2016, Vol. 36
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浮游植物群落作为水生态系统整个生产过程的初级生产者和基础环节,它们的种类和数量变化与周围环境要素密切相关,且能对水体生态环境的变化做出最直接的响应(Liu et al., 2010; 胡芳等,2014).欧盟水框架协议、海洋战略框架指令等国际政策法规(Padisak et al., 2010; Domingues et al., 2008)中也都提出将浮游植物群落作为水质评价的重要指标,通过其生物量、群落组成和丰富度等特点来反映水体特征和水生态状况(Seoane et al., 2011).由于浮游植物种群密度对水质、水动力、气候条件等变化非常敏感,故通常被用来指示水体环境变化,特别是营养盐水平的变化(Badruzzaman et al., 2009).如硅藻适宜生长在较温暖且透明度、营养盐浓度频繁波动的水体(Crossetti and Bicudo, 2008),多甲藻喜薄日厌强光的水环境(边归国等,2010).许多水体发生藻类水华的主要影响因素就是水体中氮磷营养盐增加(Reichwaldt and Ghadouani, 2012; Grover et al., 2012)；氮磷营养盐对九龙江河口浮游植物的分布及丰度变化造成极大的时空差异(王雨等,2011)；而三峡库区浮游植物群落优势种由蓄水前期的硅藻逐渐变化至蓄水后期的绿藻主要是因为水位条件发生改变(杨浩等,2012; Zhang et al., 2010).因此,进行浮游植物群落特征的研究,对于了解整个流域生态系统的结构和功能具有重要意义.
西枝江是东江的第二大支流,是惠州地区的饮用水源.近年来,西枝江水体中氮营养盐含量居高不下(江涛等,2009),下游水体部分断面出现间歇性溶解氧含量较低的现象,污染现象较为严重.随着流域内经济进一步发展,将给西枝江流域以及下游东江的水质、水生态以及饮用水供水安全造成更大的压力.但对西枝江流域生态环境进行全面与系统的研究却并不多见,仅有对相近水域东江开展了水体环境和水生态状况(江源等,2011),以及西枝江支流淡水河非点源污染影响(张恒等,2011)等研究.本文在西枝江流域开展研究,探讨不同水文期条件下浮游植物群落变化特征及其与环境因子的相互关系,为西枝江流域水环境保护提供科学依据.
2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 流域概况与采样点西枝江地处亚热带海洋性季风气候区,位于北纬22°37′~23°28′,东经114°37′~115°25′,西枝江河长190 km,流域面积为4120 km2,江水大致自东北向西南方向流动,经平山镇后折向西北,经惠阳至惠州市东新汇入东江,是东江的重要支流.本研究在西枝江流域共布设采样点23个,于2012年2月22—25日(枯水期)、8月2—4日(丰水期)、11月6—9日(平水期)进行样品采集,其中干流设15个点位(1#~15#),淡水河支流共设8个点位(16#~23#).具体如图 1所示.
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| 图 1 西枝江流域采样点分布图 Fig. 1 Location of sampling sites in Xizhijiang River |
使用便携式水质分析仪现场测定水温(T)、pH、电导率(Cond)、溶解氧(DO)等水质因子；用采水器采集水面下0.5 m处水样2.5 L,带回实验室后测定总氮(TN)、氨氮(NH+4-N)、硝酸盐氮(NO-3-N)、亚硝酸盐氮(NO-2-N)、总磷(TP)、正磷酸盐(PO3-4)、高锰酸盐指数(CODMn)和叶绿素a(Chla)等指标,测定方法按照国家水质标准方法(GB3838—2002)进行.
浮游植物定性样品用25#浮游生物网在河流水体表层呈“∞”字形捞取,以甲醛试剂固定,在显微镜下进行种类鉴定,种类确定参照《中国淡水藻类》(胡鸿钧等,2006)；定量样品用采水器采集0.5 m处水样1 L,用鲁哥试剂固定,在实验室浓缩沉淀及定容后,在显微镜下进行藻类鉴定和藻类细胞计数.
2.3 数据处理生物多样性分析采用：Shannon-Weaver多样性指数、Pielou均匀度指数、Margalef丰富度指数和优势度,以上参数均可以反映生物群落结构特征,同时也是评价水质状况的指标,其计算公式(耿文华等,2014)为：
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式中,H′为Shannon-Weaver多样性指数,J为均匀度指数,D为Margalef丰富度指数,Y为优势度,S为物种总数,N为所有物种的个体数,ni为第i种物种的个体数,fi为第i种的出现频率；Y≥0.02为优势种.
由于浮游植物群落特征和环境因子之间具备一定的相关性,采用Canoco for Windows 4.5软件对经过筛选的浮游植物群落数据和环境数据进行RDA分析,本研究用于排序的浮游植物群落要求满足下面条件(周然等,2013)：该浮游植物群落在样点出现的频度Y≥0.02.浮游植物群落数据矩阵经过lg(x+1)转换,环境因子数据除pH值外都进行lg(x+1)转换,排序结果用浮游植物群落-环境因子关系的双序图表示.使用Origin Lab 8.5对不同采样点和不同环境因子进行图形分析.使用SPSS 17.0统计软件进行方差分析(ANOVA),显著性水平为0.05.
3 结果(Results) 3.1 主要环境因子状况调查结果表明,西枝江流域枯、丰、平三期的干流总氮浓度分别为2.67 mg·L-1、1.73 mg·L-1和4.90 mg·L-1,支流淡水河总氮浓度分别为18.3 mg·L-1、5.49 mg·L-1和21.4 mg·L-1.在不同水文期内,支流淡水河总氮浓度显著高于西枝江干流(p＜0.05),且西枝江干流在平水期显著高于枯水期和丰水期(p＜0.05).西枝江干流总磷全年差异不显著(p>0.05),枯水期、丰水期、平水期分别为0.11 mg·L-1、0.13 mg·L-1、0.10 mg·L-1；支流淡水河总磷在枯水期(0.96 mg·L-1)显著高于丰水期(0.52 mg·L-1)和平水期(0.55 mg·L-1)(p＜0.05)；总磷浓度空间分布特征为支流淡水河(0.68 mg·L-1)高于西枝江干流,同时西枝江干流由上游(0.02 mg·L-1)、中游(0.14 mg·L-1)、下游(0.18 mg·L-1)呈现逐渐升高的趋势.西枝江流域其他理化指标变化情况见表 1.
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| 图 2 西枝江流域总氮、总磷含量时空分布图 Fig. 2 Temporal and spatial distribution of total nitrogen and total phosphorus in Xizhijiang River |
| 表 1 西枝江流域水质主要理化因子 Table 1 important environmental factors in Xizhijiang river |
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西枝江流域水样中共检出浮游植物6门98种,其中绿藻53种,占总种类数的54.1%；硅藻27种,占总种类数的27.6%；蓝藻门、裸藻门、隐藻门和甲藻门种类数依次为10、5、2、1种,分别占总种类数的10.2%,5.1%,2.0%,1.0%.其中,浮游植物样品中所检出的种类数上游区域相对较少,中下游较上游丰富,支流较干流丰富.从浮游植物群落种类组成来看,枯水期西枝江流域主要以卵形隐藻(Cryptomonas ovata)、尖尾蓝隐藻(Chroomonas acuta)、月牙藻(Selenastrum bibraianum)、针杆藻(Synedra sp.)、桥弯藻(Cymbella sp.)为优势种；丰水期硅藻门中的小环藻(Cyclotella sp.),绿藻门中的优美平裂藻(Merismopedia elegans)、镰形纤维藻(Ankistrodesmus falcatus)、四尾栅藻(Scenedesmus quadricauda)细胞密度上升,成为优势种；平水期以卵形隐藻、尖尾蓝隐藻、钝顶螺旋藻和四尾栅藻为优势种.
西枝江干流上游水体(1#~4#)中主要以卵形隐藻、尖尾蓝隐藻、桥弯藻、针杆藻为常见种；中游水体(5#~12#)以卵形隐藻、尖尾蓝隐藻、优美平裂藻、四尾栅藻、小环藻常见种；下游水体(13#~15#)以钝顶螺旋藻、卵形隐藻、四尾栅藻、镰形纤维藻为常见种；支流淡水河(16#~29#)以四尾栅藻、桥弯藻、镰形纤维藻、卵形隐藻、尖尾蓝隐藻为常见种.西枝江流域各时期浮游植物优势种及优势度见表 2.
| 表 2 西枝江流域浮游植物种优势种及其优势度 Table 2 Dominant species and the abundance of the phytoplankton in Xizhijiang River |
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调查结果表明,西枝江流域浮游植物细胞密度时空分布差异明显.枯水期西枝江下游浮游植物细胞密度最高,为4.45×106 cell·L-1,其次为支流淡水河(2.37×106 cell·L-1),再次为西枝江中游(9.57×105 cell·L-1),西枝江上游最低,为1.64×105 cell·L-1；丰水期与枯水期类似,仍然为西枝江下游最高(2.03×106 cell·L-1),淡水河支流次之(1.32×106 cell·L-1),再次为西枝江中游(1.22×106 cell·L-1),西枝江上游最低(3.37×105 cell·L-1)；平水期支流淡水河浮游植物细胞密度最高(2.75×105 cell·L-1),其次为西枝江中游(8.32×104 cell·L-1),再次为西枝江下游(7.41×104 cell·L-1),西枝江上游最低(4.46×104 cell·L-1).从时间上来看,枯水期浮游植物细胞变化范围为7.6×104~6.72×106 cell·L-1,13#浮游植物细胞密度最高,峰值达到6.72×106 cell·L-1,流域均值为1.90×106 cell·L-1；丰水期次之,变化范围为2.21×105~2.39×106 cell·L-1,均值为1.16×106 cell·L-1；平水期最低,变化范围为0.22~7.04×105 cell·L-1,均值为1.46×105 cell·L-1.西枝江流域叶绿素a变化趋势与浮游植物细胞密度时空分布规律较为类似,枯水期变化范围为0.78~91.35 mg·m-3,且同样在枯水期13#达到峰值91.35 mg·m-3,丰水期变化范围为0.55~16.33 mg·m-3,均值为6.98 mg·m-3,平水期变化范围为1.49~21.08 mg·m-3,均值为7.58 mg·m-3.西枝江流域浮游植物细胞密度及叶绿素a时空变化见图 3.
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| 图 3 西枝江流域浮游植物群落细胞密度时空分布 Fig. 3 Temporal and spatial distribution of phytoplankton density in Xizhijiang River |
西枝江流域浮游植物群落Shannon-Weaver多样性指数(H′)、Pielou均匀度指数(J)、Margalef丰富度指数(D)时空分布如图 4所示,Shannon-Weaver多样性指数一般用来描述种的个体出现的紊乱和不确定性,该指数值越高越优,研究表明(郝媛媛等,2014)H′>3属于轻或无污染；1~3属于中污染；H′＜1时属于重污染.西枝江流域枯水期多样性指数变化范围为1.73~4.48,丰水期变化范围为2.09~4.16,平水期变化范围为1.31~3.16,其中枯水期内18#最高,平水期内3#最低.Pielou(J)均匀度指数是群落的实测多样性与最大多样性的比率,变动范围在0~1之间,比率越高,则多样性越高,常用该指数来评价生物多样性水平.J为0.5~0.8属于轻或无污染；0.3~0.5属于中污染；
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| 图 4 西枝江流域浮游植物多样性指数空间分布 Fig. 4 Spatial distribution of phytoplankton diversity index in Xizhijiang River |
0~0.3属于重污染.西枝江流域枯水期均匀度指数变化范围为0.48~0.93,丰水期变化范围为0.58~0.93,平水期变化范围为0.36~0.75.Margalef(D)丰富度指数是指群落或生境中物种数量的多寡,值越大,则多样性越高.均匀度指数枯水期变化范围为0.43~1.98,丰水期变化范围为0.62~2.29,平水期变化范围为0.64~1.72.综合多样性指数、均匀度指数、丰富度指数评价结果得出,西枝江流域部分点位浮游植物群落多样性受到一定程度的损害,属于中污染状态.
3.3 浮游植物群落与环境因子的关系选取枯水期、丰水期、平水期的对应优势种数据进行DCA分析,结果中Lengths of gradient的第一轴均小于3.0,故选用RDA分析.由表 3可知,枯水期轴1和轴2的特征值分别为0.410、0.142,丰水期轴1和轴2的特征值分别为0.185、0.165,平水期轴1和轴2的特征值分别为0.302、0.208；所选择的环境因子共解释了枯水期60.3%、丰水期48.6%、平水期56.4%的物种变化信息,前两轴累计解释了枯水期55.2%、丰水期35.1%、平水期51.0%的物种变化信息和枯水期91.6%、丰水期72.2%、平水期90.4%的物种-环境关系信息；两水文期的两个物种排序轴近似垂直,环境因子轴与物种排序轴之间的相关系数枯水期为0.895、0.753,丰水期为0.726、0.896,平水期为0.874、0.728,3个水文期两环境排序轴的相关系数均为0,且Monte Carlo置换检验所有排序轴均达到显著水平(p＜0.05),表明排序可靠(Fang et al., 2012),排序轴与环境因子间线性结合的程度较好的反映了物种与环境之间的关系.
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| 图 5 西枝江流域枯水期(a)、丰水期(b)和平水期(c)浮游植物优势种与环境因子的RDA分析 (浮游植物Phytoplankton: a: 卵形隐藻Cryptomonas ovata; b: 尖尾蓝隐藻Chroomonas acuta; c: 针杆藻Synedra sp.; d: 桥弯藻Cymbella sp.; e: 月牙藻Selenastrum bibraianum; f: 优美平裂藻Merismopedia elegans; g: 小环藻Cyclotella sp.; h: 镰形纤维藻Ankistrodesmus falcatus; m: 四尾栅藻Scenedesmus quadricauda; n: 钝顶螺旋藻Spirulina platensis) Fig. 5 RDA biplot of phytoplankton dominant species and environmental variables in different seasons |
| 表 3 浮游植物群落RDA统计结果 Table 3 Summary of redundancy analysis (RDA) of phytoplankton community for the first two axes |
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选取9种环境因子与西枝江流域浮游植物优势种细胞密度(8种)进行西枝江流域枯水期、丰水期、平水期水环境因子与浮游植物群落的RDA分析.分析结果表明,西枝江流域枯水期主要环境因子是pH、Cond、TN和CODMn,针杆藻、桥弯藻与TN、TP、CODMn、Cond相关性较高；丰水期CODMn与卵形隐藻、尖尾蓝隐藻相关性较高；桥弯藻、镰形纤维藻与TN、TP及T相关性较高；平水期四尾栅藻与TP、NH3-N相关性较强.综合以上结果表明,氮磷营养盐、T以及CODMn是影响西枝江流域浮游植物群落结构分布的重要环境因子.
4 讨论(Discussion) 4.1 西枝江流域浮游植物群落与水质时空变化特征对20世纪50年代以来中国二十余条主要河流水生生物群落结构特征的研究(洪松等,2002)发现,珠江流域大多数河流从上游到下游的空间分布浮游生物种类数呈增加趋势.西枝江不同区域浮游植物种类及数量差异明显,西枝江流域中下游浮游植物种类数较上游丰富,淡水河支流较干流丰富.西枝江流域浮游植物优势种在上游(1#~4#)为β-中污带的针杆藻、桥弯藻、卵形隐藻、尖尾蓝隐藻等演变为中下游(5#~15#)指示α-中污带的钝顶螺旋藻、四尾栅藻、镰形纤维藻等(何志辉,2000),浮游植物指示种的演替与该流域水质由上游至下游逐渐变差的水质调查情况相吻合,这与西枝江中下游人口分布特征以及外源营养盐的输入有密切关系.西枝江流域氮磷含量空间分布特征为支流高于干流下游高于中游,西枝江干流上游最低.这是由于西枝江上游区域有自然保护区白盆珠水库,同时居民区稀疏,污染排放较少,水质情况较好,而中游和下游区域人口相对集中,尤其是支流淡水河流域,工业较为发达,点源污染占到污染源负荷的85%以上(陈凡等,2014),城镇生活污水与工业废水存在直接排放入河现象(刘文俊,2013),导致淡水河以及与西枝江交汇后的下游水体中污染物含量增加,西枝江下游区域氮素地域滞留量很大,西枝江是河流氮素输出的主要来源(马晓波等,2006),西枝江与淡水河的氮输入还导致了东江干流氮浓度的升高(廖剑宇等,2013).此外,西枝江流域平水期总氮水平显著高于枯水期和丰水期,干流总磷浓度全年差异不显著；支流淡水河总磷在枯水期显著高于丰水期和平水期,这与淡水河流域氮磷营养盐在枯季高于洪季的研究结果类似(张恒等,2012).河流水质变化受流域内的土壤、植被、地质成分及化学性质、降雨、径流以及人类活动等多方面的影响.对于西枝江所在的东江流域,水质变化的主要驱动因素是点源和面源污染物排放量的变化(江涛等,2009).
4.2 环境因子与浮游植物群落结构关系分析同一水体不同时期的浮游植物群落结构也存在差异,与邻近水域东江剑潭库区相类似(胡芳等,2014),水温是影响西枝江浮游植物群落特征变化的重要驱动因素,夏秋季较高的水温,使得优美平裂藻、螺旋藻等喜高温的蓝藻成为丰水期与平水期的优势种,而冬季枯水期则以硅藻与绿藻为主要优势种.水体氮磷营养盐是浮游植物生长的物质基础,研究表明氮素是影响太湖以及入湖河流浮游植物群落结构的主要环境因子(李娣等,2014)；氮磷营养盐是影响浮游植物群落结构与分布的关键因子,浮游植物种类组成和生物量变化与所处水质密切相关(Jindal et al., 2014；苟婷等,2015).RDA分析结果表明,氮磷营养盐是影响西枝江流域全年浮游植物群落分布的主要环境因子之一.同样,CODMn也是影响西枝江流域浮游植物群落的重要环境因子,西枝江流域COD等有机污染物主要来源于工农业废水,既有氮磷污染物也有大量的COD排放,这是氮磷污染物与COD共同影响浮游植物群落结构的重要原因(胡芳等,2014).西枝江流域浮游植物细胞密度时空分布结果表明,枯水期西枝江下游浮游植物细胞密度与叶绿素a含量较高,最高值分别达6.72×106 cell·L-1与91.35 mg·m-3,与同处珠江流域的贺江发生藻类水华风险较高的研究结果类似(苟婷等,2015),西枝江下游具有一定的潜在藻类水华风险.由于西枝江最终汇入东江干流,且西枝江下游部分水域处于东江干流剑潭库区内,剑潭大坝出水水质状况直接影响下游东深取水口水质,西枝江尤其是下游水质与水生态状况对东江干流水源水质影响甚大.因此,在全流域内尤其是污染严重的支流淡水河应进一步加强污染防治工作,减少污染物的入河量,加强生态环境风险管理,以维护良好的水质与降低水生态风险.
5 结论(Conclusions)1) 西枝江流域平水期总氮浓度显著高于枯水期、丰水期；西枝江干流总磷浓度全年差异不显著,支流淡水河总磷浓度在枯水期显著高于丰水期、平水期.空间氮磷含量分布特征为淡水河高于西枝江下游高于西枝江中游,西枝江上游水质最优,西枝江下游水质受支流淡水河影响较大.
2) 西枝江流域共检出浮游植物6门98种,西枝江流域水体浮游植物群落密度变化范围为2.2×104~6.72×106 cells·L-1,Shannon-Weaver多样性指数(H′)、Pielou均匀度指数(J)、Margalef丰富度指数(D)分析结果表明,西枝江流域部分点位浮游植物群落生物多样性受到一定程度的损害；浮游植物指示种的演替与流域内水质变化情况相吻合.
3) RDA分析结果表明,氮磷营养盐、T以及CODMn是全年西枝江流域浮游植物群落的主要环境影响因子.控制流域内尤其是支流淡水河污染物的产生与排放,对于改善西枝江下游水质与水生态以及维护东江干流水质意义重大.
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