松北国家湿地公园浮游植物群落结构特征与水质评价1)

王云瑞 徐甜甜 董文涛 于洪贤

(东北林业大学,哈尔滨,150036)

浮游植物不仅是水生态系统中主要的初级生产者,同样也是水中溶解氧的主要供应者[1-2]。无机营养元素可借助浮游植物转移至更高级的有机生命体,是水生态系统中能量流动和物质循环的关键环节[3]。浮游植物种群结构可对水体污染和营养状态的变化迅速作出响应,使其种类组成和生物现存量出现变化,而浮游植物群落结构同样能反映出水体真实的生态条件和污染状况[4]。利用浮游植物群落结构变化和多样性监测评价水体生态环境是一种重要手段,目前国内外已有大量的相关研究[5-8]。水质评价可以科学反映水质状况,是湿地保护的重要工作之一,对湿地水质定期监测并选择合适的评价方法进行评价能够为制定水环境保护与管理策略提供科学依据[9]。城市湿地公园是城市生态系统的重要组成部分,国内外学者对湿地水环境状况评价主要集中在自然湿地,而湿地公园方面较少[10-13]。本研究选取了哈尔滨市具有代表性的松北国家湿地公园(人工湿地)作为研究地,对其浮游植物群落结构进行了调查,并结合浮游植物的生物多样性和水质理化指标对水体状况进行了初步评价,以了解城市人工湿地公园的水质动态和浮游植物群落结构的演替规律。

1 研究区概况

本次研究区域所选择的松北国家湿地公园(人工湿地,126°27′38″～126°28′37″E,45°51′51″～45°52′29″N)位于黑龙江省哈尔滨市西北部,位于我国东部候鸟迁徙道上,气候属于中温带大陆性季风气候,高温时间短低温时间长,年平均气温在3.2 ℃,年平均降水量为578.8 mm。

2 材料与方法

2.1 采样时间和地点设置

根据湿地公园的整体水域分布,2021年5、7、9月份在松北国家湿地公园内(人工湿地)设置采样点,并在每月中旬选择晴朗天气进行样品采集。松北国家湿地公园共设置了8个采样点(图1)。

图1 松北国家湿地公园采样点分布图

2.2 水文特征及水质理化指标的测定

本次研究选择测定的水体理化指标包括水温、总磷、总氮、溶解氧、酸碱度(pH)和化学需氧量,其中总磷和总氮指标的测定需要将采集的水样带回实验室用钼锑抗法和过硫酸盐氧化法进行测定,其余水体理化指标用水质分析仪Hydrolab HL7现场测定。

2.3 样品的采集与处理

浮游植物定性样品采集选用25号浮游生物网,于水面下呈“∞”字形捞取3～5 min后进行采集[14],浮游植物定量采集时,使用采水器取1 L水样,装入采样瓶中,现场加入13～15 mL的鲁哥试剂进行固定,将样品放置在实验室内静置24～48 h后,用虹吸管吸取上清液浓缩定量至30 mL。鉴定时充分摇匀,定量吸取0.1 mL于浮游植物计数框内,使用显微镜10×40倍下观察、鉴定并计数[15]。

2.4 数据处理

浮游生物采样分布图采用ArcGIS10.7和Photoshop共同绘制。计算各点位的Shannon-Wiener多样性指数(H′)和Pielou均匀度指数(J)[16],对松北国家湿地公园的浮游植物多样性进行分析,计算优势度(Y)[17]描述浮游生物群落优势种。计算公式为:

式中:Pi=ni/N,ni为第i种浮游植物个体数量,N为浮游植物总个体数,S为样品出现浮游植物总种数;ni是第i种丰度,N是该区域内出现的所有种类的总丰度,fi是第i种出现的频率,Y>0.02为优势种[18]。

根据水质判定标准[19]:H′≥4.5为水质清洁,4.5>H′≥3.0为轻度污染,3>H′≥2表示中污染,2>H′≥1表示中污染,H′<1为重污染;J≥0.8为水质清洁,0.8>J≥0.5为轻度污染,0.5>J≥0.3表示中污染,0.3>J≥0.1表示中污染,J<0.1为重污染。

选取Y≥0.025的浮游植物,将物种数据和环境参数(除pH外)经过log10(x+1)转换后在分析以获得正态分布[19-20],对物种数据进行决策曲线分析(DCA)确定合适的排序模型,计算得出S值小于3,则进行冗余分析。

3 结果与分析

3.1 水体理化参数及水质评价

本研究在松北国家湿地公园选取了几种主要的水环境因子进行检测,调查期间松北国家湿地公园水体理化指标结果如表1所示,不同月份水环境因子间差异较显著。从3个月份的pH值可得出湿地公园内水体偏弱碱性,溶解氧和总氮质量浓度表现为5月份较高,7月份较低,呈现出先下降再上升的趋势。根据《地面水环境质量标准》(GB 38382002)总氮大部分样品符合Ⅳ类水质,溶解氧部分样品符合Ⅲ类水质;总磷的质量浓度这0.09～0.14 mg/L,秋季高于其他季节且大部分样品处于Ⅳ类水质;化学需氧量的质量浓度为17.77～22.03 mg/L,呈现出逐渐升高的趋势且绝大多数符合Ⅲ类水质。

表1 松北国家湿地公园水环境因子参数值

3.2 浮游植物组成种类

在松北国家湿地公园水体中,共鉴定出浮游植物8门51属96种(表2)。其中绿藻门浮游植物种类最多,为17属34种,占总种数的34.1%;硅藻门有13属29种,占总种数的31.2%;蓝藻门有10属14种,占总种数的14.5%;裸藻门有4属11种,占总种数的11.4%;甲藻门有2属2种,占总种数的2.1%;隐藻门有2属2种,占总种数的2.1%;金藻门有2属3种,占总种数的3.1%;黄藻门最少仅检到1属1种,占总种数的1.0%。各月份浮游植物种数差异较大(表3),其中5月份最多,为82种;其次为7月份,为76种;9月份最少,为64种。就各门类物种数而言,除9月份以硅藻门物种数最多外,5月份和9月份均以绿藻门占优。

表2 松北国家湿地公园浮游植物种类组成

表3 松北国家湿地公园浮游植物种类组成

3.3 浮游植物优势类群及丰度

松北国家湿地公园3个月份的优势种及优势度见表4,不同月份湿地公园内的浮游植物优势种不同,一共发现优势种14种,主要以硅藻门和绿藻门为主。其中颗粒直链藻(Melosiragranulata)、梅尼小环藻(Cyclotellameneghiniana)和卵形衣藻(Chamydomonasovalis)为共有优势种。7月份优势种最多为8种,且以绿藻门居多;9月份优势种最少为6种,以硅藻门居多。相关研究认为,以绿藻为优势种的水体呈中营养化,硅藻为优势种的水体呈贫营养化,松北国家湿地公园7月份优势种以绿藻为主,因此该湿地公园水体呈中营养化。

表4 松北国家湿地公园浮游植物优势种及优势度

松北国家湿地公园浮游植物年丰度变化于13.21×104～57.23×104个/L,3个月份的平均丰度由大到小呈现为7月份、5月份、9月份。从浮游植物丰度组成分析,绿藻门所占比例最大,平均丰度值为23.5×104个/L。占总丰度的32.14%;其次为硅藻门,平均丰度值为19.62×104个/L,占总丰度的28.93%。

3.4 浮游植物多样性指数

松北国家湿地公园Shannon-Wiener多样性指数(H′)和Pielou均匀度指数(J)如表5所示。湿地公园5、7和9月份的H′分别为2.58～3.62、1.83～3.23和3.05～4.21;J分别为0.67～0.83、0.42～0.63和0.71～1.02。3个月份的H′均值范围2.61～3.63;Pielou均匀度指数J均值范围0.50～0.84。可以得出松北国家湿地公园7月份属于中度污染,5和9月份属于轻度污染状态。

表5 浮游植物群落结构多样性指数

3.5 浮游植物群落优势种与环境因子间的关系

将5、7和9月份所选取的Y≥0.025的浮游植物与6个水环境因子进行冗余分析,结果如图2所示,5月RDA排序图中,6个共解释浮游植物总变量73.26%,排序轴1和排序轴2的特征值分别为0.360和0.265;7月RDA排序图中,6个共解释浮游植物总变量87.25%,排序轴1和排序轴2的特征值分别为0.762和0.706;9月RDA排序中,6个共解释浮游植物总变量78.53%,排序轴1和排序轴2的特征值分别为0.263和0.225。

P1为项圈藻;P2为颗粒直链藻;P3为谷皮菱形藻;P4为梅尼小环藻;P5为镰形纤维藻;P6为尖尾卡克藻;P7为卵形衣藻;P8为卷曲鱼腥藻;P9为水华束丝藻;P10为三角四角藻;P11为四足十字藻;P12为隆顶栅藻;P13为分歧锥囊藻。

浮游植物和环境因子的RDA排序图表明,5月份浮游植物主要集中在第一和第三象限,水温、总磷和溶解氧是影响浮游植物群落结构分布的重要水环境因子;7月份浮游植物主要集中在第三和第四象限,水温和总氮是影响浮游植物群落结构分布的重要水环境因子;9月份浮游植物主要集中在第三象限,水温、总氮和生化需氧量是影响浮游植物群落结构分布的重要水环境因子。

4 讨论

4.1 浮游植物群落组成

相关研究表明,硅藻门和绿藻门通常是我国温带湿地浮游植物群落的主要类群[21-23]。本次调查结果显示松北国家湿地公园浮游植物主要以绿藻、硅藻、蓝藻为主。7月份以蓝绿藻居多,水温和营养盐对浮游植物群落结构的季节变化起着不可忽视的作用,蓝绿藻属于耐高温性藻类,夏季温度较高,有研究表明,当温度高于20 ℃时,蓝藻的生长速度达到最快,且随着温度的升高蓝藻的群落优势更明显[24]。相比其他季节夏季不仅光照时间长且光照强度也较强,这也促进了浮游植物的繁殖和生长[25-26]。而9月份以硅藻居多,一方面由于硅藻对低温有较强的耐受性,另一方面湿地公园内较高的氮含量促进其繁殖、生长[27-28]。浮游植物丰度在7月份达到最高主要是由于浮游植物的诸多代谢过程为酶促反应,细胞内酶的活性受温度影响,水温升高会加速藻类种群的生长增殖[29-30]。

优势种对浮游植物群落结构稳定性具有重要作用,优势种越多优势度越小,群落结构越复杂稳定[31-32]。本研究发现,松北国家湿地公园浮游植物优势种较多且优势度较小,主要以绿藻门、硅藻门为主,优势种梅尼小环藻在调查的所有月份均有出现,而小环藻属于寡污和β-中污染水体的指示物种[33],表明该湿地公园内水体处于中污染状态。

4.2 浮游植物多样性及水质评价

多样性指数从群落内种的数量、各种内个体数的均等性两个方面表示群落结构的复杂程度[34-36]。本研究分析了8个采样点在5、7和9月份的Shannon-Wiener多样性指数和Pielou均匀度指数。松北国家湿地公园浮游植物多样性指数呈现出5、7月份较低,9月份渐高的趋势,这一变化与温度变化趋势相反,主要由于7月光照时间长且光照强度大,使水体温度不断加大,更有利于蓝藻和绿藻的生长,均匀度指数变化较平缓。3个月份的H′均值范围2.61～3.63,J均值范围0.50～0.84。结果表明:松北国家湿地公园浮游植物多样性指数存在较大的时空差异。水质呈现轻污染至中污染状态。

4.3 浮游植物群落结构与环境因子的关系

对浮游植物群落的组成和分布产生一定影响的因素包括浮游动物摄食等生物因素,水温、光照、营养盐浓度等非生物因素以及不同的土地利用类型[37]。依据RDA分析表明、水温、总氮、总磷、化学需氧量和溶解氧是影响松北国家湿地公园浮游植物群落结构的主要水环境因子。水温是影响浮游植物群落结构分布的共同水环境因子,水温可以通过影响浮游植物的生理和代谢过程来直接影响浮游植物。此外,影响浮游植物生长繁殖也离不开氮和磷等营养物质,本次研究显示总磷与大部分藻类呈负相关。在淡水环境中,较低的氮磷质量浓度比显示氮会成为限制藻类生长的限制因子[38-39]。松北国家湿地公园调查期间总氮平均值为1.02 mg/L,总磷平均值为0.11 mg/L,表明湿地公园内总氮质量浓度可以满足藻类生长。

5 结论

松北国家湿地公园浮游植物种类较为丰富共检测出8门51属96种,浮游植物群落组成为绿藻、硅藻、蓝藻型。在松北国家湿地公园2021年5、7和9月份共有优势种为颗粒直链藻(Melosiragranulata)、梅尼小环藻(Cyclotellameneghiniana)和卵形衣藻(Chamydomonasovalis)。湿地公园内浮游植物群落时空变化显著,时间上浮游植物丰度由大到小呈现出5、7、9月份的变化趋势。通过水体理化因子结合物种多样性指数分析可知水质总体呈现出轻度污染至中度污染状态。浮游植物群落对湿地公园内水环境因子时空异质性的动态响应较为明显,通过RDA分析表明、水温、总氮、总磷、生化需氧量和溶解氧是影响松北国家湿地公园浮游植物群落结构的主要水环境因子。