松北國家濕地公園浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征與水質(zhì)評價1)

王云瑞 徐甜甜 董文濤 于洪賢

(東北林業(yè)大學,哈爾濱,150036)

浮游植物不僅是水生態(tài)系統(tǒng)中主要的初級生產(chǎn)者,同樣也是水中溶解氧的主要供應(yīng)者[1-2]。無機營養(yǎng)元素可借助浮游植物轉(zhuǎn)移至更高級的有機生命體,是水生態(tài)系統(tǒng)中能量流動和物質(zhì)循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[3]。浮游植物種群結(jié)構(gòu)可對水體污染和營養(yǎng)狀態(tài)的變化迅速作出響應(yīng),使其種類組成和生物現(xiàn)存量出現(xiàn)變化,而浮游植物群落結(jié)構(gòu)同樣能反映出水體真實的生態(tài)條件和污染狀況[4]。利用浮游植物群落結(jié)構(gòu)變化和多樣性監(jiān)測評價水體生態(tài)環(huán)境是一種重要手段,目前國內(nèi)外已有大量的相關(guān)研究[5-8]。水質(zhì)評價可以科學反映水質(zhì)狀況,是濕地保護的重要工作之一,對濕地水質(zhì)定期監(jiān)測并選擇合適的評價方法進行評價能夠為制定水環(huán)境保護與管理策略提供科學依據(jù)[9]。城市濕地公園是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,國內(nèi)外學者對濕地水環(huán)境狀況評價主要集中在自然濕地,而濕地公園方面較少[10-13]。本研究選取了哈爾濱市具有代表性的松北國家濕地公園(人工濕地)作為研究地,對其浮游植物群落結(jié)構(gòu)進行了調(diào)查,并結(jié)合浮游植物的生物多樣性和水質(zhì)理化指標對水體狀況進行了初步評價,以了解城市人工濕地公園的水質(zhì)動態(tài)和浮游植物群落結(jié)構(gòu)的演替規(guī)律。

1 研究區(qū)概況

本次研究區(qū)域所選擇的松北國家濕地公園(人工濕地,126°27′38″～126°28′37″E,45°51′51″～45°52′29″N)位于黑龍江省哈爾濱市西北部,位于我國東部候鳥遷徙道上,氣候?qū)儆谥袦貛Т箨懶约撅L氣候,高溫時間短低溫時間長,年平均氣溫在3.2 ℃,年平均降水量為578.8 mm。

2 材料與方法

2.1 采樣時間和地點設(shè)置

根據(jù)濕地公園的整體水域分布,2021年5、7、9月份在松北國家濕地公園內(nèi)(人工濕地)設(shè)置采樣點,并在每月中旬選擇晴朗天氣進行樣品采集。松北國家濕地公園共設(shè)置了8個采樣點(圖1)。

圖1 松北國家濕地公園采樣點分布圖

2.2 水文特征及水質(zhì)理化指標的測定

本次研究選擇測定的水體理化指標包括水溫、總磷、總氮、溶解氧、酸堿度(pH)和化學需氧量,其中總磷和總氮指標的測定需要將采集的水樣帶回實驗室用鉬銻抗法和過硫酸鹽氧化法進行測定,其余水體理化指標用水質(zhì)分析儀Hydrolab HL7現(xiàn)場測定。

2.3 樣品的采集與處理

浮游植物定性樣品采集選用25號浮游生物網(wǎng),于水面下呈“∞”字形撈取3～5 min后進行采集[14],浮游植物定量采集時,使用采水器取1 L水樣,裝入采樣瓶中,現(xiàn)場加入13～15 mL的魯哥試劑進行固定,將樣品放置在實驗室內(nèi)靜置24～48 h后,用虹吸管吸取上清液濃縮定量至30 mL。鑒定時充分搖勻,定量吸取0.1 mL于浮游植物計數(shù)框內(nèi),使用顯微鏡10×40倍下觀察、鑒定并計數(shù)[15]。

2.4 數(shù)據(jù)處理

浮游生物采樣分布圖采用ArcGIS10.7和Photoshop共同繪制。計算各點位的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)和Pielou均勻度指數(shù)(J)[16],對松北國家濕地公園的浮游植物多樣性進行分析,計算優(yōu)勢度(Y)[17]描述浮游生物群落優(yōu)勢種。計算公式為:

式中:Pi=ni/N,ni為第i種浮游植物個體數(shù)量,N為浮游植物總個體數(shù),S為樣品出現(xiàn)浮游植物總種數(shù);ni是第i種豐度,N是該區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的所有種類的總豐度,fi是第i種出現(xiàn)的頻率,Y>0.02為優(yōu)勢種[18]。

根據(jù)水質(zhì)判定標準[19]:H′≥4.5為水質(zhì)清潔,4.5>H′≥3.0為輕度污染,3>H′≥2表示中污染,2>H′≥1表示中污染,H′<1為重污染;J≥0.8為水質(zhì)清潔,0.8>J≥0.5為輕度污染,0.5>J≥0.3表示中污染,0.3>J≥0.1表示中污染,J<0.1為重污染。

選取Y≥0.025的浮游植物,將物種數(shù)據(jù)和環(huán)境參數(shù)(除pH外)經(jīng)過log10(x+1)轉(zhuǎn)換后在分析以獲得正態(tài)分布[19-20],對物種數(shù)據(jù)進行決策曲線分析(DCA)確定合適的排序模型,計算得出S值小于3,則進行冗余分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 水體理化參數(shù)及水質(zhì)評價

本研究在松北國家濕地公園選取了幾種主要的水環(huán)境因子進行檢測,調(diào)查期間松北國家濕地公園水體理化指標結(jié)果如表1所示,不同月份水環(huán)境因子間差異較顯著。從3個月份的pH值可得出濕地公園內(nèi)水體偏弱堿性,溶解氧和總氮質(zhì)量濃度表現(xiàn)為5月份較高,7月份較低,呈現(xiàn)出先下降再上升的趨勢。根據(jù)《地面水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 38382002)總氮大部分樣品符合Ⅳ類水質(zhì),溶解氧部分樣品符合Ⅲ類水質(zhì);總磷的質(zhì)量濃度這0.09～0.14 mg/L,秋季高于其他季節(jié)且大部分樣品處于Ⅳ類水質(zhì);化學需氧量的質(zhì)量濃度為17.77～22.03 mg/L,呈現(xiàn)出逐漸升高的趨勢且絕大多數(shù)符合Ⅲ類水質(zhì)。

表1 松北國家濕地公園水環(huán)境因子參數(shù)值

3.2 浮游植物組成種類

在松北國家濕地公園水體中,共鑒定出浮游植物8門51屬96種(表2)。其中綠藻門浮游植物種類最多,為17屬34種,占總種數(shù)的34.1%;硅藻門有13屬29種,占總種數(shù)的31.2%;藍藻門有10屬14種,占總種數(shù)的14.5%;裸藻門有4屬11種,占總種數(shù)的11.4%;甲藻門有2屬2種,占總種數(shù)的2.1%;隱藻門有2屬2種,占總種數(shù)的2.1%;金藻門有2屬3種,占總種數(shù)的3.1%;黃藻門最少僅檢到1屬1種,占總種數(shù)的1.0%。各月份浮游植物種數(shù)差異較大(表3),其中5月份最多,為82種;其次為7月份,為76種;9月份最少,為64種。就各門類物種數(shù)而言,除9月份以硅藻門物種數(shù)最多外,5月份和9月份均以綠藻門占優(yōu)。

表2 松北國家濕地公園浮游植物種類組成

表3 松北國家濕地公園浮游植物種類組成

3.3 浮游植物優(yōu)勢類群及豐度

松北國家濕地公園3個月份的優(yōu)勢種及優(yōu)勢度見表4,不同月份濕地公園內(nèi)的浮游植物優(yōu)勢種不同,一共發(fā)現(xiàn)優(yōu)勢種14種,主要以硅藻門和綠藻門為主。其中顆粒直鏈藻(Melosiragranulata)、梅尼小環(huán)藻(Cyclotellameneghiniana)和卵形衣藻(Chamydomonasovalis)為共有優(yōu)勢種。7月份優(yōu)勢種最多為8種,且以綠藻門居多;9月份優(yōu)勢種最少為6種,以硅藻門居多。相關(guān)研究認為,以綠藻為優(yōu)勢種的水體呈中營養(yǎng)化,硅藻為優(yōu)勢種的水體呈貧營養(yǎng)化,松北國家濕地公園7月份優(yōu)勢種以綠藻為主,因此該濕地公園水體呈中營養(yǎng)化。

表4 松北國家濕地公園浮游植物優(yōu)勢種及優(yōu)勢度

松北國家濕地公園浮游植物年豐度變化于13.21×104～57.23×104個/L,3個月份的平均豐度由大到小呈現(xiàn)為7月份、5月份、9月份。從浮游植物豐度組成分析,綠藻門所占比例最大,平均豐度值為23.5×104個/L。占總豐度的32.14%;其次為硅藻門,平均豐度值為19.62×104個/L,占總豐度的28.93%。

3.4 浮游植物多樣性指數(shù)

松北國家濕地公園Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)和Pielou均勻度指數(shù)(J)如表5所示。濕地公園5、7和9月份的H′分別為2.58～3.62、1.83～3.23和3.05～4.21;J分別為0.67～0.83、0.42～0.63和0.71～1.02。3個月份的H′均值范圍2.61～3.63;Pielou均勻度指數(shù)J均值范圍0.50～0.84?？梢缘贸鏊杀眹覞竦毓珗@7月份屬于中度污染,5和9月份屬于輕度污染狀態(tài)。

表5 浮游植物群落結(jié)構(gòu)多樣性指數(shù)

3.5 浮游植物群落優(yōu)勢種與環(huán)境因子間的關(guān)系

將5、7和9月份所選取的Y≥0.025的浮游植物與6個水環(huán)境因子進行冗余分析,結(jié)果如圖2所示,5月RDA排序圖中,6個共解釋浮游植物總變量73.26%,排序軸1和排序軸2的特征值分別為0.360和0.265;7月RDA排序圖中,6個共解釋浮游植物總變量87.25%,排序軸1和排序軸2的特征值分別為0.762和0.706;9月RDA排序中,6個共解釋浮游植物總變量78.53%,排序軸1和排序軸2的特征值分別為0.263和0.225。

P1為項圈藻;P2為顆粒直鏈藻;P3為谷皮菱形藻;P4為梅尼小環(huán)藻;P5為鐮形纖維藻;P6為尖尾卡克藻;P7為卵形衣藻;P8為卷曲魚腥藻;P9為水華束絲藻;P10為三角四角藻;P11為四足十字藻;P12為隆頂柵藻;P13為分歧錐囊藻。

浮游植物和環(huán)境因子的RDA排序圖表明,5月份浮游植物主要集中在第一和第三象限,水溫、總磷和溶解氧是影響浮游植物群落結(jié)構(gòu)分布的重要水環(huán)境因子;7月份浮游植物主要集中在第三和第四象限,水溫和總氮是影響浮游植物群落結(jié)構(gòu)分布的重要水環(huán)境因子;9月份浮游植物主要集中在第三象限,水溫、總氮和生化需氧量是影響浮游植物群落結(jié)構(gòu)分布的重要水環(huán)境因子。

4 討論

4.1 浮游植物群落組成

相關(guān)研究表明,硅藻門和綠藻門通常是我國溫帶濕地浮游植物群落的主要類群[21-23]。本次調(diào)查結(jié)果顯示松北國家濕地公園浮游植物主要以綠藻、硅藻、藍藻為主。7月份以藍綠藻居多,水溫和營養(yǎng)鹽對浮游植物群落結(jié)構(gòu)的季節(jié)變化起著不可忽視的作用,藍綠藻屬于耐高溫性藻類,夏季溫度較高,有研究表明,當溫度高于20 ℃時,藍藻的生長速度達到最快,且隨著溫度的升高藍藻的群落優(yōu)勢更明顯[24]。相比其他季節(jié)夏季不僅光照時間長且光照強度也較強,這也促進了浮游植物的繁殖和生長[25-26]。而9月份以硅藻居多,一方面由于硅藻對低溫有較強的耐受性,另一方面濕地公園內(nèi)較高的氮含量促進其繁殖、生長[27-28]。浮游植物豐度在7月份達到最高主要是由于浮游植物的諸多代謝過程為酶促反應(yīng),細胞內(nèi)酶的活性受溫度影響,水溫升高會加速藻類種群的生長增殖[29-30]。

優(yōu)勢種對浮游植物群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性具有重要作用,優(yōu)勢種越多優(yōu)勢度越小,群落結(jié)構(gòu)越復雜穩(wěn)定[31-32]。本研究發(fā)現(xiàn),松北國家濕地公園浮游植物優(yōu)勢種較多且優(yōu)勢度較小,主要以綠藻門、硅藻門為主,優(yōu)勢種梅尼小環(huán)藻在調(diào)查的所有月份均有出現(xiàn),而小環(huán)藻屬于寡污和β-中污染水體的指示物種[33],表明該濕地公園內(nèi)水體處于中污染狀態(tài)。

4.2 浮游植物多樣性及水質(zhì)評價

多樣性指數(shù)從群落內(nèi)種的數(shù)量、各種內(nèi)個體數(shù)的均等性兩個方面表示群落結(jié)構(gòu)的復雜程度[34-36]。本研究分析了8個采樣點在5、7和9月份的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)。松北國家濕地公園浮游植物多樣性指數(shù)呈現(xiàn)出5、7月份較低,9月份漸高的趨勢,這一變化與溫度變化趨勢相反,主要由于7月光照時間長且光照強度大,使水體溫度不斷加大,更有利于藍藻和綠藻的生長,均勻度指數(shù)變化較平緩。3個月份的H′均值范圍2.61～3.63,J均值范圍0.50～0.84。結(jié)果表明:松北國家濕地公園浮游植物多樣性指數(shù)存在較大的時空差異。水質(zhì)呈現(xiàn)輕污染至中污染狀態(tài)。

4.3 浮游植物群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子的關(guān)系

對浮游植物群落的組成和分布產(chǎn)生一定影響的因素包括浮游動物攝食等生物因素,水溫、光照、營養(yǎng)鹽濃度等非生物因素以及不同的土地利用類型[37]。依據(jù)RDA分析表明、水溫、總氮、總磷、化學需氧量和溶解氧是影響松北國家濕地公園浮游植物群落結(jié)構(gòu)的主要水環(huán)境因子。水溫是影響浮游植物群落結(jié)構(gòu)分布的共同水環(huán)境因子,水溫可以通過影響浮游植物的生理和代謝過程來直接影響浮游植物。此外,影響浮游植物生長繁殖也離不開氮和磷等營養(yǎng)物質(zhì),本次研究顯示總磷與大部分藻類呈負相關(guān)。在淡水環(huán)境中,較低的氮磷質(zhì)量濃度比顯示氮會成為限制藻類生長的限制因子[38-39]。松北國家濕地公園調(diào)查期間總氮平均值為1.02 mg/L,總磷平均值為0.11 mg/L,表明濕地公園內(nèi)總氮質(zhì)量濃度可以滿足藻類生長。

5 結(jié)論

松北國家濕地公園浮游植物種類較為豐富共檢測出8門51屬96種,浮游植物群落組成為綠藻、硅藻、藍藻型。在松北國家濕地公園2021年5、7和9月份共有優(yōu)勢種為顆粒直鏈藻(Melosiragranulata)、梅尼小環(huán)藻(Cyclotellameneghiniana)和卵形衣藻(Chamydomonasovalis)。濕地公園內(nèi)浮游植物群落時空變化顯著,時間上浮游植物豐度由大到小呈現(xiàn)出5、7、9月份的變化趨勢。通過水體理化因子結(jié)合物種多樣性指數(shù)分析可知水質(zhì)總體呈現(xiàn)出輕度污染至中度污染狀態(tài)。浮游植物群落對濕地公園內(nèi)水環(huán)境因子時空異質(zhì)性的動態(tài)響應(yīng)較為明顯,通過RDA分析表明、水溫、總氮、總磷、生化需氧量和溶解氧是影響松北國家濕地公園浮游植物群落結(jié)構(gòu)的主要水環(huán)境因子。