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        吉林省興隆水庫浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征及其與環(huán)境因子的關(guān)系

        2018-09-21 08:59:46金香琴胡國宏
        關(guān)鍵詞:綠藻興隆營養(yǎng)鹽

        金香琴,胡國宏

        (吉林省水產(chǎn)科學(xué)研究院,吉林 長春 130033)

        浮游植物是水生生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)代謝和能量循環(huán)的初級生產(chǎn)者,具有體積小、代謝快、數(shù)量多、分布廣、對環(huán)境敏感等特點.浮游植物是浮游動物和一些魚蝦類的天然攝食來源,是食物鏈中的重要環(huán)節(jié)[1],其群落結(jié)構(gòu)對穩(wěn)定水生態(tài)系統(tǒng)平衡具有重要作用.浮游植物的生長受環(huán)境因子的影響較大,與水溫、溶解氧、pH、電導(dǎo)率、氮磷營養(yǎng)鹽、硅酸鹽具有明顯的相關(guān)關(guān)系,特別是氮磷營養(yǎng)鹽[2-7].有研究表明,在有機(jī)物充足的條件下,氮磷營養(yǎng)鹽的結(jié)構(gòu)(N/P)直接影響浮游植物生長的限制因子[8].水體中的氮、磷含量直接決定浮游植物的增值速率,反映水體富營養(yǎng)化進(jìn)程.也有研究發(fā)現(xiàn),比起總氮、總磷含量大小,氮磷營養(yǎng)鹽的不同存在形態(tài)對水華藻類的生長起著關(guān)鍵作用[9].由于水生態(tài)系統(tǒng)的差異性和復(fù)雜性,環(huán)境因子對浮游植物生長的影響還存在較大的爭議,因此有必要對不同地區(qū)湖泊類型環(huán)境因子進(jìn)行深入的研究.

        興隆水庫位于吉林省通榆縣城西北45 km處,是坐落在松花江流域霍林河北股河道上的一個平原中型水庫,是吉林西部鹽堿地區(qū)比較典型的湖泊類型.興隆水庫校核洪水位162.35 m,正常需水量為3 100萬m3,以防洪、生態(tài)養(yǎng)殖為主.興隆水庫是吉林省河湖連通工程中連接向海自然保護(hù)區(qū)和霍林河的重要節(jié)點.自工程實施以來,原本干涸的興隆水庫得以補(bǔ)水,水庫濕地面積逐漸增加,生物多樣性也逐漸提高,生態(tài)環(huán)境逐漸恢復(fù).目前對興隆水庫水質(zhì)狀況以及浮游植物多樣性方面的研究基本空白,對漁業(yè)綜合利用方面不能提供有效數(shù)據(jù).為此,筆者于2016年春、夏、秋季對興隆水庫的浮游植物種類組成、優(yōu)勢種、現(xiàn)存量以及生物多樣性進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查,同時進(jìn)行了水環(huán)境因子的檢測,探究了浮游植物與環(huán)境因子的關(guān)系,以為水環(huán)境保護(hù)和河湖連通工程生態(tài)修復(fù)效果提供有效的基礎(chǔ)資料.

        1 材料與方法

        1.1 采樣點設(shè)置

        圖1 興隆水庫采樣點分布

        2016年5月(春季)、7月(夏季)和9月(秋季),分別對興隆水庫進(jìn)行了3次采樣,根據(jù)庫區(qū)狀況設(shè)置了5個采樣點,分別記為1#—5#,見圖1.

        1.2 樣品的采集與處理

        用多參數(shù)水質(zhì)分析儀(SEBA MPS16,德國)現(xiàn)場原位測定水溫(Tem)、pH、電導(dǎo)率(Cond)、總?cè)芙夤腆w(TDS)、溶解氧(DO)、氧化還原電位(ORP)、濁度(Turb)、總懸浮物(TSS).透明度(SD)用塞氏盤現(xiàn)場測定.5日生化需氧量(BOD5)、總氮(TN)、總磷(TP)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、銨氮(NH4-N)、亞硝酸鹽氮(NO2-N)的測定參考《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第四版)[10].

        浮游植物分為定性樣品和定量樣品的采集.定性樣品采用網(wǎng)撈法,即用25號浮游生物網(wǎng)在水下0.5~1.0 m處呈“∞”字形拖曳3~5 min,撈取的樣品加甲醛溶液固定.定量樣品利用采水器采取1 L水樣,用15 mL魯格氏液固定后沉淀48 h濃縮至30 mL,利用目視法鑒定并計數(shù).樣品鑒定參考相關(guān)文獻(xiàn)[11-13]進(jìn)行.

        1.3 優(yōu)勢度及多樣性指數(shù)的計算

        (1) 優(yōu)勢度(Y).計算公式為

        Y=Pi×fi.

        式中:Pi為第i種浮游植物的個體數(shù)占總個體數(shù)的比例;fi為第i種浮游植物出現(xiàn)的頻率.當(dāng)Y≥ 0.02時為優(yōu)勢種.

        (2) 多樣性指數(shù).選擇Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)、Simpson豐富度指數(shù)(D)、均勻度指數(shù)(J)三種,計算公式為

        式中:S為浮游植物的種類數(shù);Pi為第i種浮游植物的個體數(shù)占總個體數(shù)的比例.

        1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

        運用Microsoft Excel 2007軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,并用SPSS 22.0軟件進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA)和Pearson相關(guān)性分析.

        2 結(jié)果與分析

        2.1 水質(zhì)理化指標(biāo)

        興隆水庫水質(zhì)調(diào)查結(jié)果見表1.由表1可見,興隆水庫水溫具有明顯的季節(jié)性變化,7月份平均水溫達(dá)到26.46℃;電導(dǎo)率在不同月份依次發(fā)生變化,9月>7月>5月,變化范圍不大,但電導(dǎo)率整體偏高;總?cè)芙夤腆w(TDS)質(zhì)量濃度變化范圍為0.376~0.431 mg/L,9月>7月>5月,與電導(dǎo)率變化趨勢相同;氧化還原電位(OPR)變化范圍為176.2~303.0 mV;整個水域pH值較高,偏堿性,平均值為9.65,5月份顯著高于9月份;整個水域透明度較高,均超過50 cm;溶解氧變化在5.131~8.898 mg/L.興隆水庫BOD5變化范圍為1.19~3.06 mg/L,9月>7月>5月.CODMn變化范圍為27.24~44.44 mg/L,5月份平均為30.73 mg/L,7月份平均為40.80 mg/L,9月份為40.68 mg/L,7月和9月明顯高于5月份.5—9月總氮質(zhì)量濃度變化范圍為0.887~2.230 mg/L,7月份總氮質(zhì)量濃度要高于5月和9月,7月份平均為2.05 mg/L,9月份平均為1.606 mg/L,5月份平均為0.987 mg/L.5—9月氨氮質(zhì)量濃度的變化范圍為0.348~0.77 mg/L,9月>7月>5月,9月份氨氮平均質(zhì)量濃度為0.676 mg/L,7月份為0.528 mg/L,5月份為0.446 mg/L,各采樣點之間無明顯差異.興隆水庫5—9月亞硝酸鹽氮質(zhì)量濃度變化范圍為0.027~0.089 mg/L,9月>7月>5月,9月份亞硝酸鹽氮平均質(zhì)量濃度為0.082 mg/L,7月份平均為0.062 mg/L,5月份平均為0.035 mg/L,各采樣點之間無明顯差異.5—9月總磷質(zhì)量濃度變化范圍為0.084~0.168 mg/L,7月>9月>5月,7月份總磷平均質(zhì)量濃度為0.148 mg/L,9月份平均為0.135 mg/L,5月份平均為0.116 mg/L,7月和9月份明顯高于5月份.

        2.2 浮游植物群落結(jié)構(gòu)

        2.2.1 浮游植物種類組成及優(yōu)勢種

        調(diào)查期間共采集到浮游植物171種,隸屬于6門86屬,其中:硅藻門22屬42種,甲藻門4屬6種,裸藻門6屬18種,綠藻門41屬83種,隱藻門1屬2種.研究調(diào)查得出的優(yōu)勢種共8種,綠藻門3種,藍(lán)藻門5種.優(yōu)勢種在不同季節(jié)表現(xiàn)出不同的優(yōu)勢度:5月份優(yōu)勢種主要為綠藻門,而7月份優(yōu)勢種全部都是藍(lán)藻門,9月份綠藻門和藍(lán)藻門各占一半(見圖2、表2).

        圖2 興隆水庫浮游植物種類組成

        門 類種 類5月7月9月綠藻門小空星藻Coelastrum microporum0.020狹形纖維藻Ankistrodesmus angustus0.0230.059小球藻Chlorella vulgaris0.0280.556藍(lán)藻門狹小顫藻Oscillatoria angustissima0.0250.336簡單顫藻Oscillatoria simplicissima0.025點型平裂藻Merismopedia punctata0.057微小平裂藻Merismopedia tenuissima0.048柔細(xì)束絲藻Aphanizomenon gracile0.1330.150

        2.2.2 浮游植物密度及生物量

        興隆水庫各采樣點5月份浮游植物細(xì)胞密度為6.28×106~13.82×106個/L,平均值為9.83×106個/L;7月份浮游植物細(xì)胞密度為35.68×106~152.93×106個/L,平均值為78.73×106個/L;9月份浮游植物細(xì)胞密度為84.89×106~153.98×106個/L,平均值為119.51×106個/L.不同月份各浮游植物類群對細(xì)胞密度的貢獻(xiàn)率不同(見圖3),5月份綠藻門密度占總密度的85.29%,藍(lán)藻門占8.20%;7月份藍(lán)藻門占74.07%,綠藻門占22.58%;9月份藍(lán)藻門占67.46%,綠藻門占29.88%.不同月份浮游植物密度存在差異,單因素方差分析表明,5月份與7月份差異顯著(P<0.05),5月份與9月份差異為極顯著(P<0.01).

        興隆水庫各采樣點5月份浮游植物生物量為1.208~3.520 mg/L,平均值為2.495 mg/L;7月份浮游植物生物量為5.281~25.894 mg/L,平均值為10.002 mg/L;9月份浮游植物生物量為5.925~13.432 mg/L,平均值為8.659 mg/L.不同月份各浮游植物類群對生物量的貢獻(xiàn)率不同(見圖3),5月份綠藻門生物量占總生物量的61.81%,硅藻門占35.43%;7月份裸藻門占54.07%,綠藻門占15.70%,藍(lán)藻門占13.34%;9月份綠藻門生物量占總生物量的33.79%,裸藻門占27.51%,藍(lán)藻門占25.80%.不同月份浮游植物生物量之間不存在顯著性差異.

        圖3 浮游植物各類群的貢獻(xiàn)率

        2.2.3 多樣性指數(shù)

        興隆水庫浮游植物物種多樣性指數(shù)結(jié)果見表3.Simpson物種豐富度指數(shù)依次為5月(0.912)>7月(0.836)>9月(0.576);Shannon-Wiener多樣性指數(shù)依次為7月(3.834)>5月(3.794)>9月(3.536);Pielou均勻度指數(shù)依次為5月(0.746)>9月(0.675)>9月(0.654).

        表3 浮游植物物種多樣性指數(shù)

        2.3 興隆水庫浮游植物種群與環(huán)境因子之間的關(guān)系

        對不同月份各項環(huán)境因子均值及其與浮游植物細(xì)胞密度的關(guān)系進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果見表4.結(jié)果顯示,浮游植物密度與TDS、BOD5、CODMn、銨態(tài)氮、亞硝酸鹽氮、總氮含量呈正相關(guān),與DO含量呈負(fù)相關(guān).各環(huán)境因子中銨態(tài)氮與TDS、BOD5、CODMn含量呈正相關(guān),而與DO含量呈顯著負(fù)相關(guān);亞硝酸鹽氮與TDS、CODMn、銨態(tài)氮含量呈顯著正相關(guān),與DO含量呈負(fù)相關(guān).

        表4 興隆水庫各樣點理化指標(biāo)與浮游植物細(xì)胞密度相關(guān)性分析

        注:*表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān);**表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)

        3 討論

        興隆水庫水體pH值普遍較高,這是由當(dāng)?shù)赝寥赖柠}堿性質(zhì)和水體中生物的呼吸作用所致.興隆水庫水體中總氮、總磷質(zhì)量濃度常年較高,特別是在7月份,根據(jù)環(huán)境因子進(jìn)行評價,興隆水庫處于富營養(yǎng)水平.此外,監(jiān)測到的浮游植物優(yōu)勢種主要為綠藻門的空星藻屬(Coelastrum)、小球藻屬(Chlorella),藍(lán)藻門的顫藻屬(Oscillatoria)、平列藻屬(Merismopidia)、尖頭藻屬(Raphidiopsis),這些均屬于富營養(yǎng)水體的優(yōu)勢物種,也說明興隆水庫受到一定的污染,富營養(yǎng)化水平正在加劇.根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002),興隆水庫調(diào)查水域水質(zhì)處于Ⅱ—Ⅴ類、甚至超Ⅴ類.由此可見,興隆水庫水質(zhì)惡化的驅(qū)動因子是營養(yǎng)鹽,這主要是由于大范圍的漁業(yè)養(yǎng)殖活動,以及興隆水庫水域長年封閉沒有流水交換營養(yǎng)鹽在水庫內(nèi)積累導(dǎo)致的.

        浮游植物群落結(jié)構(gòu)組成與水環(huán)境變化息息相關(guān).本次調(diào)查表明,興隆水庫浮游植物群落結(jié)構(gòu)具有明顯的季節(jié)性差異.春季主要以綠藻為優(yōu)勢種,而且綠藻門在細(xì)胞密度和生物量貢獻(xiàn)率上占主要部分,這可能是由于春季浮游動物生長緩慢,對藻類的捕食壓力較小,利于個體小、能夠迅速吸收營養(yǎng)鹽并進(jìn)行繁殖的種類生長.夏季主要以藍(lán)藻門為優(yōu)勢種,藍(lán)藻門在總細(xì)胞密度中占較大比例,這是由于夏季水溫升高、光照增強(qiáng),促進(jìn)了藻類生長引起的.有研究表明,優(yōu)勢種的大量生長會導(dǎo)致種群間競爭作用降低,群落結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,增加水體發(fā)生水華的風(fēng)險[12].

        對興隆水庫浮游植物密度與環(huán)境因子的相關(guān)性分析顯示,浮游植物密度與銨態(tài)氮、亞硝酸鹽氮、總氮含量呈顯著正相關(guān),這說明浮游植物的生長與氮營養(yǎng)鹽濃度關(guān)系密切.因此,對興隆水庫富營養(yǎng)化的防治應(yīng)集中在控制氮營養(yǎng)鹽的輸入.各環(huán)境因子中,銨態(tài)氮、亞硝酸鹽氮、總氮含量與溶解氧含量呈負(fù)相關(guān),這與其他學(xué)者的研究結(jié)果[3]相同.在有氧條件下,銨態(tài)氮經(jīng)亞硝酸細(xì)菌作用轉(zhuǎn)化為亞硝酸,之后經(jīng)硝酸細(xì)菌的作用轉(zhuǎn)化為硝酸鹽.亞硝酸細(xì)菌和硝酸菌都是好氧菌,適宜在中性和偏堿性的環(huán)境中生長[13].而藻類及其他微生物將硝酸鹽作為氮源進(jìn)行利用.這也說明,溶解氧濃度高時,硝化作用增強(qiáng),銨態(tài)氮和亞硝酸含量降低,硝酸鹽含量增加,藻類可利用的氮源增加其生長也加快.

        4 結(jié)論

        興隆水庫浮游植物物種組成豐富,生物量較高,而且具有明顯的季節(jié)性,優(yōu)勢種主要為藍(lán)藻門和綠藻門.浮游植物Shannon-Wiener多樣性指數(shù)較高,群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較強(qiáng),而影響浮游植物生長的主要營養(yǎng)鹽因子為銨態(tài)氮、亞硝酸鹽氮、總氮含量.興隆水庫水質(zhì)處于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)Ⅱ—Ⅴ類甚至超Ⅴ類,造成水質(zhì)惡化的驅(qū)動因子是營養(yǎng)鹽.因此,興隆水庫要應(yīng)對營養(yǎng)鹽的增加采取有效措施,以防止水質(zhì)繼續(xù)惡化,避免水華的發(fā)生.

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