新沂夏季浮游植物群落结构特征研究

2021-09-11黄俊占明飞黄杰陈莹莹王伟

安徽农业科学 2021年17期

黄俊占明飞黄杰陈莹莹王伟

摘要为了解新沂浮游植物群落结构的多样性特征，于2019年夏季对新沂市主要河流、湖泊的浮游植物群落结构进行调查。结果表明：共鉴定出浮游植物7门84属，其中以绿藻门居多，其次是硅藻门和蓝藻门。采样点浮游植物密度在303.3×104～8 676.8×104个/L，生物量在2.46～21.11 mg/L，Shannon-Wiener多样性指数为1.26～3.32，Pielou均匀度指数为0.53～0.86，Margalef多样性指数为0.37～2.42。基于优势种的等级聚类和非度量多维标度分析结果表明，样本群落可分为2组。不同空间的环境差异造成了浮游植物群落结构差异，沭河和沂河的浮游植物组成相似度较低，但沭河和水库的浮游植物组成相似度较高。

关键词浮游植物;群落结构;新沂

中图分类号 Q145 文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2021）17-0074-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.17.020

Abstract In order to understand the diversity characteristics of the phytoplankton community structure in Xinyi， the main rivers and lakes in Xinyi City were investigated in the summer of 2019.The results showed that there were 84 genera of phytoplankton in 7 phyla.The Chlorophyta was the most abundance taxa and followed by Diatom and Cyanophyta.The phytoplankton density of the whole sampling points was 303.3×104-8 676.8×104cells/L，and the biomass was 2.46-21.11 mg/L，Shannon-Wiener diversity index was 1.26-3.32，Pielou evenness index was 0.53-0.86，the Margalef index was 0.37-2.42.The results of hierarchical clustering and non-metric multi-dimensional scaling analysis showed that sampling points can be divided into two groups.The structure of phytoplankton communities were influenced by spaces.The similarity of phytoplankton composition between Shuhe and Yihe was low，but the similarity of phytoplankton composition between Shuhe and the reservoir was relatively high.

Key words Phytoplankton;Community structure;Xinyi

近年來，随着生物多样性保护工作的开展，区域性水生态本底调查资料日趋增多。浮游植物作为区域水生态调查的重要组成部分，在指示水质、判断水体健康程度等方面具有积极应用[1-3]。早在2000年，欧盟水框架指令（WFD）就将浮游植物纳入河流湖泊监测范围[4]，与传统理化监测方式相比，通过监测浮游植物的群落特征可以全面及时地掌握水环境质量的动态变化过程，但难以确定污染物的种类、浓度，灵敏性和专一性也不如理化检测[5-6]。

新沂位于江苏北部、徐州市东部（117°59′～118°39′E，34°06′～34°26′N），东靠沭阳、东海，南隔沂河、骆马湖与宿迁相望，西邻邳州，北邻山东郯城县，土地总面积1 616 km2。境内河流纵横，水面广阔，流域性河湖有沭河、沂河、新沂河、中运河、骆马湖，区域性河道有17条，河道总长374 km，中小型水库30座，总库容9 897万m3。其中，骆马湖不仅是沂河、中运河洪水的主要调蓄湖泊，还是国家南水北调东线输水工程的主要调节水库之一[7]。

目前，关于骆马湖水质和富营养化的研究较为广泛[8-10]，但对骆马湖周边汇入水体的浮游植物调查却鲜有报道。该研究通过对新沂市多个河流断面进行调查，以期获得浮游植物数据，为新沂市水生生物保护、生态修复及水质评价提供科学依据和理论基础。

1 材料与方法

1.1 采样点设置和采样时间于2019年7月选择江苏省新沂市主要河湖和水库为调查对象，进行浮游植物的样品采集。采样点布设参照《生物多样性调查技术规范—内陆浮游生物》[11]，同时考虑到河湖、水库（高塘、阿湖、黄巢关）的分布及样点均匀性，分别设置15个采样点，开展浮游植物的调查监测。各采样点分布见图1。

1.2 样本采集和处理

浮游植物定性样品的采集采用25号浮游生物网（网孔直径为64 μm），在水面表层呈“∞ ”字形缓慢捞取浮游植物样品，并将网内浓缩液置于100 mL塑料水样瓶中，经4%甲醛固定，带回实验室镜检。

浮游植物定量样品的采集采用有机玻璃采水器在水深0.5 m处采集水样1 L，现场用15 mL鲁哥氏液固定。样品带回实验室后移入沉淀器，静置24 h后定容至30 mL，在10×40倍显微镜下定量镜检（Phenix XSP-36）[12]。浮游植物鉴定参考《中国淡水藻类——系统、分类及生态》[13]。

1.3 数据处理和分析

多样性指数常用的指标有优势度指数（Y）、Shannon-Wiener多样性指数（H′）、Pielou均匀度指数（J′）和Margalef多样性指数（D′），其中优势度指数Y>0.02为优势种属[14]。在使用多样性指数进行生物学评价时，水体富营养化及评价标准参照参考文献[15]。

各指数计算公式如下：

式中，N为所有物种的个体总数;ni为第i种的个体总数;fi为第i种藻类在各站位出现的频率;S为浮游生物的物种数。

采用等级聚类法（Cluster）研究不同区域浮游植物优势种的分布，先将物种密度原始数据进行log（x+1）转换，在聚类过程中选用Bray-Curtis（Ward法）来度量类群与类群之间的相似程度，采用非度量多维标度（non-metric multidimensional scaling）方法分析不同流域浮游植物组成的相似关系，将转换后的物种数据计算Bray-Curtis相似性指数，建立各浮游植物群落的相似性矩阵，胁强系数（Stress）用以度量二维NMDS的拟合优度，Stress<0.05为拟合程度极高，Stress<0.10为拟合程度较高，Stress<0.20为拟合程度一般，Stress>0.30为拟合程度较差[16-17]。

原始数据的记录和保存在Excel 2010中完成，多样性指数的计算和作图在R-4.0.2中完成，新沂市水系图来自Landsat8 OLE，运用Arcgis解译完成。

2 结果与分析

2.1 浮游植物的群落结构

2.1.1 种类组成。该调查的定量样品中，共鉴定到包括硅藻门、隐藻门、绿藻门、蓝藻门、甲藻门、裸藻门和黄藻门共计84属。其中，硅藻门19属，绿藻门35属，蓝藻门17属，裸藻门6属，甲藻门3属，黄藻门3属，隐藻门1属。各采样点浮游植物组成见表1。该调查鉴定到的绿藻门种属数最多，优势属（括号内数字为优势度）为栅藻属（Scenedesmus，0.06）和小球藻属（Chlorella，0.32），硅藻门种属数次之，优势属有小环藻属（Cyclotella，0.04）;蓝藻门优势属为微囊藻属（Microcystis，0.05）、色球藻属（Chroococcus，0.04）、平裂藻属（Merismopedia，0.03）和颤藻属（Oscillatoria，0.09）。

2.1.2 密度和生物量。

分析结果显示，浮游植物主要以蓝藻门和绿藻门为主，调查区域内浮游植物密度为303.3×104～8 676.8×104个/L，其中3号采样点浮游植物密度最大，9号采样点浮游植物密度最低。其中沭河流域浮游植物的平均密度高于水库和沂河流域。浮游植物生物量的变化范围为2.46～21.11 mg/L，其中3号采样点最大，13号采样点最低（图2）。从各点位的浮游植物组成可知，沭河浮游植物主要以蓝藻为主，其余采样点绿藻占多数。

2.2 浮游植物的多样性评价

2.2.1 多样性。

对各点位浮游植物进行了物种多样性分析（图3），从图3可见，Shannon-Wiener多样性指数为1.26～3.32，Pielou均匀度指数为0.53～0.86，Margalef多样性指数为0.37～2.42，各采样点多样性指数变化各异。

通过水环境污染等级标识可知，新沂市各采样点Shannon-Wiener多樣性指数多处于β-中污状态，其中峰值出现在采样点12，谷值出现在采样点3，其他采样点差异性不大。Pielou均匀度指数的峰值出现在采样点7，谷值出现在采样点3，因此采样点均处于轻污状态。Margalef多样性指数最大值出现在采样点12，最低值出现在采样点3，多数采样点处于α-中污染状态。

2.2.2 优势种的聚类和排序。

在Bray-Curtis距离矩阵的基础上，采用Ward最小方差等级聚类分析作出聚类树枝图（图4），由图4可知，各采样点在0.8的距离水平上分为2个聚类类型，各聚类包含站点和所处位置不同。从聚类结果可以看出，沭河采样点2、3、4自成一束，群落组成差异较小，但样点5不同，其位于沭河和新沂河的交汇口，具有不同的群落结构。水库采样点1、14、15自成一束，其中1号采样点为小型水库，14、15为中型水库。水库采样点和沂河水域采样点具有较高的相似性。

基于Bray-Curtis距离的相似性系数对各采样点和河流的浮游植物优势种属进行非度量多维标度（non-metric multidimensional scaling，NMDS）分析排序，分析结果（图5）显示，各采样点总体Stress值为0.148 1，河流样本Stress值为0.083 1，样本胁强系数显示其拟合程度分别为一般和较高。图5中任意样本的距离代表其相似度，距离越近表示具有较高的生境需求。各采样点的NMDS分析结果和Ward最小方差等级聚类分析结果一致，均可分为2组，其中水库和沂河的浮游植物具有较高的相似性，但中型水库和小型水库的浮游植物的相似度较低。单独对河流样本的NMDS分析显示其可分为2组，分别是沭河和沂河。

3 讨论

3.1 新沂市浮游植物群落空间分布

新沂市位于华北平原，属淮河流域沂、沭水系，其境内水网发达，特别是骆马湖，为江苏省第四大淡水湖泊。据《江苏鱼类志》记载，骆马湖浮游植物共有89属102种[18]。受调查季节、时间的限制，调查结果差异较大，相关研究表明，在2017年夏季发现骆马湖浮游植物有6门32属，而全年监测结果显示，骆马湖浮游植物共有7门71种属[9，19]。沂、沭流域的历史调查资料较为匮乏，沂河流域的历史调查结果表明浮游植物有7门73属[20]。在目前已知的调查结果中，骆马湖、沂河主要以蓝藻、绿藻和硅藻为主，与该调查结果较为一致，该调查共发现浮游植物7门84属，重量、密度的高值主要出现在沭河。

在空间分布上，浮游植物群落的地理差异明显，骆马湖（11～12）和水库（1、14、15）主要以蓝藻、绿藻为主，沂河（7～10）主要以硅藻、绿藻为主，沭河（2～5）主要以蓝藻为主。在稳定的湖泊、水库等水体中绿藻、蓝藻易形成相互竞争的群落优势种，而在河流等混合度较高的不稳定水体中硅藻所占比例会大幅提高，其次硅藻门属于较为原始的门类，更能适应生存在一些极端环境中[21]。

从密度和生物量上来看，沭河流域浮游植物的平均密度要高于其他调查区域。沭河穿越人口稠密的新沂市区，外来性营养物质的不断输入，增加了水体环境的异质性，其间拦河闸坝较多，闸坝的建设虽然在防洪、灌溉等方面取得了较大的经济效益，但也在不同程度上引起河道干涸、断流以及水动力学的变化，对河流的生态环境带来了巨大影响[22]。一方面，闸坝等水利工程的建设不仅切断了河流的连通性，阻碍水生生物的自然迁移，容易造成污染物质富集[23]，进而使得浮游植物群落结构趋于单一化，耐污物种大量繁殖，降低浮游植物多样性;另一方面，闸坝调控所导致的河道水动力条件的改变也会在很大程度上影响水生环境中浮游植物的群落结构及密度分布[24]。

3.2 新沂市浮游植物的多样性特征

物种多样性是指用一定空间范围内物种的数量和分布特征来衡量生物的多样性水平，评价群落种类的丰富度、数量分布的均匀程度和异质性。基于生物多样性指数法对新沂市各采样点的评价结果表明，多数水体处于轻污或者中度污染水平，采样点3具有最小值，浮游植物物种种类为11种属，其浮游植物群落结构多样性水平较低，从密度和生物量的角度来看，具有富营养化的趋势。有报道指出，一般水体所受污染越严重，Shannon-Wiener多样性指数越低，而浮游植物种类种数越接近，Pielou均匀度指数越高[25]。Shannon-Wiener多样性指数、Pielou均匀度指数和Margalef指数评价结果有一定的差别，有研究指出，Shannon-Wiener指数和Pielou指数对浮游植物群落多样性有较好的解释，而用Margalef指数解释浮游植物群落多样性时应谨慎[26]。

物种聚类和排序的结果反映了物种的分布和数量，非度量多维标度分析是以排序为手段的统计分析方法来研究群落组成和演替与环境因子的关系[17]，主要思想是使用尽可能少的排序轴（通常是2～3轴）充分展示不同样方群落结构的距离关系。将聚类分析与排序结合在一起使用，2种方法相辅相成，能更好、更直观地解释物种之间的相似性关系。聚类和NMDS分析显示，样本点可分为2组。由于不同采样点的环境差异造成了浮游植物群落的组成差异，夏季沭河和沂河流域具有不同的浮游植物群落结构。除此之外，水库和沂河的浮游植物群落结构相似性较高，究其原因主要是由于水库采样点较少或沭河下游骆马湖湖区浮游植物的生活环境和水库的生活环境有一定的相似性。

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