上海某河口型景觀湖冬季附著藻類的建群過程初探

陳 姍,柳昭瑩,張 瑋①,袁明哲,王麗卿②

(1.上海海洋大學(xué)農(nóng)業(yè)部魚類營養(yǎng)與環(huán)境生態(tài)研究中心,上海 201306; 2.上海海洋大學(xué)水產(chǎn)種質(zhì)資源發(fā)掘與利用教育部重點實驗室,上海 201306; 3.上海海洋大學(xué)水產(chǎn)科學(xué)國家級實驗教學(xué)示范中心,上海 201306)

附著藻類是水體中重要的初級生產(chǎn)者之一,占有獨特的生態(tài)位,且其生物量、種類組成和群落結(jié)構(gòu)均對水環(huán)境變化反應(yīng)敏感,在水生態(tài)系統(tǒng)中扮演著重要角色[1]。附著藻類常被用作評估和指示水生態(tài)系統(tǒng)富營養(yǎng)化和重金屬污染程度等多種健康狀況的重要指示類群[2-4]。有研究表明,附著藻類對一些新型污染物也有良好指示作用,如TANG等[5]利用附著藻類研究Fe2O3納米顆粒的生態(tài)毒性響應(yīng)機制。

目前,國內(nèi)外關(guān)于利用人工基質(zhì)收集附著藻類評價不同水生態(tài)系統(tǒng)的研究已有較多報道[6-7],但采集時間和頻次均無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),采集時間常為2～7周,頻次為2～14 d·次-1[8-9]。早期有學(xué)者對附著藻類建群過程和采集時間進行研究并提出在群落發(fā)育成熟時采集樣本更為科學(xué)[10]。我國水體類型眾多,附著藻類在不同生境條件下的建群過程也各不相同,目前對于不同生境條件下附著藻類群落發(fā)育過程的研究還相對匱乏。

上海臨港地區(qū)毗鄰杭州灣,是咸淡水交匯區(qū)域,屬于典型的河口區(qū)。河口生態(tài)系統(tǒng)物種多樣性高,環(huán)境因子多變,物種與生境之間關(guān)系更復(fù)雜[11]。目前,淡水生境中附著藻類的研究較多[12-13],而關(guān)于河口型水體中附著藻類的研究鮮有報道[8],且未見有關(guān)微咸水體附著藻類建群過程的研究。筆者于2015年冬季選取上海臨港地區(qū)某河口型景觀湖,利用載玻片法探究附著藻類的建群過程和建群過程中附著藻類光合熒光參數(shù)變化趨勢,并研究附著藻類群落成熟時間,以期為監(jiān)測和評估河口型水體生態(tài)狀況提供科學(xué)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣地點布設(shè)

于2015年1月選擇上海臨港地區(qū)明湖(與滴水湖毗鄰的1個景觀湖)進行為期一個月的試驗。明湖地理坐標(biāo)為30°53′11.01″ N,121°53′26.85″ E,水體總面積為0.061 km2,平均水深為3.20 m[14],緊鄰杭州灣,屬河口型小型景觀水體,水體流速較慢。

1.2 樣品采集

以70個載玻片(2.6 cm×7.6 cm)作為人工附著基質(zhì)采集附著藻類,將載玻片浸泡于酒精中24 h并用燃燒法去除其表面脂質(zhì)成分[15]后,垂直排列(10×7)于裝有固定海綿的塑料框中[16],懸掛于水深0.5 m處。設(shè)置3組平行,每組每日隨機選取2片載玻片放于原位水中帶回實驗室,共持續(xù)30 d;每隔5 d采集1次水樣,共采集7次。

1.3 物種鑒定與定量研究

采用硬毛牙刷將1片載玻片表面附著藻類分別收集于3個容量為50 mL的血清瓶中,滴加w為4%甲醛溶液4 mL和φ為15‰魯哥氏碘液0.6 mL固定。物種鑒定方法參考文獻(xiàn)[17],附著藻類的定量計數(shù)在10×40倍OLMPUS CX21光學(xué)顯微鏡下進行,計數(shù)前濃縮至一定體積后充分搖勻,采用100 μL 移液槍立即吸取0.1 mL藻樣放入帕爾默計數(shù)框,每次觀察25個小格,重復(fù)計數(shù)3次,取平均值,乘以4得到0.1 mL藻液中細(xì)胞個數(shù),根據(jù)濃縮體積得到總細(xì)胞個數(shù)后再除以載玻片雙面面積計算得到細(xì)胞豐度[18]。

1.4 光合熒光參數(shù)的測定

采用硬毛牙刷收集另1片載玻片表面附著藻類并制成100 mL藻液。取10 mL混勻藻樣采用調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x(Phyto-PAM,Walz)測定硅藻葉綠素a(Chl-a)濃度、光響應(yīng)曲線線性區(qū)段斜率(a)、最大電子傳遞速率(RET，max)和半飽和光強(Ik)以及附著藻類PSⅡ最大光能轉(zhuǎn)換效率(Fv/Fm)和PSⅡ?qū)嶋H光能轉(zhuǎn)化效率〔d (Fv/Fm)〕。

1.5 水質(zhì)參數(shù)的測定

采用YSI多參數(shù)水質(zhì)分析儀(美國)測定水溫(T)、溶氧(DO)濃度、電導(dǎo)率(Spc)、鹽度(Sal)、pH等指標(biāo);采用鉬銻抗分光光度法測定總磷(TP)、可溶性總磷(DTP)和活性磷(PO43--P)濃度;采用過硫酸鉀氧化紫外分光光度法測定總氮(TN)和可溶性總氮(DTN)濃度;采用納氏試劑分光光度法測定氨氮(NH4+-N)濃度;采用堿性高錳酸鉀法測定高錳酸鹽指數(shù)(CODMn);采用紫外分光光度法測定Chl-a濃度,具體步驟參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》[19]進行。

1.6 數(shù)據(jù)分析方法

采用OriginPro 2017軟件繪制折線圖和柱狀圖,采用PRIMER 6軟件對附著藻類群落數(shù)據(jù)進行平方根轉(zhuǎn)化,并采用Bray-Curtis相似性系數(shù)進行聚類分析(CA)、非度量多維尺度(N-MDS)分析和相似性分析(ANOSIM)。

2 結(jié)果與分析

2.1 水體環(huán)境因子

研究區(qū)水體營養(yǎng)鹽指標(biāo)和理化因子變化范圍均不大。營養(yǎng)鹽指標(biāo):ρ(TN)日均值為(1.67±0.09) mg·L-1,變化范圍為1.49～1.76 mg·L-1;ρ(DTN)日均值為(1.52±0.12) mg·L-1,變化范圍為1.30～1.63 mg·L-1;ρ(TP)日均值為(0.10±0.02) mg·L-1,變化范圍為0.08～0.12 mg·L-1;ρ(DTP)日均值為(0.04±0.01) mg·L-1,變化范圍為0.02～0.06 mg·L-1;ρ(PO43--P)日均值為(0.02±0.02) mg·L-1,變化范圍為0.002～0.049 mg·L-1;ρ(NH4+-N)日均值為(0.80±0.38) mg·L-1,變化范圍為0.33～1.30 mg·L-1。其他理化因子:ρ(CODMn)日均值為(12.55±1.96) mg·L-1,變化范圍為8.59～14.59 mg·L-1;ρ(Chl-a)日均值為(23.50±7.30) μg·L-1,變化范圍為11.12～33.27 μg·L-1;ρ(DO)日均值為(9.72±0.92) mg·L-1,變化范圍為8.76～11.33 mg·L-1;T日均值為(8.41±0.80) ℃,變化范圍為7.20～9.60 ℃;Spc日均值為(827.71±27.53) μS·cm-1,變化范圍為787.00～859.00 μS·cm-1;Sal日均值為(0.61±0.02)‰,變化范圍為0.58‰～0.63‰;pH值日均值為8.10±1.42,變化范圍為7.06～11.21。其中,ρ(TN)和ρ(CODMn)處于Ⅴ類水質(zhì),符合一般景觀水域要求。從鹽度可知,該水域?qū)儆诤涌谛退w[20];從pH可知,該水域水體呈中性偏堿性。

2.2 附著藻類豐度及屬種類的日變化

由圖1可知,研究區(qū)水體附著藻類豐度為1.13×104～500.00×104cm-2之間,日平均豐度為137.04×104cm-2,于試驗8 d時開始指數(shù)增長,27 d時出現(xiàn)最高峰后下降。整個試驗過程共鑒定出37屬65種附著藻類,分別隸屬于綠藻門(Chlorophyta)、藍(lán)藻門(Cyanophyta)、黃藻門(Xanthophyta)和硅藻門(Bacillariophyta)4個門，綠藻綱(Chlorophyceae)、藍(lán)藻綱(Cyanophyceae)、黃藻綱(Xanthophyceae)、羽紋綱(Centriae)和中心綱(Pennatae)5個綱。優(yōu)勢類群硅藻豐度達(dá)1.13×104～299.05×104cm-2,日平均豐度為95.34×104cm-2,占總豐度的69.57%,也于試驗8 d時開始指數(shù)增長,25 d時達(dá)最高峰后下降。屬種類數(shù)隨試驗過程呈現(xiàn)上升趨勢,29～30 d時達(dá)最高峰,為21種。

圖1 附著藻類的屬類數(shù)和總豐度及硅藻豐度的日變化

2.3 附著藻類群落結(jié)構(gòu)的聚類分析

由CA結(jié)果(圖2)可知,附著藻類建群過程可分為5個階段:第Ⅰ階段為試驗開始后1～7 d;第Ⅱ階段為8～12 d;第Ⅲ階段為13～18 d;第Ⅳ階段為19～25 d;第Ⅴ階段為26～30 d。對5個階段進行N-MDS(圖3)和ANOSIM分析發(fā)現(xiàn),5個階段群落結(jié)構(gòu)之間存在極顯著差異(P<0.001,r=0.879)。

圖2 附著藻類群落的聚類分析樹狀圖

圖3 附著藻類群落的非度量多維尺度分析

2.4 附著藻類優(yōu)勢屬的變化

定義相對豐度大于2%為優(yōu)勢屬。由圖4可知,第Ⅰ階段主要優(yōu)勢屬為菱形藻屬(Nitzschia)、針桿藻屬(Synedra)和脆桿藻屬(Fragilaria),分別占該階段總豐度的44.38%、16.11%和14.09%;第Ⅱ階段菱形藻屬占比為55.96%,超過該階段總豐度的50%,其次為針桿藻屬,占比為15.12%;第Ⅲ階段主要優(yōu)勢屬為菱形藻屬,占比為54.73%;第Ⅳ階段主要優(yōu)勢屬為菱形藻屬和毛枝藻屬(Stigeoclonium),分別占該階段總豐度的44.30%和16.53%;第Ⅴ階段主要優(yōu)勢屬為異極藻屬(Gomphonema)和毛枝藻屬,分別占該階段總豐度的14.15%和30.60%。2015年冬季研究區(qū)附著藻類建群過程為菱形藻屬、針桿藻屬和脆桿藻屬,菱形藻屬和針桿藻屬,菱形藻屬,菱形藻屬和毛枝藻屬,以及異極藻屬和毛枝藻屬。

對5種主要優(yōu)勢屬豐度及相對豐度趨勢進行分析,并繪制Loess擬合曲線(Span取0.5)。由圖5可知,5種藻類豐度在試驗過程中均呈先緩慢上升達(dá)到成熟期后略有下降的趨勢。菱形藻屬在前4個階段均占有絕對優(yōu)勢,相對豐度為0.06～0.79;脆桿藻屬相對豐度在第Ⅰ階段后期達(dá)到高峰,變化范圍為0.02～0.23;針桿藻屬相對豐度在試驗7 d時達(dá)到高峰,為0.51;毛枝藻屬自第Ⅳ階段開始附著后,相對豐度持續(xù)上升,在30 d時達(dá)到0.38;異極藻屬相對豐度在28 d時達(dá)到高峰,變化范圍為0.02～0.17。

圖4 附著藻類各建群階段優(yōu)勢屬的相對豐度

圖5 附著藻類主要優(yōu)勢屬豐度及相對豐度的日變化

2.5 光合熒光參數(shù)變化趨勢的分析

由圖6可知,附著藻類Fv/Fm日變化趨勢與附著藻類總豐度變化趨勢相似性較高(P<0.01),第Ⅰ～Ⅱ階段Fv/Fm呈指數(shù)增長趨勢;第Ⅲ～Ⅳ階段Fv/Fm變化不大,達(dá)到穩(wěn)定期;第Ⅴ階段Fv/Fm有所下降。附著藻類d(Fv/Fm)以及硅藻a、ETRmax和Ik這4個參數(shù)均在第Ⅲ階段達(dá)到頂峰,第Ⅳ階段開始下降;硅藻Chl-a濃度在5個階段均呈現(xiàn)上升趨勢。

黑色實線表示附著藻類建群過程的5個階段。

3 討論

3.1 附著藻類的群落組成

附著藻類總豐度和硅藻豐度在整個試驗過程中均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,分別在27和25 d時達(dá)到最高峰。硅藻豐度占附著藻類總豐度的約70%,這與DIJK[21]對荷蘭Veluwe湖和韋麗麗等[22]對新疆伊犁河的研究結(jié)論一致。硅藻占絕對優(yōu)勢可能與其自身會產(chǎn)生膠質(zhì)柄或硅質(zhì)殼面，易附著于人工基質(zhì)有關(guān),也可能是因為冬季溫度較低,喜溫性的藻類停止生長,而硅藻能在較低溫度條件下大量繁殖[23]。

ERIKSSON等[24]在瑞典西海岸Kristineberg市鑒定出海洋附著藻類32個屬,主要為雙眉藻屬(Amphora)和菱形藻屬等;馮佳等[25]在汾河源頭鑒定出附著藻類24個屬,主要優(yōu)勢屬為綠藻門的剛毛藻屬(Cladophora)、水綿屬(Spirogyra)和絲藻屬(Ulothrix)和硅藻門的直鏈藻屬(Melosira)等。筆者鑒定出附著藻類4個門、37個屬,優(yōu)勢屬為硅藻門的菱形藻屬、針桿藻屬、脆桿藻屬、舟形藻屬(Navicula)、異極藻屬和直鏈藻屬以及綠藻門的絲藻屬和毛枝藻屬,多樣性較高,這可能是由于景觀水體中尤其是河口型景觀湖水生植物較多,能夠促進附著藻類生長[26],且河口型水體擁有充足營養(yǎng)物質(zhì)，更利于藻類繁殖。

3.2 附著藻類的建群過程及群落成熟時間

根據(jù)文獻(xiàn)[27-29]可知,硅藻門的針桿藻屬、異極藻屬、菱形藻屬和脆桿藻屬均適合生存于低溫、水淺、營養(yǎng)鹽豐富的水體中,其中菱形藻更適應(yīng)偏堿性水體;綠藻門的毛枝藻屬具有耐低溫的特性。研究區(qū)水體水質(zhì)特性滿足以上優(yōu)勢屬生存條件,使其更好地發(fā)育并建群成為優(yōu)勢屬。菱形藻屬為一類運動型硅藻,在建群開始階段便能通過水體流動或自身運動到載玻片上,使其作為先鋒物種更易定植于載玻片上,且始終占據(jù)絕對優(yōu)勢,直至第Ⅴ階段出現(xiàn)絲狀藻類(如毛枝藻屬和絲藻屬)后相對豐度才開始降低。脆桿藻屬作為一種真性附著硅藻,是以殼面著生于基質(zhì)上的“面著生藻”,常以群體出現(xiàn),喜著生在流水處的巖石、木頭上,因此豐度在第Ⅰ階段時發(fā)育較快。針桿藻屬也是一種非運動型“面著生藻”,著生類型為放射狀或扇狀群體,適宜生境與脆桿藻屬類似,相對豐度同樣于前期快速增大。在前2個階段,附著硅藻群落仍處于發(fā)育初期,未達(dá)到穩(wěn)定。隨著群落發(fā)育,第Ⅳ階段出現(xiàn)具有絲狀特性的毛枝藻屬,其擁有較厚膠被,常固著于水中物體上,相對豐度在試驗?zāi)┢诘牡冖蹼A段仍處于上升趨勢。異極藻屬也是一種真性附著硅藻,它是常以膠質(zhì)柄著生于基質(zhì)上的“具柄硅藻”,因此其能夠在發(fā)育后期成功競爭過其他物種[17]。筆者研究中附著藻類整體建群過程與HOAGLAND等[30]研究結(jié)果一致,首先，水體中顆?；蛉芙鈶B(tài)有機物吸附于基質(zhì)上,為其他有機體吸附生長創(chuàng)造了條件;隨后，以面著生的硅藻開始吸附于基質(zhì)上并開始生長;最后，以點著生的直立短莖或長莖型硅藻以及絲狀藻類開始出現(xiàn)。但易科浪等[9]發(fā)現(xiàn)的早期優(yōu)勢藻類為生活在空膠質(zhì)管中的舟形藻,這可能與水體生境不同有關(guān)。

在海水、淡水和半咸水水體中,附著藻類建群過程不同,成熟時間也有所不同,如章宗涉等[3]認(rèn)為圖們江中附著藻類群落于2周后成熟,KREUZINGER-JANIK等[31]認(rèn)為中營養(yǎng)湖泊中附著藻類成熟時間為6周,談冰暢等[32]認(rèn)為實驗室水族缸中培養(yǎng)附著藻類在30 d后成熟,取出后可用于探究碳氮計量特征對銅銹環(huán)棱螺生長的影響。筆者研究發(fā)現(xiàn)附著藻類成熟期為27 d左右,硅藻成熟期為25 d左右。因此,河口型水體長期生態(tài)監(jiān)測時為了獲得成熟的附著藻類群落,建議采集期為3.5～4周。

3.3 PSⅡ最大光能轉(zhuǎn)換效率(Fv/Fm)的指示作用

Fv/Fm表征最大量子產(chǎn)量,反映植物潛在最大光合能力,其對外界脅迫非常敏感,常被用作衡量植物生理狀態(tài)的重要參數(shù)[11]。由圖6可知,Fv/Fm與附著藻類總豐度在發(fā)育階段的變化趨勢相似性較高,在第Ⅰ～Ⅱ階段,Fv/Fm呈指數(shù)增長趨勢,表明此時附著藻類群落的葉綠素活性不斷增強,處于發(fā)育初期;第Ⅲ～Ⅳ階段Fv/Fm變化不大,此時附著藻類葉綠素活性達(dá)到最大值并相對穩(wěn)定,且附著藻類總豐度也達(dá)到最高峰,發(fā)育過程達(dá)到穩(wěn)定期;第Ⅴ階段Fv/Fm有所下降,表明此時附著藻類細(xì)胞開始衰老死亡,導(dǎo)致活性下降。通過分析Fv/Fm變化趨勢,同樣發(fā)現(xiàn)第Ⅳ階段后期至第Ⅴ階段前期細(xì)胞數(shù)量和活性均達(dá)到最高峰且保持穩(wěn)定,此期間采集附著藻類最佳。Fv/Fm可以作為表征附著藻類建群過程的一個重要參考指標(biāo)。

4 結(jié)論

(1)2015年冬季研究區(qū)附著藻類建群過程為菱形藻屬、針桿藻屬和脆桿藻屬,菱形藻屬和針桿藻屬,菱形藻屬,菱形藻屬和毛枝藻屬,以及異極藻屬和毛枝藻屬。

(2)掛片3.5～4周后,附著藻類群落發(fā)育趨于成熟,此時間段采樣較佳。

(3)PSⅡ最大光能轉(zhuǎn)換效率(Fv/Fm)具有表征附著藻類建群過程的潛在功能。