渦河中下游浮游植物時空分布及成因

梁 建,路偉亭

(1.安徽省水利部淮委水利科學(xué)研究院, 安徽 合肥 230088; 2. 安徽省水利水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 安徽 蚌埠 233000)

近年來伴隨著人口的快速增長和社會經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展,水資源短缺和水污染問題較為突出。我國復(fù)雜而脆弱的生態(tài)系統(tǒng)在短期內(nèi)集中顯現(xiàn)了各種流域危機(jī),多數(shù)流域都出現(xiàn)了不同程度的季節(jié)性缺水、水質(zhì)型缺水、物種多樣性降低、濕地萎縮和生態(tài)系統(tǒng)退化等問題。國內(nèi)外學(xué)者[1-4]自20世紀(jì)初開展了河流中浮游植物的研究,并利用浮游植物特征來評價河流生態(tài)系統(tǒng)狀況?；春恿饔蚪陙磉M(jìn)行了相關(guān)研究,潁河[5]以及淮河干流[6]等都進(jìn)行了浮游植物調(diào)查工作。

浮游植物是水域生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)者,其群落結(jié)構(gòu)對水體環(huán)境變化反應(yīng)非常靈敏,因此眾多學(xué)者用浮游植物反映水體健康狀況[6],以期彌補(bǔ)理化指標(biāo)在水質(zhì)評價上的不足。浮游植物是反映河流健康的重要指示物種之一,其群落結(jié)構(gòu)變化可以為水質(zhì)變化提供早期預(yù)警[7]。國內(nèi)外學(xué)者對浮游植物群落結(jié)構(gòu)和環(huán)境因子的響應(yīng)關(guān)系以及利用浮游植物進(jìn)行水質(zhì)評價進(jìn)行了大量研究[8],常用Pielou均勻度指數(shù)、Margalef物種豐富度指數(shù)、Shanno-Wiener物種豐富度指數(shù)等表征水體污染程度。浮游植物群落結(jié)構(gòu)變化受周圍因素影響,主要包含兩個方面[9]:一是生物因子,如不同生物之間捕食、寄生和競爭等;二是非生物因子,如溫度、輻射、鹽度、海流和有機(jī)物等。研究表明:溫度對藻類的光合作用能力、呼吸速率和生長率都有重要作用,不同藻類都有其最適宜溫度范圍[10],溫度可以影響浮游植物群落的季節(jié)變化;浮游植物的變化趨勢與水體中營養(yǎng)鹽的變化趨勢一致,氮、磷是浮游植物生長所需的主要營養(yǎng)元素[11];溶解氧、光照、pH、透明度等對浮游植物群落結(jié)構(gòu)也有一定影響[8];另外河道的梯級開發(fā)使河道水流由動水變?yōu)殪o水,水體垂向分層明顯,自凈能力下降,有利于浮游植物的生長與繁殖,易導(dǎo)致水體的富營養(yǎng)化[12-13]。

圖1 渦河中下游浮游植物采集樣點(diǎn)分布

淮河流域渦河水系是受人為干擾較為嚴(yán)重的流域之一。為探明人類活動對渦河水系生態(tài)系統(tǒng)影響的范圍和程度,于2016年12月至2017年9月開展了渦河水系水生態(tài)系統(tǒng)健康評估工作,采用4個季度渦河中下游的4次浮游植物和水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù),詳細(xì)分析渦河中下游不同采樣點(diǎn)以及河段間的浮游植物種類組成、群落結(jié)構(gòu),并對渦河中下游的生態(tài)健康狀況做出科學(xué)評價,以期為渦河生態(tài)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 研究方法

1.1 流域簡介

渦河位于我國南北氣候過渡帶,屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候區(qū),多年平均降水量752 mm,汛期6—9月為多雨季節(jié),降水量占全年的63%。渦河發(fā)源于河南省開封市黃河南岸的尉氏縣,橫跨豫皖兩省,是淮河的第二大支流,東南流經(jīng)開封、通許、扶溝、太康、鹿邑和安徽省的亳州、渦陽、蒙城,于懷遠(yuǎn)縣城附近注入淮河,全長396 km,流域面積為1.59萬 km2。渦河水系近于羽狀,其中亳州市惠濟(jì)河口以上為上游,以下為中下游。安徽省地處渦河中下游,境內(nèi)流域面積4 340 km2,河道長度226 km。在安徽境內(nèi)渦河中下游依次建有大寺、渦陽和蒙城3座節(jié)制閘,渦河匯入淮河后在其河口下游建有蚌埠閘。

1.2 野外調(diào)查

4次野外調(diào)查時間分別設(shè)在2016年12月、2017年3月、2017年6月和2017年9月。根據(jù)渦河中下游水閘的位置,將整個渦河劃分為5個采樣河段,分別為省界—大寺閘河段、大寺閘—渦陽閘河段、渦陽閘—蒙城閘河段、蒙城閘以下河段、渦河河口以上河段。每個采樣河段均設(shè)置2個采樣點(diǎn),如圖1所示。省界—大寺閘河段采樣點(diǎn)為1號(115.76°N,33.89°E)、2號(115.79°N,33.88°E);大寺閘—渦陽閘河段采樣點(diǎn)為3號(116.03°N,33.64°E)、4號(116.16°N,33.55°E);渦陽閘—蒙城閘河段采樣點(diǎn)為5號(116.31°N,33.46°E)、6號(116.47°N,33.36°E)、蒙城閘以下河段采樣點(diǎn)為7號(116.64°N,33.25°E)、8號(116.89°N,33.14°E)、渦河河口以上河段采樣點(diǎn)為9號(116.97°N,33.04°E)、10號(117.19°N,32.97°E)。

浮游植物定量樣品使用有機(jī)玻璃采水器,依據(jù)水體深淺程度進(jìn)行分層采集。采集所得水樣用容積為1 000 mL的聚乙烯瓶裝滿,并立即使用魯哥氏液固定,用于定量分析[14]。

浮游植物的計數(shù)方法采用目鏡視野法進(jìn)行,使用0.1 mL浮游生物計數(shù)框?qū)Ω∮沃参锛?xì)胞數(shù)進(jìn)行計數(shù)。同時,每個浮游植物種類至少測量足夠數(shù)量的個體(一般30個)的長、寬、厚,根據(jù)相應(yīng)幾何形狀計算出平均體積,再根據(jù)相應(yīng)公式得出生物量。

水樣測試指標(biāo)包括在現(xiàn)場用多探頭水質(zhì)檢測儀測定的pH值、溶解氧(DO)、水溫(WT)和電導(dǎo)率(CON)和在室內(nèi)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室測定的氨氮(NH4-N)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、總磷(TP)、五日生化需氧量(BOD5)、化學(xué)需氧量(COD)和氟化物(F-)。

表1 渦河中下游環(huán)境因子偏相關(guān)系數(shù)

注:*為顯著性檢驗(yàn)P<0.05的值。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

本文主要采用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)H′對浮游植物進(jìn)行評價,H′值采用文獻(xiàn)[6]的方法計算。優(yōu)勢度D表示物種群落內(nèi)優(yōu)勢狀態(tài)的測定值,計算和評價標(biāo)準(zhǔn)采用文獻(xiàn)[15]的方法,D≥0.02的物種為優(yōu)勢種。

由于觀測的環(huán)境因子種類較多,故采用偏相關(guān)分析系數(shù)來度量兩個環(huán)境因子之間的密切程度,排除與其他環(huán)境因子偏相關(guān)性較高的因子。具體偏相關(guān)系數(shù)計算采用文獻(xiàn)[16]的方法,偏相關(guān)分析由R3.4.3軟件完成。

冗余度分析可用來展示能被環(huán)境因子解釋的物種分布變化量,進(jìn)而研究種群與環(huán)境之間的關(guān)系。數(shù)據(jù)分析前對浮游植物生物量和環(huán)境因子數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理,以篩除數(shù)量級和不同單位對數(shù)據(jù)分析的影響。分析采用R3.4.3軟件,調(diào)用vegan函數(shù)包完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 關(guān)鍵環(huán)境因子識別

根據(jù)各個環(huán)境因子間的偏相關(guān)性程度(表1),剔除具有顯著相關(guān)性的環(huán)境因子(相關(guān)系數(shù)r>0.5, 顯著性水平P<0.05)[16]。剔除與其他相關(guān)性較高的化學(xué)需氧量,保留9個主要環(huán)境因子:水溫、pH、總磷、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、電導(dǎo)率、氨氮和五日生化需氧量。

2.2 浮游植物組成及空間分布

2.2.1浮游植物組成

4次采樣期間,共發(fā)現(xiàn)浮游植物7門89屬種(表2)。從屬種上看,綠藻門和硅藻門的種類最豐富,分別占總數(shù)的35.96%和33.71%,與淮河流域浮游植物種類組成以綠藻門和硅藻門的種類為主的研究結(jié)果一致[17]。冬春季節(jié)均以硅藻門的種類最多,其次為綠藻門,與文獻(xiàn)[18]淮河流域冬季(1月份)適宜硅藻門物種生長、繁殖的研究結(jié)果和文獻(xiàn)[17]淮河流域春季浮游植物以綠藻門和硅藻門的種類為主的研究結(jié)果一致。夏秋季節(jié)以綠藻門的種類最多,其次為硅藻門,與文獻(xiàn)[19]夏季渦河以藍(lán)藻和綠藻為主的研究結(jié)果稍有區(qū)別。

表2 渦河中下游浮游植物種類分布 種

渦河中下游浮游植物群落結(jié)構(gòu)組成季節(jié)變化明顯,這與水溫變化狀況相關(guān)性較大。夏秋季節(jié)物種數(shù)量大于冬春,且夏秋季節(jié)以綠藻門為主,而冬春季節(jié)以硅藻門為主。藍(lán)藻適宜在較高的溫度中生存[10],表2中藍(lán)藻數(shù)量夏秋季節(jié)明顯高于冬春季度;硅藻適應(yīng)的溫度較低,易在春季形成優(yōu)勢[10],表2中硅藻物種數(shù)量在春季較其他3個季節(jié)偏高;綠藻在溫度較高的夏季出現(xiàn)高峰[20],與表2中綠藻物種數(shù)量的變化較一致。

渦河浮游植物各采樣點(diǎn)總生物量質(zhì)量濃度在0.18～91.39 mg/L之間變動,合計生物量質(zhì)量濃度為9.70 mg/L。從生物量組成來看,以甲藻門、綠藻門和隱藻門為主(表3)。

表3 渦河中下游浮游植物平均生物量組成

2.2.2浮游植物時空變化分布

渦河浮游植物物種涵蓋了藍(lán)藻門、綠藻門、硅藻門、甲藻門、隱藻門、裸藻門和金藻門7個門類,浮游植物總密度在0.75×106～96.87×106個/L之間變動。

圖2 渦河中下游浮游植物密度時空變化

渦河中下游浮游植物密度時空變化如圖2所示,藍(lán)藻門的密度變化很大程度地影響了總密度的變化,但藍(lán)藻門在空間上分布不均,1號和2號采樣點(diǎn)的密度明顯高于其他采樣點(diǎn),這在很大程度上取決于藍(lán)藻門的偽魚腥藻的密度。1號和2號采樣點(diǎn)偽魚腥藻密度占總密度的百分比分別是59.60%(春)、60.66%(夏)、79.54%(秋)和51.45%(春)、54.80(夏)、60.01%(秋)。偽魚腥藻是指示水質(zhì)為α-中污型狀態(tài)的物種[21],其大量出現(xiàn)在1號和2號采樣點(diǎn),說明1號和2號采樣點(diǎn)水質(zhì)狀況在春、夏、秋季為中污染。集胞藻在7號采樣點(diǎn)的夏季樣品中大量出現(xiàn),其密度占該點(diǎn)總密度的76.84%,致使該點(diǎn)的密度偏大。

2.2.3優(yōu)勢物種分析

浮游植物的優(yōu)勢類群隨季節(jié)變化較大,其分布情況如表4所示。4次采樣,共發(fā)現(xiàn)16個優(yōu)勢物種,其中綠藻門的優(yōu)勢種類均最多,但優(yōu)勢度最大類群卻各不相同,冬季以隱藻門的具尾逗隱藻最大,春、夏和秋季以藍(lán)藻門的偽魚腥藻最大。春、夏、秋季偽魚腥藻大量出現(xiàn)在1號和2號采樣點(diǎn),集胞藻大量出現(xiàn)在夏季的7號采樣點(diǎn),致使偽魚腥藻和集胞藻優(yōu)勢度較大,與圖2中浮游植物密度分布一致。

表4 渦河中下游浮游植物優(yōu)勢種及其優(yōu)勢度

注:*為優(yōu)勢度大于0.02的物種。

圖3 Shannon-Wiener多樣性指數(shù)時空變化及等級評價結(jié)果

2.2.4Shannon-Wiener多樣性指數(shù)分析

采用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)H′劃分評價等級:[0，1)為重污染;[1，3)為中污染;[3，4)為輕污染;不小地4為清潔無污染[4]。

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)時空變化及等級評價結(jié)果如圖3所示,指數(shù)介于1.09～4.25之間,均值為2.65。4次采樣處于中污型狀態(tài)的站點(diǎn)數(shù)量冬季有9個,春季有8個,夏季有6個,秋季有4個。調(diào)查期間,渦河中污型狀態(tài)的站點(diǎn)減少,輕污染和清潔型狀態(tài)的站點(diǎn)逐漸增加。文獻(xiàn)[19]于2015年夏季對淮河干流及其主要支流浮游植物群落多樣性進(jìn)行了評價,其中對渦河進(jìn)行了4個站點(diǎn)的調(diào)查,均處于中污狀態(tài)。本次調(diào)查的10個站點(diǎn)中,有4個站點(diǎn)處于輕污染狀態(tài),說明渦河的污染程度有轉(zhuǎn)好趨勢。

2.3 浮游植物群落與環(huán)境因子關(guān)系的冗余度分析

選取浮游植物優(yōu)勢種作為分析對象,對優(yōu)勢種生物量與水溫、pH、總磷、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量、電導(dǎo)率、氟化物、溶解氧等環(huán)境因子進(jìn)行冗余度分析。渦河浮游動物群落除趨勢對應(yīng)分析(DCA)結(jié)果顯示,排序軸梯度長度(LGA)為4.2384,大于4,適用典型相關(guān)分析(CCA)方法。

a—偽魚腥藻,b—具尾逗隱藻,c—弱細(xì)顫藻,d—小環(huán)藻,e—黃群藻,f—顆粒直鏈藻,g—集胞藻,h—實(shí)球藻;圖中各采樣點(diǎn)以“季節(jié)”+“采樣點(diǎn)編號”組成,如“夏1”,代表夏季的第1個采樣點(diǎn)圖4 渦河中下游浮游植物與環(huán)境因子的CCA排序

指標(biāo)CCA1值CCA2值rP解釋度/%WT0.720.690.480.00110.98CON0.84-0.550.560.00112.44 TP0.99-0.150.320.0329.77

圖4為浮游植物與環(huán)境因子的CCA排序圖的前兩軸,表5表示環(huán)境因子與浮游植物的CCA分析檢驗(yàn)情況,方差貢獻(xiàn)越大,影響程度越大,解釋度越大。CCA分析表明,環(huán)境因子對浮游植物時空分布的總體變異解釋度為60.02%,水溫(10.98%)、電導(dǎo)率(12.44%)和總磷(9.77%)是影響渦河中下游浮游植物時空分布的主要環(huán)境因子。前兩軸的解釋度為31.29%,水溫(-0.72)、電導(dǎo)率(-0.84)和總磷(0.99)與第1軸正相關(guān);水溫(0.69)與第2軸正相關(guān),電導(dǎo)率(-0.55)和總磷(-0.15)與第2軸負(fù)相關(guān)。偽魚腥藻、集胞藻、顆粒直鏈藻、小環(huán)藻、實(shí)球藻等與水溫正相關(guān);偽魚腥藻、集胞藻、顆粒直鏈藻、實(shí)球藻等與電導(dǎo)率正相關(guān);偽魚腥藻、集胞藻、顆粒直鏈藻、實(shí)球藻等與總磷正相關(guān)。

3 結(jié) 論

渦河中下游浮游植物主要表現(xiàn)出種類分布不均勻、不同河段差異性大等特點(diǎn)。4次采樣共發(fā)現(xiàn)浮游植物7門89屬種,以綠藻門和硅藻門為主。從生物量組成來看,以甲藻門、綠藻門和隱藻門為主,分別占總生物量的50.06%、17.65%和9.40%,總體生物量質(zhì)量濃度為9.70 mg/L。浮游植物種類和生物量時空分布差異顯著。

浮游植物的優(yōu)勢類群隨季節(jié)變化較大,4次采樣共發(fā)現(xiàn)16個優(yōu)勢物種。主要優(yōu)勢種偽魚腥藻大量出現(xiàn)在1號和2號采樣點(diǎn),在流域中是絕對優(yōu)勢藻種,指示水質(zhì)為中污型狀態(tài),需要引起高度重視。

渦河的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)顯示流域內(nèi)多數(shù)采樣點(diǎn)處于中-輕污染狀態(tài),與各站點(diǎn)優(yōu)勢種評價結(jié)果相一致,說明浮游植物可以作為河流水質(zhì)狀況的評價指標(biāo)。多樣性指數(shù)顯示,渦河的水質(zhì)狀況呈轉(zhuǎn)好趨勢。

冗余度分析表明,環(huán)境因子對浮游植物時空分布的總體變異解釋度為60.02%,水溫(10.98%)、電導(dǎo)率(12.44%)和總磷(9.77%)是影響渦河中下游浮游植物時空分布的主要環(huán)境因子。