2020年春夏季青海湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)及其影響因子

高海鵬，孫 興，張 昆，鄭 鵬，艾 雪，竇筱艷

(1．青海省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，國家環(huán)境保護青藏高原生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與評估重點實驗室，青海省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與評估重點實驗室，西寧 810007；2．西安理工大學(xué)西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室，西安 710048)

高海拔的湖泊生態(tài)系統(tǒng)是監(jiān)測環(huán)境變化、人為干擾以及全球氣候變化的理想對象，由于其生物群落結(jié)構(gòu)較為簡單，棲息其中的物種多為喜低溫物種，高海拔湖泊生態(tài)系統(tǒng)對環(huán)境變化極為敏感，被認(rèn)為是監(jiān)測人為干擾導(dǎo)致的早期變化的“哨兵”，也是監(jiān)測全球氣候變化引起的長期變化的理想對象[1-3]。相比其他類型的水系而言，高原湖泊生態(tài)系統(tǒng)受到的關(guān)注較少[4]。對高海拔湖泊中浮游生物的研究，為我們深入了解高原湖泊的生態(tài)提供了一個視角，可為后續(xù)生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境的保護和管理提供科學(xué)依據(jù)。

浮游植物是水域生態(tài)系統(tǒng)食物鏈中最基礎(chǔ)最重要的一環(huán)，其群落數(shù)量和結(jié)構(gòu)直接影響水體生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和食物鏈的能量傳遞效率[5]。浮游植物個體微小，繁殖速度快、生長周期短，故群落結(jié)構(gòu)及生物量在水體生態(tài)環(huán)境變化后能在較短周期內(nèi)反映出來，也容易在影響因素消除后快速恢復(fù)。因而除了初級生產(chǎn)者的作用外，浮游植物也是水體營養(yǎng)狀態(tài)和環(huán)境壓力的良好指標(biāo)，可直接用來作為環(huán)境監(jiān)測的指示生物[6-8]。

青海湖位于青藏高原東北部，是我國面積最大的湖泊，由于所處區(qū)域獨特的地理位置和生態(tài)環(huán)境特征，青海湖是我國乃至世界上鳥類及其他野生動物保護的重要區(qū)域[9]。目前關(guān)于青海湖的研究多集中于氣候變化、草地退化和土地沙漠化等生態(tài)環(huán)境問題[10，11]。而有關(guān)該區(qū)域的水生生物尤其是浮游植物研究卻相對薄弱，僅有中科院蘭州地質(zhì)研究所[12]、青海省生物研究所[13]、楊建新等[14]和姚維志等[15]四次調(diào)查記錄，且集中于種類記錄或單季度調(diào)查。本研究通過對青海湖浮游植物春夏兩季群落結(jié)構(gòu)及其環(huán)境因子系統(tǒng)分析，以期為青海湖水生生物資源的可持續(xù)發(fā)展提供重要的參考。

1 材料和方法

1.1 樣點設(shè)置

2020年5月(春季)和8月(夏季)在青海湖(N36°32′-37°15′，E99°36′- 100°47′)布設(shè)20個采樣點位(B1～ B5、L1～L4、N1～N11)，生物采樣與水化學(xué)采樣同步進行(圖1)。

圖1 青海湖采樣點分布圖Fig.1 Distribution of sampling sites in Qinghai Lake

1.2 樣品采集與測定

浮游植物定性樣品使用25#浮游生物網(wǎng)采集，定量樣品使用5 L玻璃采水器取表層水至樣品瓶，樣品均用魯哥試劑(用量為水樣體積的1.0%～1.5%)固定。樣品沉淀48 h后進行濃縮保存到50 mL樣品瓶中以待鏡檢，吸取0.1 mL于計數(shù)框，在光學(xué)顯微鏡下放大400倍計數(shù)，對硅藻樣品進行酸化燒片預(yù)處理后鑒定，藻類鑒定方法參考文獻[17，18]，采用細胞體積法計算浮游植物生物量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)(H′)[19]、Simpson多樣性指數(shù)(D)[20]、Margalef 豐富度指數(shù)(d)[21]和Pielou均勻度指 數(shù)(J)[22]表示浮游植物群落多樣性，計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

J=H′/lnS

(4)

式中，Pi為第i種藻類個體數(shù)(Ni)占總個體數(shù)(N)的比例，S為樣點物種數(shù)。

優(yōu)勢種根據(jù)各個物種優(yōu)勢度(Y)值確定，公式為：

Y=ni/N×fi

(5)

式中，ni為第i種浮游藻類的豐度，N為總豐度，fi為第i種浮游藻類的出現(xiàn)頻率。將Y≥0.02的種類定為優(yōu)勢種[23]。

在SPSS26.0中利用配對樣本t檢驗分析兩次調(diào)查環(huán)境因子及浮游植物物種數(shù)、密度、生物量和多樣性指數(shù)之間是否存在顯著差異(P<0.05)。對浮游植物物種數(shù)、密度、生物量和多樣性指數(shù)與環(huán)境因子進行Pearson相關(guān)性分析，進一步利用多元線性回歸模型(MLR)篩選出對浮游植物群落結(jié)構(gòu)有顯著影響的環(huán)境因子，在分析之前，對非正態(tài)的環(huán)境變量進行l(wèi)og(x+1)轉(zhuǎn)化，剔除相關(guān)性較高的環(huán)境變量(r>0.80)，用前選法(forward selection，基于最高的adjustedR2)確定對浮游植物群落結(jié)構(gòu)具有重要且獨立作用的關(guān)鍵環(huán)境因子。利用 Excel匯總整理數(shù)據(jù)，Origin2021完成作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境參數(shù)

兩次青海湖環(huán)境因子調(diào)查結(jié)果見表1。總體而言，青海湖水溫較低，水體總體呈弱堿性，除COD外，各個指標(biāo)均滿足地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。配對樣本t檢驗結(jié)果顯示，夏季水溫和CODMn顯著高于春季，其余環(huán)境因子差異不明顯。

表1 青海湖的水環(huán)境參數(shù)在兩個季度的比較Tab.1 Comparisons of environmental factors between two seasons in Qinghai Lake

2.2 浮游植物群落特征

2.2.1 物種組成與優(yōu)勢種

兩次調(diào)查共檢出浮游植物5門29屬50種，其中硅藻門15屬29種(占總物種數(shù)的58.00%)，綠藻門10屬15種(占比30.00%)，藍藻門4屬4種(占比8.00%)、甲藻門和裸藻門只有一屬一種。其中，春季共檢出21屬34種，夏季共檢出20屬29種。從春季到夏季，硅藻門的物種數(shù)增加了4種，藍藻門增加了1種，綠藻門減少了10種(表2)。

表2 青海湖浮游植物種類名錄Tab.2 List of phytoplankton in Qinghai Lake

在密度方面，春季優(yōu)勢類群依次為硅藻門、藍藻門和綠藻門，占總浮游植物密度比分別為47.01%、27.12%、25.35%，而夏季最具優(yōu)勢的類群為藍藻門(63.27%)，綠藻門(23.49%)和硅藻門(9.28%)分別成為第二和第三優(yōu)勢類群，可以看出，盡管硅藻門、藍藻門和綠藻門在春夏兩季中均為青海湖的優(yōu)勢類群，但其占比已經(jīng)發(fā)生了較大的變化。

優(yōu)勢種方面，夏季優(yōu)勢種數(shù)目多于春季。小環(huán)藻、環(huán)離鞘絲藻(Lyngbyacircumcreta)和湖生卵囊藻在兩次調(diào)查中均為優(yōu)勢種。在春季，小環(huán)藻和環(huán)離鞘絲藻是最具優(yōu)勢的物種(0.384，0.271)，夏季最具優(yōu)勢的物種為環(huán)離鞘絲藻(0.489)和湖生卵囊藻(0.234)，小環(huán)藻的優(yōu)勢度已經(jīng)明顯下降(0.068)。可以看出，藍藻門和綠藻門的物種在夏季已經(jīng)超越硅藻門的物種從而占據(jù)了絕對的優(yōu)勢。此外，春季優(yōu)勢種卵囊藻在夏季并未出現(xiàn)，夏季優(yōu)勢種微小平裂藻、腔球藻和細小隱球藻也在春季沒有出現(xiàn)(圖2，表3)。

表3 青海湖浮游植物優(yōu)勢種及優(yōu)勢度Tab.3 Dominant species and dominance index of phytoplankton in Qinghai Lake

圖2 兩個季度青海湖浮游植物優(yōu)勢類群密度及其相對豐度(Mean±SD)Fig.2 Mean value and standard deviation (SD)of the density and relative abundance of dominant groups of phytoplankton in the Qinghai Lake between two seasons***表示P<0.001；**表示P<0.01

2.2.2 浮游植物密度、生物量及多樣性指數(shù)

對兩次調(diào)查浮游植物群落結(jié)構(gòu)進行配對樣本t檢驗，分析結(jié)果顯示，密度、生物量和多樣性指數(shù)出現(xiàn)了顯著的季節(jié)差異。具體而言，夏季浮游植物密度、生物量顯著高于春季，其值大約增加了9倍。其中，春季青海湖浮游植物各樣點密度變化為1.66×105～7.26×105ind/L，平均密度為3.55×105ind/L，夏季密度變化為9.93×105～5.72×106ind/L，平均密度為3.35×106ind/L；春季各樣點的生物量為4.25～18.97 μg/L，平均生物量為9.67 μg/L，和密度變化趨勢一致，浮游植物生物量也顯著增加，夏季生物量為32.33～355.91 μg/L，平均生物量為98.56 μg/L；多樣性指數(shù)也有顯著季節(jié)變化，但變化趨勢與密度和生物量相反。從春季到夏季，Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Pielou均勻度、Margalef指數(shù)和Simpson指數(shù)均顯著減少。此外，雖然從春季到夏季物種數(shù)量略有增加，但變化不顯著(表4)。

表4 青海湖的浮游植物密度、生物量及多樣性指數(shù)在兩個季度的比較Tab.4 Comparisons of phytoplankton of abundance，biomass，taxa richness，and diversity indexes between two seasons in Qinghai Lake

2.2.3 浮游植物與環(huán)境因子關(guān)系

Pearson分析結(jié)果表明，密度和多樣性指數(shù)與水溫、CODMn有顯著的相關(guān)性，不同的是，密度與水溫和CODMn之間呈顯著正相關(guān)，而各多樣性指數(shù)與水溫和CODMn之間呈顯著負相關(guān)。此外，生物量與水溫也存在顯著正相關(guān)，物種數(shù)與BOD5呈現(xiàn)顯著負相關(guān)，Simpson多樣性指數(shù)與COD之間呈顯著負相關(guān)(表5)。

表5 青海湖浮游植物群落參數(shù)與環(huán)境因子Pearson相關(guān)性分析Tab.5 Pearson correlation analysis between metrics of phytoplankton communities and environmental factors in Qinghai Lake.

各種水環(huán)境因子對浮游植物密度、生物量和多樣性指數(shù)的影響作用各不相同。多元回歸分析(MLR)結(jié)果進一步表明，水溫和CODMn是浮游植物密度、生物量和所有多樣性指數(shù)的關(guān)鍵環(huán)境因子。此外，不同的環(huán)境因子對浮游植物密度、生物量和多樣性指數(shù)的影響程度也有所差異。具體來說，環(huán)境因子對浮游植物密度、生物量和多樣性指數(shù)的解釋率從高到低依次是密度、生物量、Pielou均勻度、Margalef指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)、物種數(shù)和Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(表6)。

表6 青海湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子的回歸分析Tab.6 Results of regression analyses for phytoplankton community structure and environmental factors in Qinghai Lake.

3 討論

3.1 青海湖浮游植物群落變化

本研究發(fā)現(xiàn)，青海湖浮游植物密度、生物量、優(yōu)勢類群和多樣性指數(shù)在春夏兩次調(diào)查中出現(xiàn)了顯著的季節(jié)變化。首先，從春季到夏季，浮游植物密度和生物量增加了大約9倍。其次，優(yōu)勢類群在兩次調(diào)查中所占總密度比例上也發(fā)生了明顯的變化，夏季藍藻門超越春季的硅藻門成為最具優(yōu)勢類群，具體到物種來看，夏季的環(huán)離鞘絲藻(Lyngbyacircumcreta)已經(jīng)取代春季的小環(huán)藻(Cyclotellasp.)成為最具優(yōu)勢的物種。與密度和生物量在夏季的顯著增加不同，夏季浮游植物的各多樣性指數(shù)(Shannon多樣性指數(shù)、Pielou均勻度、Margalef指數(shù)和Simpson多樣性指數(shù))相比春季出現(xiàn)了一定程度的降低。青海湖春、夏兩季浮游植物的現(xiàn)存量和群落組成變化較大，主要是因為兩次調(diào)查中，水溫變化較大。Pearson相關(guān)性分析表明，水溫增加與浮游植物密度生物量呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，與多樣性指數(shù)呈現(xiàn)顯著負相關(guān)。

歷史上四季調(diào)查顯示硅藻門均為最優(yōu)勢類群[12-15]，而本研究中夏季調(diào)查顯示藍藻門已超過硅藻門成為最優(yōu)勢類群，這一結(jié)果與2019年青海湖調(diào)查報告結(jié)果類似[25]。本次調(diào)查的浮游植物密度出現(xiàn)了較大幅度增加，優(yōu)勢類群和優(yōu)勢種類也發(fā)生了較大的變化，這一變化可能與近年來青海湖水溫和水體營養(yǎng)鹽增加密切相關(guān)。相比上世紀(jì)六七十年代，在全球氣候變暖的大趨勢下，青海湖非冰期表層湖水平均溫度上升了2 ℃左右[11，24]，水溫上升促進了藻類的生長繁殖。由于不同種類的浮游植物對溫度的適應(yīng)性不同，根據(jù)研究，硅藻喜低溫生長而藍藻喜高溫生長[26，27]。近些年來，青海湖營養(yǎng)鹽濃度明顯增加，尤其是總磷和磷酸鹽增加顯著[28-30]。不同浮游植物對營養(yǎng)鹽的吸收和耐受能力也不一致，因此營養(yǎng)鹽濃度變化能夠影響浮游植物群落結(jié)構(gòu)組成[31]。有研究表明，藍藻門在營養(yǎng)鹽較高的水體中易成為優(yōu)勢種群，營養(yǎng)鹽對藍藻的生長促進作用大于水溫變化對藍藻的促進作用[32]。

3.2 青海湖浮游植物與水環(huán)境之間的關(guān)系

影響浮游植物群落在水生態(tài)系統(tǒng)中生長和繁殖的主要環(huán)境因子包括水溫、光照、營養(yǎng)鹽濃度、水體動力等非生物因素，以及浮游動物和魚類捕食等生物因素[33，34]。Pearson相關(guān)性分析及回歸分析表明，水溫是影響青海湖浮游植植物密度、生物量和多樣性指數(shù)的顯著因素，與眾多湖庫研究結(jié)果一致[35，36]。兩次調(diào)查顯示，浮游植物密度、生物量有顯著差異，夏季密度、生物量遠高于春季，這一變化與水溫上升密切相關(guān)，水溫可以通過影響浮游植物的生理和代謝過程直接影響浮游植物，也可以通過影響浮游植物的生長水環(huán)境間接影響浮游植物[37]。水溫的變化影響著水體物理、化學(xué)和生物活動，從而影響水體上下水層的交換、營養(yǎng)物的生化循環(huán)和分布[38，39]。青海湖夏季水溫高，營養(yǎng)物輸入增加，物質(zhì)循環(huán)加快，營養(yǎng)鹽含量增大，浮游植物密度和生物量也隨之增加，春季水溫低，營養(yǎng)物再生減緩，浮游植物密度和生物量也因此較低。兩次調(diào)查浮游植物種類組成均以硅藻為主，但優(yōu)勢類群有顯著差異，研究表明，冷水中常見的藻類多個體偏小，溫度升高多出現(xiàn)個體偏大的藻類，硅藻更適宜在低溫中生長，藍藻更適合在高溫中生長[26，40]。本研究中季節(jié)群落變化與近幾十年來青海湖群落演替結(jié)果均符合這一規(guī)律。此外，兩次調(diào)查的浮游植物多樣性也有明顯差異，一般情況下，多樣性指數(shù)減少，意味著浮游植物群落結(jié)構(gòu)趨于簡單，穩(wěn)定性變差，水質(zhì)下降[41]。Pearson相關(guān)性分析及回歸分析結(jié)果顯示CODMn與浮游植物多樣性呈顯著負相關(guān)，夏季由于氣溫升高，青海湖旅游熱度上升，人類活動對水環(huán)境造成影響不容忽視，進而導(dǎo)致水體CODMn增加，這可能是造成夏季浮游植物多樣性降低的主要原因。

4 結(jié)論

青海湖兩次調(diào)查共檢出浮游植物5門29屬50種，硅藻門、藍藻門和綠藻門為主要優(yōu)勢類群。不同季節(jié)的浮游植物群落結(jié)構(gòu)差異較大，從春季到夏季，浮游植物密度和生物量均顯著上升，多樣性指數(shù)顯著下降。Pearson相關(guān)性分析和回歸分析表明，水溫和CODMn對青海湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)影響顯著。