淮河上游典型支流浮游植物群落结构特征

吴奇丽, 林 志, 汪晨琛, 张 坤, 万 阳, 周忠泽

(安徽大学 资源与环境工程学院， 合肥 230601)

作为评价水体生态状况的重要指标之一[1]，浮游植物是水域生态系统中的主要初级生产者[2]。目前，针对河流浮游植物调查研究较多，结果表明不同生境浮游植物群落结构不同。如Bilous等调查乌克兰南布格河浮游植物群落发现主要优势类群是绿藻门、硅藻门以及裸藻门[3]；Barinova等研究松花江上游浮游植物发现，硅藻占优势，其次是绿藻[4]；吴湘香等对长江上游赤水河浮游植物群落特征调查发现硅藻、绿藻和蓝藻是优势种[5]；方慷等调查大清河水系浮游植物群落结构结果显示，主要的优势类群是硅藻门、金藻门和隐藻门[6]。淮河作为我国东部重要的河流，由于农药和化肥的大量使用以及工业的发展，淮河水体逐渐恶化。对于淮河中上游浮游植物的研究已有报道[7]，然而对于淮河支流浮游植物群落结构特征还鲜有报道。

相关研究表明，气候变化对地表水文以及水量有一定的影响[8]，而对水质尤其是浮游植物的影响研究较少。区域气候，包括降水、温度和太阳辐射[9]，驱动了浮游植物群落结构及物种多样性的差异[10-11]。长江属亚热带季风气候，牡丹江属于海洋(半湿润型) 季风气候，根据李世健等[12]和冷雪莲[13]分别对长江和牡丹江浮游植物群落调查研究发现，二者存在明显的差异。因此，开展区域气候变化对浮游植物群落结构的影响具有重要意义。

本研究目的是结合已有的有关淮河干流浮游植物群落结构研究结果，分析比较淮河干流和支流浮游植物群落结构差异，评估区域性气候对河流系统浮游植物的影响。假设试验性结果为：1)淮河干流浮游植物多样性高于其支流；2)浮游植物的时空格局发展受气候影响。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

界首两湾湿地公园(115°26′N～115°30′N，33°0′E～33°2′E)位于黄淮平原腹地,属泉河水系，属于淮河支流，总规划面积为504.34 hm2，湿地河流总长13.6 km，其中泉河河段长8.3 km，所在区域处于暖温带与北亚热带之间的过渡区,属暖温带湿润季风气候，四季分明，年平均气温14.9 ℃，年均降水量859.5 mm，中深层及深层地下水主要为城市工业及生活用水，水质较好。主河道有芦苇、狐尾藻、菹草、金鱼藻、紫萍等水生植被分布。

1.2 样点设置与样品采集

2015年10月至2016年8月对界首两湾国家湿地公园进行采样调查，共布设8个样点，即其中主河道5个采样点(J4、J5、J6、J7、J8)；废弃的古河道3个采样点(J1、J2、J3)。每隔2个月采样1次，GPS定位(图1)。

图 1 界首两湾国家湿地公园浮游植物采样点分布

浮游植物用浮游生物网采集，加入鲁哥试液固定，在10×40倍光学显微镜下进行种类鉴定和计数[14]。现场测定水温、pH值、溶解氧、透明度等理化因子，依据《水和废水监测分析方法》[15]对总氮、总磷、氨氮等营养盐进行测定，叶绿素a浓度用分子荧光法分析测定，浊度用浊度仪测定。

1.3 分析方法

运用生态学中常用的生物多样性指数分析[16]，Pielou 均匀度指数(J)，评价标准：00.8为清洁型，Margalef 物种丰富度指数(D)，评价标准：05为清洁型。Shanno-Wiener物种多样性指数(H′)，评价标准：03为清洁寡污型。浮游植物优势度(Y)[17-18]等参数分析界首两湾湿地公园浮游植物群落结构特征。本研究以Y>0.02为界限，计算藻类优势种。各参数计算公式如下:

D=(S-1)/log2N

(1)

(2)

J=H/log2S

(3)

Y=ni/N×fi

(4)

式中:S为浮游植物总属数；N为浮游植物个体总数；ni为第i属浮游植物个体数：fi为第i属浮游植物在各水体中出现的频率。

采用数据统计软件包SPSS 19.0、Microsoft Excel 2013、CANOCO 软件以及美国ESRI公司的Arcgis 10.2软件。

2 结果与分析

2.1 浮游植物群落结构

2.1.1 浮游植物种类

结果显示，在界首两湾河流共鉴定到浮游植物172种(包括变种和变型)，隶属于8门10纲20目39科69属。其中绿藻门最多，有66种，占总物种数的38.37%；其次是硅藻门和蓝藻门。主河道5个样点共监测出浮游植物157种，古河道3个样点共监测出132种(图2)。

依据优势种在各采样点的优势度Y>0.02 的标准,分别对主河道以及古河道的优势种及其优势度进行计算,结果表明古河道的主要优势种为蓝藻门的大螺旋藻(Cyanobiumparvum)、坑形鞘丝藻(Leptolyngbyafoveolara)、绿色颤藻(Oscillatoriachlorina)、铜绿微囊藻(Microcystisaeruginsa)、小双色藻(Cyanobiumparvum)、裸藻门的斯科亚扁裸藻(Phacusskujae)和绿藻门的河生集星藻(Actinastrumfluviatile)、四尾栅藻(Scenedesmusquadricauda),主河道主要优势种为大螺旋藻、坑形鞘丝藻、绿色颤藻、铜绿微囊藻、小双色藻、美丽颤藻(Oscillatoriaformosa),硅藻门钝脆杆藻(Fragilariacapucina)、尖针杆藻(Synedraacus)、颗粒直链藻(Melosiragranulata)、梅尼小环藻(Cyclotellameneghiniana),绿藻门光泽鼓藻(Cosmariumcandianum)和裸藻门的斯科亚扁裸藻。

图2 界首两湾国家湿地公园浮游植物群落结构组成Fig 2 The community structure composition of phytoplankton in Jieshou Bay National Wetland Park

2.1.2 浮游植物生物量和丰度

界首两湾国家湿地公园平均生物量为1.39 mg/L，范围为0.70～2.18 mg/L，平均丰度为9.10×105cells/L，范围为5.01×105～16.57×105cells/L。浮游植物生物量季节变化明显，在6月份最高，2月份最低；生物量空间差异明显，总体上在主河道生物量较高，古河道生物量较低。界首两湾国家湿地公园浮游植物丰度的季节变化明显，丰度在6月份达到最高值，为16.07×105cells/L，在2月份为最低值，为4.44×105cells/L；古河道在8月份达到最高，为17.42×105cells/L，在12月份最低，为4.27×105cells/L，空间变化不明显(图3)。

2.2 生物多样性及其水质评价

界首两湾国家湿地公园主河道和古河道H′分别为3.17和2.71，J分别为0.61和0.53，D分别为3.77和3.40(图4)。结果表明，各样点之间的J有明显的变化，H′和D的变化趋势基本趋于一致，主河道高于古河道，说明主河道浮游植物群落结构的复杂程度和稳定性均高于古河道，同时根据多样性指数分析表明，主河道水体属于轻污染，古河道属于轻中度污染。结合所检测的水质理化指标(表1)，对水质进行分析表明：界首两湾国家湿地公园主河道水质为轻度污染，古河道为轻中度污染。

图3 界首两湾国家湿地公园浮游植物生物量的和丰度时空变化Fig 3 Spatio-temporal variation of phytoplankton biomass and abundance in Jieshou Bay National Wetland Park

图4 界首两湾国家湿地公园浮游植物多样性指数Fig 4 The diversity index of phytoplankton in Jieshou Bay National Wetland Park

参数Parameters10月October12月December2月February4月April6月June8月August主河道Main river古河道Ancient river主河道Main river古河道Ancient river主河道Main river古河道Ancient river主河道Main river古河道Ancient river主河道Main river古河道Ancient river主河道Main river古河道Ancient riverT/℃22.28±1.2720.70±1.739.24±3.727.83±1.2714.46±2.0215.90±023.84±0.3624.93±1.8726.90±0.9127.30±1.7133.70±0.6633.25±0.49pH7.88±0.077.56±0.128.11±0.338.24±0.628.328±0.888.81±0.177.90±0.257.46±0.217.63±0.067.56±0.358.48±0.158.46±0.93DO/(mg/L)7.67±0.746.24±0.689.98±0.3911.03±9.7010.90±1.6613.87±3.7514.19±2.0611.28±2.465.32±1.084.55±3.608.01±1.008.01±10.88Cond(ms/cm)0.58±0.050.65±0.170.64±0.060.57±0.040.67±0.070.62±0.070.59±0.050.60±0.130.70±0.050.69±0.150.67±0.090.78±0.10SD(m)0.43±0.110.23±0.210.57±0.11*0.62±0.370.36±0.370.48±0.11*0.47±0.080.10±0.170.47±0.080.15±0.21WD(m)4.03±1.411.07±0.513.46±1.440.96±0.272.48±1.412.62±2.515.13±0.651.07±0.124.77±1.421.23±0.064.88±1.041.35±0.21Turb/(NTU)15.74±4.934.83±1.833.95±0.763.32±1.457.29±4.344.19±1.7010.32±2.194.49±2.0922.92±7.3115.25±12.7224.98±6.2313.55±4.88TP/(mg/L)0.13±0.060.14±0.070.15±0.080.16±0.080.12±0.030.18±0.030.24±0.120.37±0.050.20±0.070.22±0.020.37±0.050.27±0.22TN/(mg/L)0.35±0.0860.75±0.280.89±0.151.55±0.230.90±0.090.98±0.300.76±0.060.84±0.101.13±0.181.25±0.261.24±0.091.30±0.14AD/(mg/L)0.07±0.000.06±0.000.10±0.020.10±0.020.09±0.010.05±0.030.07±0.050.09±0.040.25±0.060.22±0.130.28±0.020.18±0.14XD/(mg/L)0.04±0.000.04±0.000.10±0.010.12±0.040.12±0.010.06±0.060.06±0.010.03±0.030.03±0.010.01±0.010.01±0.000.01±0.01COD/(mg/L)4.80±1.739.56±4.917.20±0.998.67±1.765.60±2.5210.44±7.956.93±3.7912.22±4.236.40±2.7013.56±2.697.07±2.0311.67±7.07Chla(μg/L)3.07±2.092.00±1.400.76±0.230.64±0.322.57±2.081.73±1.6721.84±6.619.10±8.564.97±1.183.55±1.663.49±2.3911.47±13.51

*透明度(SD)等于水深(WD)

2.3 浮游植物群落与环境因子的相关分析

选取浮游植物优势种作为分析对象，运用Canoco 4.5软件分别对主河道和古河道浮游植物优势种生物量(PB)与水温(T)、pH值、溶解氧(DO)、叶绿素a(chl-a)、总氮(TN)、总磷(TP)等9个环境因子进行RDA分析。

RDA分析结果显示：主河道浮游植物对水温、浊度、总氮、pH值、透明度等环境因子密切相关，铜绿微囊藻、绿色颤藻和光泽鼓藻与水温和浊度正相关，小双色藻与总氮呈正比，美丽颤藻与透明度负相关，斯科亚扁裸藻与pH值、透明度正相关而与浊度和水温负相关；古河道与浊度、水温、电导率、pH值、透明度、溶解氧等环境因子密切相关，坑形鞘丝藻与浊度、水温、电导率和叶绿素a呈正相关而与透明度、溶解氧负相关，斯科亚扁裸藻、绿色颤藻与pH值、溶解氧和透明度正相关，与浊度、水温、电导率和叶绿素a负相关。

图5 浮游植物与环境因子的典范对应分析(RDA)Fig 5 Phytoplankton species and environmental factors biplot based on RDA

主河道：1:颗粒直链藻(Melosiragranulata); 2:美丽颤藻(Oscillatoriaformosa); 3:坑形鞘丝藻(Leptolyngbyafoveolara); 4:斯科亚扁裸藻(Phacusskujae); 5:四尾栅藻(Scenedesmusquadricauda); 6:梅尼小环藻(Cyclotellameneghiniana); 7:尖针杆藻(Synedraacus); 8:钝脆杆藻(Fragilariacapucina); 9:绿色颤藻(Oscillatoriachlorina); 10:小双色藻(Cyanobiumparvum); 11:铜绿微囊藻(Microcystisaeruginsa); 12:光泽鼓藻(Cosmariumcandianum); 13:大螺旋藻(Cyanobiumparvum)。 古河道：1：坑形鞘丝藻(Leptolyngbyafoveolara); 2:斯科亚扁裸藻(Phacusskujae); 3:绿色颤藻(Oscillatoriachlorina); 4:小双色藻(Cyanobiumparvum); 5:铜绿微囊藻(Microcystisaeruginsa); 6:光泽鼓藻(Cosmariumcandianum); 7:大螺旋藻(Cyanobiumparvum); 8:河生集星藻(Actinastrumfluviatile)

3 讨论

3.1 主河道和古河道浮游植物群落结构差异

界首两湾国家湿地公园的地形环境特征，使得主河道和古河道浮游植物群落结构存在显著性差异，主要体现在包括物种多样性和丰度。就浮游植物物种多样性而言，主河道157种，古河道132种，且硅藻在全流域均有发现，是广布种，而黄藻和金藻仅存在于主河道，古河道未见，这与金藻和黄藻喜光照以及多存在于清水的规律相一致[19]。主河道水体流速快以及岸边分布水草，对水体净化起着重要的作用，且受到人类活动较小。然而，古河道由于人为建造大坝，与主河道阻隔，成为废弃的古河道，水体较浅，流动性差，水体相对静止，且附近居民排放生活污水、放养家禽以及农业废水，营养物质富集，有机污染较严重，水体环境较差。从整体上看，浮游植物平均丰度为9.10×105cells/L，主河道、古河道平均细胞密度9.75×105cells/L、8.02×105cells/L。在6月份古河道的丰度大于主河道，这不仅与夏季气温高、光照强， 适宜浮游植物繁殖，还与水体的稳定程度有关，古河道受到回水顶托，流速缓慢，营养物质富集，造成浮游植物大量繁殖，并以绿藻门植物为优势类群[20]。而其他月份主河道比古河道的要高，可能与古河道透明度低，光合作用弱，抑制了浮游植物的生长有关。

淮河位于我国的东部，位于长江和黄河之间，干流自西向东，地处我国南北气候过渡带，淮河以北属暖温带，以南属北亚热带。对淮河中上游浮游植物的研究[7,21]调查发现浮游植物丰度在7.36×108cell/L～1.64×109cell/L，多样性指数H′则表现出汛期要低于非汛期的特征。界首两湾国家湿地公园中的泉河河道属淮河二级支流，经本次调查分析，泉河浮游植物丰度范围为1.66×105cell/L～3.89×105cell/L，多样性指数H′亦表现出汛期要低于非汛期的特征。根据富营养化评价标准[22]，得出淮河干流属于富营养型水体，支流属于贫营养型水体，淮河干流浮游植物丰度高于支流，其原因可能是干流流速快，人口密集，城市生活污水排放较多，使得营养盐较为丰富，从而更加有利于浮游植物的生长繁殖。

3.2 区域性气候对浮游植物群落的影响

长江，亚洲第一大河，发源于青藏高原的唐古拉山的主峰各拉丹冬雪山，自西向东注入东海，属亚热带季风气候。对长江的调查研究[12]，共鉴定浮游植物8门147种，以硅藻、绿藻、蓝藻为优势类群，发现长江中游浮游植物存在明显的季节变化，多样性指数H′：春季>夏季>冬季>秋季。牡丹江全长725 km，是当地生活用水和农业用水的主要来源，牡丹江属于海洋(半湿润型)中温带季风气候特征，根据冷雪莲对牡丹江干流调查结果[13]，共发现浮游植物8门120种，以绿藻、硅藻和蓝藻为主，多样性指数H′：夏季>秋季>春季>冬季。本研究区域属暖温带湿润季风气候，调查显示浮游植物8门159种(表2)，以绿藻、硅藻、蓝藻为优势类群，多样性指数H′：春季>夏季>冬季>秋季。从长江的亚热带季风气候到界首的北暖温带半湿润季风气候再到牡丹江海洋(半湿润型)中温带季风气候，浮游植物的群落组成没有明显规律性特征，多样性指数的四季变化特征显著，由南向北，随着区域性气候的改变，浮游植物多样性指数也发生不同的变化，牡丹江的浮游植物多样性与温度呈正比，四季变化显著。由于牡丹江属海洋(半湿润型)中温带季风气候，温度偏低，大部分是硅藻生长，而蓝藻和绿藻的生长则被抑制，使得浮游植物种类下降，多样性降低。而长江亚热带季风气候和界首北暖温带半湿润季风气候，浮游植物多样性指数变化趋势相同，总物种数差异也不显著，这可能与浮游植物还受到水中的pH值、溶解氧、电导率、鱼类以及浮游动物摄食等一些因素影响有关[23-28]。

表2 不同区域气候浮游植物差异

4 结论

1)界首两湾国家湿地公园主河道比古河道浮游植物物种多样性要高，群落稳定性更强，且以蓝藻、硅藻、绿藻为优势种，而古河道以蓝藻和绿藻为优势种，多样性指数与水质理化数据评价得出主河道轻度污染，古河道为轻中度污染。

2)淮河干流比支流物种多样性高，淮河干流属于富营养型水体，支流属于贫营养型水体。

3)区域性气候对浮游植物的生长和多样性有一定的影响，由南向北，物种多样性大致是呈降低的趋势。