白河南阳段浮游植物群落多样性及相似性评价

王小军, 韩品磊, 李 楠, 郑保海, 姚银磊, 崔欢欢, 李玉英

(1.南水北调中线干线工程建设管理局渠首分局, 河南 南阳 473000； 2.南阳师范学院 水资源与环境学院,河南省南水北调中线水源区流域生态安全国际联合实验室, 南水北调中线水源区水安全河南省协同创新中心,河南 南阳 473061)

南阳白河国家湿地公园总面积13076.5 hm2, 是以较大水量的白河南阳段上游段区域(以下均用“白河南阳段”)为主体、以白河洲滩湿地和输水河为补充组成的复合湿地生态系统，拥有国家重点保护动植物33种、具有重要科研和经济价值的野生动植物154种.南阳白河国家湿地公园生态地位突出，在我国亚热带和暖温带过渡区域具有较强的典型性和代表性，在河南省和我国中原地区具有独特性[1]，保护白河国家湿地公园生态系统意义重大.白河南阳段是南阳市区饮用水的水源地，也是白河国家湿地公园的重要载体，白河南阳段生态系统的变化对白河国家湿地公园生态系统具有直接影响.

鸭河水库蓄水和近年来干旱少雨天气导致白河南阳段水位下降严重，水生态系统的变化影响湿地公园的正常运作.另外，白河南阳段部分支流接纳沿途的工业废水或生活污水，仅靠河流自净作用难以彻底削减污染物，已有调查表明白河南阳段受污染较为严重[2].浮游植物是水体生物生产力的基础，与水体营养状态密切相关，对环境污染极为敏感，参与水生态环境的能量流动、信息传递等，在水体生物学监测及评价中占有重要地位，在生态系统中起着重要作用[3].白河南阳段浮游植物群落及生物多样性直接影响着白河国家湿地公园的浮游植物群落及生物多样性，甚至对评价白河国家湿地公园生态系统也有重要借鉴意义.但目前关于白河国家湿地公园生态系统变化的研究较少，本文主要研究了白河南阳段浮游植物群落及生物多样性旨在为保持白河南阳段水质和白河国家湿地公园的生态稳定性提供参考.

1 研究区域和研究方法

1.1 监测位点分布

白河南阳段上游段区域生物监测站经过实地考察论证,根据尺度范围、信息量、经济性、代表性、可控性及不断优化的原则,在白河南阳段沿河流走向，从上游到下游依次设置设鸭河大桥上(以下简称BY，位于南召县皇路店镇鸭河口村、北纬33.285°东经112.628°)、观音寺(以下简称BG，位于南召县皇路店镇皇路村、北纬33.240°东经112.656°)、泗水河桥(以下简称BS，位于卧龙区石桥镇小石桥村、北纬33.128°东经112.619°)、沙岗(以下简称BX，位于宛城区新店乡沙岗村、北纬33.045°东经112.610°)和四坝下(以下简称BF，位于宛城区市区、北纬32.952°东经112.504°)5个监测位点.

1.2 样品采集与测定方法及评价标准

1.2.1 样品采集

按照环境保护部出版的《水和废水监测分析方法》(第四版)规定的标准采集浮游藻类水样,所示样品均于24 h内送到实验室做相应处理与保存.

1.2.2 样品测定方法

1.2.2.1 浮游藻类鉴定 浮游藻类定量样品使用采水器取表层水2 L，及时加鲁哥试液固定,防止标本变质.在野外采集并经固定的水样，实验室内沉淀浓缩至50 mL后，补加甲醛溶液密封保存.制作显微镜临时玻片标本进行鉴定，将浮游藻类鉴定到属或种(变种)[3-4].

1.2.2.2 浮游藻类多样性计算 运用评价水质的Shannon-Wiener多样性指数(H′)、Margalef物种丰富度指数(d)和Pielou物种均匀度指数(J)对白河南阳段水质进行生态学评价.具体计算如下：

(1)

d=(s′-1)/lnN,

(2)

J=H′/lnS.

(3)

注：Pi为第i属浮游藻类的存在率；Ni为第i属的个体数量；N为浮游藻类的总个体数量；S为浮游藻类的属数.

1.2.2.3 浮游藻类相似性计算 杰卡特(Jaccard)群落相似性系数广泛地应用于计算2个地区间的相似性系数，通常用来衡量地区间种群的差异程度和亲缘关系的远近[5]，相似性系数的计算公式具体如下：

Q=C/(A+B-C)[6].

(4)

注：公式中A和B是白河南阳段2个监测位点的浮游藻类种类数，C是白河南阳段2个监测位点的共有浮游藻类种类数.

1.2.3 样品评价标准

1.2.3.1 浮游藻类物种组成水质评价标准 指示性浮游藻类群落污染等级划分标准：①多污带：蓝藻门>70%，直链藻和小球藻等耐污种大量出现；②α-中污带：蓝藻门约60%，藻类总数较多，冠盘藻和菱形藻等大量出现；③β-中污带：硅藻及绿藻门各约30%左右，黄藻和金藻门较多；④寡污带：硅藻门>60%，甲藻、金藻和鼓藻等均出现，藻类种类多，个体少[7].尽管河流生态系统与湖泊生态系统水文特性有很大的差异，但是二者在浮游藻类类群组成上有很大的相似性[8].因此同时参考陈晓江[9]的标准，来评价白河南阳段水体水质.

1.2.3.2 浮游藻类物种数量营养评价标准 浮游藻类数量<3×105个/L，为贫营养状态；浮游藻类数量在3×105～1×106个/L之间，为中营养状态；浮游藻类数量>1×106个/L，为富营养状态[10].

1.2.3.3 浮游藻类多样性评价标准 生物多样性指数分别参照Shannon-Winener多样性指数(H′)、物种丰富度指数(d)、物种均匀度指数(J)进行，其中重污染评价标准是：H′<1、d介于1～2、J介于0～0.3，重中污染评价标准是：H′介于1～2、d介于2～3、J介于0.3～0.5，轻污染评价标准是：H′介于2～3、d介于3～4、J介于0.5～0.8，寡污型(清洁)的评价标准是：H′>3、d>4、J介于0.8～1.

1.2.3.4 浮游藻类相似性评价标准 若相似系数Q=1，则两地区种类完全相同；若相似系数Q<0.5，则两地区存在实质性差异；若相似系数Q=0，则两地区种类完全不相同[11].

2 结果与分析

2.1 浮游藻类群落组成特征分析

2.1.1 浮游藻类物种种类组成

在白河南阳段的5个监测位点，共采集到浮游藻类73种，隶属7门32科52属.其中蓝藻门(Cyanophyta) 6科8属13种，种类比占17.81%，生物量比占41.56%；绿藻门(Chlorophyta)12科24属32种，种类比占43.84 %，生物量比占17.46 %；硅藻门(Bacillariophyta) 9科12属15种，种类比占20.55%，生物量比占30.92%；裸藻门(Euglenophyta) 1科3属4种，种类比占5.48%，生物量比占1.43%；甲藻门(Pyrrophyta) 2科2属3种，种类比占4.11%，生物量比占0.35%；金藻门(Chrysophyta) 1科1属1种，种类比占1.37%，生物量比占0.04%；隐藻门(Cryptophyta) 1科2属5种，种类比占6.85 %，生物量比占8.25%；未发现黄藻门(Xanthophyta)和红藻门(Rhodophyta)的浮游藻类.浮游藻类种类生物特征见表1.

表1 白河南阳段浮游藻类物种组成特征

白河南阳段5个监测位点浮游藻类种类总数分别为36(BY)、20(BG)、55(BS)、45(BX)和44(BF).水体中束丝藻属(Sirocoleus)、颤藻属(OscillatoriaVauch.)、小环藻属(CyclotellaKütz.)、脆杆藻属(FragilariaLyngb.)、针杆藻属(SynedraHer.)、肘状针杆藻(Synedraulna(Nitzsch.)Ehr.)、舟形藻属(NaviculaBory)、菱形藻属(NitzschiaHassal)和尖尾蓝隐藻(ChroomonasacutaUterm.)9类藻(属)，均在5个监测位点出现，也是白河南阳段常见藻.各监测位点之间的藻类种类分布特征有些许差异：BS与BX监测位点为绿藻—蓝藻—硅藻型，比例分别为44%、20%和18%与38%、24%和22%，其中BS监测位点水体中绿藻以集星藻(ActinastrumhantzschiiLag.)、卵囊藻属(OocystisNäg.)和小孢空星藻(CoelastrummicroporumNäg.)为主，但BX监测位点水体中未发现绿藻优势种.BY监测位点为硅藻—绿藻—蓝藻型，比例为44%、22%和11%，硅藻以小环藻属为主，BG监测位点为硅藻—蓝藻—绿藻型，比例为65%、15%和10%，硅藻以舟形藻属和双菱藻属(SurirellaTurp.)为主.BF监测位点为绿藻—硅藻—蓝藻型，比例为34%、32%和11%，绿藻以集星藻为主.综合5个监测位点，绿藻、硅藻和蓝藻种类共占82.20%，生物量共占89.94%.白河南阳段水体为绿藻—硅藻—蓝藻型，比例为43.84%、20.55%和17.81%，生物量比例为17.46%、30.92%和41.56%，裸藻、甲藻、金藻和隐藻则相对偏少，仅在BY监测位点检测到金藻的散歧锥囊藻(DinobryondivergensImhof) (图1).

图1 白河南阳段浮游藻类物种组成特征图

2.1.2 浮游藻类群落生活习性

浮游藻类具有不同的生活习性，如假性浮游、兼性浮游和真性浮游.白河南阳段5个监测位点中3类生活习性所占比例分别为5%(假)、17%(兼)和78%(真).白河南阳段水体浮游藻类生活习性多数为真性浮游，同样在各监测位点其为主要行为习性，蓝藻门、绿藻门、硅藻门、裸藻门、甲藻门、金藻门和隐藻门中均存在；假性浮游藻类只在硅藻门中发现，主要有脆杆藻等，且自白河南阳段上游至下游呈现下降趋势.兼性浮游的藻类呈相对稳定的状态，只存在于蓝藻门、绿藻门和硅藻门中.

2.2 浮游藻类功能群组成特征分析

观察不同监测位点浮游藻类生物量的分布，如图2所示.白河南阳段监测站点BY至BF浮游藻类生物量变化波动大，其中监测位点BX的生物量较多，约为5.31 mg/L；监测位点BG生物量较少，约为0.54 mg/L，两者之间相差约9.8倍.

根据浮游藻类数量营养评价指标，对白河南阳段监测位点水体浮游藻类数量进行营养状态评价(表2)，白河南阳段上游处于中营养状态，下游数据异常显著，富营养状态.

图2 白河南阳段浮游藻类生物量空间变化

表2 白河南阳段监测位点浮游藻类数量营养评价

2.3 浮游藻类多样性

生物多样性是生物及其与环境形成的生态复合体以及与此相关的各种生态过程的总和，群落中的生物多样性反映了生物群落或生境的复杂程度[12].可用来作为评价水质的一项重要指标的生物多样性指数，它是用来表示由多种生物组成的混合生物群落的数量和种类之间的关系.

2.3.1 Shannon-Wiener多样性指数及其水质评价

白河南阳段浮游藻类Shannon-Wiener多样性指数变化范围为2.69～3.28，变化幅度稍有波折，观音寺监测位点数值较小，BS监测位点数值较大.白河南阳段浮游藻类Shannon-Wiener多样性指数空间变化特征为BS>BF>BY>BX>BG.BS监测位点水质质量较好，为寡污型(清洁)；其余4个监测位点水质情况均为轻中污型.

2.3.2 Margalef物种丰富度指数及其水质评价

Margalef丰富指数能够表示群落种类的丰富程度.通常来说，种类丰富程度高的表示为健康环境；反之，种类丰富程度低的表示为污染环境.白河南阳段浮游藻类Margalef丰富度指数变化范围为4.67～9.23，变化幅度较大，BG监测位点数值较小，BS监测位点数值较大，与Shannon-Wiener多样性指数变化趋势较相似.白河南阳段浮游藻类Margalef丰富度指数空间变化特征为BS>BY>BX>BF>BG.5个监测位点Margalef丰富度指数均大于4，水质质量较健康，评价为清洁.

图3 白河南阳段浮游藻类多样性指数空间变化

2.3.3 Pielou物种均匀度指数及其水质评价

Pielou均匀度指数反映浮游藻类物种个体数分配的均匀程度.J值的范围在0～1之间，J值大时说明群落种间个体数分布均匀；反之，J值小时说明群落种间个体数分布欠均匀.白河南阳段浮游藻类Pielou均匀度指数变化范围为0.72～0.90，变化幅度平稳，BX监测位点数值较小，BG监测位点数值较大.白河南阳段浮游藻类Pielou均匀度指数空间变化特征为BG>BY>BS>BF>BX.BX监测位点和BF监测位点水质较差，为轻污染；其余3个监测位点水质良好，无污染；总体来说，白河南阳段浮游藻类种间个体数分布较均匀.

2.4 浮游藻类群落相似性

2.4.1 5个监测位点浮游藻类种类

由表3可知，BY和BG之间共有种为14种，BY和BS之间共有种为25种，BY和BX之间共有种为20种，BY和BF之间共有种为21种，BG和BS之间共有种为13种，BG和BX之间共有种为12种，BG和BF之间共有种为13种，BS和BX之间共有种为34种，BS和BF之间共有种为33种，BX和BF之间共有种为31种.其中，BX监测位点与其他监测位点的共有种类数量相对较高，反之，BG监测位点与其他监测位点的共有种类数量普遍偏少.

表3 白河南阳段监测位点浮游藻类空间分布

续表

2.4.2 白河南阳段浮游藻类相似性分析及其水质评价

根据Jaccard相似性系数计算得到各监测位点之间的相似性系数(表4)，可直接观察出河流下游之间相似性系数偏高，最高的是BX监测位点与BF监测位点，达0.63，均不存在实质性差异；上游各监测位点之间的相似性系数为0.23～0.41，上游监测位点与下游监测位点的相似性系数在0.26～0.39之间，均小于0.5，可初步判断均存在实质性差异.

表4 白河南阳段浮游藻类相似性系数比较

3 讨论与建议

通过对白河南阳段水体进行富营养化调查显示，该河流浮游藻类7门32科52属73种，与凡盼盼[13]等人2012—2013年间所做的研究结果对比，发现白河南阳段浮游藻类科数减少20%、属数减少42.22%、种数则大幅度减少64.9%.具体而言，蓝藻门属数降低50%、种数降低62.86%，绿藻门属数降低25%、种数降低45.76%，硅藻门属数降低60%、种数降低84.04%，裸藻门属数降低50%、种数降低66.67%，其他藻类则没有明显变化.另外从各种藻类占比分析，本文中绿藻、硅藻和蓝藻是藻类主要构成部分与凡盼盼[13]等人研究结果一致，但绿藻占比从28.37%增加到41.56%、硅藻占比从45.19%降低到17.46%、蓝藻占比从16.83%增加到30.92%.蓝藻已经成为水体污染的重要指标，蓝藻聚积时，水体溶解氧大量消耗，蓝藻死亡散发恶臭并释放有毒有害物质，水质恶化严重[14]，而本文与凡盼盼[13]等人研究结果比较发现，蓝藻占比大幅增加了83.72%，说明随时间和空间维度的改变白河南阳段水体污染状况有加重趋势.

白河南阳段监测站点BY至BF浮游藻类生物量变化波动大，其中监测位点BX的生物量较多，约为5.31 mg/L；监测位点BG生物量较少，约为0.54 mg/L，两者之间相差约9.8倍，白河南阳段上游区域处于中营养状态，下游区域趋于富营养化.值得关注的是肘状针杆藻，其在鸭河大桥上、沙岗和四坝下3个监测位点均为优势种类.有研究者总结肘状针杆藻属于耐重金属(锌)类型指示藻类[15]，可见白河南阳段水体污染不仅仅因为有机污染物,而且重金属排放造成的污染，也是白河南阳段水质由中营养型向富营养型水体变化趋势的重要原因.

由浮游藻类多样性分析结果可知，白河南阳段浮游藻类Shannon-Wiener多样性指数空间变化特征为BS>BF>BY>BX>BG，BS监测位点水质为寡污型(清洁)；其余4个监测位点水质情况均为轻中污型.白河南阳段浮游藻类Margalef丰富度指数空间变化特征为BS>BY>BX>BF>BG，5个监测位点Margalef丰富度指数均大于4，水质清洁质量较健康.白河南阳段浮游藻类Pielou均匀度指数空间变化特征为BG>BY>BS>BF>BX，BX监测位点和BF监测位点水质较差，为轻污染；其余3个监测位点水质良好，为无污染；总体来说，白河南阳段浮游藻类种间个体数分布较均匀.通过分析多样性评价结果，白河南阳段水质情况乐观.但通过分析发现白河南阳段上游浮游藻类Shannon-Wiener多样性、Margalef丰富度、Pielou均匀度指数空间变化均比较好，而中游至下游区域则比较差，

从5个监测位点浮游藻类种类分析，下游监测位点与其他监测位点的共有种类数量相对较高，上游监测位点与其他监测位点的共有种类数量普遍偏少.而根据Jaccard相似性系数计算结果观察出河流下游之间相似性系数偏高，最高的是BX监测位点与BF监测位点，达0.63，均不存在实质性差异；上游各监测位点之间的相似性系数为0.23～0.41，上游监测位点与下游监测位点的相似性系数在0.26～0.39之间，均小于0.5，可初步判断均存在实质性差异.由此可初步估测白河南阳段中下游其污染程度相似，导致其污染原因可能一致，如若能找准中下游河流污染的症结对症下药必能有所改善.

作为白河国家湿地公园重要载体,本文研究结果表明白河南阳段水质较好但有营养化的趋势，应该引起有关部门重视，加强管理控制污染源,保证水域生态系统持续健康，以实现社会、经济、生态相互协调和可持续发展，在拥有金山银山的同时拥有绿水青山[16].