秋香江冬季水質現(xiàn)狀及浮游生物群落結構特征

陳 蘭，張洛紅，黃道建，劉 潔，黃楚珊，陳棉彪，張麗娟，胡國成

（1.生態(tài)環(huán)境部華南環(huán)境科學研究所/國家環(huán)境保護環(huán)境污染健康風險評價重點實驗室，廣東 廣州 510535；2.西安工程大學環(huán)境與化學工程學院，陜西 西安 710048；3.廣東省水利電力勘測設計研究院，廣東 廣州 510170；4.廣東省社會科學院，廣東 廣州 510635）

【研究意義】秋香江是珠江流域東江的一級支流，位于廣東省紫金縣中部，發(fā)源于紫金縣烏石鄉(xiāng)、龍窩鎮(zhèn)、水墩鄉(xiāng)交界的榴墩嶂，自東北向西南流經(jīng)烏石等9 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，在古竹鎮(zhèn)的江口村匯入東江。秋香江干流總長134 km［1］，河床平均坡降為11.1%，河流流經(jīng)水域總面積達1669 km2，流域內(nèi)山區(qū)較多，植被覆蓋率較高［2］。秋香江上建有小型水利發(fā)電站20 多座，對水生生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一定影響，秋香江上游的區(qū)域產(chǎn)業(yè)類型如生活污水和上游生豬養(yǎng)殖場清洗廢水也對流域水生生態(tài)環(huán)境造成了一定程度的影響，因此，研究該流域生態(tài)環(huán)境對保護該流域生態(tài)健康具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】曾金鳳等［3］分析東江源區(qū)贛粵出境水質時空分布特征，為該流域的水環(huán)境治理和水生態(tài)改善提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。周夏飛等［4］基于環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù)、DEM 數(shù)據(jù)、水質監(jiān)測斷面數(shù)據(jù)和基礎地理數(shù)據(jù)等對東江流域開展突發(fā)水污染風險分區(qū)。雖然對東江流域水環(huán)境研究較多，但是對于秋香江的水環(huán)境研究還處于空白，所以很有必要對秋香江的水生態(tài)進行研究。

【本研究切入點】浮游生物是河流生態(tài)系統(tǒng)中重要的生物類群之一，主要包括浮游植物（藻類）和浮游動物，在河流生態(tài)系統(tǒng)物質循環(huán)和能量流動中發(fā)揮重要作用。浮游植物是生產(chǎn)者，浮游動物是初級消費者，也是食物鏈組成的基礎環(huán)節(jié)［5］。浮游生物主動規(guī)避能力較弱，且對水域污染及水質的變化反應敏感，水質的變化會導致其種類、數(shù)量和分布的變化，因此，浮游生物可作為評價水生生態(tài)系統(tǒng)健康的指示物種［6］。同時，浮游生物的數(shù)量變化直觀反映了污染物對生物體的危害，因此可作為水域水質污染的早期預警。浮游生物作為水質生物監(jiān)測的重要指標［7］，越來越多地被應用到世界各國的河流生態(tài)健康評估中［8］，研究水質指標與浮游生物群落結構特征對防治水域污染有重大意義［9］。【擬解決的關鍵問題】本研究結合秋香江常規(guī)環(huán)境因子監(jiān)測結果，分別對3 座水電站上游和下游水體浮游生物群落進行系統(tǒng)調查，以期為研究水體浮游生物群落結構特征及其與環(huán)境因子的關系，保護水環(huán)境安全提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣點設置

2018年12月，在秋香江上、中、下游選擇3座水電站，布設6個采樣點，分別是深紫水電站上游S1（115°10′22″E，23°38′41″N）、深紫水電站下游S2（115°9′23″E，23°38′10″N）、鳳凰水電站上游S 3（114°58′11″E，23 °25 ′36 ″N ）、鳳凰水電站下游S 4（114°56′14″E，23°25′18″N）、亞公角水電站上游S5（114°43′55″E，23°23′54″N）和亞公角水電站下游S 6（114°40′26″E，23°24′28″N）。

1.2 水樣采集與分析

按照《水質采樣技術指導》（HJ494-2009）的要求，在每個采樣點采集水樣?，F(xiàn)場采樣過程中利用哈希便攜式多參數(shù)水質分析儀（型號：HD40）測定pH、溶解氧（DO）和電導率（Cond），利用薩氏盤測定水體透明度（SS）。按照《地表水環(huán)境質量標準》（GB3838-2002）要求測定其他水環(huán)境因子。

1.3 浮游生物采集與鑒定

浮游植物定性樣品使用25 號浮游生物網(wǎng)（孔徑64 μm），以網(wǎng)口上端剛在水深33 cm 處作“∞”形的循回拖動約3～5 min，然后將網(wǎng)慢慢提起，使浮游植物集中在網(wǎng)頭內(nèi)，打開活塞，使樣品流入瓶內(nèi)，立即使用4%甲醛溶液固定后鏡檢觀察。浮游植物定量樣品利用采水器采集表層水樣（水面以下0.5 m）1000 mL，現(xiàn)場加入15 mL 魯哥氏碘液固定，靜置24 h 后濃縮至30 mL，移取0.1 mL，采用目鏡視野計數(shù)法進行藻類細胞計數(shù)與鑒定［10］。浮游動物樣品利用采水器采集1000 mL水樣放入容器中，魯哥氏碘液固定，帶回實驗室進行沉降和濃縮，定容到30 mL。浮游動物樣品通過鏡檢進行計數(shù)，沉淀后用1 mL 浮游生物計數(shù)框進行全沉淀計數(shù)，計算生物密度和生物量。

1.4 水質狀況評價

按照《紫金縣環(huán)境保護和生態(tài)建設“十三五”規(guī)劃（2016—2020 年）》的要求，秋香江水環(huán)境質量要求達到II 類。利用《地表水環(huán)境質量標準》（GB3838-2002）中II 類標準，評價秋香江水質達標情況。

1.5 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)測算

按照《地表水環(huán)境質量評價辦法（試行）》的相關要求，根據(jù)葉綠素a、總磷、總氮、透明度和高錳酸鹽指數(shù)，計算不同采樣點（水電站）綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)（TLI），評價水體富營養(yǎng)化狀況。評價分級標準：TLI（∑）＜30 為貧營養(yǎng)，30 ≤TLI（∑）≤50 為中營養(yǎng)，50 ＜TLI（∑）≤60 為輕度富營養(yǎng)，60 ＜TLI（∑）≤70 為中度富營養(yǎng)，TLI（∑）>70 為重度富營養(yǎng)［11］。

1.6 生物多樣性調查

本研究采用Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)（H’）、Margalef 種類豐富度指數(shù)（D）和Pielou均勻度指數(shù)（E）對秋香江浮游生物多樣性進行分析。多樣性指數(shù)計算公式如下：

式中，N為群落中物種的總密度，S為物種數(shù)，Ni為第i個物種的密度。Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)0 ＜H’＜1 水體為重污染，1 ＜H’＜3 水體為中污染，H’>3 水體為輕污染或無污染［12］。

1.7 冗余分析

生態(tài)學中常用來分析環(huán)境因子和生物群落相互關系的統(tǒng)計分析方法是典范對應分析（CCA）和冗余分析（RDA），當排序軸的梯度值大于4時應選擇CCA 分析，當排序軸的梯度值小于3 時應選擇RDA 分析，其余情況兩種方法均可。本研究排序軸的梯度值為1.4，因此選擇RDA 分析。以上統(tǒng)計方法使用Canoco for windows 5 軟件。

2 結果與分析

2.1 秋香江水質狀況

從各采樣點的水質理化指標（表1）可以看出，在采樣期間秋香江表層水溫比較穩(wěn)定，透明度波動較小，溶解氧變化范圍為5.23～8.17 mg/L。利用《地表水環(huán)境質量標準》（GB3838-2002）Ⅱ類標準限值對水質進行單因子評價，分析秋香江水質情況，結果顯示：深紫水電站上游（S1）TP 和TN 分別超過Ⅱ類標準17 倍和8 倍、達到Ⅴ類或劣Ⅴ類水標準，深紫水電站下游（S2）TP和TN 分別超過Ⅱ類標準14 倍和8 倍、達到Ⅴ類或劣Ⅴ類水標準；鳳凰水電站上游（S3）和下游（S4）TP 和TN 分別超過Ⅱ類標準4 倍和3 倍，達到Ⅴ類水標準；亞公角水電站上游（S5）和下游（S6）TP 和TN 分別超過Ⅱ類標準4 倍和2 倍，分別達到Ⅴ類水標準和Ⅳ類水標準?？傮w上，秋香江水體中N、P 含量偏高，水質狀況較差。從廣東省生態(tài)環(huán)境廳發(fā)布的2017 年重點河流水質信息來看，位于秋香江下游的江口監(jiān)測斷面水質達到Ⅱ類標準，N、P 均未超標，這表明秋香江水質在逐漸惡化。本研究中CODMn波動范圍為0.7～3.9 mg/L，均在4 mg/L 以下，達到高錳酸鹽指數(shù)Ⅱ類標準（CODMn≤4 mg/L）的要求，表明這些水體中有機污染較輕。根據(jù)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)（TSI）評價秋香江富營養(yǎng)化情況，6 個樣點TSI 介于30和47 之間，屬于中營養(yǎng)狀態(tài)，其中深紫水電站上游（S1）和下游（S2）的TSI 分別為47 和46，營養(yǎng)水平最高。

表1 秋香江環(huán)境參數(shù)及綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)Table 1 Environmental parameters and comprehensive nutritional status index along the Qiuxiang River

2.2 秋香江浮游植物

2.2.1 種類組成 本次調查秋香江6 個采樣點共發(fā)現(xiàn)浮游植物6 門53 種，其中綠藻19 種，約占藻類總種數(shù)的36%；硅藻16 種，約占藻類總種數(shù)30%；藍藻11 種，約占藻類總種數(shù)的20%；隱藻和裸藻各3 種，分別占藻類總種數(shù)的6%；甲藻1 種，占藻類總種數(shù)的2%（表2）。秋香江浮游植物以硅藻為主，其次是綠藻和藍藻，總體上浮游植物種類沿著河流方向由豐富向簡單變化，其中銅綠微囊藻（Microcystis aeruginosa）、多甲藻（Peridiniumsp.）、裸藻（Euglenasp.）、小球藻（Chlorellasp.）和鼓藻（Cosmariumsp.）為秋香江廣布種，隱球藻（Aphanocapsasp.）、拉氏擬柱胞藻（Cylindrospermopsis raciborskii）、反曲隱藻（Cryptomonas ref lexa）、梅尼小環(huán)藻（Cyclotella meneghiniana）、針桿藻（Synedrasp.）、囊裸藻（Trachelomonassp.）和柵藻（Scenedesmussp.）在秋香江也較為常見。

2.2.2 浮游植物密度 秋香江浮游植物密度的變化范圍為5.1×108～1.89×109cells/L（表3），以鳳凰水電站下游（S4）藻類密度最大、為1.89×109cells/L，其次是亞公角水電站上游（S5）、密度為1.72×109cells/L，各采樣點間藻類密度波動較大，其中銅綠微囊藻（Microcystis aeruginosa）、隱球藻（Aphanocapsasp.）、史密斯微囊藻（Microcystissmithii）、小球藻（Chlorellasp.）、挪氏微囊藻（Microcystisnovacekii）、直鏈藻（Melosirasp.）、多甲藻（Peridiniumsp.）和平裂藻（Merismopediasp.）密度較高。所有樣點浮游植物主要由藍藻和綠藻組成，約占采樣點浮游植物的99%。通常來說，營養(yǎng)水平高的湖泊常以綠藻和藍藻占優(yōu)勢［13］，由此可見，秋香江有一定的水體富營養(yǎng)化趨勢。秋香江從上游至下游硅藻數(shù)量增加，藍藻數(shù)量減少，表明水體營養(yǎng)水平逐漸降低［14］，這與綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)逐漸減小基本一致。

2.2.3 浮游植物群落多樣性 秋香江浮游植物群落多樣性如圖1 所示，各采樣點Margalef 種類豐富度指數(shù)（D）依次為S2>S1>S3>S4>S6>S5，Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)（H’）依次為S6>S1>S5>S4>S3>S2，Pielou 均勻度指數(shù)（E）依次為S6>S5>S1>S4>S3>S2。各采樣點的Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)（H’）和Pielou 均勻度指數(shù)（E）變化趨勢相似，其中深紫水電站下游（S2）、鳳凰水電站下游（S4）、鳳凰水電站上游（S3）的Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)小于1，水體處于重污染水平；深紫水電站上游（S1）、亞公角水電站上游（S5）和亞公角水電站下游（S6）的Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)介于1～3，水體處于中度污染水平。

表2 秋香江各采樣點浮游植物種類Table 2 Species of phytoplankton at various sampling sites along the Qiuxiang River

表3 秋香江各采樣點浮游植物密度Table 3 Phytoplankton density at various sampling sites along the Qiuxiang River

圖1 秋香江各采樣點浮游植物多樣性指數(shù)Fig.1 Diversity index of phytoplankton at various sampling sites along the Qiuxiang River

2.3 秋香江浮游動物

2.3.1 種類組成 秋香江6 個采樣點共鑒定出原生動物、輪蟲類、枝角類、橈足類4 大類群浮游動物62 種，其中原生動物33 種，占浮游動物總種數(shù)的53%；輪蟲類17 種，占浮游動物總種數(shù)的27%；枝角類8 種，占浮游動物總種數(shù)的13%；橈足類4 種，占浮游動物總種數(shù)的7%。各采樣點的浮游動物種類組成如圖2 所示，原生生物包括變形蟲屬（Amoebasp.）、表殼蟲屬（Arcellasp.）、砂殼蟲屬（Diff lugiasp.）、匣殼蟲屬（Centropyxissp.）等，輪蟲類包括臂尾輪蟲屬（Brachionussp.）、多肢輪蟲屬（Polyarthrasp.）、龜甲輪蟲屬（Keratellasp.）等，枝角類包括秀體溞屬（Diaphanosomasp.）、象鼻溞屬（Bosminasp.）、尖額溞屬（Alonasp.）、裸腹溞屬（Moinasp.）等，橈足類包括英勇劍水蚤（Cyclopsstrenuus）、跨立小劍水蚤（Microcyclops varicans）、廣 布 中 劍 水 蚤（Mesocyclops leuckarti）和無節(jié)幼體等?？傮w上看，秋香江浮游動物種類沿著河流方向逐漸減少。

圖2 秋香江各樣點浮游動物種類Fig.2 Zooplankton species at various sampling sites along the Qiuxiang River

2.3.2 浮游動物豐度 秋香江浮游動物豐度如圖3 所示，變化范圍為3.93～232.87 ind/L。其中角突臂尾輪蟲（Brachionus angularis）、溝鐘蟲（Vorticella convallaria）、滾動焰毛蟲（Askenasia faurei）、針棘刺胞蟲（Acanthocystis aculeata）和針簇多肢輪蟲（Polyarthra trigla）豐度較高，且各樣點間浮游動物豐度波動較大，以深紫水電站上游（S1）浮游動物豐度最大（232.87 ind/L），其次是深紫水電站下游（S2）。亞公角水電站上游（S5）和下游（S6）浮游動物種類單一，主要由原生動物和輪蟲組成，約占采樣點浮游動物的63.2%和96.7%。通常情況下，貧營養(yǎng)水體中個體較大的枝角類和橈足類占優(yōu)勢，而富營養(yǎng)水體則以個體較小的輪蟲和原生動物占優(yōu)勢［15］。本研究中秋香江從上游至下游輪蟲和原生動物數(shù)量優(yōu)勢逐漸減弱，枝角類和橈足類數(shù)量優(yōu)勢逐漸增加，表明水體營養(yǎng)化水平逐漸降低，這與綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評價逐漸減小基本一致。

圖3 秋香江各采樣點浮游動物豐度Fig.3 Zooplankton abundance at various sampling sites along the Qiuxiang River

2.3.3 浮游動物群落多樣性 秋香江浮游動物多樣性指數(shù)如圖4 所示，6 個采樣點Margalef 種類豐富度指數(shù)（D）依次為S1>S2>S3>S4>S6>S5，Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)（H’）依次為S3>S1>S2>S4>S5>S6，Pielou 均勻度指數(shù)（E）依次為S6>S5>S4>S3>S2>S1；Margalef 種類豐富度指數(shù)（D）變化呈升高趨勢，而Pielou 均勻度指數(shù)（E）和Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)（H’）變化呈降低趨勢，與綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)變化趨勢基本一致。

圖4 秋香江各采樣點浮游動物多樣性指數(shù)Fig.4 Diversity index of zooplankton at various sampling sites along the Qiuxiang River

2.4 環(huán)境因子與浮游生物的冗余分析

為了進一步研究環(huán)境因子與浮游生物群落結構的關系，對其進行冗余分析（RDA）。從圖5可以看出，影響秋香江浮游生物群落結構的元素包括溶解氧（DO）、五日生化需氧量（BOD5）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、導電率（Cond）和總氮（TN），其中最主要的因素是DO，其次是TN，而影響最小的是CODMn和BOD5（兩個環(huán)境因子重合），體現(xiàn)不同浮游生物對生存環(huán)境的要求不一樣。相關性分析結果顯示，枝角類的群落結構及其分布主要受CODMn和BOD5影響，DO 對挪氏微囊藻和頂錐十字藻分布的影響最為顯著，橈足類和平裂藻主要與Cond 相關，TN 與輪蟲類相關性最大（重合）。上述所有環(huán)境因子對小球藻、鼓藻和史密斯微囊藻影響均較小。

圖5 秋香江浮游生物與環(huán)境因子的RDA 分析結果Fig.5 RDA result of plankton species and environmental factors in the Qiuxiang River

3 討論

研究表明，較高濃度的氮、磷對浮游植物的生長有促進作用，同時，適宜水溫亦是促進浮游植物生長與繁殖的重要理化因子之一，它通過控制光合作用、酶促反應和呼吸作用強度來影響藻類細胞生長增殖相應的一系列過程［16］。秋香江冬季較高的營養(yǎng)鹽含量及適宜的水溫有利于浮游植物的大量生長，因而浮游植物種類和密度都達到較高水平，如綠藻種類數(shù)在各樣點所占比例最高，其次是硅藻；各樣點浮游植物中藍藻密度最高，且以銅綠微囊藻為主，其原因是秋香江流域在現(xiàn)代工業(yè)環(huán)境下水體富營養(yǎng)化趨勢愈加嚴重，營養(yǎng)鹽對銅綠微囊藻的生長甚至暴發(fā)起著關鍵作用［17］。秋香江中游和上游銅綠微囊藻密度較高，說明該段河流營養(yǎng)化水平較高，與綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計算結果基本一致；浮游植物Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)均值為0.98，Pielou 均勻度指數(shù)均值為0.22，說明浮游植物的多樣性水平偏低，但各門類物種數(shù)差異較大，主要是由于水體污染導致其種類分布不均勻。

在浮游動物豐度組成中，以原生動物豐度最高、占絕對優(yōu)勢，其次是輪蟲類，枝角類和橈足類豐度較低，雖然枝角類種類數(shù)比橈足類多，但豐度卻相對最低，這與大部分江河湖泊水體中浮游動物群落結構特征研究結果相似［18］，主要原因是水體富營養(yǎng)化會導致浮游動物小型化如輪蟲和原生動物占優(yōu)勢地位［19］。秋香江浮游動物豐度和生物量隨水體富營養(yǎng)化程度增加而增加，枝角類豐度和生物量隨水體富營養(yǎng)化增加而減少，橈足類豐度和生物量并不隨水體富營養(yǎng)化程度增加而增加，主要是因為紫金縣綜合工業(yè)發(fā)展程度較低，區(qū)域產(chǎn)業(yè)類型如生活污水和上游生豬養(yǎng)殖場清洗廢水對流域水生生態(tài)環(huán)境造成了一定程度的影響，導致浮游動物種類、數(shù)量和分布發(fā)生了變化，浮游動物Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)均值為3.8，Pielou 均勻度指數(shù)均值為0.87，雖然深紫水電站附近的Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)偏高，但大部分浮游動物屬于中污帶的指示生物，如在數(shù)量上占絕對優(yōu)勢的溝鐘蟲、角突臂尾輪蟲、滾動焰毛蟲，這3 種浮游動物都是中污帶的指示生物，因此不能只根據(jù)該水域浮游動物Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)判定該水域屬于輕污染水平，綜合浮游植物多樣性指數(shù)表明該流域受到了中度污染。

浮游生物群落結構特征受多種環(huán)境因子的共同影響，如溫度、營養(yǎng)鹽、鹽度以及水動力條件等。根據(jù)RDA 分析結果，影響秋香江浮游生物群落結構變化的主要環(huán)境因子為DO、BOD5、CODMn、Cond 和TN。水體中浮游生物與DO 濃度密切相關，是因為浮游動物死亡降解和生命活動需要消耗溶大量解氧；BOD5和CODMn表示水中有機物污染程度，在一定程度上可反映枝角類的食物來源狀況，隨著有機物增加，枝角類多樣性呈現(xiàn)增加趨勢［20］，與RDA 圖中枝角類群落與BOD5和CODMn呈顯著正相關一致；Cond 在分析生物與環(huán)境因子的關系中應用廣泛，主要隨著地表徑流而帶入水體中的離子總量，是影響河流著生藻類群落的重要環(huán)境因子［21］，秋香江平裂藻與Cond 相關性最大支持上述理論。氮是浮游植物生長繁殖的重要營養(yǎng)鹽，也是常見的限制性營養(yǎng)元素，藻類優(yōu)先同化吸收利用總氮和銨態(tài)氮，這與CCA 分析結果一致，說明控制外源氮營養(yǎng)輸入仍然是秋香江富營養(yǎng)化的關鍵。

4 結論

本研究分別從水質狀況、浮游生物結構以及兩者之間關系探究秋香江水生生態(tài)環(huán)境，結果表明，秋香江流域水體氮、磷含量較高，且以上游營養(yǎng)水平最高；秋香江屬于藍藻-綠藻型河流，6個采樣點的Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)都偏低；浮游動物中個體較小的原生動物和輪蟲在種類和密度上均占絕對優(yōu)勢，而相對個體較大的枝角類和橈足類在種類和密度上均較少。綜合浮游生物狀況來看，秋香江流域受到了中度污染，且上游污染程度最高。此外，影響浮游生物分布的5 個環(huán)境因子為DO、BOD5、CODMn、Cond 和TN，其中影響最大的環(huán)境因子是溶解氧（DO）。