蕪湖河道浮游植物功能群分布及其與環(huán)境因子的關(guān)系

于孝坤， 范廷玉,3*， 王興明,3， 王順， 周維民

(1.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)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(hù)工程實(shí)驗(yàn)室， 淮南 232000； 3.安徽理工大學(xué)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(gè)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(yíng)養(yǎng)化引起的浮游植物爆發(fā)已經(jīng)成為嚴(yán)重的環(huán)境、社會(huì)問(wèn)題[1-3]。浮游植物世代周期短，繁殖速度快，對(duì)外界環(huán)境變化敏感[4-6]，其種群結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)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(yíng)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(cè)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(zhǔn)確體現(xiàn)環(huán)境變化對(duì)浮游植物群落結(jié)構(gòu)演替的影響，在生態(tài)學(xué)的研究及應(yīng)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(chǔ)上，鑒定并劃分了39種常見(jiàn)功能群，用字母表示功能群代碼。這極大地簡(jiǎn)化了水體浮游植物的劃分，可以更加準(zhǔn)確地分析環(huán)境變化對(duì)浮游植物群落演替的影響，更加明確浮游植物對(duì)環(huán)境的指示意義[12，15]。目前關(guān)于浮游植物功能群的研究已成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)，張耀文等[15]、張俊芳等[16]分別基于紫坪鋪水庫(kù)、湯浦水庫(kù)研究浮游植物功能群演替及其與環(huán)境因子的關(guān)系；Ma等[17]、胡俊等[18]分別基于達(dá)里諾爾湖、南四湖研究浮游植物群落與環(huán)境因子的關(guān)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(guān)系。關(guān)于浮游植物功能群的應(yīng)用研究多集中在水庫(kù)、湖泊、濕地等水體，而鮮有關(guān)于城市河道浮游植物功能群的相關(guān)研究。

隨著社會(huì)發(fā)展及城市人口增加，城市河道相比湖泊、水庫(kù)等水體更容易聚集大量污染物，造成河道黑臭及富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題，破壞城市河道生態(tài)平衡，嚴(yán)重影響居民生活幸福感[20]。因此，開(kāi)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(zhǎng)江下游，長(zhǎng)三角新興工業(yè)城市。長(zhǎng)江與青弋江在市區(qū)交匯，由此形成水陽(yáng)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(guān)于蕪湖河道水質(zhì)浮游植物的監(jiān)測(cè)極少，僅有王樹(shù)松[21]研究蕪湖市鏡湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)，表明鏡湖水質(zhì)處于富營(yíng)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(yíng)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(jié)果進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)，對(duì)于浮游植物功能群的分布特征及其影響因子尚未見(jiàn)報(bào)道?，F(xiàn)針對(duì)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(jié)構(gòu)及功能提供科學(xué)依據(jù)，為當(dāng)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(diǎn)布設(shè)

研究區(qū)域?yàn)槭徍羞瓍^(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(shè)置一個(gè)采樣點(diǎn)，如圖1所示。中山南路河道采樣點(diǎn)為ZL-1、ZL-2、ZL-3，中央城河道采樣點(diǎn)為ZC-1、ZC-2、ZC-3，匯成河道采樣點(diǎn)為HC-1、HC-2、HC-3。

圖1 蕪湖河道浮游植物采樣點(diǎn)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(shí)間為2021年1月，現(xiàn)場(chǎng)利用塞氏盤(pán)測(cè)量透明度(transparency, SD)，利用PHB-4便攜式pH計(jì)測(cè)量酸堿度，利用YSI光電溶解氧儀測(cè)量水溫(water temperature, WT)、溶解氧(dissolved oxygen, DO)等指標(biāo)。

利用25#浮游生物網(wǎng)在表層至水下0.5 m處往復(fù)交叉回轉(zhuǎn)采集浮游植物50 mL至標(biāo)本瓶中，加入4%甲醛溶液固定，盡快進(jìn)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(xiàn)[14]劃分的39種常見(jiàn)功能群進(jìn)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(yùn)回實(shí)驗(yàn)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(jìn)行浮游植物細(xì)胞計(jì)數(shù)并計(jì)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(biāo)Fig.2 Water quality index in Wuhu river

實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)利用Excel 2016進(jìn)行整理；采樣點(diǎn)分布圖利用ArcGIS 10.2進(jìn)行繪制；圖2～圖5利用Origin 2018進(jìn)行繪制；差異性檢驗(yàn)利用SPSS 21.0進(jìn)行分析；去趨勢(shì)對(duì)應(yīng)分析(detrended correspondence analysis, DCA)及冗余分析(redundancy analysis,RDA)利用Canoco 5.0進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 蕪湖河道水質(zhì)指標(biāo)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(mén)32屬。其中硅藻門(mén)種類最多，共計(jì)9屬18種(38.29%)；綠藻門(mén)共計(jì)9屬11種(23.40%)；金藻門(mén)共計(jì)6屬7種(14.89%)；藍(lán)藻門(mén)共計(jì)4屬5種(10.64%)；裸藻門(mén)共計(jì)3屬4種(8.51%)；隱藻門(mén)共計(jì)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(mén)種類最多，共計(jì)6種(37.50%)；匯成河道共鑒定出浮游植物19種，其中綠藻門(mén)種類最多，共計(jì)6種(31.58%)；中山南路河道共鑒定出植物26種，其中硅藻門(mén)種類最多，共計(jì)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(diǎn)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(diǎn)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(xiàn)[14]劃分的39種常見(jiàn)浮游植物功能群分類標(biāo)準(zhǔn)對(duì)三條河道浮游植物進(jìn)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(jì)算各功能群生物量，在各樣點(diǎn)中選擇相對(duì)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(diǎn)代表性功能群生物量及 相對(duì)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(diǎn)間代表性功能群生物量分布沒(méi)有顯著性差異(P>0.05)，但各樣點(diǎn)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(duì)優(yōu)勢(shì)，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(yīng)富含有機(jī)質(zhì)、淺層水體生境的W1功能群為主，W1功能群相對(duì)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(guān)系

表2 代表性功能群與環(huán)境因子RDA排序結(jié)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(mén)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?yàn)閰R成河道中氮、磷及有機(jī)質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度均高于其他河道(圖2)。本研究取樣時(shí)間為1月，水溫相對(duì)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(xiàn)[12]關(guān)于太湖的研究結(jié)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(yíng)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(shì)；有研究表明，功能群MP適宜頻繁擾動(dòng)的淺水水體，中央城河道較短(圖1)，易受降雨等外源來(lái)水的擾動(dòng)，導(dǎo)致適應(yīng)經(jīng)常擾動(dòng)、渾濁生境的功能群MP可以生長(zhǎng)[14，29]；以分歧錐囊藻為主的功能群E本應(yīng)適應(yīng)在貧營(yíng)養(yǎng)水體中生長(zhǎng)，河道中出現(xiàn)可能是因?yàn)樗w中某種微量元素可以使分歧錐囊藻生長(zhǎng)[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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)充足(圖2)，導(dǎo)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(duì)優(yōu)勢(shì)[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(jī)質(zhì)含量較高(圖2)，導(dǎo)致喜有機(jī)污染環(huán)境的功能群W1快速生長(zhǎng)[14]；河道中氮、磷濃度較高適宜功能群X1、C的生長(zhǎng)；以分歧錐囊藻為主的功能群E的生長(zhǎng)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(yīng)一定富營(yíng)養(yǎng)化、有機(jī)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(yíng)養(yǎng)化。分析蕪湖河道與湖泊、水庫(kù)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(kù)[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(guān)系

4 結(jié)論

(1)蕪湖河道共鑒定出浮游植物6門(mén)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(yīng)一定富營(yíng)養(yǎng)化、有機(jī)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(yíng)養(yǎng)化。

(4)城市河道(本研究區(qū))與水庫(kù)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)均是影響城市河道與其他常見(jiàn)地表水體中浮游植物代表性功能群的重要環(huán)境因子。