基于RDA的白洋淀浮游植物群落動(dòng)態(tài)特征分析

劉存歧，孔祥玲,張治榮，田志富

(河北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，河北保定　071002)

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基于RDA的白洋淀浮游植物群落動(dòng)態(tài)特征分析

劉存歧，孔祥玲,張治榮，田志富

(河北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，河北保定071002)

2010年4-11月采樣調(diào)查了白洋淀浮游植物群落組成和時(shí)空變化特征，利用冗余分析(RDA)方法分析了影響浮游植物群落分布的主要環(huán)境因子.共檢出浮游植物8門(mén)183種(屬)，以藍(lán)藻、綠藻和硅藻為主.浮游植物的密度在8.68×106～314.32×106/L內(nèi)變化,最大值出現(xiàn)在秋季(9月)，最小值出現(xiàn)在冬季(11月).采蒲臺(tái)水體的Shannon-Wiener指數(shù)和均勻度指數(shù)最高,王家寨和南劉莊則較低.水溫、透明度和高錳酸鉀指數(shù)對(duì)白洋淀浮游植物群落的分布和動(dòng)態(tài)變化影響最大，而pH值和總磷濃度對(duì)綠藻門(mén)和藍(lán)藻門(mén)種類(lèi)影響較為明顯.控制有機(jī)污染物和磷的排放是解決白洋淀富營(yíng)養(yǎng)化的主要措施.

白洋淀；浮游植物；環(huán)境因子；冗余分析

浮游植物是水域生態(tài)系統(tǒng)中的初級(jí)生產(chǎn)者，是食物鏈的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，其種類(lèi)組成和豐度變化直接影響水體水質(zhì)、系統(tǒng)內(nèi)能量流和物質(zhì)流[1].浮游植物群落的結(jié)構(gòu)與水體光照、營(yíng)養(yǎng)鹽等環(huán)境因子直接相關(guān)，因此浮游植物群落常用來(lái)評(píng)價(jià)水體水質(zhì)狀況[2].

隨著群落分析技術(shù)的發(fā)展，多元統(tǒng)計(jì)分析方法被廣泛應(yīng)用到生物群落的物種-環(huán)境關(guān)系的分析之中，包括主成分分析(PCA)、典型對(duì)應(yīng)分析(CCA)、去趨勢(shì)對(duì)應(yīng)分析(DCCA)和冗余分析(RDA)等[3-4].RDA是一種直接梯度排序方法，能夠評(píng)價(jià)一組變量和另外一組變量數(shù)據(jù)之間的關(guān)系[5].相對(duì)于其他排序方法而言，RDA分析可同時(shí)結(jié)合多個(gè)環(huán)境因子，結(jié)果直觀、明確且包含的信息量大.國(guó)內(nèi)應(yīng)用RDA分析生物群落的相關(guān)報(bào)道較少，而國(guó)外的研究也主要集中在影響生物[6]、植被[7]、景觀[8]分布的環(huán)境因子的甄選.白洋淀是華北地區(qū)最大的內(nèi)陸淺水淡水湖泊，受上游來(lái)水減少和人類(lèi)干擾影響，生態(tài)狀況不斷惡化.20世紀(jì)90年代以來(lái)，雖然較多學(xué)者利用浮游植物群落評(píng)價(jià)了白洋淀水質(zhì)的狀況[9-13]，但對(duì)影響浮游植物群落的主要因子的甄別有所不足.本文在2010年對(duì)白洋淀進(jìn)行了4次浮游植物群落和水體環(huán)境因子的調(diào)查，利用RDA分析了群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子之間的關(guān)系，以期為白洋淀的生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)和生態(tài)恢復(fù)提供參考.

1　材料和方法

1.1采樣點(diǎn)設(shè)置和采樣時(shí)間

1.端村；2.采蒲臺(tái)；3.圈頭；4.光淀； 5.王家寨；6.棗林莊；7.燒車(chē)淀；8.南劉莊.圖1　白洋淀采樣點(diǎn)分布Fig.1　Sampling sites of Baiyangdian Lake

根據(jù)白洋淀環(huán)境狀況，設(shè)置8個(gè)采樣點(diǎn)(圖1)用于浮游植物采樣和環(huán)境因子監(jiān)測(cè)[12].本次調(diào)查采樣時(shí)間為2010年4月、7月、9月和11月.

1.2水樣采集、處理和分析

用采水器在0.5 m水深處采取1 000 mL水樣，現(xiàn)場(chǎng)加入15 mL魯哥氏液并搖勻.水樣被帶回實(shí)驗(yàn)室后靜置沉淀24 h，并濃縮定容至30 mL.在10×40倍顯微鏡下進(jìn)行鏡檢鑒定和計(jì)數(shù).

在監(jiān)測(cè)的水體理化因子中，水溫(t)、溶解氧(DO)和pH用便攜式測(cè)量?jī)x測(cè)定，透明度(SD)用黑白塞氏盤(pán)測(cè)定，總氮(TN)、總磷(TP)和氨氮(NH4+-N)按照國(guó)家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)方法(GB 3838—2002)測(cè)定，五日生化需氧量(BOD5)用稀釋接種法測(cè)定，高錳酸鉀指數(shù)(CODMn)用酸性高錳酸鉀法測(cè)定.

1.3生物多樣性指數(shù)的計(jì)算

生物多樣性指數(shù)采用Shannon-Wiener指數(shù)和均勻度(Evenness)指數(shù).Shannon-Wiener指數(shù)H′采用公式(1)計(jì)算

(1)

式中，S為藻類(lèi)種數(shù)，pi為第i種藻類(lèi)占整個(gè)藻類(lèi)個(gè)體數(shù)的比例.

均勻度指數(shù)J采用公式(2)計(jì)算

(2)

式中，H′為Shannon-Wiener指數(shù)，S為藻類(lèi)種數(shù).

1.4數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 17.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和處理.采用Canoco 4.5軟件對(duì)浮游藻類(lèi)群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子之間的關(guān)系進(jìn)行冗余分析(RDA).在各樣點(diǎn)出現(xiàn)的頻度大于12.5%且相對(duì)密度至少在1個(gè)樣點(diǎn)大于1%的物種用作分析物種[14-15].除pH之外，物種密度和環(huán)境因子數(shù)據(jù)均進(jìn)行l(wèi)og(x+1)轉(zhuǎn)換[15-16].

2　結(jié)果與分析

2.1白洋淀水體環(huán)境因子的變化

白洋淀各采樣點(diǎn)的環(huán)境因子的變化見(jiàn)表1，除pH外，各月份間環(huán)境因子變化較大，可用于生物-環(huán)境因子分析.

表1　白洋淀水體環(huán)境因子狀況Tab.1　Variations of environmental factors of the Baiyangdian Lake

2.2白洋淀浮游植物的數(shù)量特征

2.2.1浮游植物群落組成

經(jīng)4次取樣調(diào)查，共鑒定出浮游植物8門(mén)183種(屬).其中，綠藻門(mén)69種(屬)，占總種數(shù)的37.7%；硅藻門(mén)38種(屬)，占20.8%；藍(lán)藻門(mén)33種(屬)，占18.0%；裸藻門(mén)23種(屬)，占12.6%；隱藻門(mén)8種，占4.4%；甲藻門(mén)5種(屬)，占2.7%；金藻門(mén)4種，占2.2%；黃藻門(mén)最少僅3種，占1.6%.

2.2.2浮游植物密度

調(diào)查期間，浮游植物密度的變化為8.68×106～314.32×106/L，9月浮游植物密度最高，11月最低(表2).從空間變化來(lái)看，1號(hào)、5號(hào)和7號(hào)采樣點(diǎn)的浮游植物月平均密度較高，2號(hào)和8號(hào)采樣點(diǎn)最低，其余各樣點(diǎn)間差別較小(圖2).從圖3可以看出，全年白洋淀水體的浮游植物密度以藍(lán)藻門(mén)種類(lèi)為主(60%～84%)；其次為綠藻門(mén)種類(lèi)，所占比例為12%～22%；硅藻門(mén)和隱藻門(mén)的種類(lèi)所占比例在4月和11月較高；黃藻門(mén)、金藻門(mén)和甲藻門(mén)的種類(lèi)全年所占比例均較低.

表2　白洋淀浮游植物密度時(shí)間變化Tab.2　Variation of phytoplankton density in Baiyangdian Lake

圖2　白洋淀浮游植物密度的變化Fig.2　Changes of phytoplankton density in Baiyangdian Lake

圖3　白洋淀浮游植物密度組成　　Fig.3　Composition of phytoplankton density of Baiyangdian Lake

2.2.3浮游植物群落多樣性

2010年白洋淀浮游植物Shannon-Wiener指數(shù)變化為2.42～3.43，平均為2.77.其中，2號(hào)采樣點(diǎn)最高，5號(hào)和8號(hào)最低.各樣點(diǎn)浮游植物均勻度指數(shù)的變化與Shannon-Wiener指數(shù)變化規(guī)律類(lèi)似(圖4).

圖4　白洋淀各采樣點(diǎn)浮游植物群落多樣性指數(shù)Fig.4　Biodiversity of phytoplankton community in Baiyangdian Lake

2.3浮游植物群落組成與環(huán)境因子之間相關(guān)性

根據(jù)RDA分析物種選擇原則[15-17]，共選取48個(gè)物種用作分析物種，編碼見(jiàn)表3.

表3　用于RDA分析的白洋淀48個(gè)浮游植物物種編碼Tab.3　Codes of 48 phytoplankton species of Baiyangdian Lake for RDA

白洋淀全年浮游植物群落與環(huán)境因子RDA分析結(jié)果如圖5所示，前2個(gè)主成分的特征值分別為0.148和0.085，物種與環(huán)境因子的相關(guān)系數(shù)都較高，分別為0.928和0.881，說(shuō)明環(huán)境因子對(duì)浮游植物群落的動(dòng)態(tài)分布有顯著影響.

藍(lán)藻門(mén)和裸藻門(mén)的物種主要發(fā)生在夏、秋2季，而隱藻門(mén)和硅藻門(mén)的藻類(lèi)主要發(fā)生在春、冬2季. 4、7和9月份，白洋淀浮游植物主要受營(yíng)養(yǎng)鹽和水溫的影響；11月份，浮游植物主要受透明度和營(yíng)養(yǎng)鹽的影響.從浮游植物種類(lèi)組成與環(huán)境因子的關(guān)系來(lái)看，藍(lán)藻門(mén)和裸藻門(mén)的種類(lèi)與水溫表現(xiàn)出正相關(guān)，隱藻門(mén)和硅藻門(mén)的種類(lèi)則與水溫表現(xiàn)為負(fù)相關(guān).綠藻門(mén)和藍(lán)藻門(mén)種類(lèi)受水體pH值和總磷濃度的影響較為明顯.CODMn對(duì)裸藻門(mén)和硅藻門(mén)藻類(lèi)種類(lèi)作用較強(qiáng).除綠藻門(mén)和隱藻門(mén)的幾種藻類(lèi)外，水體透明度與浮游植物密度間均表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，說(shuō)明了水體透明度和浮游植物緊密的相互關(guān)系.

圖5　白洋淀浮游植物種類(lèi)與環(huán)境變量的排序

3　討論

3.1白洋淀浮游植物群落結(jié)構(gòu)以及水質(zhì)的變化

白洋淀受自然和人為干擾嚴(yán)重，浮游植物群落也發(fā)生了巨大變化，1984年白洋淀區(qū)域徹底干涸，淀區(qū)浮游植物幾乎絕跡.重新蓄水后，1991年浮游植物的種類(lèi)組成和數(shù)量達(dá)到最高水平，浮游植物群落結(jié)構(gòu)恢復(fù)，水質(zhì)有由中性或微堿性貧營(yíng)養(yǎng)化水平向堿性富營(yíng)養(yǎng)化水平轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)[11].同時(shí)顯示白洋淀屬于藍(lán)藻-硅藻型富營(yíng)養(yǎng)型湖泊[10].沈會(huì)濤和劉存歧[12]于2005—2006年應(yīng)用理化因子的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)分析對(duì)白洋淀的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià),表明白洋淀區(qū)域年周期的營(yíng)養(yǎng)程度處于富營(yíng)養(yǎng)化水平.而王瑜等[13]在2009年調(diào)查發(fā)現(xiàn)綠藻門(mén)的小球藻屬、藍(lán)藻門(mén)的不定微囊藻已成為白洋淀浮游植物的優(yōu)勢(shì)種，表明了白洋淀水體已成為富營(yíng)養(yǎng)化水平，并且有向重富營(yíng)養(yǎng)化過(guò)渡的趨勢(shì).

本研究結(jié)果表明，白洋淀共有浮游植物8門(mén)183種(屬)，浮游植物種類(lèi)組成上以綠藻門(mén)、硅藻門(mén)和藍(lán)藻門(mén)為主，尤其是綠藻門(mén)種類(lèi)已占浮游植物總種數(shù)的37.7%.白洋淀綠藻門(mén)中小球藻、柵藻、十字藻和蹄形藻占優(yōu)勢(shì)，這些物種均為水體富營(yíng)養(yǎng)化的指示物種[18-19]，說(shuō)明白洋淀水體已呈高度富營(yíng)養(yǎng)化.

3.2影響白洋淀浮游植物群落結(jié)構(gòu)的主要環(huán)境因子

浮游植物的群落演替受水體中環(huán)境因子的綜合影響，水溫和營(yíng)養(yǎng)鹽是影響浮游植物生長(zhǎng)的關(guān)鍵因子，而其他因子通過(guò)作用于水溫和營(yíng)養(yǎng)鹽間接起作用[20-21].通過(guò)RDA分析，7月和9月水溫較高，喜高溫的藍(lán)藻門(mén)、裸藻門(mén)和綠藻門(mén)的一些種類(lèi)生長(zhǎng)繁殖較為旺盛，而4月和11月水溫較低，適宜硅藻、隱藻和金藻等門(mén)類(lèi)浮游植物的生長(zhǎng).沈會(huì)濤和劉存歧[12]2005年的研究發(fā)現(xiàn)，水體的pH和總磷濃度是強(qiáng)烈影響白洋淀浮游植物群落的組成和分布.石曉丹等[22]研究表明，水溫、高錳酸鉀指數(shù)和TN是影響蘇州平原網(wǎng)區(qū)淺水湖泊浮游植物群落分布的主要環(huán)境因子.Habib等[17]認(rèn)為水溫、溶氧量、透明度和高錳酸鹽指數(shù)是影響Lomond湖浮游植物群落的主要因素.從本次調(diào)查分析結(jié)果看，水溫、透明度和高錳酸鉀指數(shù)對(duì)白洋淀浮游植物群落的分布和動(dòng)態(tài)變化影響最大，而pH值和總磷濃度對(duì)綠藻門(mén)和藍(lán)藻門(mén)種類(lèi)影響較為明顯.因此，控制有機(jī)污染物和磷的排放是解決白洋淀水質(zhì)惡化的主要途徑.

[1]HORNE A J，GOLDMAN C R.Limnology[M].2ed. New York:McGraw-Hill Companies，1994：226-264.

[2]SANNA S，MARIA L，MAIJA H.Long-term changes in summer phytoplankton communities of the open northern Baltic Sea[J].Estuarine，Coastal and Shelf Science，2006，71(3-4):580-592.DOI:10.1016/j.ecss.2006.09.004

[3]TER BRAAK C J F.CANOCO-a FORTRAN program for canonical community ordination by partial detrended canonical correspondence analysis，principal component analysis and redundancy analysis(version 2.1)[M].Wageningen:Agriculture Mathematics Group，Ministry of Agriculture and Fisheries，1988.

[4]TER BRAAK C J F，SMILAUER F P.CANOCO reference manual and canodraw for windows.User’s guide:software for Canonical Ordination(version 4.5)[M].New York:Microcomputer Power，Ithaca,2002.

[5]TER BRAAK C J F.Canonical correspondence analysis:a new eigenvector technique for multivariate direct gradient analysis[J].Ecology，1986，67:1167-1179.

[6]KRISTIE N，SVEN U，ROBERT H.Is light the limiting factor for the distribution of benthic symbiont bearing foraminifera on the Great Barrier Reef[J].Journal of Experimental Marine Biology and Ecology，2008,363:48-57.DOI:10.1016/j.jembe.2008.06.01.

[7]ELKE H，RAINER W，ANNETTE O.Statistical modeling of landcover changes based on key socio-economic indicators[J].Ecological Economics，2007，62:496-507.DOI:10.1016/j.ecolecon.2006.07.011.

[8]KARYNE B，ANDREE B，GEERALD D.Abandoned farmlands as components of rural landscaper:an analysis of perceptions and representations[J].Landscape and Urban Planning，2007，83:228-244.DOI:10.1016/j.landurbplan.2007.04.009.

[9]馮建社.白洋淀浮游植物與水質(zhì)評(píng)價(jià)[J].江蘇環(huán)境科技,1999,2:27-29.

FENG Jianshe.Phytoplankton and evaluation of water quality in Baiyangdian Lake[J].Jiangsu Environment Science and Technology,1999，2:27-29.

[10]劉淑芳，李文彥，文麗青，等.白洋淀浮游植物調(diào)查及營(yíng)養(yǎng)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)[J].環(huán)境科學(xué),1995,16:11-13.

[11]張義科，張雪松，田玉梅.利用浮游植物群落評(píng)價(jià)白洋淀水質(zhì)的研究[J].河北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，1997,17(4):39-46.

ZHANG Yike，ZHANG Xuesong，TIAN Yumei.Study on Assessment of water quality of the Lake Baiyangdian-using phytoplankton on community structure[J].Journal of Hebei University(Natural Science Edition)，1997,17(4):39-46.

[12]沈會(huì)濤，劉存歧.白洋淀浮游植物群落及其與環(huán)境因子的典范對(duì)應(yīng)分析[J].湖泊科學(xué)，2008，20(1):773-779.

SHEN Huitao，LIU Cunqi.Canonical correspondence analysis of phytoplankton community and its environmental factors in the Lake Baiyangdian[J].Journal of Lake Science，2008，20(1):773-779.

[13]王瑜，劉錄三，舒儉民，等.白洋淀浮游植物群落結(jié)構(gòu)與水質(zhì)評(píng)價(jià)[J].湖泊科學(xué),2011,23(4):575-580.

WANG Yu，LIU Lusan，SHU Jianmin，et al.The community structure of phytoplankton and water quality assessment in Lake Baiyangdian[J].Journal of Lake Science，2011,23(4):575-580.

[14]LOPES M R M，BICUDO C E M，F(xiàn)ERRAGUT M C.Short term spatial and temporal variation of phytoplankton in a shallow tropical oligotrophic reservoir，southeast Brazil[J].Hydrobiologia，2005,542:235-247.

[15]MUYLAERT K，SABBE K，VYVERMAN W.Spatial and temporal dynamics of phytoplankton communities in a freshwater tidal estuary(Schelde，Belgium)[J].Estuarine,Coastal and Shelf Science，2000,50:673-687.DOI:10.1006/ecss.2000.0590.

[16]FLORES L N，BARONE R.Phytoplankton dynamics in two reservoirs with different trophic state(Lake Rosamarina and Lake Arancio，Sicily，Italy)[J].Hydrobiologia,1998,369/370:163-178.DOI:10.1023/A:1017063708180.

[17]HABIB O A，TIPPETT R，MURPHY K J.Seasonal changes in phytoplankton community structure in relation to physico-chemical factors in Loch Lomond，Scotland [J].Hydrobiologia，1997,350:63-79.DOI:10.1023/A:1003037012226.

[18]REYNOLDS C S.What factors influence the species composition of phytoplankton in lakes of different trophic status[J].Hydrobiologia，1998,369/370:11-26.DOI:10.1023/A:1017062213207.

[19]WILLEN E.Planktonic green algae in an acidification gradient of nutrient-poor lakes[J].Archrive Protis-takend，1992,141:47-64.DOI:10.1016/S0003-9365(11)80048-5.

[20]CETINIC I，VILICIC D，BURIC Z，et al.Phytoplankton seasonality in a highly stratified karstic estuary(Keka，Adriatic sea)[J].Hydrobiologia，2006,555(1):31-40.DOI:10.1007/s10750-005-1103-7.

[21]ALAM M G M，JAHAN N，THALIB L，et al.Effects of environmental factors on the seasonally change of phytoplankton populations in a closed freshwater pond[J].Environment International，2001,27(5):363-371.

[22]石曉丹,阮曉紅,邢雅囡,等.蘇州平原河網(wǎng)區(qū)淺水湖泊冬夏季浮游植物群落與環(huán)境因子的典范對(duì)應(yīng)分析[J].環(huán)境科學(xué),2008,29(11):2999-3008.

SHI Xiaodan，RUAN Xiaohong，XING Yanan，et al.Canonical correspondence analysis between phytoplankton community and environmental factors in winter and summer in Shallow Lakes of Plain River Network Areas[J].Environmental Scince，2008,29(11):2999-3008.

(責(zé)任編輯：趙藏賞)

Dynamics of phytoplankton community in Baiyangdian Lake based on the redundancy analysis(RDA)

LIU Cunqi，KONG Xiangling，ZHANG Zhirong，TIAN Zhifu

(College of Life Sciences，Hebei University，Baoding 071002，China)

The composition and temporal-spatial dynamics of phytoplankton community in Baiyangdian Lake were investigated from April to November of 2010，and main environmental factors affecting composition of community were analyzed by Redundancy analysis(RDA).Results showed that 183 species(genera)including 8 phyla of phytoplankton were identified，and the dominant phyla were found to be the Cyanophyta，Chlorophyta and Bacillariophyta.Phytoplankton density ranged from 8.68×106to 314.32×106/L，and the highest density was observed in autumn(September)and the lowest in winter(November).Shannon-Wiener biodiversity index and evenness in Caiputai were highest，but that in Wangjiazhai and Nanliuzhuang were lower.Water temperature，transparency and CODMnhad strong effects on the community of phytoplankton,pH and total phosphorus correlated with species of Cyanophyta and Chlorophyta.To control the enviromental release of organic pollutants and phosphorus is the key approach to reduce the eutrophication risk in Baiyangdian Lake.

Baiyangdian Lake;phytoplankton;environmental factor;Redundancy analysis

10.3969/j.issn.1000-1565.2016.03.010

2015-07-25

水體污染控制與治理科技重大專(zhuān)項(xiàng)(2009ZX07109-008-02)；河北省科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展指導(dǎo)計(jì)劃(06276905)

劉存歧(1967-)，男，河北昌黎人，河北大學(xué)教授,主要從事水域生態(tài)學(xué)研究.E-mail:liucunqi@sina.com

Q89

A

1000-1565(2016)03-0278-08