灤河承德區(qū)段浮游植物群落調(diào)查和水質評價

宋曉燕，馬 瑩，于小紅，李貝貝，董建新*

（1. 河北民族師范學院 生物與食品科學系，河北 承德 067000；2. 河北省承德環(huán)境監(jiān)測中心，河北 承德067000；3.河北霧靈山國家級自然保護區(qū)管理中心，河北，興隆 0673000；4.福建師范大學 環(huán)境科學與工程學院，福建 福州 350000；）

浮游植物是水生態(tài)系統(tǒng)中的主要初級生產(chǎn)者，數(shù)量眾多，代謝效率高，廣布于各種水體中[1]116-119，是水生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。同時也是浮游動物和部分魚類主要食物來源，在物質循環(huán)和能量流動中都起到至關重要的作用[2]56-61。浮游植物群落是水環(huán)境中初級生產(chǎn)者和食物鏈的基礎環(huán)節(jié)[3]670-673，其群落結構組成和數(shù)量分布將會直接影響水域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，而水質的變化又會直接影響浮游植物的變化，因此，浮游植物可作為監(jiān)測水質的指示生物[4]118-120。通過對浮游植物群落的研究，來反映水質的時空變化，已成為評價水質狀況的重要手段[5-7]。

灤河流域位于東經(jīng)115°30′～118°45′和北緯39°10′～42°40′之間， 流域南北長500km，東西平均寬90km。上游最寬處1175m，下游最窄處12米，流域面積4480km2。其中，山地44070km2，平原810km2。整個流域地勢西北高，東南低。灤河經(jīng)由河北省豐寧縣流入承德市，流經(jīng)隆化縣、灤平縣、承德縣、寬城滿族自治縣，在唐山市樂亭縣注入渤海，全長877km[8]448-452。灤河為河北省第二大河，是河北省北部、東部的主要水源，也是流經(jīng)承德的主要河流[9]38-39，同時也是天津市的重要水源。

為系統(tǒng)了解灤河承德段浮游植物群落組成以及水質狀況，于2015年10月對灤河承德區(qū)段6個國控斷面環(huán)境因子和浮游植物群的群落組成進行了調(diào)查，分析了該段水域浮游植物的種類、密度和優(yōu)勢種等數(shù)據(jù)，利用生物多樣性指數(shù)和營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評估了該河段的污染狀況，以期為該河段的保護與管理提供背景數(shù)據(jù)和參考依據(jù)。

1 采樣點設置

1.1 采樣點的設置

本次調(diào)查參考灤河水質國控和省控監(jiān)測點，共設置為6個采樣點，其中郭家屯、偏橋子、大杖子為國控點和其余采樣點為省控點，全部采樣點地理分布見表1。

表1 采樣點位置Table.1 Distribution of sampling sites

1.2 浮游植物樣品采集和浮游植物鑒定

1．2．1 浮游植物定性樣品采集與鑒定

用25號篩絹布制成的浮游生物網(wǎng)定點采樣[10]， 浮游生物網(wǎng)置于水面下50cm處做“∞” 字形拖動采取水樣，每次做50個重復，將濾出的水樣裝入預先準備好的標本瓶中，加入5%的甲醛溶液固定[11]9-13。在10×40倍光學顯微鏡下觀察全片，鑒定浮游植物的種類[12]67-69。

1．2．2 游植物定量樣品采集與鑒定

用1000ml水生—81型有機玻璃采水器取水面下50cm處的水樣1000ml兩次，分別裝入1000ml采樣瓶中，其中一瓶用于水質理化因子測定，另一瓶用15ml魯哥氏液固定，帶回實驗室靜置24h，用虹吸法吸出上清液900ml[13]104-107，再靜置24h后將樣品準確濃縮至10ml。放入樣本瓶中保存待檢。充分搖勻濃縮水樣，吸出0．1ml置于網(wǎng)格計數(shù)框中，在10×40倍OLYMPUS CX41光學顯微鏡下隨機挑選5個大格對浮游植物進行計數(shù)，然后求出5個大格的平均值，計算浮游植物的密度[14]190-197。

1.3 水質理化因子的測定

選取測定的水質理化因子包括：pH、水溫(T)、溶解氧（DO）、生化需氧量(BOD)、總磷(TP)、總氮(TN)。其中現(xiàn)場測定指標為：pH、T、DO，pH采用pH-8筆式pH計測定，T和DO采用便攜式溶氧儀測定。實驗室測定數(shù)據(jù)包括：BOD、TP、TN。其中BOD通過BOD快速測定儀測定，TP采用鉬酸銨分光光度計法測定，TN采用凱氏定氮儀測定。

1.4 理化因子水質評價

目前國內(nèi)外對河流水質的評價主要采用單因子法[15]和以TP為基準的修正后的卡爾森營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法（TSI）[16]108-151?；趩我蜃拥乃|評價能快速便捷地反映水質狀況，但是由于水體水質變化不只受單一理化因子影響，所以穩(wěn)定性相對較差。而修正后的卡爾森營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法的評價結果更可靠。

單因子評價標準如下表2：

表2 單因子評價標準Table.2 Single factor evaluation criteria

修正后的卡爾森營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)公式為：

式中： TSI為營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；TP 為總磷(mg/L)。

評價標準為：TSI＜37， 為貧營養(yǎng)型；

38＜TSI＜53 ，為中營養(yǎng)型；

TSI＞54，為富營養(yǎng)型。

1.5 生物學評價

1．5．1 細胞密度法[17-18]

計算公式如下：

式中， N 為每升水中水藻數(shù)(個/L)；SO為計數(shù)框面積(mm2)；SF為每個視野的面積(個/mm2)；nF為計數(shù)過的視野數(shù)(個)；V為每升水濃縮后的體積(ml)；VO為計數(shù)框的體積(ml)；nP為每片計算出的細胞個數(shù)(個/片）；N＜3×105時為貧營養(yǎng)狀態(tài)；3×105＜N＜10×105時為中營養(yǎng)狀態(tài)；N＞10×105時為富營養(yǎng)狀態(tài)。

1．5．2 Margalef多樣性指數(shù)M值[19]

計算公式為：

式中， M為物種豐富度指數(shù)；S為種類數(shù)；N為總個體數(shù)；M＞5時為無污染；M=4～5時為輕污染；M=3～3．9時為中污染；M＜2．9時為重污染。

1．5．3 Simpson指數(shù)D值[19]

計算公式為：

式中：ni為i種的個體數(shù)；N為總個體數(shù)；0＜D＜1時表示水質嚴重污染(相當于多污型)， 1＜D＜2 時表示水質為重污染(相當于α-中污型)， 2＜D＜3時表示水質中度污染(相當于β-中污型)， 3＜D＜6時表示水質輕度污染， D＞6時表示水體清潔[20]。

1．5．4 Shannon-Weaver多樣性指數(shù)H值[19]

計算公式為：

式中：ni為i種的個體數(shù)；N同上；H＞3時為無污染；2＜H＜3時為輕污染；1．0＜H＜1．9時為中污染；0＜H＜0．9時為重污染。

2 數(shù)據(jù)分析和處理

選取2015年10月在灤河承德區(qū)段水域6個采樣點測定的主要水質指標作為數(shù)據(jù)分析的來源，對測得的數(shù)據(jù)做標準化處理，建立浮游藻類和環(huán)境指標的數(shù)據(jù)庫。浮游藻類數(shù)據(jù)的選取，要選取至少在2個采樣點出現(xiàn)，并且在一個樣品中的含量大于1%的屬種，對除pH外所有的環(huán)境指標做lgX+1轉換處理。經(jīng)過上述處理后，原始數(shù)據(jù)庫包括6個樣品點，49個藻類分類單元，6個環(huán)境因子。采用SPSS23．0對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。根據(jù)CANOCO4．5軟件中除趨勢對應性分析（DCA）的排序軸梯度長度決定排序的方法，此次采用冗余分析（RDA）來分析浮游藻類群落與環(huán)境因子之間的關系。

3 結果

3.1 灤河浮游植物群落結構特征

通過2015年10月對灤河6個采樣點浮游植物的調(diào)查，初步鑒定出浮游植物共8門60屬186種（含變種及變型），各采樣點各門類浮游植物種數(shù)如圖1。其中，硅藻門14屬61種，占總數(shù)32．8%；綠藻門20屬59種，占總數(shù)31．7%；裸藻門9屬32種，占總數(shù)17．2%；藍藻門10屬23種，占總數(shù)12．4%；隱藻門3屬5種，占總數(shù)2．7%；黃藻門1屬2種，占總數(shù)1．6%；甲藻門1屬2種，占總數(shù)1．1%；金藻門1屬1種，占總數(shù)0．5%。

圖1 灤河各采樣點浮游植物各門類種數(shù)Fig.1 Number of phytoplankton species at each sampling sites of Luanhe River

3.2 浮游植物種群組成特征

調(diào)查水域浮游植物種類區(qū)系是以我國北方習見種類為主組成。其中隱藻門的長形藍隱藻、硅藻門的近緣針桿藻、綠藻門的基紋鼓藻出現(xiàn)率為100%；出現(xiàn)率在60%以上的種類有裸藻門的具瘤陀螺藻、硅藻門的著名羽紋藻、短線脆桿藻、窗格平板藻、綠藻門的棒形鼓藻。

灤河承德區(qū)段各采樣點種類數(shù)為31～61種，差別較明顯，從高到低依次為：大杖子61種＞烏龍磯大橋48種＞偏橋子43種＞郭家屯40種＞承鋼大橋38種＞宮后31種；各采樣點浮游植物密度為1．14×106～2．33×106個/L，差別亦較明顯，從高到低依次為：大杖子2．33×106個/L＞烏龍磯大橋1．68×106個/L＞承鋼大橋1．56×106個/L＞偏橋子1．52×106個/L＞郭家屯1．19×106個/L＞宮后1．14×106個/L。各區(qū)域浮游植物分布和密度見表3。本次對灤河定量調(diào)查結果為：灤河水域群落結構為硅藻-綠藻-裸藻型，絕對優(yōu)勢屬種為針桿藻屬的近緣針桿藻、肘狀針桿藻。具體見表4。

表3 灤河各采樣點浮游藻類分布和密度（104個/L）Tab.3 Distribution and Density（104/L）of Phytoplankton in Luanhe River

采樣點 藍藻 隱藻 甲藻 金藻 黃藻 裸藻 硅藻 綠藻 總量5 14.0 5.8 1.6 12.2 77.6 55.0 166.2 6 38.2 3.8 4.6 28.8 64.2 93.8 233.4總量 99.0 22.6 3.2 2.4 8.6 145.6 360.9 298.8 941.1占總數(shù)% 10.5 2.4 0.3 0.3 0.9 15.5 38.3 31.8 100.0

表4 灤河各采樣點浮游植物優(yōu)勢屬種Tab.4 Dominant species of phytoplankton in Luanhe River

根據(jù)沈韞芬等[16]108-151提出的中國常見藻類的耐污值， 其中耐有機污染值較高的魚腥螺旋藻、小球藻、鐮形纖維藻等也分布在本次調(diào)查的水域，但上述藻類的種群密度及生物量均較小，并未成為優(yōu)勢種。同時據(jù)文獻記載[21]，上述耐污種類在水質較好的一些水域亦有分布記錄。而調(diào)查水域的大多數(shù)其他藻類均屬中污染或寡污染種。因此從浮游植物目前的區(qū)系和群落組成整體上看， 調(diào)查水域的水質處于較為良好的水平。

3.3 灤河浮游植物細胞密度和水環(huán)境因子相關性

對灤河流域承德段6個采樣點的溫度(T)、pH、溶解氧（DO）、生化需氧量（BOD）、總磷（TP）、總氮（TN），共6個水環(huán)境因子做了測定。水環(huán)境因子和浮游植物密度的Pearson相關性分析結果如表5，結果顯示：浮游植物細胞密度和水環(huán)境因子的相關性不顯著，水環(huán)境因子中溫度和pH呈顯著正相關，溫度和總磷呈顯著負相關。

表5 灤河浮游植物細胞密度和水環(huán)境因子相關性分析Tab.5 Luan River phytoplankton cell density and water environmental factors correlation analysis

3.4 灤河水質營養(yǎng)狀態(tài)評價

生物多樣性指數(shù)，是用于表示多種生物所組成的混合生物群落的數(shù)量和種類之間關系的一種指數(shù)，是評價水質的重要指標之一[22-24]。指數(shù)值越高，該群落結構越復雜，穩(wěn)定性越大，水質越好[25-26]。Margalef多樣性指數(shù)由于能夠較為客觀地反映水體污染狀態(tài)和水質變化情況，常被采用，但它忽略了個體在各種類間的分布情況， 故該處采用Margalef多樣性指數(shù)M值、Shannon-Weaver多樣性指數(shù)H值[27]1-6和Simpson多樣性指數(shù)D值對水體營養(yǎng)狀態(tài)進行綜合評價（具體見表6）。

表6 三種生物多樣性指數(shù)對水質的綜合評價Tab.6 Comprehensive evaluation of three biodiversity indexes on water quality

從三種多樣性指數(shù)的水質生物學評價結果來看，對所選采樣點的評價結果不完全一致，但相差甚小。Margalef多樣性指數(shù)評價結果顯示：采樣點2和采樣點6為輕污染水平，而其余采樣點均為無污染水平；Shannon-Weaver多樣性指數(shù)評價結果顯示：所有采樣點均為無污染水平；Simpson多樣性指數(shù)評價結果顯示：所有采樣點均為水體清潔。綜合三種多樣性指數(shù)評價灤河水質，采樣點2和采樣點6可評價為較好水平，其余各采樣點可評價為良好水平。

3.5 灤河各采樣點理化指標及水質評價

灤河各采樣點的水環(huán)境因子測定結果（由承德市環(huán)保局環(huán)境監(jiān)測中心站提供）如表7所示，六個區(qū)域pH 值均＞7，水體呈弱堿性，采樣點1的pH值最高，采樣點5的pH值最??；平均水溫為15～23℃，采樣點1的水溫最高，采樣點5的水溫最低；溶解氧變化范圍7．90～8．84mg/L之間，采樣點1的溶解氧值最大，采樣點5的溶解氧值最小。

表7 灤河水環(huán)境因子Tab.7 Water environmental factors of Luanhe River

采用單因子評價方法，對灤河承德段各采樣點水體狀態(tài)進行評價，評價結果見表8。根據(jù)DO評價結果，各采樣點均為Ⅰ類水體；根據(jù)TN評價結果，各采樣點均為Ⅰ類水體；根據(jù)TP評價結果，5號采樣點水體為Ⅳ類水體，其余采樣點水體為Ⅲ類水體，說明TP為各采樣點主要污染物質。

表8 灤河各采樣點單因子水質評價Tab.8 Single factor water quality evaluation at each sampling sites of Luanhe River

采用修正后的卡爾森營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)來評價灤河的營養(yǎng)狀態(tài)，評價結果見表9依據(jù)評價標準， 樣點1、2、3為貧營養(yǎng)型，樣點4、5、6為中營養(yǎng)型，可見灤河承德區(qū)段上游水質為良好水平，下游水質為較好水平。

表9 灤河營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)值及評價Tab.9 Evaluation of nutrient state index of Luanhe River

3.6 浮游植物與環(huán)境因子的冗余分析（RDA）

依據(jù)灤河承德段各采樣點浮游植物出現(xiàn)的相對頻度和相對密度，共選取49種浮游藻類用于RDA分析，其中包括綠藻門16種，硅藻門18種，裸藻門8種，隱藻門1種，藍藻門5種，藻類代碼見表10。

表10 RDA分析種藻類代碼Tab.10 Codes of phytoplankton species for RDA

門類 種類Amphora ovalis B8短肋羽紋藻 Pinnulariabrevicostata B9普通等片藻 Diatomavulgwere B10尖針桿藻 Synedraacusvar B11顆粒直鏈藻 Melosiragraulata B12尖輻節(jié)藻 Stauroneisacuta B13長等片藻 Diatomaelongatum B14冬季等片藻小型變種 Diatomahiemalevar.mesodom B15鈍脆桿藻 Fragilariacapucina B16肘狀針桿藻狹細變種 Synedra ulna var.danica B17小頭舟形藻 Naviculacapitata B18窗格平板藻 Tabellariafenestrata B19代碼近緣針桿藻 Synedraaffinis B5箱形橋彎藻 Cymbellacistula B6細齒菱形藻 Nitzschiadenticula B7卵圓雙眉藻帶面

圖2為灤河承德區(qū)段浮游植物群落和環(huán)境因子RDA分析結果排序圖，前兩個主成分的特征值分別為0．395和0．171，物種與環(huán)境因子的相關系數(shù)分別為0．291和0．416。選取的綠藻中：9種和溫度呈正相關，7種和溫度呈負相關；9種和溶解氧呈正相關，7種和溶解氧呈負相關；10種和BOD呈正相關，6種和BOD呈負相關；9種和PH呈正相關，7種和PH呈負相關；10種和總氮呈正相關，6種和總氮呈負相關；11種和總磷呈正相關，5種和總磷呈負相關。選取的藍藻中：3種和溫度呈正相關，2種和溫度呈負相關；3種和溶解氧呈正相關，2種和溶解氧呈負相關；5種均和BOD呈正相關；3種和PH呈正相關，2種和PH呈負相關；5種均和總氮呈正相關；5種均和總磷呈正相關。選取的硅藻中：8種和溫度呈正相關，11種和溫度呈負相關；10種和溶解氧呈正相關，9種和溶解氧呈負相關；11種和BOD呈正相關，8種和BOD呈負相關；11種和總氮呈正相關，8種和總氮呈負相關；12種和總磷呈正相關，7種和總磷呈負相關。選取的裸藻中：3種和溫度呈正相關，5種和溫度呈負相關；6種和溶解氧呈正相關，2種和溶解氧呈負相關；3種和BOD呈正相關，5種和BOD呈負相關；5種和PH呈正相關，3種和PH呈負相關；5種和總氮呈正相關，3種和總氮呈負相關；4種和總磷呈正相關，4種和總磷呈負相關。選取的隱藻共1種，和各種環(huán)境因子均呈負相關。

4 討論

4.1 灤河浮游植物群落結構和水質

灤河的6個采樣共鑒定出浮游植物186種（含變種及變型），分屬于8門60屬。以硅藻細胞密度最大，綠藻、裸藻次之，屬于典型的硅藻-綠藻-裸藻型群落結構，與之前的研究結果一致[27]。通過對生物多樣性指數(shù)的評價，各種評價方法得出的結果較為一致，綜合生物多樣性指數(shù)、單因子評價和營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評價，各采樣點的主要污染物質為TP。灤河水質相對最好的是采樣點1和3，采樣點2、4、5次之，采樣點6最差，基本呈現(xiàn)出從上有到下游水質逐漸變差的趨勢，這與不同研究人員通過不同模型對灤河流域生態(tài)環(huán)境狀況的預測結果較為一致[28-29]。結合調(diào)查區(qū)域沿岸環(huán)境概況，推測出現(xiàn)這種趨勢的原因為：①灤河上游少有工礦企業(yè)等重大污染源是上游水質較好的主要原因。②灤河下游周邊水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的增加，尤其是密集的投餌網(wǎng)箱養(yǎng)殖，使水體的營養(yǎng)物質進一步增加，加速了營養(yǎng)化的進程。③灤河下游周邊有較多的工礦企業(yè)及城鎮(zhèn)居民。主要有煉鋼廠、發(fā)電廠、機械制造廠、印刷廠等大中型企業(yè)和城鎮(zhèn)居民的生活污水可能直接排入下游水域，是導致下游水質相對較差的主要原因。

4.2 影響灤河承德段區(qū)域浮游植物群落的主要環(huán)境因子

浮游植物群落的結構組成和演替變化受水環(huán)境因子變化的綜合影響，其中尤其以受營養(yǎng)物質的影響最為突出。通過RDA分析，在調(diào)查的主要硅藻-綠藻-裸藻型群落結構中，各水環(huán)境因子對浮游植物群落結構均有不同程度影響，而影響最為突出的為營養(yǎng)物質和BOD，而在受營養(yǎng)物質影響的物種中，又以綠藻最為明顯，所有被調(diào)查的綠藻均表現(xiàn)出和總氮、總磷正相關關系。