馬唯竣 王英偉丁俊男 史傳奇 梁雄偉

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150080)(黑龍江省寒區(qū)濕地生態(tài)與環(huán)境研究重點實驗室(哈爾濱學(xué)院))

浮游植物在濕地物質(zhì)循環(huán)和能量流動過程中發(fā)揮著重要作用，具有生長周期短、擴(kuò)散力強(qiáng)等特點，是生物地球化學(xué)作用中重要的一環(huán)[1]。作為濕地水生態(tài)系統(tǒng)中的初級生產(chǎn)者，其種類和數(shù)量是監(jiān)測和評價濕地環(huán)境變化的重要指標(biāo)之一[2-3]。采用浮游植物作為指示生物，通過分析其多樣性及其群落結(jié)構(gòu)特征，來反映濕地環(huán)境質(zhì)量狀況具有重要的參考價值[4-5]。同時，浮游植物通過“上下行效應(yīng)”控制和影響著其他營養(yǎng)級的群落結(jié)構(gòu)，可以直接或間接的作為魚蝦蟹等高營養(yǎng)級生物的食物，因此其群落結(jié)構(gòu)的變化會影響整個濕地生態(tài)系統(tǒng)中食物鏈結(jié)構(gòu)[6]。

阿勒錦島是松花江哈爾濱段經(jīng)過千百年江水沖積、流沙坐灘形成的江心洲，后經(jīng)島上植物群落演替，是我國河流濕地江心洲生態(tài)系統(tǒng)的典型代表，亦凝結(jié)著金源文化、驛遞文化的城市濕地人文縮影。阿勒錦國家濕地公園的建設(shè)對維護(hù)松花江流域生態(tài)安全和保護(hù)松花江濕地生態(tài)系統(tǒng)完整性，促進(jìn)哈爾濱濕地保護(hù)與恢復(fù)工作、灘島生態(tài)旅游和科普宣教均具有十分重要的意義[7]。目前，關(guān)于阿勒錦國家濕地公園濕地浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征尚未被研究報道。因此，本文對阿勒錦國家濕地公園的浮游植物群落結(jié)構(gòu)組成、多樣性指數(shù)分析和水質(zhì)評價進(jìn)行研究，以期為該濕地公園水資源的保護(hù)、利用以及環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

黑龍江哈爾濱阿勒錦島國家濕地公園是哈爾濱國際濕地城市的核心組成部分，位于黑龍江省哈爾濱市松北區(qū)阿勒錦島及其周圍水體。阿勒錦島形似梭形，四面環(huán)水，東西長約4.5 km，南北最寬約1.3 km，總面積419.0 hm2，位于45°47′30″～45°48′38″N、126°37′26″～126°40′29″E。阿勒錦島國家濕地公園地處中溫帶，屬半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，四季分明。無霜期平均135 d。濕地公園內(nèi)多年平均降水量542.4 mm，降水量季節(jié)變化大。

2 研究方法

2.1 浮游植物的采集及定性定量

根據(jù)《湖泊富營養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范(第2版)》和《水和廢水監(jiān)測分析方法(第4版)》標(biāo)準(zhǔn)，本研究于2020年7月進(jìn)行調(diào)查，分別在合理利用區(qū)(入口FZ1)、恢復(fù)重建區(qū)(中部FZ2)及生態(tài)保育區(qū)(出口FZ3)3個位置進(jìn)行了取樣調(diào)查(如圖1所示)。用25#(網(wǎng)孔直徑0.064 mm)浮游生物采集網(wǎng)縛于長2.0 m的竹竿上，將網(wǎng)置于水中，使網(wǎng)口在水面以下深約30.0 cm處，做“∞”形反復(fù)拖曳；定量時用浮游植物沉淀器進(jìn)行沉淀，濃縮至30.0 mL，倒入貼有標(biāo)簽的生物采樣瓶中，加魯格試劑帶回室內(nèi)，經(jīng)沉淀、濃縮，在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行鑒定。

圖1 阿勒錦島國家濕地公園水體樣品調(diào)查站點圖

浮游植物物種鑒定參考胡鴻鈞1980版《中國淡水藻類》[8-9]。硅藻鑒定主要根據(jù)硅藻殼面的形態(tài)及紋飾，為了清楚地看出殼面的紋飾，在鏡檢前，參照朱惠忠的方法對樣品進(jìn)行消化[10]，去除其中的有機(jī)物質(zhì)，鏡檢時吸取酸化后的樣品滴在干凈的載玻片上，風(fēng)干后滴加松泊油于奧林巴斯CX-41顯微鏡1 000倍鏡下觀察鑒定并拍照記錄。

2.2 數(shù)據(jù)分析

用浮游植物定量計數(shù)框進(jìn)行計數(shù)統(tǒng)計。計數(shù)完畢后，按下列公式，計算1.0 L水中浮游植物的個體數(shù)：

(1)

式中：N代表1.0 L水中浮游植物的個體數(shù)量；Cs代表計數(shù)框面積(mm2)；Fs代表每個視野的面積(mm2)；Fn代表計數(shù)過的視野數(shù)；V代表1.0 L水樣經(jīng)沉淀濃縮后的體積(mL)；U代表計數(shù)框的體積(mL)；Pn代表每片計數(shù)出的浮游植物個體數(shù)，計算全體浮游植物的個體數(shù)量。部分樣品冷凍送上海美吉公司生物云平臺測定定性生物樣品后，可以測定出每種浮游植物在浮游植物樣本中所占的比例，結(jié)合浮游植物樣本定量結(jié)果，計算出每種浮游植物的個體數(shù)量。

采用香濃Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)、Margalef物種豐富度指數(shù)(M)、Pielou均勻度指數(shù)(J′)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。將調(diào)查數(shù)據(jù)錄入計算機(jī)，利用SPSS17.0軟件對物種多樣性進(jìn)行分析。

物種多樣性分析采用香濃Shannon-Weiner多樣性指數(shù)公式：

(2)

物種豐富度指數(shù)采用Margalef豐富度指數(shù)公式：

m=(s-1)/lnN;

(3)

物種均勻性指數(shù)分析采用Pielou均勻性指數(shù)公式：

(4)

式中：M為浮游植物種類的總數(shù)目；Pi為第i種個體數(shù)占總個體數(shù)的比例；N為所有個體的總數(shù)；J為群落的均勻性指數(shù)；Hmax為在最大均勻性條件下的種多樣性值；S為群落中物種數(shù)[11]。

應(yīng)用CANOCO 4.5軟件進(jìn)行浮游植物與環(huán)境因子間的關(guān)系分析。在數(shù)據(jù)分析前進(jìn)行RDA分析，檢驗物種數(shù)據(jù)適合的模型。另外，在分析過程中對物種矩陣和環(huán)境變量均進(jìn)行l(wèi)g(x+1)轉(zhuǎn)換。

3 結(jié)果與分析

3.1 浮游植物群落組成結(jié)構(gòu)

將3個采樣點樣本高通量測定結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果如表1和圖1所示，阿勒錦島國家濕地公園內(nèi)共發(fā)現(xiàn)浮游植物7門9綱14目21科36屬41種(含變種)，其中，硅藻門(Bacillariophyta)2綱4目6科19種，比例占調(diào)查總數(shù)的46%；綠藻門(Chlorophyta)11種，比例占調(diào)查總數(shù)的27%；藍(lán)藻門(Cyanophyta)1綱2目4科6種，比例占調(diào)查總數(shù)的15%；甲藻門(Pyrrophyta)1綱1目1科1種，比例占調(diào)查總數(shù)的3%；裸藻門(Euglenophyta)2種，比例占調(diào)查總數(shù)的5%；金藻門(Chrysophyta)1綱1目1科1種，比例占調(diào)查總數(shù)的2%；隱藻門(Cryptophyta)1種，比例占調(diào)查總數(shù)的2%；且水體中未發(fā)現(xiàn)致病浮游植物。

3.2 浮游植物群落優(yōu)勢物種

阿勒錦島國家濕地公園浮游植物種類組成如圖2和圖3所示，綜合3個采樣點浮游植物種類所占比例取均值計算，每個采樣點浮游植物總屬數(shù)比例總和略小于1。根據(jù)高通量測定結(jié)果，同時結(jié)合光學(xué)顯微鏡確定優(yōu)勢種為小環(huán)藻屬(Cyclotella)、菱形藻屬(Nitzschia)、星桿藻屬(Asterionella)和針桿藻屬(Synedra)。

表1 阿勒錦島國家濕地公園浮游植物名錄

圖2 阿勒錦島國家濕地公園地表水體浮游植物種類組成(屬水平)

A小環(huán)藻屬(Cyclotella)；B星桿藻屬(Asterionella)；C菱形藻屬(Nitzschia)；D針桿藻屬(Synedra)。

3.3 浮游植物群落多樣性分析及水質(zhì)評價

阿勒錦島國家濕地公園浮游植物多樣性指數(shù)，如表2所示，3個采樣點平均香農(nóng)指數(shù)(H′)在3.01～3.47之間，取平均數(shù)為3.28；豐富度指數(shù)(M)在2.49～3.77之間；均勻度指數(shù)(J′)在0.36～0.52之間。根據(jù)水體鑒定標(biāo)準(zhǔn)[12](H′指數(shù)的水質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn)：H′指數(shù)為0～1時，水體為重污染；H′指數(shù)為1～3時，水體為中度污染；H′指數(shù)大于3時，水體為輕污染或無污染。)，水體為輕度污染或無污染。

表2 阿勒錦島國家濕地公園浮游植物多樣性指數(shù)

如表3所示，阿勒錦島國家濕地公園內(nèi)濕地水體在研究期內(nèi)水質(zhì)總體穩(wěn)定，pH接近中性。其中，溶解氧、pH值、五日生化需氧量、氨氮、總磷、總氮、氟化物、銅和鋅總體上符合國家Ⅳ類水體指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)[12]。

依據(jù)門水平優(yōu)勢類群與理化指標(biāo)，進(jìn)行冗余分析，如圖4，前2個排序軸解釋總變量的80%。各類群與第一排序軸成正相關(guān)，除pH外，各理化指標(biāo)與第一排序軸成負(fù)相關(guān)，說明多數(shù)優(yōu)勢類群與理化指標(biāo)成負(fù)相關(guān)，如硅藻門(Bacillariophyta)、藍(lán)藻門(Cyanophyta)、隱藻門(Cryptophyta)、金藻門(Chrysophyta)、甲藻門(Pyrrophyta)。裸藻門(Euglenophyta)與總氮、氨氮成正相關(guān)，綠藻門(Chlorophyta)與pH值，溶解氧成正相關(guān)。

表3 阿勒錦島國家濕地公園水質(zhì)理化指標(biāo)

圖4 浮游植物優(yōu)勢類群(門水平)與理化指標(biāo)冗余分析

4 討論

近年來，隨著哈爾濱市國際濕地城市的確立及旅游業(yè)的快速發(fā)展，由于人為因素的干擾，城市濕地內(nèi)的水體已呈現(xiàn)出水體質(zhì)量下降、富營養(yǎng)化程度加深、水體生物多樣性降低的現(xiàn)象，直接影響濕地的功能價值。浮游植物是濕地水生態(tài)系統(tǒng)中重要的組成部分，其種類和組成及季節(jié)性演替受非生物因子(光照、水位、溫度、營養(yǎng)鹽等)和生物因子(捕食和競爭等)的影響[13]。本研究于2020年7月對阿勒錦島國家濕地公園內(nèi)浮游植物種群特征研究結(jié)果表明，濕地公園內(nèi)浮游植物共有7門9綱14目21科36屬41種，其中門水平下主要優(yōu)勢種群為硅藻門、綠藻門和藍(lán)藻門。相關(guān)研究表明，國內(nèi)如張掖國家濕地公園、泰湖國家濕地公園、杭州濕地公園等濕地公園內(nèi)均有硅藻門和藍(lán)藻門為主要優(yōu)勢類群，其中綠藻門種群數(shù)量隨著季節(jié)的改變較為明顯[14-17]。另浮游植物不同門類具有不同的生理與生物特性，綠藻門和硅藻門的適口性和營養(yǎng)價值較高，對濕地公園周邊河流中魚類取食和生長具有重要意義[18-19]。

浮游植物種類一般采用電子顯微鏡鏡檢的鑒定方式，但隨著高通量測序技術(shù)的發(fā)展，采用分子技術(shù)對浮游植物種類鑒定已廣泛應(yīng)用。本研究通過傳統(tǒng)電子鏡檢結(jié)合高通量測序技術(shù)對浮游植物的種類進(jìn)行分析。本研究結(jié)果表明小環(huán)藻屬、星桿藻屬、菱形藻屬和針桿藻屬為濕地公園內(nèi)浮游植物主要的優(yōu)勢物種。相關(guān)研究表明，小環(huán)藻屬浮游植物可作為水體富營養(yǎng)化水平的指示生物[20]，其數(shù)量與河流的流速、硝態(tài)氮、磷酸鹽、硅酸鹽、氣溫、水溫等因素密切相關(guān)[21]。阿勒錦島國家濕地公園水體處于黑龍江省松花江哈爾濱段，河流水溫呈現(xiàn)春季低溫，夏季高溫，秋季回降的規(guī)律，而這也往往伴隨浮游植物群落結(jié)構(gòu)的演替，小環(huán)藻屬浮游植物作為優(yōu)勢物種表明該段河流水體尚處于清潔的狀態(tài)，但如不持續(xù)保持和加強(qiáng)管理，仍存在河流水質(zhì)惡化的風(fēng)險[22]。生物多樣性作為反映浮游植物群落生態(tài)特征的重要指標(biāo)，不僅可以用來評價水體的污染程度，還可以從生態(tài)系統(tǒng)層面反映其穩(wěn)定性[23]。水體中藻類的物種多樣性指數(shù)越高，其群落結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，穩(wěn)定性越高[24]。研究期內(nèi)阿勒錦島國家濕地公園各采樣點浮游植物多樣性指數(shù)變化表明水體處于為輕度污染或無污染狀態(tài)。通過水質(zhì)理化指標(biāo)結(jié)果表明，阿勒錦島國家濕地公園符合國家Ⅳ類水體指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。

溶解氧、pH值、氨氮、總氮等是浮游植物生長的首要物質(zhì)基礎(chǔ)，是調(diào)節(jié)浮游植物生長最重要的環(huán)境因子之一。本研究中除綠藻門外大部分浮游植物與溶解氧呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，這主要由于浮游植物在大量生長時由于光合作用對水體有較強(qiáng)的富氧作用，而在藻類大量死亡時則需要消耗大量溶解氧[25]。氮是浮游植物生長必須的營養(yǎng)元素，硅藻類浮游植物生長過程中需要消耗大量的氮元素，但在氮元素充足的情況下，許多水體中浮游植物生長往往受某種營養(yǎng)鹽的限制作用[26]。同時浮游植物是浮游動物的重要食物來源之一，氮、磷等元素主要通過影響浮游植物，進(jìn)而對浮游動物產(chǎn)生影響[27-28]。

5 結(jié)論

本研究結(jié)果表明阿勒錦島國家濕地公園浮游植物種類較為豐富，硅藻門、藍(lán)藻門和綠藻門為優(yōu)勢類群物種，可為濕地公園內(nèi)魚類提供食源；水體鑒定標(biāo)準(zhǔn)為輕度污染或無污染，且水質(zhì)符合國家Ⅳ類水體指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。裸藻門與總氮、氨氮成正相關(guān)，綠藻門與pH值、溶解氧成正相關(guān)。