国家湿地公园池塘水体浮游植物空间分异特征及影响因素

国家湿地公园池塘水体浮游植物空间分异特征及影响因素

浮游植物是湿地生态系统生物资源的基础。作为初级生产者，其群落结构直接影响着水生生态系统的结构和功能。大量研究表明,浮游植物的时空变化特征与环境因子关系密切,生态系统中环境因子的改变直接影响着浮游植物群落结构(熊丽等,2003;李秋华等,2009;潘继征等,2009;贺筱蓉和李共国,2009)。因此,浮游植物群落结构特征一定程度地反映了水体的生态环境状况(Suikkanenetal.,2007;陈家长等,2009)。西溪湿地处杭州市西部低山丘陵区与杭嘉湖平原的过渡地带,是在千余年人类渔耕经济的作用下逐渐演变成的以鱼塘为主,并由部分河港湖漾及狭窄的塘基和面积较大的河渚相间组成的近自然湿地生态系统,湿地内水面率高达50%以上,其传统的池塘养鱼混养模式在我国具有典型的代表性。作为国内第一个集城市湿地、农耕湿地、文化湿地于一体的国家湿地公园,西溪湿地在区域生态旅游、环境教育、物种与栖息地保护等方面具有重要价值(程乾和吴秀菊,2006;邵学新等,2007,2008)。20世纪80年代以前,西溪湿地水环境优良,达到地表水质量Ⅱ类标准。但是,由于历史上不合理的农业利用及近年来工业化和城市化的推进,西溪湿地退化严重。近10多年来水质曾急剧恶化(吴明等,2008),目前通过保护与治理,水环境质量恶化得到了遏制,处于恢复之中。本文研究了西溪湿地封闭池塘水体浮游植物群落特征,旨在通过分析该区域的物种组成、空间分布特征及其与环境因子的关系,了解西溪湿地浮游植物分布特征及影响浮游植物群落的主要环境因子,为今后的西溪湿地水质管理提供理论与技术指导。1研究领域和方法1.1东南角内衬湿地公园西溪湿地位于杭州市西部,主要属于西湖区的蒋村乡,小部分属于余杭区的五常乡(30°15′33.50″N,120°02′26.20″E)。东至紫金港,西以五常港与余杭区为界,南至沿山河,北至余杭塘河(图1)。2005年西溪湿地设立了中国第一个国家湿地公园,全区东西长约5.7km,南北宽约4.1km,总面积为10.08km2,为加强生态保护,在湿地内设置了费家塘、虾龙滩、朝天暮漾三大生态保护区。湿地属亚热带季风气候区,四季分明,雨量丰沛,光照充足。该区多年平均降雨量为1421.6mm,多年平均蒸发量为758mm。多年平均气温16.2℃;平均相对湿度在75%～85%,多年平均气压为1011.6hPa。1.2点选择—样点设置西溪湿地水体以封闭池塘为主,区内大小池塘2700余个,本研究样点选择在费家塘生态保护区内,本区块在西溪湿地具有较好的代表性,能够基本反映湿地其他池塘的水质状况。2009年9月中旬选择了该区块相邻的31个池塘进行研究,样点依次命名为S1,S2,…,S31。1.3实验室测定指标浮游植物定量水样用2.5L采水器于每一池塘中央0.5m水深处采集水样,取1.5L水样加鲁哥试液固定,沉淀48h后浓缩为30ml,转入标本瓶,甲醛溶液固定后实验室进行鉴定(章宗涉和黄祥飞,1991;胡鸿钧和魏印心,2006),多数鉴定到种或变种。现场测定水深(Dep)、水温(WT)、pH、电导率(Cond),赛氏盘测定水体透明度(SD)等。同时采集1L水样,实验室分析高锰酸盐指数(CODMn)、五日生化需氧量(BOD5)、总氮(TN)、硝态氮(NO3-N)、亚硝酸盐(NO2-N)、铵态氮(NH4-N)、总磷(TP)、磷酸盐(PO4-P)、悬浮物(TSS)、浊度(Turb)、色度(Chro)等,各指标均按标准方法进行(黄祥飞,1999;国家环境保护总局,2002)。1.4浮游植物相对丰度分析方差分析使用软件SPSS13.0进行,双向指示物种分析(two-wayindicatorspeciesanalysis,TWINSPAN)使用软件PCORD进行,除趋势对应分析(detrendedcorrespondenceanalysis,DCA)及典范对应分析(canonicalcorrespondenceanalysis,CCA)使用软件CANOCO(Version4.5)进行。浮游植物相对丰度:Pi=Ni/N×100,式中,Ni为第i物种的个体数,N为总个体数;以相对丰度>5%的物种作为优势种。2结果与分析2.1藻类种类及密度调查湿地水域共观察到浮游植物61属124种(包括变种),隶属蓝藻(Cyanophyta)、绿藻(Chlorophyta)、硅藻(Bacillariophyta)、隐藻(Cryptophyta)、裸藻(Euglenophyta)、甲藻(Pyrophyta)和金藻(Chrysophyta)等7门。各门类的种类数和密度见表1。绿藻门种类数最多,占总种数的34.7%,其次是硅藻门(29.8%)和裸藻门(18.6%),三者共占83.1%。从浮游植物密度上来看,以蓝藻门最高,平均密度达80.64×104cells·L-1,占总密度的38.07%,绿藻门次之,占总密度的25.93%,隐藻门种类数虽少,但在数量上占优势,相对丰度达13.03%。蓝藻、绿藻及隐藻门三者相对丰度共占77.03%;金藻门仅在很少样点出现,数量最少,仅占0.64%。整个研究区域浮游植物平均密度为211.80×104cells·L-1。从相对丰度和出现频率看,以蓝藻门的小席藻、鱼腥藻、黑色鞘丝藻、隐藻门的尖尾蓝隐藻及绿藻门的辐射微星鼓藻等种类占优势。2.2浮游植物群落特征根据本次采样各样点浮游植物物种组成特点及各分类单位的密度,对浮游植物群落进行TWINSPAN和DCA分析。结果表明:TWINSPAN分析将31个样点分为4组,各组样点在DCA第一轴上得到了很好的分化(图2)。第Ⅰ组包括6个样点,S1、S11～S15,该组水体浊度,悬浮物含量较高(表2),导致水体透明度偏低,形成以蓝藻、绿藻及隐藻为主的群落,该组3种藻类相对丰度分别为38.37%、27.30%、20.15%(图3);第Ⅱ组包括12个样点,S2～S10、S16～S18,形成以蓝藻、绿藻为主要类群的群落,这两种藻类相对丰度之和达70%以上,分别为36.43%、33.99%;第Ⅲ组包括7个样点S19～S20、S25～S28、S31,该组水体中蓝藻相对丰度达37.54%,其他藻类相对丰度均在20%以下,形成以蓝藻为主的群落;第Ⅳ组包括6个样点S21～S24、S29～S30,该组水体五日生物需氧量、高锰酸盐指数、总氮、铵态氮、硝态氮、亚硝酸盐氮、总磷及磷酸盐含量等均在该组最高,水体中营养盐丰富,水体中隐藻平均相对丰度达58.35%,形成以隐藻为优势类群的单优势群落。此外,硅藻门在各组的相对丰度比较接近,均在10%左右,裸藻门在第Ⅲ、第Ⅳ组相对丰度稍高,均达15%左右,而在第Ⅰ、第Ⅱ组相对丰度低于5%;而金藻仅在第Ⅱ组及第Ⅳ组有所出现,且数量也较低,在2组中的相对丰度分别为1.57%、0.14%。对各组浮游植物平均相对丰度>5%的主要优势种分析发现(表3),第I组有8种浮游植物形成主要优势种,分别是蓝藻门的小席藻、假鱼腥藻、平裂藻、绿藻门的辐射微星鼓藻、四角十字藻、硅藻门的模糊直链藻及隐藻门的尖尾蓝隐藻、啮噬隐藻。第Ⅱ有5种浮游植物形成主要优势种,分别是蓝藻门的黑色鞘丝藻、鱼腥藻)、细小隐球藻、绿藻门的辐射微星鼓藻及硅藻门的小环藻。第Ⅲ组有蓝藻门的小席藻、平裂藻、鱼腥藻、隐藻门的尖尾蓝隐藻、裸藻门的旋转囊裸藻及硅藻门的模糊直链藻等6种浮游植物形成主要优势种。第Ⅳ组有隐藻门的尖尾蓝隐藻、卵形隐藻、黑色鞘丝藻、裸藻等4种藻类形成主要优势种。不同浮游植物种类组成的变化反映出水体环境梯度的变化(Halletal.,2004;李秋华等,2009)。通过对浮游植物群落特征及优势种分析可知,构成西溪湿地封闭水体浮游植物群落的优势种类主要是一些在小湖泊、水塘以及河网水域分布的静水藻种,如硅藻门的直链藻,绿藻门中的十字藻,蓝藻门中的鱼腥藻、平裂藻、隐藻门的啮蚀隐藻、尖尾蓝隐藻等。上述优势种大多数是β-多污带和α-中污带的指示种类,这标志着西溪湿地有机污染仍处于较高水平。对各组理化因子分析可知,水体中浊度、电导率、悬浮物、亚硝酸盐、硝态氮及铵态氮含量差异显著。研究表明,研究区域浮游植物群落存在明显的空间差异,主要表现为第Ⅱ组水体浮游植物组成与第Ⅳ组水体的物种组成差异较大,这是由于研究区域水体特殊的生境所致(理化指标等差异)。2.3偏相关系数和变异膨胀系数的筛选运用CCA分析研究区域浮游植物群落分布与环境因子的关系。在CCA分析之前,为消除物种丰富度极端值对分类得分的影响,先对数据进行对数转换,并降低稀有物种的权重,以便使研究主要集中在丰富度高的物种上。鉴于环境因子的相似性,具有较高的偏相关系数(r>0.8)和变异膨胀系数(varianceinflationfactor)(>20)的变量都被排除在外(Tangetal.,2006)。通过一系列筛选并用前选和MonteCarlo转置法分析,结果如图4所示。从本次调查来看,对浮游植物空间分布具有重要并独立作用的最少变量包括:硝态氮、磷酸盐、透明度、色度、高锰酸盐指数等5项指标(MonteCarlo检验P<0.05),其在4个轴上的特征值依次为0.243、0.212、0.158、0.141(总惯量为3.05),可以解释浮游植物群落81.9%的累积方差,可见这5个参数是导致研究区块浮游植物群落结构差异的主要因素。3浮游植物空间分布格局西溪湿地水体以封闭池塘为主,各池塘的主要功能之一是渔业养殖,西溪保护工程实施前池塘周围来自养猪业的污水常常不经任何处理被直接排入水中作为肥鱼水,有时甚至将猪粪直接投水肥鱼,导致水体质量不断恶化(贺筱蓉和李共国,2009),甚至还出现水华现象。调查池塘内水体交换能力很差,且采样地周围大量柿树凋落物进入水体,分解后向水体提供大量有机物,同时为浮游植物生长提供了充足的营养盐。本研究共监测到浮游植物124种,由于采样点水体较浅(水深基本上在1.5m以下,部分池塘水体最深不超过0.5m),流动性较差,有机污染相对较重,水体中出现了在高度富营养化水体(如:武汉东湖)常见的藻类,如蓝藻门的小席藻等(雷安平等,2003)。从各组浮游植物群落优势种来看,亦以β-多污带和α-中污带的种类为主,尤其是指示有机污染的种类大量存在,这些指标种均为β-多污、α-中污的指示种类,其耐污性强,这些种类的存在体现了水质有机污染的严重性,表明西溪湿地水质有机污染水平仍然较高。通过DCA分析结合TWINSPAN分析可把研究区块分为4组,且各组水体浮游植物群落组成、优势种差别较大,主要环境因子如硝态氮、亚硝酸盐、悬浮物含量、浊度等在各组之间差异显著,五日生化需氧量、铵态氮等表现为第Ⅰ至第Ⅳ依次升高的趋势,研究区块特殊的生境类型是导致浮游植物空间格局的重要原因。CCA分析表明影响西溪湿地封闭池塘浮游植物空间分布的主要因子为硝态氮、磷酸盐、透明度、色度、高锰酸盐指数等5项指标。由于不同湿地具有不同的主要影响因子,大量的研究已经证明营养盐(氮、磷)是影响浮游植物生长的重要因素(沈会涛和刘存岐,2008;李秋华等,2009;潘继征等,2009;贺筱蓉和李共国,2009)。本研究中的硝态氮、磷酸盐因素证实了营养盐对该区块浮游植物空间分布格局的影响;