吉林省興隆水庫浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征及其與環(huán)境因子的關(guān)系

金香琴，胡國宏

(吉林省水產(chǎn)科學(xué)研究院，吉林 長春 130033)

浮游植物是水生生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)代謝和能量循環(huán)的初級(jí)生產(chǎn)者，具有體積小、代謝快、數(shù)量多、分布廣、對(duì)環(huán)境敏感等特點(diǎn).浮游植物是浮游動(dòng)物和一些魚蝦類的天然攝食來源，是食物鏈中的重要環(huán)節(jié)[1]，其群落結(jié)構(gòu)對(duì)穩(wěn)定水生態(tài)系統(tǒng)平衡具有重要作用.浮游植物的生長受環(huán)境因子的影響較大，與水溫、溶解氧、pH、電導(dǎo)率、氮磷營養(yǎng)鹽、硅酸鹽具有明顯的相關(guān)關(guān)系，特別是氮磷營養(yǎng)鹽[2-7].有研究表明，在有機(jī)物充足的條件下，氮磷營養(yǎng)鹽的結(jié)構(gòu)(N/P)直接影響浮游植物生長的限制因子[8].水體中的氮、磷含量直接決定浮游植物的增值速率，反映水體富營養(yǎng)化進(jìn)程.也有研究發(fā)現(xiàn)，比起總氮、總磷含量大小，氮磷營養(yǎng)鹽的不同存在形態(tài)對(duì)水華藻類的生長起著關(guān)鍵作用[9].由于水生態(tài)系統(tǒng)的差異性和復(fù)雜性，環(huán)境因子對(duì)浮游植物生長的影響還存在較大的爭議，因此有必要對(duì)不同地區(qū)湖泊類型環(huán)境因子進(jìn)行深入的研究.

興隆水庫位于吉林省通榆縣城西北45 km處，是坐落在松花江流域霍林河北股河道上的一個(gè)平原中型水庫，是吉林西部鹽堿地區(qū)比較典型的湖泊類型.興隆水庫校核洪水位162.35 m，正常需水量為3 100萬m3，以防洪、生態(tài)養(yǎng)殖為主.興隆水庫是吉林省河湖連通工程中連接向海自然保護(hù)區(qū)和霍林河的重要節(jié)點(diǎn).自工程實(shí)施以來，原本干涸的興隆水庫得以補(bǔ)水，水庫濕地面積逐漸增加，生物多樣性也逐漸提高，生態(tài)環(huán)境逐漸恢復(fù).目前對(duì)興隆水庫水質(zhì)狀況以及浮游植物多樣性方面的研究基本空白，對(duì)漁業(yè)綜合利用方面不能提供有效數(shù)據(jù).為此，筆者于2016年春、夏、秋季對(duì)興隆水庫的浮游植物種類組成、優(yōu)勢種、現(xiàn)存量以及生物多樣性進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查，同時(shí)進(jìn)行了水環(huán)境因子的檢測，探究了浮游植物與環(huán)境因子的關(guān)系，以為水環(huán)境保護(hù)和河湖連通工程生態(tài)修復(fù)效果提供有效的基礎(chǔ)資料.

1 材料與方法

1.1 采樣點(diǎn)設(shè)置

圖1 興隆水庫采樣點(diǎn)分布

2016年5月(春季)、7月(夏季)和9月(秋季)，分別對(duì)興隆水庫進(jìn)行了3次采樣，根據(jù)庫區(qū)狀況設(shè)置了5個(gè)采樣點(diǎn)，分別記為1#—5#，見圖1.

1.2 樣品的采集與處理

用多參數(shù)水質(zhì)分析儀(SEBA MPS16，德國)現(xiàn)場原位測定水溫(Tem)、pH、電導(dǎo)率(Cond)、總?cè)芙夤腆w(TDS)、溶解氧(DO)、氧化還原電位(ORP)、濁度(Turb)、總懸浮物(TSS).透明度(SD)用塞氏盤現(xiàn)場測定.5日生化需氧量(BOD5)、總氮(TN)、總磷(TP)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、銨氮(NH4-N)、亞硝酸鹽氮(NO2-N)的測定參考《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第四版)[10].

浮游植物分為定性樣品和定量樣品的采集.定性樣品采用網(wǎng)撈法，即用25號(hào)浮游生物網(wǎng)在水下0.5～1.0 m處呈“∞”字形拖曳3～5 min，撈取的樣品加甲醛溶液固定.定量樣品利用采水器采取1 L水樣，用15 mL魯格氏液固定后沉淀48 h濃縮至30 mL，利用目視法鑒定并計(jì)數(shù).樣品鑒定參考相關(guān)文獻(xiàn)[11-13]進(jìn)行.

1.3 優(yōu)勢度及多樣性指數(shù)的計(jì)算

(1) 優(yōu)勢度(Y).計(jì)算公式為

Y=Pi×fi.

式中：Pi為第i種浮游植物的個(gè)體數(shù)占總個(gè)體數(shù)的比例；fi為第i種浮游植物出現(xiàn)的頻率.當(dāng)Y≥ 0.02時(shí)為優(yōu)勢種.

(2) 多樣性指數(shù).選擇Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)、Simpson豐富度指數(shù)(D)、均勻度指數(shù)(J)三種，計(jì)算公式為

式中：S為浮游植物的種類數(shù)；Pi為第i種浮游植物的個(gè)體數(shù)占總個(gè)體數(shù)的比例.

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

運(yùn)用Microsoft Excel 2007軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，并用SPSS 22.0軟件進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA)和Pearson相關(guān)性分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 水質(zhì)理化指標(biāo)

興隆水庫水質(zhì)調(diào)查結(jié)果見表1.由表1可見，興隆水庫水溫具有明顯的季節(jié)性變化，7月份平均水溫達(dá)到26.46℃；電導(dǎo)率在不同月份依次發(fā)生變化，9月>7月>5月，變化范圍不大，但電導(dǎo)率整體偏高；總?cè)芙夤腆w(TDS)質(zhì)量濃度變化范圍為0.376～0.431 mg/L，9月>7月>5月，與電導(dǎo)率變化趨勢相同；氧化還原電位(OPR)變化范圍為176.2～303.0 mV；整個(gè)水域pH值較高，偏堿性，平均值為9.65，5月份顯著高于9月份；整個(gè)水域透明度較高，均超過50 cm；溶解氧變化在5.131～8.898 mg/L.興隆水庫BOD5變化范圍為1.19～3.06 mg/L，9月>7月>5月.CODMn變化范圍為27.24～44.44 mg/L，5月份平均為30.73 mg/L，7月份平均為40.80 mg/L，9月份為40.68 mg/L，7月和9月明顯高于5月份.5—9月總氮質(zhì)量濃度變化范圍為0.887～2.230 mg/L，7月份總氮質(zhì)量濃度要高于5月和9月，7月份平均為2.05 mg/L，9月份平均為1.606 mg/L，5月份平均為0.987 mg/L.5—9月氨氮質(zhì)量濃度的變化范圍為0.348～0.77 mg/L，9月>7月>5月，9月份氨氮平均質(zhì)量濃度為0.676 mg/L，7月份為0.528 mg/L，5月份為0.446 mg/L，各采樣點(diǎn)之間無明顯差異.興隆水庫5—9月亞硝酸鹽氮質(zhì)量濃度變化范圍為0.027～0.089 mg/L，9月>7月>5月，9月份亞硝酸鹽氮平均質(zhì)量濃度為0.082 mg/L，7月份平均為0.062 mg/L，5月份平均為0.035 mg/L，各采樣點(diǎn)之間無明顯差異.5—9月總磷質(zhì)量濃度變化范圍為0.084～0.168 mg/L，7月>9月>5月，7月份總磷平均質(zhì)量濃度為0.148 mg/L，9月份平均為0.135 mg/L，5月份平均為0.116 mg/L，7月和9月份明顯高于5月份.

2.2 浮游植物群落結(jié)構(gòu)

2.2.1 浮游植物種類組成及優(yōu)勢種

調(diào)查期間共采集到浮游植物171種，隸屬于6門86屬，其中：硅藻門22屬42種，甲藻門4屬6種，裸藻門6屬18種，綠藻門41屬83種，隱藻門1屬2種.研究調(diào)查得出的優(yōu)勢種共8種，綠藻門3種，藍(lán)藻門5種.優(yōu)勢種在不同季節(jié)表現(xiàn)出不同的優(yōu)勢度：5月份優(yōu)勢種主要為綠藻門，而7月份優(yōu)勢種全部都是藍(lán)藻門，9月份綠藻門和藍(lán)藻門各占一半(見圖2、表2).

圖2 興隆水庫浮游植物種類組成

門 類種 類5月7月9月綠藻門小空星藻Coelastrum microporum0.020狹形纖維藻Ankistrodesmus angustus0.0230.059小球藻Chlorella vulgaris0.0280.556藍(lán)藻門狹小顫藻Oscillatoria angustissima0.0250.336簡單顫藻Oscillatoria simplicissima0.025點(diǎn)型平裂藻Merismopedia punctata0.057微小平裂藻Merismopedia tenuissima0.048柔細(xì)束絲藻Aphanizomenon gracile0.1330.150

2.2.2 浮游植物密度及生物量

興隆水庫各采樣點(diǎn)5月份浮游植物細(xì)胞密度為6.28×106～13.82×106個(gè)/L，平均值為9.83×106個(gè)/L；7月份浮游植物細(xì)胞密度為35.68×106～152.93×106個(gè)/L，平均值為78.73×106個(gè)/L；9月份浮游植物細(xì)胞密度為84.89×106～153.98×106個(gè)/L，平均值為119.51×106個(gè)/L.不同月份各浮游植物類群對(duì)細(xì)胞密度的貢獻(xiàn)率不同(見圖3)，5月份綠藻門密度占總密度的85.29%，藍(lán)藻門占8.20%；7月份藍(lán)藻門占74.07%，綠藻門占22.58%；9月份藍(lán)藻門占67.46%，綠藻門占29.88%.不同月份浮游植物密度存在差異，單因素方差分析表明，5月份與7月份差異顯著(P<0.05)，5月份與9月份差異為極顯著(P<0.01).

興隆水庫各采樣點(diǎn)5月份浮游植物生物量為1.208～3.520 mg/L，平均值為2.495 mg/L；7月份浮游植物生物量為5.281～25.894 mg/L，平均值為10.002 mg/L；9月份浮游植物生物量為5.925～13.432 mg/L，平均值為8.659 mg/L.不同月份各浮游植物類群對(duì)生物量的貢獻(xiàn)率不同(見圖3)，5月份綠藻門生物量占總生物量的61.81%，硅藻門占35.43%；7月份裸藻門占54.07%，綠藻門占15.70%，藍(lán)藻門占13.34%；9月份綠藻門生物量占總生物量的33.79%，裸藻門占27.51%，藍(lán)藻門占25.80%.不同月份浮游植物生物量之間不存在顯著性差異.

圖3 浮游植物各類群的貢獻(xiàn)率

2.2.3 多樣性指數(shù)

興隆水庫浮游植物物種多樣性指數(shù)結(jié)果見表3.Simpson物種豐富度指數(shù)依次為5月(0.912)>7月(0.836)>9月(0.576)；Shannon-Wiener多樣性指數(shù)依次為7月(3.834)>5月(3.794)>9月(3.536)；Pielou均勻度指數(shù)依次為5月(0.746)>9月(0.675)>9月(0.654).

表3 浮游植物物種多樣性指數(shù)

2.3 興隆水庫浮游植物種群與環(huán)境因子之間的關(guān)系

對(duì)不同月份各項(xiàng)環(huán)境因子均值及其與浮游植物細(xì)胞密度的關(guān)系進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見表4.結(jié)果顯示，浮游植物密度與TDS、BOD5、CODMn、銨態(tài)氮、亞硝酸鹽氮、總氮含量呈正相關(guān)，與DO含量呈負(fù)相關(guān).各環(huán)境因子中銨態(tài)氮與TDS、BOD5、CODMn含量呈正相關(guān)，而與DO含量呈顯著負(fù)相關(guān)；亞硝酸鹽氮與TDS、CODMn、銨態(tài)氮含量呈顯著正相關(guān)，與DO含量呈負(fù)相關(guān).

表4 興隆水庫各樣點(diǎn)理化指標(biāo)與浮游植物細(xì)胞密度相關(guān)性分析

注：*表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；**表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)

3 討論

興隆水庫水體pH值普遍較高，這是由當(dāng)?shù)赝寥赖柠}堿性質(zhì)和水體中生物的呼吸作用所致.興隆水庫水體中總氮、總磷質(zhì)量濃度常年較高，特別是在7月份，根據(jù)環(huán)境因子進(jìn)行評(píng)價(jià)，興隆水庫處于富營養(yǎng)水平.此外，監(jiān)測到的浮游植物優(yōu)勢種主要為綠藻門的空星藻屬(Coelastrum)、小球藻屬(Chlorella)，藍(lán)藻門的顫藻屬(Oscillatoria)、平列藻屬(Merismopidia)、尖頭藻屬(Raphidiopsis)，這些均屬于富營養(yǎng)水體的優(yōu)勢物種，也說明興隆水庫受到一定的污染，富營養(yǎng)化水平正在加劇.根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)，興隆水庫調(diào)查水域水質(zhì)處于Ⅱ—Ⅴ類、甚至超Ⅴ類.由此可見，興隆水庫水質(zhì)惡化的驅(qū)動(dòng)因子是營養(yǎng)鹽，這主要是由于大范圍的漁業(yè)養(yǎng)殖活動(dòng)，以及興隆水庫水域長年封閉沒有流水交換營養(yǎng)鹽在水庫內(nèi)積累導(dǎo)致的.

浮游植物群落結(jié)構(gòu)組成與水環(huán)境變化息息相關(guān).本次調(diào)查表明，興隆水庫浮游植物群落結(jié)構(gòu)具有明顯的季節(jié)性差異.春季主要以綠藻為優(yōu)勢種，而且綠藻門在細(xì)胞密度和生物量貢獻(xiàn)率上占主要部分，這可能是由于春季浮游動(dòng)物生長緩慢，對(duì)藻類的捕食壓力較小，利于個(gè)體小、能夠迅速吸收營養(yǎng)鹽并進(jìn)行繁殖的種類生長.夏季主要以藍(lán)藻門為優(yōu)勢種，藍(lán)藻門在總細(xì)胞密度中占較大比例，這是由于夏季水溫升高、光照增強(qiáng)，促進(jìn)了藻類生長引起的.有研究表明，優(yōu)勢種的大量生長會(huì)導(dǎo)致種群間競爭作用降低，群落結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，增加水體發(fā)生水華的風(fēng)險(xiǎn)[12].

對(duì)興隆水庫浮游植物密度與環(huán)境因子的相關(guān)性分析顯示，浮游植物密度與銨態(tài)氮、亞硝酸鹽氮、總氮含量呈顯著正相關(guān)，這說明浮游植物的生長與氮營養(yǎng)鹽濃度關(guān)系密切.因此，對(duì)興隆水庫富營養(yǎng)化的防治應(yīng)集中在控制氮營養(yǎng)鹽的輸入.各環(huán)境因子中，銨態(tài)氮、亞硝酸鹽氮、總氮含量與溶解氧含量呈負(fù)相關(guān)，這與其他學(xué)者的研究結(jié)果[3]相同.在有氧條件下，銨態(tài)氮經(jīng)亞硝酸細(xì)菌作用轉(zhuǎn)化為亞硝酸，之后經(jīng)硝酸細(xì)菌的作用轉(zhuǎn)化為硝酸鹽.亞硝酸細(xì)菌和硝酸菌都是好氧菌，適宜在中性和偏堿性的環(huán)境中生長[13].而藻類及其他微生物將硝酸鹽作為氮源進(jìn)行利用.這也說明，溶解氧濃度高時(shí)，硝化作用增強(qiáng)，銨態(tài)氮和亞硝酸含量降低，硝酸鹽含量增加，藻類可利用的氮源增加其生長也加快.

4 結(jié)論

興隆水庫浮游植物物種組成豐富，生物量較高，而且具有明顯的季節(jié)性，優(yōu)勢種主要為藍(lán)藻門和綠藻門.浮游植物Shannon-Wiener多樣性指數(shù)較高，群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較強(qiáng)，而影響浮游植物生長的主要營養(yǎng)鹽因子為銨態(tài)氮、亞硝酸鹽氮、總氮含量.興隆水庫水質(zhì)處于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)Ⅱ—Ⅴ類甚至超Ⅴ類，造成水質(zhì)惡化的驅(qū)動(dòng)因子是營養(yǎng)鹽.因此，興隆水庫要應(yīng)對(duì)營養(yǎng)鹽的增加采取有效措施，以防止水質(zhì)繼續(xù)惡化，避免水華的發(fā)生.