嫩江下游浮游植物群落結構及其影響因子

卞少偉，于洪賢，馬成學，霍堂斌

(1.天津市環境監測中心,300191,天津；2.東北林業大學,150040,哈爾濱；2.中國水產科學研究院黑龍江水產研究所,150070,哈爾濱)

嫩江下游浮游植物群落結構及其影響因子

卞少偉1，于洪賢2*，馬成學2，霍堂斌3

(1.天津市環境監測中心,300191,天津；2.東北林業大學,150040,哈爾濱；2.中國水產科學研究院黑龍江水產研究所,150070,哈爾濱)

2011年春季(5月)和夏季(7月)，系統調查研究了嫩江下游對浮游植物結構群落組成、豐度的分布特征及與環境因子的關系。10個采樣點中共鑒定出浮游植物7門101種及變種，春季和夏季的優勢種以硅藻門為主：變綠脆桿藻、尖針桿藻、梅尼小環藻、短線脆桿藻、肘狀針桿藻。不同季節各采樣點浮游植物生物量在0.03～3.19 mg/L之間，豐度變幅在(0.60～32.40)×105ind./L之間。Shannon-Wiener多樣性指數(H′)在2.00～3.94之間，Pielou均勻度指數(J′)的在0.46～0.98之間，Margalef豐富度指數(d)在1.72～4.89之間。典范對應分析(CCA)表明，水體溫度是影響該水域浮游植物分布格局的重要因子，電導率和總磷濃度也對浮游植物的分布有較大的影響。CCA排序圖較好顯示了浮游植物物種分布和環境因子之間的關系。

嫩江；浮游植物；群落結構；環境因子；典范對應分析

0 引言

嫩江是中國松花江最大支流，位于黑龍江省的中西部。源出于大興安嶺北麓伊勒呼里山，南流到鎮賚縣，最終經吉林省大安市在三岔河匯入松花江。全長1 370 km，流域面積28.3×104km2。依其地形、地貌和河谷特征，分為上游、中游、下游3段。自嫩江河源到嫩江縣城為上游段；由嫩江縣城到莫力達瓦達斡爾族自治旗的尼爾基(前稱布西)為中游段；從尼爾基到三岔河口為下游段。嫩江的年內和年際及地區上的降水變化差異較大，最大年降水量為937.4 mm，最小年降水量為152.5 mm。年降水量主要集中在6-9月份，約占全年降水量的82%，其中7、8月的2個月所占比重最大。

近幾年，隨著嫩江流域毗鄰城市的社會經濟不斷發展，人類活動的加劇，導致嫩江流域的水生態問題日益凸顯，水質狀況出現局部惡化的現象[1-3]。現今對嫩江下游水環境質量狀況進行的研究還不全面，主要集中在水環境理化指標的監測，利用浮游植物對嫩江進行生物監測方面的研究很少。浮游植物是水域生態系統的重要組成成分，也是生態系統中的初級生產者[4]。所以其組成和多樣性的變化將直接影響到生態系統的結構與功能，對維持淡水生態系統平衡起到至關重要的作用[5-8]。浮游植物的動態變化直接影響著水體的水質變化，富營養化水體最直接的表現是水體中浮游植物繁殖迅速，出現水華。在不同的地區，不同水域中，浮游植物季節變化不同，而且引起浮游植物群落結構變化的環境因子也不相同，其群落結構的特征，往往也是水環境狀況的重要指標[9-12]。本文首次較系統地調查分析了嫩江下游浮游植物群落組成、豐度及其空間分布特征，應用典范對應分析(canonical correspondence analysis,CCA)初步探討了嫩江下游浮游植物群落與環境因子間的關系，為利用浮游植物進行河流水質監測工作提供基礎數據。

1 材料與方法

1.1浮游植物樣品采集與分析

2011年5月和7月根據嫩江下游的氣候特點，共布設10個采樣點，進行采樣工作。采樣具體位置(見圖1)。定性樣品用25#的浮游生物網(網孔直徑0.064 mm)在水體表面(0～0.5 m)按“∞”字形拖取3-5 min，濾液用1.5%體積的魯哥試液和2%～4%甲醛固定，沉淀48 h，濃縮為30 mL保存。顯微鏡檢計數時充分搖勻，吸取0.1 mL滴入0.1 mL計數框內計數、分析、鑒定[13-14]。

1.2環境因子測定

透明度(SD)用塞奇氏盤測定；水溫(WT)、酸堿度(pH)、溶解氧(DO)、葉綠素a(chlorophyll a)、電導率(COND)用多功能水質分析儀YSI-6600來測定，總氮(TN)、總磷(TP)、化學需氧量(CODMn)、5日生化需氧量(BOD5)等參照《水和廢水監測分析方法》(國家環保總局，2002)測定。

圖1 嫩江下游浮游植物采樣點分布示意圖

1.3數據處理

1.3.1 多樣性指數的計算 多樣性指數包括優勢度、Shannon-Wiener指數(H′)、Pielou均勻度指數(J′)、Margalef豐富度指數(d)，計算公式如下[15-19]：

式中,ni為第i種的數量，N為采集樣品中的所有種類總個體數；S為采集樣品中的種類總數；fi為該種在各樣品中出現的頻率，y>0.02 為優勢種。

采用Canoco for Windows 4.5軟件對物種數據和環境數據進行典范對應分析，物種數據采用浮游植物豐度指標，按照物種在各樣點出現的頻度>12.5%，物種在至少一個樣點的相對密度≧1%[20]入選矩陣，物種矩陣經過lg(x+1)轉換，環境數據進lg(x+1)轉換[21]，排序結果用物種-環境因子關系的雙序圖表示[22]。

2 結果與分析

2.1嫩江下游浮游植物群落結構特征

2.1.1 浮游植物的種類組成和優勢種 2011年春季(5月)和夏季(7月)，對嫩江下游浮游植物調查，共鑒定出浮游植物7門101種及變種。其中：硅藻門52種及變種，占總數51.5%，綠藻門24種及變種，占23.8%，藍藻門14種，占13.9%，金藻門6種，占5.9%，裸藻門2種，占2.0%，隱藻門2種，占2.0%，甲藻門1種，占1.0%。從季節的變化上看，春季共鑒定浮游動物80種；夏季共鑒定浮游植物48種。不同季節浮游植物主要優勢種類不同，春季(5月)優勢種為8種，夏季(7月)為5種，在春季(5月)和夏季(7月)均形成以硅藻門為優勢的浮游植物群落,見表1。

表1 嫩江下游不同季節浮游植物優勢種及其豐度

2.1.2 浮游植物的數量特征 嫩江下游浮游植物數量分布特征，春季和夏季各采樣點浮游植物細胞豐度在0.60×105～32.4×105ind./L之間，生物量在0.03～3.19 mg/L之間。其中：春季9#采樣點浮游植物豐度最大，春季6#采樣點次之，夏季3#和6#采樣點浮游植物豐度最小；春季6#采樣點浮游植物的生物量最大，春季9#采樣點次之，夏季6#采樣點生物量最小。如圖2所示嫩江下游浮游植物豐度和生物量的變化趨勢基本一致。

2.1.3 生物多樣性指數 嫩江下游浮游植物多樣性指數(H′)、均勻度指數(J′)和豐富度(d)的變化如圖3所示， Shannon-Wiener多樣性指數(H′)在2.00～3.94之間變化；Pielou均勻度指數(J′)的在0.46～0.98之間變化；Margalef豐富度指數(d)在1.72～4.89之間變化。

使用Shannon-Wiener指數值評價結果顯示，嫩江下游春季和夏季整體上水體輕污染或無污染(其中1>H′>0為重污染，1>H′>3為中污染，H′>3為輕污染或無污染)。經計算后采用Pielous均勻度指數(J′)評價結果顯示，嫩江下游為輕污染或無污染水質(其中0.3>J′>0為重污染，0.>J′>0～3為中污染，0.8>J′>0.5為輕污染或無污染)。經計算后采用Margalef指數值(d)評價結果顯示，春季重污染點位有30%，中污染點位有40%，輕污染或無污染點位有30%；夏季重污染點位有80%，中污染點位有20%(其中3>d>0為重污染，4>d>3為中污染，d>4為輕污染或無污染)。

圖3 嫩江下游不同季節浮游植物的多樣性、均勻度、豐富度指數變化

2.2嫩江下游浮游植物與環境因子的關系

根據浮游植物出現頻率和相對豐度，選取了22種浮游植物用于CCA分析，浮游植物代碼見表2。分析結果中，第1、第2排序軸的特征值分別為0.178 和0.148，環境因子軸與物種排序軸之間的相關系數分別為0.891 和0.977(表3)。物種變異積累百分數分別為23.5%和43.0%；物種-環境變異積累百分數分別為36.3%和66.5%；2個物種排序軸近似垂直，相關系數為0.044，2個環境排序軸的相關系數為0(表3)，說明了排序結果可靠[23]，排序軸與環境因子間線性結合的程度較好地反映了物種與環境之間的關系。在由主軸l和主軸2構成的排序圖中，環境因子用帶有箭頭的線段表示，向量長短代表了其在主軸中的作用，所以經圖4可知，水體的水溫、電導率、總磷是影響嫩江下游浮游植物群落結構的主要因子。

表2 CCA分析中浮游植物種類代碼

3 討論與結論

在調查期內，共觀察到浮游植物7門101種及變種，浮游植物的細胞豐度范圍在0.60×105～32.4×105ind./L之間。有研究表明，營養較低的水體中常以甲藻、隱藻、硅藻類占優勢，而富營養水體則常以綠藻、藍藻類占優勢[24]。調查發現，嫩江下游群落組成以硅藻為主，同時結合水質生物學評價，表明大多數點位水體營養化程度不高。

表3 CCA排序中前2個排序軸的特征值與環境排序軸間的相關系數

SPECAX1SPECAX2ENVIAX1ENVIAX2SPECAX11．000SPECAX20．0441．000ENVIAX10．8910．0001．000ENVIAX20．0000．9770．0001．000WT/℃0．762-0．1280．855-0．131SD/m-0．5100．412-0．5720．422pH0．1310．4340．1470．444DO/mg·L-1-0．6100．227-0．6850．232COND/μs·cm-10．169-0．8620．189-0．882NH4-N/mg·L-10．334-0．7480．375-0．765TOC/mg·L-1-0．6470．249-0．7260．255CODMn/mg·L-1-0．699-0．105-0．785-0．107BOD5/mg·L-1-0．710-0．139-0．796-0．143TN/mg·L-1-0．508-0．257-0．570-0．263TP/mg·L-1-0．392-0．776-0．440-0．795

圖4 嫩江下游浮游植物與環境因子的CCA三維排序圖

群落物種多樣性是群落組織獨特的生物學特征，它反映了群落特有的物種組成和個體密度特征[25]。一般而言，種類越多或各物種間比例越均勻，群落物種的Shannon-Wiener指數值越大。物種多樣性也是反映水體營養狀況的重要參數，浮游植物的優勢種群及群落結構特征指數的變化可在一定程度上反映環境的變化。嫩江下游浮游植物群落Shannon-Wiener多樣性指數的變化在2.00～3.94之間，故整體處于輕-中污染狀態，說明水質已經受到一定程度的污染。嫩江下游各采樣點浮游植物豐度的空間分布并不是均勻的(圖2)，這與各采樣點的生態及營養條件的差異是分不開的，1#、2#、3#、5#、8#采樣點水流較快，含砂量大，兩岸多被植被覆蓋，水質貧瘠，有機物含量低，因此，浮游植物密度較低；而其他江段尤其是9#采樣點的江段，水流較慢，兩岸土壤大多裸露，人類活動密集，河水含砂量減少，肥沃度逐漸增加，有機物含量充足，因此這個采樣點浮游植物密度豐度要高于其他點位。

通過環境因子對嫩江下游浮游植物種類、密度影響的分析結果表明，水溫、電導率、總磷電導率是影響嫩江下游浮游植物密度及種類的重要因素。溫度對藻類生命活動的影響主要通過控制光合作用的酶促反應或呼吸作用強度，直接影響藻類的生長，并且通過控制各種理化過程間接影響藻類的生長[26]。硅藻的生長的最適溫度為10～25 ℃[27]，調查期間嫩江下游的水溫在9.38～26.05 ℃之間，平均溫度為19.39 ℃，因此，水溫是嫩江下游浮游植物春季和夏季硅藻豐度增多的主要原因。嫩江下游有機物質來源主要有上游城市和當地居民的生活污水、農業生產地表徑流等，進入水體的有機物經氧化分解，最終變為浮游植物可直接利用的營養鹽。已有研究表明，營養鹽的增加在一定范圍內可以引起藻類密度的增加，是導致藻類繁茂的主要原因[28]，這是由于水體中的營養鹽作為浮游植物賴以增殖的基礎，其數量與分布能影響浮游植物的數量動態，同時由于水體水質的電導率高低與營養鹽濃度有關[29]。因此，電導率和總磷濃度與嫩江下游浮游植物密度及屬類數呈極顯著相關性，與許多國內外研究者[30-32]的調查結果相類似。但是不同區域水體對浮游植物影響的環境因子并不一致，有研究表明[33]，透明度、總磷對浮游植物的影響最大；另外除主要的環境因子外，人為干擾以及浮游動物的下行效應[21]等在很大程度上也影響水域內浮游植物的群落結構[34]。

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CommunityStructureofPhytoplanktonsintheDownstreamofNenjiangRiverandRelatedAffectingFactors

BIAN Shaowei1,YU Hongxian2*,MA Chengxue2,HUO Tangbin3

(1.Tianjin Environmental Monitoring Centre,300191,Tianjin,PRC;2.Northeast Forestry University,150040,Harbin,PRC;2.Chinese Academy of Fishery Sciences.Heilongjiang River Fisheries Research Institute,150070,Harbin,PRC)

An investigation was conducted on the phytoplankton′s community composition,abundance,and their relations with environmental factors in the downstream of Nenjiang River in spring (May) and autumn(July),2011.A total of 101 phytoplankton species were identified,belonging to 7 phyla.Dominant species are completely from Bacillariophyta in spring and autumn.they areFragilariavirescens、Synedraacus、Cyclotellameneghiniana、Fragilariabrevistriata、Synedraulnaand so on.The phytoplankton′s biomass of different sampling sites were from 0.03 mg/L to 3.19 mg/L,and abundance at 0.60×105to 32.40×105ind/L in different seasons.Shannon-Wiener diversity index from 2.00 to 3.94,Pielou′s index from 0.46 to 0.98,and Margalef′s index from 1.72 to 4.89.Canonical correspondence analysis (CCA) showed that water temperature was the most important factor affecting the phytoplankton′s community structure,and total phosphorous concentration also played important role for the community structure.The CCA ordination plots could well display the phytoplankton′s community structure and its relationships with environmental factors.

Nenjiang River;phytoplankton;community structure;environmental factor;canonical correspondence analysis (CCA)

2014-05-21;

2014-08-21

卞少偉(1986-)，男，碩士，主要研究方向：水環境生物學。

國家自然科學基金項目(40830535)；國家水體污染控制與治理科技重大專項資助(2008ZX07207-010-04)。

10.13990/j.issn1001-3679.2014.05.013

Q949.2

A

1001-3679(2014)05-0630-06

*通訊作者：于洪賢(1962-)，女，博士，教授，博士生導師，研究方向：濕地保護與利用、水生生物分類及鑒定、水環境監測等。Email:chinayhx@163.com。