銀川犀牛湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)與多樣性

李 華,段杰仁,李吉寧

(1.寧夏福寧工程設(shè)計咨詢有限公司,寧夏銀川 750001;2.寧夏固原市第七中學(xué),寧夏固原 756002;3.寧夏大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院,寧夏銀川 750021)

浮游植物作為水域生態(tài)系統(tǒng)里的初級生產(chǎn)者,為水生生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)與能量流動奠定基礎(chǔ)[1]。浮游植物攝入水中的營養(yǎng)鹽用于自身生長,當(dāng)水體富營養(yǎng)化后,營養(yǎng)鹽激增,引發(fā)浮游植物大幅度增長,可視為水體富營養(yǎng)化的標(biāo)志之一[2]。浮游植物自身結(jié)構(gòu)簡單,較為脆弱,極易受到外界環(huán)境變化的影響,對水域生境變化敏感,因此可根據(jù)浮游植物的動態(tài)變化推測水域生境的變化,是水環(huán)境變化的指示物種之一[3]。浮游植物自身獨特的生存策略決定了浮游植物群落結(jié)構(gòu)變化的迅速與精準(zhǔn)性[4],在不同地理位置、營養(yǎng)結(jié)構(gòu)下,浮游植物群落結(jié)構(gòu)差異顯著[5]。浮游植物群落結(jié)構(gòu)關(guān)系到水生生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定,了解其群落結(jié)構(gòu)可為水生態(tài)保護(hù)提供依據(jù)[6]。

銀川市地處我國西北干旱、半干旱地區(qū),湖泊是極其珍貴的自然資源和生態(tài)景觀,對寧夏以及周邊地區(qū)的生態(tài)安全和生態(tài)恢復(fù)具有重大的戰(zhàn)略意義。浮游植物是水生生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,可反映水體水質(zhì)與生境的變化。該研究利用經(jīng)典方法與定性定量分析手段,研究銀川犀牛湖浮游植物群落動態(tài)變化與結(jié)構(gòu)特性,為該地區(qū)水質(zhì)評價、生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域與樣點布設(shè)犀牛湖位于銀川市西夏區(qū)鎮(zhèn)北堡鎮(zhèn)良渠稍村、同莊村,面積160 hm2,水生生物資源豐富,生態(tài)物種多樣。人工池塘與自然湖泊交織,典型生境包括自然湖泊生境與人工魚塘生境。該研究設(shè)置4個取樣點(圖1)。于2020年冬季(1月)、春季(4月)、夏季(7月)、秋季(10月)分4次取樣,對水體里浮游植物進(jìn)行定性定量分析。

1.2 浮游植物采樣與鑒定浮游植物樣品采集參照《湖泊富營養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范》(第二版)[7]、水庫漁業(yè)資源調(diào)查規(guī)范(SL 167—2014)、水生生物調(diào)查技術(shù)規(guī)范(DB11/T 1721—2020)進(jìn)行。浮游植物鑒定參照《淡水微型生物圖譜》[8]和《中國淡水藻類》[9]進(jìn)行。所采標(biāo)本鑒定到屬或種,計數(shù)并計算生物量。

1.3 浮游植物多樣性指數(shù)采用Shannon-Wiener物種多樣性指數(shù)(H′)和Margalef物種豐富度指數(shù)(D)分析犀牛湖水生生物物種多樣性[10]。計算公式如下:

D=(S-1)/log2N

(1)

H′=-∑(ni/N)log2(ni/N)

(2)

式中:S為種類數(shù);N為浮游植物總個體數(shù);ni為第i種浮游植物的個體數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 浮游植物種類組成2020年犀牛湖共檢出浮游植物8門87種,其中藍(lán)藻門17種,硅藻門25種,綠藻門30種,裸藻門7種,甲藻門2種,隱藻門2種,金藻門2種,黃藻門2種,以綠藻門種類居多,硅藻門、藍(lán)藻門次之,偶見隱藻門、黃藻門、甲藻門和金藻門種類,見表1。

圖1 犀牛湖采樣點分布Fig.1 Distribution of sampling points in Xiniu Lake

2020年犀牛湖浮游植物種類數(shù)為23～73種。春季物種數(shù)為52種,藍(lán)藻門占比26.92%,硅藻占比32.69%,綠藻門占比28.85%。夏季物種數(shù)為64種,藍(lán)藻門占比23.44%,硅藻占比23.44%,綠藻門占比34.38%。秋季物種數(shù)為73種,藍(lán)藻門占比23.29%,硅藻占比32.88%,綠藻門占比32.88%。冬季物種數(shù)為23種,藍(lán)藻門占比8.69%,硅藻門占比65.22%,綠藻門占比26.09%。硅藻門是犀牛湖冬季和春季浮游植物的主要類群,夏季為綠藻門,秋季為綠藻門和硅藻門。冬季到春季物種數(shù)目的增加主要在于藍(lán)藻門和綠藻門物種數(shù)目的增加。

2.2 浮游植物密度與生物量2020年犀牛湖浮游植物全年平均密度為7.12×106cell/L,全年平均生物量為5.19 mg/L。從圖2可以看出,春季浮游植物平均密度為6.86×106cell/L,平均生物量為4.46 mg/L;夏季浮游植物平均密度為12.13×106cell/L,平均生物量為8.71 mg/L;秋季浮游植物平均密度為7.71×106cell/L,平均生物量為5.88 mg/L;冬季浮游植物平均密度為1.78×106cell/L,平均生物量為1.71 mg/L;浮游植物密度和生物量冬季最低,夏季最高,春秋季持平。

表1 2020年犀牛湖浮游植物種類數(shù)Table 1 Number of phytoplankton species in Xiniu Lake in 2020 單位:種

圖2 2020年犀牛湖浮游植物密度(a)和生物量(b)季變化Fig.2 Seasonal changes of phytoplankton density (a) and biomass (b) of Xiniu Lake in 2020

2.3 浮游植物多樣性指數(shù)及優(yōu)勢類群2020年犀牛湖浮游植物Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)、Margalef豐富度指數(shù)(D)與優(yōu)勢類群見表2。H′指數(shù)為2.793～4.520,D指數(shù)為1.171～3.385。冬季、春季優(yōu)勢類群為硅藻門,夏季優(yōu)勢類群為綠藻門,秋季優(yōu)勢類群為綠藻門和硅藻門。

2.4 水質(zhì)生物學(xué)評價按照浮游植物豐度方法評價[11],2020年犀牛湖全年水質(zhì)總體處于輕度污染,夏季水質(zhì)最差,達(dá)到中度污染;冬季水質(zhì)最好,接近清潔。按照浮游植物多樣性指數(shù)(H′)評價[12],犀牛湖全年水質(zhì)總體保持清潔,冬季水質(zhì)出現(xiàn)輕度污染,秋季最好。若根據(jù)豐富度指數(shù)(D)判斷[12],全年犀牛湖水質(zhì)處于中度污染,冬季水質(zhì)最差,秋季最好。

3 討論

3.1 浮游植物種類、密度、生物量銀川犀牛湖屬于西北內(nèi)陸干旱半干旱地區(qū)典型淺水型湖泊,浮游植物群落豐度、密度和生物量變化很大,物種總數(shù)、主要功能群、優(yōu)勢種變化明顯。犀牛湖浮游植物種類豐富,全年檢出8門87種,變化幅度大,最低時只有23種,最高可達(dá)73種,呈現(xiàn)冬季低、秋季高的態(tài)勢,其中,冬季到春夏季浮游植物物種數(shù)目的增加主要源自藍(lán)藻門和綠藻門物種數(shù)目的增加。全年綠藻門、藍(lán)藻門和硅藻門占據(jù)主要優(yōu)勢,藍(lán)藻門集中于春季、夏季、秋季,而硅藻門四季分布較為均勻;綠藻門冬季分布最少,春季次之,夏季、秋季分布廣泛。浮游植物優(yōu)勢種群變化明顯,夏季的優(yōu)勢物種為綠藻門,春季、冬季的優(yōu)勢物種為硅藻門,秋季則為綠藻門和硅藻門,變化頻率高。由此可見浮游植物群落主體結(jié)構(gòu)為藍(lán)-綠-硅藻型,屬于典型高緯度冷水質(zhì)水體。

表2 2020年犀牛湖浮游植物多樣性指數(shù)及優(yōu)勢類群Table 2 Diversity index and dominant groups of phytoplankton in Xiniu Lake in 2020

浮游植物的現(xiàn)存量指的是某一瞬間單位水體中所存在的浮游植物的量,當(dāng)采用數(shù)目單位(cell/L)時,一般指平均密度,而采用重量單位(mg/L)即指生物量。不同藻類間比重不同,因此二者數(shù)值間并無明顯比例對應(yīng)關(guān)系,但在變化趨勢上基本相同。犀牛湖浮游植物密度和生物量以季節(jié)變化為主,呈現(xiàn)冬季低、夏季高、春秋季持平的特征,變化幅度大,密度與生物量最高值均是最低值的5倍以上。

從2020年全年整體數(shù)據(jù)看,浮游植物結(jié)構(gòu)較為常見和合理,短期內(nèi)物種的大量缺失和增加的可能性較小。橫向?qū)Ρ壬?選取的4個樣點間物種差異性總體不大。冬季占優(yōu)勢的硅藻個體較大,沉積效應(yīng)明顯,生活水層較深,這表明藻類習(xí)性的差異與浮游植物群落根據(jù)具體生境的變化對自身結(jié)構(gòu)組成的調(diào)整。

3.2 浮游植物多樣性指數(shù)多樣性是表征群落穩(wěn)定性的重要參數(shù)[13],通常情況下,物種多樣性越大,群落結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,群落穩(wěn)定性越高。從Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)來看,平均指數(shù)達(dá)到3.092,總體群落結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜;從Maegalef豐富度指數(shù)(D)來看,全年浮游植物數(shù)目分配較為均勻;綜合兩者可知,犀牛湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜,多樣性指數(shù)適中,物種分配合理。此外,這2種指數(shù)反映傾向不同,前者傾向群落復(fù)雜程度,后者傾向于物種分配均勻程度,在分析具體群落結(jié)構(gòu)時,需結(jié)合具體情況進(jìn)行分析。從多樣性指數(shù)(H′)和豐富度指數(shù)(D)變化來看,冬季浮游植物多樣性程度和豐富度均為最低,在春秋季回升,并在秋季達(dá)到峰值,冬季降至最低,多樣性指數(shù)、豐富度指數(shù)與浮游植物物種數(shù)目變化趨勢相近,藻類生態(tài)位重疊度適中,夏季藻類重疊性略高。從優(yōu)勢種群看,夏季綠藻門作為主要功能群,物種分布廣泛,種類數(shù)多,促進(jìn)了多樣性指數(shù)和豐富度指數(shù)的增長;而作為冬季優(yōu)勢類群的硅藻門,硅藻門整體耐寒耐低營養(yǎng)鹽環(huán)境,自身比重大且易沉積[14],因此數(shù)量少、分布不均的硅藻門導(dǎo)致浮游植物多樣性降低。物種的多樣性指數(shù)高,說明自身調(diào)節(jié)能力的增強[15],可見犀牛湖浮游群落在夏秋季結(jié)構(gòu)處于較穩(wěn)定時期,冬春季自身調(diào)節(jié)能力減弱。綜合考察浮游植物的群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性需結(jié)合多方面指標(biāo),從多樣性來看,犀牛湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)在秋季最為復(fù)雜和穩(wěn)定,冬季最差。從優(yōu)勢種群來看,優(yōu)勢種種類數(shù)越多且優(yōu)勢度越小,則群落的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜和穩(wěn)定[16],兩方面均表明秋季是犀牛湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定時期。

3.3 水質(zhì)生物學(xué)評價浮游植物豐度、多樣性與所在水體水質(zhì)存在密切聯(lián)系,利用生物學(xué)方法可側(cè)面評價水質(zhì)。利用細(xì)胞豐度評價,犀牛湖水質(zhì)全年輕度污染,冬季最好且接近清潔,而根據(jù)多樣性評價,水體細(xì)胞豐度高的秋季水質(zhì)反而最好。可見,前者傾向于細(xì)胞豐度的增加反映水質(zhì)的富營養(yǎng)化,后者則認(rèn)為在水質(zhì)污染較為嚴(yán)重的情況下物種群落會較為單一,單個物種數(shù)目生物量會增加[17]。因此,水質(zhì)對于浮游植物群落結(jié)構(gòu)的影響是多方面的,不可用單一生物學(xué)指數(shù)評價。另外,犀牛湖水質(zhì)全年浮游植物優(yōu)勢種群的演替也可反映水質(zhì)的變化[18],在非生物因子變化引發(fā)特定生境變化的前提下,部分物種由于適應(yīng)條件與生境相匹配,從而在生物量、生態(tài)位上占優(yōu),該演替過程即為群落優(yōu)勢種演替。綠藻門習(xí)性偏喜陽喜高營養(yǎng)鹽,而硅藻門偏喜陰耐低營養(yǎng)鹽,可知犀牛湖由夏季至冬季營養(yǎng)化程度降低,水質(zhì)逐步好轉(zhuǎn)。

4 結(jié)論

(1)2020年銀川犀牛湖浮游植物群落物種總數(shù)達(dá)到87種,全年變化范圍為23～73種,主體結(jié)構(gòu)為藍(lán)-綠-硅藻型,優(yōu)勢種夏季為綠藻門,秋季為綠藻門和硅藻門,冬季、春季為硅藻門。全年浮游植物平均密度為7.12×106cell/L,平均生物量為5.19 mg/L,密度和生物量在夏季達(dá)到峰值,冬季最低。

(2)Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)為2.793～4.520,平均值為3.902,冬季最低,秋季最高。Margalef豐富度指數(shù)(D)為1.171～3.385,平均值為2.480,冬季最低,秋季最高。

(3)犀牛湖水質(zhì)總體較好,4個季節(jié)水質(zhì)均在中度污染水平及以下,不同季節(jié)水質(zhì)有差異,秋季水質(zhì)較好。