AEP  >> Vol. 9 No. 1 (February 2019)

    三江自然保护区5月浮游植物功能群研究及水质评价
    Study on Phytoplankton Functional Group and Water Quality Evaluation in May of Sanjiang Nature Reserve

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作者:  

潘海峰,于洪贤,马成学:东北林业大学,黑龙江 哈尔滨 ;
柴方营,于 婷:黑龙江省节约用水技术中心,黑龙江 哈尔滨;
鞠永富:黑龙江省水文局,黑龙江 哈尔滨

关键词:
三江自然保护区浮游植物多样性指数功能群Sanjiang Nature Reserve Phytoplankton Diversity Index Functional Group

摘要:

为研究分析三江自然保护区浮游植物多样性,从2017年春季对三江自然保护区的16个采样点采集浮游植物样品,进行系统分析,为湿地水质评价奠定基础。分析这16个样点浮游植物功能群的组成特征,共划分出18个功能群,其中重要的功能群为MP和Y功能群,分别占58.9%和13.7%。通过Shanno-Weaver多样性指数和Pielou均匀度指数对三江自然保护区的水质进行评价,多数采样点处于轻度或无污染状态,整体水质较为良好,但需要即时监测浮游植物动态变化。RDA分析结果显示,影响春季浮游植物功能群最重要的理化因子为Chla、pH和Cond,其次为 ,浮游植物功能群WS、D和MP与叶绿素呈正相关,浮游植物功能群W1、P和H1与叶绿素呈负相关。浮游植物功能群Y、S1、TB和C与pH、硝酸根呈正相关,而L0、J、X1、X2、F和N功能群等与理化环境因子的相关性不明显。

In order to study and analyze the diversity of phytoplankton in Sanjiang Nature Reserve, phyto-plankton samples were collected from 16 sampling points of Sanjiang Nature Reserve in the spring of 2017, and systematic analysis was carried out to lay a foundation for wetland water quality evaluation. The composition characteristics of these 16 sample phytoplankton functional groups were analyzed, and 18 functional groups were divided. The important functional groups were MP and Y functional groups, accounting for 58.9% and 13.7%, respectively. The Shanno-Weaver di-versity index and the Pielou evenness index evaluate the water quality of the Sanjiang Nature Re-serve. Most of the sampling points are in a mild or non-polluting state, and the overall water quality is relatively good, but the dynamic changes of phytoplankton need to be monitored immediately. The results of RDA analysis showed that the most important physical and chemical factors affecting the phytoplankton functional group were Chla, pH and Cond, followed by  ; phytoplankton functional groups WS, D and MP were positively correlated with chlorophyll; phytoplankton functional groups W1, P and H1 are negatively correlated with chlorophyll. The phytoplankton functional groups Y, S1, TB and C were positively correlated with pH and nitrate, while the correlations between L0, J, X1, X2, F and N functional groups and physical and chemical envi-ronmental factors were not obvious.

1. 引言

浮游植物是淡水水体营浮游生活的光合自养生物,是生态系统中的初级生产者,对维持生物链的物质传递和能量流动起着重要作用,影响着次级消费者甚至顶级消费者的生存,同时它对外界环境变化非常敏感。浮游植物的种类组成和空间分布状况反映特定的水体环境,而水体环境的改变也影响着浮游植物的种类组成和空间分布。浮游植物个体寿命通常很短,在一个生长期内可以繁殖很多代,短世代周期和生活史导致浮游植物群落结构发生很大变化。浮游植物功能群的起初是将具有相似形态、生理和生态特征的浮游植物分类为一组。群落内浮游植物具有相同或相似的生态位,每个群落都能反映特定的生境类型。1977年发表了第一篇关于植物功能群的论文,揭开了陆生植物功能群研究的序幕 [1]。浮游植物作为水体环境中的重要指示生物,对水体评价起着至关重要的作用 [2]。

2. 材料与方法

2.1. 研究地概况

黑龙江三江自然保护区位于抚远市和黑龙江省佳木斯市和同江市境内。其地理坐标为东经134˚36'12'~134˚4'38'和北纬47˚44'40'~48˚8'20',总面积近200,000公顷。保护区成立于1994年。这是一个自然保护区 [3] ,主要保护沼泽湿地。保护区内河流属黑龙江、乌苏里江两大水系,黑龙江流经保护区30 km,乌苏里江流经保护区115 km。保护区内共有大小河流57条,,湖泡有210多个 [4] ,水域面积很大。其中主要有3个支流:鸭绿河、别拉洪河和浓江河。河上游主要是湿地,没有明显的河道。流经保护区的中小河流以平原、沼泽和河流为特征。三江自然保护区采样点及生境特点如表1所示。

Table 1. Coordinates and habitat conditions of sampling points in Sanjiang nature reserve

表1. 三江自然保护区采样点坐标及生境状况

2.2. 材料和方法

浮游植物样品用1 L采水器来采集,用15%鲁哥氏液现场向样品中加入15 ml固定,带回实验室,沉淀48小时,浓缩至30 mL,用浮游植物计数框在光学显微镜下进行观察和统计。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,并根据不同浮游植物种类的体积相关公式计算生物量。透明度(SD)采用塞氏盘测定;水温(WT)、电导率(Cond)、浊度(NTU)、pH、 NH 4 + 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;总氮总磷(TNTP)、COD、BOD等理化指标根据《水和废水监测分析方法》测定。

本论文采用Shanno-Weaver多样性指数和Pielou均匀度指数对水质状况进行评价。

Shanno-Weaver多样性指数:

H = i = 1 s P i log 2 P i

Pielou均匀度指数:

J = H log 2 N

以上二个公式中,S为总种数,N为所有种个体总数,Pi为第i种个体数量在总个体数量中的比例。

三江自然保护区春季(5月)浮游植物的丰度和生物量在各采样点间存在差异(见图1)。丰度波动于30 × 104 ind./L~396 × 104 ind./L之间,最高为1#采样点,为396 × 104 ind./L,次高为4#采样点,为311 × 104 ind./L,最低为11#采样点,为30 × 104 ind./L;生物量在0.28 mg/L~4.06 mg/L之间。最高为1#采样点,为4.06 mg/L,次高为2#采样点,为2.49 mg/L,最低为8#采样点,为0.28 mg/L。

Figure 1. Abundance and biomass distribution of Sanjiang Nature Reserve

图1. 三江自然保护区丰度和生物量分布图

2.3. 浮游植物多样性特征指数及水质评价

三江浮游植物的多样性指数见图2。Shannon-Weaver指数波动于1.39~4.17之间,所有采样点平均值为3.21。最高为5#采样点,为4.17,次高为3#采样点,为3.78,最低为13#采样点,为1.39。Pielou均匀度指数波动于0.17~0.65之间,所有采样点平均值为0.51,最高为12#采样点,为0.65,次高为11#采样点,为0.63,最低为13#采样点,为0.17。

Figure 2. Distribution of diversity index of sampling points in Sanjiang Nature Reserve

图2. 三江自然保护区各采样点多样性指数分布状况

2.4. RDA分析结果

RDA分析结果如表2图3所示。如表2所示,物种数据的累积变化率的77.6%在轴1和2中被解释。轴1最重要的正相关因子是叶绿素(Chla),相关系数为−0.113。轴2最主要的正相关因子为pH (−0.411),其次为硝酸根(−0.194);最重要的负相关因子为Cond (0.189)。浮游植物功能群WS、D和MP与叶绿素呈正相关,浮游植物功能群W1、P和H1与叶绿素呈负相关。浮游植物功能群Y、S1、TB和C与pH、硝酸根呈正相关,而L0、J、X1、X2、F和N功能群等与理化环境因子的相关性不明显。

Table 2. Correlation coefficients of sorting axis feature values, types and environmental factor sorting axes

表2. 排序轴特征值、种类与环境因子排序轴的相关系数

Figure 3. RDA analysis of functional groups and environmental factors

图3. 功能群与环境因子的RDA分析

3. 水质评价与讨论

根据对三江自然保护区浮游植物的采集鉴定,对浮游植物做出丰度、生物量、香浓威纳指数、均匀度指数等分析。丰度代表群落内物种数目的多少;生物量是指某一时间单位面积或体积栖息地所含一个或一个以上生物种,或所含一个生物群落中所有生物种的总个体数或总干重;香浓威纳指数中,包含2个成份:1、种数;2、各种间个体分配的均匀性。各种之间,个体分配越均匀,H值越大。如果每一个个体都属于不同的种,多样性指数就越大 [5] ;如果每一个体都属于同一种,则其多样性指数就最小。Pielou均匀度也称为物种相对多度,是指某一群落或生境中全部物种个体数目的分配状况 [6]。当一个地区所有物种都有同样数量的个体时,可以说那里的物种均匀度高;相反,如果某些物种的个体很多,另一些物种的个体却非常少,那么该地区的物种均匀度就低。一般来说,某个单一物种的种群如果很大,只能代表其遗传多样性比较高,不能表明它的物种多样性也大。因为单一物种种群如果过大,某些情况下还可能排挤其他物种种群,使区域内的物种多样性总量减少。因此,物种均匀度的高低与物种多样性的大小往往是成正比的。

根据Shannon-Weaver指数和Pielou均匀度指数的评价标准对各采样点作出评价,根据Shannon-Weaver指数评价标准中(见表3),7#、9#、11#和13#采样点处于中度污染,其余各采样点均处于轻污染或无污染的状态,平均值为3.21;根据Pielou均匀度指数评价标准中,1#、2#、4#、7#、9#和16#采样点处于中度污染状态,13#采样点处于重度污染状态,其余各采样点都处于轻污染或无污染状态;综合这两种指数的评价标准可以看出,13#采样点的污染程度较严重,7#和9#采样点也处于中度污染状态,但从平均值来看三江自然保护区整体水质表现为轻度污染或无污染状态。

Table 3. Diversity index evaluation criteria

表3. 多样性指数评价标准

结合三江自然保护区各采样点生境表(表1)和各采样点理化因子表(表4)分析可知,退耕示范区周边都是农田,水体营养盐含量较高,浮游植物无论从丰度还是生物量上看都处于较高水平;6#乌苏里江干流采样点从氮磷及叶绿素含量上可以看出水体浮游植物较少;7#抓吉湿地叶绿素、总氮含量较高,生物多样性也处于较高水平;8#别拉洪、9#别拉洪水文站采样点水体泥沙多,浊度很高,温度低等特点,水体藻类多以硅藻门为主;10#大力加湖、11#大苇塘采样点周边长有塔头、芦苇、小叶樟等水生植被,对水体氮磷起到一定的去除效果,浮游植物多样性处于一般水平;12#海清采样点理化因子中叶绿素、总磷含量较低故而浮游植物丰度和生物量水平并不高;13#黑龙江采样点理化因子中氮磷含量,无水生植被对氮磷的吸收,水体对沉积物降解缓慢,污染最严重;14#浓江河采样点上游农田废水污染,牛羊畜牧等复杂生境,水体浊度较大,流速较快,溶解氧水平较高,浮游植物多为耐污种类,叶绿素指标处于较低状态;15#清水河大桥采样点水体流动较快,加之春季水体温度较低,浮游植物多为耐低温种类;16#四合门前河采样点岸边有塔头、小叶樟等水生植被,水体为静水,营养盐等处于较高水平,生物多样性也较高。

Table 4. Physical and chemical factors of each sampling point in Sanjiang Nature Reserve

表4. 三江自然保护区各采样点理化因子

4. 结果

通过春季的调查,三江自然保护区春季浮游植物的功能群主要以MP和Y功能群中硅藻门的种类为主,在春季由于温度比较低,水体中的藻类主要以耐低温种类为主 [7] ,故而硅藻门的藻类占绝对优势。春季水体温度低,透明度较大,水体中营养盐较为匮乏,水体较不稳定。功能群Y代表牧食强度低的所有水体 [8]。功能群MP主要由短小舟形藻类组成,英吉利舟形藻、偏肿桥弯藻、多形丝藻等耐低温的种类构成 [8]。功能群WS代表富腐殖质的池塘或暂时形成的小水体 [9] [10] ,它们是中性或碱性的。功能群W1表示池塘或临时形成的水体 [11] ,该水体从农田或污水中接收有机物,并且耐高生物耗氧,对扰动敏感。功能群C代表混合、中小型、耐低碳、低光照、对低硅敏感的水体 [12]。功能群D代表浅而浑浊、耐受扰动、对低营养盐敏感的水体 [13]。

根据多样性指数分析结果,应即时对1#、2#、4#、7#、9#、11#、13#和16#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,三江自然保护区由于不同支流间地形地貌差异、农业生产和污染背景值差异往往导致支流浮游植物结构及种类差异较大。因此,针对不同区域的主要污染物种类和水文、水动力条件,采取更具有针对性的水华预测与防控措施十分必要。

NOTES

*通讯作者。

文章引用:
潘海峰, 于洪贤, 马成学, 柴方营, 于婷, 鞠永富. 三江自然保护区5月浮游植物功能群研究及水质评价[J]. 环境保护前沿, 2019, 9(1): 10-16. https://doi.org/10.12677/AEP.2019.91003

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