泰湖夏季浮游植物功能群特征及水质状况1)

陈楠 王莹 杨天雄 于洪贤 马成学

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

作为淡水水体的主要初级生产者，浮游植物群落对环境变化的响应十分迅速，因此被用来作为评估水体生态系统状况的指示性生物类群[1]。浮游植物的群落结构与其生活水域的水质状况密切相关，其群落的生态过程、功能和稳定性可以反映水体环境的变化。生态系统中环境因子的改变直接影响着浮游植物群落结构。浮游植物群落结构与环境因子之间有十分密切的关系，其种类、丰度和生物量等群落结构特征指标常被用作评价和检测水质[2]。浮游植物丰度和优势种群可以有效地反应人类活动对水体生态环境的影响[3]。泰湖之前受造纸厂污水的影响，自20世纪90年代取缔造纸厂以后，泰湖的水质得到了一定程度的改善。本研究探讨受造纸厂污染的泰湖经治理改善后的水质状况，通过对比浮游植物功能群的变化来反应造纸厂废水对泰湖生态状况的影响，以期找出主要的影响因子。

1 泰湖概况

泰湖国家湿地公园位于黑龙江省泰来县城区东侧(E123°25′14.17″～123°29′0.97″，N46°24′12.10″～46°21′15.10″)，总面积1 365 hm2。本区气候类型属于温带大陆性季风气候区，年平均温度为4.2 ℃，年平均日照时间可达2 920 h，气候较为干燥，历年平均降水量为360 mm，蒸发量为1 798.2 mm，无霜期为130 d左右，年平均封冻期为145 d左右[4]。泰湖国家湿地公园具有独特的生态环境，在调解气候、降解污染、保护生物多样性、保护生态平衡等方面发挥重要作用。

2 材料与方法

2.1 采样地点设置

泰湖不同区域受污染程度不同，其功能群分布也不同，因此于2017年(7月末)围绕泰湖周边共设置7个采样点(图1)，采集水样及浮游植物。通过对泰湖浮游植物的种类、生物量、多样性变化以及环境驱动因子的分析来评价水质情况。1#采样点为荷花池，常年被荷花覆盖，2#、3#采样点未受到之前造纸厂的影响，4#采样点人为干扰较多，5#采样点受之前造纸厂的影响最大，6#、7#采样点都受到之前造纸厂不同程度的影响。

图1 泰湖采样点分布

2.2 采样方法及水化学指标测定

2.3 浮游植物功能群划分

根据鉴定出的浮游植物个体，结合Reynolds et al.[8]、Padisák et al.[9]和胡韧等[1]对浮游植物功能群划分的标准，对泰湖夏季浮游植物进行功能群划分。

2.4 浮游植物多样性分析

为了避免单一多样性指数造成结果偏差，利用香农-威纳指数(H)、均匀度指数(J′)和物种丰富度(d)这3个多样性指数来计算泰湖浮游植物的生物多样性。泰湖各浮游植物多样性指数的评价标准见表1，计算公式如下：

H′=∑Pilog2Pi;

(1)

J′=H/log2S;

(2)

d=S-1/log2N;

(3)

Pi=ni/N。

(4)

式中：H′为群落的多样性指数；S为采样点的群落种数；Pi为样品中属于第i种的个体的比例；J′为均匀度指数；d为群落丰富度指数；ni为该采集样本中第i种浮游植物的数量；N为样本所有浮游植物物种的数量。

表1 多样性指数评价标准

2.5 优势度

优势度Y=ni/Nfi。

(5)

式中：N表示各样点所有物种总个数；ni表示第i种的个体总数；fi表示该物种在各样点出现的频率。

2.6 RDA分析

所有浮游植物的功能群生物量及环境数据除pH值外均通过lg(X+1)进行处理，采用Canoco for Windows 4.5软件进行DCA去势分析，发现DCA<2，因此采用RDA分析，通过浮游植物优势功能群生物量来反映浮游植物功能群与环境因子的关系。

3 结果与分析

3.1 泰湖浮游植物功能群的划分

泰湖的浮游植物共鉴定出7门71种，其中绿藻门和硅藻门较多，绿藻门33种，占藻类总数的56.89%。硅藻门27种，占藻类总数的27.96%。裸藻门2种，黄藻门2种，金藻门1种，蓝藻门4种，甲藻门1种。可划分为11个功能群，主要的功能群为MP、X1、P、X2、C(表2)。

3.2 泰湖主要功能群生物量的水平分布

泰湖浮游植物功能群水平分布差异显著，MP分布最广，而X2在5#采样点中生物量较大，占64%，在2#、4#和6#中则没有。功能群X1虽在各点均有分布，但均处于较低水平(表3)。

3.3 泰湖各样点的浮游植物优势种

泰湖浮游植物优势种及优势度见表4，共有优势种5种，其中普通等片藻、梅尼小环藻和美丽星杆藻在7个样点中均可检测到。

3.4 浮游植物多样性指数

由表5所示，3个多样性指数显示结果一致，5#、6#、7#采样点属于中度污染，其他采样点均为轻度污染。5#、6#、7#采样点浮游植物以蚕豆衣藻和固氮鱼腥藻为主，与张囡囡等对扎龙湿地排污区研究中固氮鱼腥藻占优势一致[10]。香农-威纳指数(H′)和均匀度指数(J′)由大到小为3#、1#、2#、4#、6#、7#、5#。均匀度指数由大到小为3#、1#、2#、4#、7#、6#、5#。表明采样点6#和7#受造纸厂污染的程度相似，采样点3#、1#、2#未受污染，水质较好。

表2 泰湖浮游植物功能群组成

表3 泰湖各采样点浮游植物功能群生物量

表4 泰湖浮游植物优势种

3.5 浮游植物优势功能群与水环境因子的RDA

表5 泰湖浮游植物多样性指数评价结果

表6 泰湖各采样点水环境因子

表7泰湖主要浮游植物功能群组与环境因子的RDA统计特征

典范轴特征值物种-环境相关性物种累积方差/%物种-环境关系累积方差/%10.7711.00077.10077.10020.2121.00098.30098.30030.0101.00099.30099.30040.0061.00099.90099.900

图2 泰湖浮游植物功能群与环境因子的RDA分析

4 讨论

4.1 泰湖浮游植物功能群对水体环境的反应

水生生态系统中浮游植物种类和数量与水体环境之间存在着密切的联系[11]。浮游植物结构的纵向和时间变化取决于主要的水文条件[12]，浮游植物在浑浊、动荡的体系中，以许多零星物种的出现为特征时密度低、生物量大、丰富度高。在此次泰湖浮游植物调研中，同样符合此规律。泰湖优势功能群主要为X2、MP、X1和C，这些功能群均适应于易受扰动的浅水水体当中[1]。这是由于泰来地区干旱少雨，泰湖国家湿地公园常年处于缺水状态，水体较浅，水位波动较大。采样点中1#和3#水质情况相对较好，其浮游植物种类较多。1#和3#均以功能群MP、X2占优势，功能群MP主要由硅藻门的普通等片藻组成，功能群X2主要由绿藻门的卵形衣藻组成。1#采样点由于荷花的种植，对水体中氮、磷有很好的净化作用，藻类生物量明显减少，其浮游植物仅有硅藻和绿藻。何连生等[13]研究表明，当荷花种植改善水体效果较好时，其优势种群为绿藻门和硅藻门，同本研究结果一致。毛竹对石佛寺水库研究结果表明，荷花种植可降低氨氮浓度，对于改善水质具有明显的效果[14]。同样，1#采样点总氮、总磷浓度均较低。1#、2#和3#采样点的水质相对较好，3#采样点由于几乎未受到污染，除了硅藻和绿藻以外，还含有裸藻、金藻和硅藻，浮游植物物种多样性比1#和2#更为丰富。5#、6#和7#采样点水质较差，浮游植物种类少，丰富度低，pH均处于较高水平，与其受污染程度有关。5#采样点浮游植物生物量最高，达到12.85 mg/L，根据生物量评价标准，属于典型富营养化水体，这是由于5#采样点是之前造纸厂主要排放污染区，底泥中含有大量残留的有机物和营养盐。6#采样点以功能群X1为主，其适应生境为营养型到高度富营养水体。6#采样点与5#采样点相邻，泰湖之前造纸厂排放的废水也会污染到6#采样点，所以6#采样点水体富营养化程度也较高。随着采样点受造纸厂污水影响程度的减小，水体营养化程度呈降低的趋势。从浮游植物功能群、生物量和多样性指数综合来看，泰湖水质整体处于轻污-中污水平，且污染主要是由造纸厂排污而沉积在底泥中的营养盐造成的，水体经过多年的恢复，污染已得到改善。

4.2 泰湖浮游植物功能群关键驱动因子

泰湖作为一处中小型浅水湿地，又因一定程度上受先前造纸厂污水的影响，浮游植物功能群与环境因子的关系具有其独特性。

5 结论

泰湖夏季7个水样中共检出11个功能类群，分别是P、D、C、MP、X1、J、X2、F、Y、X3和H1，优势功能群为MP、X1、P、X2和C。

根据浮游植物生物量水平分布和多样性分析，得出泰湖整体处于轻污-中污状态的结论，除了采样点5#、6#和7#，其他样点水质均处于轻污染状态。

通过对比7个样点的浮游植物功能群，1#荷花池中荷花的种植净化了水质，浮游植物种类相对较少，其浮游植物仅有硅藻和绿藻。随着采样点受造纸厂污水影响程度的逐渐减小，水体营养化程度呈减少的趋势，泰湖水质整体处于轻污-中污水平，且污染主要是由之前造纸厂沉积在底泥中的营养盐等造成的，水体经过多年的恢复，污染程度已经显著改善。

RDA分析结果显示，SD、Turb、Cond、TP是影响优势功能群分布的主要环境因子。SD是影响泰湖功能群分布的主要正相关因子，Turb是主要的负相关因子。由于功能群MP在各个样点均有一定的分布，其适应生境为经常受搅动的无机水体。泰湖水质中的扰动促进了浮游植物的生长，对水体的营养化有一定程度的贡献。氮和离子等营养盐含量不再是浮游植物生长的限制因子。

[1] 胡韧,蓝于倩,肖利娟，等.淡水浮游植物功能群的概念、划分方法和应用[J].湖泊科学,2015,27(1):11-23.

[2] FIELD C B, BEHRENFELD M J, RANDERSON J T, et al. Primary production of the biosphere: integrating terrestrial and oceanic component[J]. Science,1998,281:237-240.

[3] SUIKKANEN S, LAAMANEN M, HUTTUNEN M. Long-term changes in summer phytoplankton communities of the open northern Baltic Sea[J]. Estuarine Coastal & Shelf Science,2007,71(3/4):580-592.

[4] 朱思雨,刘善辉,卢琳琳.黑龙江省泰湖湿地公园春季鸟类多样性初步研究[J].野生动物学报,2017,38(2):273-279.

[5] 胡鸿钧，魏印心.中国淡水藻类志：系统、生态及分类[M].北京：科学出版社，2006.

[6] 齐再藻，李家英.中国淡水藻类志：第10卷:硅藻门，羽纹纲[M].北京：科学出版社，2004.

[7] 赵文.水生生物学[M].北京：中国农业出版社，2005.

[8] REYNOLDS C S, HUSZAR V, KRUK C, et al. Towards a functional classification of the freshwater phytoplankton[J]. Journal of Plankton Research,2002,24(5):417-428.

[10] 张囡囡,刘宜鑫,臧淑英.黑龙江扎龙湿地不同功能区浮游植物群落与环境因子的关系[J].湖泊科学,2016,28(3):554-565.

[11] GÖTZENBERGER L, DE BELLO F, BRÅTHEN KA, et al. Ecological assembly rules in plant communities-approaches， patterns and prospects[J]. Biological Reviews，2012，87(1):111-127.

[12] DEVERCELLI M, O’FARRELL I. Factors affecting the structure and maintenance of phytoplankton functional groups in a nutrient rich lowland river[J]. Limnologica,2013,43(2)：67-78.

[13] 何连生，孟繁丽，孟睿，等.利用荷花治理白洋淀水体富营养化的原位围隔研究[J].湿地科学,2013,11(2):282-285.

[14] 毛竹.荷花种植对石佛寺水库水环境容量的影响分析[J].农村经济与科技,2016,27(9):64-65.

[15] 张晓晶,李畅游,贾克力,等.乌梁素海水体透明度分布及影响因子相关分析[J].湖泊科学,2009,21(6):879-884.

[16] 况琪军,胡征宇,周广杰,等.香溪河流域浮游植物调查与水质评价[J].武汉植物学研究,2004,22(6):507-513.

[17] 李磊,李秋华,焦树林,等.小关水库夏季浮游植物功能群对营养化特征的响应[J].环境科学,2015,36(12)：4436-4443.

[18] 方丽娟，刘德富，杨正健，等．三峡水库香溪河库湾夏季浮游植物演替规律及其原因[J].生态与农村环境学报,2013,29(2):234-240.

[19] 潘翰,刘琰冉,马成学.北方寒冷内陆碱性水体蓝藻暴发特点及影响因子[J].东北林业大学学报,2017,45(7):79-83.

[20] 梁培瑜,王烜,马芳冰.水动力条件对水体富营养化的影响[J].湖泊科学,2013,25(4):455-462.