長江湖北宜昌中華鱘自然保護區(qū)浮游植物群落結構及水質生物評價

蔡志宇 伍遇普 林楓 田波 向浩 吳益平 黃盼君 劉千凡 周志國

摘要：為了解長江湖北宜昌中華鱘自然保護區(qū)浮游植物群落周年變化特征及水質生物評價，2021年春、夏、秋和冬四個季節(jié)在保護區(qū)水域設置了10個斷面，開展了保護區(qū)浮游植物現(xiàn)狀監(jiān)測調查。結果顯示：共采集到浮游植物102種，隸屬于8門49屬，其中硅藻門種類最多，其次為綠藻門。優(yōu)勢物種共計16種，以綠藻門種類為多。浮游植物的密度范圍為10.21～102.09×104 Cells/L，全年平均密度為27.92×104 Cells/L；物量范圍為0.10～6.96 mg/L，平均生物量為2.26 mg/L；生物量及密度變化趨勢為夏季高冬季低、上游高下游低。浮游植物Shannon多樣性指數(shù)（H）變化范圍為1.39～3.25，年均值為2.43；Pielou 均勻度指數(shù)（J）的波動范圍為 0.25～0.87，年均值為0.47。浮游植物多樣性和均勻度指數(shù)指示水體較為清潔，浮游植物密度指示水體營養(yǎng)類型為極貧營養(yǎng)。浮游植物生物量與環(huán)境因子之間的冗余分析及Pearson相關分析結果表明，浮游植物群落結構變化受溫度、溶解氧和流速影響較大。

關鍵詞：浮游植物；群落結構；水質生物評價；中華鱘自然保護區(qū)

中圖分類號：X82? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

浮游植物是一個生態(tài)學概念，又被稱為浮游藻類[1]，是指懸浮生活在水中，完全沒有或者游泳能力微弱、不足以抵抗水的流動力的微小植物。浮游植物是水域生態(tài)系統(tǒng)中的初級生產(chǎn)者，能通過葉綠素進行光合作用將光能轉化為生物能并儲存無機碳，在水生態(tài)系統(tǒng)的物質循環(huán)和能量轉化過程中起著重要作用[2-3]。水生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)平衡是生物群落與環(huán)境因子之間相互影響和制約的結果，水生生物群落結構受水環(huán)境變化影響，水生生物群落結構及動態(tài)變化也會反映出水體環(huán)境變化[4-5]。浮游植物對環(huán)境條件的變化較為敏感，能夠根據(jù)水體營養(yǎng)狀態(tài)的變化迅速作出響應，因此浮游植物的群落結構變動情況可以作為所處水體污染狀況的一項重要指標，經(jīng)常用來評價水體是否健康 [6-8]。

中華鱘（Acipenser sinensis）屬于洄游性魚類，為我國一級保護動物。中華鱘產(chǎn)卵場主要分布于長江上游，葛洲壩水利樞紐建成后，中華鱘繁殖群體被迫滯留于壩下江段，形成了目前為止已知僅有的產(chǎn)卵場。為保護中華鱘的自然繁殖群體及其棲息地和產(chǎn)卵場等生境，1996年4月，湖北省人民政府正式批準建立“長江湖北宜昌中華鱘自然保護區(qū)”，保護區(qū)范圍為葛洲壩至枝城楊家溪60 km的長江干流江段，對中華鱘的物種延續(xù)起著關鍵性的作用。浮游植物群落結構變化影響著水體生態(tài)環(huán)境，也持續(xù)影響著水體生態(tài)系統(tǒng)服務功能，因此，研究浮游植物群落結構特征變化，對于水生態(tài)保護具有重要意義[9]。

目前，對長江湖北宜昌中華鱘自然保護區(qū)內浮游植物群落調查研究甚少，且調查范圍限于某一斷面[10]。鑒于此，2021年的春、夏、秋和冬四個季節(jié)，在長江湖北宜昌中華鱘自然保護區(qū)水域開展了浮游植物及相關環(huán)境因子的監(jiān)測工作。根據(jù)相關監(jiān)測結果，分析了保護區(qū)浮游植物群落結構的周年變化特征，探討了其與保護區(qū)環(huán)境因子的關系，并依據(jù)生物學指標對保護區(qū)水質進行了評價。本研究結果將填補長江湖北宜昌中華鱘自然保護區(qū)浮游植物群落結構與環(huán)境因子關系等研究的空白，豐富保護區(qū)水生生物研究方面的基礎數(shù)據(jù)，為保護區(qū)生態(tài)系統(tǒng)保護提供科學依據(jù)。

1材料與方法

1.1采樣斷面、監(jiān)測周期與頻次

采樣斷面：在長江湖北宜昌中華鱘自然保護區(qū)設置了10調查斷面（圖1），順水流方向從上至下以依次為胭脂壩（YZB）、艾家鎮(zhèn)（AJZ）、將軍帽（JJM）、虎牙山（HYS）、洋豐碼頭（YFMT）、塔坪橋（TPQ）、高壩洲鎮(zhèn)（GBZZ）、濱江公園（BJGY）、孫家河（SJH）、劉家河（LJH）。

監(jiān)測周期及頻次：2021年5月、7月、9月和12月對10個監(jiān)測斷面進行了浮游植物監(jiān)測，同時對各個斷面的環(huán)境因子進行了測量。

圖1采樣斷面示意圖

1.2樣品采集、保存及鑒定

樣品采集：參照《內陸水域漁業(yè)自然資源調查手冊》，在各采樣斷面分左岸、河中、右岸3個采樣點進行浮游植物的定性和定量樣品采集。定性調查：用25號浮游生物網(wǎng)采集。采集時將網(wǎng)緊扎于竹竿前端，將網(wǎng)沒于水中作水平∞形巡回拖動，拖動速度不超過0.3 m/s，目測時可以底管前端的網(wǎng)體全部展開為標準。在行船上采集時，則將網(wǎng)系在船后水平拖取。定量采集：在水深不超過2 m時，以采水器采取水面下0.5 m處水樣1個；水深為2～3 m時，在離水底0.5 m處增加一個采水樣點；水深為3～5 m時，在水下1.5～2.5 m處再增加一個水樣；各層水樣等量混合后，再取一個混合水樣加以固定。

樣品固定：浮游植物標本采集后，除留待活體觀察的樣品以外，其余樣品立刻以魯哥氏液固定（一般每升水加15 mL魯哥氏液）。定量樣品固定后還需濃縮至30～50 mL貯存。濃縮一般采用沉淀法：將固定后的樣品搖勻后全部倒入沉淀器中靜置24～48 h，以虹吸管吸去上清液；操作中不能攪動液體，而使沉淀在下部的固體物質隨虹吸管中的液體逸出；反復進行操作，直至樣品濃縮至30～50 mL時裝入樣瓶中保存。

樣品分析：采用顯微鏡計數(shù)法進行定量分析。將濃縮后的定量樣品溶液搖勻，以經(jīng)校正的定量吸管吸取0.1 mL注入容量為0.1 mL的計數(shù)框，蓋上蓋玻片置于顯微鏡下鏡檢計數(shù)。每個水樣計數(shù)兩次，兩次計數(shù)的結果取平均值，若該平均值與兩次計數(shù)結果的差距不大于該均值的10％，則該均值為最終計數(shù)結果；否則，計數(shù)第三次，將三次計數(shù)結果取平均值，同樣用上法校驗[11-13]。

此外，對水體水質理化參數(shù)指標也進行了監(jiān)測。具體方法如下：采用YSI多參數(shù)水質監(jiān)測儀（YSI 6600V2，Xylem Analytics）現(xiàn)場測定電導率水溫（Water Temperature，WT）、電導率（Conductivity，Cond）、pH、溶解氧（Dissolved Oxygen，DO）；采用塞氏盤現(xiàn)場測量水體透明度（SD）；使用流速儀（FP111）測定流速（Current Velocity，CV）；現(xiàn)場采集的水樣帶回實驗室，參照《水和廢水監(jiān)測分析方法（第四版）》（國家環(huán)境保護總局，2002）對總氮（Total Nitrogen，TN）和總磷 （Total Phosphorus，TP）等水質參數(shù)及進行測定。

1.3數(shù)據(jù)處理與分析

對浮游植物的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)（Ｈ）、Pielou均勻度指數(shù)（Ｊ）及優(yōu)勢度（Ｙ）進行計算。相關計算公式如下：

式中：Ni為第ｉ種的個體數(shù)；Ｎ為樣品中的總個體數(shù)；fi為第ｉ種在各樣點出現(xiàn)的頻率；S為種類數(shù)。取優(yōu)勢度Y≥0.02的物種作為優(yōu)勢種。

對多樣性指數(shù)以及TN、TP、pH和DO等，進行標準差標準化處理后，采用SPSS 26.0軟件對浮游植物與環(huán)境因子做Pearson相關性分析。先對浮游植物相關數(shù)據(jù)進行去趨勢對應分析（Detrended correspondence analysis，DCA）：當排序軸最大梯度長度大于3時選擇典范對應分析（canonical correspondence analusis，CCA），當排序軸最大梯度長度小于3時選擇冗余分析（Redundancy analysis， RDA），最終用物種與環(huán)境因子的雙序圖表示浮游植物與環(huán)境因子的關系[14]。采樣點的繪制結合使用 ArCIS 10.8 和 BigMap完成。

1.4水質和營養(yǎng)類型生物評價標準

根據(jù)Shannon-Wiener多樣性指數(shù)（Ｈ）進行水質評價，當Ｈ值在小于1，則表示水體處于重污狀態(tài)；當Ｈ值在大于1，小于2，則表示水體處于輕污染狀態(tài)；當Ｈ大于3，則表示水體較為清潔。根據(jù)Pielou均勻度指數(shù)（Ｊ）進行水質評價，當J值在小于0.3，則表示水體處于重污狀態(tài)；當J值在大于0.3，小于0.5，則表示水體處于中污染狀態(tài)；當J大于0.5，則表示輕污染或無污染狀態(tài)[15]。

根據(jù)浮游植物細胞密度進行營養(yǎng)類型評價：當浮游植物密度小于等于50000 ind./L時，表示所處水體處于極貧營養(yǎng)狀態(tài)。當密度大于50000 ind./L，小于100000 ind./L時表示所處水體處于貧營養(yǎng)狀態(tài)。當密度大于100000 ind./L，小于900000 ind./L時，表示所處水體處于貧中營養(yǎng)狀態(tài)。當密度大于1000000 ind./L，小于4000000 ind./L時，表示所處水體處于中營養(yǎng)狀態(tài)。當密度大于400000 ind./L，小于800000 ind./L時，表示所處水體處于中富營養(yǎng)狀態(tài)。當密度大于8100000 ind./L，小于9900000 ind./L時，表示所處水體處于富營養(yǎng)狀態(tài)。當密度大于1000000 ind./L，時，表示所處水體處于富營養(yǎng)狀態(tài) [16]。

2結果與分析

2.1浮游植物種類組成及優(yōu)勢種

2021年，在長江湖北宜昌中華鱘自然保護區(qū)共鑒定到浮游植物102種，隸屬于8門49屬。其中硅藻門種類最多35種，占總數(shù)的34.31%；其次為綠藻門27種，占總數(shù)的26.47%；藍藻門種類為22種，占總數(shù)的21.57%；甲藻門、隱藻門，金藻門、裸藻門，黃藻門各4，5，6，2和1種，分別占總數(shù)的3.92%，4.9%，5.88%，1.96%和0.98%（圖2）。

浮游植物種類數(shù)在四季存在差異，其中春季67種、夏季92種、秋季79種和冬季87種。各門類存在一定的季節(jié)差異，比如，綠藻門種類在春、夏和秋季種類較多；硅藻門種類在秋季和冬季種類多，在春季最少；藍藻門種類在春季最多，冬季最少（圖3）。

經(jīng)統(tǒng)計分析，10個采樣斷面浮游植物優(yōu)勢物種共有16種，包括硅藻門、綠藻門、藍藻門和隱藻門四大類（表1）。其中，綠藻門優(yōu)勢物種最多，為6種，包括雙尾柵藻（Scenedesmus obliquus），二角盤星藻（Pediastrum duplex），卵囊藻（Ocystis sp.），彎曲柵藻（Scenedesmus arcuatus），新月藻（Closterium），螺旋纖維藻（Ankistrodesmus spiralis）；其次為硅藻門的5種，包括顆粒直鏈藻（Melosira granulate），脆桿藻（Fragilaria sp.），雙頭舟形藻（Navicula dicephala）布紋藻（Gyrosigma），橋彎藻（Cymbella）；藍藻門4種，包括顫藻（Oscillatoria），席藻（Phormidium corium），阿氏項圈藻（Anabaenopsis arnoldii），束絲藻（Aphanizomenon）；隱藻門（Cryptophyta）僅1種，反曲彎隱藻（Campylomonas reflexa）。

2.2浮游植物密度和生物量

浮游植物的密度范圍為10.21～102.09×104 Cells/L，全年平均密度為27.92×104 Cells/L，（表2）。從季節(jié)上來看，浮游植物密度不同季節(jié)之間存在較大差異，密度大小順序總體為：夏季>秋季>春季>冬季；其中，夏季的浮游植物平均密度最高為44.59×104 Cells/L，顯著高于春、冬季的16.26×104 Cells/L 和15.43×104 Cells/L（P<0.05）；其次為秋季的35.40×104 Cells/L；春季和冬季浮游植物密度之間的差異性不顯著。從空間上看，浮游植物密度分布也存在較大差異，各個季節(jié)總體表現(xiàn)為下游江段相對較大，而上游江段相對較?。▓D4）。

各采樣點浮游植物生物量范圍為 0.10～6.96 mg/L，平均生物量為2.26 mg/L。從季節(jié)上來看，各采樣點生物量季節(jié)變化趨勢與密度基本一致，即：夏季>秋季>春季>冬季。夏季的浮游植物平均密度最高為3.64 mg/L，顯著高于春、冬季節(jié)的1.13 mg/L和1.22mg/L（P<0.05）。從空間上看，保護區(qū)下游生物量相對較大，上游江段相對較小，與密度變化趨勢基本一致（表2，圖4）。

2.3浮游植物與水體理化因子相關性

與環(huán)境因子進行Pearson 相關性分析的結果表明：浮游植物密度與溶解氧（DO）含量、透明度（SD）、流速（CV）、透明度（SD）負相關關系（P＜0.05），與溫度正相關（P＜0.05）；生物量與總磷（TP）及溫度正相關（P＜0.05），與溶解氧（DO）含量、流速（CV）及透明度呈顯著負相關系（P＜0.05）。游植物群落結構起最主要作用的環(huán)境因子是溫度，可能是由于保護區(qū)江段位于亞熱帶地區(qū)，各季節(jié)的溫度變化顯著導致（表3）。

對16種優(yōu)勢物種進行去趨勢對應分析（DCA），排序軸最長梯度小于3，說明浮游植物群落結構接近線性模型，故本研究采用冗余分析（RDA）探究浮游植物與水體環(huán)境因子的關系。結果顯示，溫度、透明度、溶解氧與浮游植物群落結構密切相關。其中水溫與第一排序軸為正相關；水溫與第一排序軸為最大正相關，溶解氧與第二排序軸呈最大負相關（圖5）。

（SP3為卵囊藻； SP4 為彎曲柵藻；SP5 為新月藻；SP6 為螺旋纖維藻；SP7 為顆粒直鏈藻；SP8 為脆桿藻；SP9 為雙頭舟形藻；SP10為布紋藻；SP11 為橋彎藻；SP12 為顫藻；SP13 為席藻；SP14阿氏項圈藻；SP15為束絲藻；SP16為反曲彎隱藻）

2.4水體營養(yǎng)狀態(tài)生物學評價

對10個采樣斷面浮游植物生物多樣性進行統(tǒng)計，結果表明：各斷面浮游植物Shannon多樣性指數(shù)（H）變化范圍為1.39～3.25，年均值為2.43；H季節(jié)變化差異不大，各個季節(jié)之間差異不明顯。Pielou 均勻度指數(shù)（J）的波動范圍為0.25～0.87，年均值為0.47，季節(jié)之間變化差異不顯著。不同斷面上，Shannon多樣性指數(shù)（H）和Pielou 均勻度指數(shù)（J）差異較大，總體上下游江段各指數(shù)值大于上游江段（表4，圖6）。

按照常用的浮游植物生物學評價水質和營養(yǎng)類型的方法，根據(jù)生物學指標Shannon多樣性指數(shù)（H）和Pielou 均勻度指數(shù)（J）評價長江湖北宜昌中華鱘自然保護區(qū)水質， 細胞密度評價營養(yǎng)程度，結果見表5。結果表明：全年Shannon多樣性指數(shù)（H）主要集中在2～3之間，屬于輕污染；春季和夏季的Pielou 均勻度指數(shù)（J）范圍在0.3～0.5之間，屬于中污染，而秋季和冬季＞0.5，屬于 輕污染。全年浮游植物細平均胞密度均小于0.5×106 cells/L，暗示長江湖北宜昌中華鱘自然保護區(qū)營養(yǎng)類型為極貧營養(yǎng)。總體而言，保護區(qū)水質屬于輕污染，營養(yǎng)類型為極貧營養(yǎng)（表5）。

3結論

1）調查期間，共鑒定到浮游植物102種，隸屬于8門49屬。其中硅藻門種類最多，其次為綠藻門27種，黃藻門最少。浮游植物優(yōu)勢物種共有16種（Y>0.02），包括綠藻門6種，硅藻門5種，藍藻門4種，隱藻門僅1種。浮游植物的密度范圍為10.21～102.09×104 Cells/L，全年平均密度為27.92×104 Cells/L； 生物量范圍為 0.10～6.96 mg/L，平均生物量為2.26 mg/L。生物量及密度變化趨勢為夏季高冬季低、上游高下游低。

2）浮游植物與水體理化因子的相關性分析結果表明：與溶解氧、透明度、流速、透明度呈顯著負相關，與溫度呈顯著正相關；對16種優(yōu)勢物種進行去趨勢對應分析（DCA），排序軸最長梯度小于3，適合采用冗余分析（RDA）。結RDA結結果顯示，溫度、透明度、溶解氧與浮游植物群落結構密切相關。

3）各斷面浮游植物Shannon多樣性指數(shù)（H）變化范圍為1.39～3.25，年均值為2.43； Pielou 均勻度指數(shù)（J）的波動范圍為 0.25～0.87，年均值為0.47。下游江段各指數(shù)值大于上游江段。按照常用的浮游植物生物學評價水質和營養(yǎng)類型的方法進行水質評價，結果表明，保護區(qū)水質屬于輕污染，營養(yǎng)類型為極貧營養(yǎng)。

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（收稿日期：2022-08-12）