水面下50 cm处采集浮游植物定量样品，现场加入体积分数为1.5%的鲁哥氏液固定。样品带回实验室沉降48 h后，采用虹吸法浓缩、定容至50 mL。
利用Algae-Hub藻类人工智能分析仪(AH-20-S，江苏宏众百德生物科技有限公司)，对制成的浮游植物鉴定玻片进行全片扫描，得到全片电子图像；利用仪器的人工智能图像识别技术和人工校验功能，对浮游植物进行物种鉴定和定量分析。
1.3 数据分析 1.3.1 优势种确定利用优势度(Y)确定浮游植物优势种。0.02≤Y＜0.05记为次要优势种，Y≥0.05记为主要优势种。优势度计算方法如下。
| $ Y=\frac{n_i}{N} \times f_i $ | (1) |
式中：Y——优势度，无量纲；ni——样品中第i种浮游植物的个体数，cells/L；N——样品中浮游植物个体数总和，cells/L；fi——第i种浮游植物在所有点位中的出现频率，无量纲。
1.3.2 生物多样性分析采用香农-维纳(Shannon-Wiener)指数(H′)和皮耶罗(Pielou)均匀度指数(J′)分析各调查点位浮游植物的生物多样性。Shannon-Wiener指数(H′)的计算方法如下。
| $ H^{\prime}=-\sum\limits_{i=1}^S P_i \log _2 P_i $ | (2) |
式中：S——点位样品中浮游植物物种总数；Pi——第i种浮游植物个体或细胞数量占浮游植物个体或细胞总数的比值，无量纲。
Pielou均匀度指数(J′)的计算公式如下。
| $ J^{\prime}=\frac{H^{\prime}}{\log _2 S} $ | (3) |
式中：S——点位样品中浮游植物物种总数。
1.3.3 差异显著性检验季节间物种数量、密度和多样性指数的差异显著性，根据方差齐性检验结果，采用单因子方差检验法或K-W非参数检验法判定。
2 结果与分析 2.1 浮游植物种类组成本研究的4次调查中，共鉴定到浮游植物8门109种。其中，绿藻门43种，硅藻门28种，蓝藻门21种，甲藻门6种，裸藻门5种，隐藻门3种，轮藻门2种，金藻门1种。
浮游植物种类组成季节变化见表 1。由表 1可见，春季浮游植物所属门类(5个)最少，夏季(8个)最多；4个季节的调查中，均以绿藻门物种数最多，春季和冬季硅藻门物种数位居第2位，夏季和秋季蓝藻门物种数位居第2位；夏季物种数(93种)最多，冬季(45种)最少。
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表 1 浮游植物种类组成季节变化① |
浮游植物优势种组成季节变化见表 2。由表 2可见，4次调查中，共记录到优势种20种。其中，蓝藻门11种，绿藻门3种，硅藻门4种，隐藻门2种。春季，以逗隐藻属某种(Komma sp.)的优势度最高，达到0.392，其次是小环藻属某种(Cyclotella sp.)，优势度为0.201。夏季优势度最高的浮游植物均属于蓝藻门，分别为假鱼腥藻属某种(Pseudanabaena sp.)和隐球藻属某种(Aphan-ocapsa sp.)，对应的优势度分别为0.512和0.102。假鱼腥藻属某种和隐球藻属某种秋季的优势度仍排在前二，但是微囊藻属某种(Microcystis sp.)和平裂藻属某种(Merismopedia sp.)的优势度得以提升，成为主要优势种。冬季浮游植物优势种的门类较多，蓝藻门、绿藻门、硅藻门和隐藻门均有物种占据主要优势地位，但是优势度最高的为逗隐藻属某种，优势度达到0.535。
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表 2 浮游植物优势种组成季节变化① |
从全年来看，逗隐藻属某种和微囊藻属某种为春、秋、冬3季的共同优势种，平裂藻属某种为夏、秋、冬3季的共同优势种；假鱼腥藻属某种是年度优势最高的浮游植物，优势度为0.425，其次是隐球藻属某种，优势度为0.098。对于能够在太湖表面聚集，形成卫星遥感可测性水华的微囊藻，虽然是春、秋、冬3个季节的主要优势种，但是在年度尺度上优势度较低，仅为0.042。
2.2 浮游植物时空分布 2.2.1 浮游植物物种数时空分布不同季节浮游植物物种数时空分布见图 2(a)—(d)。由图 2可见，西山岛、东山岛周边水域春季浮游植物平均物种数为20.6种，S4点位(9种)最少，S8点位(31种)最多；夏季浮游植物平均物种数为48.2种，S1点位(29种)最少，S7点位(72种)最多；秋季浮游植物平均物种数为35.7种，S9点位(31种)最少，S6点位(45种)最多；冬季浮游植物平均物种数为18.1种，S3点位(15种)最少，S6点位(25种)最多。
差异显著性检验结果表明，浮游植物平均物种数在春季和冬季之间、夏季和秋季之间均没有显著差异(P＞0.05)，但春、冬两季和夏、秋两季浮游植物平均物种数有显著差异(P＜0.05)。统计结果还显示，西山岛、东山岛周边水域春季、夏季浮游植物物种数变异系数分别为28.2、25.5，明显高于秋季(12.3)和冬季(15.5)，说明春季、夏季浮游植物物种的空间分布更不均匀。
2.2.2 浮游植物密度时空分布不同季节浮游植物密度时空分布见图 3(a)—(d)。由图 3可见，西山岛、东山岛周边水域春季浮游植物平均密度为702.34×104 cells/L，S4点位最低(182.43×104 cells/L)，S10点位最高(1 080.41×104 cells/L)；夏季浮游植物平均密度为9 054.36×104 cells/L，S2点位最低(1 035.81×104 cells/L)，S8点位最高(27 859.46×104 cells/L)；秋季浮游植物平均密度为3 817.45×104 cells/L，S9点位最低(1 181.08×104 cells/L)，S1点位最高(9 167.57×104 cells/L)；冬季浮游植物平均密度为1 027.99×104 cells/L，S4点位最低(693.69×104 cells/L)，S2点位最高(2 024.77×104 cells/L)。
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图 3 浮游植物密度时空分布 注：浮游植物密度单位为104 cells/L。 |
差异显著性检验结果表明，浮游植物平均密度在春季和冬季之间、夏季和秋季之间均没有显著差异(P＞0.05)，但春、冬两季和夏、秋两季浮游植物平均密度有显著差异(P＜0.05)。统计结果还显示，西山岛、东山岛周边水域夏季、秋季浮游植物密度空间分布不均匀性明显高于春季、冬季，夏季、秋季浮游植物密度变异系数分别为93.9和60.3，春季、冬季分别为43.5和38.9。综合浮游植物物种数时空分布特征，西山岛、东山岛周边水域冬季浮游植物空间分布更为均匀。
2.2.3 浮游植物Shannon-Wiener多样性指数时空分布不同季节浮游植物Shannon-Wiener多样性指数时空分布见图 4(a)—(d)。由图 4可见，西山岛、东山岛周边水域春季浮游植物Shannon-Wiener多样性指数平均值为2.84，S4点位(2.08)最低，S8点位(3.72) 最高；夏季平均值为2.83，S5点位(1.70)最低，S4点位(3.43)最高；秋季平均值为2.90，S1点位(2.08)最低，S6点位(3.39)最高；冬季平均值为2.38，S4点位(1.91)最低，S10点位(2.74)最高。
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图 4 浮游植物Shannon-Wiener多样性指数时空分布 |
差异显著性检验结果表明，冬季浮游植物Shannon-Wiener多样性指数平均值显著低于其他3个季节(P＜0.05)，春、夏、秋3个季节浮游植物Shannon-Wiener多样性指数平均值差异不显著(P＞0.05)。
2.2.4 浮游植物Pielou均匀度指数时空分布不同季节浮游植物Pielou均匀度指数时空分布见图 5(a)—(d)。由图 5可见，西山岛、东山岛周边水域春季浮游植物Pielou均匀度指数平均值为0.66，S10点位(0.51)最低，S2点位(0.77)最高；夏季平均值为0.51，S5点位(0.30)最低，S4点位(0.65)最高；秋季平均值为0.56，S1点位(0.38)最低，S3点位(0.66)最高；冬季平均值为0.57，S4点位(0.47)最低，S9点位(0.68)最高。
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图 5 浮游植物Pielou均匀度指数时空分布 |
差异显著性检验结果表明，春季浮游植物Pielou均匀度指数平均值显著高于其他3个季节(P＜0.05)，夏、秋、冬3个季节浮游植物Pielou均匀度指数平均值差异不显著(P＞0.05)。
3 讨论 3.1 群落特征浮游植物群落组成与调查区域、外界环境等息息相关。本研究在环西山岛、东山岛太湖水域共鉴定到浮游植物109种，可能是由于调查范围较小，鉴定到的浮游植物种类少于相关的文献(表 3)报道，但是绿藻门浮游植物种类最多这一结果与它们一致。
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表 3 太湖浮游植物调查成果文献资料数据 |
本研究的调查点位中，S7、S8位于东太湖，期间共调查鉴定到浮游植物87种，显著高于邱伟建等[20]2017年7月—2018年6月的调查结果(39种)。原因可能是，随着东太湖围网养殖拆除，区域生态系统得到恢复，浮游植物群落结构趋向多样化。同时，调查结果也再次说明，浮游植物对水生态环境变化敏感、响应快。
太湖西山岛、东山岛周边水域浮游植物种类最多的依次为绿藻门、硅藻门和蓝藻门，与李娣等[11]、盛漂等[19]的调查结果一致。从季节变化上看，与近期太湖浮游植物种类季节变化一致[19]，太湖西山岛、东山岛周边水域4个季节均以绿藻门浮游植物的种类数最多，且夏季浮游植物种类数最多，春季最少。结果还显示，调查区域内冬季和春季硅藻门物种占比大于蓝藻门，夏季和秋季蓝藻门物种占比大于硅藻门。硅藻门浮游植物偏好低温环境，蓝藻门浮游植物(尤其是微囊藻等)偏好高温环境。硅藻通常会在冬季、春季处于优势地位，随着气温升高，水体浮游植物群落会逐渐向绿藻、蓝藻转变。
本研究共调查记录到浮游植物优势种共20种。其中，蓝藻门11种，占55.0%；夏季蓝藻优势种占88.9%，秋季蓝藻优势种占83.3%；夏季、秋季以及年度优势度最高的物种均为假鱼腥藻属某种，优势度分别为0.512，0.410，0.425，明显有别于2016—2021年太湖浮游植物优势种的变化[21]。一方面，可能是因为调查区域不同所致，作为太湖整体的一部分，虽然受到太湖整体变化的影响，但是生态涵养实验区周边水域又具有相对独立的生境环境，为浮游植物演替提供了特别的生态系统。另一方面，也可能是更为重要的原因，经过长时间治理，太湖的水体环境发生了改变，浮游植物群落结构也随之发生了改变。2021—2023年的太湖浮游植物群落演替调查(半个月1次)结果(数据尚未发表)显示，2023年太湖丝状蓝藻(常见种有假鱼腥藻、长孢藻、尖头藻、浮丝藻等)在蓝藻中的年均占比为43.6%，较2022年小幅上升0.5个百分点，较2021年上升28.0个百分点。传统蓝藻优势种微囊藻的年均占比大幅下降，从2021年的83.6%下降至2023年的39.8%，降幅达43.8个百分点。
研究表明，太湖浮游植物密度具有明显的季节变化特征。比如，太湖五里湖2014—2015年浮游植物密度表现为夏季>秋季>春季>冬季[18]；梅梁湖和东太湖浮游植物密度在2017—2018年均表现为夏季最高、冬季最低[20]；2020年太湖浮游植物密度则表现为夏季>春季>冬季>秋季[19]。可见，整体上，太湖浮游植物密度夏季最高，其他季节的变化受外在因素变化有所不同。本研究调查区域浮游植物密度表现为夏季>秋季>冬季>春季。与其他研究结果较为一致的是，夏季浮游植物密度最高。但是冬季的浮游植密度高于春季的浮游植物密度，与2008年太湖梅梁湾浮游植物密度变化较为一致[6]。这是因为，浮游植物群落结构变化受内、外多重因素制约，而大部分调查研究均是在短时间内开展，所得到的结论也是基于短期的调查数据所得。
3.2 生物多样性变化调查区域浮游植物Shannon-Wiener多样性指数春季、夏季、秋季之间无显著区别，冬季则明显下降，与东太湖浮游植物2019—2020年的变化一致[22]，但是与2020年整个太湖浮游植物Shannon-Wiener多样性的季节变化不一致[19]。在均匀性方面，春季浮游植物Pielou均匀度指数平均值显著高于其他3个季度(P＜0.05)，夏、秋、冬3个季节浮游植物Pielou均匀度指数平均值差异不显著(P＞0.05)，与2020年整个太湖浮游植物Pielou均匀度指数的季节变化不一致[19]。
3.3 基于生物多样性指数的水质评价Shannon-Wiener多样性指数、Pielou均匀度指数也是生物学指标用于水生态系统水质评价的路径之一。根据文献[23]的评价标准，结合文献资料看，在Shannon-Wiener多样性指数方面，2009—2010年，东太湖湖滨带浮游植物Shannon-Wiener多样性均值为1.61(α-中污型)[16]；太湖2014、2015年浮游植物Shannon-Wiener多样性指数均值分别为1.63和1.59，均属于α-中污型[17]；2017—2018年东太湖浮游植物Shannon-Wiener多样性指数均值为1.22(α-中污型)[20]；2020年太湖浮游植物Shannon-Wiener多样性指数处于0.59~1.31之间(重污染型—α-中污型)，平均值为1.00(α-中污型)[19]。在Pielou均匀度指数方面，2009—2010年，东太湖湖滨带浮游植物Pielou均匀度指数均值为0.59(寡污型)[16]；2020年太湖浮游植物Pielou均匀度指数处于0.37~0.48之间(β-中污型—β-中污型)，平均值为0.42(β-中污型)[19]。
西山岛、东山岛附近太湖水域基于浮游植物指标的水质评价结果见表 4。由表 4可见，区域水质整体处于β-中污型—寡污型状态，评价结果较为乐观；从Shannon-Wiener多样性指数看，区域水质整体为β-中污型；从Pielou均匀度指数看，区域水质整体为寡污型。与文献报道的太湖或东太湖历史状态相比，本研究调查区域的水质发生了明显的改善，改善幅度至少提升了1个评价等级。未发表数据显示，2021—2023年，太湖浮游植物Shannon-Wiener多样性指数从1.32上升至3.36，水质评价结果由α-中污型改善至清洁或寡污型；Pielou均匀度指数从0.25上升至0.54，水质评价结果从重污染型改善至β-中污型，同样也是发生了跨类别的变化，说明本研究调查区域浮游植物的变化与近几年太湖浮游植物的整体变化较为一致。调查期间水质指标监测结果显示，主要受总磷指标影响，区域传统水质指标评价结果为Ⅲ—Ⅳ类(总磷指标接近Ⅲ类水质标准)，可见，基于浮游植物的区域水质评价结果与基于传统水质指标的区域水质评价结果整体较为一致。
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表 4 基于Shannon-Wiener多样性指数、Pielou均匀度指数的区域水质评价 |
本研究以太湖生态涵养实验区为对象，于2023—2024年对西山岛、东山岛周边太湖水域开展季度调查和分析，结合文献资料，对比分析西山岛、东山岛周边水域浮游植物多样性特征。获得以下初步结论：
(1) 西山岛、东山岛周边水域4次调查共鉴定到浮游植物8门109种，以绿藻门物种数最多。春季浮游植物所属门类最少，夏季浮游植物门类最多；夏季物种数最多(93种)，冬季最少(45种)。共记录到优势种20种，以蓝藻门物种数最多，假鱼腥藻属某种是年度优势最高的浮游植物(优势度为0.425)，微囊藻的年度优势度较低，仅为0.042。
(2) 西山岛、东山岛周边水域浮游植物平均物种数、平均密度在春季和冬季之间、夏季和秋季之间均没有显著差异(P＞0.05)，但春、冬两季和夏、秋两季浮游植物平均物种数和平均密度差异显著(P＜0.05)；浮游植物密度表现为夏季>秋季>冬季>春季，冬季浮游植物空间分布更为均匀。
(3) 西山岛、东山岛周边水域冬季浮游植物Shannon-Wiener多样性指数平均值显著低于其他3个季节(P＜0.05)，春、夏、秋3个季节之间的差异不显著(P＞0.05)；春季浮游植物Pielou均匀度指数平均值显著高于其他3个季节(P＜0.05)，夏、秋、冬3个季节之间的差异不显著(P＞0.05)。
(4) 西山岛、东山岛周边太湖水域基于浮游植物指标的水质评价结果整体处于β-中污型-寡污型状态，评价结果较为乐观，与近几年太湖水质的整体变化趋势较为一致。
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