阿勒锦岛国家湿地公园浮游植物群落结构特征1)

2022-10-08马唯竣王英伟丁俊男史传奇梁雄伟

东北林业大学学报 2022年9期

马唯竣王英伟丁俊男史传奇梁雄伟

(东北林业大学，哈尔滨，150080)(黑龙江省寒区湿地生态与环境研究重点实验室(哈尔滨学院))

浮游植物在湿地物质循环和能量流动过程中发挥着重要作用，具有生长周期短、扩散力强等特点，是生物地球化学作用中重要的一环[1]。作为湿地水生态系统中的初级生产者，其种类和数量是监测和评价湿地环境变化的重要指标之一[2-3]。采用浮游植物作为指示生物，通过分析其多样性及其群落结构特征，来反映湿地环境质量状况具有重要的参考价值[4-5]。同时，浮游植物通过“上下行效应”控制和影响着其他营养级的群落结构，可以直接或间接的作为鱼虾蟹等高营养级生物的食物，因此其群落结构的变化会影响整个湿地生态系统中食物链结构[6]。

阿勒锦岛是松花江哈尔滨段经过千百年江水冲积、流沙坐滩形成的江心洲，后经岛上植物群落演替，是我国河流湿地江心洲生态系统的典型代表，亦凝结着金源文化、驿递文化的城市湿地人文缩影。阿勒锦国家湿地公园的建设对维护松花江流域生态安全和保护松花江湿地生态系统完整性，促进哈尔滨湿地保护与恢复工作、滩岛生态旅游和科普宣教均具有十分重要的意义[7]。目前，关于阿勒锦国家湿地公园湿地浮游植物群落结构特征尚未被研究报道。因此，本文对阿勒锦国家湿地公园的浮游植物群落结构组成、多样性指数分析和水质评价进行研究，以期为该湿地公园水资源的保护、利用以及环境质量监测等提供基础数据。

1 研究区概况

黑龙江哈尔滨阿勒锦岛国家湿地公园是哈尔滨国际湿地城市的核心组成部分，位于黑龙江省哈尔滨市松北区阿勒锦岛及其周围水体。阿勒锦岛形似梭形，四面环水，东西长约4.5 km，南北最宽约1.3 km，总面积419.0 hm2，位于45°47′30″～45°48′38″N、126°37′26″～126°40′29″E。阿勒锦岛国家湿地公园地处中温带，属半湿润大陆性季风气候，四季分明。无霜期平均135 d。湿地公园内多年平均降水量542.4 mm，降水量季节变化大。

2 研究方法

2.1 浮游植物的采集及定性定量

根据《湖泊富营养化调查规范(第2版)》和《水和废水监测分析方法(第4版)》标准，本研究于2020年7月进行调查，分别在合理利用区(入口FZ1)、恢复重建区(中部FZ2)及生态保育区(出口FZ3)3个位置进行了取样调查(如图1所示)。用25#(网孔直径0.064 mm)浮游生物采集网缚于长2.0 m的竹竿上，将网置于水中，使网口在水面以下深约30.0 cm处，做“∞”形反复拖曳；定量时用浮游植物沉淀器进行沉淀，浓缩至30.0 mL，倒入贴有标签的生物采样瓶中，加鲁格试剂带回室内，经沉淀、浓缩，在光学显微镜下进行鉴定。

图1 阿勒锦岛国家湿地公园水体样品调查站点图

浮游植物物种鉴定参考胡鸿钧1980版《中国淡水藻类》[8-9]。硅藻鉴定主要根据硅藻壳面的形态及纹饰，为了清楚地看出壳面的纹饰，在镜检前，参照朱惠忠的方法对样品进行消化[10]，去除其中的有机物质，镜检时吸取酸化后的样品滴在干净的载玻片上，风干后滴加松泊油于奥林巴斯CX-41显微镜1 000倍镜下观察鉴定并拍照记录。

2.2 数据分析

用浮游植物定量计数框进行计数统计。计数完毕后，按下列公式，计算1.0 L水中浮游植物的个体数：

(1)

式中：N代表1.0 L水中浮游植物的个体数量；Cs代表计数框面积(mm2)；Fs代表每个视野的面积(mm2)；Fn代表计数过的视野数；V代表1.0 L水样经沉淀浓缩后的体积(mL)；U代表计数框的体积(mL)；Pn代表每片计数出的浮游植物个体数，计算全体浮游植物的个体数量。部分样品冷冻送上海美吉公司生物云平台测定定性生物样品后，可以测定出每种浮游植物在浮游植物样本中所占的比例，结合浮游植物样本定量结果，计算出每种浮游植物的个体数量。

采用香浓Shannon-Wiener多样性指数(H′)、Margalef物种丰富度指数(M)、Pielou均匀度指数(J′)进行数据处理。将调查数据录入计算机，利用SPSS17.0软件对物种多样性进行分析。

物种多样性分析采用香浓Shannon-Weiner多样性指数公式：

(2)

物种丰富度指数采用Margalef丰富度指数公式：

m=(s-1)/lnN;

(3)

物种均匀性指数分析采用Pielou均匀性指数公式：

(4)

式中：M为浮游植物种类的总数目；Pi为第i种个体数占总个体数的比例；N为所有个体的总数；J为群落的均匀性指数；Hmax为在最大均匀性条件下的种多样性值；S为群落中物种数[11]。

应用CANOCO 4.5软件进行浮游植物与环境因子间的关系分析。在数据分析前进行RDA分析，检验物种数据适合的模型。另外，在分析过程中对物种矩阵和环境变量均进行lg(x+1)转换。

3 结果与分析

3.1 浮游植物群落组成结构

将3个采样点样本高通量测定结果进行统计，结果如表1和图1所示，阿勒锦岛国家湿地公园内共发现浮游植物7门9纲14目21科36属41种(含变种)，其中，硅藻门(Bacillariophyta)2纲4目6科19种，比例占调查总数的46%；绿藻门(Chlorophyta)11种，比例占调查总数的27%；蓝藻门(Cyanophyta)1纲2目4科6种，比例占调查总数的15%；甲藻门(Pyrrophyta)1纲1目1科1种，比例占调查总数的3%；裸藻门(Euglenophyta)2种，比例占调查总数的5%；金藻门(Chrysophyta)1纲1目1科1种，比例占调查总数的2%；隐藻门(Cryptophyta)1种，比例占调查总数的2%；且水体中未发现致病浮游植物。

3.2 浮游植物群落优势物种

阿勒锦岛国家湿地公园浮游植物种类组成如图2和图3所示，综合3个采样点浮游植物种类所占比例取均值计算，每个采样点浮游植物总属数比例总和略小于1。根据高通量测定结果，同时结合光学显微镜确定优势种为小环藻属(Cyclotella)、菱形藻属(Nitzschia)、星杆藻属(Asterionella)和针杆藻属(Synedra)。

表1 阿勒锦岛国家湿地公园浮游植物名录

图2 阿勒锦岛国家湿地公园地表水体浮游植物种类组成(属水平)

A小环藻属(Cyclotella)；B星杆藻属(Asterionella)；C菱形藻属(Nitzschia)；D针杆藻属(Synedra)。

3.3 浮游植物群落多样性分析及水质评价

阿勒锦岛国家湿地公园浮游植物多样性指数，如表2所示，3个采样点平均香农指数(H′)在3.01～3.47之间，取平均数为3.28；丰富度指数(M)在2.49～3.77之间；均匀度指数(J′)在0.36～0.52之间。根据水体鉴定标准[12](H′指数的水质评价标准：H′指数为0～1时，水体为重污染；H′指数为1～3时，水体为中度污染；H′指数大于3时，水体为轻污染或无污染。)，水体为轻度污染或无污染。

表2 阿勒锦岛国家湿地公园浮游植物多样性指数

如表3所示，阿勒锦岛国家湿地公园内湿地水体在研究期内水质总体稳定，pH接近中性。其中，溶解氧、pH值、五日生化需氧量、氨氮、总磷、总氮、氟化物、铜和锌总体上符合国家Ⅳ类水体指标标准[12]。

依据门水平优势类群与理化指标，进行冗余分析，如图4，前2个排序轴解释总变量的80%。各类群与第一排序轴成正相关，除pH外，各理化指标与第一排序轴成负相关，说明多数优势类群与理化指标成负相关，如硅藻门(Bacillariophyta)、蓝藻门(Cyanophyta)、隐藻门(Cryptophyta)、金藻门(Chrysophyta)、甲藻门(Pyrrophyta)。裸藻门(Euglenophyta)与总氮、氨氮成正相关，绿藻门(Chlorophyta)与pH值，溶解氧成正相关。

表3 阿勒锦岛国家湿地公园水质理化指标

图4 浮游植物优势类群(门水平)与理化指标冗余分析

4 讨论

近年来，随着哈尔滨市国际湿地城市的确立及旅游业的快速发展，由于人为因素的干扰，城市湿地内的水体已呈现出水体质量下降、富营养化程度加深、水体生物多样性降低的现象，直接影响湿地的功能价值。浮游植物是湿地水生态系统中重要的组成部分，其种类和组成及季节性演替受非生物因子(光照、水位、温度、营养盐等)和生物因子(捕食和竞争等)的影响[13]。本研究于2020年7月对阿勒锦岛国家湿地公园内浮游植物种群特征研究结果表明，湿地公园内浮游植物共有7门9纲14目21科36属41种，其中门水平下主要优势种群为硅藻门、绿藻门和蓝藻门。相关研究表明，国内如张掖国家湿地公园、泰湖国家湿地公园、杭州湿地公园等湿地公园内均有硅藻门和蓝藻门为主要优势类群，其中绿藻门种群数量随着季节的改变较为明显[14-17]。另浮游植物不同门类具有不同的生理与生物特性，绿藻门和硅藻门的适口性和营养价值较高，对湿地公园周边河流中鱼类取食和生长具有重要意义[18-19]。

浮游植物种类一般采用电子显微镜镜检的鉴定方式，但随着高通量测序技术的发展，采用分子技术对浮游植物种类鉴定已广泛应用。本研究通过传统电子镜检结合高通量测序技术对浮游植物的种类进行分析。本研究结果表明小环藻属、星杆藻属、菱形藻属和针杆藻属为湿地公园内浮游植物主要的优势物种。相关研究表明，小环藻属浮游植物可作为水体富营养化水平的指示生物[20]，其数量与河流的流速、硝态氮、磷酸盐、硅酸盐、气温、水温等因素密切相关[21]。阿勒锦岛国家湿地公园水体处于黑龙江省松花江哈尔滨段，河流水温呈现春季低温，夏季高温，秋季回降的规律，而这也往往伴随浮游植物群落结构的演替，小环藻属浮游植物作为优势物种表明该段河流水体尚处于清洁的状态，但如不持续保持和加强管理，仍存在河流水质恶化的风险[22]。生物多样性作为反映浮游植物群落生态特征的重要指标，不仅可以用来评价水体的污染程度，还可以从生态系统层面反映其稳定性[23]。水体中藻类的物种多样性指数越高，其群落结构越复杂，稳定性越高[24]。研究期内阿勒锦岛国家湿地公园各采样点浮游植物多样性指数变化表明水体处于为轻度污染或无污染状态。通过水质理化指标结果表明，阿勒锦岛国家湿地公园符合国家Ⅳ类水体指标标准。

溶解氧、pH值、氨氮、总氮等是浮游植物生长的首要物质基础，是调节浮游植物生长最重要的环境因子之一。本研究中除绿藻门外大部分浮游植物与溶解氧呈负相关关系，这主要由于浮游植物在大量生长时由于光合作用对水体有较强的富氧作用，而在藻类大量死亡时则需要消耗大量溶解氧[25]。氮是浮游植物生长必须的营养元素，硅藻类浮游植物生长过程中需要消耗大量的氮元素，但在氮元素充足的情况下，许多水体中浮游植物生长往往受某种营养盐的限制作用[26]。同时浮游植物是浮游动物的重要食物来源之一，氮、磷等元素主要通过影响浮游植物，进而对浮游动物产生影响[27-28]。