赤山湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)時(shí)空特征及與環(huán)境因子關(guān)系

張 振，姚家驍，張樂源，柳 瑩

(1.江蘇省水文水資源勘測局鎮(zhèn)江分局， 江蘇 鎮(zhèn)江 212000；2.江蘇省水文水資源勘測局南通分局， 江蘇 南通 226000)

1 概述

浮游植物作為淡水生態(tài)系統(tǒng)中的初級生產(chǎn)者，對淡水系統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境、水體流動(dòng)、群落結(jié)構(gòu)和物質(zhì)交換、循環(huán)以及信息的傳遞等過程發(fā)揮著重要的紐帶作用。浮游植物的群落結(jié)構(gòu)變化受到水體溫度、pH、溶解氧等水文條件的影響而表現(xiàn)出不同的時(shí)空變化[1-2]。因此，在不同季節(jié)，浮游植物的群落組成、分布及密度等均呈現(xiàn)不同的變化，同時(shí)也會(huì)對水生態(tài)系統(tǒng)造成一定的影響，因此，浮游植物的群落變化可以作為判斷水體營養(yǎng)化程度的重要指標(biāo)之一[3-4]。在對群落結(jié)構(gòu)分析過程中，冗余分析(RDA)因其可以結(jié)合多個(gè)環(huán)境因子，并將結(jié)果清晰、明了地展現(xiàn)出來而受到研究人員的青睞[5-6]。

赤山湖國家濕地公園位于鎮(zhèn)江市句容市境內(nèi)，位于秦淮河上游，對秦淮河流域發(fā)揮重要作用[7]。作為國家級濕地公園，對其進(jìn)行環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測，既可以有效了解赤山湖水生態(tài)環(huán)境的變化情況，同時(shí)也對當(dāng)?shù)卣w生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)具有深遠(yuǎn)意義[8]。據(jù)文獻(xiàn)資料顯示，由于許多歷史問題對赤山湖水體健康造成一定程度的破壞，近年來，隨著當(dāng)?shù)卣块T的大力保護(hù)和生態(tài)修復(fù)，赤山湖總體情況逐年向好發(fā)展，因此，對赤山湖生態(tài)功能和生物多樣性進(jìn)行評價(jià)對當(dāng)?shù)厮鷳B(tài)系統(tǒng)保護(hù)起到重要的意義。本研究對2020年全年每季度赤山湖不同監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行采樣監(jiān)測和分析，為赤山湖國家濕地富營養(yǎng)化防治對策提供理論依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 采樣點(diǎn)與采樣時(shí)間

在赤山湖濕地選取3個(gè)監(jiān)測采樣點(diǎn)，具體坐標(biāo)分別為，監(jiān)測點(diǎn)1:E119°5′37.5036″，N31°50′21.9228″；監(jiān)測點(diǎn)2:E119°6′28.6272″；N31°50′1.19″；監(jiān)測點(diǎn)3:E119°6′51.3936″，N31°50′34.3716″。分別于2020年2、6、9、11月進(jìn)行采樣。

2.2 采樣與樣品分析

浮游植物測定：采集水下0.5m處水樣1L放置在1000mL塑料瓶中，現(xiàn)場用1.5%魯哥試劑進(jìn)行固定；帶回實(shí)驗(yàn)室以后，靜置24h，濃縮至30mL，取0.1mL液體用顯微鏡進(jìn)行鑒定和計(jì)數(shù)。

高錳酸鉀指數(shù)(CODMn)測定：GB/T 11892—1989《水質(zhì) 高錳酸鹽指數(shù)的測定 酸性高錳酸鉀法》。

葉綠素a測定：SL 88—2012《葉綠素的測定 分光光度法》。

總氮測定(TN)：ISO 29441—2010《水質(zhì) 紫外分解后總氮的測定——用流動(dòng)分析法(CFA與FIA)和光譜檢測法》。

總磷測定(TP)：ISO 15681—2003《水質(zhì) 液流分析測定正磷酸鹽和總磷含量-第2部分：連續(xù)流動(dòng)分析法》。

透明度測定：SL 87—1994《透明度的測定 透明度計(jì)法、圓盤法》。

2.3 數(shù)據(jù)處理與分析

2.3.1Shannon-wiener指數(shù)(H′指數(shù))計(jì)算

(1)

式中，S—藻類種類;Pi—第i種藻類占整個(gè)藻類個(gè)體數(shù)的比例。

2.3.2均勻度指數(shù)(J指數(shù))計(jì)算公式

J=H′/log2S

(2)

式中，H′—Shannon-wiener指數(shù)，S—藻類種類。

2.3.3統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS20.0進(jìn)行數(shù)據(jù)顯著性和Pearson相關(guān)性分析；采用Canoco 5.0對浮游植物和環(huán)境因子之間的關(guān)系進(jìn)行RDA分析；采用Excel2007軟件進(jìn)行作圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 浮游植物的種類組成

不同監(jiān)測站點(diǎn)浮游植物密度隨時(shí)間變化情況見表1。由表1可知，赤山湖2020年浮游植物的總密度為72.5×104～115×104個(gè)/ L，其中，2月浮游植物密度最低，6月密度最高。通過四次取樣分析，共檢測到浮游植物6門133屬(種)，其中，綠藻門浮游植物的密度最高，為41.02×104～59.88×104個(gè)/ L-1；硅藻門和隱藻門浮游植物密度次之；裸藻門浮游植物密度最低；金藻門浮游植物在2月和11月監(jiān)測中并沒有檢出。

3.2 浮游植物群落組成

不同浮游植物群落優(yōu)勢度隨時(shí)間變化情況見表2。由表2可知，綠藻門浮游植物的優(yōu)勢度占比最高，占總浮游植物的48%～58.4%以上；其次是硅藻門浮游植物，其優(yōu)勢度為15%～30%；隱藻門浮游植物優(yōu)勢度達(dá)10%～13%；裸藻門浮游植物的優(yōu)勢度最低，為1.5%～4.7%；而金藻門浮游植物在2月和11月采樣中并沒有檢出。

3.3 浮游植物Shannon-Wiener指數(shù)

浮游植物群落Shannon-Wiener指數(shù)(H′指數(shù))隨時(shí)間變化情況如圖1所示。其中，各監(jiān)測站點(diǎn)浮游植物H′指數(shù)介于4.20～4.57。四次采樣檢測中，6月浮游植物的H′指數(shù)最高，表明從2—6月過程中，赤山湖水體浮游植物種群數(shù)量有所增加，而到了9月和11月時(shí)，群落結(jié)構(gòu)數(shù)量則有所下降。

3.4 浮游植物Pielou均勻度指數(shù)

不同監(jiān)測站點(diǎn)浮游植物Pielou指數(shù)(J指數(shù))變化情況如圖2所示。由圖2可知，在2月和11月時(shí)，浮游植物的種群均勻度最高，而6月和9月浮游植物均勻度有所下降；在9月時(shí)，2號站點(diǎn)浮游植物均勻度最高。

3.5 各監(jiān)測點(diǎn)環(huán)境因子含量

不同監(jiān)測站點(diǎn)的環(huán)境因子含量隨時(shí)間的變化情況見表3。由表3可以看出，水體pH值的變化相對較小，介于7.9～8.3；溶解氧含量在11月時(shí)達(dá)到最高值，為9.6mg/L；高錳酸鉀指數(shù)在6月時(shí)達(dá)到最高值；總磷含量在2月時(shí)最高，隨后逐漸降低；總氮含量在9月份時(shí)最高；各環(huán)境因子中，除pH值外，其含量均隨時(shí)間變化而明顯改變，因此，可用于浮游植物與環(huán)境因子之間的RDA分析。

表1 浮游植物不同種群密度隨時(shí)間變化 單位：104個(gè)/L

表2 浮游植物不同群落結(jié)構(gòu)隨時(shí)間變化 單位：%

表3 各監(jiān)測站點(diǎn)環(huán)境因子含量隨時(shí)間變化

圖1 浮游植物群落Shannon-Wiener指數(shù)

圖2 浮游植物群落Pielou均勻度指數(shù)

3.6 營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)

水體營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)隨時(shí)間變化情況如圖3所示。由圖3可以看出，全年水體營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)介于44.9～54.4，其中，在2月和9月時(shí)，3個(gè)監(jiān)測站點(diǎn)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)均高于50，根據(jù)SL 395—2007《地下水資源質(zhì)量評價(jià)技術(shù)規(guī)程》，此時(shí)表明水體已經(jīng)處于輕度富營養(yǎng)化狀態(tài)。而6月和11月時(shí)，營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)小于50，則水體處于中營養(yǎng)狀態(tài)。

3.7 浮游植物與環(huán)境因子之間的關(guān)聯(lián)性

浮游植物與各環(huán)境因子的RDA分析如圖4所示。從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，浮游植物與各環(huán)境因子綠藻門和隱藻門主要發(fā)生在春季，且在2月份時(shí)，浮游植物群落與pH和溶解氧含量呈正相關(guān)關(guān)系；6月份時(shí)，浮游植物群落結(jié)構(gòu)與溶解氧含量呈正相關(guān)關(guān)系；9月份時(shí)，葉綠素和透明度與浮游植物群落的構(gòu)成呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。從全年數(shù)據(jù)可以看出，浮游植物群落變化受各營養(yǎng)鹽含量和pH值的影響。

圖3 不同時(shí)間段水體營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)

4 討論

赤山湖浮游植物以綠藻和硅藻為主；而藍(lán)藻在夏季時(shí)呈現(xiàn)爆發(fā)狀態(tài)，冬春季節(jié)則明顯降低；金藻也存在類似現(xiàn)象，即夏秋季節(jié)出現(xiàn)，而冬春季節(jié)密度明顯降低，表明赤山湖水體浮游植物存在明顯的季節(jié)變化。Sommer等人[9]在研究浮游植物群落結(jié)構(gòu)季節(jié)變化過程中同樣的到類似的結(jié)果，即夏季以綠藻為主，秋冬季節(jié)藍(lán)藻、硅藻等浮游植物密度有所增加。朱明明等人[10]在調(diào)查珠海國家濕地公園浮游植物群落中發(fā)現(xiàn)，綠藻門浮游植物密度最大，且季節(jié)性變化較明顯。這主要是因?yàn)椋那锛竟?jié)水體溫度回升，喜高溫和耐污染的綠藻易成為優(yōu)勢種群，而抑制其它類型浮游植物的生長[11]。在本研究中，Shannon-Wiener多樣性指數(shù)可以看出，在夏秋季節(jié)，浮游植物多樣性要高于冬春季節(jié)，這主要是因?yàn)闇囟仁怯绊懜∮沃参锶郝浣Y(jié)構(gòu)變化的重要因素，夏秋季節(jié)水體溫度較高，有利于浮游植物群落的增多。而Pielou均勻度指數(shù)表明，在夏秋季節(jié)，浮游植物群落結(jié)構(gòu)的均勻度明顯低于冬春季節(jié)，說明赤山湖國家濕地公園在冬春季節(jié)具有更均勻的物種數(shù)目存在。

圖4 浮游植物群落與環(huán)境因子RDA分析

浮游植物群落結(jié)構(gòu)受到多種環(huán)境因子的影響。戴明等人[12]研究表明，浮游植物群落結(jié)構(gòu)受水溫、化學(xué)需氧量、溶解氧、pH等因素的影響。同時(shí)，浮游動(dòng)物、魚類、人類活動(dòng)等因素也可以影響浮游植物的數(shù)量。赤山湖為國家濕地公園，位于江南地區(qū)，水溫相對較高，受人類活動(dòng)影響較大，利于浮游植物的生長[13]。通過RDA分析，可以看出，夏秋季節(jié)，在外界環(huán)境因素相似情況下，水體溶解氧、葉綠素a和透明度與浮游植物群落結(jié)構(gòu)呈正相關(guān)關(guān)系。馬劍敏等人[14]的研究表明，溶解氧對群落結(jié)構(gòu)影響較大，其中，金藻數(shù)量與溶解氧呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。管祥洋等人[15]研究表明，藻類與葉綠素a含量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。

5 結(jié)語

赤山湖水域共采集到6門133屬(種)，其中，綠藻門浮游植物的密度最高。RDA分析也表明浮游植物群落結(jié)構(gòu)存在明顯的時(shí)空差異，浮游植物群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子之間存在明顯的相關(guān)性，營養(yǎng)狀態(tài)指標(biāo)結(jié)果表明，赤山湖水體已經(jīng)處于輕度富營養(yǎng)化狀態(tài)，有關(guān)單位應(yīng)跟進(jìn)觀察并做好防控準(zhǔn)備。