湘江干流浮游生物群落結(jié)構(gòu)及水質(zhì)狀況分析

王曉清 曾亞英 吳含含 熊 鋼 張建國馬 曉 陳麗婷

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院, 長沙 410128; 2.湖南生物機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 長沙 410127)

湘江是長江的主要支流之一, 發(fā)源于廣西臨桂縣海洋坪的龍門界, 向北流入湖南省, 流經(jīng)衡陽、株洲、湘潭、長沙等工業(yè)發(fā)達(dá)的城市, 至蘆林潭又匯合注入洞庭湖。湘江流經(jīng)城市其居民生活飲水和企業(yè)用水均取自湘江, 同時生活和企業(yè)廢水也隨之排入湘江, 大量有機物和污染物不斷地排入造成水體N、P等營養(yǎng)鹽的大量增加, 對漁業(yè)資源和人體健康均帶來影響。因此, 湘江干流水質(zhì)狀況受到了一定的關(guān)注。

目前, 有報道湘江干流水環(huán)境、軟體動物資源狀況和部分江段的水體營養(yǎng)狀態(tài)方面的調(diào)查研究[1—3], 但缺乏對湘江浮游生物群落結(jié)構(gòu)特征和營養(yǎng)狀態(tài)的系統(tǒng)研究與綜合評價?；瘜W(xué)監(jiān)測是采用定期取樣調(diào)查方法, 因此得出的檢測結(jié)果只能代表取樣時瞬間的情況, 不能反映取樣前后的情況。生活在水中的水生生物能夠反映整個生活時期中環(huán)境因素的改變情況, 它們對環(huán)境變化反應(yīng)很敏感, 水質(zhì)的任何變化都可能影響它們的生理功能、種類豐度、種群密度、群落結(jié)構(gòu)與功能的改變。因此, 浮游生物的群落組成、豐度、優(yōu)勢種群、生物多樣性等與水體的營養(yǎng)程度密切相關(guān), 是評價水質(zhì)污染及營養(yǎng)水平的重要指標(biāo)[4—8]。然而各種浮游生物自身的特性不同, 不同浮游生物之間、浮游生物與非生物環(huán)境因素之間的相互關(guān)系復(fù)雜, 僅僅用浮游生物對水體污染進(jìn)行監(jiān)測, 難以得到十分準(zhǔn)確的結(jié)果。為此,本文將浮游生物監(jiān)測和理化監(jiān)測結(jié)合起來, 初步探討湘江干流浮游生物群落結(jié)構(gòu)特征和水質(zhì)污染狀況,以期為湘江水環(huán)境保護(hù)和污染治理提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣時間和采樣點設(shè)置

本項目于 2010年4月至2011年 11月進(jìn)行春(2010年 4月)、夏(2010年 7月)、秋(2010年 11月)、冬(2011年1月)四季4次采樣調(diào)查。

采樣斷面的布設(shè)是根據(jù)湘江自然環(huán)境狀況和周圍排污情況確定的, 按湘江干流衡陽區(qū)段、株洲區(qū)段、湘潭區(qū)段、長沙區(qū)段和岳陽區(qū)段各設(shè)3個采樣站, 并按順序編為1—15站(圖1)。

圖1 采樣點分布圖Fig.1 Map of sampling sites

1.2 樣品的采集方法與處理

水質(zhì)理化指標(biāo)與測定 水質(zhì)監(jiān)測項目有水溫、pH、DO、TN、TP、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、葉綠素a(Chl.a)、透明度(SD)等指標(biāo)。水溫、pH、SD在現(xiàn)場測定, pH用玻璃電極法、SD采用塞氏盤法測定。其他指標(biāo)采取水樣加化學(xué)藥品保存, 帶入實驗室分析。水質(zhì)監(jiān)測項目均為采水器在水面下0.5 m處采樣, 樣品的分析方法和保存方法均參照國家標(biāo)準(zhǔn)方法[9]測定。

浮游生物的測定 浮游生物資源采樣和計數(shù)按 SC/T9012《漁業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測規(guī)范》(淡水)和SL167-1996《水庫漁業(yè)資源調(diào)查技術(shù)規(guī)范》方法進(jìn)行。浮游生物種類的鑒定主要依據(jù)文獻(xiàn)[10—12]、浮游生物豐度和生物量的計算參照文獻(xiàn)[13]中的方法進(jìn)行。

參數(shù)計算與水質(zhì)狀況評價 香農(nóng)—威納(Shannon-Wiener)多樣性指數(shù)計算和評價水質(zhì)污染程度按文獻(xiàn)[14]進(jìn)行; 優(yōu)勢度按文獻(xiàn)[15]計算; 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法評價水體富營養(yǎng)狀態(tài)按文獻(xiàn)[16]進(jìn)行。

2 結(jié)果

2.1 營養(yǎng)鹽分布特征及水質(zhì)狀況評價

根據(jù)湘江干流營養(yǎng)鹽的分布特征, 參照(GB3838-2002)對各單項因子進(jìn)行評價湘江干流水質(zhì)狀況。由理化監(jiān)測結(jié)果(表1)可知湘江干流的水質(zhì)較差, 營養(yǎng)鹽含量較高。湘江干流四季總氮的波動范圍在1.68—4.04 mg/L, 春、夏、秋、冬四季總氮都超過《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的Ⅳ類水的標(biāo)準(zhǔn) 1.5 mg/L, 顯示出湘江干流總氮污染嚴(yán)重。湘江干流總磷的波動范圍在0.02—0.12 mg/L, 除春季株洲段、湘潭段、長沙段這三個采樣段的含量較高(均大于 0.1 mg/L), 其他的采樣季節(jié)采樣段總磷含量屬于Ⅱ類水。CODMn作為有機污染的指標(biāo), 當(dāng)其濃度超過4 mg/L時, 表示水體已經(jīng)受到污染。湘江四次采樣的 CODMn為 2.97—15.39 mg/L, 說明湘江已有一定程度的有機污染, 除春季衡陽段、株洲段、湘潭段未受到污染, 其他的采樣季節(jié)和采樣段均受到污染, 而且夏季的污染程度最嚴(yán)重, 其次是冬季。湘江的氨氮含量的季節(jié)變化明顯, 變化范圍為0.18—1.07 mg/L, 秋季和冬季的氨氮均值超過了0.5 mg/L, 屬于Ⅲ類水, 而長沙段的秋季和冬季的總氮結(jié)果均超過 1.0 mg/L, 屬于Ⅳ類水。湘江的 BOD5的變化范圍在0.49—5.47 mg/L, 春季衡陽段的結(jié)果為5.47 mg/L, 屬于Ⅳ類水, 其他采樣段的結(jié)果均小于 3 mg/L, 屬于Ⅰ類水。由此可見, 湘江的水質(zhì)狀況較差, 有富營養(yǎng)化的趨勢。

2.2 湘江干流浮游生物群落結(jié)構(gòu)特征

湘江干流浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征 在2010—2011年4次采樣調(diào)查中, 共鑒定到浮游植物164種, 其中硅藻門24屬51種, 藍(lán)藻門12屬17種,黃藻門3屬5種, 甲藻門5屬6種, 裸藻門5屬16種, 綠藻門41屬58種, 金藻門7屬8種, 隱藻門2屬3種。由圖2可知, 湘江干流每個季節(jié)的種類數(shù)組成不同, 秋季浮游植物種類數(shù)最多, 冬季最少,每個季節(jié)的主要種類由硅藻門、綠藻門和藍(lán)藻門組成。每次均能檢測到： 藍(lán)藻門的顫藻(Oscillastoriasp.)、微囊藻(Microcystissp.)等, 硅藻門的舟形藻(Naviculaceaesp.)、雙菱藻(Surirellasp.)、鈍脆桿藻(Fragilaria fcapucina)、顆粒直鏈藻(M.granulata)、變異直鏈藻(M.varians)等, 黃藻門的黃絲藻(Tribonemasp.)等, 甲藻門的多甲藻(Peridiniumsp.)、裸甲藻(Gymnodiniumsp.)、角甲藻(Geratiumsp.), 裸藻門的裸藻屬(Euglenasp.)、囊裸藻(Trachelomonassp.)、扁裸藻(Phacussp.)等, 綠藻門的柵藻(Scenedesmussp.)、空球藻(Eudorina elegans Ehrenberg)、盤星藻(Pediastrumsp.)、纖維藻(Ankistrodesmussp.)、十字藻(Crucigeniasp.)、集星藻(Ahantzschiisp.)等。其中, 優(yōu)勢種為藍(lán)藻門的顫藻,硅藻門的變異直鏈藻、雙菱藻等, 甲藻門的二角多甲藻, 裸藻門的裸藻, 黃藻門的黃絲藻, 綠藻門的纖維藻、柵藻等。

表1 湘江干流水質(zhì)理化指標(biāo)Tab.1 Some chemical and physical parameters in the mainstream of Xiangjiang River

表2 湘江干流浮游植物的豐度和生物量的水平變化(豐度單位： 萬細(xì)胞數(shù)/L; 生物量單位： mg/L)Tab.2 Spatial distribution of phytoplankton density and biomass in the mainstream of Xiangjiang River (quantity unit： 104 cells/L; biomass units： mg/L)

表3 湘江干流浮游動物的密度和生物量的水平變化(數(shù)量單位： 個/L; 生物量單位： mg/L)Tab.3 Spatial distribution of zooplankton density and biomass in the mainstream of Xiangjiang River (quantity unit： ind/L; biomass units： mg/L)

表4 湘江干流浮游生物多樣性指數(shù)Tab.4 Diversity index of plankton in the mainstream of Xiangjiang River

圖2 湘江不同季節(jié)浮游植物種類分布圖Fig.2 Map of phytoplankton species distribution in different seasons in Xiangjiang River

湘江浮游植物豐度和生物量的時空分布以及各門藻類之間的分布都極不均勻(表2), 差異很大。春季硅藻門的豐度和生物量占絕對優(yōu)勢, 豐度變化范圍為(1.34—3.77)×104cells/L, 占總數(shù)的 39.35%—74.30%, 生物量變化范圍為 0.0471—0.1496 mg/L,占總數(shù)的61.97%—76.28%; 夏季以綠藻門和藍(lán)藻門占優(yōu)勢, 藍(lán)藻門豐度平均為9.46×104cells/L, 生物量平均為0.0841 mg/L, 綠藻門豐度為8.58萬cells/L,生物量為0.0625 mg/L; 秋季以藍(lán)藻門、綠藻門和硅藻門占優(yōu)勢, 3個門類的豐度和生物量占總數(shù)的范圍分別為 82.66%—94.40%和 71.88%—93.06%; 冬季浮游植物豐度和生物量很少, 硅藻門占絕對優(yōu)勢,豐度占總數(shù)的變化范圍為69.87%—91.82%, 生物量占總數(shù)的變化范圍為45.63%—98.75%。

浮游植物的優(yōu)勢種群和群落結(jié)構(gòu)特征指數(shù)的變化可以在一定程度上反映出環(huán)境的變化。水質(zhì)狀況較好的水體, 浮游植物種類較多, 多樣性指數(shù)H較大, 反之在重污染水體中, 種類數(shù)少, 多樣性指數(shù)較小。湘江浮游植物多樣性指數(shù)情況(表4), 春季、秋季五個采樣段的H都大于3; 夏季衡陽段的H為2.71, 其他采樣段的H都大于3; 冬季5個采樣段的H為1—3。因此, 從浮游植物多樣性指數(shù)分析來看,湘江屬于輕-中污染型。

湘江干流浮游動物群落結(jié)構(gòu)特征 對湘江干流浮游生物的調(diào)查共鑒定到浮游動物80種, 其中輪蟲23屬45種, 枝角類9屬17種, 橈足類3屬5種,原生動物10屬13種。從組成上看, 以輪蟲類占優(yōu)勢, 其次是枝角類。每次均能檢測到的浮游動物主要有： 原生動物類的簡裸口蟲(Holophrya simplex)、僧帽斜管蟲(Chilodonella cucullulus)、結(jié)節(jié)鱗殼蟲(Euglypha tuberculata)、冠砂殼蟲(Difflugia corona)、表殼蟲(Arcella)等;輪蟲類的蛭態(tài)目輪蟲(Bdelloidea)、前節(jié)晶囊輪蟲(Asplanchna priodonta)、萼花臂尾輪蟲(Brachionus calyciflorus)、螺形龜甲輪蟲(Kcochlearis cochlearis)、曲腿龜甲輪蟲(Kcochlearis valga)、長三三肢輪蟲(Filinia longiseta)、矩形臂尾輪蟲(Brachionus leydigi)等; 枝 角類的象鼻 溞 (Bosmina)、裸腹 溞 (Moina)、 尖額 溞Alona)、 盤腸 溞 (Chydorus)、低額 溞 (Simocephalus)等; 橈足類的廣布中劍水蚤(Mesocyclops leuckarti)、透明溫劍水蚤(Thermocyclops hyalinus)、近鄰劍水蚤(Thermocyclops cvicinus)等。優(yōu)勢種為原生動物的冠砂殼蟲、結(jié)節(jié)鱗殼蟲, 輪蟲類的萼花臂尾輪蟲、螺形龜甲輪蟲、前節(jié)晶囊輪蟲、長三肢輪蟲, 枝 角類的象鼻 溞 , 橈足類的廣布中劍水蚤、無節(jié)幼體。

湘江浮游動物的密度和生物量的時空分布的差異十分明顯(表3)。春季的密度和生物量較小, 密度平均為6.8個/L, 以原生動物為主, 占36.75%, 生物量平均為 0.0737 mg/L, 以橈足類的量最大, 占45.21%; 夏季的密度和生物量最大, 密度平均為38.8個/L, 以輪蟲類最多, 占 52.88%, 生物量平均為0.6126 mg/L, 以枝角類的量最大, 占53.55%; 秋季的密度和生物量較小, 密度平均為6.5個/L, 其中輪蟲類最多, 占49.69%, 生物量平均為0.1325 mg/L,以橈足類最多, 占43.69%, 輪蟲類其次, 占42.25%;冬季的密度和生物量很小, 密度平均為 4.65個/L, 其中橈足類最多, 占37.00%, 輪蟲類次之, 占30.30%,生物量平均為0.1325 mg/L, 橈足類最多, 占77.59%。

由表4可以看出, 春季5個采樣段的H都大于3; 夏季衡陽段的H為 3.22, 其他采樣段都為 1—3;秋季衡陽段的H為3.23, 長沙段的H為3.01, 其他采樣段都為1—3; 冬季長沙段的H為3.19, 其他采樣段都為 1—3。因此, 從浮游動物多樣性指數(shù)分析來看, 湘江屬于輕-中污染型。

2.3 湘江干流浮游生物污染指示種狀況

根據(jù)藻類、浮游動物的出現(xiàn)情況對水質(zhì)進(jìn)行評價, 按文獻(xiàn)[14]方法將水質(zhì)分為5級： 即α-多污帶、β-多污帶、α-中污帶、β-中污帶和寡污帶, 對湘江各流段浮游生物群落組成種類檢測和對水質(zhì)評價結(jié)果(表5)。其中α-多污帶指示生物如裸藻, β-多污帶指示生物如舟形藻、羽紋藻、衣藻、小球藻等, α-中污帶指示生物如顫藻、橋彎藻、針桿藻、扁圓卵形藻、柵藻、萼花臂尾輪蟲等, β-中污帶指示生物如脆桿藻、變異直鏈藻、顆粒直鏈藻、雙菱藻、盤星藻、纖維藻、裸腹 溞 等, 寡污帶指示生物如小環(huán)藻、冠砂殼蟲、象鼻溞等在各點均有一定數(shù)量的分布。

3 討論

3.1 湘江干流浮游生物群落結(jié)構(gòu)特征對水質(zhì)狀況的指示

本研究結(jié)果顯示, 春季、冬季湘江的浮游植物屬于硅藻型, 夏季、秋季湘江的浮游植物屬于藍(lán)藻-綠藻-硅藻型, 根據(jù)藻類各種群在群落中所占比例作為污染程度評價的指標(biāo), 貧營養(yǎng)性湖泊的浮游植物以金藻為主, 中營養(yǎng)性湖泊的浮游植物以硅藻為主,富營養(yǎng)性湖泊以綠藻、藍(lán)藻為主[17,18], 說明湘江處于中營養(yǎng)型狀態(tài)。同時, 浮游植物中常見種類和優(yōu)勢種中出現(xiàn)的裸藻屬、顫藻屬和纖維藻屬均為最耐有機污染的類群之一, 說明湘江水質(zhì)受到了一定的污染。

由湘江浮游動物的群落結(jié)構(gòu)可知, 春季主要由原生動物和輪蟲類組成, 夏季主要由輪蟲和枝角類組成, 秋季主要由輪蟲類和橈足類組成, 冬季主要由橈足類和輪蟲類組成。綜合分析各流域段的種群分布說明湘江處于中營養(yǎng)型狀態(tài)。在浮游動物中部分常見和優(yōu)勢種類中是一些高度耐污種類, 如三肢輪蟲屬、臂尾輪蟲屬、龜甲輪蟲屬、溫劍水蚤屬等,說明湘江水質(zhì)污染較嚴(yán)重。

表5 湘江干流浮游生物污染指示種分布情況Tab.5 The number of saprobic in plankton communities in the mainstream of Xiangjiang River

依據(jù)Shannon-Wiener多樣性指數(shù)H評價, 綜合分析湘江干流的浮游植物和浮游動物的H, 顯示湘江水體屬于輕-中污染型。

3.2 湘江干流浮游生物污染指示種對水質(zhì)狀況的指示

由表 5可知, 根據(jù)浮游生物污染指示種對水質(zhì)狀況的指示, 春季湘江多污帶指示生物種類占總數(shù)27.12%, α-中污帶指示生物種類占總數(shù) 42.37%; 夏季湘江多污帶指示生物種類占總數(shù) 26.56%, α-中污帶指示生物種類占總數(shù)40.63%; 秋季湘江多污帶指示生物種類占總數(shù) 31.82%, α-中污帶指示生物種類占總數(shù) 30.3%; 冬季湘江多污帶指示生物種類占總數(shù)31.58%, α-中污帶指示生物種類占總數(shù)36.84%。由此可見湘江冬季水質(zhì)狀況最差, 其次是秋季、春季, 夏季水質(zhì)狀況相對較好。在每個采樣段污染指示生物種類和數(shù)量也有一定的差異性, 可顯示出不同的采樣段不同的污染程度, 秋季株洲段的水質(zhì)污染嚴(yán)重, 受到 β-多污染, 衡陽段的水質(zhì)狀況最好,在夏、秋季受到 β-中污染, 其他的采樣段在四季均受到 α-中污染。因此, 綜合評價湘江整體的水質(zhì)狀況為α-中污帶。

3.3 湘江干流水質(zhì)總體評價

本研究采用相關(guān)加權(quán)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法, 選擇總磷、總氮、葉綠素a、透明度和高錳酸鹽指數(shù)5項與水體富營養(yǎng)狀態(tài)最密切相關(guān)的污染指標(biāo), 對湘江水體的營養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行了連續(xù)的數(shù)值化分級。由表1可知, 湘江干流的TLI(∑)變化范圍在38.27—51.97,均值為 43.73, 根據(jù)文獻(xiàn)[19]中的分級標(biāo)準(zhǔn)表明湘江整體處于中營養(yǎng)狀態(tài), 夏季長沙段和岳陽段水體狀態(tài)為中度富營養(yǎng)化水平, 其他各采樣段在四季均處于中營養(yǎng)狀態(tài)。

綜合化學(xué)評價和浮游生物評價結(jié)果可知, 湘江的浮游生物群落信息含量較大, 群落結(jié)構(gòu)處于較穩(wěn)定的狀態(tài), 水質(zhì)污染程度屬于中污染水質(zhì), 處于中營養(yǎng)型狀態(tài), 只是在個別采樣段有中富營養(yǎng)化的趨勢, 表明這一段水域存在一定的程度的污染, 但并沒有明顯向富營養(yǎng)化轉(zhuǎn)化的趨勢。依靠河流的流動性和其自凈能力, 通過減少外來營養(yǎng)鹽、工業(yè)污水、生活污水的輸入, 水質(zhì)狀況會逐漸好轉(zhuǎn)。同時, 根據(jù)湘江水化學(xué)、浮游生物等的調(diào)查結(jié)果, 應(yīng)對湘江的漁業(yè)資源保護(hù)采取可持續(xù)發(fā)展利用政策, 既要充分利用水體自然資源發(fā)展?jié)O業(yè), 又要加強水質(zhì)保護(hù),保證其資源的循環(huán)利用。

從水質(zhì)評定級別來看, 化學(xué)評價得出的水質(zhì)等級與生物學(xué)評價得出的水質(zhì)等級有差異性。水生生物能在一段時間內(nèi)生活于某一水域中, 因此生物監(jiān)測與理化監(jiān)測相比能夠反映出采樣前較長一段時間內(nèi)的水質(zhì)狀況。但生物本身具有一定的適應(yīng)性和忍耐能力, 而且這種忍耐力會隨其生活在污水中時間的增加而增加, 從而降低了生物監(jiān)測的靈敏度[20];同時生物監(jiān)測更多的是一種定性描述, 難以進(jìn)行定量分析。因此, 在水質(zhì)監(jiān)測中生物監(jiān)測應(yīng)與理化監(jiān)測相結(jié)合, 以提高監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

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