新沂夏季浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征研究

黃俊 占明飛 黃杰 陳瑩瑩 王偉

摘要 為了解新沂浮游植物群落結(jié)構(gòu)的多樣性特征，于2019年夏季對(duì)新沂市主要河流、湖泊的浮游植物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)查。結(jié)果表明：共鑒定出浮游植物7門84屬，其中以綠藻門居多，其次是硅藻門和藍(lán)藻門。采樣點(diǎn)浮游植物密度在303.3×104～8 676.8×104個(gè)/L，生物量在2.46～21.11 mg/L，Shannon-Wiener多樣性指數(shù)為1.26～3.32，Pielou均勻度指數(shù)為0.53～0.86，Margalef多樣性指數(shù)為0.37～2.42?；趦?yōu)勢(shì)種的等級(jí)聚類和非度量多維標(biāo)度分析結(jié)果表明，樣本群落可分為2組。不同空間的環(huán)境差異造成了浮游植物群落結(jié)構(gòu)差異，沭河和沂河的浮游植物組成相似度較低，但沭河和水庫(kù)的浮游植物組成相似度較高。

關(guān)鍵詞 浮游植物;群落結(jié)構(gòu);新沂

中圖分類號(hào) Q145 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2021）17-0074-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.17.020

Abstract In order to understand the diversity characteristics of the phytoplankton community structure in Xinyi， the main rivers and lakes in Xinyi City were investigated in the summer of 2019.The results showed that there were 84 genera of phytoplankton in 7 phyla.The Chlorophyta was the most abundance taxa and followed by Diatom and Cyanophyta.The phytoplankton density of the whole sampling points was 303.3×104-8 676.8×104cells/L，and the biomass was 2.46-21.11 mg/L，Shannon-Wiener diversity index was 1.26-3.32，Pielou evenness index was 0.53-0.86，the Margalef index was 0.37-2.42.The results of hierarchical clustering and non-metric multi-dimensional scaling analysis showed that sampling points can be divided into two groups.The structure of phytoplankton communities were influenced by spaces.The similarity of phytoplankton composition between Shuhe and Yihe was low，but the similarity of phytoplankton composition between Shuhe and the reservoir was relatively high.

Key words Phytoplankton;Community structure;Xinyi

近年來，隨著生物多樣性保護(hù)工作的開展，區(qū)域性水生態(tài)本底調(diào)查資料日趨增多。浮游植物作為區(qū)域水生態(tài)調(diào)查的重要組成部分，在指示水質(zhì)、判斷水體健康程度等方面具有積極應(yīng)用[1-3]。早在2000年，歐盟水框架指令（WFD）就將浮游植物納入河流湖泊監(jiān)測(cè)范圍[4]，與傳統(tǒng)理化監(jiān)測(cè)方式相比，通過監(jiān)測(cè)浮游植物的群落特征可以全面及時(shí)地掌握水環(huán)境質(zhì)量的動(dòng)態(tài)變化過程，但難以確定污染物的種類、濃度，靈敏性和專一性也不如理化檢測(cè)[5-6]。

新沂位于江蘇北部、徐州市東部（117°59′～118°39′E，34°06′～34°26′N），東靠沭陽(yáng)、東海，南隔沂河、駱馬湖與宿遷相望，西鄰邳州，北鄰山東郯城縣，土地總面積1 616 km2。境內(nèi)河流縱橫，水面廣闊，流域性河湖有沭河、沂河、新沂河、中運(yùn)河、駱馬湖，區(qū)域性河道有17條，河道總長(zhǎng)374 km，中小型水庫(kù)30座，總庫(kù)容9 897萬(wàn)m3。其中，駱馬湖不僅是沂河、中運(yùn)河洪水的主要調(diào)蓄湖泊，還是國(guó)家南水北調(diào)東線輸水工程的主要調(diào)節(jié)水庫(kù)之一[7]。

目前，關(guān)于駱馬湖水質(zhì)和富營(yíng)養(yǎng)化的研究較為廣泛[8-10]，但對(duì)駱馬湖周邊匯入水體的浮游植物調(diào)查卻鮮有報(bào)道。該研究通過對(duì)新沂市多個(gè)河流斷面進(jìn)行調(diào)查，以期獲得浮游植物數(shù)據(jù)，為新沂市水生生物保護(hù)、生態(tài)修復(fù)及水質(zhì)評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)和理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 采樣點(diǎn)設(shè)置和采樣時(shí)間 于2019年7月選擇江蘇省新沂市主要河湖和水庫(kù)為調(diào)查對(duì)象，進(jìn)行浮游植物的樣品采集。采樣點(diǎn)布設(shè)參照《生物多樣性調(diào)查技術(shù)規(guī)范—內(nèi)陸浮游生物》[11]，同時(shí)考慮到河湖、水庫(kù)（高塘、阿湖、黃巢關(guān)）的分布及樣點(diǎn)均勻性，分別設(shè)置15個(gè)采樣點(diǎn)，開展浮游植物的調(diào)查監(jiān)測(cè)。各采樣點(diǎn)分布見圖1。

1.2 樣本采集和處理

浮游植物定性樣品的采集采用25號(hào)浮游生物網(wǎng)（網(wǎng)孔直徑為64 μm），在水面表層呈“∞ ”字形緩慢撈取浮游植物樣品，并將網(wǎng)內(nèi)濃縮液置于100 mL塑料水樣瓶中，經(jīng)4%甲醛固定，帶回實(shí)驗(yàn)室鏡檢。

浮游植物定量樣品的采集采用有機(jī)玻璃采水器在水深0.5 m處采集水樣1 L，現(xiàn)場(chǎng)用15 mL魯哥氏液固定。樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后移入沉淀器，靜置24 h后定容至30 mL，在10×40倍顯微鏡下定量鏡檢（Phenix XSP-36）[12]。浮游植物鑒定參考《中國(guó)淡水藻類——系統(tǒng)、分類及生態(tài)》[13]。

1.3 數(shù)據(jù)處理和分析

多樣性指數(shù)常用的指標(biāo)有優(yōu)勢(shì)度指數(shù)（Y）、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)（H′）、Pielou均勻度指數(shù)（J′）和Margalef多樣性指數(shù)（D′），其中優(yōu)勢(shì)度指數(shù)Y>0.02為優(yōu)勢(shì)種屬[14]。在使用多樣性指數(shù)進(jìn)行生物學(xué)評(píng)價(jià)時(shí)，水體富營(yíng)養(yǎng)化及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)參照參考文獻(xiàn)[15]。

各指數(shù)計(jì)算公式如下：

式中，N為所有物種的個(gè)體總數(shù);ni為第i種的個(gè)體總數(shù);fi為第i種藻類在各站位出現(xiàn)的頻率;S為浮游生物的物種數(shù)。

采用等級(jí)聚類法（Cluster）研究不同區(qū)域浮游植物優(yōu)勢(shì)種的分布，先將物種密度原始數(shù)據(jù)進(jìn)行l(wèi)og（x+1）轉(zhuǎn)換，在聚類過程中選用Bray-Curtis（Ward法）來度量類群與類群之間的相似程度，采用非度量多維標(biāo)度（non-metric multidimensional scaling）方法分析不同流域浮游植物組成的相似關(guān)系，將轉(zhuǎn)換后的物種數(shù)據(jù)計(jì)算Bray-Curtis相似性指數(shù)，建立各浮游植物群落的相似性矩陣，脅強(qiáng)系數(shù)（Stress）用以度量二維NMDS的擬合優(yōu)度，Stress<0.05為擬合程度極高，Stress<0.10為擬合程度較高，Stress<0.20為擬合程度一般，Stress>0.30為擬合程度較差[16-17]。

原始數(shù)據(jù)的記錄和保存在Excel 2010中完成，多樣性指數(shù)的計(jì)算和作圖在R-4.0.2中完成，新沂市水系圖來自Landsat8 OLE，運(yùn)用Arcgis解譯完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 浮游植物的群落結(jié)構(gòu)

2.1.1 種類組成。該調(diào)查的定量樣品中，共鑒定到包括硅藻門、隱藻門、綠藻門、藍(lán)藻門、甲藻門、裸藻門和黃藻門共計(jì)84屬。其中，硅藻門19屬，綠藻門35屬，藍(lán)藻門17屬，裸藻門6屬，甲藻門3屬，黃藻門3屬，隱藻門1屬。各采樣點(diǎn)浮游植物組成見表1。該調(diào)查鑒定到的綠藻門種屬數(shù)最多，優(yōu)勢(shì)屬（括號(hào)內(nèi)數(shù)字為優(yōu)勢(shì)度）為柵藻屬（Scenedesmus，0.06）和小球藻屬（Chlorella，0.32），硅藻門種屬數(shù)次之，優(yōu)勢(shì)屬有小環(huán)藻屬（Cyclotella，0.04）;藍(lán)藻門優(yōu)勢(shì)屬為微囊藻屬（Microcystis，0.05）、色球藻屬（Chroococcus，0.04）、平裂藻屬（Merismopedia，0.03）和顫藻屬（Oscillatoria，0.09）。

2.1.2 密度和生物量。

分析結(jié)果顯示，浮游植物主要以藍(lán)藻門和綠藻門為主，調(diào)查區(qū)域內(nèi)浮游植物密度為303.3×104～8 676.8×104個(gè)/L，其中3號(hào)采樣點(diǎn)浮游植物密度最大，9號(hào)采樣點(diǎn)浮游植物密度最低。其中沭河流域浮游植物的平均密度高于水庫(kù)和沂河流域。浮游植物生物量的變化范圍為2.46～21.11 mg/L，其中3號(hào)采樣點(diǎn)最大，13號(hào)采樣點(diǎn)最低（圖2）。從各點(diǎn)位的浮游植物組成可知，沭河浮游植物主要以藍(lán)藻為主，其余采樣點(diǎn)綠藻占多數(shù)。

2.2 浮游植物的多樣性評(píng)價(jià)

2.2.1 多樣性。

對(duì)各點(diǎn)位浮游植物進(jìn)行了物種多樣性分析（圖3），從圖3可見，Shannon-Wiener多樣性指數(shù)為1.26～3.32，Pielou均勻度指數(shù)為0.53～0.86，Margalef多樣性指數(shù)為0.37～2.42，各采樣點(diǎn)多樣性指數(shù)變化各異。

通過水環(huán)境污染等級(jí)標(biāo)識(shí)可知，新沂市各采樣點(diǎn)Shannon-Wiener多樣性指數(shù)多處于β-中污狀態(tài)，其中峰值出現(xiàn)在采樣點(diǎn)12，谷值出現(xiàn)在采樣點(diǎn)3，其他采樣點(diǎn)差異性不大。Pielou均勻度指數(shù)的峰值出現(xiàn)在采樣點(diǎn)7，谷值出現(xiàn)在采樣點(diǎn)3，因此采樣點(diǎn)均處于輕污狀態(tài)。Margalef多樣性指數(shù)最大值出現(xiàn)在采樣點(diǎn)12，最低值出現(xiàn)在采樣點(diǎn)3，多數(shù)采樣點(diǎn)處于α-中污染狀態(tài)。

2.2.2 優(yōu)勢(shì)種的聚類和排序 。

在Bray-Curtis距離矩陣的基礎(chǔ)上，采用Ward最小方差等級(jí)聚類分析作出聚類樹枝圖（圖4），由圖4可知，各采樣點(diǎn)在0.8的距離水平上分為2個(gè)聚類類型，各聚類包含站點(diǎn)和所處位置不同。從聚類結(jié)果可以看出，沭河采樣點(diǎn)2、3、4自成一束，群落組成差異較小，但樣點(diǎn)5不同，其位于沭河和新沂河的交匯口，具有不同的群落結(jié)構(gòu)。水庫(kù)采樣點(diǎn)1、14、15自成一束，其中1號(hào)采樣點(diǎn)為小型水庫(kù)，14、15為中型水庫(kù)。水庫(kù)采樣點(diǎn)和沂河水域采樣點(diǎn)具有較高的相似性。

基于Bray-Curtis距離的相似性系數(shù)對(duì)各采樣點(diǎn)和河流的浮游植物優(yōu)勢(shì)種屬進(jìn)行非度量多維標(biāo)度（non-metric multidimensional scaling，NMDS）分析排序，分析結(jié)果（圖5）顯示，各采樣點(diǎn)總體Stress值為0.148 1，河流樣本Stress值為0.083 1，樣本脅強(qiáng)系數(shù)顯示其擬合程度分別為一般和較高。圖5中任意樣本的距離代表其相似度，距離越近表示具有較高的生境需求。各采樣點(diǎn)的NMDS分析結(jié)果和Ward最小方差等級(jí)聚類分析結(jié)果一致，均可分為2組，其中水庫(kù)和沂河的浮游植物具有較高的相似性，但中型水庫(kù)和小型水庫(kù)的浮游植物的相似度較低。單獨(dú)對(duì)河流樣本的NMDS分析顯示其可分為2組，分別是沭河和沂河。

3 討論

3.1 新沂市浮游植物群落空間分布

新沂市位于華北平原，屬淮河流域沂、沭水系，其境內(nèi)水網(wǎng)發(fā)達(dá)，特別是駱馬湖，為江蘇省第四大淡水湖泊。據(jù)《江蘇魚類志》記載，駱馬湖浮游植物共有89屬102種[18]。受調(diào)查季節(jié)、時(shí)間的限制，調(diào)查結(jié)果差異較大，相關(guān)研究表明，在2017年夏季發(fā)現(xiàn)駱馬湖浮游植物有6門32屬，而全年監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，駱馬湖浮游植物共有7門71種屬[9，19]。沂、沭流域的歷史調(diào)查資料較為匱乏，沂河流域的歷史調(diào)查結(jié)果表明浮游植物有7門73屬[20]。在目前已知的調(diào)查結(jié)果中，駱馬湖、沂河主要以藍(lán)藻、綠藻和硅藻為主，與該調(diào)查結(jié)果較為一致，該調(diào)查共發(fā)現(xiàn)浮游植物7門84屬，重量、密度的高值主要出現(xiàn)在沭河。

在空間分布上，浮游植物群落的地理差異明顯，駱馬湖（11～12）和水庫(kù)（1、14、15）主要以藍(lán)藻、綠藻為主，沂河（7～10）主要以硅藻、綠藻為主，沭河（2～5）主要以藍(lán)藻為主。在穩(wěn)定的湖泊、水庫(kù)等水體中綠藻、藍(lán)藻易形成相互競(jìng)爭(zhēng)的群落優(yōu)勢(shì)種，而在河流等混合度較高的不穩(wěn)定水體中硅藻所占比例會(huì)大幅提高，其次硅藻門屬于較為原始的門類，更能適應(yīng)生存在一些極端環(huán)境中[21]。

從密度和生物量上來看，沭河流域浮游植物的平均密度要高于其他調(diào)查區(qū)域。沭河穿越人口稠密的新沂市區(qū)，外來性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的不斷輸入，增加了水體環(huán)境的異質(zhì)性，其間攔河閘壩較多，閘壩的建設(shè)雖然在防洪、灌溉等方面取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益，但也在不同程度上引起河道干涸、斷流以及水動(dòng)力學(xué)的變化，對(duì)河流的生態(tài)環(huán)境帶來了巨大影響[22]。一方面，閘壩等水利工程的建設(shè)不僅切斷了河流的連通性，阻礙水生生物的自然遷移，容易造成污染物質(zhì)富集[23]，進(jìn)而使得浮游植物群落結(jié)構(gòu)趨于單一化，耐污物種大量繁殖，降低浮游植物多樣性;另一方面，閘壩調(diào)控所導(dǎo)致的河道水動(dòng)力條件的改變也會(huì)在很大程度上影響水生環(huán)境中浮游植物的群落結(jié)構(gòu)及密度分布[24]。

3.2 新沂市浮游植物的多樣性特征

物種多樣性是指用一定空間范圍內(nèi)物種的數(shù)量和分布特征來衡量生物的多樣性水平，評(píng)價(jià)群落種類的豐富度、數(shù)量分布的均勻程度和異質(zhì)性?；谏锒鄻有灾笖?shù)法對(duì)新沂市各采樣點(diǎn)的評(píng)價(jià)結(jié)果表明，多數(shù)水體處于輕污或者中度污染水平，采樣點(diǎn)3具有最小值，浮游植物物種種類為11種屬，其浮游植物群落結(jié)構(gòu)多樣性水平較低，從密度和生物量的角度來看，具有富營(yíng)養(yǎng)化的趨勢(shì)。有報(bào)道指出，一般水體所受污染越嚴(yán)重，Shannon-Wiener多樣性指數(shù)越低，而浮游植物種類種數(shù)越接近，Pielou均勻度指數(shù)越高[25]。Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)和Margalef指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果有一定的差別，有研究指出，Shannon-Wiener指數(shù)和Pielou指數(shù)對(duì)浮游植物群落多樣性有較好的解釋，而用Margalef指數(shù)解釋浮游植物群落多樣性時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎[26]。

物種聚類和排序的結(jié)果反映了物種的分布和數(shù)量，非度量多維標(biāo)度分析是以排序?yàn)槭侄蔚慕y(tǒng)計(jì)分析方法來研究群落組成和演替與環(huán)境因子的關(guān)系[17]，主要思想是使用盡可能少的排序軸（通常是2～3軸）充分展示不同樣方群落結(jié)構(gòu)的距離關(guān)系。將聚類分析與排序結(jié)合在一起使用，2種方法相輔相成，能更好、更直觀地解釋物種之間的相似性關(guān)系。聚類和NMDS分析顯示，樣本點(diǎn)可分為2組。由于不同采樣點(diǎn)的環(huán)境差異造成了浮游植物群落的組成差異，夏季沭河和沂河流域具有不同的浮游植物群落結(jié)構(gòu)。除此之外，水庫(kù)和沂河的浮游植物群落結(jié)構(gòu)相似性較高，究其原因主要是由于水庫(kù)采樣點(diǎn)較少或沭河下游駱馬湖湖區(qū)浮游植物的生活環(huán)境和水庫(kù)的生活環(huán)境有一定的相似性。

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