寧夏沙湖生態修復前后浮游植物群落結構變化與水質評價1)

翟昊 劉曼紅 明霄陽 劉笳旻 商淋友 徐磊 于洪賢

(東北林業大學，哈爾濱，150040)

水體富營養化是目前許多內陸湖泊面臨的嚴峻問題，銀川平原降水量小而蒸發量大，湖泊普遍存在缺水現象；除此之外，沙湖還受生態旅游開發項目及周邊農業、工業等人類活動的影響，2002—2007年開始出現嚴重的富營養化[1-2]。為減緩并控制這種趨勢，恢復和穩定沙湖水域生態系統的結構和功能，從2015—2020年對沙湖已實行了一系列生態修復舉措。

浮游植物是湖泊中主要的初級生產者，對環境因子的變化敏感。生態修復是對水體的強烈干擾[3]，浮游植物群落組成和結構勢必會因此發生變化，因而對浮游植物的監測是一種評價生態修復成果的重要手段。為此，本研究以寧夏沙湖為研究對象，根據湖泊的地理狀況布設了8個采樣點，分別于2015年、2020年的7月份和10月份在沙湖濕地采樣，按照浮游植物功能類群(FG)的劃分方法對沙湖優勢浮游植物劃分16類；應用古生物學統計分析(PAST)軟件計算香農-維納(Shannon-Wiener)多樣性指數(H′)、皮洛(Pielou)均勻度指數(J)，應用統計產品和服務解決方案(SPSS)軟件對各樣點生物指數進行單因素方差分析，應用電子表格軟件(Excel)計算豐度、生物量、優勢度指數；分析沙湖生態修復前(2015年)、后(2020年)的浮游植物群落結構特征和生物多樣性變化，檢驗沙湖生態修復效果。旨在為生態修復效果評價提供參考。

1 研究地概況

銀川平原是在新生代斷陷盆地基礎上發育的沖積洪積平原，屬中溫帶典型大陸性氣候，是寧夏湖泊濕地的最集中分布區；據統計，8 hm2以上的湖泊有182個，占寧夏湖泊濕地數量的66%、總面積的61%，在全國也屬于湖泊高集中分布區。銀川平原湖泊依其特有的地理位置、生態功能和濕地類型，形成了有別于東部平原湖群、青藏高原湖群[4]的獨特的湖泊濕地體系。

沙湖是銀川濕地中重要的一部分，位處1999年建立的寧夏石嘴山市平羅縣西南部沙湖自然保護區內，面積1 494 hm2，海拔1 020 m，地理坐標為東經106°19′6″～106°24′10″、北緯38°45′17″～38°49′42″。

沙湖是封閉型湖泊，常年無自然生態基流補水，無輸出水道；由于蒸發量大，每年都需要通過從黃河人工補水維持水位，多年沉積；同時，還受旅游開發與周邊農業、工業活動的影響，水質逐漸惡化。為改善沙湖水質，截至2020年，已實施了多項綜合治理措施，如：建立綠化隔離溝、氧化塘，河底清淤，抽排受污染水補黃河水，退漁、退耕還濕等。

2 研究方法

2.1 采樣點設置

本研究分別于2015年、2020年的7月份和10月份在沙湖濕地進行采樣，根據湖泊的地理狀況布設了8個采樣點(見圖1、表1)。

表1 沙湖濕地各采樣點位置與環境特征

圖1 沙湖濕地采樣點分布

2.2 采樣方法

浮游植物定量樣品的采集，用有機玻璃采水器在水面0.5 m和距離底層0.5 m處混勻后共采集1 L水樣，加入15 mL魯哥氏碘液進行固定，帶回實驗室靜置72 h；使用虹吸管移走上清液，將濃縮得到的30 mL樣品搖勻，吸取0.1 mL于浮游植物計數框中；在10×40倍顯微鏡下每片隨機選取100個視野拍照，隨后對照相關參考文獻[5]對各個樣點浮游植物物種及個數分布進行鑒定和統計。

按照浮游植物功能類群(FG)的劃分方法[6]對沙湖優勢浮游植物進行劃分(見表2)。

表2 沙湖浮游植物優勢功能群組成

2.3 數據處理

使用古生物學統計分析軟件計算香農-維納多樣性指數(H′)與皮洛均勻度指數(J)，使用統計產品和服務解決方案軟件對各樣點生物指數進行單因素方差分析，應用電子表格軟件(Excel)計算豐度、生物量、優勢度指數(Y=fi×Pi，Pi為第i種個體數量在總個體數量中的占比，fi為該種在各個采樣點出現的頻率；當Y>0.02時，為優勢種)。

以香農-維納多樣性指數(H′)為指標的水質評價指標：H′>3，表示水體清潔-寡污染；20.8表示水體清潔-寡污染；0.5

3 結果與分析

3.1 生態修復對沙湖浮游植物物種組成的影響

物種組成是群落的基本特征，沙湖2015年7月份共鑒定出浮游植物7門38種及其變種，其中綠藻門浮游植物種類最多，為14種，占總種類數的36.84%；2020年7月份共鑒定出浮游植物8門147種及其變種，其中綠藻門浮游植物種類最多，為56種，占總種類數的38.10%。2015年10月份共鑒定出浮游植物7門30種及其變種，其中綠藻門浮游植物種類最多，為10種，占總種類數的33.33%；2020年10月份共鑒定出浮游植物5門51種及其變種，其中藍藻門浮游植物種類最多，為20種，占總種類數的39.22%。

由表3可見：沙湖浮游植物種類呈現7月份多于10月份的季節規律，沙湖浮游植物中綠藻門、藍藻門藻類的種類占絕對優勢，硅藻次之；經生態修復，2020年各門浮游植物的種類普遍多于2015年，但金藻門藻類種數下降。

表3 生態修復前后沙湖浮游植物種類組成

3.2 生態修復前后沙湖浮游植物優勢種的特征

藻類優勢物種優勢度為水生態系統生物構成重要指標，生態狀況較好時物種優勢物種的優勢度較低。由表4可見：生態修復前后，沙湖7月份浮游植物優勢種由2015年的18種變為2020年的8種；沙湖10月份浮游植物優勢種由2015年的6種變為2020年的10種。根據優勢種組成可看，2015年浮游植物群落結構為綠藻-硅藻-藍藻-金藻型，2020年浮游植物群落結構為藍藻-綠藻-硅藻型，但2015年優勢種中對魚類和水生生物有毒害作用的小三毛金藻(Prymnesium parvum)經生態修復不再是優勢物種。2015年優勢度指數在0.020～0.100之間波動，2020年優勢度指數在0.020～0.329之間波動，整體呈現上升趨勢。

3.3 生態修復對沙湖浮游植物優勢功能群的影響

由表4可見：生態修復前，沙湖2015年7月份浮游植物優勢種中15種進入功能群，可歸為11個功能群，其中屬于J、X1、P、LO功能群的浮游植物種類最多；2015年10月份浮游植物優勢種中5種進入功能群，分屬5個功能群；2020年7月份浮游植物優勢種分屬5個功能群，其中屬于S2、LO、D功能群的種類最多；2020年10月份浮游植物優勢種分屬6個功能群，其中屬于LO功能群的種類最多。7月份浮游植物優勢功能群發生了X1+F+E+P→SN+H1+S2+LO的演變，10月份浮游植物優勢功能群發生了X1+SN+G→H1+SN+LO的演變，適應中營養、富營養的優勢功能群所占比例下降，被耐受貧營養的優勢功能群取代(見表2)。

表4 沙湖浮游植物優勢種及其功能群

3.4 生態修復對沙湖浮游植物豐度和生物量的影響

由表5可見：，2020年藻類豐度與生物量普遍高于2015年，7月份沙湖藻類豐度由3 219.9個·L-1增加到142 409.7個·L-1，增加44倍；10月份藻類豐度由1 615個·L-1增加到5 526.04個·L-1。7月份沙湖生物量由10.73 mg·L-1增加到43.67 mg·L-1，10月份由4.01 mg·L-1增加到14.49 mg·L-1，增加了4倍。并且生態修復前后，豐度與生物量均呈現7月份高于10月份的季節規律。

表5 生態修復前后沙湖浮游植物豐度與生物量

以何志輝[9]不同營養型類型湖泊的劃分主要指標為參考(見表6)，2015年7月份沙湖為富-超富營養水體，10月份為中營養水體；2020年沙湖全年生物量大于10，且優勢物種為藍藻、綠藻，存在超富營養化現象。

表6 湖泊營養類型評價指標

3.5 生態修復對沙湖浮游植物生物指數的影響

生態修復前后，沙湖浮游植物生物指數見表7。單因素方差分析結果顯示，沙湖生態修復前后，香農-維納多樣性指數(H′)差異顯著(P<0.05，P=0.018)，皮洛均勻度指數(J)差異不顯著(P>0.05，P=0.896)。通過對比可看出，總體呈現7月份香農-維納多樣性指數(H′)高于10月份，7月份皮洛均勻度指數(J)低于10月份的季節性規律；生態修復后，香農-維納多樣性指數(H′)普遍下降，皮洛均勻度指數(J)普遍上升。

表7 沙湖生物指數及水質污染狀況

采樣時間依據均勻度指數(J)對水質評價均勻度指數(J)污評2015年7月份0.36±0.03β-中污染2015年10月份0.48±0.30β-中污染2020年7月份0.59±0.03寡污染2020年10月份0.78±0.01寡污染

依據針對香農-維納多樣性指數(H′)的水質評價指標，2015年7月份為寡污染，10月份為β-中污染；2020年全年為β-中污染。依據針對皮洛均勻度指數(J)的水質評價指標，生態修復前為β-中污染，生態修復后為寡污染。但由于優勢藻種數量十分巨大，以2020年7月份為例，最優勢物種中華小尖頭藻(Raphidiopsissinensia)的豐度高達10 326.39個·L-1，因此皮洛均勻度指數(J)的評價結果會受影響。綜合分析可知，2020年沙湖水質比2015年有退步。

4 討論

4.1 生態修復對浮游植物的影響

結果表明，經生態修復，沙湖浮游植物種類顯著增多，豐度與生物量也增多，優勢種7月份減少而10月份增多，浮游植物群落結構由綠藻-硅藻-藍藻-金藻型變為藍藻-綠藻-硅藻型，優勢度指數上升，優勢功能群中耐貧營養的種類所占比例增大，香農-維納多樣性指數(H′)降低，皮洛均勻度指數(J)升高，生態修復前后均呈現10月份水質比7月份清潔的季節規律。

生態修復后，浮游植物種類、豐度、生物量增多，在7月份最為明顯；生態修復前后，各季節均為綠藻門、藍藻門浮游植物種類較多。藍藻門[10]、綠藻門[11]浮游植物的生長最適溫度較高，因此在7月份有較多種類出現。在沙湖生態修復時利用了疏浚的手段，有研究表明，對底泥的疏浚在短時間內會降低水中的N、P含量，起到清潔水體的作用，但隨著時間的推移，N、P重新沉積，疏浚的效果會減弱，出現污染回復甚至較修復前更甚[12-13]的現象；疏浚的深度也會明顯影響底泥中內源營養物質的釋放[14]。而修復后，沙湖中浮游植物豐度與生物量均大幅增加，也說明湖泊營養負荷高，同時以7月份高溫為誘導條件，造成浮游植物大量發生。

經生態修復沙湖7月份浮游植物優勢種減少，優勢度上升，出現占絕對優勢地位的物種中華小尖頭藻和水華束絲藻(Aphanizomenonflosaquae)。優勢度上升、優勢種減少，一般表示水質狀況有退步；浮游植物群落結構，由綠藻-硅藻-藍藻-金藻型變為藍藻-綠藻-硅藻型，藍藻、綠藻比例大幅上升，硅藻、金藻比例下降，演變為以藍藻、綠藻為主導的浮游植物群落，但由于浮游植物群落結構比修復前豐富，優勢功能群中耐貧營養的種類所占比例增大，比2015年水質的退步并不嚴重。

生態修復后，沙湖香農-維納多樣性指數(H′)降低，皮洛均勻度指數(J)升高，這與沙湖優勢藻類中華小尖頭藻、水華束絲藻的大量發生有關。沙湖呈現香農-維納多樣性指數(H′)7月份高于10月份、皮洛均勻度指數(J)7月份低于10月份的季節特征，這與太湖[15]、鏡泊湖[16]研究結果一致；同時與之對比發現沙湖生物多樣性較高，群落信息含量大，但均勻度較高，存在著占絕對優勢地位的物種，說明2020年沙湖浮游植物群落還處于不穩定狀態。生態修復5 a后，沙湖水環境是否會繼續惡化還需進一步的監測和研究。

4.2 綜合多種指標對水質的評價

浮游植物對環境變化敏感，其群落結構特征包括優勢度、豐度、生物量、多樣性指數等，在一定程度上可以作為湖泊水環境健康狀況評價的重要指標[17]。

經生態修復，沙湖浮游植物群落結構由綠藻-硅藻-藍藻-金藻型變為藍藻-綠藻-硅藻型。有研究表明，當藍藻在浮游植物群落中占優勢地位時，意味著水體營養程度的升高[18-19]；優勢度指數越低，物種越豐富，水質狀況越好[20]。2020年沙湖優勢度指數比2015年普遍升高，水質狀況有退步。浮游植物功能群，通常為生長于相同的生境類型或相似的環境條件下的藻類，常用功能群描述生境特征[21]。沙湖優勢功能群中，適應富營養環境的種類所占比例下降，這說明浮游植物群落正處在演化之中。

2020年浮游植物豐度與生物量比2015年大幅升高，并且通過相關生物量評價指標可看出，沙湖比生態修復前富營養化現象更加嚴重，這與對優勢種及優勢度指數分析所得判斷結果一致。

以浮游植物香農-維納多樣性指數(H′)評價水質發現，2020年比2015年水質有惡化，但以皮洛均勻度指數(J)對沙湖水質進行評價，得到沙湖水質在生態修復后有所改善的評價結果，與其他評價方法得到的結果相矛盾，綜合考慮認為皮洛均勻度指數(J)并不適用于評價沙湖水質。這種情況說明，僅以生物指數作為評價指標評價湖泊水環境健康狀況有其自身的局限性，并不全面，還需綜合水體理化因子、湖泊實際情況等條件。本研究可以為沙湖濕地水體健康狀況的優化提供一定的參考。