崔易翀，楊文宇，許王辰

(上?？睖y設計研究院有限公司，上海 200335)

1 引言

浮游植物是水域生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)者，是水中溶解氧的主要提供者，是水域生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動的重要參與者[1]。由于其個體體積小、細胞結(jié)構(gòu)簡單以及對環(huán)境變化相對敏感，能夠快速響應外界環(huán)境的變化[2]，因此其種類組成、群落結(jié)構(gòu)和豐度的變化能夠指示生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況，被廣泛的應用為水環(huán)境評價中的生物監(jiān)測指標[3]。

蘇州位于長江三角洲中部，是我國重要的歷史文化名城，地貌特征以平緩平原為主，全市地勢低平，城內(nèi)河港交錯、湖蕩密布，享有“水都”之稱[4]。古城區(qū)河網(wǎng)作為城市中心的血管脈絡與天然的生態(tài)廊道，積淀有豐富的歷史文化，承載著重要的景觀人文與生態(tài)服務功能。由于古城區(qū)河網(wǎng)周邊承載人口密度極高、城市管網(wǎng)建設年代久遠，造成區(qū)域內(nèi)水質(zhì)狀況不佳?！笆濉逼陂g，蘇州市通過控源截污、內(nèi)源治理、活水暢流等多重手段對其進行綜合治理，取得了較好的成效，河網(wǎng)各項水質(zhì)指標明顯提升。然而，由于太湖水域及周邊上游河道藍藻持續(xù)涌入，加之夏季氣溫升高，古城區(qū)河網(wǎng)水華現(xiàn)象仍呈現(xiàn)季節(jié)性爆發(fā)的趨勢。

本研究通過跟蹤監(jiān)測不同季節(jié)蘇州古城區(qū)典型河網(wǎng)浮游植物群落的物種組成、豐度以及水質(zhì)的動態(tài)變化過程，在明確水體富營養(yǎng)化程度的基礎(chǔ)上，通過相關(guān)性分析、冗余分析等多元統(tǒng)計方法揭示浮游植物群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子之間的關(guān)系，旨在為其后續(xù)水污染治理方案的制定提供有效參考。

2 材料與方法

2.1 樣點位置與時間

在明確蘇州古城區(qū)的水系分布與水華發(fā)生頻率的前提下，于蘇州古城區(qū)選取5個水華易發(fā)點位(圖1、表1)，分別于春季(2018年3月)、夏季(2018年7月)、秋季(2018年10月)和冬季(2017年12月)持續(xù)采樣監(jiān)測其水體理化特征與浮游植物群落結(jié)構(gòu)變化(表1)。其中，樣點1(S1)為古城區(qū)河網(wǎng)引水點，樣點5(S5)為河網(wǎng)出水點。

圖1 蘇州古城區(qū)河網(wǎng)采樣設置

2.2 樣品采集與實驗分析

參考《地表水和污水監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 91—2002)，在監(jiān)測樣點附近水流平穩(wěn)處使用1L采水器采集水面下0.5 m處水樣，保存在4 ℃環(huán)境下帶回實驗室。依據(jù)《水和廢水分析方法》(第四版)中規(guī)定的實驗分析方法對水體中的總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮(NH3-N)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、總?cè)芙夤腆w(TDS)和葉綠素a(Chla)等進行測定[6]。

表1 水質(zhì)及水生態(tài)調(diào)查樣點設置

浮游植物定量樣品的采集使用1L采水器采集水面下0.5 m處水樣，加入15 mL魯哥試劑固定，實驗室靜置沉淀48 h后吸取沉淀液加福爾馬林裝瓶保存。定性樣品的采集使用浮游植物網(wǎng)，于水深0.5 m處按∞字型拖動數(shù)分鐘，收集濃縮樣30～40 mL，帶回實驗室。

參照《水環(huán)境監(jiān)測規(guī)范》(SL219-2013)進行浮游植物鏡檢，參照《中國淡水藻類：系統(tǒng)、分類及生態(tài)》進行浮游植物種類鑒定。具體使用10×40倍的光學顯微鏡，取0.1 mL樣品均勻濃縮液放入浮游植物技術(shù)框進行全片鑒定與計數(shù)，每個樣品計數(shù)兩片。取其平均值為最終結(jié)果，之后將結(jié)果換算為每升水樣中的細胞數(shù)(cells/L)，得到浮游植物豐度[5]。

2.3 數(shù)據(jù)處理

2.3.1 優(yōu)勢種與多樣性指數(shù)

選取Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)、Margalef豐富度指數(shù)(Dm)和Pielou均勻度指數(shù)(J)代表浮游植物群落多樣性[7]，計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

式(1)～式(3)中，Ni為第i個種群的個數(shù)，N為同一樣品中所有種群的總個數(shù)，S為樣品中浮游植物種群類別總數(shù)。

根據(jù)物種的出現(xiàn)頻率和個體數(shù)量，計算優(yōu)勢度以確定樣本的優(yōu)勢種群(Y)，當Y≥0.02時為優(yōu)勢種群。

Y=(Ni/N)×fi

(4)

式(4)中，fi表示第i個種在各采樣點的出現(xiàn)頻率，Ni表示第i種的個體數(shù)，N表示樣品中總個體。

2.3.2 水體富營養(yǎng)化評價

水體富營養(yǎng)化程度采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法[8]，公式如下：

(5)

式(5)中，TSI(Σ)表示綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；TSI(J)表示第J中參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。Wj表示第j種參數(shù)營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重，采用總氮(TN)、總磷(TP)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)和葉綠素a(Chla)作為水體的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的權(quán)重因素，并按照下述方法進行加權(quán)。

Chla是浮游植物的重要組成部分，是表征其現(xiàn)存量的重要指標之一[9]。以Chla作為基準參數(shù)則第j種參數(shù)的歸一化相關(guān)權(quán)重計算公式為：

(6)

式(6)中，rij為第j種參數(shù)與基準參數(shù)Chla的相關(guān)系數(shù)；m為評價參數(shù)的個數(shù)。

2.3.3 統(tǒng)計分析

對環(huán)境因子數(shù)據(jù)進行標準化處理，結(jié)合Pearson相關(guān)性分析選擇適合環(huán)境因子，與浮游植物優(yōu)勢種進行排序分析。具體使用R軟件vegan軟件包開展，詳細步驟如下：

(1)由于各個環(huán)境因子量綱不同，在進行統(tǒng)計分析前，對各變量進行z-score標準化轉(zhuǎn)換。

(2)為了減輕變量間共線性問題對分析的影響，在排序前對各評價指數(shù)及其與環(huán)境因子的關(guān)系進行Pearson相關(guān)性分析，舍去部分相關(guān)系數(shù)大于0.7的環(huán)境因子。

(3)使用DCA分析判斷最優(yōu)排序方法為RDA分析或CCA分析。

(4)使用線性(RDA)/單峰(CCA)擬合，并通過前向選擇優(yōu)化排序模型。

(5)判斷排序結(jié)果及各排序軸的顯著性并繪圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 水體理化性質(zhì)特征

參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838-2002)對本次研究中檢測的30個水樣進行評價，結(jié)果表明除極個別外，所有樣品的水質(zhì)類別均為劣V類，主要超標因子為總氮，變化范圍在3.08±0.85 mg/L。另外在本次研究中，樣品的氨氮含量在0.96±0.45 mg/L之間，總磷含量在0.24±0.09 mg/L之間，高錳酸鹽指數(shù)在4.66±1.26 mg/L之間。

3.1.1 季相變化趨勢

蘇州古城區(qū)水質(zhì)特征時間動態(tài)變化見表2。其中pH平均值變化范圍在6.89～7.75之間，各季節(jié)間變化差別不大；TDS平均值變化范圍在226.20～302.20 mg/L之間；CODMn平均值變化范圍較大，最低值為春季的3.64 mg/L，冬季最高為6.76 mg/L；TN平均值變化范圍在3.86～2.29 mg/L之間，其中春季最高，秋季最低；NH3-N最高值為夏季1.39 mg/L，最低值出現(xiàn)在秋季，為0.55 mg/L；NO3-N變化范圍為1.75～2.86 mg/L，變化較大；TP濃度變化范圍在0.19～0.31 mg/L之間，春季為最高值，冬季為最低值；Chla濃度變化范圍較大，最高值出現(xiàn)在春季，為16.74 μg/L，最低值出現(xiàn)在冬季，為1.51 μg/L。

3.1.2 空間變化趨勢

蘇州古城區(qū)水質(zhì)特征空間動態(tài)變化見表3。pH平均值變化范圍在7.36～7.47之間；TDS變化范圍在267.25～272.13之間；CT變化范圍為534.25～544.25之間；CODMn變化范圍較大，最小值為引水點的2.76，最大值為樣點4的3.76；TN變化范圍在2.66～3.76之間，其中樣點3最低，引水點其次，樣點4最高；NH3-N最高值同樣出現(xiàn)在樣點4為1.40，最低值出現(xiàn)在引水點，為0.73 mg/L；TP濃度變化范圍在0.21～0.31之間，引水點為最低值，樣點4為最高值；Chla濃度變化范圍較大，最高值出現(xiàn)在樣點3，為7.19 μg/L，最高值出現(xiàn)在冬季，為14.02 μg/L。

表2 水體理化因子的時間分布

表3 水體理化因子的空間分布

3.1.3 富營養(yǎng)化評價

根據(jù)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TSI(Σ)分級標準，TSI(Σ)<30時為貧營養(yǎng)，30≤TSI(Σ)≤50是為中營養(yǎng)，5070時為重度富營養(yǎng)。富營養(yǎng)化評價結(jié)果表明(表4)，蘇州古城區(qū)典型河網(wǎng)監(jiān)測點綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)變化范圍為26.94～57.66之間，結(jié)合分級標準大部分時期處于輕度富營養(yǎng)狀態(tài)(秋季S1～S5等)，部分時期樣點處于中營養(yǎng)狀態(tài)(春季S1，夏季S2～S3等)，個別時期樣點處于貧營養(yǎng)狀態(tài)(冬季S2,冬季S4等)。

表4 蘇州古城區(qū)典型河網(wǎng)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)

3.2 浮游植物群落特征

3.2.1 種類組成及優(yōu)勢種

本次調(diào)查共計在蘇州古城區(qū)檢測出浮游植物6門45屬(圖2、表5)，包括藍藻門(Cyanophyta)、硅藻門(Bacillariophyta)、綠藻門(Chlorophyta)、甲藻門(Pyrrophyta)、裸藻門(Euglenophyta)和隱藻門(Cryptophyta)。其中，春季檢測出2門18屬，硅藻門是主要優(yōu)勢類群，占13種，其余為綠藻門，樣點1種類最少；夏季門類最多，共檢測出浮游植物6門39屬，其中硅藻門14屬，綠藻門12屬，甲藻門、藍藻門、裸藻門2為4屬，隱藻門為1屬，主要優(yōu)勢類群為硅藻門和藍藻門；秋季共鑒定出浮游植物5門20屬，硅藻門和綠藻門為主要優(yōu)勢類群，分別占9屬和5屬，其余為藍藻門、裸藻門、綠藻門和隱藻門；冬季共鑒定出3門15屬，優(yōu)勢類群為硅藻門9屬，其余為藍藻門3屬、綠藻門3屬，樣點3監(jiān)測出種類最多。

浮游植物優(yōu)勢種可反映水環(huán)境的營養(yǎng)狀況[10]。蘇州古城區(qū)共有優(yōu)勢種11種，包括硅藻門的針桿藻(Synedra)、卵形藻(Cocconeis)、平板藻(Tabellaria)、小環(huán)藻(cyclotella)、圓篩藻(Coscinodiscus)、直鏈藻(Melosira)和舟形藻(Navicula)8種，裸藻門的裸藻(Euglena)和囊裸藻(Trachelomonas)，以及綠藻門的小球藻(Chlorella)、藍藻門的微囊藻(Microcystis)。其中，針桿藻、卵形藻、平板藻、小環(huán)藻、小球藻、直鏈藻和舟形藻為春季優(yōu)勢種；針桿藻、平板藻、微囊藻、小環(huán)藻、圓篩藻和直鏈藻為夏季優(yōu)勢種；針桿藻、裸藻、囊裸藻、平板藻、微囊藻、小環(huán)藻、小球藻和直鏈藻為秋季優(yōu)勢種；針桿藻、微囊藻、小環(huán)藻、小球藻、直鏈藻和舟形藻為冬季優(yōu)勢種。

3.2.2 浮游植物豐度及時空分布

蘇州古城區(qū)浮游植物數(shù)量時空變化如表6所示，結(jié)果表明水體浮游植物數(shù)量在不同季節(jié)和地點存在差異。春季各樣點浮游植物數(shù)量在6.00×105～23.00×105cells/L之間，夏季浮游植物數(shù)量在6.40×105～11.90×105cells/L之間，秋季在5.70×105～11.70×105cells/L之間，冬季在2.75×105～4.75×105cells/L之間，年平均數(shù)量為8.61×105cells/L。最低數(shù)值出現(xiàn)在冬季樣點2上，最高數(shù)值出現(xiàn)在春季樣點3上。

表5 蘇州古城區(qū)典型河網(wǎng)浮游植物名錄

3.2.3 浮游植物群落多樣性格局

群落物種多樣性反映了群落的物種組成和個體密度特征，是用來判斷水體富營養(yǎng)狀況最常用的指標[11]。蘇州古城區(qū)各樣點的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)、Margalef豐富度指數(shù)(Dm)和Pielou均勻度指數(shù)(J)如表7所示。其中，Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)介于1.55～2.72之間，均值由高到低分別為夏季(2.48)>秋季(2.09)>春季(1.88)>冬季(1.60)，最高值為秋季S3樣點，最低值為冬季S2樣點。Margalef豐富度指數(shù)(Dm)介于1.41～4.33之間，均值由高到低分別為夏季(3.78)>秋季(2.95)>春季(2.41)>冬季(1.86)，最高值為夏季S3樣點，最低值為冬季S5樣點。Pielou均勻度指數(shù)(J)介于0.78～0.96之間，均值由高到低分別為冬季(0.89)>秋季(0.88)>夏季(0.87)>春季(0.81)，最高值為冬季S2樣點，最低值為春季S3樣點。

圖2 不同季節(jié)浮游植物物種組成

表6 蘇州古城區(qū)浮游植物時空變化特征

3.3 浮游植物與環(huán)境因子關(guān)系

各環(huán)境因子Peason相關(guān)性檢驗結(jié)果如表8中所示，pH值與CODMn呈顯著負相關(guān)(P<0.01)，與Chla呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；濁度與TN呈顯著負相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，而與其他環(huán)境因子無相關(guān)性；TN與NH3-N和NO3-N呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；此外，TP與NH3-N顯著正相關(guān)(P<0.01)。

對浮游植物和篩選后的環(huán)境因子進行DCA分析，結(jié)果顯示排序軸梯度長度(LGA)最大值為2.429，故選擇RDA進行約束性排序。RDA分析結(jié)果如表9中所示。前兩個排序軸分別解釋了浮游植物群落結(jié)構(gòu)的34.98%和12.95%，所有典范軸累計貢獻率達67.51%。對浮游植物群落結(jié)構(gòu)相關(guān)性較強的環(huán)境因子，影響強度由大到小依次為高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、電導率(CT)、pH值、總磷(TP)、氨態(tài)氮(NH3-N)、總氮(TN)和濁度(圖3)。不同季節(jié)影響浮游植物群落結(jié)構(gòu)的環(huán)境因子不同(圖3-右)，春季和冬季浮游植物主要受到總磷(TP)、氨態(tài)氮(NH3-N)和電導率(CT)的影響；夏季和秋季浮游植物主要受到高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)和pH值的影響。

表7 蘇州古城區(qū)浮游植物群落多樣性格局

表8 蘇州古城區(qū)河網(wǎng)環(huán)境因子Peason相關(guān)系數(shù)矩陣(**表示P<0.01)

4 討論

4.1 浮游植物物種組成及群落分布特征

蘇州古城區(qū)典型河網(wǎng)浮游植物全年種類數(shù)差異較大，春季硅藻門占據(jù)絕對優(yōu)勢，并存在部分綠藻門物種；夏季、秋季則浮游植物物種種類組成較為豐富，盡管仍以硅藻門為主，但同時存在藍藻門、裸藻門、隱藻門等次優(yōu)物種；冬季水體內(nèi)浮游植物則為硅藻-藍藻共優(yōu)型，全年群落變化規(guī)律為由春季的硅藻型絕對優(yōu)勢向冬季硅藻-藍藻型共優(yōu)型轉(zhuǎn)變，其中硅藻門的針桿藻屬和小環(huán)藻屬則為古城區(qū)河網(wǎng)全年優(yōu)勢種，各樣點間物種組成差異較小。相關(guān)研究表明，硅藻門物種豐度通常與水溫、水體流速和水體營養(yǎng)條件等密切相關(guān)，硅藻水華通常發(fā)生在河流流量較小、流速較慢的河段。在較高的水溫下硅藻門物種的生長通常受到抑制，而在中營養(yǎng)型水體則通常利用硅藻門物種的生長[7,12]。此次調(diào)查中，蘇州古城區(qū)河流水體通常處于中度富營養(yǎng)化狀態(tài)，因此有利于硅藻門形成優(yōu)勢種。同時春季較低的溫度使得硅藻門成為在群落中占比最大，而夏季和秋季較高的溫度則抑制了硅藻門物種的生長，從而形成了物種多樣性較高的浮游植物群落。

圖3 浮游植物與環(huán)境因子RDA排序結(jié)果

表9 浮游植物群落RDA分析的統(tǒng)計信息

此外，單因素方差分析結(jié)果表明蘇州古城區(qū)水體中浮游植物的豐度隨季節(jié)變化變化幅度明顯(P<0.05)，表現(xiàn)為春季浮游植物群落最高，夏季與秋季浮游植物豐度差別不大，冬季則明顯最低。不同樣點間浮游植物豐度則沒有表現(xiàn)出明顯差異(P>0.05)。因此，季節(jié)變化是影響蘇州古城區(qū)河網(wǎng)浮游植物群落的結(jié)構(gòu)及豐度的最主要原因。

4.2 環(huán)境因子與浮游植物的關(guān)系

浮游植物群落的結(jié)構(gòu)受到水體各方面環(huán)境因素的綜合影響，且在不同水體中環(huán)境因子對其群落結(jié)構(gòu)的影響也存在差異[13]。例如：杜明勇等對太湖流域的研究認為影響太湖流域浮游植物群落變化的主要環(huán)境因子為NO3-N、TN和TP[14]；周彥峰等對懷洪新河浮游植物群落的研究則表明，pH值也會影響浮游植物群落的結(jié)構(gòu)和分布[15]。本研究中，蘇州古城區(qū)河網(wǎng)中浮游植物群落的分布主要與CODMn、電導率、pH值、TP、NH3-N、TN和濁度有關(guān)。李夜光等對水體總氮、總磷和浮游植物生物量關(guān)系的研究認為[16,17]，水體中氮、磷等營養(yǎng)元素濃度的升高會引起浮游植物豐度的增加。本研究中，春季水體中的TP、NH3-N等含量較高、冬季則相對較低(圖2)，這與春季浮游植物豐度較高，冬季則相對較低的現(xiàn)象對應，表明氮、磷等營養(yǎng)元素含量是影響蘇州古城區(qū)水體浮游植物群落結(jié)構(gòu)及豐度的另一重要原因。此外，菱形藻屬(sp14)等耐污物種與水體氨氮含量明顯的的正相關(guān)關(guān)系同樣能夠支持這一結(jié)論[18]。

5 結(jié)論

本研究認為蘇州古城區(qū)河網(wǎng)季節(jié)性水華發(fā)生的主要過程為：古城區(qū)河網(wǎng)上游來水中含有較高的總氮、總磷等營養(yǎng)物質(zhì)，且攜帶有硅藻門、藍藻門、裸藻門等浮游植物，水體進入城區(qū)河網(wǎng)后流速逐漸變緩，且由于城區(qū)承載人口密度較高，河網(wǎng)水質(zhì)進一步升高至中度富營養(yǎng)化程度，待夏秋之際溫度升高時，生境條件符合硅藻、藍藻等生長要求，大量藻類在緩流城市景觀水體中增殖，最終形成硅藻或硅藻-藍藻共優(yōu)型水華。此外，研究區(qū)域內(nèi)浮游植物群落結(jié)構(gòu)的變化除了與總氮、總磷和氨氮等營養(yǎng)元素含量密切相關(guān)外，水體pH值、水體濁度等同樣與浮游植物群落結(jié)構(gòu)有顯著相關(guān)性。綜上所述，本研究認為在后續(xù)古城區(qū)河網(wǎng)的水華治理中，應重點針對硅藻型水華的發(fā)生機制對癥下藥，重點降低古城區(qū)河網(wǎng)富營養(yǎng)化程度，同時適度增加河網(wǎng)水體的流動性。