白洋淀濕地浮游植物多樣性分析及水質(zhì)評價

陳佳林，孔凡青，余海軍，黃艷鳳，師文惠，黃 鑫，李 兵，王 茜

（1.生態(tài)環(huán)境部海河流域北海海域生態(tài)環(huán)境監(jiān)督管理局生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與科學(xué)研究中心，天津 300170；2.天津農(nóng)學(xué)院水產(chǎn)學(xué)院/天津市水生生態(tài)及養(yǎng)殖重點實驗室，天津 300384）

白洋淀濕地位于河北省保定市安新縣，是華北地區(qū)最大的內(nèi)陸淡水湖泊［1］，從北、西、南三面接納上游唐河、府河等9 條河流［2］，主要由白洋淀正淀、馬棚淀、燒車淀等大小不等的143 個淀泊和3 700 多條溝壕組成［3］。2002 年11 月，白洋淀成為省級濕地自然保護區(qū)。由于白洋淀上游陸續(xù)修建了6 座大中型水庫，入淀水量逐漸減少，1960 年代到1990 年代期間多次干淀［4］。2017 年隨引黃入冀建成通水，改善了白洋淀的生態(tài)環(huán)境，對保持濕地生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)具有重要意義。白洋淀主要存在水源保障不足、水體污染嚴重、濕地功能退化等問題［5，6］。為控制淀內(nèi)和淀邊居民生活對白洋淀的污染，政府采取了一系列防治措施，也收到了一定的效果。

浮游植物是水域生態(tài)系統(tǒng)中最重要的初級生產(chǎn)者，是水中溶解氧的主要供應(yīng)者，是水域生態(tài)系統(tǒng)中食物網(wǎng)的啟動者，在水域生態(tài)系統(tǒng)的能量流動、物質(zhì)循環(huán)和信息傳遞中起著至關(guān)重要的作用［7，8］。浮游植物的個體、種群及群落對周圍環(huán)境的變化十分敏感，浮游植物的種類分布、數(shù)量特征及優(yōu)勢種的生態(tài)耐性，也反映出水環(huán)境的污染程度［9-11］。浮游植物的種類以及種群分布、數(shù)量等特征可用以監(jiān)測水質(zhì)。

1 材料與方法

1.1 采樣時間與地點

根據(jù)濕地功能區(qū)域的不同以及周圍居民的聚集情況，在白洋淀濕地共布設(shè)5 個采樣點位。采樣位點的分布見圖1。

圖1 白洋淀濕地浮游植物監(jiān)測樣點分布

1.2 樣品采集與處理

用采水器采集1 L 水樣于樣品瓶中，加入15 mL 0.5% 的魯哥氏試劑現(xiàn)場固定，貼上標簽，標明地點、日期、采樣點號，充分靜置24 h 后濃縮至50 mL，在在10×40 倍顯微鏡下進行浮游植物種類鑒定和計數(shù)［12］。計數(shù)結(jié)果換算為原來所采的水樣中浮游植物數(shù)量時，用下式計算。

式中：N為浮游植物數(shù)量，計量單位為cell/mL；A為計數(shù)框面積，計量單位為mm2；Ac 為計數(shù)面積，計量單位為mm2；Vs為1 L 水樣沉淀濃縮后的體積，計量單位為mL；Va為計數(shù)框的容量，計量單位為mL；n為計數(shù)所得的浮游植物數(shù)目，計量單位為cell。

1.3 數(shù)據(jù)分析

1.3.1 浮游植物群落結(jié)構(gòu) 應(yīng)用Microsoft Office Excel 2007 軟件對白洋淀5 個采樣點不同月份浮游植物的鑒定結(jié)果進行統(tǒng)計，并根據(jù)各采樣點浮游植物的種類組成、不同月份浮游植物種類組成變化及浮游植物生物量變化等結(jié)果繪制相應(yīng)的圖表。

1.3.2 生物多樣性分析

1）應(yīng)用統(tǒng)計軟件Primer 對5 個采樣點浮游植物的鑒定結(jié)果進行生物多樣性分析。采用Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)（H′）、Pielou 均勻度指數(shù)（J）和Margalef 豐富度指數(shù)（D）來描述浮游植物群落結(jié)構(gòu)和多樣性特征。

Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)：

式中：S為浮游植物種類的總數(shù)目；Pi為第i種個體數(shù)占總個體數(shù)的比例；N為所有個體的總數(shù)［13］。

2）生物多樣性指數(shù)評價標準。生物多樣性指數(shù)對水質(zhì)評價標準［14］見表1。

表1 生物多樣性指數(shù)評價標準

1.3.3 聚類和MDS 分析 應(yīng)用統(tǒng)計軟件Primer 對白洋淀濕地5 個采樣點不同月份浮游植物的鑒定統(tǒng)計結(jié)果進行聚類分析和MDS 分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 浮游植物的種類組成

白洋淀濕地6 次采樣共發(fā)現(xiàn)浮游植物7 門74種，各門占比如圖2 所示。

圖2 白洋淀濕地浮游植物各門占比

白洋淀濕地共鑒定出硅藻門27 種，占總數(shù)的37%；綠藻門26 種，占總數(shù)的35%；藍藻門8 種，占總數(shù)的11%；裸藻門4 種，占總數(shù)的5%；甲藻門4 種，占總數(shù)的5%；隱藻門3 種，占總數(shù)的4 %；金藻門2 種，占總數(shù)的3%。從種類數(shù)目上看，硅藻占優(yōu)勢，其次是綠藻、藍藻、裸藻、甲藻和隱藻，金藻種類少。

鑒定出白洋淀濕地存在的浮游植物見表2。

表2 白洋淀濕地鑒定出的浮游植物

續(xù)表

2.2 浮游植物種類組成的變化情況

白洋淀濕地2018 年不同月份浮游植物種類變化見圖3。

圖3 白洋淀濕地浮游植物各門物種數(shù)所占比

1 月鑒定出浮游植物30 種，其中種類最多的為硅藻，共16 種，占1 月總數(shù)的53.33%；3 月鑒定出24種，綠藻種類最多，共9 種，占3 月總數(shù)的37.50%；5月鑒定出30 種，綠藻種類最多，共14 種，占5 月總數(shù)的46.67%；7 月鑒定出27 種，綠藻種類最多，共12種，占7 月總數(shù)的44.44%；9 月鑒定出31 種，綠藻種類最多，共13 種，占9 月總數(shù)的41.94%；11 月鑒定出23種，硅藻種類最多，共9種，占11月總數(shù)的39.13%。從門類上看，白洋淀濕地硅藻和綠藻占優(yōu)勢，藍藻和裸藻次之，隱藻、甲藻和金藻種類較少。

2.3 浮游植物豐度的變化情況

白洋淀濕地2018 年不同月份浮游植物豐度的變化見圖4。

圖4 白洋淀濕地各月浮游植物豐度

從圖4 可以看出，7 月泥李莊的浮游植物豐度最高，為1.01×108ind/L；1 月圈頭的豐度最低，為8.60×105ind/L。從采樣點來看，泥李莊的浮游植物豐度最高，為2.86×108ind/L；王家寨最低，為2.04×108ind/L。從浮游植物門類來看，藍藻的豐度最高，為9.54×108ind/L，甲藻最低，為8.41×105ind/L。

白洋淀濕地2018 年5 個采樣點各月浮游植物的平均密度均大于1×106ind/L，據(jù)湖泊富營養(yǎng)化評價標準［15］可知，整體屬于富營養(yǎng)水平。

2.4 生物多樣性分析

白洋淀濕地2018年不同月份浮游植物Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)、Pielou 均勻度指數(shù)和Margalef 豐富度指數(shù)的結(jié)果見圖5。

圖5 白洋淀濕地2018 年各月浮游植物多樣性指數(shù)

從圖5可以看出，白洋淀濕地2018 年各月Shan?non-Wiener 多樣性指數(shù)的范圍在1.18~2.81，平均值為1.98，1 月數(shù)值最大，11 月最小；Pielou 均勻度指數(shù)的范圍在0.26~0.57，平均0.41，同Shannon-Wiener多樣性指數(shù)基本一致：1 月數(shù)值最大，11 月最小；Margalef豐富度指數(shù)的范圍在2.79~5.50，平均3.91。

白洋淀濕地2018 年各月浮游植物多樣性指數(shù)評價如表3 所示。

表3 白洋淀濕地2018 年各月浮游植物多樣性指數(shù)評價

根據(jù)生物多樣性指數(shù)評價標準，Shannon-Wiener多樣性指數(shù)的評價結(jié)果為，白洋淀濕地2018 年水質(zhì)1、3、5、7 月為輕度污染，9、11 月為中度污染；Pielou均勻度指數(shù)的評價結(jié)果為，1 月水質(zhì)為輕度污染，3、5、7 月為中度污染，9、11 月為重度污染；Margalef 豐富度指數(shù)的評價結(jié)果為，除11 月水質(zhì)為輕度污染外，其余各月均為清潔。

2.5 聚類及MDS 分析

白洋淀2018 年各監(jiān)測斷面的聚類分析見圖6，MDS 分析見圖7。

圖6 白洋淀浮游植物群落結(jié)構(gòu)聚類分析

圖7 白洋淀浮游植物群落結(jié)構(gòu)MDS 分析

從圖6 可見，聚類分析顯示白洋淀水體中浮游植物群落結(jié)構(gòu)的相似程度較高。從圖7 可見，MDS分析將白洋淀5 個監(jiān)測斷面分為2 個類群：端村自成一類，其余4 個樣點（王家寨、泥李莊、光淀張莊和圈頭）為一類。

3 討論

白洋淀濕地2018 年共鑒定出浮游植物7 門74種，從種類數(shù)目上看，硅藻最多，為27 種，其次是綠藻26 種、藍藻8 種、裸藻4 種、甲藻4 種和隱藻3 種，金藻種類最少，為2 種。楊薇等［16］對近60 年來白洋淀濕地的浮游植物群落演變趨勢進行了分析，研究發(fā)現(xiàn)，1958—2018 年白洋淀浮游植物群落物種結(jié)構(gòu)組成發(fā)生較大變化，其中硅藻門物種數(shù)由1958 年33種縮至2011 年12 種，后又恢復(fù)至2018 年22 種；其豐度在2011 年降至最低，但在2018 年有明顯提高，藍藻門和綠藻門則表現(xiàn)出相反的趨勢。調(diào)查的結(jié)果與其較為一致，在一定程度上體現(xiàn)了雄安新區(qū)建設(shè)以來，上游補水力度增大和污染源控制等多重生態(tài)修復(fù)措施成效顯著。白洋淀濕地在水溫較低時（1月和11 月）以硅藻門浮游植物占主導(dǎo)（39.13%~57.89%），在溫度較高時（3、5、7 和9 月）以綠藻門（37.50%~46.67%）浮游植物最多，基本呈現(xiàn)冬季硅藻型，春、夏和秋季呈綠藻型季節(jié)分布。一般認為，硅藻型的浮游植物群落是水質(zhì)污染輕水體的典型特征，而綠藻型則意味著水質(zhì)富營養(yǎng)化程度較高［17］，據(jù)此可以判斷，白洋淀濕地冬季的水質(zhì)較好，而夏、秋季水體的富營養(yǎng)化程度較高。

從表3 的水質(zhì)評價結(jié)果可以看出，Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)和Pielou 均勻度指數(shù)的水質(zhì)評價結(jié)果較為一致；而Margalef 豐富度指數(shù)與前兩者差距較大。王珊等［18］對東江干流浮游植物多樣性分析研究發(fā)現(xiàn)，各采樣點Shannon-Weiner 指數(shù)在2 上下浮動，而Margalef 指數(shù)在3 上下浮動。通過生物多樣性指數(shù)評價標準評價，Shannon-Weiner 指數(shù)顯示東江干流水體水質(zhì)介于中度污染和輕度污染之間，物種豐富度較低，個體分布比較均勻；而Margalef 指數(shù)顯示東江干流水體的水質(zhì)介于輕度污染和清潔之間，物種種類豐富，個體分布均勻。楊敏等［19］利用生物多樣性指數(shù)對嘉陵江浮游植物調(diào)查發(fā)現(xiàn)，Shannon-Wiener 指數(shù)的變化范圍為2.06~3.50，而Margalef 指數(shù)的變化范圍為0.86~1.90。通過生物多樣性指數(shù)評價標準評價，Shannon-Weiner 指數(shù)顯示嘉陵江水體水質(zhì)介于輕度污染和清潔之間，物種種類豐富，個體分布均勻；而Margalef 指數(shù)顯示嘉陵江水體的水質(zhì)介于重度污染和中度污染之間，物種豐富度低，個體分布不均勻。劉存等［20］運用生物多樣性指數(shù)評價衡水湖浮游植物，Shannon-Wiener 指數(shù)處于1.22~3.36，而Margalef指數(shù)的范圍為0.85~1.85。Shannon-Weiner 指數(shù)顯示衡水湖水質(zhì)介于中度污染到清潔之間，物種豐富度較高，個體分布比較均勻；而Margalef指數(shù)顯示衡水湖水體水質(zhì)介于重度污染和中度污染之間，物種豐富度低，個體分布不均勻。Shannon-Weiner 多樣性指數(shù)，包含著種數(shù)和各種間個體分配均勻性兩個成分，各種之間，個體分配越均勻，H′就越大。如果每一個體都屬于不同的種，多樣性指數(shù)就大；如果每一個體都屬于同一種，則其多樣性指數(shù)就小。而Margalef 豐富度指數(shù)僅考慮群落的物種數(shù)量和總體密度，忽略個體數(shù)在各種種間分配狀況［20］。調(diào)查中，發(fā)現(xiàn)各采樣點中浮游植物種數(shù)雖多，但個體密度分布不均，Shannon-Weiner 指數(shù)較Margalef指數(shù)小。

浮游植物是水體生態(tài)系統(tǒng)重要的組成成分，通過對浮游植物的多樣性分析，能客觀地反映水環(huán)境狀況［21，22］。通過本次調(diào)查研究和對各濕地的多樣性分析，結(jié)果顯示2018 年白洋淀濕地Shannon-Wiener指數(shù)平均為1.98，Pielou 指數(shù)平均為0.41，Margalef 指數(shù)平均為3.91。沈會濤等［23］2008 年調(diào)查白洋淀浮游植物的多樣性時發(fā)現(xiàn)，Shannon-Wiener 指數(shù)范圍在3.43~4.33，Pielou 指數(shù)范圍在0.62~0.81，Margalef指數(shù)范圍在2.89~9.56，表明該濕地浮游植物種類豐富，水體水質(zhì)清潔；通過前人的研究可以看出，白洋淀濕地浮游植物的多樣性降低，水質(zhì)狀況惡化。這與當?shù)亟?jīng)濟的高速發(fā)展有著密切的關(guān)系，大量生活、工業(yè)污水以及污染物的排入，導(dǎo)致水體水質(zhì)惡化，進而致使生物種類和數(shù)量減少。同時，各地旅游業(yè)的大力發(fā)展也是導(dǎo)致水體水質(zhì)惡化的主要原因之一。

白洋淀濕地的5 個監(jiān)測斷面中，端村自成一類，而其余4 個采樣點泥李莊、圈頭、光淀張莊和王家寨為一類。端村位于白洋淀西堤，位于淀區(qū)內(nèi)的開放水面，不受府河污水排放的影響，上游河水經(jīng)端村匯入白洋淀，水體水質(zhì)較為良好，為浮游植物的生長繁殖提供了適宜的生活環(huán)境；泥李莊、圈頭、光淀張莊和王家寨位于白洋淀中部，是白洋淀地區(qū)人口較為密集的村莊，旅游業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達，人為干擾強度較大，生活污染多，水體水質(zhì)污染嚴重，影響了該地區(qū)內(nèi)浮游植物的群落結(jié)構(gòu)和種類數(shù)量。李曉春等［2］通過浮游植物的平均密度評價白洋淀濕地水質(zhì)，泥李莊等樣點水體的營養(yǎng)程度均比端村的高；劉存歧等［24］在對白洋淀浮游植物的生物多樣性分析時發(fā)現(xiàn)，泥李莊等樣點多樣性指數(shù)的數(shù)值均比端村的小。