王東偉，龔江，楊曉曦，趙偉，周彥鋒，*

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 無錫漁業(yè)學(xué)院，江蘇 無錫 214081； 2.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院淡水漁業(yè)研究中心 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江下游漁業(yè)資源環(huán)境科學(xué)觀測實驗站，江蘇 無錫 214081； 3.懷遠(yuǎn)縣農(nóng)業(yè)綜合行政執(zhí)法大隊，安徽 蚌埠 233499)

浮游植物是水域生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)者，其作為水生動物的能量來源，是影響漁業(yè)生產(chǎn)的重要生物因素之一，浮游植物生長周期短、易受環(huán)境因子變化影響，其密度、生物量及時空分布特征均可作為評價水域生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境因子變化的重要指標(biāo)[1-2]。浮游植物是水生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是水生生物食物鏈的重要環(huán)節(jié)，對水域生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)、能量流動和水域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定具有顯著影響[3-4]。郭杰等[5]研究表明，長江荊江段浮游植物的種類組成、豐度和生物量具有明顯的空間異質(zhì)性，溶氧、溫度和氨氮是影響浮游植物群落結(jié)構(gòu)的主要環(huán)境因子。馬煜等[6]研究表明，松花江哈爾濱段浮游植物群落結(jié)構(gòu)對該河段生境的時空異質(zhì)性響應(yīng)明顯，電導(dǎo)率、總磷、pH和濁度是驅(qū)動浮游植物群落結(jié)構(gòu)時空分布的主要環(huán)境因子。因此，探究浮游植物群落結(jié)構(gòu)不僅對水質(zhì)理化因子監(jiān)測具有重要意義，同時也可為制定水生生物資源保護(hù)措施與管理策略提供科學(xué)依據(jù)。

水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)對科學(xué)利用自然資源、維護(hù)生態(tài)平衡及保護(hù)生物多樣性具有十分重要的意義?；春忧G涂峽鯉、長吻鮠國家級水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)(以下簡稱保護(hù)區(qū))于2013年成立，位于安徽省懷遠(yuǎn)縣淮河荊涂峽山口、渦河下游和茨淮新河下游。陳豪等[7]、張珊等[8]研究了淮河流域浮游生物及其環(huán)境影響因子，但針對該保護(hù)區(qū)浮游植物的生物學(xué)研究鮮見報道。本研究中，通過調(diào)查保護(hù)區(qū)浮游植物的群落結(jié)構(gòu)組成，分析其結(jié)構(gòu)特征、時空格局及其環(huán)境影響因子，以期為淮河荊涂峽鯉、長吻鮠國家級水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)的生態(tài)保護(hù)及生物完整性評價提供數(shù)據(jù)支撐，為動態(tài)調(diào)整增殖放流規(guī)劃和制定水生生物保護(hù)規(guī)范提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域和采樣點

1.1.1 研究區(qū)域概況 保護(hù)區(qū)(117°05′39″～117°15′31″E，32°47′59″～33°00′03″N)全長為32.9 km，總面積為16.71 km2，其中，核心區(qū)面積為7.53 km2，試驗區(qū)面積為9.18 km2。該保護(hù)區(qū)北至渦河入淮河口處，西至荊山，東至涂山，南至茨淮新河入淮河口處，包括淮河荊涂峽山口上下游及兩條支流(渦河、茨淮新河)，屬溫帶半濕潤季風(fēng)氣候，年平均氣溫為15.4 ℃，降雨量900 mm左右，年徑流量為808.82 m3/s[9]，沿河兩側(cè)以崗坡地、湖地和灣地為主，周邊土地多用于農(nóng)業(yè)種植和人口居住[10]。保護(hù)區(qū)保護(hù)對象除鯉和長吻鮠外，還包括青魚、草魚、鰱、鳙、刀鱭、黃顙魚和鲇等。

1.1.2 采樣站位及采樣時間 根據(jù)保護(hù)區(qū)水域地形地貌和水文特征，共設(shè)置6個監(jiān)測斷面。斷面1、2位于渦河，斷面5、6位于淮河干流，斷面3位于渦河與淮河交匯處，斷面4位于茨淮新河和淮河交匯處，斷面3、4屬于保護(hù)區(qū)核心區(qū)水域。每個斷面設(shè)置3個采樣點，共計18個采樣點(圖1)。采樣時間分別為2020年冬季(1月)、春季(4月)、夏季(8月)和秋季(10月)，每個季節(jié)采集1次，共采集4次。

圖1 保護(hù)區(qū)調(diào)查站位示意圖Fig.1 Schematic diagram of survey sample stations in the reserve

1.2 方法

1.2.2 浮游植物樣品的采集與鑒定 浮游植物樣品按照《淡水浮游生物研究方法》[11]進(jìn)行采集。采用25#浮游生物網(wǎng)(孔徑75 μm，網(wǎng)袋入口直徑20 cm，網(wǎng)錐體側(cè)面動線長50 cm)采集定性樣品，在水深0.5 m處以0.5 m/s的速度呈“∞”型拖拉5 min，帶回實驗室在10×40倍光學(xué)顯微鏡下觀察分類。浮游植物鑒定主要依據(jù)《淡水微型生物與底棲動物圖譜(第2版)》[12]和《中國淡水藻類：系統(tǒng)、分類及生態(tài)》[13]。

用有機(jī)玻璃采水器在水深0.5 m處采集樣品 1 L，現(xiàn)場加入15 mL魯哥試劑并搖勻，帶回實驗室靜置沉淀24 h后，濃縮并定容至25 mL待鏡檢。用0.1 mL浮游植物計數(shù)框在10×40倍光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行計數(shù)。計數(shù)時充分搖勻濃縮液，取0.1 mL樣品放入計數(shù)框中，觀察100個視野。對量小而個體大的物種在10×10倍下全片計數(shù)。每個樣品計數(shù)兩片，取其平均值作為最終結(jié)果。若兩片計數(shù)結(jié)果相差15%以上，則進(jìn)行第三片計數(shù)，取其中個數(shù)相近的兩片平均值。最后換算成每升水樣中藻類的細(xì)胞個數(shù)，即為細(xì)胞數(shù)量(cells/L)。由于浮游植物的密度接近1，故可以直接由浮游植物的體積換算為生物量(濕質(zhì)量)，即生物量為浮游植物的數(shù)量乘以各自的平均體積(mg/L)。

1.2.3 浮游植物多樣性及水質(zhì)營養(yǎng)狀態(tài)評價 浮游植物Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)、Pielou均勻度指數(shù)(J)和 Margalef豐富度指數(shù)(D)計算公式分別為

(1)

J=H′/log2S,

(2)

D=(S-1)/log2S。

(3)

其中：S為浮游植物物種數(shù)；N為浮游植物個體總數(shù)；Ni為第i種浮游植物個體數(shù)。

浮游植物優(yōu)勢種屬采用優(yōu)勢度(Y)描述，優(yōu)勢度計算公式為

Y=fi·Pi。

(4)

其中：fi為第i種浮游植物的出現(xiàn)頻率；Pi為第i種浮游植物密度占總浮游植物密度的比例，當(dāng)Y≥0.02時，定為優(yōu)勢種。

水質(zhì)綜合營養(yǎng)狀態(tài)評價參照王明翠等[14]的方法。利用Chl-a、TP、TN、SD和CODMn指數(shù)計算得出，綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)計算公式為

(5)

其中：Wj為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)相關(guān)權(quán)重；TLI(j)為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；m為評價參數(shù)的個數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 26.0軟件對浮游植物生物量、密度、物種數(shù)和物種多樣性數(shù)據(jù)之間的時空差異進(jìn)行單因素方差分析(ANOVA)和成對樣本T檢驗。采用Canoco 5軟件進(jìn)行冗余RDA(redundancy analysis)分析。為使數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，其優(yōu)勢種種群數(shù)據(jù)矩陣經(jīng)過lg(x+1)轉(zhuǎn)換，環(huán)境因子數(shù)據(jù)矩陣除pH外進(jìn)行l(wèi)g(x+1)轉(zhuǎn)換，并對環(huán)境因子進(jìn)行蒙特卡洛檢驗(Monte Carlo permutation test)，選擇出顯著影響的因子，顯著性水平設(shè)為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 浮游植物種類組成

保護(hù)區(qū)調(diào)查期間，共鑒定到浮游植物8門71屬143種，包括藍(lán)藻門Cyanophyta 13屬23種、甲藻門Pyrrophyta 2屬2種、硅藻門Bacillariophyta 15屬28種、隱藻門Cryptophyta 2屬3種、裸藻門Euglenophyta 3屬13種、綠藻門Chlorophyta 33屬71種、金藻門Chrysophyta 2屬2種和黃藻門Xanthophyta 1屬1種。其中，綠藻門在浮游植物物種數(shù)上有顯著優(yōu)勢，占總物種數(shù)的49.65%；其次為硅藻門和藍(lán)藻門，分別占19.58%和16.08%，黃藻門最低，占0.70%。浮游植物種類呈現(xiàn)夏季(101種)>春季(58種)=秋季(58種)>冬季(41種)。從空間格局來看，試驗區(qū)和核心區(qū)的浮游植物物種數(shù)無顯著性差異(P>0.05)，但渦河水域的裸藻門、綠藻門物種數(shù)均顯著高于淮河干流水域(P<0.05)。不同季節(jié)各采樣斷面浮游植物物種數(shù)占總物種數(shù)的比例如圖2所示。

圖2 不同季節(jié)各采樣斷面浮游植物物種數(shù)占比Fig.2 Proportion of phytoplankton species in each sampling section in different seasons

2.1.1 優(yōu)勢種種類組成 保護(hù)區(qū)浮游植物優(yōu)勢種共有13種(表1)，其中，藍(lán)藻門和綠藻門各4種，硅藻門和隱藻門各2種，金藻門1種。優(yōu)勢種數(shù)量呈現(xiàn)秋季>夏季=冬季>春季的季節(jié)變化特征，且夏季優(yōu)勢種多為藍(lán)藻門，優(yōu)勢種的優(yōu)勢度峰值主要呈現(xiàn)春夏季藍(lán)藻門、秋季硅藻門、冬季藍(lán)藻門的變化特征。梅尼小環(huán)藻Cyclotellameneghiniana、尖尾藍(lán)隱藻Chroomonasacuta和衣藻Chlamydomonassp.在全年的優(yōu)勢較明顯，在3個季度均形成優(yōu)勢。

表1 不同季節(jié)浮游植物優(yōu)勢種及優(yōu)勢度Tab.1 Dominant species and dominance of phytoplankton in different seasons

2.1.2 群落結(jié)構(gòu)多樣性 從表2可見：保護(hù)區(qū)浮游植物Shannon-Wiener多樣性指數(shù)變動范圍為1.48～3.08，平均值為2.41±0.44；Pielou均勻度指數(shù)為0.46～0.96，平均值為0.78±0.14；Margalef豐富度指數(shù)為0.48～2.58，平均值為1.55±0.59。Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)和Margalef豐富度指數(shù)在空間格局上無顯著性差異(P>0.05)。從時間上來看，Shannon-Wiener多樣性指數(shù)春季和冬季的平均值顯著低于夏季和秋季(P<0.05)，呈現(xiàn)夏季最高、春季最低的態(tài)勢；Pielou均勻度指數(shù)在季節(jié)變化中無顯著性差異(P>0.05)；Margalef豐富度指數(shù)冬季的平均值顯著低于其他3個季節(jié)(P<0.05)，春季和秋季的平均值顯著低于夏季(P<0.05)，呈現(xiàn)夏季最高、冬季最低的態(tài)勢。

表2 不同季節(jié)各斷面浮游植物多樣性指數(shù)變化Tab.2 Changes in phytoplankton diversity index at various sections in different seasons

2.1.3 細(xì)胞密度與生物量 從表3和圖3可見：保護(hù)區(qū)4個季節(jié)浮游植物細(xì)胞密度為9.84×104～7.86×107cells/L，其中春季浮游植物密度主要以綠藻為主，平均細(xì)胞密度為5.87×106cells/L，占比為28.36%；4個季節(jié)浮游植物生物量為0.02～29.07 mg/L，平均生物量為3.70 mg/L；保護(hù)區(qū)浮游植物密度和生物量在季節(jié)上無顯著性差異(P>0.05)。從空間格局來看，試驗區(qū)(斷面1、2、5、6)與核心區(qū)(斷面3、4)的浮游植物密度及生物量均無顯著性差異(P>0.05)，但渦河水域(斷面1、2)浮游植物密度和生物量均顯著高于淮河(斷面3、4、5、6)干流水域(P<0.05)。

表3 不同季節(jié)各斷面浮游植物密度及生物量變化Tab.3 Changes in the density and biomass of phytoplankton at various sections in different seasons

圖3 不同區(qū)域浮游植物密度和生物量Fig.3 Phytoplankton density and biomass in different regions

2.2 水質(zhì)營養(yǎng)狀態(tài)及理化因子

保護(hù)區(qū)水質(zhì)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)在季節(jié)上表現(xiàn)為春、夏和冬季處于輕度富營養(yǎng)化狀態(tài)，秋季處于中度富營養(yǎng)化狀態(tài)(表4)。空間格局上，保護(hù)區(qū)水域均處于輕度富營養(yǎng)化狀態(tài)。保護(hù)區(qū)4個季節(jié)均處于磷限制狀態(tài)。各季節(jié)不同采樣斷面水質(zhì)理化因子數(shù)值變化情況見表5。

表4 水質(zhì)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)Tab.4 Water quality comprehensive trophic state index

表5 全年水環(huán)境因子平均值Tab.5 Average value of annual water environment factors

2.3 浮游植物群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子的關(guān)系

表6 浮游植物密度和生物量與環(huán)境因子的相關(guān)性分析(相關(guān)系數(shù)R)Tab.6 Correlation analysis between phytoplankton and environmental factors(correlation coefficient R)

趨勢對應(yīng)分析(DCA)顯示，4個季節(jié)排序軸長度最大值為1.54(<3)，故適用基于線性的RDA分析。經(jīng)蒙特卡洛置換檢驗對水質(zhì)環(huán)境因子進(jìn)行篩選，春、夏、秋和冬季分別篩選出9、12、5和7個與浮游植物呈顯著性相關(guān)的環(huán)境因子。選取浮游植物優(yōu)勢種與篩選出的環(huán)境因子進(jìn)行RDA分析，結(jié)果如圖4所示。春季RDA結(jié)果顯示,前兩軸累計變異百分率解釋了物種數(shù)據(jù)的89.72%，環(huán)境因子對浮游植物密度解釋了91.50%，主導(dǎo)環(huán)境因子是SD，解釋了77.60%的浮游植物群落信息；夏季RDA結(jié)果顯示,前兩軸累計變異百分率解釋了物種數(shù)據(jù)的81.77%，環(huán)境因子對浮游植物密度解釋了86.60%，主導(dǎo)環(huán)境因子是TN，解釋了71.80%的浮游植物群落信息；秋季RDA結(jié)果顯示,前兩軸累計變異百分率解釋了物種數(shù)據(jù)的34.39%，環(huán)境因子對浮游植物密度解釋了42.80%，主導(dǎo)環(huán)境因子是WD，解釋了15.00%的浮游植物群落信息；冬季RDA結(jié)果顯示,前兩軸累計變異百分率解釋了物種數(shù)據(jù)的46.30%，環(huán)境因子對浮游植物密度解釋了55.00%，主導(dǎo)環(huán)境因子是CODMn，解釋了25.70%的浮游植物群落信息。

圖中物種代碼見表1。See Table 1 for species codes in the figure.圖4 各季節(jié)浮游植物優(yōu)勢種與環(huán)境因子RDA分析Fig.4 RDA analysis of dominant species of phytoplankton and environmental factors in each season

3 討論

3.1 保護(hù)區(qū)浮游植物群落結(jié)構(gòu)分析

本研究中，在淮河荊涂峽鯉、長吻鮠國家級水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)共鑒定出浮游植物8門71屬143種，高于趙秀俠等[15]在2015年對淮河干流安徽段浮游植物的調(diào)查結(jié)果(6門35屬57種)，與其在2012年的調(diào)查結(jié)果(8門61屬147種)[16]基本一致。3次調(diào)查結(jié)果中，浮游植物的群落結(jié)構(gòu)存在相似性，如主要浮游植物占據(jù)優(yōu)勢地位的物種均為藍(lán)藻門、硅藻門和綠藻門，浮游植物密度均呈現(xiàn)藍(lán)藻門>綠藻門>硅藻門。然而，本次調(diào)查中藍(lán)藻門的生物量占比在快速增長，其原因可能是淮河流域極高的人口密度及龐大的水系組成，帶動沿岸工農(nóng)業(yè)發(fā)展和河流輸入，致使流域內(nèi)高濃度的營養(yǎng)鹽水體刺激藍(lán)藻增殖[17]，進(jìn)而導(dǎo)致藍(lán)藻生物量增加。

浮游植物物種組成和群落結(jié)構(gòu)受水體營養(yǎng)鹽濃度、水動力學(xué)特征、浮游動物覓食壓力和水文動態(tài)的直接作用，除此之外，時間與地理空間變化的影響也不容忽視[18]。水溫的季節(jié)性差異、地區(qū)水文特征和水域受污染狀況，可能是造成本研究中保護(hù)區(qū)浮游植物群落結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢種呈現(xiàn)春夏季藍(lán)藻門、秋季硅藻門、冬季藍(lán)藻門變化特征的主要因素。其中，水溫會對浮游植物的群落種類和分布格局造成影響[19]，藻類種類不同，其適宜生存的環(huán)境也不盡相同，硅藻適宜在16～26 ℃生長[20]，綠藻適宜在18～30 ℃生長[21]，藍(lán)藻適宜在25～35 ℃生長[22]。本研究中，保護(hù)區(qū)夏季平均水溫為30.59 ℃，持續(xù)的高溫為藍(lán)藻的快速生長提供了良好的環(huán)境，雖然綠藻在溫度較高時也可以快速生長，但在持續(xù)的高溫環(huán)境中，藍(lán)藻可以產(chǎn)生藻毒素并抑制綠藻增殖[23]。同時，保護(hù)區(qū)流域暴雨及洪水集中在汛期6—9月，暴雨會加劇周邊農(nóng)田和工業(yè)生產(chǎn)污水對水體的影響[24]，水流量的增加也會將水體中營養(yǎng)鹽類物質(zhì)重新混合，致使水體的營養(yǎng)物質(zhì)濃度升高，滿足藍(lán)藻生長的營養(yǎng)需求。相關(guān)研究表明，硅藻各優(yōu)勢屬的生長具有極強(qiáng)的季節(jié)性，由于硅藻硅質(zhì)外殼較重及缺乏鞭毛而容易在水體中沉降，因此，在湖泊水體混合期間硅藻容易占據(jù)優(yōu)勢[25]，一般存在于低流速、高營養(yǎng)鹽和適中溫度的春季至初夏及高溫之后的秋季[26]，這與本研究中保護(hù)區(qū)硅藻群類結(jié)構(gòu)相符合。有研究顯示，淮河流域中沙潁河及渦河水體污染較為嚴(yán)重，淮河流域內(nèi)多數(shù)樣點處于中-重污染狀態(tài)，隱藻在淮河流域分布廣泛且占比較高，在受到一定有機(jī)污染的環(huán)境中形成優(yōu)勢種[27-28]。因此，保護(hù)區(qū)浮游植物中隱藻門長期形成優(yōu)勢可能與該水域受污染狀況有關(guān)。

從空間格局來看，本研究中，試驗區(qū)與核心區(qū)的浮游植物群落結(jié)構(gòu)無顯著性差異，但渦河流域浮游植物生物量、密度，以及裸藻門、綠藻門物種數(shù)均顯著高于淮河干流。其主要原因可能是渦河閘壩的建設(shè)過于密集，雖然實現(xiàn)了水資源的高效利用，但影響了水體交換，導(dǎo)致營養(yǎng)鹽類富集，給藻類的增殖提供了物質(zhì)基礎(chǔ)[27]。此外，保護(hù)區(qū)水域綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的空間變化與浮游植物生物量、密度有顯著相關(guān)性(數(shù)據(jù)未列)，由此可見，水文和水質(zhì)變化對浮游植物的群落結(jié)構(gòu)具有重要影響。

3.2 保護(hù)區(qū)浮游植物群落分布與環(huán)境因子的關(guān)系

4 結(jié)論

1)淮河荊涂峽鯉、長吻鮠國家級水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)浮游植物物種主要由藍(lán)藻門、硅藻門和綠藻門構(gòu)成，優(yōu)勢種以藍(lán)藻門和綠藻門為主。浮游植物密度及生物量在時間格局上無明顯差異，但空間格局上渦河顯著高于淮河干流，應(yīng)重點關(guān)注渦河水域的浮游植物生長狀況，以防止藍(lán)藻和綠藻過量增殖，從而影響保護(hù)區(qū)水生態(tài)健康。

2)春、夏、秋和冬季影響保護(hù)區(qū)浮游植物群落結(jié)構(gòu)的主要環(huán)境因子分別為SD、TN、WD和CODMn，對不同時期的相應(yīng)環(huán)境因子應(yīng)予以重視，以維護(hù)浮游植物多樣性。

3)保護(hù)區(qū)流域內(nèi)水質(zhì)均處于輕度富營養(yǎng)化狀態(tài)，因此，需持續(xù)關(guān)注保護(hù)區(qū)的水環(huán)境狀態(tài)，以防止水域污染。