基于RDA的白洋淀浮游植物群落动态特征分析

刘存歧，孔祥玲,张治荣，田志富

(河北大学生命科学学院，河北保定　071002)



基于RDA的白洋淀浮游植物群落动态特征分析

刘存歧，孔祥玲,张治荣，田志富

(河北大学生命科学学院，河北保定071002)

2010年4-11月采样调查了白洋淀浮游植物群落组成和时空变化特征，利用冗余分析(RDA)方法分析了影响浮游植物群落分布的主要环境因子.共检出浮游植物8门183种(属)，以蓝藻、绿藻和硅藻为主.浮游植物的密度在8.68×106～314.32×106/L内变化,最大值出现在秋季(9月)，最小值出现在冬季(11月).采蒲台水体的Shannon-Wiener指数和均匀度指数最高,王家寨和南刘庄则较低.水温、透明度和高锰酸钾指数对白洋淀浮游植物群落的分布和动态变化影响最大，而pH值和总磷浓度对绿藻门和蓝藻门种类影响较为明显.控制有机污染物和磷的排放是解决白洋淀富营养化的主要措施.

白洋淀；浮游植物；环境因子；冗余分析

浮游植物是水域生态系统中的初级生产者，是食物链的基础环节，其种类组成和丰度变化直接影响水体水质、系统内能量流和物质流[1].浮游植物群落的结构与水体光照、营养盐等环境因子直接相关，因此浮游植物群落常用来评价水体水质状况[2].

随着群落分析技术的发展，多元统计分析方法被广泛应用到生物群落的物种-环境关系的分析之中，包括主成分分析(PCA)、典型对应分析(CCA)、去趋势对应分析(DCCA)和冗余分析(RDA)等[3-4].RDA是一种直接梯度排序方法，能够评价一组变量和另外一组变量数据之间的关系[5].相对于其他排序方法而言，RDA分析可同时结合多个环境因子，结果直观、明确且包含的信息量大.国内应用RDA分析生物群落的相关报道较少，而国外的研究也主要集中在影响生物[6]、植被[7]、景观[8]分布的环境因子的甄选.白洋淀是华北地区最大的内陆浅水淡水湖泊，受上游来水减少和人类干扰影响，生态状况不断恶化.20世纪90年代以来，虽然较多学者利用浮游植物群落评价了白洋淀水质的状况[9-13]，但对影响浮游植物群落的主要因子的甄别有所不足.本文在2010年对白洋淀进行了4次浮游植物群落和水体环境因子的调查，利用RDA分析了群落结构与环境因子之间的关系，以期为白洋淀的生态环境评价和生态恢复提供参考.

1　材料和方法

1.1采样点设置和采样时间

1.端村；2.采蒲台；3.圈头；4.光淀； 5.王家寨；6.枣林庄；7.烧车淀；8.南刘庄.图1　白洋淀采样点分布Fig.1　Sampling sites of Baiyangdian Lake

根据白洋淀环境状况，设置8个采样点(图1)用于浮游植物采样和环境因子监测[12].本次调查采样时间为2010年4月、7月、9月和11月.

1.2水样采集、处理和分析

用采水器在0.5 m水深处采取1 000 mL水样，现场加入15 mL鲁哥氏液并摇匀.水样被带回实验室后静置沉淀24 h，并浓缩定容至30 mL.在10×40倍显微镜下进行镜检鉴定和计数.

在监测的水体理化因子中，水温(t)、溶解氧(DO)和pH用便携式测量仪测定，透明度(SD)用黑白塞氏盘测定，总氮(TN)、总磷(TP)和氨氮(NH4+-N)按照国家地表水环境质量标准方法(GB 3838—2002)测定，五日生化需氧量(BOD5)用稀释接种法测定，高锰酸钾指数(CODMn)用酸性高锰酸钾法测定.

1.3生物多样性指数的计算

生物多样性指数采用Shannon-Wiener指数和均匀度(Evenness)指数.Shannon-Wiener指数H′采用公式(1)计算

(1)

式中，S为藻类种数，pi为第i种藻类占整个藻类个体数的比例.

均匀度指数J采用公式(2)计算

(2)

式中，H′为Shannon-Wiener指数，S为藻类种数.

1.4数据分析

采用SPSS 17.0软件进行统计分析和处理.采用Canoco 4.5软件对浮游藻类群落结构与环境因子之间的关系进行冗余分析(RDA).在各样点出现的频度大于12.5%且相对密度至少在1个样点大于1%的物种用作分析物种[14-15].除pH之外，物种密度和环境因子数据均进行log(x+1)转换[15-16].

2　结果与分析

2.1白洋淀水体环境因子的变化

白洋淀各采样点的环境因子的变化见表1，除pH外，各月份间环境因子变化较大，可用于生物-环境因子分析.

表1　白洋淀水体环境因子状况Tab.1　Variations of environmental factors of the Baiyangdian Lake

2.2白洋淀浮游植物的数量特征

2.2.1浮游植物群落组成

经4次取样调查，共鉴定出浮游植物8门183种(属).其中，绿藻门69种(属)，占总种数的37.7%；硅藻门38种(属)，占20.8%；蓝藻门33种(属)，占18.0%；裸藻门23种(属)，占12.6%；隐藻门8种，占4.4%；甲藻门5种(属)，占2.7%；金藻门4种，占2.2%；黄藻门最少仅3种，占1.6%.

2.2.2浮游植物密度

调查期间，浮游植物密度的变化为8.68×106～314.32×106/L，9月浮游植物密度最高，11月最低(表2).从空间变化来看，1号、5号和7号采样点的浮游植物月平均密度较高，2号和8号采样点最低，其余各样点间差别较小(图2).从图3可以看出，全年白洋淀水体的浮游植物密度以蓝藻门种类为主(60%～84%)；其次为绿藻门种类，所占比例为12%～22%；硅藻门和隐藻门的种类所占比例在4月和11月较高；黄藻门、金藻门和甲藻门的种类全年所占比例均较低.

表2　白洋淀浮游植物密度时间变化Tab.2　Variation of phytoplankton density in Baiyangdian Lake

图2　白洋淀浮游植物密度的变化Fig.2　Changes of phytoplankton density in Baiyangdian Lake

图3　白洋淀浮游植物密度组成　　Fig.3　Composition of phytoplankton density of Baiyangdian Lake

2.2.3浮游植物群落多样性

2010年白洋淀浮游植物Shannon-Wiener指数变化为2.42～3.43，平均为2.77.其中，2号采样点最高，5号和8号最低.各样点浮游植物均匀度指数的变化与Shannon-Wiener指数变化规律类似(图4).

图4　白洋淀各采样点浮游植物群落多样性指数Fig.4　Biodiversity of phytoplankton community in Baiyangdian Lake

2.3浮游植物群落组成与环境因子之间相关性

根据RDA分析物种选择原则[15-17]，共选取48个物种用作分析物种，编码见表3.

表3　用于RDA分析的白洋淀48个浮游植物物种编码Tab.3　Codes of 48 phytoplankton species of Baiyangdian Lake for RDA

白洋淀全年浮游植物群落与环境因子RDA分析结果如图5所示，前2个主成分的特征值分别为0.148和0.085，物种与环境因子的相关系数都较高，分别为0.928和0.881，说明环境因子对浮游植物群落的动态分布有显著影响.

蓝藻门和裸藻门的物种主要发生在夏、秋2季，而隐藻门和硅藻门的藻类主要发生在春、冬2季. 4、7和9月份，白洋淀浮游植物主要受营养盐和水温的影响；11月份，浮游植物主要受透明度和营养盐的影响.从浮游植物种类组成与环境因子的关系来看，蓝藻门和裸藻门的种类与水温表现出正相关，隐藻门和硅藻门的种类则与水温表现为负相关.绿藻门和蓝藻门种类受水体pH值和总磷浓度的影响较为明显.CODMn对裸藻门和硅藻门藻类种类作用较强.除绿藻门和隐藻门的几种藻类外，水体透明度与浮游植物密度间均表现为负相关，说明了水体透明度和浮游植物紧密的相互关系.

图5　白洋淀浮游植物种类与环境变量的排序

3　讨论

3.1白洋淀浮游植物群落结构以及水质的变化

白洋淀受自然和人为干扰严重，浮游植物群落也发生了巨大变化，1984年白洋淀区域彻底干涸，淀区浮游植物几乎绝迹.重新蓄水后，1991年浮游植物的种类组成和数量达到最高水平，浮游植物群落结构恢复，水质有由中性或微碱性贫营养化水平向碱性富营养化水平转化的趋势[11].同时显示白洋淀属于蓝藻-硅藻型富营养型湖泊[10].沈会涛和刘存歧[12]于2005—2006年应用理化因子的营养状态指数分析对白洋淀的营养状态进行评价,表明白洋淀区域年周期的营养程度处于富营养化水平.而王瑜等[13]在2009年调查发现绿藻门的小球藻属、蓝藻门的不定微囊藻已成为白洋淀浮游植物的优势种，表明了白洋淀水体已成为富营养化水平，并且有向重富营养化过渡的趋势.

本研究结果表明，白洋淀共有浮游植物8门183种(属)，浮游植物种类组成上以绿藻门、硅藻门和蓝藻门为主，尤其是绿藻门种类已占浮游植物总种数的37.7%.白洋淀绿藻门中小球藻、栅藻、十字藻和蹄形藻占优势，这些物种均为水体富营养化的指示物种[18-19]，说明白洋淀水体已呈高度富营养化.

3.2影响白洋淀浮游植物群落结构的主要环境因子

浮游植物的群落演替受水体中环境因子的综合影响，水温和营养盐是影响浮游植物生长的关键因子，而其他因子通过作用于水温和营养盐间接起作用[20-21].通过RDA分析，7月和9月水温较高，喜高温的蓝藻门、裸藻门和绿藻门的一些种类生长繁殖较为旺盛，而4月和11月水温较低，适宜硅藻、隐藻和金藻等门类浮游植物的生长.沈会涛和刘存歧[12]2005年的研究发现，水体的pH和总磷浓度是强烈影响白洋淀浮游植物群落的组成和分布.石晓丹等[22]研究表明，水温、高锰酸钾指数和TN是影响苏州平原网区浅水湖泊浮游植物群落分布的主要环境因子.Habib等[17]认为水温、溶氧量、透明度和高锰酸盐指数是影响Lomond湖浮游植物群落的主要因素.从本次调查分析结果看，水温、透明度和高锰酸钾指数对白洋淀浮游植物群落的分布和动态变化影响最大，而pH值和总磷浓度对绿藻门和蓝藻门种类影响较为明显.因此，控制有机污染物和磷的排放是解决白洋淀水质恶化的主要途径.

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(责任编辑：赵藏赏)

Dynamics of phytoplankton community in Baiyangdian Lake based on the redundancy analysis(RDA)

LIU Cunqi，KONG Xiangling，ZHANG Zhirong，TIAN Zhifu

(College of Life Sciences，Hebei University，Baoding 071002，China)

The composition and temporal-spatial dynamics of phytoplankton community in Baiyangdian Lake were investigated from April to November of 2010，and main environmental factors affecting composition of community were analyzed by Redundancy analysis(RDA).Results showed that 183 species(genera)including 8 phyla of phytoplankton were identified，and the dominant phyla were found to be the Cyanophyta，Chlorophyta and Bacillariophyta.Phytoplankton density ranged from 8.68×106to 314.32×106/L，and the highest density was observed in autumn(September)and the lowest in winter(November).Shannon-Wiener biodiversity index and evenness in Caiputai were highest，but that in Wangjiazhai and Nanliuzhuang were lower.Water temperature，transparency and CODMnhad strong effects on the community of phytoplankton,pH and total phosphorus correlated with species of Cyanophyta and Chlorophyta.To control the enviromental release of organic pollutants and phosphorus is the key approach to reduce the eutrophication risk in Baiyangdian Lake.

Baiyangdian Lake;phytoplankton;environmental factor;Redundancy analysis

10.3969/j.issn.1000-1565.2016.03.010

2015-07-25

水体污染控制与治理科技重大专项(2009ZX07109-008-02)；河北省科学技术研究与发展指导计划(06276905)

刘存歧(1967-)，男，河北昌黎人，河北大学教授,主要从事水域生态学研究.E-mail:liucunqi@sina.com

Q89

A

1000-1565(2016)03-0278-08