哈尔滨松北国家湿地公园春季浮游植物功能群研究及水质健康评价

Study on Phytoplankton Functional Groups and Water Quality Evaluation in Harbin Songbei National Wetland Park in May

摘要: 为了解松北国家湿地公园春季的水体浮游植物群落结构特征及其与水环境因子之间的关系，于2021年5月在松北国家湿地公园设置了8个采样点并进行浮游植物的采集以及水体理化因子的测定。结果共划分出19个功能群，其中最重要的是Y功能群，占比22.36%。通过Shanno-Weaver多样性指数和Pielou均匀度指数对松北国家湿地公园的水质进行评价，多数处于轻污染或无污染状态。RDA分析结果显示TP、TN、pH和CODCr是对浮游植物影响最显著的环境理化因子。TP与优势功能群E等呈显著正相关，与优势功能群X2等有较小相关性，与优势功能群P、C、D、J等呈显著负相关；TN与优势功能群X2呈显著正相关；pH与优势功能群X1、J等呈显著正相关；CODCr与优势功能群J、C、D等呈显著正相关，与优势功能群E等呈显著负相关。

Abstract: The paper is proposed to order to understand the characteristics of phytoplankton community structure in Songbei National Wetland Park in spring and its relationship with water environment factors, and evaluate the water environment health system through phytoplankton diversity and other data. Eight sampling sites were set up in Songbei National Wetland Park in May 2021 to collect zooplankton and determine the physical and chemical factors of water body. The results showed that according to the community characteristics of plant functional groups, 19 functional groups were divided, of which Y functional group was the most important, accounting for 22.36%. The water quality of Songbei National Wetland Park is evaluated by Shanno-Weaver diversity index and Pielou evenness index. Most of them are in the state of light pollution or no pollution. The results of RDA analysis showed that TP, TN, pH and CODCr were the most significant environmental physical and chemical factors affecting phytoplankton. TP was significantly positively correlated with dominant functional group E, slightly correlated with dominant functional group X2, and significantly negatively correlated with dominant functional groups P, C, D, J; TN was positively correlated with dominant functional group X2; there was a significant positive correlation between pH pair and dominant functional groups X1 and J; CODCr was significantly positively correlated with dominant functional groups J, C and D, and negatively correlated with dominant functional group E.

1. 引言

浮游植物是水生态系统中的初级生产者，是水生态系统能量流动和物质循环的重要组成部分。又因为浮游植物生长周期短且对环境敏感，因此其群落结构、优势种等信息可以用来直接反应水质情况。但由于浮游植物的影响因素较为复杂，原始的浮游植物分类方法不能很好地反应浮游植物的生境情况 [1]。Reynolds等 [2] 曾定义并运用浮游植物功能类群(FG)方法对浮游植物进行分类，而之后Padisak [3] 等再次对此进行完善。新的分类方法将具有相似生境的浮游植物归为一类，在这基础上根据其生理、形态和生态属性进行分类，因此通过浮游植物功能群的特征可以用来反应生境情况，并在水生态学与其相关领域具有良好的应用前景 [4]。

2. 材料和方法

2.1. 采样点概况

松北国家湿地公园位于哈尔滨市区西北部，松北区万宝镇化家村东，规划区北部与滨洲铁路线接界，南部与规划绥满高速相邻，东至王万铁路联络线，西部以化家村为界。于2019年通过国家湿地公园验收。松北国家湿地公园总面积127.47公顷，其中现有湿地总面积55.51公顷，占湿地公园总面积的43.55%，分为湖泊湿地、沼泽湿地和人工湿地3个湿地类，永久性淡水湖、草本沼泽、灌丛沼泽和库塘4个湿地类型。松北国家湿地公园的采样点如图1所示。

Figure 1. Sampling point diagram for water quality testing

图1. 水质检测采样点图

2.2. 采样与处理

浮游植物样品用适当型号采水器进行采集，一般一次采取1~2升。水样采集之后，需定性、定量分析的样品，都应马上加固定液固定，以免标本变质，一般l000 mL水样加15 mL鲁哥液。定量样品经固定后，还要进行浓缩并定容至30 ml。浮游植物种类根据胡鸿钧、魏印心编著的《中国淡水藻类》进行鉴定。透明度(SD)采用塞氏盘测定；总氮总磷(TNTP)、COD、BOD等理化指标则根据《水和废水监测分析方法》测定；水温(WT)、电导率(Cond)、浊度(NTU)、pH、 ${\text{NH}}_4^{+}$ 、 ${\text{NO}}_3^{-}$ 、叶绿素(Chla)、Cl⁻等理化指标使用YSI-6600多功能水质分析仪现场测定 [5]。

2.3. 浮游植物功能群划分

如表1所示，根据浮游植物的营养型及生存水体等，将松北国家湿地公园内的浮游植物划分为19个功能群 [6]。

Table 1. Classification of freshwater phytoplankton functional groups

表1. 淡水浮游植物功能群分类

2.4. 数据处理

2.4.1. 浮游植物功能群分析

通过log₁₀ (x + 1)进行理化数据处理，使之更趋于正态分布，而后采用Pearson相关分析研究不同浮游植物功能群之间的相互作用。采用Canoco for windows 4.5软件对物种数据和相关环境因子数据进行RDA分析 [7]。

2.4.2. 浮游植物多样性及水生态健康评价体系

本文采用Shannon-Weaver多样性指数和Pielou均匀度对水质状况进行评价。

Shannon-Weaver多样性指数可被用来计算生物多样性 [8]。

$H^{\prime }=-{\displaystyle {\sum }_{i=1}^s{P}_i{\log }_2{P}_i}$ (1)

在式(1)中S表示总物种数，P_i是第i个物种的个体数量占个体总数的比例。

Pielou均匀度可以用来对水质状况进行评价。

Pielou均匀度指数 [9]

$J={\log }_{2}N$ (2)

在式(2)中，N表示所有物种的个体总数，P_i是第i个物种的个体数量占个体总数的比例，多样性指数水质评价标准见表2。

Table 2. Diversity index water quality evaluation standard

表2. 多样性指数水质评价标准

松北国家级自然保护区浮游植物的丰度和生物量在各采样点间存在差异(图2)。5月份丰度波动于12.0 × 10⁴ ind./L~46.3 × 10⁴ ind/L之间，最高为7#采样点，为46.3 × 10⁴ ind/L，次高为4#采样点，为45.5 × 10⁴ ind/L，最低为1#采样点，为12.0 × 10⁴ ind/L。5月份生物量在0.797 mg/L~3.454 mg/L之间。最高为3#采样点，为3.454 mg/L，次高为2#采样点，为2.836 mg/L，最低为7#采样点，为0.797 mg/L。

Figure 2. Phytoplankton abundance and biomass in Songbei National Nature Reserve in spring

图2. 松北国家级自然保护区春季浮游植物丰度和生物量

2.4.3. 物种优势度评价

物种优势度则可以用以下公式进行计算 [10]

$y=f_i\times P_i$ (3)

y表示优势度，P_i是第i个物种在个体总数中的比例，f_i是每个采样时间的物种频率。当y > 0.02时，即可认为是优势种。

3. 结果

3.1. 浮游植物种类组成

2021年5月，松北保护区浮游植物共计8门69种属。其中，绿藻门的种类最多，29种属，占42%；硅藻门次之，21种属，占30.4%；蓝藻门5种属，占7%；甲藻门2种属，占2 .8%；裸藻门4种属，占5.7%；隐藻门2种属，占2.8%；金藻门4种属，占5.7%；黄藻门2种属，占2.8% (图3)。

3.2. 浮游植物的优势种

根据浮游植物出现的频率和丰度，以优势度y > 0.02为界来确定优势种，松北保护区浮游植物优势种及其优势度见表3。

2021年5月，松北保护区浮游植物的优势种类有绿藻门的球衣藻Chlamydomonas globosa；硅藻门的库津小环藻Cyclotella kuetzingiana、钝脆杆藻Fragilaria capucina、尖针杆藻Synedra acusvar、短小舟形藻Navicula exigua；隐藻门的卵形隐藻Cryptomons ovata；金藻门的分歧锥囊藻Dinobryon divergens。

Figure 3. Phytoplankton species composition in Songbei National Nature Reserve in May

图3. 松北国家级自然保护区5月份浮游植物的种类组成

Table 3. Spring dominant species of phytoplankton in Songbei National Nature Reserve

表3. 松北国家级自然保护区浮游植物春季优势种

3.3. 松北国家级自然保护区春季浮游植物功能群分类

在松北国家级自然保护区8个采样点中，共鉴定出55种浮游植物。共划分为19个功能群，由图4可知，松北国家自然保护区春季浮游植物功能群中，Y功能群占显著优势。

3.4. 浮游植物多样性指数及水质评价

松北国家浮游植物多样性指数见图5。5月份Shannon-Weaver指数波动于1.87~3.53之间，最高为8#采样点，为3.53，次高为3#采样点，为3.34，最低为5#采样点，为1.87；Pielou均匀度指数全年在0.553~0.891之间，以1#采样点最高，为0.891，其次是8#，为0.813，最低为5#采样点，为0.553。

通过浮游植物多样性指数评价结果来看，Shannon-Weaver指数评价结果春季除1#、5#、6#、7#、采样点为中污，其他各点均为轻污或无污；Pielou均匀度指数评价结果为，春季除5#采样点为中污，其他各点均为轻污或无污。

Figure 4. The biomass level distribution of phytoplankton functional groups in Songbei National Nature Reserve

图4. 松北国家自然保护区浮游植物功能群生物量水平分布

Figure 5. Phytoplankton diversity and water quality evaluation

图5. 浮游植物多样性及水质评价

3.5. RDA分析结果

RDA结果如图6所示。如表4所示，物种数据的累积变化率的53.28%在轴1和轴2中可以被解释。说明除了环境因子之外，还有例如浮游动物功能群同样也是浮游植物功能群分布的影响因素 [11]。如图可知TP、TN、pH和CODcr是对浮游植物影响最显著的环境因子。TP与优势功能群E等呈显著正相关，与优势功能群X2等有较小相关性，与优势功能群P、C、D、J等呈显著负相关；TN与优势功能群X2呈显著正相关；pH对与优势功能群X1、J等呈显著正相关；CODcr与优势功能群J、C、D等呈显著正相关，与优势功能群E等呈显著负相关。

注：若功能群变量为向量，由(0,0)开始，向量的方向表示该功能群丰度增加的方向若环境因子为向量，数据长度表示功能群的分布于该环境因子相关性的大小

Figure 6. RDA double analysis diagram of phytoplankton functional groups and environmental factors

图6. 浮游植物功能群与环境因子RDA双重分析图

Table 4. Result of RDA analysis of phytoplankton functional group

表4. 浮游植物功能群RDA分析结果

4. 结论

通过我们的调查研究，春季哈尔滨松北国家湿地公园中浮游植物的功能群主要以Y功能群中的绿藻门为主，硅藻门次之，在春季由于气温和水温均处于较低水平，水体中的藻类主要以耐低温种类为主 [12]。根据数据显示TP、TN、pH和CODcr是对浮游植物影响最显著的环境因子。物种数据的累积变化率显示除了环境因子之外，还有例如浮游动物功能群等因素同样也是浮游植物功能群分布的影响因素。根据水质多样性指数分析结果，应及时对1#、5#、6#、和7#采样点加强监测，及时掌握其动态变化，其余采样点应加强其管理预防水体进一步恶化，哈尔滨松北湿地公园不同地区的水质呈现多样性，因此根据不同地区的特殊条件，基于不同的水文、水动力条件采取更有针对性的治理与防治污染及水华措施是十分有必要的。

参考文献

NOTES

^*共同第一作者。

^#共同通讯作者。