青西郊野公園建設(shè)過程中大蓮湖浮游植物年際變化及與環(huán)境因子的關(guān)系*

譚 娟 王 敏 王 卿 龔靜香 徐志豪 吳建強(qiáng)#

(1.上海市環(huán)境科學(xué)研究院，上海 200233；2.上海市城市建設(shè)工程學(xué)校給排水教研室，上海 200232；3.東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620)

青西郊野公園是2012年5月上海市政府批復(fù)的21個郊野公園之一，公園位于青浦區(qū)西南部，淀山湖南側(cè)，毗鄰金澤鎮(zhèn)區(qū)和青浦新城，于2015年啟動一期工程建設(shè)工作，圍繞大蓮湖建成生態(tài)保育功能區(qū)、水鄉(xiāng)農(nóng)田示范區(qū)和漁村休閑體驗(yàn)區(qū)3大功能區(qū)。目前國內(nèi)外對郊野公園的研究主要集中在空間規(guī)劃、景觀設(shè)計、運(yùn)行管理機(jī)制等方面[1-5]，而對郊野公園建設(shè)過程中生態(tài)環(huán)境的動態(tài)監(jiān)測與評估研究較少[6]。

浮游植物是水環(huán)境生物監(jiān)測的重要指標(biāo)，作為水體主要的初級生產(chǎn)者，其種類組成、豐度特征及多樣性變化都對水質(zhì)有著一定的指示作用[7-11]，利用浮游植物評價水體水質(zhì)及營養(yǎng)狀況的研究已有大量報道[12-15]。本研究聚焦郊野公園建設(shè)過程中產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境問題，重點(diǎn)關(guān)注大蓮湖水體水質(zhì)和浮游植物群落動態(tài)變化及其影響因素，旨在為郊野公園生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作提供科技支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

青西郊野公園位于青浦區(qū)西南部淀山湖南側(cè)，區(qū)域以“湖、灘、蕩、堤、圩、島”等水環(huán)境為主要特色。青西郊野公園以大蓮湖為核心，其主要補(bǔ)給來源為降水及地表徑流。青西郊野公園東北接攔路港，西北接北橫港，是淀山湖水經(jīng)由攔路港注入黃浦江的樞紐通道。同時，該區(qū)域是上海重要的水源保護(hù)區(qū)，其水質(zhì)、生態(tài)環(huán)境狀況對于水源地保護(hù)及飲用水安全具有重要影響。

1.2 樣品采集與測定

根據(jù)大蓮湖的地形狀況和水流特點(diǎn)，在研究區(qū)域設(shè)置5個采樣點(diǎn)(見圖1)，其中S1位于東北部北橫港， S2、S3、S4位于湖區(qū)，S5位于西北部攔路港。分別于青西郊野公園開始建設(shè)前(2014年)、建設(shè)過程中(2016年)及開園運(yùn)營后(2017年)開展生態(tài)監(jiān)測，其中大蓮湖水質(zhì)選擇豐、平、枯水期開展監(jiān)測，浮游植物選擇豐、平水期開展監(jiān)測。使用塞氏盤測定水體透明度(SD)，采用YSI便攜式多參數(shù)水質(zhì)測量儀測定溶解氧(DO)，同時用1 L的柱狀采水器采集表層(水面下0.5 m)水樣。浮游植物水樣使用魯哥試劑現(xiàn)場固定，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。水質(zhì)水樣用聚乙烯瓶低溫保存后送往實(shí)驗(yàn)室分析各項指標(biāo)，包括懸浮物(SS)、高錳酸鹽指數(shù)、BOD5、TN、TP、氨氮和葉綠素a(Chl-a)。水樣預(yù)處理及分析測定方法均采用相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行[16]。

圖1 研究區(qū)概況及采樣點(diǎn)分布Fig.1 The study area and distribution of sampling points

1.3 評價方法

采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)對大蓮湖的富營養(yǎng)化狀態(tài)進(jìn)行評價[17-18]，選取Chl-a、TP、TN、SD、高錳酸鹽指數(shù)5項指標(biāo)反映水體營養(yǎng)程度。綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計算公式為：

(1)

式中：TLI為綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；m為評價指標(biāo)個數(shù)；Wj為第j個指標(biāo)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的權(quán)重；TLIj為第j個指標(biāo)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。詳細(xì)計算公式見參考文獻(xiàn)[19]。大蓮湖營養(yǎng)狀態(tài)分級標(biāo)準(zhǔn)為：TLI≤30時為貧營養(yǎng)；3050時為富營養(yǎng)，其中5070為重度富營養(yǎng)。

采用物種優(yōu)勢度指數(shù)(Y)對大蓮湖浮游植物優(yōu)勢度進(jìn)行評價，計算公式參考文獻(xiàn)[20]；采用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H’)、Pielou均勻度指數(shù)(J)和Margalef物種豐富度指數(shù)(D)對大蓮湖浮游植物群落多樣性進(jìn)行評價，詳細(xì)計算公式參考文獻(xiàn)[21]至文獻(xiàn)[23]。評價標(biāo)準(zhǔn)為：H’>3為無污染或清潔，3≥H’>1為中污染，1≥H’>0為重污染；0.8≥J>0.5為無污染或清潔，0.5≥J>0.3為中污染，0.3≥J>0為重污染；D>3為無污染或清潔，3≥D>1為中污染，1≥D>0為重污染。

2 結(jié)果與分析

2.1 大蓮湖水體水質(zhì)特征和變化規(guī)律

從大蓮湖水體3個年份的水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果(見表1)可知，2014、2016、2017年大蓮湖DO均值分別為6.91、4.80、5.22 mg/L，且均表現(xiàn)為枯水期>平水期>豐水期；SD均值分別為0.82、0.48、0.38 m，呈逐年遞減趨勢，且均以枯水期透明度最高；BOD5均值分別為2.79、2.81、2.06 mg/L，平水期、枯水期BOD5高于豐水期；高錳酸鹽指數(shù)均值分別為4.34、4.08、3.65 mg/L，呈現(xiàn)出逐年遞降趨勢；SS均值分別為9.5、14.3、14.8 mg/L，2014年本底濃度顯著低于2016年和2017年(p<0.05)；TP均值分別為0.06、0.12、0.11mg/L，呈現(xiàn)先增后降趨勢；TN均值分別為1.35、1.85、2.22 mg/L，呈現(xiàn)逐年遞增趨勢；氨氮均值分別為0.13、0.23、0.33 mg/L，與TN變化規(guī)律一致；Chl-a均值分別為9.52、9.11、5.05 μg/L，呈逐年遞減趨勢；TLI均值分別為49.84、54.66、53.16，說明大蓮湖水質(zhì)處于中營養(yǎng)和輕度富營養(yǎng)水平，水質(zhì)呈輕度富營養(yǎng)化趨勢。

表1 大蓮湖不同年份不同水期的水質(zhì)特征

2.2 大蓮湖水體浮游植物變化特征

2.2.1 浮游植物種類組成及優(yōu)勢種

調(diào)查結(jié)果表明，2014年共采集到浮游植物8門55屬106種，其中，綠藻門(Chlorophyta)42種、硅藻門(Bacillariophyta)28種、藍(lán)藻門(Cyanophyta)16種、裸藻門(Euglenophyta)12種、金藻門(Chrysophyta)3種、隱藻門(Cryptophyta)3種、甲藻門(Pyrrophyta)1種和黃藻門(Xanthophyta)1種，全年第1、2、3優(yōu)勢種分別為綠藻門的斯諾衣藻(Chamydomonassnowiae)、硅藻門的模糊直鏈藻(Melosiraambigua)以及隱藻門的尖尾藍(lán)隱藻(Chroomonasacuta)，Y值分別為0.18、0.17、0.09。2016年共采集浮游植物8門52屬98種，其中綠藻門38種、硅藻門27種、藍(lán)藻門15種、裸藻門11種、金藻門2種、隱藻門3種、甲藻門1種和黃藻門1種，全年第1、2、3優(yōu)勢種分別為綠藻門的空球藻(Eudorinaelegans)、斯諾衣藻和球衣藻(Chamydomonasglobasa)，Y值分別為0.17、0.15、0.12。2017年共采集到浮游植物7門47屬78種，其中，綠藻門32種、硅藻門19種、藍(lán)藻門10種、裸藻門10種、隱藻門4種、甲藻門2種和金藻門1種，全年第1、2、3優(yōu)勢種分別為藍(lán)藻門的點(diǎn)形平裂藻(Oscillatoriapunctata)、硅藻門的模糊直鏈藻以及綠藻門的小球藻(Chlorellavulgaris)，Y值分別為0.15、0.14、0.12。

2.2.2 浮游植物豐度變化特征

調(diào)查結(jié)果表明，2014、2016和2017年浮游植物豐度平均值分別為6.36×106、1.05×107、1.89×107個/L，呈逐年遞增趨勢。2014年，浮游植物豐度占比排序?yàn)榫G藻門>硅藻門>藍(lán)藻門>隱藻門>裸藻門>甲藻門>金藻門>黃藻門；2016年，浮游植物豐度占比排序?yàn)榫G藻門>藍(lán)藻門>隱藻門>硅藻門>裸藻門>甲藻門>黃藻門>金藻門；2017年，浮游植物豐度占比排序?yàn)榫G藻門>隱藻門>硅藻門>藍(lán)藻門>裸藻門>甲藻門>金藻門。從年際變化來看，綠藻門豐度占比呈先增后降趨勢，硅藻門和隱藻門呈先降后增趨勢，藍(lán)藻門占比呈逐年遞增趨勢。浮游植物的豐度變化表明水體存在富營養(yǎng)化趨勢，與水質(zhì)評價結(jié)果較為一致。

2.2.3 浮游植物多樣性指數(shù)變化特征

浮游植物多樣性指數(shù)變化特征見圖2。就Shannon-Wiener多樣性指數(shù)而言，S1～S5點(diǎn)位2014年H’的年均值分別為2.77、2.71、2.51、2.71和1.99，2016年各點(diǎn)位H’的年均值分別為2.84、2.68、2.66、2.45和2.29，2017年各點(diǎn)位H’的年均值分別為3.33、3.04、2.52、2.41和2.43，評價結(jié)果顯示，2014年和2016年各點(diǎn)位水質(zhì)均處于中污染水平，2017年S1、S2點(diǎn)位水質(zhì)為清潔水平，其他點(diǎn)位為中污染水平；就Pielou均勻度指數(shù)而言，S1～S5點(diǎn)位2014年J的年均值分別為0.49、0.48、0.44、0.46和0.40，2016年各點(diǎn)位J的年均值分別為0.53、0.48、0.48、0.45和0.42，2017年各點(diǎn)位J的年均值分別為0.65、0.61、0.48、0.46和0.53，評價結(jié)果顯示，2014年各點(diǎn)位和2016年S2～S5點(diǎn)位水質(zhì)處于中污染水平，2017年S1、S2、S5點(diǎn)位水質(zhì)為清潔水平，S3、S4點(diǎn)位為中污染水平；就Margalef物種豐富度指數(shù)而言，S1～S5點(diǎn)位2014年D的年均值分別為2.25、2.17、2.15、2.42和1.40，2016年各點(diǎn)位D的年均值分別為1.93、2.06、1.98、1.79和1.87，2017年各點(diǎn)位D的年均值分別為1.47、1.35、1.49、1.52和1.01，評價結(jié)果顯示，3個年份各點(diǎn)位水質(zhì)均處于中污染水平。由此可以看出，3種多樣性指數(shù)評價結(jié)果具有較高的一致性，2017年水質(zhì)為清潔水平的點(diǎn)位有所增加，但從各點(diǎn)位年均值來看，大蓮湖整體水質(zhì)仍處于中污染水平。

圖2 大蓮湖浮游植物多樣性指數(shù)Fig.2 Phytoplankton diversity index of Dalian Lake

2.3 大蓮湖水體浮游植物與環(huán)境因子的關(guān)系

對大蓮湖水體浮游植物與環(huán)境因子的關(guān)系進(jìn)行冗余分析(RDA)，分析結(jié)果分別見表2、圖3?？梢钥闯?，基于種類數(shù)，主成分軸1、軸2共解釋了27.5%的浮游植物物種情況。主成分軸1、軸2與環(huán)境因子相關(guān)性分別為0.785、0.627，兩軸與環(huán)境相關(guān)性的累積解釋率為72.3%。Chl-a、SD、TN與軸1的相關(guān)系數(shù)(與軸1正向夾角的余弦值)分別為-0.52，-0.48、0.46，說明軸1基本反映了Chl-a、SD、TN的變化趨勢；軸2與DO和BOD5的相關(guān)系數(shù)(與軸2正向夾角的余弦值)分別為0.43和0.42，基本反映了DO和BOD5的變化趨勢。RDA蒙特卡羅檢驗(yàn)前向選擇檢驗(yàn)結(jié)果表明，Chl-a和SD對浮游植物響應(yīng)有顯著性解釋，p值分別為0.02、0.05，其解釋量占所有環(huán)境因子解釋量的43%。Chl-a、SD與甲藻門種類數(shù)呈負(fù)相關(guān)，而與其他各門藻種類數(shù)呈正相關(guān)。

圖3 浮游植物種類及豐度與環(huán)境因子的RDA圖Fig.3 RDA of phytoplankton species, abundance and environmental factors

表2 環(huán)境因子與RDA排序軸的RDA排序總結(jié)

從豐度上看，主成分軸1和軸2共解釋了56.4%的浮游植物物種情況。主成分軸1和軸2與環(huán)境因子相關(guān)性分別為0.832、0.776，兩軸與環(huán)境相關(guān)性的累積解釋率為91.0%。軸1與SD和TN相關(guān)系數(shù)分別為-0.39、-0.35，基本反映了SD和TN的變化趨勢；軸2與SS和TP的相關(guān)系數(shù)分別為0.57、0.55，基本反映了SS和TP的變化趨勢。RDA蒙特卡羅檢驗(yàn)前向選擇檢驗(yàn)結(jié)果表明，SD和TN對浮游植物響應(yīng)有顯著性解釋(p值均小于0.01)，其解釋量占所有環(huán)境因子解釋量的68%。SD與金藻門、硅藻門和甲藻門藻類豐度呈正相關(guān)關(guān)系，而與其他各門豐度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；TN濃度與黃藻門、綠藻門、金藻門豐度呈正相關(guān)關(guān)系，與其他各門豐度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3 討 論

3.1 大蓮湖區(qū)域浮游植物群落變化

與歷史調(diào)查結(jié)果[24-25]比較發(fā)現(xiàn)，大蓮湖區(qū)域浮游植物種類具有一定的上升趨勢。種類數(shù)由1982年的71種上升到此次調(diào)查的近110種。其中，裸藻門種類數(shù)上升明顯，從未檢出上升到此次調(diào)查的13種，裸藻門喜生長于有機(jī)質(zhì)較豐富的靜水水體中，多數(shù)耐有機(jī)污染；此外，藍(lán)藻門種類數(shù)也有所增加，藍(lán)藻通常生長在含氮較高、有機(jī)質(zhì)豐富的堿性水體中。優(yōu)勢種組成也發(fā)生了較大的變化，但沒有形成單一的優(yōu)勢種群，藍(lán)藻門優(yōu)勢種從無到有，這也表明30多年來由于生態(tài)環(huán)境變化引起了種類更替和群落結(jié)構(gòu)變化。從3個年度調(diào)查結(jié)果來看，大蓮湖種類數(shù)呈逐年遞減趨勢，豐度呈逐年遞增趨勢，各類多樣性指數(shù)值評價結(jié)果均顯示大蓮湖水質(zhì)基本處于中污染水平，表明青西郊野公園建設(shè)工程對大蓮湖水體造成了一定的影響，水體呈現(xiàn)出有機(jī)物污染和輕度富營養(yǎng)化趨勢。值得一提的是雖然出現(xiàn)了藍(lán)藻門優(yōu)勢種，但并不是水華代表種，表明建設(shè)過程中采取的環(huán)境保護(hù)措施起到一定作用，大蓮湖水質(zhì)沒有達(dá)到惡化程度，但應(yīng)持續(xù)引起重視加以控制。

3.2 環(huán)境因子對浮游植物群落的影響

就浮游植物種類而言，RDA分析結(jié)果表明Chl-a和SD對物種種類有顯著影響。2014年大蓮湖水體Chl-a和SD濃度普遍高于2016、2017年，而其值均與除甲藻門外的其他各門種類數(shù)呈正相關(guān)，且甲藻門在3個年度出現(xiàn)頻率均很低，因此，浮游植物種類數(shù)以2014年最多。青西郊野公園近期建設(shè)范圍共涉及工程項目16項，包括土地整治、水系治理、生態(tài)保育區(qū)、恢復(fù)區(qū)、垂釣區(qū)建設(shè)等，可以看出，項目涉及到的河道護(hù)岸、田間小道整治、新建護(hù)岸、防汛通道建設(shè)過程中都會造成河道岸坡植被的破壞，引起水土流失，雖然建成后及時補(bǔ)種植物，但其水土保持功能需要時間恢復(fù)。同時生態(tài)保育區(qū)建設(shè)和低洼圩區(qū)治理等工程項目也會引起一定程度的水土流失。此外，水系治理過程中清除水葫蘆的同時將大部分挺水和沉水植物一并打撈，導(dǎo)致水生植物群落結(jié)構(gòu)遭到破壞，水體自凈能力降低。外源輸入的增加及系統(tǒng)內(nèi)部消納能力的降低使得SD呈下降趨勢，水體透光性減弱，浮游植物光合作用受到影響，因此浮游植物種類數(shù)有所下降。光合作用受限在一定程度上導(dǎo)致浮游植物生物量下降，進(jìn)而使得反映水體浮游植物生物量的重要指標(biāo)Chl-a濃度下降。

就豐度而言，RDA分析結(jié)果表明TN和SD對浮游植物物種豐度有顯著影響。TN濃度與綠藻門、黃藻門、金藻門豐度呈正相關(guān)關(guān)系，SD與金藻門、硅藻門和甲藻門藻類豐度呈正相關(guān)關(guān)系，3個年度大蓮湖水體SD呈遞減趨勢，而TN濃度呈遞增趨勢，從各門類豐度占比情況來看，各年度各點(diǎn)位均以綠藻門占比明顯高于其他各門類，因此，TN濃度最高的2017年度浮游植物豐度也最高。生態(tài)垂釣區(qū)各類標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)殖區(qū)的分區(qū)建設(shè)過程中涉及的池塘清淤、進(jìn)排水渠修建、池埂寬度和護(hù)坡改造以及池塘防汛設(shè)施建設(shè)過程中會對底泥造成較大的擾動，而多年的養(yǎng)殖過程中肥料、餌料殘渣和魚類糞便的積累造成底泥的營養(yǎng)鹽富集，擾動后通過地表徑流進(jìn)入水體，使得水體氮磷濃度升高。大量研究認(rèn)為營養(yǎng)鹽濃度是浮游植物生長分布的限制因素[26-28]。有報道認(rèn)為，TN/TP(質(zhì)量比)決定了浮游植物群落變化是受氮磷的單獨(dú)限制或者協(xié)同作用[29-30]。本研究中，大蓮湖水體中氮磷濃度存在較大的季節(jié)變化，豐、平、枯水期TN/TP均值分別為14.3、13.3和34.2。RDA分析結(jié)果表明浮游植物變化主要受氮限制，而相關(guān)性分析顯示TP與TN呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(相關(guān)系數(shù)0.76，p<0.01)，這也在一定程度上表明氮和磷會協(xié)同影響浮游植物的變化。此外，研究中監(jiān)測到的環(huán)境因子分別解釋了浮游植物種類和豐度的27.5%、56.4%，表明還有其他環(huán)境因子對浮游植物種類和豐度變化產(chǎn)生影響，如pH[31]、溫度[32]、光照[33]以及水生植物和水生動物群落結(jié)構(gòu)[34]等。因此，浮游植物生長并非是單一因子作用，而是受多種因子的協(xié)同影響，要得出明確的結(jié)論尚需更深入的實(shí)驗(yàn)研究。

4 結(jié) 論

(1) 綜合水質(zhì)理化指標(biāo)、營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)及浮游植物多樣性指數(shù)等多種方法分析發(fā)現(xiàn)，2014、2016、2017年大蓮湖水質(zhì)呈現(xiàn)輕度富營養(yǎng)化趨勢，表明青西郊野公園建設(shè)工程對大蓮湖水體造成了一定的影響，在郊野公園后續(xù)管理中應(yīng)引起重視。

(2) 近3個年度調(diào)查結(jié)果顯示浮游植物種類數(shù)呈逐年遞減趨勢，豐度呈逐年遞增趨勢，多樣性指數(shù)H’和均勻度指數(shù)J呈逐年遞增趨勢，而豐富度指數(shù)D則呈逐年遞減趨勢。RDA分析結(jié)果表明Chl-a、SD和TN是影響大蓮湖浮游植物種類和豐度的重要環(huán)境因子，其中，Chl-a和SD對浮游植物種類有顯著影響，TN和SD對浮游植物豐度有顯著影響，表明水體透明度的控制應(yīng)引起重視。