侯文久 于洪贤 刘曼红 刘鑫宇 金洪阳 梁亚森

(东北林业大学，哈尔滨，150040) ( 黑龙江挠力河国家级自然保护区管理局建三江分局)

湿地在全球范围内遭受的破坏引起越来越多国家及学者的重视[1-2]，关于湿地生态系统的恢复及评估已经成为当下的研究热点，国内外学者对该问题进行了大量的研究、实践[3-5]。浮游植物是湿地生态系统的初级生产者，由于其个体小、增殖速度快、对环境变化敏感，其群落结构和多样性指数被很多学者用来监测、评价水生态环境状况[6-7]和湿地恢复情况[8-9]。

挠力河保护区地处三江平原腹地，位于132°22′29″～134°13′45″E，46°30′22″～47°24′32″N，总面积16 0601 hm2。上世纪50年代以来，人类的开垦活动使区域内湿地大面积萎缩，导致该区域的生态环境不断恶化[10]。为恢复和改善区域内生态环境，保护区从2014年开始逐年实施退耕还湿项目，以恢复湿地的生态功能。项目实施至今，关于湿地恢复状况还没有相关报道。由于湿地水质受耕农田(大豆、玉米、水稻等农田)土壤成分差异的影响，会出现较大不同，从而引起浮游植物群落结构变化，进而影响湿地恢复的评估效果。因此，了解不同类型退耕湿地浮游植物群落特点十分必要。

本研究主要比较了3种作物类型的退耕湿地(大豆、玉米、水稻)浮游植物群落结构，并探讨退耕湿地内影响浮游植物群落的环境因子，为评估挠力河保护区退耕湿地恢复效果提供参考。

1 材料与方法

1.1 采样点设置

根据挠力河自然保护区退耕还湿的实施情况，于2020年7月在保护区内选取3种作物类型的退耕还湿地共8个采样点进行浮游植物调查(图1)。其中大豆退耕湿地包括3个采样点(1#,3#,5#)，分别位于大兴管理站和红旗领管理站；玉米退耕湿地包括2个采样点(2#，8#)，位于大兴管理站和八五三管理站；水稻退耕湿地包括3个采样点(4#,6#,7#)，分别位于红旗领管理站和八五三管理站。各采样点分属不同的区域，相互隔离状态，无水系连通。

图1 挠力河自然保护区退耕湿地采样点

1.2 浮游植物样品采集与鉴定

为避免水体扰动引起误差，先进行定量采样，后进行定性采样。浮游植物定量使用5 L有机玻璃采水器采集表层0.5米水样，取1 L水样放入聚乙烯瓶中，现场加入15 mL鲁哥氏液固定；定性采样使用25#浮游生物网在水面下0.5 m左右处呈“∞”型慢慢拖行数分钟，采集的样品使用体积分数为4%的福尔马林溶液进行现场固定。浮游植物样品带回实验室后，定性样品直接在10×40倍光学显微镜下进行种类鉴定，定量样品静置48 h后浓缩至30 mL，在光学显微镜下使用Moticam2506拍照后进行鉴定和计数。浮游植物种类依据参考文献[11-13]鉴定,生物量(湿质量)依据浮游植物体积公式计算[14]。

1.3 水质指标测定

使用卷尺和透明度盘(赛氏盘)现场测定水深、透明度；使用YSI-6600多功能水质分析仪现场测定水温、溶解氧、电导率、pH、氯离子、浊度；使用HACH公司多参数水质分析仪(DRB200/DR1900)及配套试剂测定总氮、总磷、化学需氧量。

1.4 优势度测定

浮游植物优势种根据优势度值(Y)确定[15]，公式如下：

Y=(Ni/N)×fi。

式中：Ni为样品中第i种浮游植物的细胞数；N为样品种浮游植物细胞总数；fi为第i种浮游植物在各采样点出现的频率。浮游植物优势种的标准为优势度值大于0.02[16]。

1.5 多样性与均匀性指数测定

浮游植物多样性采用Shannon-Wiener多样性指数(H′)表示[17]；均匀度采用Pielou均匀度指数(J)表示[18]，公式如下：

J=H′/lnS。

式中：S为采样点浮游植物的物种数；Pi为采样点第i种浮游植物个体占个体总数的百分比。多样性与均匀性指数的水质评价标准见表1[19]。

表1 生物多样性指数评价标准

1.6 群落相似性测定

浮游植物群落结构相似性参考胡俊等[20]方法，使用Jaccard相似性指数，公式如下：

S=c/(a+b-c)

式中:S为相似性指数；c为2个采样点共有的物种数；a、b为每个采样点的物种数。相似性分为6级，分类标准为：S=0,无相似性；0.01≤S<0.26，为轻微相似；0.26≤S<0.51，为低相似性；0.51≤S<0.76，为中等相似；0.76≤S<1.00，为高相似性；S=1,为完全相同。

1.7 数据处理

基础数据的运算均在Excel 2019中完成，Pearson相关分析及单因素方差分析使用SPSS 22.0完成，运用Canoco 5软件分析浮游植物优势种和环境因子的关系,使用前向选择主成分分析(PCA)方法筛选影响浮游植物优势种的主要环境因子(化学需氧量、溶解氧、透明度、水深、氮磷质量浓度比、总氮)。除趋势对应分析(DCA)显示最大梯度值为1.331，小于3，故使用冗余分析(RDA)。为消除极值影响，浮游植物优势种丰度及环境数据(pH除外)均进行lg(X+1)进行处理[21]。

2 结果与分析

2.1 水环境特征

挠力河流域3种类型退耕湿地水体理化因子见表2。大豆退耕湿地的透明度、电导率、总氮、氮磷质量浓度比高于其他2种类型湿地，浊度和总磷质量浓度最低；玉米退耕湿地中水温、CI-、浊度、化学需氧量相对较高；水稻退耕湿地水深最大，相应的水温也最低。水质特点为高pH，低电导率及化学需氧量。总体看，水深、化学需氧量、CI-、浊度、氮磷质量浓度比的标准差较大，显示上述环境因子在样点间有较强的异质性。单因素方差分析显示，3种类型湿地环境因子无显著差异(P>0.05)。

表2 不同作物类型退耕还湿地的环境因子

2.2 浮游植物群落结构

2.2.1 种类组成

3种作物类型退耕还湿地共鉴定浮游植物7门137种。绿藻门种类最多(55种)，占藻类种数的40.15%；其次是硅藻门(31种)、裸藻门(22种)、蓝藻门(18种)，分别占藻类总数的22.63%、16.06%、13.14%;甲藻门最少(1种)，占0.73%(表3)。

玉米退耕湿地浮游植物种数(37种)低于大豆退耕湿地(44种)、水稻退耕湿地(44种)。大豆退耕湿地浮游植物主要由绿藻门(53.79%)和硅藻门(21.21%)构成；玉米退耕湿地以绿藻门(34.25%)、蓝藻门(20.55%)、硅藻门(19.18%)为主；水稻退耕湿地硅藻门(30.53%)、绿藻门(28.24%)、裸藻门(15.27%)、蓝藻门(14.50%)的比例均较高。总体来说，3种退耕湿地在浮游植物种类数及构成上无显著差异。

表3 不同作物类型退耕还湿地浮游植物物种组成

2.2.2 丰度和生物量

各采样点浮游植物丰度在1.07×106～4.92×106个·L-1之间(表4),其中，玉米退耕湿地的浮游植物丰度(3.59×106个·L-1)最大，其次为大豆退耕湿地(2.76×106个·L-1)，水稻退耕湿地(2.44×106个·L-1)最低。单因素方差分析显示，各类型湿地浮游植物丰度差异不显著(P>0.05)。各湿地浮游植物丰度组成略有差异，大豆退耕湿地以绿藻门(39.93%)、硅藻门(35.46%)和蓝藻门(15.56%)为主，玉米退耕湿地蓝藻门(38.91%)、绿藻门(23.43%)、硅藻门(16.60%)、裸藻门(11.72%)所占比例最高，水稻退耕湿地中硅藻门(25.27%)、绿藻门(21.58%)、蓝藻门(15.98%)、裸藻门(10.93%)均占有较大的比重。

表4 不同作物类型退耕还湿地浮游植物丰度

浮游植物生物量在各采样点为1.84～5.26 mg·L-1，其中玉米退耕湿地浮游植物生物量最大(4.11 mg·L-1)，其次为大豆退耕湿地(3.80 mg·L-1)、水稻退耕湿地浮游植物生物量最低(3.01 mg·L-1，表5)。浮游植物生物量在大豆退耕湿地以硅藻门(40.88%)和绿藻门(30.72%)为主；玉米退耕湿地以裸藻门(40.01%)和绿藻门(32.29%)为主；水稻退耕湿地的硅藻门(38.76%)和裸藻门(34.31%)比例最高。裸藻门生物量在玉米及水稻退耕湿地均占有较大比重。

表5 不同作物退耕还湿地浮游植物生物量

2.2.3 浮游植物优势种和多样性指数

挠力河流域大豆、玉米、水稻退耕湿地浮游植物优势种数量分别为7种、8种、7种(表6)；不定微囊藻(Microcystisincerta)、单生卵囊藻(Oocystissolitaria)、梅尼小环藻(Cyclotellameneghiniana)为3种退耕湿地共有的优势种，分别属于蓝藻门、绿藻门、硅藻门。

各类型退耕湿地的Shannon-Wiener多样性指数为3.01～3.63，平均值为3.34，显示水体类型为轻污染；Pielou均匀度指数为0.83～0.95，平均值为0.90，均以水稻退耕湿地最高，显示水体类型为清洁。单因素方差分析显示，3个类型退耕湿地的2种多样性指数差异不显著(P>0.05)。

表6 不同作物退耕还湿地浮游植物优势种

2.3 浮游植物群落相似性

从表7可以看出，各采样点间的浮游植物群落相似性指数均小于0.51，表明退耕湿地各采样点间浮游植物群落相似性很低。

表7 不同作物退耕还湿地各采样点浮游植物群落相似度指数

2.4 浮游植物优势种与环境因子的关系

运用RDA分析3种作物退耕湿地中16种浮游植物优势种和主要环境因子的关系，结果见图2。轴1、轴2的特征值分别为0.324 6、0.257 2，解释了物种数据累计变量的58.17%。化学需氧量为显著影响挠力河退耕湿地浮游植物群落结构的环境因子(P=0.048)。1#、2#、3#受总磷及透明度的影响较大；4#、5#、6#受水深的影响较大；7#、8#主要受到溶解氧、总氮的影响。不定微囊藻、梅尼小环藻、蛋白核小球藻与总磷、氮磷质量浓度比呈正相关；单生卵囊藻、伪美丽衣藻对称变种受透明度的影响较大；矩圆囊裸藻与溶解氧、总氮呈正相关；眼斑小环藻、卷曲纤维藻受水深的影响较大。

图2 浮游植物优势种与环境因子的RDA分析

3 讨论

3.1 不同类型退耕湿地浮游植物群落结构

浮游植物群落分布特征与水环境特征有很大的关系，其群落组成是浮游植物对众多环境因子适应的结果[22]。袁宇翔等[23]发现小兴凯湖夏季浮游植物种类以绿藻门及硅藻门为主，浮游植物平均丰度为3.27×106个·L-1。国超旋等[24]研究认为，三江平原湿地抚远地区水域浮游植物种类数以绿藻门、硅藻门、裸藻门为主。本研究中，挠力河保护区退耕湿地浮游植物种类以绿藻门、硅藻门、裸藻门、蓝藻门为主，浮游植物平均丰度为2.85×106个·L-1，表明该退耕湿地浮游植物种类组成与其他湿地类似，浮游植物丰度与富营养型湖泊类似。

雷明等[25]研究发现，不同耕地类型(柑橘园、玉米地、胡豆地、弃耕地)土壤的有效氮、全磷、速效钾质量浓度、pH在0～20 cm土层达到显著水平。本研究中，退耕农田主要分为大豆、玉米、水稻3种类型，退耕后，湿地的水质会受到原来土壤的影响，从而出现差异，进而影响浮游植物群落结构。从浮游植物群落相似性指数可以看出，退耕湿地内各采样点浮游植物群落的相似性均较低，群落结构差异明显，主要原因除了耕地类型外，还和采样点的气候、降水等因素有关。从图2可以看出，1#、3#的距离比2#近，表明1#和3#的相似性高于2#，3个采样点均位于同一区域但属于2种不同的退耕湿地，说明了湿地退耕类型对浮游植物群落结构有一定的影响。1#、5#虽均属于大豆退耕湿地，但分属不同的区域，相似度比位于同区域的4#、5#、6#低，说明地区差异对浮游植物也有较大的影响。

虽然受到作物类型、区域差异的影响，但从总体看，3种作物的退耕还湿地中浮游植物群落结构(种类、丰度、生物量、多样性指数)没有显著差异，表明浮游植物群落结构受退耕湿地作物类型的影响不大。因此在使用浮游植物评价退耕湿地恢复情况时可以不用考虑退耕湿地的作物类型差异。

3.2 退耕湿地水质状况评估

农田退耕为湿地后，土壤中的氮、磷等营养元素及有机物释放到水中，引起水体营养盐和有机物含量升高。根据地表水环境质量标准(GB3838-2002)和地表水环境质量评价办法(试行)，按总氮评价本研究的8个采样点水质状况，其中2个采样点为轻度污染(Ⅳ类水质)，6个采样点为重度污染(劣Ⅴ类水质)；按化学需氧量评价8个采样点，8个采样点均为重度污染(劣Ⅴ类水质)。综合以上2项指标，退耕湿地水质处于重度污染状态。魏洪祥等[26]用浮游植物优势种和丰度评价水体的营养状态，退耕湿地共有的浮游植物优势种为不定微囊藻、单生卵囊藻、梅尼小环藻，分别属于蓝藻门、绿藻门、硅藻门，浮游植物丰度平均值为2.85×106个·L-1，均属于富营养水体标准。综合水体理化因子及浮游植物数据，退耕湿地水体处于重度污染状态和富营养化状态。

近年来，学者们广泛使用生物多样性指数进行水质评价[26-27]。本研究中的Shannon-Wiener多样性指数、Pielou均匀度指数均显示水体类型为轻污染-清洁，与水质指标、浮游植物优势种及丰度评判的结果不一致，主要原因是氮磷营养盐比例的问题。刘冬燕等[28]研究发现氮磷质量浓度比为7.2∶1.0时是藻类的最佳生长比。本研究中，3种作物类型的退耕还湿地氮磷质量浓度比均远大于7.2，导致浮游植物磷元素相对缺乏，此外，在各退耕湿地中均存在较大数量的水生植物也抑制了浮游植物的增殖[29]。君珊等[30]也发现多样性指数评价水质和实际情况不一致的情况，说明多样性指数不适合评价退耕湿地水质状况。

总体来看，退耕湿地水体处于重度污染状态和富营养化状态。鉴于大型水生植物在生态修复中的作用[31]，为加速湿地恢复进程，在退耕湿地中积极恢复水生植被是有效的湿地保护措施。

3.3 退耕湿地浮游植物群群落的影响因子

浮游植物生长的影响因子主要包括营养盐、温度、光照、水动力条件、浮游动物捕捉等[32]。袁宇翔[23]研究发现，小兴凯湖浮游植物群落结构的主要环境驱动因子是水体pH、总氮质量浓度、水深、透明度。朱明明等[33]发现，总氮、温度是影响海珠国家湿地公园浮游植物群落变化的重要因素。本研究中，化学需氧量显著影响挠力河保护区退耕湿地中浮游植物群落结构。

化学需氧量表示水体受到有机污染的程度[34]。1#～3#样地受化学需氧量的影响较大，4#～8#样地受化学需氧量的影响较小或为负影响。水质指标测定也显示，前3个采样点化学需氧量大于其他采样点。不定微囊藻、梅尼小环藻、蛋白核小球藻受总磷、氮磷质量浓度比的影响较大，这3种藻类均为中富营养型到富营养型水体的指数物种[35]，该现象表明，退耕湿地水体处于富营养化状态。矩圆囊裸藻与溶解氧、总氮的相关性较大，表明其能够适应高氮的环境。施之新[36]发现裸藻门偏好生长在水温较高、有机质丰富的偏碱性小水体中，本研究中裸藻门生物量在退耕湿地62.5%的采样点中均占较大比例，再一次验证了退耕湿地水体富营养化的事实。