AEP  >> Vol. 9 No. 5 (October 2019)

    大佳河保护区挠力河流域浮游植物功能群季节演替特征
    Seasonal Succession Characteristics of Phytoplankton Functional Groups in Naoli River of Dajiahe Nature Reserve

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作者:  

李 上,柴一涵,赵予熙,柳 迪,于洪贤,张译文,孙雅薇,潘海峰,孙 旭:东北林业大学,黑龙江 哈尔滨;
王晓辉:黑龙江省农业环境与耕地保护站,黑龙江 哈尔滨

关键词:
浮游植物功能群季节演替环境因子Phytoplankton Functional Group Seasonal Succession Environmental Factors

摘要:

为了研究大佳河自然保护区挠力河流域浮游植物功能群季节演替特征及其影响因子,分别于2018年春季(5月)、夏季(7月)和秋季(10月)对挠力河流域设置的6个采样点进行浮游植物采样分析,共鉴定出浮游植物8门140种,划分为21个功能群,分别为L0、K、Tc、H1、M、P、D、C、MP、N、X3、E、T、Y、W1、W2、LM、X1、X2、J、F,其中重要功能群有8个,分别为L0、W0、D、MP、T、Y、W1、X2。挠力河浮游植物功能群季节变化呈现为D + Y → Tc + W1 → MP + Y的变化特征。运用典范对应分析(CCA)探究浮游植物功能群与环境因子间的关系,结果表明,挠力河浮游植物功能群受水环境因子影响较为显著,其中,pH、总磷(TP)、透明度(SD)、浊度(Tur)是影响浮游植物功能群分布的主要环境因子。

In order to study the seasonal succession characteristics and influencing factors of Phytoplankton functional groups in the Naoli River of Dajiahe Nature Reserve. Phytoplankton sampling analysis was performed on six sampling points separately in spring (May), summer (July) and autumn (October) of 2018. 140 species of 8 Phylum Phytoplankton were identified totally and divided into 21 functional groups, including L0, Tc, H1, M, P, K, D, C, MP, N, X3, E, T, Y, W1, W2, LM, X1, X2, F and J. Eight of them were important functional groups: L0, W0, D, MP, T, Y, W1, and X2. The seasonal variation of the Phytoplankton functional group in the Naoli River is characterized by D + Y → Tc + W1 → MP + Y. Relationship between Phytoplankton functional groups and environmental factors was explored by using Canonical Correspondence Analysis (CCA), the results showed that the Phytoplankton functional groups in the Naoli River were significantly affected by environmental factors, among them, pH, total PhosPhorus (TP), transparency (SD) and turbidity (Tur) were the main factors affecting the distribution of Phytoplankton functional groups.

1. 引言

浮游植物作为淡水水体的初级生产者,能够迅速对水环境的变化做出响应,因此通常将其作为指示性生物来评估水生态系统的健康状况 [1] 。传统的监测方法是基于系统分类学方法,忽略了浮游植物的生态功能 [2] 。Reynolds [3] 和Padisak等人 [4] 提出了浮游植物功能群的概念,根据浮游植物个体的形态学、生理学和生态学特征,将具有相似环境适应的浮游植物归为同一功能群 [5] ,现今共划分出39个浮游植物功能群。目前,在国内外已有大量研究报道浮游植物功能群,Devercelli等 [6] 探究了阿根廷下萨拉多河干流沿岸浮游植物群落结构与环境变量的关系,认为浮游植物功能群的季节和时间变化取决于当时的水文条件;Santana等 [7] 通过浮游植物组合指数(Q指数)对不同营养状态供水水库的生态状况进行了评价;君珊等 [8] 对拉萨河流域浮游植物群落结构特征及环境因子的关系进行探究,阐述了pH、化学需氧量、总氮、总磷是影响浮游植物群落结构的主要环境因子;向蓉等 [9] 探究了汝溪河浮游硅藻功能群特征与环境因子相关性,认为功能群能够较好地反映汝溪河特点。功能群分类方法比传统分类学方法可以更好地将功能群演替特征与水环境因子相结合,从而反映出水体特征和水环境健康状况,甚至可以对水质变化提供早期预警信息。因此,运用功能群方法监测水生态系统具有重要现实意义。

挠力河位于大佳河自然保护区的西北部,是乌苏里江的一级支流,发源于完达山脉北坡,河流全长为596公里,流向为自西南向东北,流域面积23,988平方公里。挠力河流域属温带大陆性季风气候特征,年均温3.5℃,年平均降水量518 mm,多集中于6~9月份 [10] 。挠力河以河床曲折,汛期常泛滥而著称,属典型的蛇形河。

挠力河流域经过近40年的开垦,耕地面积已由1954年的206 km2增加到2000年的1440 km2 [11] ,湿地的生态特征发生了显著的变化,大面积湿地被开垦,湿地面积正在逐年减少。随着湿地资源的破坏,造成了严重的环境污染,生物种类减少,生物多样性下降,挠力河湿地正面临着严重的威胁。

本文运用划分浮游植物功能群的方法,探讨功能群季节演替的特点,并利用CCA分析,对浮游植物功能群以及环境因子进行相关性分析,探究影响浮游植物功能群季节演替的主要环境因子,以期为挠力河流域湿地的保护和恢复提供理论依据。

2. 材料与方法

2.1. 采样点设置

分别于2018年春季(5月)、夏季(7月)、秋季(10月)三季对大佳河自然保护区挠力河流域进行水样及浮游植物样品采集。根据保护区内挠力河的水文情况及河流流经的周边环境特点共设置6个采样点,见图1,分别为S1 (小佳河镇北大桥)、S2 (桦林村北姜子家鱼池西)、S3 (桦林村老等窝)、S4 (菜嘴子村)、S5 (西丰镇河北村西大桥)和S6 (莲花村)。采样点地理位置与周边环境特征见图1表1

Figure 1. The sampling sites in Naoli river

图1. 挠力河流域采样点分布

Table 1. The location of sampling sites

表1. 采样点地理位置

2.2. 样品的采集、处理及鉴定

在各采样点用采水器采集1 L水样,现场加入10 ml Lugol试剂对其进行固定,带回室内,静置沉淀48 h后,吸出上清液,浓缩至50 ml,取0.1 ml置于浮游植物计数框内,在光学显微镜下进行种类鉴定和计数。每升水中浮游植物的数量应按下列公式计算 [12] :

N = C s F s F n V v P n

式中:Cs为计数框面积,mm2;Fs为视野面积,mm2;Fn为计数视野数;V为浓缩体积,mL;v为计数框容积,mL;Pn为计数个数。

浮游植物分类依据《中国淡水藻类:系统、分类及生态》 [13] 进行鉴定。浮游植物功能群的划分依据Reynolds等对浮游植物功能群的划分标准进行分类。

2.3. 理化指标的测定

采用YSI-6600多功能水质分析仪现场测定pH、水温(WT)、电导率(Cond)、氨氮质量浓度(NH4+-N)和浊度(Tur),透明度(SD)用塞奇氏盘测得。将采集的水样带回实验室,依据《水和废水监测分析方法》 [14] 对总氮质量浓度(TN)、总磷质量浓度(TP)及生物耗氧量(BOD5)等水化学指标进行测定。

2.4. 数据处理和分析

浮游植物功能群与环境因子的关系运用CANOCO for Windows 4.5软件进行分析,将除pH外的所有数据进行lg(x+1)的处理,使之趋于正态分布,首先进行去趋势对应分析(DCA),DCA结果显示排序轴最长梯度长度值为3.523,介于3.0~4.0之间,因此选用冗余分析(RDA)和典范对应分析(CCA)皆可,本文选用典范对应分析(CCA),对浮游植物功能群特征具有影响的环境因子进行分析。

3. 结果与分析

3.1. 浮游植物功能群组成

2018年5月至10月,大佳河保护区内挠力河流域通过采样分析共鉴定出浮游植物8门140种,其中硅藻门51种,绿藻门45种,裸藻门15种,蓝藻门14种,其他门类15种,共划分为21个功能群,分别为L0、K、Tc、H1、M、P、D、C、MP、N、X3、E、T、Y、W1、W2、LM、X1、X2、J、F (表2),其中将各采样点相对生物量>20%的功能群归为重要功能群,共划分出8个重要功能群,分别为L0、Tc、D、MP、T、Y、W1、X2。

Table 2. Composition of function groups in Naoli river

表2. 挠力河浮游植物功能群组成

Continued

3.2. 浮游植物功能群时空分布

图2中可以得知,功能群Y、D、MP是春、夏、秋三个季节最常见的种类;春季挠力河浮游植物功能群种类相对较少,以功能群D和MP较为常见,且生物量较高;功能群Tc主要出现在夏季S2采样点,且生物量很高;功能群X2是秋季最为常见的类群。根据各季节功能群平均相对生物量可以看出(图3),春季以功能群D、Y占优势,分别占44.15%和26.79%;夏季以功能群Tc占绝对优势,占98.12%,但是功能群Tc仅在夏季S2采样点出现且生物量远远大于其他所有功能群之和,从图2可以看出,功能群W1在夏季其他采样点占优势;秋季以功能群MP、Y占优势,分别占16.8%和14.38%。

Figure 2. Spatio-temporal variations of main phytoplankton functional groups in Naoli river

图2. 挠力河浮游植物功能群时空分布

Figure 3. Mean biomass of main phytoplankton functional groups in Naoli river

图3. 挠力河浮游植物功能群季节平均相对生物量

3.3. 影响浮游植物功能群分布的环境因子

CCA分析结果表明,轴1、轴2共解释了物种数据累计变化率的84.1% (表3),表明浮游植物功能群与环境因子之间有明显的相关性。与轴1最主要的正相关因子是pH (0.6218),其次为透明度(0.5819),最主要的负相关因子为浊度(−0.6173);与轴2最主要的正相关因子为总磷(0.4851),最主要的负相关因子为流速(−0.4409)。从图4可以看出,大部分功能群位于第一象限,如:功能群Y、X2、X3、P、T、D、L0等均与总氮、总磷、PH呈正相关;功能群M、H1、Tc等则与电导率、BOD和水温呈正相关。整体来看,pH、总磷、透明度、浊度是影响浮游植物功能群分布的主要环境因子。

Table 3. Canonical correspondence analysis results for phytoplankton functional groups

表3. 浮游植物功能群的CCA分析结果

Figure 4. CCA analysis of functional groups and environment factors

图4. 功能群与环境因子的CCA分析

4. 讨论

4.1. 浮游植物功能群的季节演替

通过对挠力河浮游植物不同时期的调查显示,浮游植物功能群存在季节差异,呈现出D + Y → Tc + W1 → MP + Y的变化特征。挠力河春季水体浑浊,水温较低,河流两岸有长势较好的杂草和高等水生植物,使得水体的光照强度较低。功能群D的代表种类为针杆藻和菱形藻,其适宜环境为含营养盐、低光照、浑浊的水体,因此能够在春季的水体中获得竞争优势。

蓝藻门生长的最适温度为25℃~35℃,随着夏季水温升高,蓝藻生长繁殖速度加快,逐渐占据优势。在夏季S2采样点,出现了蓝藻爆发的现象,由颤藻属和席藻属组成的功能群Tc的生物量远远大于其余各采样点浮游植物生物量之和。功能群Tc的适宜生境为富营养的静水或流速缓慢的水体,说明S2采样点受到上游居民排放的含有有机质的生活污水的影响,再加上河流流速缓慢,水温高,因此引起了蓝藻爆发。夏季除S2外的其它采样点,功能群W1的生物量较高甚至在个别采样点占优势。功能群W1以裸藻属为代表性种类,适宜生境为从农田或污水中获得有机质的浅水水体。由于挠力河流域两岸有大面积的农业耕地,农业灌溉频繁,同时,夏季降雨量大,降雨使得河流附近农田中的氮磷营养盐在地表径流的作用下被带到水中 [15] ,水体中的氮磷含量升高,为W1功能群提供了适宜的生存条件,并最终成为优势类群。

秋季为挠力河流域的丰水季,在秋季采样前不久挠力河流域发生过一次较大的洪水,水位的涨落使水体扰动明显,以舟形藻属和桥弯藻属为代表的功能群MP能够适应于频繁受到扰动的浑浊的水体,秋季挠力河的这种水文条件正好有助于功能群MP的生长繁殖,使之成为优势种群。

功能群Y由卵形隐藻和啮蚀隐藻组成,这类浮游植物具有鞭毛,能够利用鞭毛在水中进行垂直运动 [16] ,对光高敏感,喜冷水环境,因此在光照强度较弱、水温较低的春、秋两季占优势。功能群Y主要适应于牧食强度低的静水环境,说明挠力河流域浮游动物对浮游植物的牧食压力较小,这也与调查结果相一致,根据对挠力河浮游动物的鉴定分析,挠力河水体中滤食性枝角类浮游动物的数量较少。功能群D、MP、Y一般生活在营养盐较高的小型水体中 [17] ,也是挠力河流域最为常见的功能群种类,说明挠力河水体中的营养盐含量较高,水体呈富营养化状态。

4.2. 影响浮游植物功能群季节变化的环境因子

浮游植物功能群与环境因子间有密切的联系,温度、营养盐、光照强度和水动力学都是影响浮游植物生长的主要环境因子,同样也影响着浮游植物功能群的分布 [18] 。本文通过对浮游植物功能群与水环境因子进行CCA分析,结果显示,总磷、pH、透明度、浊度是影响浮游植物功能群分布的主要环境因子。氮、磷是浮游植物生长不可或缺的营养物质 [19] ,同时氮、磷的浓度对功能群分布有显著的影响。有研究表明,当N:P等于16:1时为浮游植物生长的最适条件,N:P > 16:1时受到磷限制,N:P < 16:1时受到氮限制 [20] 。挠力河流域春、夏、秋三季的氮磷比均远大于16:1,此时TP为浮游植物的限制因子,CCA分析结果表明,功能群N、T、P、X3与TP有显著相关性,因此,控制磷的排放量能够对浮游植物功能群的分布有一定限制作用。

挠力河流域春季泥沙和悬浮物较多,浊度较大,透明度较低,从图4可以看出,绝大多数功能群与浊度呈负相关,说明浊度大的水体限制了浮游植物的生长,导致春季浮游植物生物量较小。以栅藻属为代表的功能群J和浊度呈正相关,说明功能群J具有较广的耐受性,能适应随着浊度增大而光照强度变低的环境,这与陈倩 [21] 等对贵州百花水库的研究结果一致。蓝藻门功能群H1、M、Tc与浊度和温度呈正相关,与透明度呈负相关,这也解释了在夏季S2采样点功能群Tc占绝对优势的原因,夏季水温升高为蓝藻的繁殖提供了良好的条件,浮游植物生物量的增加使水体的透明度降低,为适合在低光照浊度高的水体中生长的功能群Tc创造了有利条件。功能群D与pH呈显著正相关,郑诚等 [22] 研究四明湖水库得出,水体环境中高pH值符合功能群D的生长需求,与本文的研究结果一致。

5. 结论

1) 挠力河流域共鉴定出浮游植物8门140种,划分为21个功能群,分别为L0、K、Tc、H1、M、P、D、C、MP、N、X3、E、T、Y、W1、W2、LM、X1、X2、J、F,其中重要功能群有8个,分别为L0、W0、D、MP、T、Y、W1、X2。

2) 挠力河浮游植物功能群季节变化呈现为D + Y → Tc + W1 → MP + Y的变化特征,根据功能群的季节变化特征反应出挠力河水体的营养盐含量较高,水体呈富营养化状态。

3) CCA分析结果表明,挠力河浮游植物功能群受水环境因子影响较为显著,其中,pH、总磷、透明度、浊度是影响浮游植物功能群分布的主要环境因子。

基金项目

“十三五”国家重点研发计划(2016YFC0500406)。

NOTES

*第一作者。

#通讯作者。

文章引用:
李上, 柴一涵, 赵予熙, 柳迪, 于洪贤, 张译文, 孙雅薇, 潘海峰, 孙旭, 王晓辉. 大佳河保护区挠力河流域浮游植物功能群季节演替特征[J]. 环境保护前沿, 2019, 9(5): 597-605. https://doi.org/10.12677/AEP.2019.95081

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