基于RDA的白洋淀浮游植物群落動態特征分析

劉存歧，孔祥玲,張治榮，田志富

(河北大學生命科學學院，河北保定　071002)

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基于RDA的白洋淀浮游植物群落動態特征分析

劉存歧，孔祥玲,張治榮，田志富

(河北大學生命科學學院，河北保定071002)

2010年4-11月采樣調查了白洋淀浮游植物群落組成和時空變化特征，利用冗余分析(RDA)方法分析了影響浮游植物群落分布的主要環境因子.共檢出浮游植物8門183種(屬)，以藍藻、綠藻和硅藻為主.浮游植物的密度在8.68×106～314.32×106/L內變化,最大值出現在秋季(9月)，最小值出現在冬季(11月).采蒲臺水體的Shannon-Wiener指數和均勻度指數最高,王家寨和南劉莊則較低.水溫、透明度和高錳酸鉀指數對白洋淀浮游植物群落的分布和動態變化影響最大，而pH值和總磷濃度對綠藻門和藍藻門種類影響較為明顯.控制有機污染物和磷的排放是解決白洋淀富營養化的主要措施.

白洋淀；浮游植物；環境因子；冗余分析

浮游植物是水域生態系統中的初級生產者，是食物鏈的基礎環節，其種類組成和豐度變化直接影響水體水質、系統內能量流和物質流[1].浮游植物群落的結構與水體光照、營養鹽等環境因子直接相關，因此浮游植物群落常用來評價水體水質狀況[2].

隨著群落分析技術的發展，多元統計分析方法被廣泛應用到生物群落的物種-環境關系的分析之中，包括主成分分析(PCA)、典型對應分析(CCA)、去趨勢對應分析(DCCA)和冗余分析(RDA)等[3-4].RDA是一種直接梯度排序方法，能夠評價一組變量和另外一組變量數據之間的關系[5].相對于其他排序方法而言，RDA分析可同時結合多個環境因子，結果直觀、明確且包含的信息量大.國內應用RDA分析生物群落的相關報道較少，而國外的研究也主要集中在影響生物[6]、植被[7]、景觀[8]分布的環境因子的甄選.白洋淀是華北地區最大的內陸淺水淡水湖泊，受上游來水減少和人類干擾影響，生態狀況不斷惡化.20世紀90年代以來，雖然較多學者利用浮游植物群落評價了白洋淀水質的狀況[9-13]，但對影響浮游植物群落的主要因子的甄別有所不足.本文在2010年對白洋淀進行了4次浮游植物群落和水體環境因子的調查，利用RDA分析了群落結構與環境因子之間的關系，以期為白洋淀的生態環境評價和生態恢復提供參考.

1　材料和方法

1.1采樣點設置和采樣時間

1.端村；2.采蒲臺；3.圈頭；4.光淀； 5.王家寨；6.棗林莊；7.燒車淀；8.南劉莊.圖1　白洋淀采樣點分布Fig.1　Sampling sites of Baiyangdian Lake

根據白洋淀環境狀況，設置8個采樣點(圖1)用于浮游植物采樣和環境因子監測[12].本次調查采樣時間為2010年4月、7月、9月和11月.

1.2水樣采集、處理和分析

用采水器在0.5 m水深處采取1 000 mL水樣，現場加入15 mL魯哥氏液并搖勻.水樣被帶回實驗室后靜置沉淀24 h，并濃縮定容至30 mL.在10×40倍顯微鏡下進行鏡檢鑒定和計數.

在監測的水體理化因子中，水溫(t)、溶解氧(DO)和pH用便攜式測量儀測定，透明度(SD)用黑白塞氏盤測定，總氮(TN)、總磷(TP)和氨氮(NH4+-N)按照國家地表水環境質量標準方法(GB 3838—2002)測定，五日生化需氧量(BOD5)用稀釋接種法測定，高錳酸鉀指數(CODMn)用酸性高錳酸鉀法測定.

1.3生物多樣性指數的計算

生物多樣性指數采用Shannon-Wiener指數和均勻度(Evenness)指數.Shannon-Wiener指數H′采用公式(1)計算

(1)

式中，S為藻類種數，pi為第i種藻類占整個藻類個體數的比例.

均勻度指數J采用公式(2)計算

(2)

式中，H′為Shannon-Wiener指數，S為藻類種數.

1.4數據分析

采用SPSS 17.0軟件進行統計分析和處理.采用Canoco 4.5軟件對浮游藻類群落結構與環境因子之間的關系進行冗余分析(RDA).在各樣點出現的頻度大于12.5%且相對密度至少在1個樣點大于1%的物種用作分析物種[14-15].除pH之外，物種密度和環境因子數據均進行log(x+1)轉換[15-16].

2　結果與分析

2.1白洋淀水體環境因子的變化

白洋淀各采樣點的環境因子的變化見表1，除pH外，各月份間環境因子變化較大，可用于生物-環境因子分析.

表1　白洋淀水體環境因子狀況Tab.1　Variations of environmental factors of the Baiyangdian Lake

2.2白洋淀浮游植物的數量特征

2.2.1浮游植物群落組成

經4次取樣調查，共鑒定出浮游植物8門183種(屬).其中，綠藻門69種(屬)，占總種數的37.7%；硅藻門38種(屬)，占20.8%；藍藻門33種(屬)，占18.0%；裸藻門23種(屬)，占12.6%；隱藻門8種，占4.4%；甲藻門5種(屬)，占2.7%；金藻門4種，占2.2%；黃藻門最少僅3種，占1.6%.

2.2.2浮游植物密度

調查期間，浮游植物密度的變化為8.68×106～314.32×106/L，9月浮游植物密度最高，11月最低(表2).從空間變化來看，1號、5號和7號采樣點的浮游植物月平均密度較高，2號和8號采樣點最低，其余各樣點間差別較小(圖2).從圖3可以看出，全年白洋淀水體的浮游植物密度以藍藻門種類為主(60%～84%)；其次為綠藻門種類，所占比例為12%～22%；硅藻門和隱藻門的種類所占比例在4月和11月較高；黃藻門、金藻門和甲藻門的種類全年所占比例均較低.

表2　白洋淀浮游植物密度時間變化Tab.2　Variation of phytoplankton density in Baiyangdian Lake

圖2　白洋淀浮游植物密度的變化Fig.2　Changes of phytoplankton density in Baiyangdian Lake

圖3　白洋淀浮游植物密度組成　　Fig.3　Composition of phytoplankton density of Baiyangdian Lake

2.2.3浮游植物群落多樣性

2010年白洋淀浮游植物Shannon-Wiener指數變化為2.42～3.43，平均為2.77.其中，2號采樣點最高，5號和8號最低.各樣點浮游植物均勻度指數的變化與Shannon-Wiener指數變化規律類似(圖4).

圖4　白洋淀各采樣點浮游植物群落多樣性指數Fig.4　Biodiversity of phytoplankton community in Baiyangdian Lake

2.3浮游植物群落組成與環境因子之間相關性

根據RDA分析物種選擇原則[15-17]，共選取48個物種用作分析物種，編碼見表3.

表3　用于RDA分析的白洋淀48個浮游植物物種編碼Tab.3　Codes of 48 phytoplankton species of Baiyangdian Lake for RDA

白洋淀全年浮游植物群落與環境因子RDA分析結果如圖5所示，前2個主成分的特征值分別為0.148和0.085，物種與環境因子的相關系數都較高，分別為0.928和0.881，說明環境因子對浮游植物群落的動態分布有顯著影響.

藍藻門和裸藻門的物種主要發生在夏、秋2季，而隱藻門和硅藻門的藻類主要發生在春、冬2季. 4、7和9月份，白洋淀浮游植物主要受營養鹽和水溫的影響；11月份，浮游植物主要受透明度和營養鹽的影響.從浮游植物種類組成與環境因子的關系來看，藍藻門和裸藻門的種類與水溫表現出正相關，隱藻門和硅藻門的種類則與水溫表現為負相關.綠藻門和藍藻門種類受水體pH值和總磷濃度的影響較為明顯.CODMn對裸藻門和硅藻門藻類種類作用較強.除綠藻門和隱藻門的幾種藻類外，水體透明度與浮游植物密度間均表現為負相關，說明了水體透明度和浮游植物緊密的相互關系.

圖5　白洋淀浮游植物種類與環境變量的排序

3　討論

3.1白洋淀浮游植物群落結構以及水質的變化

白洋淀受自然和人為干擾嚴重，浮游植物群落也發生了巨大變化，1984年白洋淀區域徹底干涸，淀區浮游植物幾乎絕跡.重新蓄水后，1991年浮游植物的種類組成和數量達到最高水平，浮游植物群落結構恢復，水質有由中性或微堿性貧營養化水平向堿性富營養化水平轉化的趨勢[11].同時顯示白洋淀屬于藍藻-硅藻型富營養型湖泊[10].沈會濤和劉存歧[12]于2005—2006年應用理化因子的營養狀態指數分析對白洋淀的營養狀態進行評價,表明白洋淀區域年周期的營養程度處于富營養化水平.而王瑜等[13]在2009年調查發現綠藻門的小球藻屬、藍藻門的不定微囊藻已成為白洋淀浮游植物的優勢種，表明了白洋淀水體已成為富營養化水平，并且有向重富營養化過渡的趨勢.

本研究結果表明，白洋淀共有浮游植物8門183種(屬)，浮游植物種類組成上以綠藻門、硅藻門和藍藻門為主，尤其是綠藻門種類已占浮游植物總種數的37.7%.白洋淀綠藻門中小球藻、柵藻、十字藻和蹄形藻占優勢，這些物種均為水體富營養化的指示物種[18-19]，說明白洋淀水體已呈高度富營養化.

3.2影響白洋淀浮游植物群落結構的主要環境因子

浮游植物的群落演替受水體中環境因子的綜合影響，水溫和營養鹽是影響浮游植物生長的關鍵因子，而其他因子通過作用于水溫和營養鹽間接起作用[20-21].通過RDA分析，7月和9月水溫較高，喜高溫的藍藻門、裸藻門和綠藻門的一些種類生長繁殖較為旺盛，而4月和11月水溫較低，適宜硅藻、隱藻和金藻等門類浮游植物的生長.沈會濤和劉存歧[12]2005年的研究發現，水體的pH和總磷濃度是強烈影響白洋淀浮游植物群落的組成和分布.石曉丹等[22]研究表明，水溫、高錳酸鉀指數和TN是影響蘇州平原網區淺水湖泊浮游植物群落分布的主要環境因子.Habib等[17]認為水溫、溶氧量、透明度和高錳酸鹽指數是影響Lomond湖浮游植物群落的主要因素.從本次調查分析結果看，水溫、透明度和高錳酸鉀指數對白洋淀浮游植物群落的分布和動態變化影響最大，而pH值和總磷濃度對綠藻門和藍藻門種類影響較為明顯.因此，控制有機污染物和磷的排放是解決白洋淀水質惡化的主要途徑.

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(責任編輯：趙藏賞)

Dynamics of phytoplankton community in Baiyangdian Lake based on the redundancy analysis(RDA)

LIU Cunqi，KONG Xiangling，ZHANG Zhirong，TIAN Zhifu

(College of Life Sciences，Hebei University，Baoding 071002，China)

The composition and temporal-spatial dynamics of phytoplankton community in Baiyangdian Lake were investigated from April to November of 2010，and main environmental factors affecting composition of community were analyzed by Redundancy analysis(RDA).Results showed that 183 species(genera)including 8 phyla of phytoplankton were identified，and the dominant phyla were found to be the Cyanophyta，Chlorophyta and Bacillariophyta.Phytoplankton density ranged from 8.68×106to 314.32×106/L，and the highest density was observed in autumn(September)and the lowest in winter(November).Shannon-Wiener biodiversity index and evenness in Caiputai were highest，but that in Wangjiazhai and Nanliuzhuang were lower.Water temperature，transparency and CODMnhad strong effects on the community of phytoplankton,pH and total phosphorus correlated with species of Cyanophyta and Chlorophyta.To control the enviromental release of organic pollutants and phosphorus is the key approach to reduce the eutrophication risk in Baiyangdian Lake.

Baiyangdian Lake;phytoplankton;environmental factor;Redundancy analysis

10.3969/j.issn.1000-1565.2016.03.010

2015-07-25

水體污染控制與治理科技重大專項(2009ZX07109-008-02)；河北省科學技術研究與發展指導計劃(06276905)

劉存歧(1967-)，男，河北昌黎人，河北大學教授,主要從事水域生態學研究.E-mail:liucunqi@sina.com

Q89

A

1000-1565(2016)03-0278-08