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  • ISSN 1007-6336
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长江口2016年冬季浮游植物类群及其与环境因子的关系

赵艳民 马迎群 曹伟 刘志超 杨晨晨 秦延文 张雷

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长江口2016年冬季浮游植物类群及其与环境因子的关系

    作者简介: 赵艳民(1979-), 男, 河北遵化人, 副研究员, 主要研究方向为水生生态学, E-mail:zhaoym@craes.org.cn;
  • 基金项目: 国家重点研发计划(2016YFA0600904);中央级公益性院所基本科研业务费专项资金(2006001001005008)
  • 中图分类号: Q178.53;X171.1

Feature of phytoplankton groups in Yangtze Estuary and its relationship with environmental factors in winter, 2016

  • 摘要: 2016年12月对长江口冬季浮游植物分布进行详细调查,并采用典型对应分析方法研究了其与环境因子之间的关系。小潮期间和大潮调查获取的浮游植物分别为96种和63种(含变种和变型),硅藻、蓝藻和绿藻是主要的浮游植物类群,主要的优势种为微囊藻(Microcystis spp)和中肋骨条藻(Skeletonema costatum)。调查获取的浮游植物可以分为4个生态类群:淡水类群、河口半咸水类群、近岸低盐性类群、海洋广布性类群。Margalef物种丰富度指数、Shannon-Wiener物种多样性指数、Pielou均匀度指数分布显示,调查区东北部浮游植物多样性程度较高,物种均一性相对较高。物种与环境的典型对应分析显示:长江径流与海水共同决定的盐度、电导率、浊度,以及PO4-P、SiO3-Si营养盐是决定长江口浮游植物分布的关键环境因子。
  • 图 1  长江口浮游植物采样点

    Figure 1.  Sampling station of Yangtze Estuary

    图 2  长江口12月浮游植物种类组成

    Figure 2.  Phytoplankton species in the Yangtze Estuary in December

    图 3  浮游植物群落多样性指数空间分布

    Figure 3.  Distribution of diversity index of phytoplankton community

    图 4  主要物种与环境因子的CCA分析双序图

    Figure 4.  Biplot of phytoplankton species and environmental factors

    表 2  浮游植物群落与环境因子的CCA分析结果

    Table 2.  Results of canonical correspondence analysis on phytoplankton and environmental factors

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出版历程
  • 收稿日期:  2018-08-06
  • 录用日期:  2019-01-22
  • 刊出日期:  2020-04-20

长江口2016年冬季浮游植物类群及其与环境因子的关系

    作者简介:赵艳民(1979-), 男, 河北遵化人, 副研究员, 主要研究方向为水生生态学, E-mail:zhaoym@craes.org.cn
  • 中国环境科学研究院 国家环境保护河口与海岸带环境重点实验室 流域水环境综合管理研究室, 北京 100012
基金项目: 国家重点研发计划(2016YFA0600904);中央级公益性院所基本科研业务费专项资金(2006001001005008)

摘要: 2016年12月对长江口冬季浮游植物分布进行详细调查,并采用典型对应分析方法研究了其与环境因子之间的关系。小潮期间和大潮调查获取的浮游植物分别为96种和63种(含变种和变型),硅藻、蓝藻和绿藻是主要的浮游植物类群,主要的优势种为微囊藻(Microcystis spp)和中肋骨条藻(Skeletonema costatum)。调查获取的浮游植物可以分为4个生态类群:淡水类群、河口半咸水类群、近岸低盐性类群、海洋广布性类群。Margalef物种丰富度指数、Shannon-Wiener物种多样性指数、Pielou均匀度指数分布显示,调查区东北部浮游植物多样性程度较高,物种均一性相对较高。物种与环境的典型对应分析显示:长江径流与海水共同决定的盐度、电导率、浊度,以及PO4-P、SiO3-Si营养盐是决定长江口浮游植物分布的关键环境因子。

English Abstract

  • 浮游植物作为食物链的基础以及碳和能量通量的关键途径,是全球初级生产的主要贡献者,在生态系统中发挥着重要作用[1-2]。浮游植物的结构和功能至关重要[3],其长期演替特征可以记录环境因素对生态系统的干扰[4],因而其群落结构受到众多研究者的关注[5]

    河口区域作为内陆河流与海洋的交汇区域,是陆地生态系统与海洋生态系统相互作用的关键区域,物质与能量交换活跃,其环境变化反映了自然过程和人类影响的共同作用[6]。长江是我国最大的河流,也是世界第三大河,年均径流量高达9.0×1011 m3。随着长江流域社会经济的高速发展,人类生产活动中大量营养盐排放到长江之中,并随径流排放到长江口区域[7],导致长江口区域富营养化问题日益凸显[8],有害赤潮发生频率增加,规模扩大,危害程度加重[9]。长江口浮游植物和环境因子的关系多年以来备受关注[10-11],但该区域水动力条件复杂多变,目前仍然难以全面揭示浮游植物的演替规律[5],不断积累浮游植物和环境资料是非常必要的。近年来,包括三峡大坝等大型水利工程在长江上中游的建设,影响了长江径流的水沙分布节律[12],可能会导致该区域的浮游植物种类组成、群落分布发生变化[13]。本研究对冬季长江口浮游植物进行调查,结合环境因子分析冬季长江口浮游植物的分布特点,以期进一步探讨长江口浮游植物对应环境因子变化的响应规律。

    • 长江口是一个丰水、多沙、中等潮汐强度,有规律分汊的三角洲河口,上自安徽大通(枯季潮区界),下至三角洲前缘(30~50 m等深线),自徐六泾向下,河槽被崇明岛分为南支和北支,南支被长兴岛和横沙岛分为南港和北港,南港在九段以下被九段沙分为南槽和北槽,从而形成三级分汊四口入海的形势[14]。2016年12月枯水期分小潮和大潮对长江口浮游植物及环境因子进行了分析,具体采样点如图 1

      图  1  长江口浮游植物采样点

      Figure 1.  Sampling station of Yangtze Estuary

    • 大潮期间气象条件恶劣,部分样品于北槽内进行采样(详情见图 1)。浮游植物样品采用卡盖式采水器和浅水Ⅲ型垂直拖网进行采集:样品加入5%的甲醛溶液摇匀保存。样品浓缩后采用镜检(LEICA显微镜)法进行浮游植物的定性定量分析,确定各站位浮游植物的种类和细胞丰度。

      各站位同步调查水温、盐度、透明度、pH、DO和营养盐质量浓度等环境参数,依照海洋监测规范(国家质量检验检疫总局, 2008)[15]进行分析。

    • 根据以下公式计算优势度(Y)、Margalef丰富度指数(D)、Shannon多样性指数(H′)和Pielou均匀度指数(J′)[16]

      式中:fi为该种在样品中出现的频率;ni为第i种个体数;N为全部样品的总个体数; S为群落中物种总数。取优势度Y>0.02的藻类作为优势种。

      应用R软件Vegan包进行典范对应分析(canonical correspondence analysis, CCA),探讨浮游植物群落与环境之间的对应关系。

    • 2016年12月小潮35个采样点共鉴定出浮游植物5门6纲15目28科46属96种,其中硅藻门有29属64种,占所有物种数的67%,蓝藻门7属16种,占比17%,绿藻门6属11种,占比11%。大潮26个站位的调查结果共鉴定出浮游植物3门5纲12目23科35属63种,其中硅藻门有20属38种,占总种类的60%,蓝藻门8属15种,占24%,绿藻门7属10种,占比16%。小潮期间浮游植物细胞数量在1.77×104 ind/ m3~1.67×108 ind/ m3,平均值为1.22×107 ind/ m3。位于南北支分汊口附近的3号采样点丰度最小,为1.77×104 ind/ m3;位于南北港分汊口的34采样点丰度最大,为1.67×108 ind/m3。大潮期间浮游植物细胞数1.11×104~1.57×106 ind/ m3,平均值3.20×105 ind/ m3,相比小潮均值有所下降。其中8号采样点浮游植物现存量最小,为1.11×104 ind/ m3;31号点的浮游植物现存量最大,为1.57×106 ind/ m3

      图  2  长江口12月浮游植物种类组成

      Figure 2.  Phytoplankton species in the Yangtze Estuary in December

      小潮期间长江口优势物种主要为蓝藻门微囊藻变种Microcystis sp,优势度0.49,Microcystis sp2优势度0.37和硅藻门的中肋骨条藻Skeletonema costatum,优势度0.34。大潮期间长江口浮游植物的优势种为微囊藻变种Microcystis sp,优势度为0.34,中肋骨条藻Skeletonema costatum,优势度0.30,直链藻变种Melosira sp.和鱼腥藻变种Anabaena sp,优势度均为0.13。

      小潮期间长江口浮游植物Margalef指数均值为1.99,大潮期间指数均值为1.72,小潮期间高值主要分布于北港以及口门外以及调查范围东北部区域;大潮期间口门内丰富度指数分布变化呈现间断性增大的特点,见图 3。小潮和大潮期间长江口Shannon指数均值分别为1.28和1.18,高值区主要分布于北港以及调查区域东北部,南港以及调查区域的东南部指数值较低;大潮期间口门内指数高值和低值交替出现,而北槽采样点的多样性指数值较低。Pielou指数小潮和大潮均值分别为0.53和0.52,小潮期间口门外、北港、以及调查区域东北部为高值区,而南港及调查区东南部较低;大潮期间高值区集中在口门内。

      图  3  浮游植物群落多样性指数空间分布

      Figure 3.  Distribution of diversity index of phytoplankton community

      小潮和大潮浮游植物合计发现111种,种类数高于黄河口[17],略低于珠江口[18],与20世纪80年代[19]和2004[4]相比,浮游植物种类数下降,细胞丰度上升。长江口的无机氮和总磷通量自20世纪60年代以来显著增加,硅酸盐通量则显著减少[20],长江口及其临近海域富营养化日趋严重,而富营养化水体中,浮游植物生物量的增加会导致多样性的下降[21]

      本次调查中淡水生态类群的蓝藻门微囊藻属以及河口半咸水类群的硅藻门的中肋骨条藻是长江口冬季最重要的优势种。铜绿微囊藻耐受盐度一般在7以内[22],但本次调查区域盐度跨度0~26.43范围内均发现微囊藻,表明本次调查范围均在在长江径流强作用范围。与历史调查结果类似[4-5],本次调查中肋骨条藻仍是长江口区域的关键种类,其主要分布在121°30′E以东的北港、南港以及口门外,数量为9.40×104~8.39×105 ind/m3,占对应采样点位浮游植物细胞丰度的9.23%~92.83%,是该区域内第一优势种,其数量波动是长江口区浮游植物数量动态变化的决定性因素,直接影响该区域的浮游植物平面分布格局。由于长江口北支径流分流量较少,潮汐作用强,盐水入侵[14],水动力条件强烈,导致南北支分汊口的局部水质与上游河道和下游河道迥异,浮游植物细胞丰度较低。

    • 选取NH4-N、NO3-N、盐度等11项环境因子和小潮浮游植物分布进行CCA分析,通过蒙特卡罗置换检验(Monte Carlo permutation test)检验环境因子与物种分布相关的显著性。结果表明11个环境因子对小潮和大潮浮游植物分布的解释量分别为43.16%和68.03%。

      浮游植物种类与环境因子关系见CCA排序图(图 4)和表 2。小潮期间,第一轴主要受电导率、盐度、SiO3-Si、DO、PO4-P决定,第二轴主要由浊度、PO4-P、温度决定;大潮期间,第一轴决定因子为电导率、盐度、PO4-P和SiO3-Si,第二轴主要取决于SiO3-Si和浊度。

      图  4  主要物种与环境因子的CCA分析双序图

      Figure 4.  Biplot of phytoplankton species and environmental factors

      表 2  浮游植物群落与环境因子的CCA分析结果

      Table 2.  Results of canonical correspondence analysis on phytoplankton and environmental factors

      小潮期间浮游植物大致可以分为三个类群。第一个类群主要包括绿藻门的单角盘星藻Pediastrum simplex (S5)、二角盘星藻Pediastrum duplex (S6);硅藻门的尖针杆藻Synedra acusvar (S13)、颗粒直链藻Melosira granulate (S19)及其变种(S20);蓝藻门的拟短形颤藻Oscillatoria subbrevis (S24)、水华鱼腥藻Anabaena flosaguas (S29)、铜绿微囊藻Microcystis aeruginosa(S31)等。第一类群藻种主要分布于徐六泾至长兴岛的河流段,分布上主要表现与PO4-P、DO呈正相关,而与水温表现出负相关关系。第二类群主要包括河口半咸水类群和近岸低盐性类群物种,如中肋骨条藻Skeletonema costatum (S44)、威利圆筛藻Coscinodiscus wailesii (S33)、活动盒形藻Biddulphia mobiliensis (S11)、具槽帕拉藻Paralia sulcate (S15)等硅藻和甲藻门的五角原多甲藻Protoperidinium pentagonum (S38)、夜光藻Noctiluca scientillans (S39)等物种。第二类群主要分布区域为122°E以东的外海区域,主要与盐度、电导率呈正相关关系,而与SiO3-Si呈负相关。第三类群主要包括蓝藻门的色球藻Chroococcus (S28)、伪鱼腥藻Pseudoanabaena sp.(S34)、微囊藻Microcystis sp1 (S35)、微囊藻Microcystis sp2 (S36)和项圈藻Anabaena sp (S40),主要分布于长兴岛以南的南港区域,与水温、浊度、NO2-N和SiO3-Si呈正相关,而与其他因子关系呈弱负相关。

      长江口大潮期间浮游植物分布上没有表现出比较明显的聚类关系。红海束毛藻Trichodesmium erythacum (S8)、假丝状微囊藻Microcystis pseudofilamentosa(S12)、钝顶节旋藻Arthrospira platensis (S5)、汉氏束毛藻Tdchodesmium hildebrandtii (S9)和微囊藻Microcystis sp (S22)分布于其他藻类群的外围,其中红海束毛藻和假丝状微囊藻分布于第4采样点附近,而钝顶节旋藻出现在第5采样点,这三种藻类与PO4-P、电导率、盐度和SiO3-Si呈正相关关系,而与浊度、水温和NO3-N呈负相关关系。汉氏束毛藻和微囊藻靠近第36采样点,与溶解氧和SiO3-Si表现出正相关关系。

      CCA分析结果表明小潮期间,影响浮游植物群落分布的环境因素包括:电导率、盐度、SiO3-Si、DO、PO4-P、浊度和温度;大潮期间,浮游植物群落分布主要受到电导率、盐度、PO4-P、SiO3-Si决定,并受到浊度影响。由于电导率、盐度、浊度主要与径流与潮汐相互作用有关,长江口复杂的水动力条件是影响浮游植物分布的主要因素。唐峰华等[10]研究表明,径流量与长江口浮游植物数量、多样性度、优势种数量百分比分别呈显著的幂函数关系、指数函数关系和幂函数关系。徐兆礼等[23]认为长江口内营养盐含量较为充足,通常不成为浮游植物生长的限制因子。而CCA分析结果表明,PO4-P、SiO3-Si对长江口浮游植物分布起到重要影响。因此,本研究认为,长江径流对于浮游植物的影响主要包括两方面:一是通过对长江口水域的盐度和电导率变化产生影响,进而影响浮游植物的分布;二是长江径流把大量的N、P等无机营养物质输运到长江口,改变了长江口的N/Si以及N/P,导致长江口水域富营养化,进而影响浮游植物的分布。此外,长江口径流悬浮颗粒物输运与潮汐、洋流等复杂的水文扰动,导致水域浊度上升,同样是影响长江口浮游植物分布的重要因素。

    • (1) 本次调查获取的浮游植物种类111种,其中硅藻物种数最为丰富,蓝藻和绿藻也占一定比例,主要的优势种为蓝藻门的微囊藻属和硅藻门的中肋骨条藻。对照历史记录,长江口口浮游植物呈现多样性降低、而细胞丰富上升的态势。

      (2) 长江径流与海洋潮汐、洋流交汇形成复杂水动力条件,直接影响长江口水域的盐度、浊度和电导率等理化条件,同时也对浮游植物的分布产生重要影响;长江径流将大量营养盐输入到长江口,使长江口水域富营养化程度加剧,也将影响浮游植物的分布;长江上游水利工程的建设,不可避免的对长江口来水来沙过程产生影响,进而影响营养盐等物质输入,其长期变化必然会导致浮游植物类群分布特征发生改变。

参考文献 (23)

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