渭河關中段景觀河道浮游植物群落結構及其水質評價

胡恩, 胡龍剛, 王西鋒, 石小鋒, 周亮, 李昕航, 蘇雅玲

渭河關中段景觀河道浮游植物群落結構及其水質評價

胡恩1,*, 胡龍剛1, 王西鋒1, 石小鋒2, 周亮2, 李昕航3, 蘇雅玲4

1. 陜西省環境科學研究院, 西安 710069 2. 西安市環境保護科學研究院, 西安 710061 3. 天津大學環境科學與工程學院, 天津 300072 4. 中國科學院南京地理與湖泊研究所, 南京 210008

為了解城市景觀河道水質與水生態環境狀況, 于2018年按季度對渭河關中段四處景觀河道開展水環境因子與浮游植物采樣調查。共計鑒定出浮游植物7門63屬(種), 以綠藻門、硅藻門、藍藻門為主。浮游植物細胞密度全年介于(1.02—3.31)×107ind·L-1, 春、夏季以藍藻門為主, 分別占總浮游植物豐度的70.15%和88.35%；秋、冬季則以硅藻門為主, 分別貢獻浮游植物豐度的54.01%和70.81%。浮游植物全年優勢屬(種)共14個, 春夏季以偽魚腥藻(sp.)、顫藻(spp.)、魚腥藻占優(sp.), 秋冬季以小環藻(sp.)和顆粒直鏈藻()占優, 均為代表中-富營養型或富營養型水體的指示屬(種)。Shannon-Wiener多樣性指數(')、Margalef豐富度指數()、Pielou均勻度指數()呈現相似的季節變化, 春、秋季污染較輕, 夏、冬季污染較為嚴重。綜合水體營養鹽水平、浮游植物群落組成及生物多樣性等指標, 渭河關中段景觀河道水生態環境狀況總體較差。

浮游植物; 群落結構; 水質評價; 城市景觀河道; 渭河流域

0 前言

攔河筑壩從多方面影響河流原有生態系統[1–3]。如改變河流水文條件[4]、促進生源要素的滯留與沉積物的積累, 影響下游水生態環境演變過程[5–8], 導致生物群落結構發生更替和重組等[9-10]。為滿足日益增長的大水面景觀需求以及刺激經濟發展, 國內諸多城市在天然河道修筑攔河壩, 營造人景觀水體。據不完全統計, 上世紀六十年代至今, 我國已修建超過上千座橡膠壩蓄水工程[11]。由于大量城市生活污水不斷向景觀河道輸送氮、磷等營養物質, 該類水體存在富營養化和發生藻類水華的風險[12–14]。

浮游植物作為水生態系統主要的初級生產者, 是物質循環和能量流動的重要紐帶, 對于維持水生態系統平衡有顯著作用, 同時是水生態健康的重要生物指示指標之一[15–16]。鑒于其重要的生態功能, 浮游植物群落結構組成及其多樣性被廣泛用于水質生物學評價[17]。近年來, 我國在一些重點流域的江[18–19]、河[20–21]、湖泊[22–23]、水庫[24–25]以及濕地[26]開展了大量的浮游植物調查與評價工作, 這對于認識全國地表水生態健康狀況有重要意義。

目前城市景觀河道水生態學研究關注不多[27–28], 開展此類工作對于城市河道管理和恢復城市河流景觀具有現實指導作用。本研究于2018年于渭河關中段選擇四處河道景觀水體, 調查浮游植物群落組成季節變化, 從生物學角度評估水質狀況, 以期增添渭河景觀河道水生態學基礎數據, 為此類水體管理和生態保護提供參考。

1 材料與方法

1.1 區域概況與采樣點設置

渭河, 黃河第一大支流, 陜西省關中地區的母親河。長期接納沿岸大量的工業、農業以及城市生活污水, 水質較差。從陜西省環境質量公報來看, 近十年來, 隨著河道綜合治理工程的實施, COD和氨氮等污染因子進入明顯的下降通道, 但總氮(TN)、總磷(TP)等營養元素卻仍依然保持高水平。據不完全統計, 渭河關中段干支流河道修建了上百座攔水壩, 本研究在渭河干流以及灃河、浐河、灞河三條支流設置4個采樣點開展景觀河道水質與浮游植物調查研究(圖1)。

圖1 采樣點位分布圖

Figure 1 The location of sampling sites

1.2 樣品采集與分析

現場用便攜式水質參數分析儀YSI測定pH、水溫(WT)、溶解氧(DO)、電導率(Cond)、透明度(SD)。水質與浮游植物樣品采集時均取表層0.5 m水樣。取2 L水樣帶回實驗室測定總氮(TN)、總磷(TP)、葉綠素(Chl-a)、高錳酸鹽指數(CODMn)等水質指標。TN的測定為堿性過硫酸鉀消解、紫外(波長600 nm)分光光度法；TP的測定為堿性過硫酸鉀消解、鉬銻抗顯色分光光度法(波長700 nm)；Chl-a采用熱乙醇提取、分光光度法(波長665 nm、770 nm)測定；CODMn采用高錳酸鉀水浴氧化后草酸鈉、高錳酸鉀氧化滴定法[29]。采集1 L水樣用1%魯哥試劑固定, 靜置48小時, 利用虹吸法吸除上清液, 定容至30 mL, 用于浮游植物種類鑒定和計數。浮游植物鑒定采用Olympus CH生物光學顯微鏡鏡檢, 鑒定到屬[30, 31]。

1.3 評價方法

采用Shannon-Wiener多樣性指數()、Margalef豐富度指數()以及Pielou均勻度指數()等生物多樣性指標評價水質狀況[32–34]；浮游植物優勢度應用優勢度指數()來反映[35]；水體營養狀態用綜合營養指數法[35]。計算公式如下:

=(1)/ln() (2)

=/ln() (3)

=f(n/N) (4)

()=WTLI()(5)

其中:P為第種物種的個體數在樣點所有個體總數的占比,P=n/N,n為第種個體數,為所有個體數量,為樣品中的總種數類,f是第種浮游植物的出現頻率,()代表第種參數的營養狀態指數,W為第種營養狀態數的相關權重。

評價標準為: 0—1重污染、1—3為中污染、大于3—4為輕度污染, 大于4表示清潔水體;評價標準為: 0—1重污染, 1—3為中污染, 3—4表示輕度污染、大于4表示清潔水體；評價標準為: 0—0.3重污染, 0.3—0.5中污染、0.5—0.8輕污染、大于0.8表示無污染。優勢度指數≥0.02的浮游植物種類確定為優勢種。營養狀態指數評價標準為: 小于30為貧營養, 30—50為中營養, 大于50為富營養。

1.4 數據分析

營養狀態指數以及生物多樣性指數季節性差異采用單因素方差分析方法(One-way ANOVA), 顯著水平設定為=0.05。

2 結果與分析

2.1 理化參數與營養水平

各采樣季主要理化參數如表1所示。水體pH全年變化不大；TN、TP濃度分別超過《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)湖(庫)Ⅴ類標準和的Ⅳ類標準, CODMn在Ⅲ類和Ⅳ類之間波動。冬春兩季水體SD稍好于夏秋；Chl-a夏秋兩季明顯高于冬春。

景觀河道全年均超過60, 其中夏季(65.34)＞秋季(65.22)＞冬季(64.74)＞春季(62.18), 無顯著差異(ANOVA,＞0.05), 景觀河道四季均為中度富營養(圖2)。

表1 景觀河道水體理化參數數據

圖2 綜合營養狀態指數TLI(∑)季節變化

Figure 2 Seasonal variation ofin scenic rivers

2.2 浮游植物群落特征

2.2.1 浮游植物群落組成

2018年景觀水體全年共檢出浮游植物7門63屬種, 隸屬藍藻門、綠藻門、硅藻門、甲藻門、隱藻門和裸藻門。其中綠藻門24屬種, 占比38.10%；硅藻門21屬種, 占比33.33%；藍藻門13屬種, 占比20.63%；甲藻門2屬種, 隱藻門2屬種, 裸藻門1屬種。春季共鑒定出浮游植物37屬種, 夏季32屬種, 秋季17屬種, 冬季27屬種, 研究區浮游植物種類數量組成見圖3。

2.2.2 浮游植物優勢種及其優勢度

研究區域全年浮游植物優勢種群共有14個, 包括藍藻門的顫藻(spp.)、魚腥藻(sp.)、偽魚腥藻(sp.)、平裂藻(sp.)、微囊藻(sp.)、席藻(sp.)；硅藻門的小環藻(sp.)、顆粒直鏈藻()、舟型藻(spp.)；綠藻門的柵藻(spp.)、絲藻(sp.)、月牙藻()；隱藻門的嚙齒隱藻()、尖尾藍隱藻()。其中, 偽魚腥藻和顫藻在春季占優勢地位；夏季則以顫藻、魚腥藻和微囊藻為主；秋季小環藻、顆粒直鏈藻和顫藻占優；小環藻是冬季的主要優勢種(表3)。

圖3 浮游植物季節組成

Figure 3 Seasonal composition of phytoplankton

表3 浮游植物優勢屬種及優勢度

2.2.3 浮游植物細胞密度

景觀河道浮游植物細胞密度存在明顯季節性差異(<0.05)。春季浮游植物豐度介于(0.34—2.67)×107(ind·L-1), 均值為1.02×107(ind·L-1), 主要以藍藻門為主, 占浮游植物總密度的70.15%；夏季浮游植物密度為(0.54—6.41)×107(ind·L-1), 均值為3.31×107(ind·L-1), 藍藻門為主要貢獻者, 占總密度的88.35%；秋季浮游植物密度為(0.53—1.57)×107(ind·L-1), 均值為1.29×107(ind·L-1), 硅藻門占優勢, 占總密度的54.01%；冬季浮游植物密度為(1.70—3.74)×107(ind·L-1), 均值為2.30×107(ind·L-1), 硅藻門占總密度比例達70.81%(圖4)。

2.2.4 浮游植物生物多樣性指數

浮游植物多樣性指數()、豐富度指數()、均勻度指數()均存在顯著季節差異(<0.05)。季節變化較為一致。指數春、夏、秋、冬均值分別為1.66、0.53、1.47、0.70；指數均值為1.38、1.03、0.60、0.65；指數均值為0.54、0.19、0.64、0.28(圖5)。

圖4 浮游植物細胞密度變化

Figure4 Temporal variation of phytoplankton cell densities

圖5 浮游植物多樣性指數、均勻度指數和豐富度指數

Figure 5 Shannon-Wiener index, Pielou index, and Margalef index of phytoplankton

3 討論

調查結果表明, 渭河城市景觀河道TN、TP污染負荷較高, 處于中等富營養水平。過量的營養物質是水體富營養化的主要原因[37], 而攔河筑壩導致河流水動力條件減弱更是加劇了污染物和營養物質在河道的滯留。研究發現, 張家口市清水河多級橡膠壩截留了河道近42.5%的總磷負荷, 增加河道富營養化風險[38]；在沂河, 橡膠壩的建成促進沉積物中氮磷營養鹽的富集, 加劇了底泥氮磷釋放的風險[10]；由于橡膠壩工程的影響, 在遼河流域, 水體中的營養物質不但經壩體攔截有所富集, 同時還降低了河道大型底棲動物多樣性[27]。對于渭河關中地區, 尤其是西安段, 人類活動密集, 工農業及生活污水排放強度極大, 河水氮磷等營養元素濃度長期處于高位[39], 富集在攔水壩形成的景觀河道, 為水體富營養化甚至發生藻類水華提供了充分的營養條件, 這一現象在生態基流匱乏的北方城市河道比較普遍[20,40,41]。

浮游植物大量生長是水體富營養化最直觀表征。全年來看, 四個景觀水體藻豐度均值達1.02—3.31×107(ind·L-1), 已經達到了水華發生的標準[42]。其中, 春夏兩季藍藻門分別占浮游植物細胞密度的70.15%和88.35%, 表現為富營養湖泊浮游植物群落組成特點[43]。景觀河道浮游植物群落組成以硅藻-綠藻-藍藻組合為主, 其中秋冬兩季硅藻為優勢, 春夏兩季藍藻門占主導(圖3), 與該流域未建壩河段硅藻全年占優的特點有明顯差別[44]。景觀河道春季浮游植物優勢種為偽魚腥藻和顫藻；夏季為顫藻和魚腥藻；秋季為小環藻和顆粒直鏈藻；冬季為小環藻和尖尾藍隱藻, 均為代表中-富營養型或富營養型水體的指示屬種[45]。從浮游植物群落結構、細胞密度、優勢種組成綜合判斷, 渭河城市段經由閘壩攔截的河道趨近于富營養化湖泊的特性, 優渥的營養條件和水體較長的滯留時間為浮游植物尤其是藍藻、綠藻大量增殖提供了有利的條件, 尤其是在氣溫條件適宜的夏季。而隨著河流生境湖泊化, 浮游植物群落組成逐漸由河流型向湖泊型轉變。

生物評價法被廣泛用于評估水生態系統健康[19, 21, 23, 26]。本研究區域內, 浮游植物多樣性指數()、均勻度指數()、豐富度指數()表現出較相似的季節性變化。根據指數結果, 渭河景觀河道春秋季水質評價為中度污染, 夏冬季節重度污染；指數指示景觀水體春季為中度污染, 其它季節均表現為重度污染；指數的評價結果稍顯溫和, 春秋兩季為輕度污染, 夏冬兩季重度污染?？傮w來看, 三個生物多樣性指數對景觀河道水質評價結果較為一致, 也基本能夠反映水質的實際情況。然而與渭河流域自然河流魚類、浮游生物、底棲動物等生物指數評價結果相比較, 城市景觀河道水質顯然較差[46–48]。

綜合營養水平狀態、浮游植物群落組成、生物多樣性等指標, 渭河關中段景觀河道氮、磷負荷高, 水質差, 水體呈富營養狀態, 偶爾會發生藻類水華。如不加以科學的生態管理, 水質或將持續惡化, 藻類水華風險將會增大。未來或考慮水生態修復、水力調控甚至拆除閘壩等手段應對景觀河道日益嚴峻的水生態環境問題。

4 結論

本研究對渭河關中段四個河道型景觀水體的水環境質量、營養水平現狀以及浮游植物的群落結構開展調查研究, 結論如下:

(1)景觀河道氮磷負荷高, 水質較差, 水體呈中等富營養狀態；

(2)景觀河道全年浮游植物主要以綠藻-硅藻-藍藻型為主, 夏季藍藻占優勢地位, 浮游植物優勢種全年均為代表富營養水體的指示種；

(3)生物指標評價結果顯示春秋季污染較輕, 夏冬季污染較為嚴重。

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Phytoplankton community structure and water quality bio-assessment of urban scenic river in Guanzhong section of Wei River Basin

HU En1,*, HU Longgang1, WANG Xifeng1, SHI Xiaofeng2, ZHOU Liang2, LI Xinhang3, SU Yaling4

1. Shaanxi Provincial Academy of Environmental Science, Xi′an 710069, China 2. Xi′an Academy of Environmental Protection Sciences, Xi′an 710061, China 3. School of Environmental Science and Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China 4. Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China

In order to explore water quality and aquatic ecosystem health of urban scenic river, a four-quarter sampling of water environmental factors and phytoplankton community structure were investigated in urban scenic rivers in Guanzhong section of Wei River Basin, 2018. A total 7 phyla, including 63 genera or species of phytoplankton were identified. Chlorophyta was the most abundant taxa, followed by and Bacillariphyta and Cyanophyta. The phytoplankton abundance was ranged from 1.02×107ind·L-1to 3.31×107ind·L-1. Cyanophyta contributed 70.15% and 88.35% of the total algae abundance in spring and summer, respectively, while Bacillariphyta was the dominated species in autumn and winter, contributing 54.01% and 70.81%, respectively. There were 14 dominant genera or species of phytoplankton in the whole year, among whichsp.,spp., andsp. were dominant in spring and summer, andsp. andin fall and winter, all of which were indicative species of meso-eutrophic or eutrophic water bodies. The Shannon-Wiener index(H'), Margalef diversity index(d), and Pielou evenness index(J) showed similar seasonal variation trends, indicating a lighter pollution in spring and autumn and more serious pollution in summer and winter, respectively. The nutrients level, phytoplankton community structure, and biodiversity index indicated a poor water state of urban scenic rivers in the Guan Zhong section of Wei River.

phytoplankton; community structure; water quality bio-assessment; urban scenic river; Wei River Basin

胡恩, 胡龍剛, 王西鋒,等. 渭河關中段景觀河道浮游植物群落結構及其水質評價[J]. 生態科學, 2023, 42(1): 129–136.

HU En, HU Longgang, WANG Xifeng, et al. Phytoplankton community structure and water quality bio-assessment of urban scenic river in Guanzhong section of Wei River Basin[J]. Ecological Science, 2023, 42(1): 129–136.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2023.01.015

S157.2

A

1008-8873(2023)01-129-08

2020-11-12;

2021-01-05

陜西省博士后基金項目(2017BSHQYXMZZ10); 陜西省重點研發計劃項目(2019SF-236); 陜西省重點研發計劃重點產業鏈（群）項目(2021ZDLSF05-10)

胡恩(1983—), 男, 陜西咸陽人, 博士, 高級工程師, 主要從事水域生態學研究, E-mail: huen777@163.com

胡恩