銀川犀牛湖浮游植物群落結構與多樣性

李 華,段杰仁,李吉寧

(1.寧夏福寧工程設計咨詢有限公司,寧夏銀川 750001;2.寧夏固原市第七中學,寧夏固原 756002;3.寧夏大學生態環境學院,寧夏銀川 750021)

浮游植物作為水域生態系統里的初級生產者,為水生生態系統的物質與能量流動奠定基礎[1]。浮游植物攝入水中的營養鹽用于自身生長,當水體富營養化后,營養鹽激增,引發浮游植物大幅度增長,可視為水體富營養化的標志之一[2]。浮游植物自身結構簡單,較為脆弱,極易受到外界環境變化的影響,對水域生境變化敏感,因此可根據浮游植物的動態變化推測水域生境的變化,是水環境變化的指示物種之一[3]。浮游植物自身獨特的生存策略決定了浮游植物群落結構變化的迅速與精準性[4],在不同地理位置、營養結構下,浮游植物群落結構差異顯著[5]。浮游植物群落結構關系到水生生態系統的穩定,了解其群落結構可為水生態保護提供依據[6]。

銀川市地處我國西北干旱、半干旱地區,湖泊是極其珍貴的自然資源和生態景觀,對寧夏以及周邊地區的生態安全和生態恢復具有重大的戰略意義。浮游植物是水生生態系統的重要組成部分,可反映水體水質與生境的變化。該研究利用經典方法與定性定量分析手段,研究銀川犀牛湖浮游植物群落動態變化與結構特性,為該地區水質評價、生態環境保護提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域與樣點布設犀牛湖位于銀川市西夏區鎮北堡鎮良渠稍村、同莊村,面積160 hm2,水生生物資源豐富,生態物種多樣。人工池塘與自然湖泊交織,典型生境包括自然湖泊生境與人工魚塘生境。該研究設置4個取樣點(圖1)。于2020年冬季(1月)、春季(4月)、夏季(7月)、秋季(10月)分4次取樣,對水體里浮游植物進行定性定量分析。

1.2 浮游植物采樣與鑒定浮游植物樣品采集參照《湖泊富營養化調查規范》(第二版)[7]、水庫漁業資源調查規范(SL 167—2014)、水生生物調查技術規范(DB11/T 1721—2020)進行。浮游植物鑒定參照《淡水微型生物圖譜》[8]和《中國淡水藻類》[9]進行。所采標本鑒定到屬或種,計數并計算生物量。

1.3 浮游植物多樣性指數采用Shannon-Wiener物種多樣性指數(H′)和Margalef物種豐富度指數(D)分析犀牛湖水生生物物種多樣性[10]。計算公式如下:

D=(S-1)/log2N

(1)

H′=-∑(ni/N)log2(ni/N)

(2)

式中:S為種類數;N為浮游植物總個體數;ni為第i種浮游植物的個體數。

2 結果與分析

2.1 浮游植物種類組成2020年犀牛湖共檢出浮游植物8門87種,其中藍藻門17種,硅藻門25種,綠藻門30種,裸藻門7種,甲藻門2種,隱藻門2種,金藻門2種,黃藻門2種,以綠藻門種類居多,硅藻門、藍藻門次之,偶見隱藻門、黃藻門、甲藻門和金藻門種類,見表1。

圖1 犀牛湖采樣點分布Fig.1 Distribution of sampling points in Xiniu Lake

2020年犀牛湖浮游植物種類數為23～73種。春季物種數為52種,藍藻門占比26.92%,硅藻占比32.69%,綠藻門占比28.85%。夏季物種數為64種,藍藻門占比23.44%,硅藻占比23.44%,綠藻門占比34.38%。秋季物種數為73種,藍藻門占比23.29%,硅藻占比32.88%,綠藻門占比32.88%。冬季物種數為23種,藍藻門占比8.69%,硅藻門占比65.22%,綠藻門占比26.09%。硅藻門是犀牛湖冬季和春季浮游植物的主要類群,夏季為綠藻門,秋季為綠藻門和硅藻門。冬季到春季物種數目的增加主要在于藍藻門和綠藻門物種數目的增加。

2.2 浮游植物密度與生物量2020年犀牛湖浮游植物全年平均密度為7.12×106cell/L,全年平均生物量為5.19 mg/L。從圖2可以看出,春季浮游植物平均密度為6.86×106cell/L,平均生物量為4.46 mg/L;夏季浮游植物平均密度為12.13×106cell/L,平均生物量為8.71 mg/L;秋季浮游植物平均密度為7.71×106cell/L,平均生物量為5.88 mg/L;冬季浮游植物平均密度為1.78×106cell/L,平均生物量為1.71 mg/L;浮游植物密度和生物量冬季最低,夏季最高,春秋季持平。

表1 2020年犀牛湖浮游植物種類數Table 1 Number of phytoplankton species in Xiniu Lake in 2020 單位:種

圖2 2020年犀牛湖浮游植物密度(a)和生物量(b)季變化Fig.2 Seasonal changes of phytoplankton density (a) and biomass (b) of Xiniu Lake in 2020

2.3 浮游植物多樣性指數及優勢類群2020年犀牛湖浮游植物Shannon-Wiener多樣性指數(H′)、Margalef豐富度指數(D)與優勢類群見表2。H′指數為2.793～4.520,D指數為1.171～3.385。冬季、春季優勢類群為硅藻門,夏季優勢類群為綠藻門,秋季優勢類群為綠藻門和硅藻門。

2.4 水質生物學評價按照浮游植物豐度方法評價[11],2020年犀牛湖全年水質總體處于輕度污染,夏季水質最差,達到中度污染;冬季水質最好,接近清潔。按照浮游植物多樣性指數(H′)評價[12],犀牛湖全年水質總體保持清潔,冬季水質出現輕度污染,秋季最好。若根據豐富度指數(D)判斷[12],全年犀牛湖水質處于中度污染,冬季水質最差,秋季最好。

3 討論

3.1 浮游植物種類、密度、生物量銀川犀牛湖屬于西北內陸干旱半干旱地區典型淺水型湖泊,浮游植物群落豐度、密度和生物量變化很大,物種總數、主要功能群、優勢種變化明顯。犀牛湖浮游植物種類豐富,全年檢出8門87種,變化幅度大,最低時只有23種,最高可達73種,呈現冬季低、秋季高的態勢,其中,冬季到春夏季浮游植物物種數目的增加主要源自藍藻門和綠藻門物種數目的增加。全年綠藻門、藍藻門和硅藻門占據主要優勢,藍藻門集中于春季、夏季、秋季,而硅藻門四季分布較為均勻;綠藻門冬季分布最少,春季次之,夏季、秋季分布廣泛。浮游植物優勢種群變化明顯,夏季的優勢物種為綠藻門,春季、冬季的優勢物種為硅藻門,秋季則為綠藻門和硅藻門,變化頻率高。由此可見浮游植物群落主體結構為藍-綠-硅藻型,屬于典型高緯度冷水質水體。

表2 2020年犀牛湖浮游植物多樣性指數及優勢類群Table 2 Diversity index and dominant groups of phytoplankton in Xiniu Lake in 2020

浮游植物的現存量指的是某一瞬間單位水體中所存在的浮游植物的量,當采用數目單位(cell/L)時,一般指平均密度,而采用重量單位(mg/L)即指生物量。不同藻類間比重不同,因此二者數值間并無明顯比例對應關系,但在變化趨勢上基本相同。犀牛湖浮游植物密度和生物量以季節變化為主,呈現冬季低、夏季高、春秋季持平的特征,變化幅度大,密度與生物量最高值均是最低值的5倍以上。

從2020年全年整體數據看,浮游植物結構較為常見和合理,短期內物種的大量缺失和增加的可能性較小。橫向對比上,選取的4個樣點間物種差異性總體不大。冬季占優勢的硅藻個體較大,沉積效應明顯,生活水層較深,這表明藻類習性的差異與浮游植物群落根據具體生境的變化對自身結構組成的調整。

3.2 浮游植物多樣性指數多樣性是表征群落穩定性的重要參數[13],通常情況下,物種多樣性越大,群落結構越復雜,群落穩定性越高。從Shannon-Wiener多樣性指數(H′)來看,平均指數達到3.092,總體群落結構較為復雜;從Maegalef豐富度指數(D)來看,全年浮游植物數目分配較為均勻;綜合兩者可知,犀牛湖浮游植物群落結構復雜,多樣性指數適中,物種分配合理。此外,這2種指數反映傾向不同,前者傾向群落復雜程度,后者傾向于物種分配均勻程度,在分析具體群落結構時,需結合具體情況進行分析。從多樣性指數(H′)和豐富度指數(D)變化來看,冬季浮游植物多樣性程度和豐富度均為最低,在春秋季回升,并在秋季達到峰值,冬季降至最低,多樣性指數、豐富度指數與浮游植物物種數目變化趨勢相近,藻類生態位重疊度適中,夏季藻類重疊性略高。從優勢種群看,夏季綠藻門作為主要功能群,物種分布廣泛,種類數多,促進了多樣性指數和豐富度指數的增長;而作為冬季優勢類群的硅藻門,硅藻門整體耐寒耐低營養鹽環境,自身比重大且易沉積[14],因此數量少、分布不均的硅藻門導致浮游植物多樣性降低。物種的多樣性指數高,說明自身調節能力的增強[15],可見犀牛湖浮游群落在夏秋季結構處于較穩定時期,冬春季自身調節能力減弱。綜合考察浮游植物的群落結構穩定性需結合多方面指標,從多樣性來看,犀牛湖浮游植物群落結構在秋季最為復雜和穩定,冬季最差。從優勢種群來看,優勢種種類數越多且優勢度越小,則群落的結構越復雜和穩定[16],兩方面均表明秋季是犀牛湖浮游植物群落結構最穩定時期。

3.3 水質生物學評價浮游植物豐度、多樣性與所在水體水質存在密切聯系,利用生物學方法可側面評價水質。利用細胞豐度評價,犀牛湖水質全年輕度污染,冬季最好且接近清潔,而根據多樣性評價,水體細胞豐度高的秋季水質反而最好。可見,前者傾向于細胞豐度的增加反映水質的富營養化,后者則認為在水質污染較為嚴重的情況下物種群落會較為單一,單個物種數目生物量會增加[17]。因此,水質對于浮游植物群落結構的影響是多方面的,不可用單一生物學指數評價。另外,犀牛湖水質全年浮游植物優勢種群的演替也可反映水質的變化[18],在非生物因子變化引發特定生境變化的前提下,部分物種由于適應條件與生境相匹配,從而在生物量、生態位上占優,該演替過程即為群落優勢種演替。綠藻門習性偏喜陽喜高營養鹽,而硅藻門偏喜陰耐低營養鹽,可知犀牛湖由夏季至冬季營養化程度降低,水質逐步好轉。

4 結論

(1)2020年銀川犀牛湖浮游植物群落物種總數達到87種,全年變化范圍為23～73種,主體結構為藍-綠-硅藻型,優勢種夏季為綠藻門,秋季為綠藻門和硅藻門,冬季、春季為硅藻門。全年浮游植物平均密度為7.12×106cell/L,平均生物量為5.19 mg/L,密度和生物量在夏季達到峰值,冬季最低。

(2)Shannon-Wiener多樣性指數(H′)為2.793～4.520,平均值為3.902,冬季最低,秋季最高。Margalef豐富度指數(D)為1.171～3.385,平均值為2.480,冬季最低,秋季最高。

(3)犀牛湖水質總體較好,4個季節水質均在中度污染水平及以下,不同季節水質有差異,秋季水質較好。