淮河中上游浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征及營養(yǎng)狀況評價

陳 豪，左其亭，張永勇，于曉龍

(1.華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院，鄭州 450046；2.鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，鄭州 450001；3.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101；4.山東黃河河務(wù)局工程建設(shè)中心，濟南 250011)

浮游植物作為水生生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是水生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)者，具有種類繁多、分布廣泛等特點。同時，浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征與水體質(zhì)量的關(guān)系密切，其種類和密度會隨著環(huán)境因子的改變而改變，因此浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征變化對湖泊污染及凈化起著指示作用。目前，利用浮游植物數(shù)量、群落特征結(jié)合水質(zhì)化學(xué)檢測作為環(huán)境評價指標(biāo)的方法得到廣泛應(yīng)用[1,2]。藻類生物學(xué)法是河流水體富營養(yǎng)化評價的重要方法[3-6]，如指示生物法、優(yōu)勢種評價法等。同時，還有一些其他富營養(yǎng)化評價方法，如營養(yǎng)度指數(shù)法、營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法、修正卡爾森營養(yǎng)指數(shù)法、應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)和灰色系統(tǒng)法等[7-11]。綜合運用多種富營養(yǎng)化評價方法，能夠更為準(zhǔn)確地掌握水體的真實營養(yǎng)化狀況。

淮河流域位于我國東部，介于長江和黃河流域之間，是我國水污染較為嚴(yán)重的區(qū)域之一，流域內(nèi)污染物入河量遠(yuǎn)超水體納污能力，1994年以來多次發(fā)生重大的水污染事件，造成水質(zhì)、水生生物及河流生態(tài)系統(tǒng)的極大破壞[12]。雖然國家經(jīng)過“九五”、“十五”水污染綜合治理，水污染惡化的勢頭得到有效控制，但水污染形勢仍然嚴(yán)峻，流域內(nèi)半數(shù)以上的水功能區(qū)水質(zhì)仍然超標(biāo)[13]，水環(huán)境污染、水生境破壞、水生態(tài)失衡問題仍然突出[14]，嚴(yán)重影響著供水安全和河流健康發(fā)展。對此，本文通過在淮河中上游開展現(xiàn)場調(diào)查取樣實驗，對水體的環(huán)境因子和浮游植物種類、分布及密度等參數(shù)進行監(jiān)測，并從水體理化指標(biāo)、浮游植物群落結(jié)構(gòu)和富營養(yǎng)化生態(tài)學(xué)評價等方面對水體富營養(yǎng)化狀況進行分析，有助于正確認(rèn)識浮游植物群落結(jié)構(gòu)對河流水體富營養(yǎng)化程度的指示作用，可為河流水體的富營養(yǎng)化評價提供實驗資料和生態(tài)學(xué)評價理論資料，也可為淮河流域及其他水域環(huán)境監(jiān)測與生態(tài)保護提供可靠的科學(xué)依據(jù)。

1 實驗和分析方法

1.1 采樣時間和采樣點布置

從2012年12月份開始，截止到2014年12月，共開展5次現(xiàn)場實驗，分別對淮河中上游(32°57′～33°42′N；112°41′～117°17′E)所定的10個水環(huán)境生態(tài)調(diào)查監(jiān)測斷面(依次為昭平臺水庫上游D1、白龜山水庫下游D2、漯河市區(qū)D3、周口市區(qū)D4、槐店閘D5、阜陽閘D6、潁上閘D7、臨淮崗閘D8、魯臺子水文站D9和蚌埠閘D10)進行冬季(12月份)和夏季(7月份)現(xiàn)場調(diào)查實驗，調(diào)查淮河中上游浮游植物種類、分布、密度及水體理化因子，各監(jiān)測斷面位置見圖1，其中，沙潁河上有7個生態(tài)監(jiān)測斷面(D1～D7)、淮河干流上有3個生態(tài)監(jiān)測斷面(D8～D10)。

圖1 取樣斷面位置示意Fig.1 Locations of sampling sections

1.2 樣品采集和分析

實驗中對水體理化指標(biāo)、浮游植物、浮游動物和底棲生物等指標(biāo)進行監(jiān)測。在進行各項指標(biāo)監(jiān)測時，實驗現(xiàn)場直接利用HACH水質(zhì)監(jiān)測組件和Hydrolab DS5藻類自動監(jiān)測儀器檢測水體的pH值、水溫(T)、溶解氧(DO)、氧化還原電位(ORP)、電導(dǎo)率(EC)和葉綠素a(Chl a)等指標(biāo)；用聚乙烯水壺采集1 000 mL河水，送回實驗室檢測氨氮(NH4-N)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、化學(xué)需氧量(CODCr)、5 d生化需氧量(BOD5)、總磷(TP)、總氮(TN)等指標(biāo)；用有機玻璃采水器在0～2 m層采集1 000 mL水樣，并立即加入1.5%體積魯哥氏液固定。水樣沉淀48 h后，用虹吸管吸去上清液，濃縮至30 mL，同時加3 mL甲醛溶液保存。定量檢測時，取均勻樣品0.1 mL，注入0.1 mL計數(shù)框內(nèi)，在400倍顯微鏡下觀察計數(shù)，每瓶計數(shù)2片，取其平均值，2次計數(shù)結(jié)果與其平均值之差應(yīng)不大于±15%。樣品采集參照《水環(huán)境監(jiān)測規(guī)范》(SL 219-2013)[15]；樣品濃縮、固定和保存參照《水生生物監(jiān)測手冊》[16]。

1.3 數(shù)據(jù)處理及方法

對水體中浮游植物的優(yōu)勢物種采用優(yōu)勢度Y進行計算，并將優(yōu)勢物種作為指示生物評價水體富營養(yǎng)化狀況；分別利用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)和浮游植物密度值(豐度評價法)對水體的富營養(yǎng)化狀況進行評價。

1.3.1 生物學(xué)評價方法

(1)指示生物法。指示生物法主要是利用研究區(qū)內(nèi)某些生物種類來指示水體的污染(或富營養(yǎng)化)狀況。由于研究區(qū)中生物種類比較多，在選擇指示生物時存在一定的難度。對此，本文采用各監(jiān)測斷面的優(yōu)勢物種作為指示生物，而優(yōu)勢物種則采用優(yōu)勢度法進行確定。在確定出各監(jiān)測斷面優(yōu)勢物種后，根據(jù)優(yōu)勢物種的指示情況代表整個監(jiān)測斷面的富營養(yǎng)化狀況。

優(yōu)勢度采用下式：

Y=(ni/N)fi

(1)

式中：ni為第i種的個體數(shù)；fi為第i種在各監(jiān)測斷面出現(xiàn)的頻率，即一次實驗中第 種在各監(jiān)測斷面出現(xiàn)的次數(shù)與總次數(shù)之比；N為所有種類出現(xiàn)的總個體數(shù)。當(dāng)某一物種Y≥0.02時，認(rèn)為該物種即為優(yōu)勢物種[17]。

(2)豐度評價法。參照湖泊富營養(yǎng)化藻類豐度評價方法[18, 19]，藻類密度(豐度)大于108個/L時為重富營養(yǎng)化狀態(tài)；80×106個/L

1.3.2 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法

綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法是利用水體理化指標(biāo)進行水體富營養(yǎng)化狀況評價的常用方法。在淮河中上游水體富營養(yǎng)化狀況評價中，以Chl a的狀態(tài)指數(shù)TLI(Chl a)為基準(zhǔn)，從其余參數(shù)(如TP、TN等)的指數(shù)中選擇3～4個與基準(zhǔn)狀態(tài)指數(shù)TLI(Chl a)比較接近的狀態(tài)指數(shù)，并與其一起進行相關(guān)加權(quán)綜合。綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI(∑)計算公式為：

(2)

式中：TLI(∑)為綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；Wi為第i種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重；r1j為第j個參數(shù)與Chl a的相關(guān)系數(shù)；m為選出的主要參數(shù)數(shù)目，一般取3～4個；相關(guān)系數(shù)及權(quán)重值求解方法參考文獻[20]，具體結(jié)果見表1；TLI(i)為第i種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。

評價標(biāo)準(zhǔn)為：TLI(∑)<30為貧營養(yǎng)，30≤TLI(∑)≤50為中營養(yǎng)，5070為重度富營養(yǎng)[20]。

表1 第i種參數(shù)與Chl a相關(guān)系數(shù)及權(quán)重值Tab.1 Correlation coefficient between parameter i andChl a and its weight value

2 結(jié)果與分析

2.1 浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征

通過對5次實驗中浮游植物樣品的檢測，共獲得8門226種浮游植物，分別屬于硅藻門、綠藻門、藍(lán)藻門、裸藻門、甲藻門、金藻門、隱藻門和黃藻門，其中硅藻門(99種)和綠藻門(86種)物種最多，分別占43.8%和38.1%，具體情況見圖2。從圖2中可以看出，第1次實驗(SY1)中浮游植物的門數(shù)和種類數(shù)均最多，而第5次實驗(SY5)的浮游植物門數(shù)和種類數(shù)均最少。

圖2 實驗中浮游植物的種類分布情況Fig.2 The species distribution of phytoplankton in each experiment

圖3 各監(jiān)測斷面浮游植物密度和種類數(shù)Fig.3 Density and species number of phytoplankton in each monitoring section

同時，不同實驗中浮游植物的種類數(shù)和密度值在空間和季節(jié)變化上都表現(xiàn)出較大的差異，見圖3。在空間分布上，總體來看，浮游植物種類數(shù)和密度值均呈現(xiàn)升高-降低-再升高的變化趨勢，即沙潁河中下游4個監(jiān)測斷面(D4～D7)的浮游植物種類數(shù)和密度值多大于其他監(jiān)測斷面，特別是第2次實驗(SY2)中的D5監(jiān)測斷面，其浮游植物種類數(shù)最多，密度值也最大(11.5×106個/L)。只有第3次實驗(SY3)浮游植物密度值的最大值出現(xiàn)在D2監(jiān)測斷面。從D7監(jiān)測斷面到D8監(jiān)測斷面，浮游植物密度值和種類數(shù)均呈現(xiàn)下降的變化趨勢，只有第5次實驗(SY5)的密度值呈現(xiàn)上升的變化趨勢，之后，多數(shù)實驗中，浮游植物種類數(shù)和密度值會再次呈現(xiàn)上升的變化趨勢。在季節(jié)變化上，對于夏季實驗(SY2和SY4)，某些監(jiān)測斷面浮游植物密度值要大于3次冬季實驗(SY1、SY3和SY5)結(jié)果，如第2次實驗(SY2)的D5監(jiān)測斷面，但是某些監(jiān)測斷面浮游植物的密度值則不符合這個規(guī)律，這主要是浮游植物除了受到水溫影響之外，水中的營養(yǎng)鹽類也是重要的影響因素。5次實驗中，3次冬季實驗?zāi)承嗝娴臓I養(yǎng)鹽類(TN和TP)含量要高于2次夏季實驗的含量，這主要是冬季時淮河中上游閘壩多處于關(guān)閉狀態(tài)，造成水體營養(yǎng)鹽類的富集，對浮游植物生長具有促進作用[21-23]；但在正常的河道監(jiān)測斷面中(D3和D9監(jiān)測斷面)，夏季實驗時的浮游植物密度要大于冬季實驗時，此時水溫仍是影響浮游植物的主要因素。

2.2 優(yōu)勢物種特征分析

結(jié)合各監(jiān)測斷面的浮游植物密度值監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用優(yōu)勢度計算方法得出各監(jiān)測斷面浮游植物優(yōu)勢物種，其變化特征見表2。結(jié)果表明，不同實驗中，各監(jiān)測斷面的浮游植物優(yōu)勢物種也發(fā)生改變，且5次實驗中不存在共有的優(yōu)勢物種，只有梅尼小環(huán)藻出現(xiàn)的次數(shù)最多(3次實驗)。同時，5次實驗中，D1、D3和D9監(jiān)測斷面沒有出現(xiàn)明確的優(yōu)勢物種。浮游植物優(yōu)勢物種中，硅藻門優(yōu)勢物種最多(6種)，分別是變異直鏈藻、顆粒直鏈藻、梅尼小環(huán)藻、科曼小環(huán)藻、鈍脆桿藻、星形冠盤藻；綠藻門的優(yōu)勢物種3種，分別為四尾柵藻、小球衣藻、針絲藻；藍(lán)藻門優(yōu)勢物種為鈍頂螺旋藻、蜂巢席藻；隱藻門優(yōu)勢物種為卵形隱藻。不同的浮游植物優(yōu)勢物種對水體污染的指示情況不同，其中，梅尼小環(huán)藻是中～富營養(yǎng)型的指示物種；顆粒直鏈藻、變異直鏈藻、四尾柵藻、科曼小環(huán)藻、卵形隱藻、蜂巢席藻是中營養(yǎng)型水體的指示物種[24, 25]；鈍脆桿藻是貧～中營養(yǎng)型水體的指示物種。

表2 各監(jiān)測斷面浮游植物優(yōu)勢物種Tab.2 Dominant species of phytoplankton in each monitoring section

2.3 富營養(yǎng)化狀況評價

2.3.1 生物指標(biāo)評價富營養(yǎng)化程度

(1)指示生物法和豐度評價法評價水體富營養(yǎng)化程度。根據(jù)不同浮游植物物種對水體富營養(yǎng)化程度的指示作用，結(jié)合表2優(yōu)勢物種的分析結(jié)果，利用該物種的富營養(yǎng)化指示情況代表整個監(jiān)測斷面的富營養(yǎng)化狀況。但是，D1、D3和D9監(jiān)測斷面沒有明確的優(yōu)勢物種，因此，采用豐度評價法評價其富營養(yǎng)化情況。5次實驗中，D1監(jiān)測斷面浮游植物密度的變化范圍是3.0×104～4.6×105個/L(小于106個/L)，均處于貧營養(yǎng)狀態(tài)；D3監(jiān)測斷面浮游植物密度的變化范圍是1.3×105～3.6×106個/L，其中SY3和SY4中該斷面處于貧中營養(yǎng)狀態(tài)，其余3次實驗該斷面處于貧營養(yǎng)狀態(tài)；D9監(jiān)測斷面浮游植物密度的變化范圍是9.2×104～1.1×106個/L，只有SY2中該斷面處于貧中營養(yǎng)狀態(tài)，其余4次實驗該斷面均處于貧營養(yǎng)狀態(tài)。剩余7個監(jiān)測斷面均有優(yōu)勢物種出現(xiàn)，故采用優(yōu)勢物種指示污染等級與豐度評價法相結(jié)合的方法評價水體富營養(yǎng)化程度。對于D2監(jiān)測斷面，SY1和SY3中均存在優(yōu)勢物種，其中SY1的優(yōu)勢物種為梅尼小環(huán)藻，其指示污染等級為中～富營養(yǎng)型，而豐度評價結(jié)果為貧營養(yǎng)型水體；SY3的優(yōu)勢物種為科曼小環(huán)藻和針絲藻，分別指示的污染等級為中營養(yǎng)型水體和貧營養(yǎng)型水體，豐度評價結(jié)果為貧～中營養(yǎng)型水體。其余3次實驗沒有明確的優(yōu)勢物種，采用豐度評價法進行評價，SY2中為貧營養(yǎng)型水體；SY4中為貧中營養(yǎng)型水體；SY5中為貧營養(yǎng)型水體。其他監(jiān)測斷面分析方法與D2監(jiān)測斷面相同，具體結(jié)果見表3。

表3 利用指示生物法和豐度評價法評價各監(jiān)測斷面的水體富營養(yǎng)化狀況Tab.3 Evaluation nutrient status of each monitoring section by indicator biological method and abundance evaluation method

注：“-”表示實驗中該監(jiān)測斷面沒有優(yōu)勢物種；“貧”表示“貧營養(yǎng)型”、“貧中”表示“貧中營養(yǎng)型”、“貧～中”表示“貧～中營養(yǎng)型”、“中”表示“中營養(yǎng)型”、“中～富”表示“中～富營養(yǎng)型”。

2.3.2 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評價水體富營養(yǎng)化程度

選取Chl a、TP、TN和CODMn4個參數(shù)，依據(jù)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法計算得出富營養(yǎng)化狀態(tài)評價結(jié)果，具體結(jié)果見圖4。

由圖4可以看出，各監(jiān)測斷面的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)呈現(xiàn)升高-降低的變化趨勢，最大值出現(xiàn)在SY5的D5監(jiān)測斷面，結(jié)合綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的具體評價標(biāo)準(zhǔn)，其處于重度富營養(yǎng)狀態(tài)；最小值出現(xiàn)在SY3的D1監(jiān)測斷面，處于貧營養(yǎng)狀態(tài)，其他各監(jiān)測斷面的分析方法與其相同，具體結(jié)果見表4。

從表4中可以看出，沙潁河上游3個監(jiān)測斷面的水體富營養(yǎng)化程度較低，特別是D1監(jiān)測斷面；沙潁河中下游各監(jiān)測斷面的水體富營養(yǎng)化程度較高，多處于輕度富營養(yǎng)狀態(tài)，甚至達到中度富營養(yǎng)狀態(tài)，其中沙潁河中游的D4和D5監(jiān)測斷面的水體富營養(yǎng)化程度最高。

2.3.3 綜合分析

浮游植物群落結(jié)構(gòu)是評價水體富營養(yǎng)化的重要參數(shù)。同時，水體理化指標(biāo)也是反映水體質(zhì)量好壞的重要參數(shù)。對此，綜合采用指示生物法、豐度評價法和綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法對水體質(zhì)量進行評價。以D1監(jiān)測斷面為例進行綜合分析，由于D1監(jiān)測斷面中沒有明確的指示生物，僅利用豐度評價法和綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法對其進行綜合分析。SY1實驗中，豐度評價結(jié)果為貧營養(yǎng)型水體，這主要是D1監(jiān)測斷面獲取的浮游植物總密度較低，但硅藻門中表示中營養(yǎng)型水體的變異直鏈藻等物種均有出現(xiàn)，結(jié)合綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法中營養(yǎng)型水體的評價結(jié)果，將其綜合評價定為貧～中營養(yǎng)型，這也符合當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況，該監(jiān)測斷面位于昭平臺水庫的上游，受人類活動的影響相對較少，但附近是個溫泉度假村，有一定的生活污水排入河道，對水體質(zhì)量產(chǎn)生影響。依據(jù)同樣的思路和分析方法，對其余各監(jiān)測斷面的水體富營養(yǎng)化狀況進行綜合分析，具體結(jié)果見表5。

圖4 各監(jiān)測斷面綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)變化情況Fig.4 Changes of trophic status index in each monitoring section

表4 利用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評價各監(jiān)測斷面水體營養(yǎng)狀態(tài)情況Tab.4 Nutrition status in each monitoring section by trophic status index

注：“貧”表示“貧營養(yǎng)”；“中”表示“中營養(yǎng)”；“輕富”表示“輕度富營養(yǎng)”；“中富”表示“中度富營養(yǎng)”。

從表5中可以看出，沙潁河上游各監(jiān)測斷面(D1～D3)的水體富營養(yǎng)程度較輕，只有D3監(jiān)測斷面出現(xiàn)中～輕富營養(yǎng)化程度的水體，而D1監(jiān)測斷面的水體富營養(yǎng)化程度最低，多處于貧～中營養(yǎng)狀態(tài)；沙潁河中下游各監(jiān)測斷面(D4～D7)的水體富營養(yǎng)化程度最為嚴(yán)重，多次出現(xiàn)輕度富營養(yǎng)化狀態(tài)，這主要是這些監(jiān)測斷面均處于城市內(nèi)，受人類活動影響較大，造成河流水體中富含大量的氮和磷等營養(yǎng)元素，如，5次實驗中TN最大值(8.96 mg/L)和TP最大值(0.428 mg/L)均出現(xiàn)在D5監(jiān)測斷面，且多數(shù)實驗中，浮游植物的主要捕食者----浮游動物的種類和數(shù)量均相對較少，這就造成這些監(jiān)測斷面浮游植物密度值和種類數(shù)均較多(見圖2)，且硅藻門和綠藻門浮游植物數(shù)量和種類均占優(yōu)勢。國內(nèi)外普遍認(rèn)為甲藻、隱藻和硅藻易在中營養(yǎng)型水體中占優(yōu)勢，綠藻和藍(lán)藻則易在富營養(yǎng)型水體中占優(yōu)勢[26]，這與這些監(jiān)測斷面多處于中～輕度富營養(yǎng)型和輕度富營養(yǎng)型水體的評價結(jié)果相吻合?；春痈闪魃系?個監(jiān)測斷面(D8、D9和D10)水體的富營養(yǎng)化程度有所減低，多處于貧～中營養(yǎng)或中營養(yǎng)狀態(tài)，這主要是淮河干流河道水量大，對水體氮磷等營養(yǎng)元素具有一定的稀釋和降解作用，使得水體中浮游植物的種類和密度均有所降低?？傮w來說，淮河中上游河流水體存在一定的富營養(yǎng)化狀況。

表5 綜合評價各監(jiān)測斷面水體富營養(yǎng)化程度Tab.5 The eutrophication degree of each monitoring section by comprehensive evaluation

注：“貧”表示“貧營養(yǎng)”；“貧～中”表示“介于貧營養(yǎng)與中營養(yǎng)之間”；“中”表示“中營養(yǎng)”；“中～輕富”表示“介于中營養(yǎng)與輕度富營養(yǎng)之間”；“輕富”表示“輕度富營養(yǎng)”。

3 結(jié) 論

淮河中上游浮游植物群落結(jié)構(gòu)組成主要來自硅藻門、綠藻門、藍(lán)藻門、裸藻門、甲藻門、金藻門、隱藻門和黃藻門，不同的浮游植物種類對水體富營養(yǎng)化程度的指示作用不同，文中綜合利用指示生物法、豐度評價法和水體綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法3種方法對水體的富營養(yǎng)化程度進行分析。

(1)淮河中上游浮游植物種類數(shù)和密度值均呈現(xiàn)升高-降低-再升高的變化趨勢，即沙潁河中下游各監(jiān)測斷面的種類數(shù)和密度值多大于其他斷面；硅藻門和綠藻門浮游植物的種類數(shù)占據(jù)優(yōu)勢地位；5次實驗中，共出現(xiàn)12種優(yōu)勢物種，并以硅藻門優(yōu)勢物種最多(6種)。

(2)從指示生物法、豐度評價法和綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法綜合分析結(jié)果可以看出，沙潁河中下游各監(jiān)測斷面的水體富營養(yǎng)化程度最為嚴(yán)重，沙潁河上游和淮河干流富營養(yǎng)程度相對較低，但多數(shù)監(jiān)測斷面均存在一定的水體富營養(yǎng)化狀況。