陳 威,魏 南,金小偉,孟慶慶,于宗靈,趙 然
1.黑龍江省環(huán)境監(jiān)測中心站,黑龍江 哈爾濱 150056 2.中國環(huán)境監(jiān)測總站,國家環(huán)境保護環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點實驗室,北京 100012
隨著人口增長,公眾面臨的環(huán)境問題日益增加,尤為突出的是水資源的問題[1]。藻類植物是水生生物的主要組成部分,其組成與多樣性的變化直接影響到生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能[2]。
松花江發(fā)源于吉林省長白山天池,上游稱二道白河,在三岔河以上稱第二松花江,以下與嫩江匯合稱松花江,在同江附近注入黑龍江。松花江流域跨黑龍江、吉林、內(nèi)蒙古三省(自治區(qū)),流域面積為53.33萬hm2,在國內(nèi)僅次于長江流域、黃河流域位居第三,其中在黑龍江省流域面積為27.85萬hm2,占流域面積的52.22%。
松花江有2個發(fā)源地,以北源計河流長度為2 317 km,以南源計河流長度為1 839 km。松花江在黑龍江省境內(nèi)長度為939 km,吉林省境內(nèi)長度為1 378 km;流向為西南-東北;干流兩岸多為廣闊的平原,平均坡降為0.07%,干流水深為2~10 m。
河床多為砂質(zhì),水渾濁;上游河道寬度為370~850 m,中游寬度為290~330 m,下游寬度為1 500~3 000 m,沿岸地勢低洼[3]。松花江哈爾濱段流經(jīng)市區(qū),屬于溫帶、寒溫帶大陸性季風氣候區(qū),冬季寒冷而漫長,結(jié)冰期長達5、6個月[4-5]。
研究以保護松花江水域為目的,通過分析水體中藻類植物組成的生物多樣性以及數(shù)量等相關(guān)特征,結(jié)合水體理化指數(shù),研究松花江哈爾濱段藻類植物分布及其與環(huán)境因子的關(guān)系。
于2015年7—10月,對松花江哈爾濱段水域進行每月初一次的藻類樣品采集(圖1)。7月共設(shè)3個采樣點,分別為S2(45°45′N,126°32′E),S3(45°49′N,126°42′E),S4(45°55′N,126°47′E)。顯微鑒定統(tǒng)計后,發(fā)現(xiàn)S2~S4藻類豐度及種類組成差別較小,因此在8—10月增設(shè)S1(45°45′N,126°28′E)和S5(46°60′N,126°54′E)。其中S1為運糧河,臨近村莊,受人為活動影響較大;S2為朱順屯(原二水廠),是上游入水口;S3為阿什河口,其中下游為農(nóng)業(yè)區(qū);S4為呼蘭河口,工業(yè)廢水和生活污水排入河流,污染物超標;S5為大頂子山,人為活動較少。
圖1 松花江哈爾濱段采樣點示意圖Fig.1 Samplings diagram in Harbin section of Songhua River
藻類植物用25號浮游網(wǎng)采集;對于固著植物使用小刀或鑷子刮取。固定:加入4%甲醛溶液固定。定量植物采集:采集水樣1 L, 用魯格氏溶液固定, 靜置過夜后濃縮至20~30 mL,鏡檢并顯微觀察、統(tǒng)計密度,藻類植物定量樣品使用顯微鏡進行鑒定并計數(shù),標本鑒定主要依據(jù)胡鴻鈞、魏印心等著作文獻[6-10]用常規(guī)方法對藻類采集及鑒定[11]。采樣點現(xiàn)場測定:水溫、 酸堿度(pH)、電導率,實驗室24 h內(nèi)對總磷(TP)和總氮(TN)等理化指標的測定方法見文獻[12]。
運用Margalef、Shannon-Wienner、Simpson和Pielou等α多樣性指數(shù)描述群落內(nèi)種類多樣性[13]。各指數(shù)計算公式如下:
Margalef多樣性指數(shù)(H):
H=(S-1)/lnN
A:如果老想著要把文化帶出去,讓別人接受自己的文化,反而說明自己沒有自信。中國文化就是世界的,我們堅持自己就足夠了。每個國家都有自己獨特的文化,大家互相包容,互相共融就可以了。
Shannon-Wienner多樣性指數(shù)(H′):
H′=-∑(ni/N)×log2(ni/N)
Simpson多樣性指數(shù)(D):
D=1-∑[ni(ni-1)]/[N(N-1)]
Pielou均勻度指數(shù)(J):
J=H′/lnS
式中:S為藻類植物各種類數(shù),N為藻類植物總頻數(shù),ni為第i種個體數(shù)。
于7—10月對松花江哈爾濱段藻類進行采集,共獲得20個標本。經(jīng)鑒定藻類為120種,隸屬于6門、8綱、16目、25科、49屬(圖2)。綠藻門為25屬51種,占總體的42.5%;硅藻門為20屬43種,占總體的35.8%;裸藻門為4屬13種,占總體的10.8%;藍藻門為4屬10種,占總體的8.33%;黃藻門為2屬2種,占總體的1.67%;甲藻門為1屬1種,占總體的0.8%。整體水域種類組成上,主要以綠藻、硅藻、裸藻和藍藻為優(yōu)勢藻種(集群)。
圖2 松花江哈爾濱段藻類植物組成Fig.2 Algae composition in Harbin section of Songhua River
松花江哈爾濱段水域各采樣點在7—10月藻類植物豐度有明顯的變化(圖3)。7—10月藻類植物總豐度為7.46×105ind./L,變幅為1.14×105~3.44×105ind./L。由于7月末至8月松花江水量較大,水體流速加快,朱順屯和阿什河口藻類豐度出現(xiàn)明顯下降趨勢;朱順屯降幅為2.75×104ind./L,阿什河口降幅為3.10×104ind./L,呼蘭河口變化不大。8—9月,松花江哈爾濱段水域流速呈緩慢下降趨勢,各采樣點藻類植物豐度變化不明顯。而9—10月,由于水溫降低及營養(yǎng)鹽濃度升高,5個采樣點藻類植物豐度均增加,其中運糧河及大頂子山增幅最大,分別由1.50×104、6.26×104ind./L增加至4.02×104、1.08×105ind./L。陳家厚等[16]對松花江哈爾濱段藻類植物的研究表明:大頂子山航電樞紐工程蓄水導致著生藻類種類增加、生物密度加大、藍綠藻比例升高、污染指數(shù)下降。因此看出大頂子山采樣點較其他采樣點藻類數(shù)量更多。7月硅藻生長較活躍,其中,梅尼小環(huán)藻(CyclotellameneghinianaKützing)、變異直鏈藻(MelosiravariansAg.)和尖針桿藻(SynedraacusKützing)約占藻類豐度總數(shù)的45%。對于水域總體,梅尼小環(huán)藻(CyclotellameneghinianaKützing)、顆粒直鏈藻〔Celosiragranulata(Ehr.) Ralfs〕、尖針桿藻(SynedraacusKützing)、膨脹橋彎藻〔Cymbellatumida(Breb.ex Kutz.) Van Heurck〕和顆粒囊裸藻(TrachelomonasgranulataSwir. em.Defl.)為優(yōu)勢種。
圖3 松花江哈爾濱段藻類植物豐度變化Fig.3 Variation of algal abundance in Harbin section of Songhua River
松花江哈爾濱段5個采樣點7—10月群落優(yōu)勢種月度分布如表1所示。群落優(yōu)勢種(Y>0.02)由綠藻門、硅藻門、裸藻門、藍藻門和黃藻門物種組成。物種優(yōu)勢度(Y)是表示藻類植物群落中某一物種在其中所占優(yōu)勢的程度,公式表達為
式中:N表示各采樣點所有物種個體總數(shù),Ni為第i種的個體總數(shù),fi表示該物種在各個采樣點出現(xiàn)的頻率,當Y>0.02時,該物種為群落中的優(yōu)勢種。朱順屯共有17個優(yōu)勢種,阿什河口有20種,呼蘭河口有15種,運糧河有11種,大頂子山有15種。整體綜合分析可見:小球藻(ChlorellavulgarisBeijerinck)、顆粒直鏈藻〔Melosiragranulata(Ehr.) Ralfs〕和梅尼小環(huán)藻(CyclotellameneghinianaKützing)為5個采樣點共有優(yōu)勢種;其中,小球藻(ChlorellavulgarisBeijerinck)的優(yōu)勢度變化范圍為0.023~0.277,阿什河口10月優(yōu)勢度達到總水域峰值;顆粒直鏈藻〔Melosiragranulata(Ehr.) Ralfs〕的優(yōu)勢度變化范圍為0.026~0.163,朱順屯7月優(yōu)勢度達到總水域峰值;梅尼小環(huán)藻(CyclotellameneghinianaKützing)的優(yōu)勢度變化范圍為0.035~0.129,阿什河口10月優(yōu)勢度達到總水域峰值。芒刺囊裸藻〔Trachelomonasspinulosa(Skv.) Defl.〕和鈍脆桿藻(FragilariacapucinaDesmaziéres)是朱順屯的獨有優(yōu)勢種;四角十字藻(CrucigeniaquadrataMorren)、厚壁黃絲藻〔TribonemapachydermumC.C.Jao (Ag.) Kützing.〕、卷曲纖維藻〔Ankistrodesmusfalcatus(Corda) Ralfs〕和華麗星桿藻(AsterionellaformosaHassall)是阿什河口的獨有優(yōu)勢種;尖尾裸藻(EuglenaoxyurisSchmarda)和梭形裸藻(EuglenaacusEhrenberg)是呼蘭河口的獨有優(yōu)勢種,而大頂子山?jīng)]有獨有優(yōu)勢種。7—10月藻類植物優(yōu)勢種演替明顯。研究水域7—10月優(yōu)勢種統(tǒng)計,硅藻門和綠藻門種類比例最高。
表1 7—10月藻類植物優(yōu)勢種月度分布及優(yōu)勢度(Y>0.02)Table 1 Dominant species of algae and its dominance in July to October
由于藻類植物生命周期短,因此其對環(huán)境條件的變化會很快做出反應。藻類植物對淡水環(huán)境的變化有很強的敏感性,如對pH、電導率、水溫、TN和TP等營養(yǎng)條件的變化會產(chǎn)生相應反應。依據(jù)松花江哈爾濱段水域7—10月水理化指標可以發(fā)現(xiàn),7—10月,各采樣點溫度呈下降趨勢,變幅為20.4~12.4 ℃;TP濃度也呈下降趨勢,變幅為0.098~0.156 mg/L,各采樣點TP濃度平均值為0.183、0.145、0.148、0.168、0.138 mg/L;各采樣點電導率平均值為20.1、19.9、21.6、20.8、19.8 μS/cm,大頂子山電導率值最低;7—10月其余主要理化指標(pH、TN等)則保持相對穩(wěn)定,變化不明顯。
通過手工預選變量分析,TP和pH 2個變量的解釋量占所有環(huán)境因子解釋量的57.27%(0.512/0.894),可以說明TP與pH的變化是影響硅藻類群分布的主要因子[17-21]。分析松花江哈爾濱段水域藻類植物常見功能趨勢(DCA),排序結(jié)果顯示前兩軸長度梯度分別為3.789和2.755,故使用CCA排序方法說明實驗結(jié)果(圖4)。
注:“●”表示采樣點:2#~4#為運糧河8—10月采樣點;5#~8#為朱順屯7—10月采樣點;9#~12#為阿什河口7—10月采樣點;13#~16#為呼蘭河口7—10月采樣點;18#~20#為大頂子山8—10月采樣點;其中無1#和17#采樣點是由于運糧河及大頂子山7月沒有采樣,無數(shù)據(jù);“△”表示藻類植物,其代碼見表2。
表2 CCA圖中各藻類植物代碼表Table 2 List of algae plants in the CCA diagram
蒙特卡洛單因子檢驗法對5個理化因子檢驗后,將P<0.05的環(huán)境因子∶水溫(P=0.004)、電導率(P=0.038)、TP(P=0.026)和pH(P=0.046)引入CCA。被排除的環(huán)境因子為TN(P=0.344)。CCA排序軸中,前兩軸的特征值為0.483和0.309。種類與環(huán)境因子排序的關(guān)系系數(shù)達到了0.942和0.791,排序軸中顯示的數(shù)據(jù)較好反映了環(huán)境因子和藻類植物功能分組之間的關(guān)系。CCA排序軸的前兩軸數(shù)值共同解釋了藻類植物功能組群落變異的63.1%。其中TP與第一軸呈正相關(guān),電導率、水溫和pH與第一軸呈負相關(guān)(F=2.425P≤0.01)。
藻類植物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豐度特征。松花江哈爾濱段水域5個采樣點在7—10月的多樣性指數(shù)如圖5所示。7—10月H指數(shù)范圍為1.41~1.68,運糧河、朱順屯、阿什河口、呼蘭河口和大頂子山H指數(shù)平均值分別為1.41、1.61、1.68、1.33和1.39;H′指數(shù)范圍為2.40~2.63,各采樣點平均值分別為2.54、2.62、2.63、2.40和2.38;J指數(shù)范圍為0.16~0.20,各采樣點平均值分別為0.19、0.18、0.16、0.20、0.17;D指數(shù)范圍為0.85~0.91,各采樣點平均值分別為0.90、0.91、0.89、0.88和0.85。
圖5 松花江哈爾濱段藻類植物7—10月平均多樣性指數(shù)Fig.5 The average diversity index of algae in the Harbin section of Songhua River from July to October
研究中,共鑒定藻類120個分類單位,隸屬于6門、8綱、16目、25科、49屬。種群結(jié)構(gòu)以綠藻門、硅藻門和藍藻門為主。2005—2006年,欒卓等[18]對松花江哈爾濱段夏季硅藻研究顯示,2005—2006年在朱順屯和阿什河口,窄異極藻〔Gomphonemaangustatum(Kütz) Rabh〕、意大利直鏈藻〔Melosiragranulate(Ehr.) Ralf.〕和梅尼小環(huán)藻(CyclotellameneghinianaKütz.)為優(yōu)勢種;呼蘭河口以NaviculaJentzschiiGrun.和窄異極藻(Gomphonemaangustatum)為優(yōu)勢種群;大頂子山采樣點肘狀針桿藻〔Synedraulna(Nitzsch) Ehr.〕和梅尼小環(huán)藻(CyclotellameneghinianaKütz.)占優(yōu)勢地位。2015年夏季實驗,相同采樣點朱順屯和阿什河口硅藻相同優(yōu)勢種為尖針桿藻(Synedraacus)、顆粒直鏈藻(Melosiragranulata)、梅尼小環(huán)藻(CyclotellameneghinianaKütz.)、變異直鏈藻(Melosiravarians);鈍脆桿藻(Fragilariacapucina)為朱順屯獨有優(yōu)勢種;對比發(fā)現(xiàn),窄異極藻在該實驗S1及S2采樣點中不是優(yōu)勢種,由于窄異極藻能反映出水體貧營養(yǎng)狀況[19],而顆粒直鏈藻及變異直鏈藻為該實驗S1及S2優(yōu)勢種,并且直鏈藻對水環(huán)境變化非常敏感,除易受水溫條件的限制外,其在富營養(yǎng)化水體及污染水體中極易形成優(yōu)勢種群,為富營養(yǎng)化水體及污染水體的典型指示藻種[20-21],尖針桿藻及鈍脆桿藻為乙型中污帶優(yōu)勢種[22],S1及S2樣點硅藻優(yōu)勢種的變化反映出其水體富營養(yǎng)化程度加劇。呼蘭河口及大頂子山優(yōu)勢種不同年份對比后,由于NaviculaJentzschiiGrun.及窄異極藻優(yōu)勢種變化為顆粒直鏈藻、尖針桿藻及梅尼小環(huán)藻,并且梅尼小環(huán)藻和肘狀針桿藻[20]為污染指示種,則上述優(yōu)勢種說明其水質(zhì)富營養(yǎng)化程度及污染程度都有一定增加。閻齊等[23]于2008年對松花江哈爾濱段夏季藻類植物組成研究顯示,梅尼小環(huán)藻、肘狀針桿藻、微小色球藻、湖沼色球藻、四尾柵藻等為優(yōu)勢種,與筆者實驗研究結(jié)果相似,優(yōu)勢種變化不大。綜上所述,硅藻和綠藻是該江段藻類植物群落的重要組成類群,這與國際上江河藻類植物的群落組成模式較為一致。但是硅藻的種類豐富度略低于綠藻,很可能與調(diào)查江段的硅酸鹽含量有關(guān)。
群落結(jié)構(gòu)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,水位上升階段及隨時間變化是影響該水域藻類組成的主要因素。圖6顯示了7—10月松花江哈爾濱段藻類植物種類組成。
圖6 7—10月松花江哈爾濱段藻類植物種類組成Fig.6 Species composition of algal species in Harbin section of Songhua River from July to October
由圖6可見,7—8月,硅藻門和綠藻門藻類植物相對于其他藻類植物生長呈增加趨勢,增幅約為56%和118%;KOSEFF等的研究中也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象:大量降雨產(chǎn)生淡水,進入水域中使水體分層、密度梯度增大、垂向混合度減小,使部分藻類植物能夠聚集在表層接受適當?shù)墓庹铡囟鹊瓤焖偕L和繁殖[24],并且由于水流速的增加可能從上游帶來更多的藻類物種從而增強藻類豐富度的累積效應,也可以通過更強烈的水體攪動作用使已沉降藻類和底棲藻類重新懸浮回到表層水體中,由于松花江整段水域中以硅藻和綠藻為主,增加了硅藻和綠藻的種類豐富度,從而出現(xiàn)硅藻與綠藻增幅較大現(xiàn)象。此外,水位上漲對河床沉積物的沖刷可能使底泥懸浮[18],導致營養(yǎng)物質(zhì)進入水體循環(huán),增加營養(yǎng)鹽濃度,使江內(nèi)富營養(yǎng)化程度加劇。8—10月硅藻門和綠藻門藻類植物呈下降趨勢,降幅約為47%和62.5%;黃藻門和甲藻門藻類變化不明顯,此變化可能是由于降雨量驟減及泄洪等因素,水域內(nèi)水流速加快、密度梯度減小,從而使藻類植物生長和繁殖受到抑制。
從多樣性指數(shù)上看,S1~S5采樣點H指數(shù)均為1.5左右,為中污染;呼蘭河口(S4)采樣點中由于工業(yè)廢水和生活污水排入河流,污染物超標,造成H指數(shù)相對于其他采樣點較低(1.33),屬中污染,接近重污染,并在水域中發(fā)現(xiàn)典型富營養(yǎng)化種類,如顆粒直鏈藻〔Melosiragranulata(Ehr.) Ralfs〕,Gomphonemaparvulum(Kutz.) Grun.[18]。大頂子山(S5)H指數(shù)在各采樣點中最低(2.38),屬β-中污染,原因可能是大頂子山航電樞紐工程的建設(shè)造成了松花江哈爾濱段的水位升高和水流速下降[25],從而使此水域的群落結(jié)構(gòu)由硅藻緩慢向藍、綠藻演替,污染程度較以往升高;但由于其遠離市區(qū),人為活動較少,故在5個采樣點中污染相對較輕。各采樣點J指數(shù)均為0.20左右(屬間個體分布均較不均勻),分析原因是各采樣點受江內(nèi)水流速較快影響,藻類個體分布均較不均勻。D指數(shù)均接近1,說明松花江哈爾濱段整體水域內(nèi)物種分布數(shù)量較均勻。
光、水溫和營養(yǎng)鹽對藻類植物有重要影響,且由小到大的重要影響程度依次為光照、水溫和營養(yǎng)鹽[4]。在實驗中,7—10月水溫由20.4 ℃變化為12.4 ℃左右,總體呈下降趨勢;7—8月,營養(yǎng)鹽數(shù)據(jù)中,TP濃度由0.098 mg/L變化為0.156 mg/L左右,TN濃度由2.392 mg/L變化為2.412 mg/L左右,總體呈上升狀態(tài)。研究發(fā)現(xiàn),在營養(yǎng)鹽較低時,藻類組成中以小環(huán)藻和圓篩藻為主,這些藻類細胞體積較小,能耐受低營養(yǎng)環(huán)境,繁殖速度比大細胞藻類更快[26]。在豐水期后,松花江哈爾濱段水域水體透明度明顯升高、藻類植物豐度明顯降低,因此2015年7—8月透明度的升高與藻類的減少有關(guān)[27];磷是影響藻類植物生長必不可少的營養(yǎng)物質(zhì),對藻類植物的組成有明顯的影響[28],水體富營養(yǎng)化程度與TP含量密切相關(guān),TP是反映水體受污染程度及營養(yǎng)鹽水平的關(guān)鍵指標[29]。研究中,CCA排序軸與TP呈正相關(guān),表明研究水域藻類植物主要由TP限制因子驅(qū)動。
松花江哈爾濱段水域中,由于運糧河臨近村莊,人為活動明顯;阿什河口及呼蘭河口處于農(nóng)業(yè)和工業(yè)區(qū),其水體受農(nóng)業(yè)肥料及工業(yè)廢水、污染物影響較大,從而導致這3個采樣點電導率和TP濃度相對其他采樣點偏高,致使其水體基本處于富營養(yǎng)化狀態(tài)[30]。電導率是影響藻類植物群落結(jié)構(gòu)的重要環(huán)境因子,電導率的變化會引起藻類植物物種多樣性發(fā)生改變[31],通過較高的水體電導率可以推測其環(huán)境無機質(zhì)含量豐富[32]。CCA雙序圖顯示,除13#和18#采樣點外,呼蘭河口及大頂子山14#、15#、16#、19#、20#采集點藻類植物生長均與TP呈正相關(guān),與pH、水溫和電導率呈負相關(guān),其中大部分屬于硅藻門、藍藻門和綠藻門,在磷濃度較高,pH、水溫和電導率較低時生長較為旺盛;朱順屯及阿什河口5#、6#、7#、8#、9#、10#、11#、12#及13#、18#采樣點藻類植物生長與TP呈負相關(guān),與pH、水溫和電導率呈負相關(guān),表明其在磷濃度相對較低,pH、水溫和電導率較高時生長代謝速率較快、生長繁殖較為活躍;運糧河2#、3#、4#采樣點可由CCA雙序圖觀察到離坐標軸圓心較近,說明其受各環(huán)境因子影響較小。7月末水位上漲,致使7—8月TP與TN平均值由0.098、2.392 mg/L變化為0.156、2.412 mg/L左右,漲幅顯著,電導率由20.12 μS/cm變化為20.24 μS/cm,漲幅較??;這可能因為水位上升將流域內(nèi)大量泥沙顆粒帶入水庫,改變水體沉積物的狀態(tài),影響水體營養(yǎng)循環(huán)過程,降低枯水期低水位時期內(nèi)源營養(yǎng)的釋放,降低內(nèi)源營養(yǎng)循環(huán)的重要性,導致水體中外源營養(yǎng)輸入成為主要的營養(yǎng)來源[33]。
水生態(tài)系統(tǒng)中,最主要的生產(chǎn)者是藻類植物,也是水中溶解氧的重要提供者。對于松花江哈爾濱段水域總體而言,出現(xiàn)的優(yōu)勢種大部分為污染指示種,代表性藻種包括小球藻(ChlorellavulgarisBeijerinck)為α-ms(富營養(yǎng)型)指示種,鈍脆桿藻(FragilariacapucinaDesmaziéres)、梅尼小環(huán)藻(CyclotellameneghinianaKützing)等也均為污染指示種。水域中鑒定出的大部分甲藻、裸藻、囊裸藻、魚腥藻、柵藻、纖維藻及舟形藻也都屬于污染指示種。開展藻類植物的群落結(jié)構(gòu)特征及其與環(huán)境因子關(guān)系的研究,探尋能夠反映關(guān)鍵變量的指示生物,為生態(tài)修復、環(huán)境監(jiān)測及管理提供支持。研究分析了該水域藻類植物多樣性、硅藻組合與水環(huán)境的關(guān)系及降水之后對水體藻類植物的影響,有利于促進松花江哈爾濱段水域?qū)枮I地區(qū)的氣候和生態(tài)環(huán)境改善,同時對該地區(qū)藻類植物變化提供了參考數(shù)據(jù)。