长江湖北宜昌中华鲟自然保护区浮游植物群落结构及水质生物评价

蔡志宇 伍遇普 林枫 田波 向浩 吴益平 黄盼君 刘千凡 周志国

摘要：为了解长江湖北宜昌中华鲟自然保护区浮游植物群落周年变化特征及水质生物评价，2021年春、夏、秋和冬四个季节在保护区水域设置了10个断面，开展了保护区浮游植物现状监测调查。结果显示：共采集到浮游植物102种，隶属于8门49属，其中硅藻门种类最多，其次为绿藻门。优势物种共计16种，以绿藻门种类为多。浮游植物的密度范围为10.21～102.09×104 Cells/L，全年平均密度为27.92×104 Cells/L；物量范围为0.10～6.96 mg/L，平均生物量为2.26 mg/L；生物量及密度变化趋势为夏季高冬季低、上游高下游低。浮游植物Shannon多样性指数（H）变化范围为1.39～3.25，年均值为2.43；Pielou 均匀度指数（J）的波动范围为 0.25～0.87，年均值为0.47。浮游植物多样性和均匀度指数指示水体较为清洁，浮游植物密度指示水体营养类型为极贫营养。浮游植物生物量与环境因子之间的冗余分析及Pearson相关分析结果表明，浮游植物群落结构变化受温度、溶解氧和流速影响较大。

关键词：浮游植物；群落结构；水质生物评价；中华鲟自然保护区

中图分类号：X82           文献标识码：A

浮游植物是一个生态学概念，又被称为浮游藻类[1]，是指悬浮生活在水中，完全没有或者游泳能力微弱、不足以抵抗水的流动力的微小植物。浮游植物是水域生态系统中的初级生产者，能通过叶绿素进行光合作用将光能转化为生物能并储存无机碳，在水生态系统的物质循环和能量转化过程中起着重要作用[2-3]。水生态系统动态平衡是生物群落与环境因子之间相互影响和制约的结果，水生生物群落结构受水环境变化影响，水生生物群落结构及动态变化也会反映出水体环境变化[4-5]。浮游植物对环境条件的变化较为敏感，能够根据水体营养状态的变化迅速作出响应，因此浮游植物的群落结构变动情况可以作为所处水体污染状况的一项重要指标，经常用来评价水体是否健康 [6-8]。

中华鲟（Acipenser sinensis）属于洄游性鱼类，为我国一级保护动物。中华鲟产卵场主要分布于长江上游，葛洲坝水利枢纽建成后，中华鲟繁殖群体被迫滞留于坝下江段，形成了目前为止已知仅有的产卵场。为保护中华鲟的自然繁殖群体及其栖息地和产卵场等生境，1996年4月，湖北省人民政府正式批准建立“长江湖北宜昌中华鲟自然保护區”，保护区范围为葛洲坝至枝城杨家溪60 km的长江干流江段，对中华鲟的物种延续起着关键性的作用。浮游植物群落结构变化影响着水体生态环境，也持续影响着水体生态系统服务功能，因此，研究浮游植物群落结构特征变化，对于水生态保护具有重要意义[9]。

目前，对长江湖北宜昌中华鲟自然保护区内浮游植物群落调查研究甚少，且调查范围限于某一断面[10]。鉴于此，2021年的春、夏、秋和冬四个季节，在长江湖北宜昌中华鲟自然保护区水域开展了浮游植物及相关环境因子的监测工作。根据相关监测结果，分析了保护区浮游植物群落结构的周年变化特征，探讨了其与保护区环境因子的关系，并依据生物学指标对保护区水质进行了评价。本研究结果将填补长江湖北宜昌中华鲟自然保护区浮游植物群落结构与环境因子关系等研究的空白，丰富保护区水生生物研究方面的基础数据，为保护区生态系统保护提供科学依据。

1材料与方法

1.1采样断面、监测周期与频次

采样断面：在长江湖北宜昌中华鲟自然保护区设置了10调查断面（图1），顺水流方向从上至下以依次为胭脂坝（YZB）、艾家镇（AJZ）、将军帽（JJM）、虎牙山（HYS）、洋丰码头（YFMT）、塔坪桥（TPQ）、高坝洲镇（GBZZ）、滨江公园（BJGY）、孙家河（SJH）、刘家河（LJH）。

监测周期及频次：2021年5月、7月、9月和12月对10个监测断面进行了浮游植物监测，同时对各个断面的环境因子进行了测量。

图1采样断面示意图

1.2样品采集、保存及鉴定

样品采集：参照《内陆水域渔业自然资源调查手册》，在各采样断面分左岸、河中、右岸3个采样点进行浮游植物的定性和定量样品采集。定性调查：用25号浮游生物网采集。采集时将网紧扎于竹竿前端，将网没于水中作水平∞形巡回拖动，拖动速度不超过0.3 m/s，目测时可以底管前端的网体全部展开为标准。在行船上采集时，则将网系在船后水平拖取。定量采集：在水深不超过2 m时，以采水器采取水面下0.5 m处水样1个；水深为2～3 m时，在离水底0.5 m处增加一个采水样点；水深为3～5 m时，在水下1.5～2.5 m处再增加一个水样；各层水样等量混合后，再取一个混合水样加以固定。

样品固定：浮游植物标本采集后，除留待活体观察的样品以外，其余样品立刻以鲁哥氏液固定（一般每升水加15 mL鲁哥氏液）。定量样品固定后还需浓缩至30～50 mL贮存。浓缩一般采用沉淀法：将固定后的样品摇匀后全部倒入沉淀器中静置24～48 h，以虹吸管吸去上清液；操作中不能搅动液体，而使沉淀在下部的固体物质随虹吸管中的液体逸出；反复进行操作，直至样品浓缩至30～50 mL时装入样瓶中保存。

样品分析：采用显微镜计数法进行定量分析。将浓缩后的定量样品溶液摇匀，以经校正的定量吸管吸取0.1 mL注入容量为0.1 mL的计数框，盖上盖玻片置于显微镜下镜检计数。每个水样计数两次，两次计数的结果取平均值，若该平均值与两次计数结果的差距不大于该均值的10％，则该均值为最终计数结果；否则，计数第三次，将三次计数结果取平均值，同样用上法校验[11-13]。

此外，对水体水质理化参数指标也进行了监测。具体方法如下：采用YSI多参数水质监测仪（YSI 6600V2，Xylem Analytics）现场测定电导率水温（Water Temperature，WT）、电导率（Conductivity，Cond）、pH、溶解氧（Dissolved Oxygen，DO）；采用塞氏盘现场测量水体透明度（SD）；使用流速仪（FP111）测定流速（Current Velocity，CV）；现场采集的水样带回实验室，参照《水和废水监测分析方法（第四版）》（国家环境保护总局，2002）对总氮（Total Nitrogen，TN）和总磷 （Total Phosphorus，TP）等水质参数及进行测定。

1.3数据处理与分析

对浮游植物的Shannon-Wiener多样性指数（Ｈ）、Pielou均匀度指数（Ｊ）及优势度（Ｙ）進行计算。相关计算公式如下：

式中：Ni为第ｉ种的个体数；Ｎ为样品中的总个体数；fi为第ｉ种在各样点出现的频率；S为种类数。取优势度Y≥0.02的物种作为优势种。

对多样性指数以及TN、TP、pH和DO等，进行标准差标准化处理后，采用SPSS 26.0软件对浮游植物与环境因子做Pearson相关性分析。先对浮游植物相关数据进行去趋势对应分析（Detrended correspondence analysis，DCA）：当排序轴最大梯度长度大于3时选择典范对应分析（canonical correspondence analusis，CCA），当排序轴最大梯度长度小于3时选择冗余分析（Redundancy analysis， RDA），最终用物种与环境因子的双序图表示浮游植物与环境因子的关系[14]。采样点的绘制结合使用 ArCIS 10.8 和 BigMap完成。

1.4水质和营养类型生物评价标准

根据Shannon-Wiener多样性指数（Ｈ）进行水质评价，当Ｈ值在小于1，则表示水体处于重污状态；当Ｈ值在大于1，小于2，则表示水体处于轻污染状态；当Ｈ大于3，则表示水体较为清洁。根据Pielou均匀度指数（Ｊ）进行水质评价，当J值在小于0.3，则表示水体处于重污状态；当J值在大于0.3，小于0.5，则表示水体处于中污染状态；当J大于0.5，则表示轻污染或无污染状态[15]。

根据浮游植物细胞密度进行营养类型评价：当浮游植物密度小于等于50000 ind./L时，表示所处水体处于极贫营养状态。当密度大于50000 ind./L，小于100000 ind./L时表示所处水体处于贫营养状态。当密度大于100000 ind./L，小于900000 ind./L时，表示所处水体处于贫中营养状态。当密度大于1000000 ind./L，小于4000000 ind./L时，表示所处水体处于中营养状态。当密度大于400000 ind./L，小于800000 ind./L时，表示所处水体处于中富营养状态。当密度大于8100000 ind./L，小于9900000 ind./L时，表示所处水体处于富营养状态。当密度大于1000000 ind./L，时，表示所处水体处于富营养状态 [16]。

2结果与分析

2.1浮游植物种类组成及优势种

2021年，在长江湖北宜昌中华鲟自然保护区共鉴定到浮游植物102种，隶属于8门49属。其中硅藻门种类最多35种，占总数的34.31%；其次为绿藻门27种，占总数的26.47%；蓝藻门种类为22种，占总数的21.57%；甲藻门、隐藻门，金藻门、裸藻门，黄藻门各4，5，6，2和1种，分别占总数的3.92%，4.9%，5.88%，1.96%和0.98%（图2）。

浮游植物种类数在四季存在差异，其中春季67种、夏季92种、秋季79种和冬季87种。各门类存在一定的季节差异，比如，绿藻门种类在春、夏和秋季种类较多；硅藻门种类在秋季和冬季种类多，在春季最少；蓝藻门种类在春季最多，冬季最少（图3）。

经统计分析，10个采样断面浮游植物优势物种共有16种，包括硅藻门、绿藻门、蓝藻门和隐藻门四大类（表1）。其中，绿藻门优势物种最多，为6种，包括双尾栅藻（Scenedesmus obliquus），二角盘星藻（Pediastrum duplex），卵囊藻（Ocystis sp.），弯曲栅藻（Scenedesmus arcuatus），新月藻（Closterium），螺旋纤维藻（Ankistrodesmus spiralis）；其次为硅藻门的5种，包括颗粒直链藻（Melosira granulate），脆杆藻（Fragilaria sp.），双头舟形藻（Navicula dicephala）布纹藻（Gyrosigma），桥弯藻（Cymbella）；蓝藻门4种，包括颤藻（Oscillatoria），席藻（Phormidium corium），阿氏项圈藻（Anabaenopsis arnoldii），束丝藻（Aphanizomenon）；隐藻门（Cryptophyta）仅1种，反曲弯隐藻（Campylomonas reflexa）。

2.2浮游植物密度和生物量

浮游植物的密度范围为10.21～102.09×104 Cells/L，全年平均密度为27.92×104 Cells/L，（表2）。从季节上来看，浮游植物密度不同季节之间存在较大差异，密度大小顺序总体为：夏季>秋季>春季>冬季；其中，夏季的浮游植物平均密度最高为44.59×104 Cells/L，显著高于春、冬季的16.26×104 Cells/L 和15.43×104 Cells/L（P<0.05）；其次为秋季的35.40×104 Cells/L；春季和冬季浮游植物密度之间的差异性不显著。从空间上看，浮游植物密度分布也存在较大差异，各个季节总体表现为下游江段相对较大，而上游江段相对较小（图4）。

各采样点浮游植物生物量范围为 0.10～6.96 mg/L，平均生物量为2.26 mg/L。从季节上来看，各采样点生物量季节变化趋势与密度基本一致，即：夏季>秋季>春季>冬季。夏季的浮游植物平均密度最高为3.64 mg/L，显著高于春、冬季节的1.13 mg/L和1.22mg/L（P<0.05）。从空间上看，保护区下游生物量相对较大，上游江段相对较小，与密度变化趋势基本一致（表2，图4）。

2.3浮游植物与水体理化因子相关性

与环境因子进行Pearson 相关性分析的结果表明：浮游植物密度与溶解氧（DO）含量、透明度（SD）、流速（CV）、透明度（SD）负相关关系（P＜0.05），与温度正相关（P＜0.05）；生物量与总磷（TP）及温度正相关（P＜0.05），与溶解氧（DO）含量、流速（CV）及透明度呈显著负相关系（P＜0.05）。游植物群落结构起最主要作用的环境因子是温度，可能是由于保护区江段位于亚热带地区，各季节的温度变化显著导致（表3）。

对16种优势物种进行去趋势对应分析（DCA），排序轴最长梯度小于3，说明浮游植物群落结构接近线性模型，故本研究采用冗余分析（RDA）探究浮游植物与水体环境因子的关系。结果显示，温度、透明度、溶解氧与浮游植物群落结构密切相关。其中水温与第一排序轴为正相关；水温与第一排序轴为最大正相关，溶解氧与第二排序轴呈最大负相关（图5）。

（SP3为卵囊藻； SP4 为弯曲栅藻；SP5 为新月藻；SP6 为螺旋纤维藻；SP7 为颗粒直链藻；SP8 为脆杆藻；SP9 为双头舟形藻；SP10为布纹藻；SP11 为桥弯藻；SP12 为颤藻；SP13 为席藻；SP14阿氏项圈藻；SP15为束丝藻；SP16为反曲弯隐藻）

2.4水体营养状态生物学评价

对10个采样断面浮游植物生物多样性进行统计，结果表明：各断面浮游植物Shannon多样性指数（H）变化范围为1.39～3.25，年均值为2.43；H季节变化差异不大，各个季节之间差异不明显。Pielou 均匀度指数（J）的波动范围为0.25～0.87，年均值为0.47，季节之间变化差异不显著。不同断面上，Shannon多样性指数（H）和Pielou 均匀度指数（J）差异较大，总体上下游江段各指数值大于上游江段（表4，图6）。

按照常用的浮游植物生物学评价水质和营养类型的方法，根据生物学指标Shannon多样性指数（H）和Pielou 均匀度指数（J）评价长江湖北宜昌中华鲟自然保护区水质， 细胞密度评价营养程度，结果见表5。结果表明：全年Shannon多样性指数（H）主要集中在2～3之间，属于轻污染；春季和夏季的Pielou 均匀度指数（J）范围在0.3～0.5之间，属于中污染，而秋季和冬季＞0.5，属于 轻污染。全年浮游植物细平均胞密度均小于0.5×106 cells/L，暗示长江湖北宜昌中华鲟自然保护区营养类型为极贫营养。总体而言，保护区水质属于轻污染，营养类型为极贫营养（表5）。

3结论

1）调查期间，共鉴定到浮游植物102种，隶属于8门49属。其中硅藻门种类最多，其次为绿藻门27种，黄藻门最少。浮游植物优势物种共有16种（Y>0.02），包括绿藻门6种，硅藻门5种，蓝藻门4种，隐藻门仅1种。浮游植物的密度范围为10.21～102.09×104 Cells/L，全年平均密度为27.92×104 Cells/L； 生物量范围为 0.10～6.96 mg/L，平均生物量为2.26 mg/L。生物量及密度变化趋势为夏季高冬季低、上游高下游低。

2）浮游植物与水体理化因子的相关性分析结果表明：与溶解氧、透明度、流速、透明度呈显著负相关，与温度呈显著正相关；对16种优势物种进行去趋势对应分析（DCA），排序轴最长梯度小于3，适合采用冗余分析（RDA）。结RDA结结果显示，温度、透明度、溶解氧与浮游植物群落结构密切相关。

3）各断面浮游植物Shannon多样性指数（H）变化范围为1.39～3.25，年均值为2.43； Pielou 均匀度指数（J）的波动范围为 0.25～0.87，年均值为0.47。下游江段各指数值大于上游江段。按照常用的浮游植物生物学评价水质和营养类型的方法进行水质评价，结果表明，保护区水质属于轻污染，营养类型为极贫营养。

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（收稿日期：2022-08-12）