阿勒錦島國(guó)家濕地公園浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征1)

馬唯竣 王英偉丁俊男 史傳奇 梁雄偉

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150080)(黑龍江省寒區(qū)濕地生態(tài)與環(huán)境研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱學(xué)院))

浮游植物在濕地物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)過(guò)程中發(fā)揮著重要作用，具有生長(zhǎng)周期短、擴(kuò)散力強(qiáng)等特點(diǎn)，是生物地球化學(xué)作用中重要的一環(huán)[1]。作為濕地水生態(tài)系統(tǒng)中的初級(jí)生產(chǎn)者，其種類(lèi)和數(shù)量是監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)濕地環(huán)境變化的重要指標(biāo)之一[2-3]。采用浮游植物作為指示生物，通過(guò)分析其多樣性及其群落結(jié)構(gòu)特征，來(lái)反映濕地環(huán)境質(zhì)量狀況具有重要的參考價(jià)值[4-5]。同時(shí)，浮游植物通過(guò)“上下行效應(yīng)”控制和影響著其他營(yíng)養(yǎng)級(jí)的群落結(jié)構(gòu)，可以直接或間接的作為魚(yú)蝦蟹等高營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物的食物，因此其群落結(jié)構(gòu)的變化會(huì)影響整個(gè)濕地生態(tài)系統(tǒng)中食物鏈結(jié)構(gòu)[6]。

阿勒錦島是松花江哈爾濱段經(jīng)過(guò)千百年江水沖積、流沙坐灘形成的江心洲，后經(jīng)島上植物群落演替，是我國(guó)河流濕地江心洲生態(tài)系統(tǒng)的典型代表，亦凝結(jié)著金源文化、驛遞文化的城市濕地人文縮影。阿勒錦國(guó)家濕地公園的建設(shè)對(duì)維護(hù)松花江流域生態(tài)安全和保護(hù)松花江濕地生態(tài)系統(tǒng)完整性，促進(jìn)哈爾濱濕地保護(hù)與恢復(fù)工作、灘島生態(tài)旅游和科普宣教均具有十分重要的意義[7]。目前，關(guān)于阿勒錦國(guó)家濕地公園濕地浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征尚未被研究報(bào)道。因此，本文對(duì)阿勒錦國(guó)家濕地公園的浮游植物群落結(jié)構(gòu)組成、多樣性指數(shù)分析和水質(zhì)評(píng)價(jià)進(jìn)行研究，以期為該濕地公園水資源的保護(hù)、利用以及環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

黑龍江哈爾濱阿勒錦島國(guó)家濕地公園是哈爾濱國(guó)際濕地城市的核心組成部分，位于黑龍江省哈爾濱市松北區(qū)阿勒錦島及其周?chē)w。阿勒錦島形似梭形，四面環(huán)水，東西長(zhǎng)約4.5 km，南北最寬約1.3 km，總面積419.0 hm2，位于45°47′30″～45°48′38″N、126°37′26″～126°40′29″E。阿勒錦島國(guó)家濕地公園地處中溫帶，屬半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，四季分明。無(wú)霜期平均135 d。濕地公園內(nèi)多年平均降水量542.4 mm，降水量季節(jié)變化大。

2 研究方法

2.1 浮游植物的采集及定性定量

根據(jù)《湖泊富營(yíng)養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范(第2版)》和《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法(第4版)》標(biāo)準(zhǔn)，本研究于2020年7月進(jìn)行調(diào)查，分別在合理利用區(qū)(入口FZ1)、恢復(fù)重建區(qū)(中部FZ2)及生態(tài)保育區(qū)(出口FZ3)3個(gè)位置進(jìn)行了取樣調(diào)查(如圖1所示)。用25#(網(wǎng)孔直徑0.064 mm)浮游生物采集網(wǎng)縛于長(zhǎng)2.0 m的竹竿上，將網(wǎng)置于水中，使網(wǎng)口在水面以下深約30.0 cm處，做“∞”形反復(fù)拖曳；定量時(shí)用浮游植物沉淀器進(jìn)行沉淀，濃縮至30.0 mL，倒入貼有標(biāo)簽的生物采樣瓶中，加魯格試劑帶回室內(nèi)，經(jīng)沉淀、濃縮，在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行鑒定。

圖1 阿勒錦島國(guó)家濕地公園水體樣品調(diào)查站點(diǎn)圖

浮游植物物種鑒定參考胡鴻鈞1980版《中國(guó)淡水藻類(lèi)》[8-9]。硅藻鑒定主要根據(jù)硅藻殼面的形態(tài)及紋飾，為了清楚地看出殼面的紋飾，在鏡檢前，參照朱惠忠的方法對(duì)樣品進(jìn)行消化[10]，去除其中的有機(jī)物質(zhì)，鏡檢時(shí)吸取酸化后的樣品滴在干凈的載玻片上，風(fēng)干后滴加松泊油于奧林巴斯CX-41顯微鏡1 000倍鏡下觀察鑒定并拍照記錄。

2.2 數(shù)據(jù)分析

用浮游植物定量計(jì)數(shù)框進(jìn)行計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)。計(jì)數(shù)完畢后，按下列公式，計(jì)算1.0 L水中浮游植物的個(gè)體數(shù)：

(1)

式中：N代表1.0 L水中浮游植物的個(gè)體數(shù)量；Cs代表計(jì)數(shù)框面積(mm2)；Fs代表每個(gè)視野的面積(mm2)；Fn代表計(jì)數(shù)過(guò)的視野數(shù)；V代表1.0 L水樣經(jīng)沉淀濃縮后的體積(mL)；U代表計(jì)數(shù)框的體積(mL)；Pn代表每片計(jì)數(shù)出的浮游植物個(gè)體數(shù)，計(jì)算全體浮游植物的個(gè)體數(shù)量。部分樣品冷凍送上海美吉公司生物云平臺(tái)測(cè)定定性生物樣品后，可以測(cè)定出每種浮游植物在浮游植物樣本中所占的比例，結(jié)合浮游植物樣本定量結(jié)果，計(jì)算出每種浮游植物的個(gè)體數(shù)量。

采用香濃Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)、Margalef物種豐富度指數(shù)(M)、Pielou均勻度指數(shù)(J′)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。將調(diào)查數(shù)據(jù)錄入計(jì)算機(jī)，利用SPSS17.0軟件對(duì)物種多樣性進(jìn)行分析。

物種多樣性分析采用香濃Shannon-Weiner多樣性指數(shù)公式：

(2)

物種豐富度指數(shù)采用Margalef豐富度指數(shù)公式：

m=(s-1)/lnN;

(3)

物種均勻性指數(shù)分析采用Pielou均勻性指數(shù)公式：

(4)

式中：M為浮游植物種類(lèi)的總數(shù)目；Pi為第i種個(gè)體數(shù)占總個(gè)體數(shù)的比例；N為所有個(gè)體的總數(shù)；J為群落的均勻性指數(shù)；Hmax為在最大均勻性條件下的種多樣性值；S為群落中物種數(shù)[11]。

應(yīng)用CANOCO 4.5軟件進(jìn)行浮游植物與環(huán)境因子間的關(guān)系分析。在數(shù)據(jù)分析前進(jìn)行RDA分析，檢驗(yàn)物種數(shù)據(jù)適合的模型。另外，在分析過(guò)程中對(duì)物種矩陣和環(huán)境變量均進(jìn)行l(wèi)g(x+1)轉(zhuǎn)換。

3 結(jié)果與分析

3.1 浮游植物群落組成結(jié)構(gòu)

將3個(gè)采樣點(diǎn)樣本高通量測(cè)定結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表1和圖1所示，阿勒錦島國(guó)家濕地公園內(nèi)共發(fā)現(xiàn)浮游植物7門(mén)9綱14目21科36屬41種(含變種)，其中，硅藻門(mén)(Bacillariophyta)2綱4目6科19種，比例占調(diào)查總數(shù)的46%；綠藻門(mén)(Chlorophyta)11種，比例占調(diào)查總數(shù)的27%；藍(lán)藻門(mén)(Cyanophyta)1綱2目4科6種，比例占調(diào)查總數(shù)的15%；甲藻門(mén)(Pyrrophyta)1綱1目1科1種，比例占調(diào)查總數(shù)的3%；裸藻門(mén)(Euglenophyta)2種，比例占調(diào)查總數(shù)的5%；金藻門(mén)(Chrysophyta)1綱1目1科1種，比例占調(diào)查總數(shù)的2%；隱藻門(mén)(Cryptophyta)1種，比例占調(diào)查總數(shù)的2%；且水體中未發(fā)現(xiàn)致病浮游植物。

3.2 浮游植物群落優(yōu)勢(shì)物種

阿勒錦島國(guó)家濕地公園浮游植物種類(lèi)組成如圖2和圖3所示，綜合3個(gè)采樣點(diǎn)浮游植物種類(lèi)所占比例取均值計(jì)算，每個(gè)采樣點(diǎn)浮游植物總屬數(shù)比例總和略小于1。根據(jù)高通量測(cè)定結(jié)果，同時(shí)結(jié)合光學(xué)顯微鏡確定優(yōu)勢(shì)種為小環(huán)藻屬(Cyclotella)、菱形藻屬(Nitzschia)、星桿藻屬(Asterionella)和針桿藻屬(Synedra)。

表1 阿勒錦島國(guó)家濕地公園浮游植物名錄

圖2 阿勒錦島國(guó)家濕地公園地表水體浮游植物種類(lèi)組成(屬水平)

A小環(huán)藻屬(Cyclotella)；B星桿藻屬(Asterionella)；C菱形藻屬(Nitzschia)；D針桿藻屬(Synedra)。

3.3 浮游植物群落多樣性分析及水質(zhì)評(píng)價(jià)

阿勒錦島國(guó)家濕地公園浮游植物多樣性指數(shù)，如表2所示，3個(gè)采樣點(diǎn)平均香農(nóng)指數(shù)(H′)在3.01～3.47之間，取平均數(shù)為3.28；豐富度指數(shù)(M)在2.49～3.77之間；均勻度指數(shù)(J′)在0.36～0.52之間。根據(jù)水體鑒定標(biāo)準(zhǔn)[12](H′指數(shù)的水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：H′指數(shù)為0～1時(shí)，水體為重污染；H′指數(shù)為1～3時(shí)，水體為中度污染；H′指數(shù)大于3時(shí)，水體為輕污染或無(wú)污染。)，水體為輕度污染或無(wú)污染。

表2 阿勒錦島國(guó)家濕地公園浮游植物多樣性指數(shù)

如表3所示，阿勒錦島國(guó)家濕地公園內(nèi)濕地水體在研究期內(nèi)水質(zhì)總體穩(wěn)定，pH接近中性。其中，溶解氧、pH值、五日生化需氧量、氨氮、總磷、總氮、氟化物、銅和鋅總體上符合國(guó)家Ⅳ類(lèi)水體指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)[12]。

依據(jù)門(mén)水平優(yōu)勢(shì)類(lèi)群與理化指標(biāo)，進(jìn)行冗余分析，如圖4，前2個(gè)排序軸解釋總變量的80%。各類(lèi)群與第一排序軸成正相關(guān)，除pH外，各理化指標(biāo)與第一排序軸成負(fù)相關(guān)，說(shuō)明多數(shù)優(yōu)勢(shì)類(lèi)群與理化指標(biāo)成負(fù)相關(guān)，如硅藻門(mén)(Bacillariophyta)、藍(lán)藻門(mén)(Cyanophyta)、隱藻門(mén)(Cryptophyta)、金藻門(mén)(Chrysophyta)、甲藻門(mén)(Pyrrophyta)。裸藻門(mén)(Euglenophyta)與總氮、氨氮成正相關(guān)，綠藻門(mén)(Chlorophyta)與pH值，溶解氧成正相關(guān)。

表3 阿勒錦島國(guó)家濕地公園水質(zhì)理化指標(biāo)

圖4 浮游植物優(yōu)勢(shì)類(lèi)群(門(mén)水平)與理化指標(biāo)冗余分析

4 討論

近年來(lái)，隨著哈爾濱市國(guó)際濕地城市的確立及旅游業(yè)的快速發(fā)展，由于人為因素的干擾，城市濕地內(nèi)的水體已呈現(xiàn)出水體質(zhì)量下降、富營(yíng)養(yǎng)化程度加深、水體生物多樣性降低的現(xiàn)象，直接影響濕地的功能價(jià)值。浮游植物是濕地水生態(tài)系統(tǒng)中重要的組成部分，其種類(lèi)和組成及季節(jié)性演替受非生物因子(光照、水位、溫度、營(yíng)養(yǎng)鹽等)和生物因子(捕食和競(jìng)爭(zhēng)等)的影響[13]。本研究于2020年7月對(duì)阿勒錦島國(guó)家濕地公園內(nèi)浮游植物種群特征研究結(jié)果表明，濕地公園內(nèi)浮游植物共有7門(mén)9綱14目21科36屬41種，其中門(mén)水平下主要優(yōu)勢(shì)種群為硅藻門(mén)、綠藻門(mén)和藍(lán)藻門(mén)。相關(guān)研究表明，國(guó)內(nèi)如張掖國(guó)家濕地公園、泰湖國(guó)家濕地公園、杭州濕地公園等濕地公園內(nèi)均有硅藻門(mén)和藍(lán)藻門(mén)為主要優(yōu)勢(shì)類(lèi)群，其中綠藻門(mén)種群數(shù)量隨著季節(jié)的改變較為明顯[14-17]。另浮游植物不同門(mén)類(lèi)具有不同的生理與生物特性，綠藻門(mén)和硅藻門(mén)的適口性和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值較高，對(duì)濕地公園周邊河流中魚(yú)類(lèi)取食和生長(zhǎng)具有重要意義[18-19]。

浮游植物種類(lèi)一般采用電子顯微鏡鏡檢的鑒定方式，但隨著高通量測(cè)序技術(shù)的發(fā)展，采用分子技術(shù)對(duì)浮游植物種類(lèi)鑒定已廣泛應(yīng)用。本研究通過(guò)傳統(tǒng)電子鏡檢結(jié)合高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)浮游植物的種類(lèi)進(jìn)行分析。本研究結(jié)果表明小環(huán)藻屬、星桿藻屬、菱形藻屬和針桿藻屬為濕地公園內(nèi)浮游植物主要的優(yōu)勢(shì)物種。相關(guān)研究表明，小環(huán)藻屬浮游植物可作為水體富營(yíng)養(yǎng)化水平的指示生物[20]，其數(shù)量與河流的流速、硝態(tài)氮、磷酸鹽、硅酸鹽、氣溫、水溫等因素密切相關(guān)[21]。阿勒錦島國(guó)家濕地公園水體處于黑龍江省松花江哈爾濱段，河流水溫呈現(xiàn)春季低溫，夏季高溫，秋季回降的規(guī)律，而這也往往伴隨浮游植物群落結(jié)構(gòu)的演替，小環(huán)藻屬浮游植物作為優(yōu)勢(shì)物種表明該段河流水體尚處于清潔的狀態(tài)，但如不持續(xù)保持和加強(qiáng)管理，仍存在河流水質(zhì)惡化的風(fēng)險(xiǎn)[22]。生物多樣性作為反映浮游植物群落生態(tài)特征的重要指標(biāo)，不僅可以用來(lái)評(píng)價(jià)水體的污染程度，還可以從生態(tài)系統(tǒng)層面反映其穩(wěn)定性[23]。水體中藻類(lèi)的物種多樣性指數(shù)越高，其群落結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，穩(wěn)定性越高[24]。研究期內(nèi)阿勒錦島國(guó)家濕地公園各采樣點(diǎn)浮游植物多樣性指數(shù)變化表明水體處于為輕度污染或無(wú)污染狀態(tài)。通過(guò)水質(zhì)理化指標(biāo)結(jié)果表明，阿勒錦島國(guó)家濕地公園符合國(guó)家Ⅳ類(lèi)水體指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。

溶解氧、pH值、氨氮、總氮等是浮游植物生長(zhǎng)的首要物質(zhì)基礎(chǔ)，是調(diào)節(jié)浮游植物生長(zhǎng)最重要的環(huán)境因子之一。本研究中除綠藻門(mén)外大部分浮游植物與溶解氧呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，這主要由于浮游植物在大量生長(zhǎng)時(shí)由于光合作用對(duì)水體有較強(qiáng)的富氧作用，而在藻類(lèi)大量死亡時(shí)則需要消耗大量溶解氧[25]。氮是浮游植物生長(zhǎng)必須的營(yíng)養(yǎng)元素，硅藻類(lèi)浮游植物生長(zhǎng)過(guò)程中需要消耗大量的氮元素，但在氮元素充足的情況下，許多水體中浮游植物生長(zhǎng)往往受某種營(yíng)養(yǎng)鹽的限制作用[26]。同時(shí)浮游植物是浮游動(dòng)物的重要食物來(lái)源之一，氮、磷等元素主要通過(guò)影響浮游植物，進(jìn)而對(duì)浮游動(dòng)物產(chǎn)生影響[27-28]。

5 結(jié)論

本研究結(jié)果表明阿勒錦島國(guó)家濕地公園浮游植物種類(lèi)較為豐富，硅藻門(mén)、藍(lán)藻門(mén)和綠藻門(mén)為優(yōu)勢(shì)類(lèi)群物種，可為濕地公園內(nèi)魚(yú)類(lèi)提供食源；水體鑒定標(biāo)準(zhǔn)為輕度污染或無(wú)污染，且水質(zhì)符合國(guó)家Ⅳ類(lèi)水體指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。裸藻門(mén)與總氮、氨氮成正相關(guān)，綠藻門(mén)與pH值、溶解氧成正相關(guān)。