宁夏沙湖生态修复前后浮游植物群落结构变化与水质评价1)

翟昊 刘曼红 明霄阳 刘笳旻 商淋友 徐磊 于洪贤

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

水体富营养化是目前许多内陆湖泊面临的严峻问题，银川平原降水量小而蒸发量大，湖泊普遍存在缺水现象；除此之外，沙湖还受生态旅游开发项目及周边农业、工业等人类活动的影响，2002—2007年开始出现严重的富营养化[1-2]。为减缓并控制这种趋势，恢复和稳定沙湖水域生态系统的结构和功能，从2015—2020年对沙湖已实行了一系列生态修复举措。

浮游植物是湖泊中主要的初级生产者，对环境因子的变化敏感。生态修复是对水体的强烈干扰[3]，浮游植物群落组成和结构势必会因此发生变化，因而对浮游植物的监测是一种评价生态修复成果的重要手段。为此，本研究以宁夏沙湖为研究对象，根据湖泊的地理状况布设了8个采样点，分别于2015年、2020年的7月份和10月份在沙湖湿地采样，按照浮游植物功能类群(FG)的划分方法对沙湖优势浮游植物划分16类；应用古生物学统计分析(PAST)软件计算香农-维纳(Shannon-Wiener)多样性指数(H′)、皮洛(Pielou)均匀度指数(J)，应用统计产品和服务解决方案(SPSS)软件对各样点生物指数进行单因素方差分析，应用电子表格软件(Excel)计算丰度、生物量、优势度指数；分析沙湖生态修复前(2015年)、后(2020年)的浮游植物群落结构特征和生物多样性变化，检验沙湖生态修复效果。旨在为生态修复效果评价提供参考。

1 研究地概况

银川平原是在新生代断陷盆地基础上发育的冲积洪积平原，属中温带典型大陆性气候，是宁夏湖泊湿地的最集中分布区；据统计，8 hm2以上的湖泊有182个，占宁夏湖泊湿地数量的66%、总面积的61%，在全国也属于湖泊高集中分布区。银川平原湖泊依其特有的地理位置、生态功能和湿地类型，形成了有别于东部平原湖群、青藏高原湖群[4]的独特的湖泊湿地体系。

沙湖是银川湿地中重要的一部分，位处1999年建立的宁夏石嘴山市平罗县西南部沙湖自然保护区内，面积1 494 hm2，海拔1 020 m，地理坐标为东经106°19′6″～106°24′10″、北纬38°45′17″～38°49′42″。

沙湖是封闭型湖泊，常年无自然生态基流补水，无输出水道；由于蒸发量大，每年都需要通过从黄河人工补水维持水位，多年沉积；同时，还受旅游开发与周边农业、工业活动的影响，水质逐渐恶化。为改善沙湖水质，截至2020年，已实施了多项综合治理措施，如：建立绿化隔离沟、氧化塘，河底清淤，抽排受污染水补黄河水，退渔、退耕还湿等。

2 研究方法

2.1 采样点设置

本研究分别于2015年、2020年的7月份和10月份在沙湖湿地进行采样，根据湖泊的地理状况布设了8个采样点(见图1、表1)。

表1 沙湖湿地各采样点位置与环境特征

图1 沙湖湿地采样点分布

2.2 采样方法

浮游植物定量样品的采集，用有机玻璃采水器在水面0.5 m和距离底层0.5 m处混匀后共采集1 L水样，加入15 mL鲁哥氏碘液进行固定，带回实验室静置72 h；使用虹吸管移走上清液，将浓缩得到的30 mL样品摇匀，吸取0.1 mL于浮游植物计数框中；在10×40倍显微镜下每片随机选取100个视野拍照，随后对照相关参考文献[5]对各个样点浮游植物物种及个数分布进行鉴定和统计。

按照浮游植物功能类群(FG)的划分方法[6]对沙湖优势浮游植物进行划分(见表2)。

表2 沙湖浮游植物优势功能群组成

2.3 数据处理

使用古生物学统计分析软件计算香农-维纳多样性指数(H′)与皮洛均匀度指数(J)，使用统计产品和服务解决方案软件对各样点生物指数进行单因素方差分析，应用电子表格软件(Excel)计算丰度、生物量、优势度指数(Y=fi×Pi，Pi为第i种个体数量在总个体数量中的占比，fi为该种在各个采样点出现的频率；当Y>0.02时，为优势种)。

以香农-维纳多样性指数(H′)为指标的水质评价指标：H′>3，表示水体清洁-寡污染；20.8表示水体清洁-寡污染；0.5

3 结果与分析

3.1 生态修复对沙湖浮游植物物种组成的影响

物种组成是群落的基本特征，沙湖2015年7月份共鉴定出浮游植物7门38种及其变种，其中绿藻门浮游植物种类最多，为14种，占总种类数的36.84%；2020年7月份共鉴定出浮游植物8门147种及其变种，其中绿藻门浮游植物种类最多，为56种，占总种类数的38.10%。2015年10月份共鉴定出浮游植物7门30种及其变种，其中绿藻门浮游植物种类最多，为10种，占总种类数的33.33%；2020年10月份共鉴定出浮游植物5门51种及其变种，其中蓝藻门浮游植物种类最多，为20种，占总种类数的39.22%。

由表3可见：沙湖浮游植物种类呈现7月份多于10月份的季节规律，沙湖浮游植物中绿藻门、蓝藻门藻类的种类占绝对优势，硅藻次之；经生态修复，2020年各门浮游植物的种类普遍多于2015年，但金藻门藻类种数下降。

表3 生态修复前后沙湖浮游植物种类组成

3.2 生态修复前后沙湖浮游植物优势种的特征

藻类优势物种优势度为水生态系统生物构成重要指标，生态状况较好时物种优势物种的优势度较低。由表4可见：生态修复前后，沙湖7月份浮游植物优势种由2015年的18种变为2020年的8种；沙湖10月份浮游植物优势种由2015年的6种变为2020年的10种。根据优势种组成可看，2015年浮游植物群落结构为绿藻-硅藻-蓝藻-金藻型，2020年浮游植物群落结构为蓝藻-绿藻-硅藻型，但2015年优势种中对鱼类和水生生物有毒害作用的小三毛金藻(Prymnesium parvum)经生态修复不再是优势物种。2015年优势度指数在0.020～0.100之间波动，2020年优势度指数在0.020～0.329之间波动，整体呈现上升趋势。

3.3 生态修复对沙湖浮游植物优势功能群的影响

由表4可见：生态修复前，沙湖2015年7月份浮游植物优势种中15种进入功能群，可归为11个功能群，其中属于J、X1、P、LO功能群的浮游植物种类最多；2015年10月份浮游植物优势种中5种进入功能群，分属5个功能群；2020年7月份浮游植物优势种分属5个功能群，其中属于S2、LO、D功能群的种类最多；2020年10月份浮游植物优势种分属6个功能群，其中属于LO功能群的种类最多。7月份浮游植物优势功能群发生了X1+F+E+P→SN+H1+S2+LO的演变，10月份浮游植物优势功能群发生了X1+SN+G→H1+SN+LO的演变，适应中营养、富营养的优势功能群所占比例下降，被耐受贫营养的优势功能群取代(见表2)。

表4 沙湖浮游植物优势种及其功能群

3.4 生态修复对沙湖浮游植物丰度和生物量的影响

由表5可见：，2020年藻类丰度与生物量普遍高于2015年，7月份沙湖藻类丰度由3 219.9个·L-1增加到142 409.7个·L-1，增加44倍；10月份藻类丰度由1 615个·L-1增加到5 526.04个·L-1。7月份沙湖生物量由10.73 mg·L-1增加到43.67 mg·L-1，10月份由4.01 mg·L-1增加到14.49 mg·L-1，增加了4倍。并且生态修复前后，丰度与生物量均呈现7月份高于10月份的季节规律。

表5 生态修复前后沙湖浮游植物丰度与生物量

以何志辉[9]不同营养型类型湖泊的划分主要指标为参考(见表6)，2015年7月份沙湖为富-超富营养水体，10月份为中营养水体；2020年沙湖全年生物量大于10，且优势物种为蓝藻、绿藻，存在超富营养化现象。

表6 湖泊营养类型评价指标

3.5 生态修复对沙湖浮游植物生物指数的影响

生态修复前后，沙湖浮游植物生物指数见表7。单因素方差分析结果显示，沙湖生态修复前后，香农-维纳多样性指数(H′)差异显著(P<0.05，P=0.018)，皮洛均匀度指数(J)差异不显著(P>0.05，P=0.896)。通过对比可看出，总体呈现7月份香农-维纳多样性指数(H′)高于10月份，7月份皮洛均匀度指数(J)低于10月份的季节性规律；生态修复后，香农-维纳多样性指数(H′)普遍下降，皮洛均匀度指数(J)普遍上升。

表7 沙湖生物指数及水质污染状况

采样时间依据均匀度指数(J)对水质评价均匀度指数(J)污评2015年7月份0.36±0.03β-中污染2015年10月份0.48±0.30β-中污染2020年7月份0.59±0.03寡污染2020年10月份0.78±0.01寡污染

依据针对香农-维纳多样性指数(H′)的水质评价指标，2015年7月份为寡污染，10月份为β-中污染；2020年全年为β-中污染。依据针对皮洛均匀度指数(J)的水质评价指标，生态修复前为β-中污染，生态修复后为寡污染。但由于优势藻种数量十分巨大，以2020年7月份为例，最优势物种中华小尖头藻(Raphidiopsissinensia)的丰度高达10 326.39个·L-1，因此皮洛均匀度指数(J)的评价结果会受影响。综合分析可知，2020年沙湖水质比2015年有退步。

4 讨论

4.1 生态修复对浮游植物的影响

结果表明，经生态修复，沙湖浮游植物种类显著增多，丰度与生物量也增多，优势种7月份减少而10月份增多，浮游植物群落结构由绿藻-硅藻-蓝藻-金藻型变为蓝藻-绿藻-硅藻型，优势度指数上升，优势功能群中耐贫营养的种类所占比例增大，香农-维纳多样性指数(H′)降低，皮洛均匀度指数(J)升高，生态修复前后均呈现10月份水质比7月份清洁的季节规律。

生态修复后，浮游植物种类、丰度、生物量增多，在7月份最为明显；生态修复前后，各季节均为绿藻门、蓝藻门浮游植物种类较多。蓝藻门[10]、绿藻门[11]浮游植物的生长最适温度较高，因此在7月份有较多种类出现。在沙湖生态修复时利用了疏浚的手段，有研究表明，对底泥的疏浚在短时间内会降低水中的N、P含量，起到清洁水体的作用，但随着时间的推移，N、P重新沉积，疏浚的效果会减弱，出现污染回复甚至较修复前更甚[12-13]的现象；疏浚的深度也会明显影响底泥中内源营养物质的释放[14]。而修复后，沙湖中浮游植物丰度与生物量均大幅增加，也说明湖泊营养负荷高，同时以7月份高温为诱导条件，造成浮游植物大量发生。

经生态修复沙湖7月份浮游植物优势种减少，优势度上升，出现占绝对优势地位的物种中华小尖头藻和水华束丝藻(Aphanizomenonflosaquae)。优势度上升、优势种减少，一般表示水质状况有退步；浮游植物群落结构，由绿藻-硅藻-蓝藻-金藻型变为蓝藻-绿藻-硅藻型，蓝藻、绿藻比例大幅上升，硅藻、金藻比例下降，演变为以蓝藻、绿藻为主导的浮游植物群落，但由于浮游植物群落结构比修复前丰富，优势功能群中耐贫营养的种类所占比例增大，比2015年水质的退步并不严重。

生态修复后，沙湖香农-维纳多样性指数(H′)降低，皮洛均匀度指数(J)升高，这与沙湖优势藻类中华小尖头藻、水华束丝藻的大量发生有关。沙湖呈现香农-维纳多样性指数(H′)7月份高于10月份、皮洛均匀度指数(J)7月份低于10月份的季节特征，这与太湖[15]、镜泊湖[16]研究结果一致；同时与之对比发现沙湖生物多样性较高，群落信息含量大，但均匀度较高，存在着占绝对优势地位的物种，说明2020年沙湖浮游植物群落还处于不稳定状态。生态修复5 a后，沙湖水环境是否会继续恶化还需进一步的监测和研究。

4.2 综合多种指标对水质的评价

浮游植物对环境变化敏感，其群落结构特征包括优势度、丰度、生物量、多样性指数等，在一定程度上可以作为湖泊水环境健康状况评价的重要指标[17]。

经生态修复，沙湖浮游植物群落结构由绿藻-硅藻-蓝藻-金藻型变为蓝藻-绿藻-硅藻型。有研究表明，当蓝藻在浮游植物群落中占优势地位时，意味着水体营养程度的升高[18-19]；优势度指数越低，物种越丰富，水质状况越好[20]。2020年沙湖优势度指数比2015年普遍升高，水质状况有退步。浮游植物功能群，通常为生长于相同的生境类型或相似的环境条件下的藻类，常用功能群描述生境特征[21]。沙湖优势功能群中，适应富营养环境的种类所占比例下降，这说明浮游植物群落正处在演化之中。

2020年浮游植物丰度与生物量比2015年大幅升高，并且通过相关生物量评价指标可看出，沙湖比生态修复前富营养化现象更加严重，这与对优势种及优势度指数分析所得判断结果一致。

以浮游植物香农-维纳多样性指数(H′)评价水质发现，2020年比2015年水质有恶化，但以皮洛均匀度指数(J)对沙湖水质进行评价，得到沙湖水质在生态修复后有所改善的评价结果，与其他评价方法得到的结果相矛盾，综合考虑认为皮洛均匀度指数(J)并不适用于评价沙湖水质。这种情况说明，仅以生物指数作为评价指标评价湖泊水环境健康状况有其自身的局限性，并不全面，还需综合水体理化因子、湖泊实际情况等条件。本研究可以为沙湖湿地水体健康状况的优化提供一定的参考。