蕪湖河道浮游植物功能群分布及其與環(huán)境因子的關系

于孝坤， 范廷玉,3*， 王興明,3， 王順， 周維民

(1.安徽理工大學地球與環(huán)境學院， 淮南 232000； 2.安徽省高潛水位礦區(qū)水土資源綜合利用與生態(tài)保護工程實驗室， 淮南 232000； 3.安徽理工大學環(huán)境友好材料與職業(yè)健康研究院(蕪湖)， 蕪湖 241003； 4.安徽水韻環(huán)保股份有限公司， 蕪湖 241000)

浮游植物個體微小，種類繁多，分布廣泛，是河道水生生物的主要組成部分，因富營養(yǎng)化引起的浮游植物爆發(fā)已經(jīng)成為嚴重的環(huán)境、社會問題[1-3]。浮游植物世代周期短，繁殖速度快，對外界環(huán)境變化敏感[4-6]，其種群結構能夠適應不同的環(huán)境特征而表現(xiàn)出不同的群落特征[7-8]。因此，利用河道浮游植物的種類、數(shù)量及季節(jié)變化等群落特征可以反映河道富營養(yǎng)化水平及水質(zhì)狀況[9-11]。但由于浮游植物種類眾多、測試水平差異等原因，浮游植物鑒定存在一定誤差[12]。傳統(tǒng)浮游植物的種、屬水平分類方法不能充分描述其生境特征，難以準確體現(xiàn)環(huán)境變化對浮游植物群落結構演替的影響，在生態(tài)學的研究及應用上存在一定的局限性[13]。Reynolds等[13]從物種的生境特征出發(fā)，將能在相同生境下共存的浮游植物劃分為一種功能群。Padisák等[14]在前人研究基礎上，鑒定并劃分了39種常見功能群，用字母表示功能群代碼。這極大地簡化了水體浮游植物的劃分，可以更加準確地分析環(huán)境變化對浮游植物群落演替的影響，更加明確浮游植物對環(huán)境的指示意義[12，15]。目前關于浮游植物功能群的研究已成為國內(nèi)外研究熱點，張耀文等[15]、張俊芳等[16]分別基于紫坪鋪水庫、湯浦水庫研究浮游植物功能群演替及其與環(huán)境因子的關系；Ma等[17]、胡俊等[18]分別基于達里諾爾湖、南四湖研究浮游植物群落與環(huán)境因子的關系；賈鵬等[19]基于呼蘭河口濕地研究浮游植物功能群與環(huán)境因子的關系。關于浮游植物功能群的應用研究多集中在水庫、湖泊、濕地等水體，而鮮有關于城市河道浮游植物功能群的相關研究。

隨著社會發(fā)展及城市人口增加，城市河道相比湖泊、水庫等水體更容易聚集大量污染物，造成河道黑臭及富營養(yǎng)化問題，破壞城市河道生態(tài)平衡，嚴重影響居民生活幸福感[20]。因此，開展城市河道水體生態(tài)研究顯得更加必要。蕪湖地處安徽東南部，長江下游，長三角新興工業(yè)城市。長江與青弋江在市區(qū)交匯，由此形成水陽江、黃滸河、漳河等諸多支流，城區(qū)河道眾多，水體直接受到人為因素及環(huán)境因素的影響，是典型的城市河網(wǎng)與高密度人口交匯地區(qū)。目前關于蕪湖河道水質(zhì)浮游植物的監(jiān)測極少，僅有王樹松[21]研究蕪湖市鏡湖浮游植物群落結構，表明鏡湖水質(zhì)處于富營養(yǎng)化初期階段；張麗芳等[22]研究花津河浮游植物多樣性，表明花津河屬富營養(yǎng)化水體。上述研究，僅在單一水體基于浮游植物傳統(tǒng)種、屬分類結果進行水質(zhì)評價，對于浮游植物功能群的分布特征及其影響因子尚未見報道。現(xiàn)針對蕪湖城市河道劃分浮游植物功能群，研究城市河道功能群分布特征，基于冗余分析(redundancy analysis, RDA)研究影響浮游植物功能群變化的主要環(huán)境因子，以期為深入了解高度人為干擾的城市河道水體生態(tài)結構及功能提供科學依據(jù)，為當前蕪湖城市河道綜合治理提供決策參考。

1 材料與方法

1.1 采樣點布設

研究區(qū)域為蕪湖市弋江區(qū)中山南路河道(Zhongshannanlu river, ZL)、中央城河道(Zhongyangcheng river, ZC)及匯成河道(Huicheng river, HC)三條城市河道，根據(jù)污染情況，在每條河道上、中、下游各設置一個采樣點，如圖1所示。中山南路河道采樣點為ZL-1、ZL-2、ZL-3，中央城河道采樣點為ZC-1、ZC-2、ZC-3，匯成河道采樣點為HC-1、HC-2、HC-3。

圖1 蕪湖河道浮游植物采樣點分布圖Fig.1 Distribution diagram of phytoplankton sampling points in Wuhu river

1.2 樣品采集與分析

采樣時間為2021年1月，現(xiàn)場利用塞氏盤測量透明度(transparency, SD)，利用PHB-4便攜式pH計測量酸堿度，利用YSI光電溶解氧儀測量水溫(water temperature, WT)、溶解氧(dissolved oxygen, DO)等指標。

利用25#浮游生物網(wǎng)在表層至水下0.5 m處往復交叉回轉(zhuǎn)采集浮游植物50 mL至標本瓶中，加入4%甲醛溶液固定，盡快進行浮游植物形態(tài)、種類鑒定[24]。鑒定出的浮游植物參看文獻[14]劃分的39種常見功能群進行研究區(qū)浮游植物功能群劃分。

采集表層(水面下0.5 m)水樣1 000 mL于采樣瓶中，加入約15 mL魯哥試劑固定水樣。運回實驗室靜置24 h后，利用虹吸法棄去上清液，經(jīng)多次濃縮定容至50 mL，盡快進行浮游植物細胞計數(shù)并計算生物量[24-25]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

圖2 蕪湖河道水質(zhì)指標Fig.2 Water quality index in Wuhu river

實驗所得數(shù)據(jù)利用Excel 2016進行整理；采樣點分布圖利用ArcGIS 10.2進行繪制；圖2～圖5利用Origin 2018進行繪制；差異性檢驗利用SPSS 21.0進行分析；去趨勢對應分析(detrended correspondence analysis, DCA)及冗余分析(redundancy analysis,RDA)利用Canoco 5.0進行分析。

2 結果與分析

2.1 蕪湖河道水質(zhì)指標分析

2.2 蕪湖河道浮游植物群落特征分析

2.2.1 浮游植物組成

研究區(qū)域共鑒定出浮游植物47種，分屬于6門32屬。其中硅藻門種類最多，共計9屬18種(38.29%)；綠藻門共計9屬11種(23.40%)；金藻門共計6屬7種(14.89%)；藍藻門共計4屬5種(10.64%)；裸藻門共計3屬4種(8.51%)；隱藻門共計1屬2種(4.27%)。如圖3所示，中央城河道共鑒定出浮游植物16種，其中硅藻門種類最多，共計6種(37.50%)；匯成河道共鑒定出浮游植物19種，其中綠藻門種類最多，共計6種(31.58%)；中山南路河道共鑒定出植物26種，其中硅藻門種類最多，共計9種(34.61%)。

圖3 蕪湖河道浮游植物種數(shù)Fig.3 Species of phytoplankton in Wuhu river

圖4 蕪湖河道各采樣點浮游植物生物量Fig.4 Phytoplankton biomass in each sampling points in Wuhu river

2.2.2 浮游植物生物量變化及功能群劃分

研究區(qū)三條河道浮游植物生物量分布呈現(xiàn)顯著性差異(P<0.05)，如圖4所示，各采樣點中生物量最大值出現(xiàn)在匯成河道中游(5.93 mg/L)，最小值出現(xiàn)在中央城河道上游(0.18 mg/L)，各河道生物量最大值均出現(xiàn)在河道中游，河道生物量平均值由大到小依次是匯成河道(4.30 mg/L)>中山南路河道(3.15 mg/L)>中央城河道(0.33 mg/L)。根據(jù)文獻[14]劃分的39種常見浮游植物功能群分類標準對三條河道浮游植物進行功能群劃分，共劃分為C、P、X3、MP、W2、E、X1、W1、TB、D、M、A、X2等13種功能群。

計算各功能群生物量，在各樣點中選擇相對生物量大于5%的功能群為代表性功能群[12-13，26]，得到蕪湖河道代表性功能群共8種，分別是C、P、MP、W2、E、X1、W1、X2，如表1所示。

表1 蕪湖河道代表性功能群

2.2.3 代表性功能群分布特征

圖5 蕪湖河道各采樣點代表性功能群生物量及 相對生物量分布Fig.5 Biomass and relative biomass distribution of representative functional groups in each sampling point in Wuhu river

如圖5所示，研究區(qū)三條河道中代表性功能群生物量分布呈現(xiàn)顯著性差異(P<0.05)，每條河道各樣點間代表性功能群生物量分布沒有顯著性差異(P>0.05)，但各樣點代表性功能群組成不同。中央城河道上游代表性功能群主要是C、P，占比分別是43.43%、56.56%；河道中游代表性功能群主要是C、MP，占比分別是57.12%、22.02%；河道下游代表性功能群主要是E、C，占比分別是86.37%、9.04%。匯成河道上游以功能群C占據(jù)絕對優(yōu)勢，占比為98.03%；河道中游功能群C、X1占比分別為78.25%、12.83%；河道下游代表性功能群主要是C、X1，占比分別是68.56%、31.44%。中山南路河道上游以適應富含有機質(zhì)、淺層水體生境的W1功能群為主，W1功能群相對生物量占比為79.34%；河道中游代表性功能群主要是E、X1，占比分別是58.19%、40.00%；河道下游代表性功能群主要是C、E，占比分別是38.34%、31.78%。

2.3 蕪湖河道代表性功能群與環(huán)境因子的關系

表2 代表性功能群與環(huán)境因子RDA排序結果

圖6 代表性功能群與環(huán)境因子RDA分析Fig.6 Redundancy analysis between representative functional groups and environmental factors

3 討論

3.1 蕪湖河道浮游植物分布特征

三條河道共鑒定出浮游植物47種，分屬6門32屬，主要以硅藻、綠藻為主。匯成河道浮游植物生物量最高(圖4)，可能是因為匯成河道中氮、磷及有機質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)濃度均高于其他河道(圖2)。本研究取樣時間為1月，水溫相對較低(≤6.5 ℃)，因此耐受低溫、弱光照條件的功能群C在各河道中均出現(xiàn)，這與文獻[12]關于太湖的研究結果相似。中央城河道中出現(xiàn)的主要代表性功能群為C、P、MP、E，充足的營養(yǎng)物質(zhì)使得以梅尼小環(huán)藻為主的功能群C、以顆粒直鏈藻極狹變種為主的功能群P占據(jù)優(yōu)勢；有研究表明，功能群MP適宜頻繁擾動的淺水水體，中央城河道較短(圖1)，易受降雨等外源來水的擾動，導致適應經(jīng)常擾動、渾濁生境的功能群MP可以生長[14，29]；以分歧錐囊藻為主的功能群E本應適應在貧營養(yǎng)水體中生長，河道中出現(xiàn)可能是因為水體中某種微量元素可以使分歧錐囊藻生長[30]。匯成河道中出現(xiàn)的主要代表性功能群為C、X1，河道中氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)充足(圖2)，導致以梅尼小環(huán)藻為主的功能群C、以卷曲纖維藻為主的功能群X1能夠占據(jù)絕對優(yōu)勢[29]。中山南路河道中出現(xiàn)的主要代表性功能群為W1、E、X1、C，河道上游有機質(zhì)含量較高(圖2)，導致喜有機污染環(huán)境的功能群W1快速生長[14]；河道中氮、磷濃度較高適宜功能群X1、C的生長；以分歧錐囊藻為主的功能群E的生長原因可能和中央城河道一致。綜上可知，三條河道代表性功能群分布呈現(xiàn)明顯差異，中央城河道、匯成河道、中山南路河道代表性功能群分別是C+P+MP+E、C+X1、W1+E+X1+C，其中多數(shù)功能群均適應一定富營養(yǎng)化、有機質(zhì)充足的水體環(huán)境[14]，它們的存在表征了蕪湖三條河道均出現(xiàn)不同程度的富營養(yǎng)化。分析蕪湖河道與湖泊、水庫及濕地等水體的主要代表性功能群可以發(fā)現(xiàn)，城市河道與水庫[9，16]在代表性功能群組成上相似性較高，而與湖泊[31-32]、濕地[19]等水體中代表性功能群的組成差別較大。

3.2 浮游植物功能群與環(huán)境因子的關系

4 結論

(1)蕪湖河道共鑒定出浮游植物6門32屬47種，主要以硅藻、綠藻為主，各河道浮游植物生物量平均值由大到小依次是匯成河道(4.30 mg/L)>中山南路河道(3.15 mg/L)>中央城河道(0.33 mg/L)。

(2)河道出現(xiàn)的浮游植物共劃分13種功能群，其中代表性功能群共8種，分別是C、P、MP、W2、E、X1、W1、X2。三條河道代表性功能群分布呈現(xiàn)明顯差異，中央城河道、匯成河道、中山南路河道主要代表性功能群分別是C+P+MP+E、C+X1、W1+E+X1+C，適應一定富營養(yǎng)化、有機質(zhì)充足水體環(huán)境的功能群出現(xiàn)在各河道，表征了蕪湖三條河道均出現(xiàn)不同程度的富營養(yǎng)化。

(4)城市河道(本研究區(qū))與水庫在浮游植物代表性功能群組成上相似性較高，而與湖泊、濕地等水體中代表性功能群的組成差別較大；DO及氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)均是影響城市河道與其他常見地表水體中浮游植物代表性功能群的重要環(huán)境因子。