再生水補水景觀水體浮游植物群落結構及其與水質參數的關系

張淑珍，王培京

(1.北京市水科學技術研究院，北京 100048；2.北京市南水北調水質監(jiān)測中心，北京 100084)

0 引言

隨著淡水資源的緊缺加劇，再生水作為一種非常規(guī)水資源，由于其供給可靠而被缺水地區(qū)重視，大規(guī)模應用于工業(yè)、農業(yè)、河湖景觀補水及市政雜用[1]。國內城市景觀水體普遍面臨補水水源匱乏、水質惡化問題，采用再生水補水已成為此類景觀建設必不可少的選擇[2]。與清潔水源相比，再生水中的污染物本底值偏高，加之城市景觀水體流動性差，基本喪失水體自凈能力。因此，再生水補水的景觀水體比天然河流、湖泊更易發(fā)生富營養(yǎng)化，引起藻類過度生長，甚至水華[3]。辨識再生水補水景觀水體浮游植物群落及其與水質參數的關系，有利于對藻類生長控制和水質維護采取有針對性的防治措施。本文通過對北京市蓮石湖的水質和浮游植物采樣調查，初步探討再生水補水景觀水體的水質、浮游植物群落變化規(guī)律及浮游植物群落結構與水質參數的關系。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

蓮石湖位于北京市石景山、門頭溝和豐臺河西交界之地，是在永定河干涸的河道內修建的人工湖泊，屬于永定河“五湖一線”工程，在水資源調蓄、水質凈化、氣候調節(jié)、洪水調蓄以及旅游娛樂、休閑等方面具有重要功能。除了少量地表水和雨洪水外，城市污水處理廠產生的再生水是蓮石湖的穩(wěn)定補給水源[4]。八號湖在蓮石湖的上游段，流速低于主湖區(qū)，夏季浮游植物易大量生長，在水面漂浮、聚集，破壞了景觀水體的感官效果和水質。根據蓮石湖特征，2019年5—9月在蓮石湖八號湖進行采樣調查。

1.2 樣品采集與處理

參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》采集水樣[5]。在距水面0.5m深處采集2L水樣用作理化指標測定。在表層至0.5m深處以20～30 cm/s的速度作“∞”形循回緩慢拖動25號浮游生物網約1～3min，采集浮游植物定性樣品。在距水面0.5m深處取水樣1000mL，加入10mL魯哥試劑固定，靜置24h后虹吸出上清液濃縮至50mL，作為浮游植物定量樣品。

1.3 分析方法

水質指標采用現場測定和實驗室測定相結合的方式進行?，F場測定水溫(WT)、pH、溶解氧(DO)、濁度(Turb)和電導率(Cond)。依據《GB 3838-2002地表水環(huán)境質量標準》中所列分析方法測定總磷(TP)、磷酸鹽(PO4-P)、總氮(TN)、氨氮(NH4-N)、硝酸鹽(NO3-N)、亞硝酸鹽(NO2-N)、高錳酸鹽指數(CODMn)、5日生化需氧量(BOD5)和總懸浮物(SS)；依據《HJ 897-2017水質葉綠素a的測定分光光度法》測定葉綠素a(Chla)；浮游植物物種鑒定和計數參照《淡水微型生物圖譜》和《水和廢水監(jiān)測分析方法》中的相關方法進行[6]。

1.4 數據分析和處理

1.4.1 水體營養(yǎng)狀態(tài)評價

根據《湖泊(水庫)富營養(yǎng)化評價方法及分級技術規(guī)定》評價湖水富營養(yǎng)狀態(tài)[7]，綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數計算公式如下：

(1)

式中：TLI表示綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數；m表示評價參數的個數，選取Chla、TP、TN、CODMn這4個參數；Wj表示第j種參數的營養(yǎng)狀態(tài)指數的相關權重，依次為0.326、0.230、0.219、0.225；TLIj代表第j種參數的營養(yǎng)狀態(tài)指數，計算公式分別為：

TLIChla=10·(2.500+1.086·lnchla)

TLITP=10·(9.436+1.624·lnTP)

TLITN=10·(5.453+1.694·lnTN)

TLICODMn=10·(0.109+2.661·lnCODMn)

1.4.2 浮游植物群落結構特征分析

識別蓮石湖浮游植物優(yōu)勢種，通過計算優(yōu)勢度Y，找出Y>0.02的種類即為優(yōu)勢種；計算Shannon-Wiener多樣性指數(H′)、Margalef豐富度指數(D)和Pielou均勻度指數(J)對蓮石湖浮游植物生態(tài)學特征進行分析評價[8]。上述各指數的計算公式如下：

Y=Pi·fi

(2)

H′=-∑Pi·lnPi

(3)

D=(S-1)/lnN

(4)

J=H′/lnS

(5)

式中：Pi=Ni/N，表示樣品中第i種物種個體數Ni占樣品中所有種類總個體數N的比例；fi為第i種物種在監(jiān)測期間出現的頻率；S為樣品中所有物種的種類數?；谒w營養(yǎng)狀態(tài)評價研究，采用表1所列的營養(yǎng)狀態(tài)分級標準評價水質狀況[9]。

1.4.3 浮游植物群落結構特征與水質參數關系分析

采用SPSS軟件對浮游植物群落(門類)與水質參數進行相關性分析；采用Canoco 5軟件對蓮石湖浮游植物常見優(yōu)勢種與水質參數進行生態(tài)學多元數據排序分析，若軟件計算的響應值梯度<3，則選擇冗余分析(RDA)，否則采用典范對應分析(CCA)。

表1 營養(yǎng)狀態(tài)分級標準

2 結果與討論

2.1 水質參數變化分析

2019年5—9月蓮石湖的基本水質情況見表2。TN濃度平均值>2.0mg/L(地表水環(huán)境質量標準Ⅴ類限值)，其營養(yǎng)狀態(tài)指數TLITN在55.19～83.96，平均值為64.40，為中度富營養(yǎng)。由圖 1可以看出，水體中的氮除了NH4-N、NO3-N和NO2-N外，還有相當一部分為其它形態(tài)的氮。7月份NH4-N對TN的貢獻率增大，可能與湖中浮游植物生命活動加劇有關。6月中旬以來TP濃度超過地表水環(huán)境質量Ⅳ類標準(湖、庫)(0.1mg/L)，尤其在7月5日和8月19日TP濃度為劣Ⅴ類(>0.2mg/L)，TLITP在47.79～71.35，平均值為61.67，為中度富營養(yǎng)。從圖 2可以發(fā)現，PO4-P質量占TP的50%以上且變化趨勢與TP一致，說明該水體中磷主要以磷酸鹽的形態(tài)存在。Chla濃度在3.14～17.00μg/L，平均值為8.45μg/L，其TLI在37.43～55.77，平均值為46.73，屬于中營養(yǎng)。Chla濃度變化滯后于TP若干天，曲線形狀相近。上述分析發(fā)現再生水補水景觀水體TN、TP濃度偏高，營養(yǎng)狀態(tài)指數均在60以上，具備富營養(yǎng)化的條件。根據公式(1)計算蓮石湖八號湖的TLI，其變化曲線如圖 3所示。湖水總體處于富營養(yǎng)狀態(tài)，其中除9月11日TLI<50為中營養(yǎng)狀態(tài)，以及8月1日TLI>60為中度富營養(yǎng)狀態(tài)外，其他時間TLI均在50～60，屬于輕度富營養(yǎng)狀態(tài)。

表2 蓮石湖的基本水質情況

2.2 浮游植物群落結構特征

2.2.1 種類組成

根據2019年5—9月13次采樣分析結果，蓮石湖八號湖共觀測到浮游植物7門65(屬)種，具體種類見表 3。其中綠藻門種類數最多，有28(屬)種，占浮游植物種類數的43.1%；其次為硅藻門有17(屬)種，占26.2%；藍藻門有12(屬)種，占18.5%。浮游植物種類組成如圖4所示。從各次浮游植物種類組成變化來看(圖 5)，8月19日種類數最多，達33種；其次為7月16日28(屬)種，7月5日24(屬)種；8月1日最低，只有11(屬)種；調查期間平均種類數約19(屬)種。綠藻門種類數最多為17(屬)種(8月19日)，最低為4(屬)種(9月6日、27日)；硅藻門種類數最多為8(屬)種(5月31日)，最低為1(屬)種(8月30日)；藍藻門種類數最多為7(屬)種(7月16日)，最低為1(屬)種(7月25日)。

表3 蓮石湖浮游植物名錄

2.2.2 細胞密度變化

蓮石湖浮游植物細胞密度變化范圍為40.20～554.47萬個/L，平均細胞密度為181.40萬個/L。其中綠藻門密度最高，平均密度為78.32萬個/L，占總密度的43.2%；其次為硅藻門，平均密度為56.47萬個/L，占31.1%。其他門類依次為：藍藻門平均密度為32.24萬個/L，占17.8%；隱藻門平均密度為7.50萬個/L，占4.1%；裸藻門平均密度為3.81萬個/L，占2.1%；甲藻門平均密度為1.59萬個/L，占0.9%；黃藻門平均密度為1.47萬個/L，占0.8%。

浮游植物細胞密度是評價水體營養(yǎng)狀況的重要參數，5—6月及9月27日蓮石湖浮游植物細胞密度均處于40～70萬個/L，屬于中營養(yǎng)范疇；7—9月細胞密度整體較高，均超過了100萬個/L，最高值出現在7月5日，達554.47萬個/L，主要為綠藻門和硅藻門，其次為7月16日和8月19日，均超過了350萬個/L，主要為綠藻門和硅藻門或綠藻門和藍藻門，水體屬于富營養(yǎng)范疇。結合蓮石湖浮游植物種類組成和細胞密度，其種群結構表現為綠藻+硅藻+藍藻型，與已有的研究結果基本一致，該類型是中富營養(yǎng)化的重要特征[10]。

表4 浮游植物參數與營養(yǎng)狀態(tài)評價參考標準

2.2.3 優(yōu)勢種

優(yōu)勢種種數及其數量對群落結構的穩(wěn)定性有重要影響，優(yōu)勢種種數越多且優(yōu)勢度越小，則群落結構越復雜、穩(wěn)定[11]。由表5可見，2019年5—9月蓮石湖的浮游植物優(yōu)勢種(Y>0.02)有5～9種，主要有小球藻sp.、柵藻sp.、斜生柵藻、衣藻sp.、空球藻sp.、實球藻sp.、纖維藻sp、膠囊藻sp.、小環(huán)藻sp.、脆桿藻sp.、針桿藻sp.、等片藻sp.、菱形藻sp.、圓篩藻sp.、色球藻sp.、偽魚腥藻sp.、席藻sp.、顫藻sp.、平裂藻sp.、隱藻sp.、裸藻sp.等，各次檢測到的數目基本穩(wěn)定，8月1日優(yōu)勢種最多為9種，6月21日、7月25日、8月30日和9月27日僅出現5種優(yōu)勢種。調查結果顯示，蓮石湖浮游植物優(yōu)勢種種數較多且優(yōu)勢度較低，其群落結構復雜、穩(wěn)定。此外，浮游植物的優(yōu)勢種類最能體現水體的營養(yǎng)狀態(tài)，從所檢測的優(yōu)勢種類來看，優(yōu)勢種所屬門類大多為綠藻門或硅藻門，表明蓮石湖水體為中營養(yǎng)化水體。

表5 蓮石湖浮游植物優(yōu)勢種及優(yōu)勢度指數變化

2.2.4 多樣性分析

群落多樣性通常與物種的豐富度和均勻度密切相關，依據公式(3)～(5)分別計算蓮石湖的Shannon-Wiener多樣性指數(H′)、Margalef豐富度指數(D)和Pielou均勻度指數(J)。H′可反映群落結構的復雜程度，D可反映物種的多寡，J用于反映群落的均勻度。蓮石湖H′值的波動范圍為1.35～2.77，均值為2.24，除8月1日和9月27日外，其他各次H′值均>2，多樣性水平相對較高。浮游植物多樣性指數可以在一定程度上反映水質狀況，浮游植物種類越多，種類分布越均勻，則其多樣性指數越高，水質狀況越良好，一般認為H′值在0～1為重污染、1～3為中度污染、>3為輕度污染或無污染[12]。因此，蓮石湖水體屬于中度污染。蓮石湖豐富度指數D在0.69～2.11，均值為1.21；均勻度指數J的變化范圍為0.53～0.89，均值為0.79，均勻度較高，據此評價蓮石湖屬于貧營養(yǎng)水體。Shannon-Wiener多樣性指數與Margalef豐富度指數、Pielou均勻度指數的相關性分析表明，H′與D、J均呈現極顯著正相關(P<0.01)，相關系數分別為0.768、0.708。對Shannon-Wiener多樣性指數與監(jiān)測的水質參數進行相關性分析發(fā)現，H′與SS呈顯著負相關(P<0.05)，與Cond呈現顯著正相關(P<0.05)，而與其它水質參數的相關性不明顯(P>0.05)。

2.3 浮游植物群落與水質參數的關系

在水生態(tài)系統(tǒng)中，水質參數對浮游植物群落結構變化有主導作用，而浮游植物群落也在一定程度上影響水質參數變化，浮游植物分布及種類對水質變化有指示作用[13]。

2.3.1 相關性分析

浮游植物群落與水質參數進行相關性分析，結果顯示：綠藻門細胞密度與PO4-P、CODMn、NO2-N、TP呈顯著正相關，相關性系數分別為0.924、0.625、0.635、0.581；硅藻門細胞密度與PO4-P(r=0.847)、CODMn(r=0.673)呈顯著正相關；藍藻門細胞密度與PO4-P、TP、NO2-N呈顯著正相關，相關性系數分別為0.852、0.768、0.612；甲藻門細胞密度僅與CODMn呈極顯著正相關(r=0.768)；隱藻門細胞密度則只與PO4-P呈顯著正相關(r=0.803)；裸藻門細胞密度、黃藻門細胞密度均與TN、NH4-N 、NO3-N、NO2-N呈顯著正相關。各門類浮游植物密度均與Chla無明顯相關性，結合實地觀測情況及監(jiān)測數據，2019年5—9月蓮石湖未暴發(fā)水華，Chla與細胞密度整體處于較低水平，而相關研究表明Chla < 40 μg /L時，Chla與細胞密度之間的相關性不明顯[14]，與蓮石湖相關性分析結果一致。根據上述分析，氮、磷營養(yǎng)鹽及高錳酸鹽指數是影響蓮石湖浮游植物群落結構變化的主要參數，氮、磷營養(yǎng)鹽是浮游植物生長的重要物質基礎，高錳酸鹽指數反映水體中有機和無機可氧化物質污染情況。

表6 浮游植物群落與水質參數相關性分析結果

2.3.2 生態(tài)學多元數據排序分析

根據優(yōu)勢度以及常見水華風險物種，篩選出用于排序的浮游植物種類有綠藻門小球藻sp.、柵藻sp.、實球藻sp.、衣藻sp.；硅藻門小環(huán)藻sp.、針桿藻sp.、等片藻sp.；藍藻門魚腥藻sp.、顫藻sp.、席藻sp.、色球藻sp.；隱藻門隱藻sp.及裸藻門裸藻sp.。Canoco自動計算的響應值梯度為2.4，故對浮游植物群落與水質參數進行RDA。首先通過交互正向選擇從監(jiān)測的水質參數中提取出解釋群落結構變化的最佳環(huán)境變量，包括NO2-N、TN、NO3-N、Turb、TP、BOD5、SS和WT等8個水質參數。圖 7展示了水質參數對浮游植物群落的RDA分析結果，可以看出篩選出來的水質參數對浮游植物群落結構變化的總解釋率為82.2%。經RDA提取顯著性解釋浮游植物群落的水質參數，其中解釋率較高的有NO2-N、TP和WT，分別為22.4%、20.1%和11.7%。

圖7中各箭頭連線夾角大小以及一個變量箭頭在另一變量上的投影長度表示兩者的相關關系，可用于分析水質參數與物種間、水質參數間以及物種間的相關關系。小球藻sp.、柵藻sp.、隱藻sp.、色球藻sp.和顫藻sp.與TP、NO2-N正相關，與WT、SS和Turb呈現負相關，與TN、NO3-N和BOD5不相關；魚腥藻sp.、席藻sp.和裸藻sp.與TN、NO3-N、BOD5、TP、NO2-N呈正相關，其中與TN和NO3-N的相關性較高；等片藻sp.、衣藻sp.、小環(huán)藻sp.和針桿藻sp.與TN、NO3-N和BOD5呈負相關；實球藻sp.則與TN、NO3-N和BOD5呈正相關。可以看出，綠藻門浮游植物與磷營養(yǎng)鹽相關性較好，TP濃度升高會導致綠藻門密度增大；藍藻門及硅藻門浮游植物與氮營養(yǎng)鹽相關性好，水體中氮營養(yǎng)鹽濃度增加會導致藍藻門密度增大，硅藻門密度減小?？傮w來看，浮游植物群落變化與水體中氮、磷營養(yǎng)鹽濃度相關，與2.3.1相關性分析結果一致。

3 結論

(1)再生水補水景觀水體的氮、磷營養(yǎng)鹽濃度較高，基于綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數判斷蓮石湖處于輕度富營養(yǎng)化狀態(tài)，存在發(fā)生水華的風險。為預防大面積水華暴發(fā)，應減少污染物的輸入，控制補水水源的營養(yǎng)鹽濃度。

(2)與自然河湖多以藍綠藻為主不同，再生水補水景觀水體的浮游植物群落結構為綠藻門+硅藻門型，優(yōu)勢藻種主要為綠藻門小球藻、硅藻門小環(huán)藻等。同時，蓮石湖的優(yōu)勢藻種種類數多、浮游植物多樣性高，浮游植物群落結構復雜、穩(wěn)定。

(3)水質參數對不同門(種)類的浮游植物作用不同，通過相關性分析和冗余分析，發(fā)現再生水補水景觀水體中氮、磷營養(yǎng)鹽是影響浮游植物群落結構變化的最主要因子。此外，水溫、高錳酸鹽指數也與浮游植物密度變化存在相關性，可作為再生水補水景觀水體水華預警指標。