寧夏沙湖生態(tài)修復(fù)前后浮游植物群落結(jié)構(gòu)變化與水質(zhì)評價1)

翟昊 劉曼紅 明霄陽 劉笳旻 商淋友 徐磊 于洪賢

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

水體富營養(yǎng)化是目前許多內(nèi)陸湖泊面臨的嚴峻問題，銀川平原降水量小而蒸發(fā)量大，湖泊普遍存在缺水現(xiàn)象；除此之外，沙湖還受生態(tài)旅游開發(fā)項目及周邊農(nóng)業(yè)、工業(yè)等人類活動的影響，2002—2007年開始出現(xiàn)嚴重的富營養(yǎng)化[1-2]。為減緩并控制這種趨勢，恢復(fù)和穩(wěn)定沙湖水域生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，從2015—2020年對沙湖已實行了一系列生態(tài)修復(fù)舉措。

浮游植物是湖泊中主要的初級生產(chǎn)者，對環(huán)境因子的變化敏感。生態(tài)修復(fù)是對水體的強烈干擾[3]，浮游植物群落組成和結(jié)構(gòu)勢必會因此發(fā)生變化，因而對浮游植物的監(jiān)測是一種評價生態(tài)修復(fù)成果的重要手段。為此，本研究以寧夏沙湖為研究對象，根據(jù)湖泊的地理狀況布設(shè)了8個采樣點，分別于2015年、2020年的7月份和10月份在沙湖濕地采樣，按照浮游植物功能類群(FG)的劃分方法對沙湖優(yōu)勢浮游植物劃分16類；應(yīng)用古生物學(xué)統(tǒng)計分析(PAST)軟件計算香農(nóng)-維納(Shannon-Wiener)多樣性指數(shù)(H′)、皮洛(Pielou)均勻度指數(shù)(J)，應(yīng)用統(tǒng)計產(chǎn)品和服務(wù)解決方案(SPSS)軟件對各樣點生物指數(shù)進行單因素方差分析，應(yīng)用電子表格軟件(Excel)計算豐度、生物量、優(yōu)勢度指數(shù)；分析沙湖生態(tài)修復(fù)前(2015年)、后(2020年)的浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征和生物多樣性變化，檢驗沙湖生態(tài)修復(fù)效果。旨在為生態(tài)修復(fù)效果評價提供參考。

1 研究地概況

銀川平原是在新生代斷陷盆地基礎(chǔ)上發(fā)育的沖積洪積平原，屬中溫帶典型大陸性氣候，是寧夏湖泊濕地的最集中分布區(qū)；據(jù)統(tǒng)計，8 hm2以上的湖泊有182個，占寧夏湖泊濕地數(shù)量的66%、總面積的61%，在全國也屬于湖泊高集中分布區(qū)。銀川平原湖泊依其特有的地理位置、生態(tài)功能和濕地類型，形成了有別于東部平原湖群、青藏高原湖群[4]的獨特的湖泊濕地體系。

沙湖是銀川濕地中重要的一部分，位處1999年建立的寧夏石嘴山市平羅縣西南部沙湖自然保護區(qū)內(nèi)，面積1 494 hm2，海拔1 020 m，地理坐標為東經(jīng)106°19′6″～106°24′10″、北緯38°45′17″～38°49′42″。

沙湖是封閉型湖泊，常年無自然生態(tài)基流補水，無輸出水道；由于蒸發(fā)量大，每年都需要通過從黃河人工補水維持水位，多年沉積；同時，還受旅游開發(fā)與周邊農(nóng)業(yè)、工業(yè)活動的影響，水質(zhì)逐漸惡化。為改善沙湖水質(zhì)，截至2020年，已實施了多項綜合治理措施，如：建立綠化隔離溝、氧化塘，河底清淤，抽排受污染水補黃河水，退漁、退耕還濕等。

2 研究方法

2.1 采樣點設(shè)置

本研究分別于2015年、2020年的7月份和10月份在沙湖濕地進行采樣，根據(jù)湖泊的地理狀況布設(shè)了8個采樣點(見圖1、表1)。

表1 沙湖濕地各采樣點位置與環(huán)境特征

圖1 沙湖濕地采樣點分布

2.2 采樣方法

浮游植物定量樣品的采集，用有機玻璃采水器在水面0.5 m和距離底層0.5 m處混勻后共采集1 L水樣，加入15 mL魯哥氏碘液進行固定，帶回實驗室靜置72 h；使用虹吸管移走上清液，將濃縮得到的30 mL樣品搖勻，吸取0.1 mL于浮游植物計數(shù)框中；在10×40倍顯微鏡下每片隨機選取100個視野拍照，隨后對照相關(guān)參考文獻[5]對各個樣點浮游植物物種及個數(shù)分布進行鑒定和統(tǒng)計。

按照浮游植物功能類群(FG)的劃分方法[6]對沙湖優(yōu)勢浮游植物進行劃分(見表2)。

表2 沙湖浮游植物優(yōu)勢功能群組成

2.3 數(shù)據(jù)處理

使用古生物學(xué)統(tǒng)計分析軟件計算香農(nóng)-維納多樣性指數(shù)(H′)與皮洛均勻度指數(shù)(J)，使用統(tǒng)計產(chǎn)品和服務(wù)解決方案軟件對各樣點生物指數(shù)進行單因素方差分析，應(yīng)用電子表格軟件(Excel)計算豐度、生物量、優(yōu)勢度指數(shù)(Y=fi×Pi，Pi為第i種個體數(shù)量在總個體數(shù)量中的占比，fi為該種在各個采樣點出現(xiàn)的頻率；當Y>0.02時，為優(yōu)勢種)。

以香農(nóng)-維納多樣性指數(shù)(H′)為指標的水質(zhì)評價指標：H′>3，表示水體清潔-寡污染；20.8表示水體清潔-寡污染；0.5

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)修復(fù)對沙湖浮游植物物種組成的影響

物種組成是群落的基本特征，沙湖2015年7月份共鑒定出浮游植物7門38種及其變種，其中綠藻門浮游植物種類最多，為14種，占總種類數(shù)的36.84%；2020年7月份共鑒定出浮游植物8門147種及其變種，其中綠藻門浮游植物種類最多，為56種，占總種類數(shù)的38.10%。2015年10月份共鑒定出浮游植物7門30種及其變種，其中綠藻門浮游植物種類最多，為10種，占總種類數(shù)的33.33%；2020年10月份共鑒定出浮游植物5門51種及其變種，其中藍藻門浮游植物種類最多，為20種，占總種類數(shù)的39.22%。

由表3可見：沙湖浮游植物種類呈現(xiàn)7月份多于10月份的季節(jié)規(guī)律，沙湖浮游植物中綠藻門、藍藻門藻類的種類占絕對優(yōu)勢，硅藻次之；經(jīng)生態(tài)修復(fù)，2020年各門浮游植物的種類普遍多于2015年，但金藻門藻類種數(shù)下降。

表3 生態(tài)修復(fù)前后沙湖浮游植物種類組成

3.2 生態(tài)修復(fù)前后沙湖浮游植物優(yōu)勢種的特征

藻類優(yōu)勢物種優(yōu)勢度為水生態(tài)系統(tǒng)生物構(gòu)成重要指標，生態(tài)狀況較好時物種優(yōu)勢物種的優(yōu)勢度較低。由表4可見：生態(tài)修復(fù)前后，沙湖7月份浮游植物優(yōu)勢種由2015年的18種變?yōu)?020年的8種；沙湖10月份浮游植物優(yōu)勢種由2015年的6種變?yōu)?020年的10種。根據(jù)優(yōu)勢種組成可看，2015年浮游植物群落結(jié)構(gòu)為綠藻-硅藻-藍藻-金藻型，2020年浮游植物群落結(jié)構(gòu)為藍藻-綠藻-硅藻型，但2015年優(yōu)勢種中對魚類和水生生物有毒害作用的小三毛金藻(Prymnesium parvum)經(jīng)生態(tài)修復(fù)不再是優(yōu)勢物種。2015年優(yōu)勢度指數(shù)在0.020～0.100之間波動，2020年優(yōu)勢度指數(shù)在0.020～0.329之間波動，整體呈現(xiàn)上升趨勢。

3.3 生態(tài)修復(fù)對沙湖浮游植物優(yōu)勢功能群的影響

由表4可見：生態(tài)修復(fù)前，沙湖2015年7月份浮游植物優(yōu)勢種中15種進入功能群，可歸為11個功能群，其中屬于J、X1、P、LO功能群的浮游植物種類最多；2015年10月份浮游植物優(yōu)勢種中5種進入功能群，分屬5個功能群；2020年7月份浮游植物優(yōu)勢種分屬5個功能群，其中屬于S2、LO、D功能群的種類最多；2020年10月份浮游植物優(yōu)勢種分屬6個功能群，其中屬于LO功能群的種類最多。7月份浮游植物優(yōu)勢功能群發(fā)生了X1+F+E+P→SN+H1+S2+LO的演變，10月份浮游植物優(yōu)勢功能群發(fā)生了X1+SN+G→H1+SN+LO的演變，適應(yīng)中營養(yǎng)、富營養(yǎng)的優(yōu)勢功能群所占比例下降，被耐受貧營養(yǎng)的優(yōu)勢功能群取代(見表2)。

表4 沙湖浮游植物優(yōu)勢種及其功能群

3.4 生態(tài)修復(fù)對沙湖浮游植物豐度和生物量的影響

由表5可見：，2020年藻類豐度與生物量普遍高于2015年，7月份沙湖藻類豐度由3 219.9個·L-1增加到142 409.7個·L-1，增加44倍；10月份藻類豐度由1 615個·L-1增加到5 526.04個·L-1。7月份沙湖生物量由10.73 mg·L-1增加到43.67 mg·L-1，10月份由4.01 mg·L-1增加到14.49 mg·L-1，增加了4倍。并且生態(tài)修復(fù)前后，豐度與生物量均呈現(xiàn)7月份高于10月份的季節(jié)規(guī)律。

表5 生態(tài)修復(fù)前后沙湖浮游植物豐度與生物量

以何志輝[9]不同營養(yǎng)型類型湖泊的劃分主要指標為參考(見表6)，2015年7月份沙湖為富-超富營養(yǎng)水體，10月份為中營養(yǎng)水體；2020年沙湖全年生物量大于10，且優(yōu)勢物種為藍藻、綠藻，存在超富營養(yǎng)化現(xiàn)象。

表6 湖泊營養(yǎng)類型評價指標

3.5 生態(tài)修復(fù)對沙湖浮游植物生物指數(shù)的影響

生態(tài)修復(fù)前后，沙湖浮游植物生物指數(shù)見表7。單因素方差分析結(jié)果顯示，沙湖生態(tài)修復(fù)前后，香農(nóng)-維納多樣性指數(shù)(H′)差異顯著(P<0.05，P=0.018)，皮洛均勻度指數(shù)(J)差異不顯著(P>0.05，P=0.896)。通過對比可看出，總體呈現(xiàn)7月份香農(nóng)-維納多樣性指數(shù)(H′)高于10月份，7月份皮洛均勻度指數(shù)(J)低于10月份的季節(jié)性規(guī)律；生態(tài)修復(fù)后，香農(nóng)-維納多樣性指數(shù)(H′)普遍下降，皮洛均勻度指數(shù)(J)普遍上升。

表7 沙湖生物指數(shù)及水質(zhì)污染狀況

采樣時間依據(jù)均勻度指數(shù)(J)對水質(zhì)評價均勻度指數(shù)(J)污評2015年7月份0.36±0.03β-中污染2015年10月份0.48±0.30β-中污染2020年7月份0.59±0.03寡污染2020年10月份0.78±0.01寡污染

依據(jù)針對香農(nóng)-維納多樣性指數(shù)(H′)的水質(zhì)評價指標，2015年7月份為寡污染，10月份為β-中污染；2020年全年為β-中污染。依據(jù)針對皮洛均勻度指數(shù)(J)的水質(zhì)評價指標，生態(tài)修復(fù)前為β-中污染，生態(tài)修復(fù)后為寡污染。但由于優(yōu)勢藻種數(shù)量十分巨大，以2020年7月份為例，最優(yōu)勢物種中華小尖頭藻(Raphidiopsissinensia)的豐度高達10 326.39個·L-1，因此皮洛均勻度指數(shù)(J)的評價結(jié)果會受影響。綜合分析可知，2020年沙湖水質(zhì)比2015年有退步。

4 討論

4.1 生態(tài)修復(fù)對浮游植物的影響

結(jié)果表明，經(jīng)生態(tài)修復(fù)，沙湖浮游植物種類顯著增多，豐度與生物量也增多，優(yōu)勢種7月份減少而10月份增多，浮游植物群落結(jié)構(gòu)由綠藻-硅藻-藍藻-金藻型變?yōu)樗{藻-綠藻-硅藻型，優(yōu)勢度指數(shù)上升，優(yōu)勢功能群中耐貧營養(yǎng)的種類所占比例增大，香農(nóng)-維納多樣性指數(shù)(H′)降低，皮洛均勻度指數(shù)(J)升高，生態(tài)修復(fù)前后均呈現(xiàn)10月份水質(zhì)比7月份清潔的季節(jié)規(guī)律。

生態(tài)修復(fù)后，浮游植物種類、豐度、生物量增多，在7月份最為明顯；生態(tài)修復(fù)前后，各季節(jié)均為綠藻門、藍藻門浮游植物種類較多。藍藻門[10]、綠藻門[11]浮游植物的生長最適溫度較高，因此在7月份有較多種類出現(xiàn)。在沙湖生態(tài)修復(fù)時利用了疏浚的手段，有研究表明，對底泥的疏浚在短時間內(nèi)會降低水中的N、P含量，起到清潔水體的作用，但隨著時間的推移，N、P重新沉積，疏浚的效果會減弱，出現(xiàn)污染回復(fù)甚至較修復(fù)前更甚[12-13]的現(xiàn)象；疏浚的深度也會明顯影響底泥中內(nèi)源營養(yǎng)物質(zhì)的釋放[14]。而修復(fù)后，沙湖中浮游植物豐度與生物量均大幅增加，也說明湖泊營養(yǎng)負荷高，同時以7月份高溫為誘導(dǎo)條件，造成浮游植物大量發(fā)生。

經(jīng)生態(tài)修復(fù)沙湖7月份浮游植物優(yōu)勢種減少，優(yōu)勢度上升，出現(xiàn)占絕對優(yōu)勢地位的物種中華小尖頭藻和水華束絲藻(Aphanizomenonflosaquae)。優(yōu)勢度上升、優(yōu)勢種減少，一般表示水質(zhì)狀況有退步；浮游植物群落結(jié)構(gòu)，由綠藻-硅藻-藍藻-金藻型變?yōu)樗{藻-綠藻-硅藻型，藍藻、綠藻比例大幅上升，硅藻、金藻比例下降，演變?yōu)橐运{藻、綠藻為主導(dǎo)的浮游植物群落，但由于浮游植物群落結(jié)構(gòu)比修復(fù)前豐富，優(yōu)勢功能群中耐貧營養(yǎng)的種類所占比例增大，比2015年水質(zhì)的退步并不嚴重。

生態(tài)修復(fù)后，沙湖香農(nóng)-維納多樣性指數(shù)(H′)降低，皮洛均勻度指數(shù)(J)升高，這與沙湖優(yōu)勢藻類中華小尖頭藻、水華束絲藻的大量發(fā)生有關(guān)。沙湖呈現(xiàn)香農(nóng)-維納多樣性指數(shù)(H′)7月份高于10月份、皮洛均勻度指數(shù)(J)7月份低于10月份的季節(jié)特征，這與太湖[15]、鏡泊湖[16]研究結(jié)果一致；同時與之對比發(fā)現(xiàn)沙湖生物多樣性較高，群落信息含量大，但均勻度較高，存在著占絕對優(yōu)勢地位的物種，說明2020年沙湖浮游植物群落還處于不穩(wěn)定狀態(tài)。生態(tài)修復(fù)5 a后，沙湖水環(huán)境是否會繼續(xù)惡化還需進一步的監(jiān)測和研究。

4.2 綜合多種指標對水質(zhì)的評價

浮游植物對環(huán)境變化敏感，其群落結(jié)構(gòu)特征包括優(yōu)勢度、豐度、生物量、多樣性指數(shù)等，在一定程度上可以作為湖泊水環(huán)境健康狀況評價的重要指標[17]。

經(jīng)生態(tài)修復(fù)，沙湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)由綠藻-硅藻-藍藻-金藻型變?yōu)樗{藻-綠藻-硅藻型。有研究表明，當藍藻在浮游植物群落中占優(yōu)勢地位時，意味著水體營養(yǎng)程度的升高[18-19]；優(yōu)勢度指數(shù)越低，物種越豐富，水質(zhì)狀況越好[20]。2020年沙湖優(yōu)勢度指數(shù)比2015年普遍升高，水質(zhì)狀況有退步。浮游植物功能群，通常為生長于相同的生境類型或相似的環(huán)境條件下的藻類，常用功能群描述生境特征[21]。沙湖優(yōu)勢功能群中，適應(yīng)富營養(yǎng)環(huán)境的種類所占比例下降，這說明浮游植物群落正處在演化之中。

2020年浮游植物豐度與生物量比2015年大幅升高，并且通過相關(guān)生物量評價指標可看出，沙湖比生態(tài)修復(fù)前富營養(yǎng)化現(xiàn)象更加嚴重，這與對優(yōu)勢種及優(yōu)勢度指數(shù)分析所得判斷結(jié)果一致。

以浮游植物香農(nóng)-維納多樣性指數(shù)(H′)評價水質(zhì)發(fā)現(xiàn)，2020年比2015年水質(zhì)有惡化，但以皮洛均勻度指數(shù)(J)對沙湖水質(zhì)進行評價，得到沙湖水質(zhì)在生態(tài)修復(fù)后有所改善的評價結(jié)果，與其他評價方法得到的結(jié)果相矛盾，綜合考慮認為皮洛均勻度指數(shù)(J)并不適用于評價沙湖水質(zhì)。這種情況說明，僅以生物指數(shù)作為評價指標評價湖泊水環(huán)境健康狀況有其自身的局限性，并不全面，還需綜合水體理化因子、湖泊實際情況等條件。本研究可以為沙湖濕地水體健康狀況的優(yōu)化提供一定的參考。