白河南陽段浮游植物群落多樣性及相似性評價

王小軍, 韓品磊, 李 楠, 鄭保海, 姚銀磊, 崔歡歡, 李玉英

(1.南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局渠首分局, 河南 南陽 473000； 2.南陽師范學(xué)院 水資源與環(huán)境學(xué)院,河南省南水北調(diào)中線水源區(qū)流域生態(tài)安全國際聯(lián)合實驗室, 南水北調(diào)中線水源區(qū)水安全河南省協(xié)同創(chuàng)新中心,河南 南陽 473061)

南陽白河國家濕地公園總面積13076.5 hm2, 是以較大水量的白河南陽段上游段區(qū)域(以下均用“白河南陽段”)為主體、以白河洲灘濕地和輸水河為補充組成的復(fù)合濕地生態(tài)系統(tǒng)，擁有國家重點保護動植物33種、具有重要科研和經(jīng)濟價值的野生動植物154種.南陽白河國家濕地公園生態(tài)地位突出，在我國亞熱帶和暖溫帶過渡區(qū)域具有較強的典型性和代表性，在河南省和我國中原地區(qū)具有獨特性[1]，保護白河國家濕地公園生態(tài)系統(tǒng)意義重大.白河南陽段是南陽市區(qū)飲用水的水源地，也是白河國家濕地公園的重要載體，白河南陽段生態(tài)系統(tǒng)的變化對白河國家濕地公園生態(tài)系統(tǒng)具有直接影響.

鴨河水庫蓄水和近年來干旱少雨天氣導(dǎo)致白河南陽段水位下降嚴重，水生態(tài)系統(tǒng)的變化影響濕地公園的正常運作.另外，白河南陽段部分支流接納沿途的工業(yè)廢水或生活污水，僅靠河流自凈作用難以徹底削減污染物，已有調(diào)查表明白河南陽段受污染較為嚴重[2].浮游植物是水體生物生產(chǎn)力的基礎(chǔ)，與水體營養(yǎng)狀態(tài)密切相關(guān)，對環(huán)境污染極為敏感，參與水生態(tài)環(huán)境的能量流動、信息傳遞等，在水體生物學(xué)監(jiān)測及評價中占有重要地位，在生態(tài)系統(tǒng)中起著重要作用[3].白河南陽段浮游植物群落及生物多樣性直接影響著白河國家濕地公園的浮游植物群落及生物多樣性，甚至對評價白河國家濕地公園生態(tài)系統(tǒng)也有重要借鑒意義.但目前關(guān)于白河國家濕地公園生態(tài)系統(tǒng)變化的研究較少，本文主要研究了白河南陽段浮游植物群落及生物多樣性旨在為保持白河南陽段水質(zhì)和白河國家濕地公園的生態(tài)穩(wěn)定性提供參考.

1 研究區(qū)域和研究方法

1.1 監(jiān)測位點分布

白河南陽段上游段區(qū)域生物監(jiān)測站經(jīng)過實地考察論證,根據(jù)尺度范圍、信息量、經(jīng)濟性、代表性、可控性及不斷優(yōu)化的原則,在白河南陽段沿河流走向，從上游到下游依次設(shè)置設(shè)鴨河大橋上(以下簡稱BY，位于南召縣皇路店鎮(zhèn)鴨河口村、北緯33.285°東經(jīng)112.628°)、觀音寺(以下簡稱BG，位于南召縣皇路店鎮(zhèn)皇路村、北緯33.240°東經(jīng)112.656°)、泗水河橋(以下簡稱BS，位于臥龍區(qū)石橋鎮(zhèn)小石橋村、北緯33.128°東經(jīng)112.619°)、沙崗(以下簡稱BX，位于宛城區(qū)新店鄉(xiāng)沙崗村、北緯33.045°東經(jīng)112.610°)和四壩下(以下簡稱BF，位于宛城區(qū)市區(qū)、北緯32.952°東經(jīng)112.504°)5個監(jiān)測位點.

1.2 樣品采集與測定方法及評價標準

1.2.1 樣品采集

按照環(huán)境保護部出版的《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第四版)規(guī)定的標準采集浮游藻類水樣,所示樣品均于24 h內(nèi)送到實驗室做相應(yīng)處理與保存.

1.2.2 樣品測定方法

1.2.2.1 浮游藻類鑒定 浮游藻類定量樣品使用采水器取表層水2 L，及時加魯哥試液固定,防止標本變質(zhì).在野外采集并經(jīng)固定的水樣，實驗室內(nèi)沉淀濃縮至50 mL后，補加甲醛溶液密封保存.制作顯微鏡臨時玻片標本進行鑒定，將浮游藻類鑒定到屬或種(變種)[3-4].

1.2.2.2 浮游藻類多樣性計算 運用評價水質(zhì)的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)、Margalef物種豐富度指數(shù)(d)和Pielou物種均勻度指數(shù)(J)對白河南陽段水質(zhì)進行生態(tài)學(xué)評價.具體計算如下：

(1)

d=(s′-1)/lnN,

(2)

J=H′/lnS.

(3)

注：Pi為第i屬浮游藻類的存在率；Ni為第i屬的個體數(shù)量；N為浮游藻類的總個體數(shù)量；S為浮游藻類的屬數(shù).

1.2.2.3 浮游藻類相似性計算 杰卡特(Jaccard)群落相似性系數(shù)廣泛地應(yīng)用于計算2個地區(qū)間的相似性系數(shù)，通常用來衡量地區(qū)間種群的差異程度和親緣關(guān)系的遠近[5]，相似性系數(shù)的計算公式具體如下：

Q=C/(A+B-C)[6].

(4)

注：公式中A和B是白河南陽段2個監(jiān)測位點的浮游藻類種類數(shù)，C是白河南陽段2個監(jiān)測位點的共有浮游藻類種類數(shù).

1.2.3 樣品評價標準

1.2.3.1 浮游藻類物種組成水質(zhì)評價標準 指示性浮游藻類群落污染等級劃分標準：①多污帶：藍藻門>70%，直鏈藻和小球藻等耐污種大量出現(xiàn)；②α-中污帶：藍藻門約60%，藻類總數(shù)較多，冠盤藻和菱形藻等大量出現(xiàn)；③β-中污帶：硅藻及綠藻門各約30%左右，黃藻和金藻門較多；④寡污帶：硅藻門>60%，甲藻、金藻和鼓藻等均出現(xiàn)，藻類種類多，個體少[7].盡管河流生態(tài)系統(tǒng)與湖泊生態(tài)系統(tǒng)水文特性有很大的差異，但是二者在浮游藻類類群組成上有很大的相似性[8].因此同時參考陳曉江[9]的標準，來評價白河南陽段水體水質(zhì).

1.2.3.2 浮游藻類物種數(shù)量營養(yǎng)評價標準 浮游藻類數(shù)量<3×105個/L，為貧營養(yǎng)狀態(tài)；浮游藻類數(shù)量在3×105～1×106個/L之間，為中營養(yǎng)狀態(tài)；浮游藻類數(shù)量>1×106個/L，為富營養(yǎng)狀態(tài)[10].

1.2.3.3 浮游藻類多樣性評價標準 生物多樣性指數(shù)分別參照Shannon-Winener多樣性指數(shù)(H′)、物種豐富度指數(shù)(d)、物種均勻度指數(shù)(J)進行，其中重污染評價標準是：H′<1、d介于1～2、J介于0～0.3，重中污染評價標準是：H′介于1～2、d介于2～3、J介于0.3～0.5，輕污染評價標準是：H′介于2～3、d介于3～4、J介于0.5～0.8，寡污型(清潔)的評價標準是：H′>3、d>4、J介于0.8～1.

1.2.3.4 浮游藻類相似性評價標準 若相似系數(shù)Q=1，則兩地區(qū)種類完全相同；若相似系數(shù)Q<0.5，則兩地區(qū)存在實質(zhì)性差異；若相似系數(shù)Q=0，則兩地區(qū)種類完全不相同[11].

2 結(jié)果與分析

2.1 浮游藻類群落組成特征分析

2.1.1 浮游藻類物種種類組成

在白河南陽段的5個監(jiān)測位點，共采集到浮游藻類73種，隸屬7門32科52屬.其中藍藻門(Cyanophyta) 6科8屬13種，種類比占17.81%，生物量比占41.56%；綠藻門(Chlorophyta)12科24屬32種，種類比占43.84 %，生物量比占17.46 %；硅藻門(Bacillariophyta) 9科12屬15種，種類比占20.55%，生物量比占30.92%；裸藻門(Euglenophyta) 1科3屬4種，種類比占5.48%，生物量比占1.43%；甲藻門(Pyrrophyta) 2科2屬3種，種類比占4.11%，生物量比占0.35%；金藻門(Chrysophyta) 1科1屬1種，種類比占1.37%，生物量比占0.04%；隱藻門(Cryptophyta) 1科2屬5種，種類比占6.85 %，生物量比占8.25%；未發(fā)現(xiàn)黃藻門(Xanthophyta)和紅藻門(Rhodophyta)的浮游藻類.浮游藻類種類生物特征見表1.

表1 白河南陽段浮游藻類物種組成特征

白河南陽段5個監(jiān)測位點浮游藻類種類總數(shù)分別為36(BY)、20(BG)、55(BS)、45(BX)和44(BF).水體中束絲藻屬(Sirocoleus)、顫藻屬(OscillatoriaVauch.)、小環(huán)藻屬(CyclotellaKütz.)、脆桿藻屬(FragilariaLyngb.)、針桿藻屬(SynedraHer.)、肘狀針桿藻(Synedraulna(Nitzsch.)Ehr.)、舟形藻屬(NaviculaBory)、菱形藻屬(NitzschiaHassal)和尖尾藍隱藻(ChroomonasacutaUterm.)9類藻(屬)，均在5個監(jiān)測位點出現(xiàn)，也是白河南陽段常見藻.各監(jiān)測位點之間的藻類種類分布特征有些許差異：BS與BX監(jiān)測位點為綠藻—藍藻—硅藻型，比例分別為44%、20%和18%與38%、24%和22%，其中BS監(jiān)測位點水體中綠藻以集星藻(ActinastrumhantzschiiLag.)、卵囊藻屬(OocystisN?g.)和小孢空星藻(CoelastrummicroporumN?g.)為主，但BX監(jiān)測位點水體中未發(fā)現(xiàn)綠藻優(yōu)勢種.BY監(jiān)測位點為硅藻—綠藻—藍藻型，比例為44%、22%和11%，硅藻以小環(huán)藻屬為主，BG監(jiān)測位點為硅藻—藍藻—綠藻型，比例為65%、15%和10%，硅藻以舟形藻屬和雙菱藻屬(SurirellaTurp.)為主.BF監(jiān)測位點為綠藻—硅藻—藍藻型，比例為34%、32%和11%，綠藻以集星藻為主.綜合5個監(jiān)測位點，綠藻、硅藻和藍藻種類共占82.20%，生物量共占89.94%.白河南陽段水體為綠藻—硅藻—藍藻型，比例為43.84%、20.55%和17.81%，生物量比例為17.46%、30.92%和41.56%，裸藻、甲藻、金藻和隱藻則相對偏少，僅在BY監(jiān)測位點檢測到金藻的散歧錐囊藻(DinobryondivergensImhof) (圖1).

圖1 白河南陽段浮游藻類物種組成特征圖

2.1.2 浮游藻類群落生活習(xí)性

浮游藻類具有不同的生活習(xí)性，如假性浮游、兼性浮游和真性浮游.白河南陽段5個監(jiān)測位點中3類生活習(xí)性所占比例分別為5%(假)、17%(兼)和78%(真).白河南陽段水體浮游藻類生活習(xí)性多數(shù)為真性浮游，同樣在各監(jiān)測位點其為主要行為習(xí)性，藍藻門、綠藻門、硅藻門、裸藻門、甲藻門、金藻門和隱藻門中均存在；假性浮游藻類只在硅藻門中發(fā)現(xiàn)，主要有脆桿藻等，且自白河南陽段上游至下游呈現(xiàn)下降趨勢.兼性浮游的藻類呈相對穩(wěn)定的狀態(tài)，只存在于藍藻門、綠藻門和硅藻門中.

2.2 浮游藻類功能群組成特征分析

觀察不同監(jiān)測位點浮游藻類生物量的分布，如圖2所示.白河南陽段監(jiān)測站點BY至BF浮游藻類生物量變化波動大，其中監(jiān)測位點BX的生物量較多，約為5.31 mg/L；監(jiān)測位點BG生物量較少，約為0.54 mg/L，兩者之間相差約9.8倍.

根據(jù)浮游藻類數(shù)量營養(yǎng)評價指標，對白河南陽段監(jiān)測位點水體浮游藻類數(shù)量進行營養(yǎng)狀態(tài)評價(表2)，白河南陽段上游處于中營養(yǎng)狀態(tài)，下游數(shù)據(jù)異常顯著，富營養(yǎng)狀態(tài).

圖2 白河南陽段浮游藻類生物量空間變化

表2 白河南陽段監(jiān)測位點浮游藻類數(shù)量營養(yǎng)評價

2.3 浮游藻類多樣性

生物多樣性是生物及其與環(huán)境形成的生態(tài)復(fù)合體以及與此相關(guān)的各種生態(tài)過程的總和，群落中的生物多樣性反映了生物群落或生境的復(fù)雜程度[12].可用來作為評價水質(zhì)的一項重要指標的生物多樣性指數(shù)，它是用來表示由多種生物組成的混合生物群落的數(shù)量和種類之間的關(guān)系.

2.3.1 Shannon-Wiener多樣性指數(shù)及其水質(zhì)評價

白河南陽段浮游藻類Shannon-Wiener多樣性指數(shù)變化范圍為2.69～3.28，變化幅度稍有波折，觀音寺監(jiān)測位點數(shù)值較小，BS監(jiān)測位點數(shù)值較大.白河南陽段浮游藻類Shannon-Wiener多樣性指數(shù)空間變化特征為BS>BF>BY>BX>BG.BS監(jiān)測位點水質(zhì)質(zhì)量較好，為寡污型(清潔)；其余4個監(jiān)測位點水質(zhì)情況均為輕中污型.

2.3.2 Margalef物種豐富度指數(shù)及其水質(zhì)評價

Margalef豐富指數(shù)能夠表示群落種類的豐富程度.通常來說，種類豐富程度高的表示為健康環(huán)境；反之，種類豐富程度低的表示為污染環(huán)境.白河南陽段浮游藻類Margalef豐富度指數(shù)變化范圍為4.67～9.23，變化幅度較大，BG監(jiān)測位點數(shù)值較小，BS監(jiān)測位點數(shù)值較大，與Shannon-Wiener多樣性指數(shù)變化趨勢較相似.白河南陽段浮游藻類Margalef豐富度指數(shù)空間變化特征為BS>BY>BX>BF>BG.5個監(jiān)測位點Margalef豐富度指數(shù)均大于4，水質(zhì)質(zhì)量較健康，評價為清潔.

圖3 白河南陽段浮游藻類多樣性指數(shù)空間變化

2.3.3 Pielou物種均勻度指數(shù)及其水質(zhì)評價

Pielou均勻度指數(shù)反映浮游藻類物種個體數(shù)分配的均勻程度.J值的范圍在0～1之間，J值大時說明群落種間個體數(shù)分布均勻；反之，J值小時說明群落種間個體數(shù)分布欠均勻.白河南陽段浮游藻類Pielou均勻度指數(shù)變化范圍為0.72～0.90，變化幅度平穩(wěn)，BX監(jiān)測位點數(shù)值較小，BG監(jiān)測位點數(shù)值較大.白河南陽段浮游藻類Pielou均勻度指數(shù)空間變化特征為BG>BY>BS>BF>BX.BX監(jiān)測位點和BF監(jiān)測位點水質(zhì)較差，為輕污染；其余3個監(jiān)測位點水質(zhì)良好，無污染；總體來說，白河南陽段浮游藻類種間個體數(shù)分布較均勻.

2.4 浮游藻類群落相似性

2.4.1 5個監(jiān)測位點浮游藻類種類

由表3可知，BY和BG之間共有種為14種，BY和BS之間共有種為25種，BY和BX之間共有種為20種，BY和BF之間共有種為21種，BG和BS之間共有種為13種，BG和BX之間共有種為12種，BG和BF之間共有種為13種，BS和BX之間共有種為34種，BS和BF之間共有種為33種，BX和BF之間共有種為31種.其中，BX監(jiān)測位點與其他監(jiān)測位點的共有種類數(shù)量相對較高，反之，BG監(jiān)測位點與其他監(jiān)測位點的共有種類數(shù)量普遍偏少.

表3 白河南陽段監(jiān)測位點浮游藻類空間分布

續(xù)表

2.4.2 白河南陽段浮游藻類相似性分析及其水質(zhì)評價

根據(jù)Jaccard相似性系數(shù)計算得到各監(jiān)測位點之間的相似性系數(shù)(表4)，可直接觀察出河流下游之間相似性系數(shù)偏高，最高的是BX監(jiān)測位點與BF監(jiān)測位點，達0.63，均不存在實質(zhì)性差異；上游各監(jiān)測位點之間的相似性系數(shù)為0.23～0.41，上游監(jiān)測位點與下游監(jiān)測位點的相似性系數(shù)在0.26～0.39之間，均小于0.5，可初步判斷均存在實質(zhì)性差異.

表4 白河南陽段浮游藻類相似性系數(shù)比較

3 討論與建議

通過對白河南陽段水體進行富營養(yǎng)化調(diào)查顯示，該河流浮游藻類7門32科52屬73種，與凡盼盼[13]等人2012—2013年間所做的研究結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)白河南陽段浮游藻類科數(shù)減少20%、屬數(shù)減少42.22%、種數(shù)則大幅度減少64.9%.具體而言，藍藻門屬數(shù)降低50%、種數(shù)降低62.86%，綠藻門屬數(shù)降低25%、種數(shù)降低45.76%，硅藻門屬數(shù)降低60%、種數(shù)降低84.04%，裸藻門屬數(shù)降低50%、種數(shù)降低66.67%，其他藻類則沒有明顯變化.另外從各種藻類占比分析，本文中綠藻、硅藻和藍藻是藻類主要構(gòu)成部分與凡盼盼[13]等人研究結(jié)果一致，但綠藻占比從28.37%增加到41.56%、硅藻占比從45.19%降低到17.46%、藍藻占比從16.83%增加到30.92%.藍藻已經(jīng)成為水體污染的重要指標，藍藻聚積時，水體溶解氧大量消耗，藍藻死亡散發(fā)惡臭并釋放有毒有害物質(zhì)，水質(zhì)惡化嚴重[14]，而本文與凡盼盼[13]等人研究結(jié)果比較發(fā)現(xiàn)，藍藻占比大幅增加了83.72%，說明隨時間和空間維度的改變白河南陽段水體污染狀況有加重趨勢.

白河南陽段監(jiān)測站點BY至BF浮游藻類生物量變化波動大，其中監(jiān)測位點BX的生物量較多，約為5.31 mg/L；監(jiān)測位點BG生物量較少，約為0.54 mg/L，兩者之間相差約9.8倍，白河南陽段上游區(qū)域處于中營養(yǎng)狀態(tài)，下游區(qū)域趨于富營養(yǎng)化.值得關(guān)注的是肘狀針桿藻，其在鴨河大橋上、沙崗和四壩下3個監(jiān)測位點均為優(yōu)勢種類.有研究者總結(jié)肘狀針桿藻屬于耐重金屬(鋅)類型指示藻類[15]，可見白河南陽段水體污染不僅僅因為有機污染物,而且重金屬排放造成的污染，也是白河南陽段水質(zhì)由中營養(yǎng)型向富營養(yǎng)型水體變化趨勢的重要原因.

由浮游藻類多樣性分析結(jié)果可知，白河南陽段浮游藻類Shannon-Wiener多樣性指數(shù)空間變化特征為BS>BF>BY>BX>BG，BS監(jiān)測位點水質(zhì)為寡污型(清潔)；其余4個監(jiān)測位點水質(zhì)情況均為輕中污型.白河南陽段浮游藻類Margalef豐富度指數(shù)空間變化特征為BS>BY>BX>BF>BG，5個監(jiān)測位點Margalef豐富度指數(shù)均大于4，水質(zhì)清潔質(zhì)量較健康.白河南陽段浮游藻類Pielou均勻度指數(shù)空間變化特征為BG>BY>BS>BF>BX，BX監(jiān)測位點和BF監(jiān)測位點水質(zhì)較差，為輕污染；其余3個監(jiān)測位點水質(zhì)良好，為無污染；總體來說，白河南陽段浮游藻類種間個體數(shù)分布較均勻.通過分析多樣性評價結(jié)果，白河南陽段水質(zhì)情況樂觀.但通過分析發(fā)現(xiàn)白河南陽段上游浮游藻類Shannon-Wiener多樣性、Margalef豐富度、Pielou均勻度指數(shù)空間變化均比較好，而中游至下游區(qū)域則比較差，

從5個監(jiān)測位點浮游藻類種類分析，下游監(jiān)測位點與其他監(jiān)測位點的共有種類數(shù)量相對較高，上游監(jiān)測位點與其他監(jiān)測位點的共有種類數(shù)量普遍偏少.而根據(jù)Jaccard相似性系數(shù)計算結(jié)果觀察出河流下游之間相似性系數(shù)偏高，最高的是BX監(jiān)測位點與BF監(jiān)測位點，達0.63，均不存在實質(zhì)性差異；上游各監(jiān)測位點之間的相似性系數(shù)為0.23～0.41，上游監(jiān)測位點與下游監(jiān)測位點的相似性系數(shù)在0.26～0.39之間，均小于0.5，可初步判斷均存在實質(zhì)性差異.由此可初步估測白河南陽段中下游其污染程度相似，導(dǎo)致其污染原因可能一致，如若能找準中下游河流污染的癥結(jié)對癥下藥必能有所改善.

作為白河國家濕地公園重要載體,本文研究結(jié)果表明白河南陽段水質(zhì)較好但有營養(yǎng)化的趨勢，應(yīng)該引起有關(guān)部門重視，加強管理控制污染源,保證水域生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)健康，以實現(xiàn)社會、經(jīng)濟、生態(tài)相互協(xié)調(diào)和可持續(xù)發(fā)展，在擁有金山銀山的同時擁有綠水青山[16].