嫩江下游浮游植物群落結(jié)構(gòu)及其影響因子

卞少偉，于洪賢，馬成學(xué)，霍堂斌

(1.天津市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,300191,天津；2.東北林業(yè)大學(xué),150040,哈爾濱；2.中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院黑龍江水產(chǎn)研究所,150070,哈爾濱)

嫩江下游浮游植物群落結(jié)構(gòu)及其影響因子

卞少偉1，于洪賢2*，馬成學(xué)2，霍堂斌3

(1.天津市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,300191,天津；2.東北林業(yè)大學(xué),150040,哈爾濱；2.中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院黑龍江水產(chǎn)研究所,150070,哈爾濱)

2011年春季(5月)和夏季(7月)，系統(tǒng)調(diào)查研究了嫩江下游對(duì)浮游植物結(jié)構(gòu)群落組成、豐度的分布特征及與環(huán)境因子的關(guān)系。10個(gè)采樣點(diǎn)中共鑒定出浮游植物7門101種及變種，春季和夏季的優(yōu)勢(shì)種以硅藻門為主：變綠脆桿藻、尖針桿藻、梅尼小環(huán)藻、短線脆桿藻、肘狀針桿藻。不同季節(jié)各采樣點(diǎn)浮游植物生物量在0.03～3.19 mg/L之間，豐度變幅在(0.60～32.40)×105ind./L之間。Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)在2.00～3.94之間，Pielou均勻度指數(shù)(J′)的在0.46～0.98之間，Margalef豐富度指數(shù)(d)在1.72～4.89之間。典范對(duì)應(yīng)分析(CCA)表明，水體溫度是影響該水域浮游植物分布格局的重要因子，電導(dǎo)率和總磷濃度也對(duì)浮游植物的分布有較大的影響。CCA排序圖較好顯示了浮游植物物種分布和環(huán)境因子之間的關(guān)系。

嫩江；浮游植物；群落結(jié)構(gòu)；環(huán)境因子；典范對(duì)應(yīng)分析

0 引言

嫩江是中國(guó)松花江最大支流，位于黑龍江省的中西部。源出于大興安嶺北麓伊勒呼里山，南流到鎮(zhèn)賚縣，最終經(jīng)吉林省大安市在三岔河匯入松花江。全長(zhǎng)1 370 km，流域面積28.3×104km2。依其地形、地貌和河谷特征，分為上游、中游、下游3段。自嫩江河源到嫩江縣城為上游段；由嫩江縣城到莫力達(dá)瓦達(dá)斡爾族自治旗的尼爾基(前稱布西)為中游段；從尼爾基到三岔河口為下游段。嫩江的年內(nèi)和年際及地區(qū)上的降水變化差異較大，最大年降水量為937.4 mm，最小年降水量為152.5 mm。年降水量主要集中在6-9月份，約占全年降水量的82%，其中7、8月的2個(gè)月所占比重最大。

近幾年，隨著嫩江流域毗鄰城市的社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，人類活動(dòng)的加劇，導(dǎo)致嫩江流域的水生態(tài)問(wèn)題日益凸顯，水質(zhì)狀況出現(xiàn)局部惡化的現(xiàn)象[1-3]?，F(xiàn)今對(duì)嫩江下游水環(huán)境質(zhì)量狀況進(jìn)行的研究還不全面，主要集中在水環(huán)境理化指標(biāo)的監(jiān)測(cè)，利用浮游植物對(duì)嫩江進(jìn)行生物監(jiān)測(cè)方面的研究很少。浮游植物是水域生態(tài)系統(tǒng)的重要組成成分，也是生態(tài)系統(tǒng)中的初級(jí)生產(chǎn)者[4]。所以其組成和多樣性的變化將直接影響到生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能，對(duì)維持淡水生態(tài)系統(tǒng)平衡起到至關(guān)重要的作用[5-8]。浮游植物的動(dòng)態(tài)變化直接影響著水體的水質(zhì)變化，富營(yíng)養(yǎng)化水體最直接的表現(xiàn)是水體中浮游植物繁殖迅速，出現(xiàn)水華。在不同的地區(qū)，不同水域中，浮游植物季節(jié)變化不同，而且引起浮游植物群落結(jié)構(gòu)變化的環(huán)境因子也不相同，其群落結(jié)構(gòu)的特征，往往也是水環(huán)境狀況的重要指標(biāo)[9-12]。本文首次較系統(tǒng)地調(diào)查分析了嫩江下游浮游植物群落組成、豐度及其空間分布特征，應(yīng)用典范對(duì)應(yīng)分析(canonical correspondence analysis,CCA)初步探討了嫩江下游浮游植物群落與環(huán)境因子間的關(guān)系，為利用浮游植物進(jìn)行河流水質(zhì)監(jiān)測(cè)工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1浮游植物樣品采集與分析

2011年5月和7月根據(jù)嫩江下游的氣候特點(diǎn)，共布設(shè)10個(gè)采樣點(diǎn)，進(jìn)行采樣工作。采樣具體位置(見(jiàn)圖1)。定性樣品用25#的浮游生物網(wǎng)(網(wǎng)孔直徑0.064 mm)在水體表面(0～0.5 m)按“∞”字形拖取3-5 min，濾液用1.5%體積的魯哥試液和2%～4%甲醛固定，沉淀48 h，濃縮為30 mL保存。顯微鏡檢計(jì)數(shù)時(shí)充分搖勻，吸取0.1 mL滴入0.1 mL計(jì)數(shù)框內(nèi)計(jì)數(shù)、分析、鑒定[13-14]。

1.2環(huán)境因子測(cè)定

透明度(SD)用塞奇氏盤測(cè)定；水溫(WT)、酸堿度(pH)、溶解氧(DO)、葉綠素a(chlorophyll a)、電導(dǎo)率(COND)用多功能水質(zhì)分析儀YSI-6600來(lái)測(cè)定，總氮(TN)、總磷(TP)、化學(xué)需氧量(CODMn)、5日生化需氧量(BOD5)等參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》(國(guó)家環(huán)?？偩郑?002)測(cè)定。

圖1 嫩江下游浮游植物采樣點(diǎn)分布示意圖

1.3數(shù)據(jù)處理

1.3.1 多樣性指數(shù)的計(jì)算 多樣性指數(shù)包括優(yōu)勢(shì)度、Shannon-Wiener指數(shù)(H′)、Pielou均勻度指數(shù)(J′)、Margalef豐富度指數(shù)(d)，計(jì)算公式如下[15-19]：

式中,ni為第i種的數(shù)量，N為采集樣品中的所有種類總個(gè)體數(shù)；S為采集樣品中的種類總數(shù)；fi為該種在各樣品中出現(xiàn)的頻率，y>0.02 為優(yōu)勢(shì)種。

采用Canoco for Windows 4.5軟件對(duì)物種數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行典范對(duì)應(yīng)分析，物種數(shù)據(jù)采用浮游植物豐度指標(biāo)，按照物種在各樣點(diǎn)出現(xiàn)的頻度>12.5%，物種在至少一個(gè)樣點(diǎn)的相對(duì)密度≧1%[20]入選矩陣，物種矩陣經(jīng)過(guò)lg(x+1)轉(zhuǎn)換，環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)lg(x+1)轉(zhuǎn)換[21]，排序結(jié)果用物種-環(huán)境因子關(guān)系的雙序圖表示[22]。

2 結(jié)果與分析

2.1嫩江下游浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征

2.1.1 浮游植物的種類組成和優(yōu)勢(shì)種 2011年春季(5月)和夏季(7月)，對(duì)嫩江下游浮游植物調(diào)查，共鑒定出浮游植物7門101種及變種。其中：硅藻門52種及變種，占總數(shù)51.5%，綠藻門24種及變種，占23.8%，藍(lán)藻門14種，占13.9%，金藻門6種，占5.9%，裸藻門2種，占2.0%，隱藻門2種，占2.0%，甲藻門1種，占1.0%。從季節(jié)的變化上看，春季共鑒定浮游動(dòng)物80種；夏季共鑒定浮游植物48種。不同季節(jié)浮游植物主要優(yōu)勢(shì)種類不同，春季(5月)優(yōu)勢(shì)種為8種，夏季(7月)為5種，在春季(5月)和夏季(7月)均形成以硅藻門為優(yōu)勢(shì)的浮游植物群落,見(jiàn)表1。

表1 嫩江下游不同季節(jié)浮游植物優(yōu)勢(shì)種及其豐度

2.1.2 浮游植物的數(shù)量特征 嫩江下游浮游植物數(shù)量分布特征，春季和夏季各采樣點(diǎn)浮游植物細(xì)胞豐度在0.60×105～32.4×105ind./L之間，生物量在0.03～3.19 mg/L之間。其中：春季9#采樣點(diǎn)浮游植物豐度最大，春季6#采樣點(diǎn)次之，夏季3#和6#采樣點(diǎn)浮游植物豐度最?。淮杭?#采樣點(diǎn)浮游植物的生物量最大，春季9#采樣點(diǎn)次之，夏季6#采樣點(diǎn)生物量最小。如圖2所示嫩江下游浮游植物豐度和生物量的變化趨勢(shì)基本一致。

2.1.3 生物多樣性指數(shù) 嫩江下游浮游植物多樣性指數(shù)(H′)、均勻度指數(shù)(J′)和豐富度(d)的變化如圖3所示， Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)在2.00～3.94之間變化；Pielou均勻度指數(shù)(J′)的在0.46～0.98之間變化；Margalef豐富度指數(shù)(d)在1.72～4.89之間變化。

使用Shannon-Wiener指數(shù)值評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，嫩江下游春季和夏季整體上水體輕污染或無(wú)污染(其中1>H′>0為重污染，1>H′>3為中污染，H′>3為輕污染或無(wú)污染)。經(jīng)計(jì)算后采用Pielous均勻度指數(shù)(J′)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，嫩江下游為輕污染或無(wú)污染水質(zhì)(其中0.3>J′>0為重污染，0.>J′>0～3為中污染，0.8>J′>0.5為輕污染或無(wú)污染)。經(jīng)計(jì)算后采用Margalef指數(shù)值(d)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，春季重污染點(diǎn)位有30%，中污染點(diǎn)位有40%，輕污染或無(wú)污染點(diǎn)位有30%；夏季重污染點(diǎn)位有80%，中污染點(diǎn)位有20%(其中3>d>0為重污染，4>d>3為中污染，d>4為輕污染或無(wú)污染)。

圖3 嫩江下游不同季節(jié)浮游植物的多樣性、均勻度、豐富度指數(shù)變化

2.2嫩江下游浮游植物與環(huán)境因子的關(guān)系

根據(jù)浮游植物出現(xiàn)頻率和相對(duì)豐度，選取了22種浮游植物用于CCA分析，浮游植物代碼見(jiàn)表2。分析結(jié)果中，第1、第2排序軸的特征值分別為0.178 和0.148，環(huán)境因子軸與物種排序軸之間的相關(guān)系數(shù)分別為0.891 和0.977(表3)。物種變異積累百分?jǐn)?shù)分別為23.5%和43.0%；物種-環(huán)境變異積累百分?jǐn)?shù)分別為36.3%和66.5%；2個(gè)物種排序軸近似垂直，相關(guān)系數(shù)為0.044，2個(gè)環(huán)境排序軸的相關(guān)系數(shù)為0(表3)，說(shuō)明了排序結(jié)果可靠[23]，排序軸與環(huán)境因子間線性結(jié)合的程度較好地反映了物種與環(huán)境之間的關(guān)系。在由主軸l和主軸2構(gòu)成的排序圖中，環(huán)境因子用帶有箭頭的線段表示，向量長(zhǎng)短代表了其在主軸中的作用，所以經(jīng)圖4可知，水體的水溫、電導(dǎo)率、總磷是影響嫩江下游浮游植物群落結(jié)構(gòu)的主要因子。

表2 CCA分析中浮游植物種類代碼

3 討論與結(jié)論

在調(diào)查期內(nèi)，共觀察到浮游植物7門101種及變種，浮游植物的細(xì)胞豐度范圍在0.60×105～32.4×105ind./L之間。有研究表明，營(yíng)養(yǎng)較低的水體中常以甲藻、隱藻、硅藻類占優(yōu)勢(shì)，而富營(yíng)養(yǎng)水體則常以綠藻、藍(lán)藻類占優(yōu)勢(shì)[24]。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，嫩江下游群落組成以硅藻為主，同時(shí)結(jié)合水質(zhì)生物學(xué)評(píng)價(jià)，表明大多數(shù)點(diǎn)位水體營(yíng)養(yǎng)化程度不高。

表3 CCA排序中前2個(gè)排序軸的特征值與環(huán)境排序軸間的相關(guān)系數(shù)

SPECAX1SPECAX2ENVIAX1ENVIAX2SPECAX11．000SPECAX20．0441．000ENVIAX10．8910．0001．000ENVIAX20．0000．9770．0001．000WT/℃0．762-0．1280．855-0．131SD/m-0．5100．412-0．5720．422pH0．1310．4340．1470．444DO/mg·L-1-0．6100．227-0．6850．232COND/μs·cm-10．169-0．8620．189-0．882NH4-N/mg·L-10．334-0．7480．375-0．765TOC/mg·L-1-0．6470．249-0．7260．255CODMn/mg·L-1-0．699-0．105-0．785-0．107BOD5/mg·L-1-0．710-0．139-0．796-0．143TN/mg·L-1-0．508-0．257-0．570-0．263TP/mg·L-1-0．392-0．776-0．440-0．795

圖4 嫩江下游浮游植物與環(huán)境因子的CCA三維排序圖

群落物種多樣性是群落組織獨(dú)特的生物學(xué)特征，它反映了群落特有的物種組成和個(gè)體密度特征[25]。一般而言，種類越多或各物種間比例越均勻，群落物種的Shannon-Wiener指數(shù)值越大。物種多樣性也是反映水體營(yíng)養(yǎng)狀況的重要參數(shù)，浮游植物的優(yōu)勢(shì)種群及群落結(jié)構(gòu)特征指數(shù)的變化可在一定程度上反映環(huán)境的變化。嫩江下游浮游植物群落Shannon-Wiener多樣性指數(shù)的變化在2.00～3.94之間，故整體處于輕-中污染狀態(tài)，說(shuō)明水質(zhì)已經(jīng)受到一定程度的污染。嫩江下游各采樣點(diǎn)浮游植物豐度的空間分布并不是均勻的(圖2)，這與各采樣點(diǎn)的生態(tài)及營(yíng)養(yǎng)條件的差異是分不開(kāi)的，1#、2#、3#、5#、8#采樣點(diǎn)水流較快，含砂量大，兩岸多被植被覆蓋，水質(zhì)貧瘠，有機(jī)物含量低，因此，浮游植物密度較低；而其他江段尤其是9#采樣點(diǎn)的江段，水流較慢，兩岸土壤大多裸露，人類活動(dòng)密集，河水含砂量減少，肥沃度逐漸增加，有機(jī)物含量充足，因此這個(gè)采樣點(diǎn)浮游植物密度豐度要高于其他點(diǎn)位。

通過(guò)環(huán)境因子對(duì)嫩江下游浮游植物種類、密度影響的分析結(jié)果表明，水溫、電導(dǎo)率、總磷電導(dǎo)率是影響嫩江下游浮游植物密度及種類的重要因素。溫度對(duì)藻類生命活動(dòng)的影響主要通過(guò)控制光合作用的酶促反應(yīng)或呼吸作用強(qiáng)度，直接影響藻類的生長(zhǎng)，并且通過(guò)控制各種理化過(guò)程間接影響藻類的生長(zhǎng)[26]。硅藻的生長(zhǎng)的最適溫度為10～25 ℃[27]，調(diào)查期間嫩江下游的水溫在9.38～26.05 ℃之間，平均溫度為19.39 ℃，因此，水溫是嫩江下游浮游植物春季和夏季硅藻豐度增多的主要原因。嫩江下游有機(jī)物質(zhì)來(lái)源主要有上游城市和當(dāng)?shù)鼐用竦纳钗鬯?、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)地表徑流等，進(jìn)入水體的有機(jī)物經(jīng)氧化分解，最終變?yōu)楦∮沃参锟芍苯永玫臓I(yíng)養(yǎng)鹽。已有研究表明，營(yíng)養(yǎng)鹽的增加在一定范圍內(nèi)可以引起藻類密度的增加，是導(dǎo)致藻類繁茂的主要原因[28]，這是由于水體中的營(yíng)養(yǎng)鹽作為浮游植物賴以增殖的基礎(chǔ)，其數(shù)量與分布能影響浮游植物的數(shù)量動(dòng)態(tài)，同時(shí)由于水體水質(zhì)的電導(dǎo)率高低與營(yíng)養(yǎng)鹽濃度有關(guān)[29]。因此，電導(dǎo)率和總磷濃度與嫩江下游浮游植物密度及屬類數(shù)呈極顯著相關(guān)性，與許多國(guó)內(nèi)外研究者[30-32]的調(diào)查結(jié)果相類似。但是不同區(qū)域水體對(duì)浮游植物影響的環(huán)境因子并不一致，有研究表明[33]，透明度、總磷對(duì)浮游植物的影響最大；另外除主要的環(huán)境因子外，人為干擾以及浮游動(dòng)物的下行效應(yīng)[21]等在很大程度上也影響水域內(nèi)浮游植物的群落結(jié)構(gòu)[34]。

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CommunityStructureofPhytoplanktonsintheDownstreamofNenjiangRiverandRelatedAffectingFactors

BIAN Shaowei1,YU Hongxian2*,MA Chengxue2,HUO Tangbin3

(1.Tianjin Environmental Monitoring Centre,300191,Tianjin,PRC;2.Northeast Forestry University,150040,Harbin,PRC;2.Chinese Academy of Fishery Sciences.Heilongjiang River Fisheries Research Institute,150070,Harbin,PRC)

An investigation was conducted on the phytoplankton′s community composition,abundance,and their relations with environmental factors in the downstream of Nenjiang River in spring (May) and autumn(July),2011.A total of 101 phytoplankton species were identified,belonging to 7 phyla.Dominant species are completely from Bacillariophyta in spring and autumn.they areFragilariavirescens、Synedraacus、Cyclotellameneghiniana、Fragilariabrevistriata、Synedraulnaand so on.The phytoplankton′s biomass of different sampling sites were from 0.03 mg/L to 3.19 mg/L,and abundance at 0.60×105to 32.40×105ind/L in different seasons.Shannon-Wiener diversity index from 2.00 to 3.94,Pielou′s index from 0.46 to 0.98,and Margalef′s index from 1.72 to 4.89.Canonical correspondence analysis (CCA) showed that water temperature was the most important factor affecting the phytoplankton′s community structure,and total phosphorous concentration also played important role for the community structure.The CCA ordination plots could well display the phytoplankton′s community structure and its relationships with environmental factors.

Nenjiang River;phytoplankton;community structure;environmental factor;canonical correspondence analysis (CCA)

2014-05-21;

2014-08-21

卞少偉(1986-)，男，碩士，主要研究方向：水環(huán)境生物學(xué)。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40830535)；國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)資助(2008ZX07207-010-04)。

10.13990/j.issn1001-3679.2014.05.013

Q949.2

A

1001-3679(2014)05-0630-06

*通訊作者：于洪賢(1962-)，女，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：濕地保護(hù)與利用、水生生物分類及鑒定、水環(huán)境監(jiān)測(cè)等。Email:chinayhx@163.com。