秦淮河秋冬季浮游植物群落與環(huán)境因子典范對(duì)應(yīng)分析

嚴(yán)瑩

(江蘇開放大學(xué)建筑工程系，江蘇南京 210019)

浮游植物是自然水體中的初級(jí)生產(chǎn)者和生物鏈的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，在水體生態(tài)平衡中有著不可或缺的作用。浮游植物的種類組成和分布對(duì)環(huán)境變化具有指示作用，而環(huán)境條件的變化也能直接或間接地影響浮游植物的群落結(jié)構(gòu)［1］。浮游植物群落結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化與環(huán)境因子的關(guān)系復(fù)雜，目前還缺乏統(tǒng)一的理論解釋。典范對(duì)應(yīng)分析(canonical correspondence analysis，CCA)是基于對(duì)應(yīng)分析發(fā)展而來的一種非線性多元直接梯度分析方法［2］，其特點(diǎn)是可以結(jié)合多個(gè)環(huán)境因子同時(shí)分析，包含的信息量大，結(jié)果直觀，能更好地反映生物群落與環(huán)境因子的關(guān)系［3］。近年來，國內(nèi)外學(xué)者開始將CCA方法應(yīng)用于水域生態(tài)學(xué)領(lǐng)域，在水生生物群落結(jié)構(gòu)組成、空間分布與環(huán)境因子之間關(guān)系方面取得了較好的研究成果［4-8］，但相關(guān)研究多集中于沿海、水庫、湖泊等水域，而針對(duì)河流的研究卻較少見到。

本文通過對(duì)秦淮河浮游植物群落和環(huán)境因子的調(diào)查和測定，基于CCA探討浮游植物群落分布與環(huán)境因子之間的關(guān)系，剖析影響浮游植物群落分布的主要環(huán)境變量，為秦淮河水質(zhì)改善及其生態(tài)修復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣點(diǎn)設(shè)置

2012年10月和2013年1月，沿內(nèi)外秦淮河共設(shè)置15個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行采樣。通過GPS定位，使得2次采樣位置保持一致，采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的區(qū)域特征見表1。

表1 采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的區(qū)域特征Table 1 Sampling points and corresponding regional characteristics

1.2 水體理化指標(biāo)的測定

各采樣點(diǎn)水體溶解氧(DO)、pH、氧化還原電位(ORP)、水溫(T)、電導(dǎo)率(COND)用SX751型pH/ORP/電導(dǎo)率/溶解氧測量儀(上海三信儀表廠)現(xiàn)場測定;濁度(Tur)用哈希2100P便攜式濁度儀(美國哈希)現(xiàn)場測定。水樣采集后現(xiàn)場加濃硫酸固定，帶回實(shí)驗(yàn)室后在24 h內(nèi)測定基本理化指標(biāo)，水質(zhì)指標(biāo)分析主要采用《水和廢水監(jiān)測分析方法》［9］的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。其中，總氮(TN)測定采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法;氨氮()測定采用納氏試劑分光光度法;總磷(TP)測定采用過硫酸鉀消解-鉬銻抗光度法;水質(zhì)硝態(tài)氮()測定采用麝香草酚分光光度法。

1.3 浮游植物采集與鑒定

在水面下0.5 m處取1L水樣，加甲醛固定，帶回實(shí)驗(yàn)室靜置沉淀48 h后，用細(xì)虹吸管(在水中的一端用25號(hào)篩絹封住)小心吸去上清液，濃縮定容至30 mL。取0.1 mL樣品注入面積為20 mm×20 mm、容量為0.1 mL的浮游植物計(jì)數(shù)框內(nèi)，小心蓋上蓋玻片(22 mm×22 mm)，保證計(jì)數(shù)框內(nèi)無氣泡產(chǎn)生。標(biāo)本制成后，靜置幾分鐘，放在顯微鏡載物臺(tái)上鏡檢，分類鑒別，并計(jì)算出藻類細(xì)胞個(gè)數(shù)和生物量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

浮游植物和環(huán)境因子的數(shù)據(jù)利用CANOCO 4.5 demo軟件包進(jìn)行典范對(duì)應(yīng)分析，并用CANODRAW繪制排序圖。分析過程中物種數(shù)據(jù)采用浮游植物豐度指標(biāo)，浮游植物豐度值采用lg(x+1)進(jìn)行處理，環(huán)境數(shù)據(jù)除pH外均采用lg(x+1)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 秋冬季浮游植物群落組成特征

經(jīng)鑒定，研究區(qū)域15個(gè)采樣點(diǎn)共檢出浮游植物4門30屬37種，其中秋季檢出4門27屬36種，冬季檢出3門18屬23種。種類組成主要以硅藻、綠藻為主:中硅藻門14屬19種，占全部種類的51.4%;綠藻門11屬12種，占全部種類的32.4%;藍(lán)藻門3屬3種，占全部種類的8.1%;褐藻門2屬3種，占全部種類的8.1%。鏡檢到的浮游植物名錄見表2。

秋冬季節(jié)研究區(qū)浮游植物平均豐度和平均生物量如表3所示。由表3可知，浮游植物豐度秋季明顯高于冬季，秋季平均總豐度為221.5萬cells/L，其中藍(lán)藻門最高(占總豐度的41.5%)，硅藻門次之(占總豐度的36.7%)，裸藻門占12.2%，綠藻門豐度最低(占總豐度的9.6%)。冬季浮游植物平均總豐度為153.4萬cells/L，藍(lán)藻門未被鏡檢出，硅藻門在豐度上占絕對(duì)優(yōu)勢，裸藻門和綠藻門的豐度占總豐度比例均很小。而就生物量(質(zhì)量濃度)而言，秋季(4.41 mg/L)卻低于冬季(6.58 mg/L)，這與冬季硅藻(其單個(gè)藻細(xì)胞生物量較高)為優(yōu)勢種有關(guān)。

2.2 秋冬季水質(zhì)特征

表4、表5為秋冬季研究區(qū)內(nèi)各采樣點(diǎn)的水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果，秋冬季各項(xiàng)指標(biāo)中，秋季水溫平均為22.5℃，冬季為5.5℃，水溫下降明顯;pH值在7左右波動(dòng)，水體基本呈中性; COND冬季比秋季有明顯的增加，冬季均值為618.93 μs/cm，秋季為394.33 μs/cm;DO冬季較秋季有一定的升高，冬季均值為7.62 mg/L，秋季均值為3.09 mg/L;其他指標(biāo)整體上秋季均值略低于冬季均值，可能與秋季較冬季河道水量略多有關(guān)。根據(jù)GB3838—2002《中華人民共和國地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》［10］中水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，全部水質(zhì)均為IV類及以上水質(zhì)。

空間上ORP與COND表現(xiàn)出一定的區(qū)域性規(guī)律，即內(nèi)秦淮河區(qū)域(ORP和COND均值分別為132.8 mV和430.3 μs/cm)較外秦淮河區(qū)域(分別為120.7 mV和340.3 μs/cm)的高。其余指標(biāo)空間分布規(guī)律不明顯，變化較大且不均勻。以TN指標(biāo)為例，秋季TN質(zhì)量濃度范圍為0.49～19.73 mg/L，最高值是最低值的40.3倍，冬季為1.31～28.64 mg/L，最高值是最低值的21.9倍，這也表明了水質(zhì)空間分布不均勻的特點(diǎn)。

表2 南京秦淮河浮游植物名錄Table 2 Investigation list of phytoplankton in Qinhuai River in Nanjing City

表3 秋冬季秦淮河浮游植物平均豐度和平均生物量Table 3 Average phytoplankton abundance and average biomass in Qinhuai River in autumn and winter

表4 秋季環(huán)境因子監(jiān)測值Table 4 Values of environmental factors in autumn

表5 冬季環(huán)境因子監(jiān)測值Table 5 Values of environmental factors in winter

表6 CCA排序軸的特征與環(huán)境因子的相關(guān)性Table 6 Eigenvalues for CCA ordination axes and correlation between species and environmental factors

2.3 秋冬季浮游植物群落與環(huán)境因子間的典范對(duì)應(yīng)分析

秋冬季浮游植物群落與環(huán)境因子的CCA排序結(jié)果見表6、表7。由表6可知，前兩個(gè)物種排序軸總特征值為0.813，可解釋的信息量為61.7%，其相關(guān)系數(shù)為-0.026，說明這兩個(gè)物種排序軸之間相關(guān)性很小;前兩個(gè)環(huán)境因子排序軸的相關(guān)系數(shù)為0，說明這兩個(gè)排序軸完全垂直。因此該排序結(jié)果可較好地反映研究區(qū)秋冬季節(jié)浮游植物群落與環(huán)境因子之間的關(guān)系。

浮游植物物種與環(huán)境因子的CCA排序見圖1(物種序號(hào)見表2)。由箭頭的長短可知，pH和濁度對(duì)整體浮游植物群落的分布影響作用較小，其他環(huán)境因子對(duì)群落分布都有較明顯的影響作用。從圖1可以看出藻類物種分化比較明顯，綠藻主要分布在排序圖的第一象限，且其對(duì)氮磷營養(yǎng)鹽指標(biāo)、ORP和COND、高錳酸鹽指數(shù)、氮磷比均有較高的最適值，表明綠藻對(duì)此類指標(biāo)較高的水質(zhì)耐受能力較高。藍(lán)藻分布在溫度箭頭附近，且具有較高的溫度最適值，表明藍(lán)藻適宜在水溫高的環(huán)境下生長，且其分布狀況受水溫影響很大，這也是冬季未鏡檢到藍(lán)藻的直接原因。硅藻主要分布在DO和溫度箭頭附近，且分布相對(duì)分散，表明硅藻的分布受DO和水溫的影響比較明顯，同時(shí)在各采樣點(diǎn)秋冬季節(jié)均鏡檢到大量的硅藻，表明硅藻對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力較強(qiáng)。在圖1所示區(qū)域，物種相對(duì)集中分布于氮磷比因子變量箭頭附近，說明氮磷比對(duì)該區(qū)域藻類的生長有著極大的影響。結(jié)合鏡檢物種結(jié)果分析可知，研究區(qū)水體中氮磷比對(duì)裸藻門、藍(lán)藻門和部分綠藻門藻類的生長和分布有十分明顯的影響。部分采樣點(diǎn)未檢出藍(lán)藻可能與氮磷比突變造成藍(lán)藻數(shù)量激變有一定的關(guān)系，其影響機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

表7 環(huán)境因子與CCA排序軸的相關(guān)系數(shù)Table 7 Correlation coefficients between environmental factors and CCA ordination axes

秋冬季各采樣點(diǎn)與環(huán)境因子之間的CCA排序見圖3。由圖3可見，由于溫度季節(jié)性差異明顯，使得秋冬季采樣點(diǎn)分化顯著，秋季采樣點(diǎn)主要分布在I區(qū)，冬季主要分布在II區(qū)。分析可知，秋季各采樣點(diǎn)浮游植物群落的分布與水溫有很顯著的正相關(guān)性，與DO，pH呈明顯的負(fù)相關(guān)，而與其他指標(biāo)的相關(guān)性不顯著。冬季各采樣點(diǎn)浮游植物群落的分布則與DO，pH，TP呈顯著的正相關(guān)性，與水溫顯著負(fù)相關(guān)，同時(shí)與氮營養(yǎng)鹽的濃度也有一定的正相關(guān)，與秋季相比，冬季的影響因子和影響機(jī)理更加復(fù)雜多變。

圖1 浮游植物物種與環(huán)境因子的CCA排序Fig.1 CCA ordination bi-plot between phytoplankton d environmental factors

圖2 秋冬季各采樣點(diǎn)與環(huán)境因子的CCA排序Fig.2 CCA ordination bi-plot between sampling points and environmental factors in autumn and winter

2.4 影響秦淮河浮游植物群落的主要環(huán)境因子分析

水體中浮游植物群落的種類組成和數(shù)量結(jié)構(gòu)變化具有一定的規(guī)律，其變化主要受相關(guān)的物理、化學(xué)和生物等環(huán)境因子的影響［11-14］，但不同地區(qū)不同水體的主要影響因子是不同的。Naselli-Flores等［15-16］研究表明，Arancio湖水溫、COND、庫容對(duì)浮游植物分布的影響最大，Rosamarina湖中硝氮、亞硝氮和混合水深及可溶性硅對(duì)浮游植物群落的影響最重要，而Sicilian水庫富營養(yǎng)程度、堿度和庫容變化對(duì)浮游植物影響最大;Habib等［17］認(rèn)為，Lomond湖浮游植物群落主要受水溫、DO、透明度和高錳酸鹽指數(shù)的影響;路娜等［18］指出，巢湖流域春季湖體浮游植物空間分布主要受水溫、濁度和NO-3-N的影響，流域內(nèi)河流浮游植物群落分布主要受葉綠素a、N-N和磷酸根濃度的影響;Licursi等［19］認(rèn)為硅藻能夠適應(yīng)多變的環(huán)境條件。南京地區(qū)四季分明，秋冬季水溫差異較大，各季節(jié)浮游植物組成相對(duì)穩(wěn)定，季節(jié)之間浮游植物數(shù)量對(duì)比明顯。結(jié)合秋冬季浮游植物群落分布、采樣點(diǎn)與環(huán)境因子之間典范對(duì)應(yīng)分析可知，秋冬季影響浮游植物群落的主要因子為水溫和DO，其次為氮磷營養(yǎng)鹽濃度和COND。氮磷比作為一個(gè)較為特殊的因子直接影響研究區(qū)藍(lán)藻、裸藻和特定綠藻的時(shí)空分布。另外，漢中門、文津橋、運(yùn)糧河3個(gè)采樣點(diǎn)的氮磷營養(yǎng)鹽、ORP、高錳酸鹽指數(shù)和COND指標(biāo)均高于其他采樣點(diǎn)，水質(zhì)較差，同時(shí)這3處有較高的綠藻豐度，說明綠藻對(duì)此類不良水質(zhì)的耐受程度較高，與CCA論述一致。秋冬季在各采樣點(diǎn)均有較高的硅藻豐度值，說明硅藻的環(huán)境適應(yīng)能力更好一些，這些與Licursi等的觀點(diǎn)相一致［19］。

3 結(jié) 論

a.南京市內(nèi)外秦淮河秋冬季共檢出藻類4門30屬37種，其種群組成隨季節(jié)變化較大，秋季以藍(lán)藻、硅藻為主(分別占總豐度的41.5%和36.7%)，而冬季硅藻占絕度優(yōu)勢(占總豐度的93.8%);秋季的浮游植物平均豐度(221.5萬cells/L)遠(yuǎn)高于冬季(153.4萬cells/L)，而生物量則正好相反(秋季為4.41mg/L，而冬季為6.58 mg/L)。

b.通過CCA排序圖和相關(guān)分析可知，綠藻對(duì)氮磷營養(yǎng)鹽濃度、高錳酸鹽指數(shù)等指標(biāo)較高的水體耐受能力較強(qiáng)，硅藻在各采樣點(diǎn)均有較高的豐度值，其對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力較強(qiáng)。氮磷比對(duì)研究區(qū)藍(lán)藻、裸藻和部分綠藻有直接的影響作用，機(jī)理需進(jìn)一步研究。

c.通過CCA排序表明，秋冬季影響秦淮河浮游植物群落時(shí)空分布的主要環(huán)境因子為水溫和DO，其次為氮磷營養(yǎng)鹽濃度和COND。

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