淮河上游典型支流浮游植物群落結構特征

吳奇麗, 林 志, 汪晨琛, 張 坤, 萬 陽, 周忠澤

(安徽大學 資源與環(huán)境工程學院， 合肥 230601)

作為評價水體生態(tài)狀況的重要指標之一[1]，浮游植物是水域生態(tài)系統(tǒng)中的主要初級生產(chǎn)者[2]。目前，針對河流浮游植物調查研究較多，結果表明不同生境浮游植物群落結構不同。如Bilous等調查烏克蘭南布格河浮游植物群落發(fā)現(xiàn)主要優(yōu)勢類群是綠藻門、硅藻門以及裸藻門[3]；Barinova等研究松花江上游浮游植物發(fā)現(xiàn)，硅藻占優(yōu)勢，其次是綠藻[4]；吳湘香等對長江上游赤水河浮游植物群落特征調查發(fā)現(xiàn)硅藻、綠藻和藍藻是優(yōu)勢種[5]；方慷等調查大清河水系浮游植物群落結構結果顯示，主要的優(yōu)勢類群是硅藻門、金藻門和隱藻門[6]?；春幼鳛槲覈鴸|部重要的河流，由于農藥和化肥的大量使用以及工業(yè)的發(fā)展，淮河水體逐漸惡化。對于淮河中上游浮游植物的研究已有報道[7]，然而對于淮河支流浮游植物群落結構特征還鮮有報道。

相關研究表明，氣候變化對地表水文以及水量有一定的影響[8]，而對水質尤其是浮游植物的影響研究較少。區(qū)域氣候，包括降水、溫度和太陽輻射[9]，驅動了浮游植物群落結構及物種多樣性的差異[10-11]。長江屬亞熱帶季風氣候，牡丹江屬于海洋(半濕潤型) 季風氣候，根據(jù)李世健等[12]和冷雪蓮[13]分別對長江和牡丹江浮游植物群落調查研究發(fā)現(xiàn)，二者存在明顯的差異。因此，開展區(qū)域氣候變化對浮游植物群落結構的影響具有重要意義。

本研究目的是結合已有的有關淮河干流浮游植物群落結構研究結果，分析比較淮河干流和支流浮游植物群落結構差異，評估區(qū)域性氣候對河流系統(tǒng)浮游植物的影響。假設試驗性結果為：1)淮河干流浮游植物多樣性高于其支流；2)浮游植物的時空格局發(fā)展受氣候影響。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

界首兩灣濕地公園(115°26′N～115°30′N，33°0′E～33°2′E)位于黃淮平原腹地,屬泉河水系，屬于淮河支流，總規(guī)劃面積為504.34 hm2，濕地河流總長13.6 km，其中泉河河段長8.3 km，所在區(qū)域處于暖溫帶與北亞熱帶之間的過渡區(qū),屬暖溫帶濕潤季風氣候，四季分明，年平均氣溫14.9 ℃，年均降水量859.5 mm，中深層及深層地下水主要為城市工業(yè)及生活用水，水質較好。主河道有蘆葦、狐尾藻、菹草、金魚藻、紫萍等水生植被分布。

1.2 樣點設置與樣品采集

2015年10月至2016年8月對界首兩灣國家濕地公園進行采樣調查，共布設8個樣點，即其中主河道5個采樣點(J4、J5、J6、J7、J8)；廢棄的古河道3個采樣點(J1、J2、J3)。每隔2個月采樣1次，GPS定位(圖1)。

圖 1 界首兩灣國家濕地公園浮游植物采樣點分布

浮游植物用浮游生物網(wǎng)采集，加入魯哥試液固定，在10×40倍光學顯微鏡下進行種類鑒定和計數(shù)[14]。現(xiàn)場測定水溫、pH值、溶解氧、透明度等理化因子，依據(jù)《水和廢水監(jiān)測分析方法》[15]對總氮、總磷、氨氮等營養(yǎng)鹽進行測定，葉綠素a濃度用分子熒光法分析測定，濁度用濁度儀測定。

1.3 分析方法

運用生態(tài)學中常用的生物多樣性指數(shù)分析[16]，Pielou 均勻度指數(shù)(J)，評價標準：00.8為清潔型，Margalef 物種豐富度指數(shù)(D)，評價標準：05為清潔型。Shanno-Wiener物種多樣性指數(shù)(H′)，評價標準：03為清潔寡污型。浮游植物優(yōu)勢度(Y)[17-18]等參數(shù)分析界首兩灣濕地公園浮游植物群落結構特征。本研究以Y>0.02為界限，計算藻類優(yōu)勢種。各參數(shù)計算公式如下:

D=(S-1)/log2N

(1)

(2)

J=H/log2S

(3)

Y=ni/N×fi

(4)

式中:S為浮游植物總屬數(shù)；N為浮游植物個體總數(shù)；ni為第i屬浮游植物個體數(shù)：fi為第i屬浮游植物在各水體中出現(xiàn)的頻率。

采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計軟件包SPSS 19.0、Microsoft Excel 2013、CANOCO 軟件以及美國ESRI公司的Arcgis 10.2軟件。

2 結果與分析

2.1 浮游植物群落結構

2.1.1 浮游植物種類

結果顯示，在界首兩灣河流共鑒定到浮游植物172種(包括變種和變型)，隸屬于8門10綱20目39科69屬。其中綠藻門最多，有66種，占總物種數(shù)的38.37%；其次是硅藻門和藍藻門。主河道5個樣點共監(jiān)測出浮游植物157種，古河道3個樣點共監(jiān)測出132種(圖2)。

依據(jù)優(yōu)勢種在各采樣點的優(yōu)勢度Y>0.02 的標準,分別對主河道以及古河道的優(yōu)勢種及其優(yōu)勢度進行計算,結果表明古河道的主要優(yōu)勢種為藍藻門的大螺旋藻(Cyanobiumparvum)、坑形鞘絲藻(Leptolyngbyafoveolara)、綠色顫藻(Oscillatoriachlorina)、銅綠微囊藻(Microcystisaeruginsa)、小雙色藻(Cyanobiumparvum)、裸藻門的斯科亞扁裸藻(Phacusskujae)和綠藻門的河生集星藻(Actinastrumfluviatile)、四尾柵藻(Scenedesmusquadricauda),主河道主要優(yōu)勢種為大螺旋藻、坑形鞘絲藻、綠色顫藻、銅綠微囊藻、小雙色藻、美麗顫藻(Oscillatoriaformosa),硅藻門鈍脆桿藻(Fragilariacapucina)、尖針桿藻(Synedraacus)、顆粒直鏈藻(Melosiragranulata)、梅尼小環(huán)藻(Cyclotellameneghiniana),綠藻門光澤鼓藻(Cosmariumcandianum)和裸藻門的斯科亞扁裸藻。

圖2 界首兩灣國家濕地公園浮游植物群落結構組成Fig 2 The community structure composition of phytoplankton in Jieshou Bay National Wetland Park

2.1.2 浮游植物生物量和豐度

界首兩灣國家濕地公園平均生物量為1.39 mg/L，范圍為0.70～2.18 mg/L，平均豐度為9.10×105cells/L，范圍為5.01×105～16.57×105cells/L。浮游植物生物量季節(jié)變化明顯，在6月份最高，2月份最低；生物量空間差異明顯，總體上在主河道生物量較高，古河道生物量較低。界首兩灣國家濕地公園浮游植物豐度的季節(jié)變化明顯，豐度在6月份達到最高值，為16.07×105cells/L，在2月份為最低值，為4.44×105cells/L；古河道在8月份達到最高，為17.42×105cells/L，在12月份最低，為4.27×105cells/L，空間變化不明顯(圖3)。

2.2 生物多樣性及其水質評價

界首兩灣國家濕地公園主河道和古河道H′分別為3.17和2.71，J分別為0.61和0.53，D分別為3.77和3.40(圖4)。結果表明，各樣點之間的J有明顯的變化，H′和D的變化趨勢基本趨于一致，主河道高于古河道，說明主河道浮游植物群落結構的復雜程度和穩(wěn)定性均高于古河道，同時根據(jù)多樣性指數(shù)分析表明，主河道水體屬于輕污染，古河道屬于輕中度污染。結合所檢測的水質理化指標(表1)，對水質進行分析表明：界首兩灣國家濕地公園主河道水質為輕度污染，古河道為輕中度污染。

圖3 界首兩灣國家濕地公園浮游植物生物量的和豐度時空變化Fig 3 Spatio-temporal variation of phytoplankton biomass and abundance in Jieshou Bay National Wetland Park

圖4 界首兩灣國家濕地公園浮游植物多樣性指數(shù)Fig 4 The diversity index of phytoplankton in Jieshou Bay National Wetland Park

參數(shù)Parameters10月October12月December2月February4月April6月June8月August主河道Main river古河道Ancient river主河道Main river古河道Ancient river主河道Main river古河道Ancient river主河道Main river古河道Ancient river主河道Main river古河道Ancient river主河道Main river古河道Ancient riverT/℃22.28±1.2720.70±1.739.24±3.727.83±1.2714.46±2.0215.90±023.84±0.3624.93±1.8726.90±0.9127.30±1.7133.70±0.6633.25±0.49pH7.88±0.077.56±0.128.11±0.338.24±0.628.328±0.888.81±0.177.90±0.257.46±0.217.63±0.067.56±0.358.48±0.158.46±0.93DO/(mg/L)7.67±0.746.24±0.689.98±0.3911.03±9.7010.90±1.6613.87±3.7514.19±2.0611.28±2.465.32±1.084.55±3.608.01±1.008.01±10.88Cond(ms/cm)0.58±0.050.65±0.170.64±0.060.57±0.040.67±0.070.62±0.070.59±0.050.60±0.130.70±0.050.69±0.150.67±0.090.78±0.10SD(m)0.43±0.110.23±0.210.57±0.11*0.62±0.370.36±0.370.48±0.11*0.47±0.080.10±0.170.47±0.080.15±0.21WD(m)4.03±1.411.07±0.513.46±1.440.96±0.272.48±1.412.62±2.515.13±0.651.07±0.124.77±1.421.23±0.064.88±1.041.35±0.21Turb/(NTU)15.74±4.934.83±1.833.95±0.763.32±1.457.29±4.344.19±1.7010.32±2.194.49±2.0922.92±7.3115.25±12.7224.98±6.2313.55±4.88TP/(mg/L)0.13±0.060.14±0.070.15±0.080.16±0.080.12±0.030.18±0.030.24±0.120.37±0.050.20±0.070.22±0.020.37±0.050.27±0.22TN/(mg/L)0.35±0.0860.75±0.280.89±0.151.55±0.230.90±0.090.98±0.300.76±0.060.84±0.101.13±0.181.25±0.261.24±0.091.30±0.14AD/(mg/L)0.07±0.000.06±0.000.10±0.020.10±0.020.09±0.010.05±0.030.07±0.050.09±0.040.25±0.060.22±0.130.28±0.020.18±0.14XD/(mg/L)0.04±0.000.04±0.000.10±0.010.12±0.040.12±0.010.06±0.060.06±0.010.03±0.030.03±0.010.01±0.010.01±0.000.01±0.01COD/(mg/L)4.80±1.739.56±4.917.20±0.998.67±1.765.60±2.5210.44±7.956.93±3.7912.22±4.236.40±2.7013.56±2.697.07±2.0311.67±7.07Chla(μg/L)3.07±2.092.00±1.400.76±0.230.64±0.322.57±2.081.73±1.6721.84±6.619.10±8.564.97±1.183.55±1.663.49±2.3911.47±13.51

*透明度(SD)等于水深(WD)

2.3 浮游植物群落與環(huán)境因子的相關分析

選取浮游植物優(yōu)勢種作為分析對象，運用Canoco 4.5軟件分別對主河道和古河道浮游植物優(yōu)勢種生物量(PB)與水溫(T)、pH值、溶解氧(DO)、葉綠素a(chl-a)、總氮(TN)、總磷(TP)等9個環(huán)境因子進行RDA分析。

RDA分析結果顯示：主河道浮游植物對水溫、濁度、總氮、pH值、透明度等環(huán)境因子密切相關，銅綠微囊藻、綠色顫藻和光澤鼓藻與水溫和濁度正相關，小雙色藻與總氮呈正比，美麗顫藻與透明度負相關，斯科亞扁裸藻與pH值、透明度正相關而與濁度和水溫負相關；古河道與濁度、水溫、電導率、pH值、透明度、溶解氧等環(huán)境因子密切相關，坑形鞘絲藻與濁度、水溫、電導率和葉綠素a呈正相關而與透明度、溶解氧負相關，斯科亞扁裸藻、綠色顫藻與pH值、溶解氧和透明度正相關，與濁度、水溫、電導率和葉綠素a負相關。

圖5 浮游植物與環(huán)境因子的典范對應分析(RDA)Fig 5 Phytoplankton species and environmental factors biplot based on RDA

主河道：1:顆粒直鏈藻(Melosiragranulata); 2:美麗顫藻(Oscillatoriaformosa); 3:坑形鞘絲藻(Leptolyngbyafoveolara); 4:斯科亞扁裸藻(Phacusskujae); 5:四尾柵藻(Scenedesmusquadricauda); 6:梅尼小環(huán)藻(Cyclotellameneghiniana); 7:尖針桿藻(Synedraacus); 8:鈍脆桿藻(Fragilariacapucina); 9:綠色顫藻(Oscillatoriachlorina); 10:小雙色藻(Cyanobiumparvum); 11:銅綠微囊藻(Microcystisaeruginsa); 12:光澤鼓藻(Cosmariumcandianum); 13:大螺旋藻(Cyanobiumparvum)。 古河道：1：坑形鞘絲藻(Leptolyngbyafoveolara); 2:斯科亞扁裸藻(Phacusskujae); 3:綠色顫藻(Oscillatoriachlorina); 4:小雙色藻(Cyanobiumparvum); 5:銅綠微囊藻(Microcystisaeruginsa); 6:光澤鼓藻(Cosmariumcandianum); 7:大螺旋藻(Cyanobiumparvum); 8:河生集星藻(Actinastrumfluviatile)

3 討論

3.1 主河道和古河道浮游植物群落結構差異

界首兩灣國家濕地公園的地形環(huán)境特征，使得主河道和古河道浮游植物群落結構存在顯著性差異，主要體現(xiàn)在包括物種多樣性和豐度。就浮游植物物種多樣性而言，主河道157種，古河道132種，且硅藻在全流域均有發(fā)現(xiàn)，是廣布種，而黃藻和金藻僅存在于主河道，古河道未見，這與金藻和黃藻喜光照以及多存在于清水的規(guī)律相一致[19]。主河道水體流速快以及岸邊分布水草，對水體凈化起著重要的作用，且受到人類活動較小。然而，古河道由于人為建造大壩，與主河道阻隔，成為廢棄的古河道，水體較淺，流動性差，水體相對靜止，且附近居民排放生活污水、放養(yǎng)家禽以及農業(yè)廢水，營養(yǎng)物質富集，有機污染較嚴重，水體環(huán)境較差。從整體上看，浮游植物平均豐度為9.10×105cells/L，主河道、古河道平均細胞密度9.75×105cells/L、8.02×105cells/L。在6月份古河道的豐度大于主河道，這不僅與夏季氣溫高、光照強， 適宜浮游植物繁殖，還與水體的穩(wěn)定程度有關，古河道受到回水頂托，流速緩慢，營養(yǎng)物質富集，造成浮游植物大量繁殖，并以綠藻門植物為優(yōu)勢類群[20]。而其他月份主河道比古河道的要高，可能與古河道透明度低，光合作用弱，抑制了浮游植物的生長有關。

淮河位于我國的東部，位于長江和黃河之間，干流自西向東，地處我國南北氣候過渡帶，淮河以北屬暖溫帶，以南屬北亞熱帶。對淮河中上游浮游植物的研究[7,21]調查發(fā)現(xiàn)浮游植物豐度在7.36×108cell/L～1.64×109cell/L，多樣性指數(shù)H′則表現(xiàn)出汛期要低于非汛期的特征。界首兩灣國家濕地公園中的泉河河道屬淮河二級支流，經(jīng)本次調查分析，泉河浮游植物豐度范圍為1.66×105cell/L～3.89×105cell/L，多樣性指數(shù)H′亦表現(xiàn)出汛期要低于非汛期的特征。根據(jù)富營養(yǎng)化評價標準[22]，得出淮河干流屬于富營養(yǎng)型水體，支流屬于貧營養(yǎng)型水體，淮河干流浮游植物豐度高于支流，其原因可能是干流流速快，人口密集，城市生活污水排放較多，使得營養(yǎng)鹽較為豐富，從而更加有利于浮游植物的生長繁殖。

3.2 區(qū)域性氣候對浮游植物群落的影響

長江，亞洲第一大河，發(fā)源于青藏高原的唐古拉山的主峰各拉丹冬雪山，自西向東注入東海，屬亞熱帶季風氣候。對長江的調查研究[12]，共鑒定浮游植物8門147種，以硅藻、綠藻、藍藻為優(yōu)勢類群，發(fā)現(xiàn)長江中游浮游植物存在明顯的季節(jié)變化，多樣性指數(shù)H′：春季>夏季>冬季>秋季。牡丹江全長725 km，是當?shù)厣钣盟娃r業(yè)用水的主要來源，牡丹江屬于海洋(半濕潤型)中溫帶季風氣候特征，根據(jù)冷雪蓮對牡丹江干流調查結果[13]，共發(fā)現(xiàn)浮游植物8門120種，以綠藻、硅藻和藍藻為主，多樣性指數(shù)H′：夏季>秋季>春季>冬季。本研究區(qū)域屬暖溫帶濕潤季風氣候，調查顯示浮游植物8門159種(表2)，以綠藻、硅藻、藍藻為優(yōu)勢類群，多樣性指數(shù)H′：春季>夏季>冬季>秋季。從長江的亞熱帶季風氣候到界首的北暖溫帶半濕潤季風氣候再到牡丹江海洋(半濕潤型)中溫帶季風氣候，浮游植物的群落組成沒有明顯規(guī)律性特征，多樣性指數(shù)的四季變化特征顯著，由南向北，隨著區(qū)域性氣候的改變，浮游植物多樣性指數(shù)也發(fā)生不同的變化，牡丹江的浮游植物多樣性與溫度呈正比，四季變化顯著。由于牡丹江屬海洋(半濕潤型)中溫帶季風氣候，溫度偏低，大部分是硅藻生長，而藍藻和綠藻的生長則被抑制，使得浮游植物種類下降，多樣性降低。而長江亞熱帶季風氣候和界首北暖溫帶半濕潤季風氣候，浮游植物多樣性指數(shù)變化趨勢相同，總物種數(shù)差異也不顯著，這可能與浮游植物還受到水中的pH值、溶解氧、電導率、魚類以及浮游動物攝食等一些因素影響有關[23-28]。

表2 不同區(qū)域氣候浮游植物差異

4 結論

1)界首兩灣國家濕地公園主河道比古河道浮游植物物種多樣性要高，群落穩(wěn)定性更強，且以藍藻、硅藻、綠藻為優(yōu)勢種，而古河道以藍藻和綠藻為優(yōu)勢種，多樣性指數(shù)與水質理化數(shù)據(jù)評價得出主河道輕度污染，古河道為輕中度污染。

2)淮河干流比支流物種多樣性高，淮河干流屬于富營養(yǎng)型水體，支流屬于貧營養(yǎng)型水體。

3)區(qū)域性氣候對浮游植物的生長和多樣性有一定的影響，由南向北，物種多樣性大致是呈降低的趨勢。