胡恩, 胡龍剛, 王西鋒, 石小鋒, 周亮, 李昕航, 蘇雅玲

渭河關(guān)中段景觀河道浮游植物群落結(jié)構(gòu)及其水質(zhì)評(píng)價(jià)

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(huán)境科學(xué)研究院, 西安 710069 2. 西安市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院, 西安 710061 3. 天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 天津 300072 4. 中國(guó)科學(xué)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(zhì)與水生態(tài)環(huán)境狀況, 于2018年按季度對(duì)渭河關(guān)中段四處景觀河道開展水環(huán)境因子與浮游植物采樣調(diào)查。共計(jì)鑒定出浮游植物7門63屬(種), 以綠藻門、硅藻門、藍(lán)藻門為主。浮游植物細(xì)胞密度全年介于(1.02—3.31)×107ind·L-1, 春、夏季以藍(lán)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(xiàn)浮游植物豐度的54.01%和70.81%。浮游植物全年優(yōu)勢(shì)屬(種)共14個(gè), 春夏季以偽魚腥藻(sp.)、顫藻(spp.)、魚腥藻占優(yōu)(sp.), 秋冬季以小環(huán)藻(sp.)和顆粒直鏈藻()占優(yōu), 均為代表中-富營(yíng)養(yǎng)型或富營(yíng)養(yǎng)型水體的指示屬(種)。Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(')、Margalef豐富度指數(shù)()、Pielou均勻度指數(shù)()呈現(xiàn)相似的季節(jié)變化, 春、秋季污染較輕, 夏、冬季污染較為嚴(yán)重。綜合水體營(yíng)養(yǎng)鹽水平、浮游植物群落組成及生物多樣性等指標(biāo), 渭河關(guān)中段景觀河道水生態(tài)環(huán)境狀況總體較差。

浮游植物; 群落結(jié)構(gòu); 水質(zhì)評(píng)價(jià); 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(tài)系統(tǒng)[1–3]。如改變河流水文條件[4]、促進(jìn)生源要素的滯留與沉積物的積累, 影響下游水生態(tài)環(huán)境演變過程[5–8], 導(dǎo)致生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生更替和重組等[9-10]。為滿足日益增長(zhǎng)的大水面景觀需求以及刺激經(jīng)濟(jì)發(fā)展, 國(guó)內(nèi)諸多城市在天然河道修筑攔河壩, 營(yíng)造人景觀水體。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì), 上世紀(jì)六十年代至今, 我國(guó)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì), 該類水體存在富營(yíng)養(yǎng)化和發(fā)生藻類水華的風(fēng)險(xiǎn)[12–14]。

浮游植物作為水生態(tài)系統(tǒng)主要的初級(jí)生產(chǎn)者, 是物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的重要紐帶, 對(duì)于維持水生態(tài)系統(tǒng)平衡有顯著作用, 同時(shí)是水生態(tài)健康的重要生物指示指標(biāo)之一[15–16]。鑒于其重要的生態(tài)功能, 浮游植物群落結(jié)構(gòu)組成及其多樣性被廣泛用于水質(zhì)生物學(xué)評(píng)價(jià)[17]。近年來, 我國(guó)在一些重點(diǎn)流域的江[18–19]、河[20–21]、湖泊[22–23]、水庫(kù)[24–25]以及濕地[26]開展了大量的浮游植物調(diào)查與評(píng)價(jià)工作, 這對(duì)于認(rèn)識(shí)全國(guó)地表水生態(tài)健康狀況有重要意義。

目前城市景觀河道水生態(tài)學(xué)研究關(guān)注不多[27–28], 開展此類工作對(duì)于城市河道管理和恢復(fù)城市河流景觀具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)作用。本研究于2018年于渭河關(guān)中段選擇四處河道景觀水體, 調(diào)查浮游植物群落組成季節(jié)變化, 從生物學(xué)角度評(píng)估水質(zhì)狀況, 以期增添渭河景觀河道水生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù), 為此類水體管理和生態(tài)保護(hù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 區(qū)域概況與采樣點(diǎn)設(shè)置

渭河, 黃河第一大支流, 陜西省關(guān)中地區(qū)的母親河。長(zhǎng)期接納沿岸大量的工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及城市生活污水, 水質(zhì)較差。從陜西省環(huán)境質(zhì)量公報(bào)來看, 近十年來, 隨著河道綜合治理工程的實(shí)施, COD和氨氮等污染因子進(jìn)入明顯的下降通道, 但總氮(TN)、總磷(TP)等營(yíng)養(yǎng)元素卻仍依然保持高水平。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì), 渭河關(guān)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(shè)置4個(gè)采樣點(diǎn)開展景觀河道水質(zhì)與浮游植物調(diào)查研究(圖1)。

圖1 采樣點(diǎn)位分布圖

Figure 1 The location of sampling sites

1.2 樣品采集與分析

現(xiàn)場(chǎng)用便攜式水質(zhì)參數(shù)分析儀YSI測(cè)定pH、水溫(WT)、溶解氧(DO)、電導(dǎo)率(Cond)、透明度(SD)。水質(zhì)與浮游植物樣品采集時(shí)均取表層0.5 m水樣。取2 L水樣帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定總氮(TN)、總磷(TP)、葉綠素(Chl-a)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)等水質(zhì)指標(biāo)。TN的測(cè)定為堿性過硫酸鉀消解、紫外(波長(zhǎng)600 nm)分光光度法；TP的測(cè)定為堿性過硫酸鉀消解、鉬銻抗顯色分光光度法(波長(zhǎng)700 nm)；Chl-a采用熱乙醇提取、分光光度法(波長(zhǎng)665 nm、770 nm)測(cè)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(shí), 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(jì)數(shù)。浮游植物鑒定采用Olympus CH生物光學(xué)顯微鏡鏡檢, 鑒定到屬[30, 31]。

1.3 評(píng)價(jià)方法

采用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)()、Margalef豐富度指數(shù)()以及Pielou均勻度指數(shù)()等生物多樣性指標(biāo)評(píng)價(jià)水質(zhì)狀況[32–34]；浮游植物優(yōu)勢(shì)度應(yīng)用優(yōu)勢(shì)度指數(shù)()來反映[35]；水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)用綜合營(yíng)養(yǎng)指數(shù)法[35]。計(jì)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(gè)體數(shù)在樣點(diǎn)所有個(gè)體總數(shù)的占比,P=n/N,n為第種個(gè)體數(shù),為所有個(gè)體數(shù)量,為樣品中的總種數(shù)類,f是第種浮游植物的出現(xiàn)頻率,()代表第種參數(shù)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù),W為第種營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)數(shù)的相關(guān)權(quán)重。

評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)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(yōu)勢(shì)度指數(shù)≥0.02的浮游植物種類確定為優(yōu)勢(shì)種。營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為: 小于30為貧營(yíng)養(yǎng), 30—50為中營(yíng)養(yǎng), 大于50為富營(yíng)養(yǎng)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)以及生物多樣性指數(shù)季節(jié)性差異采用單因素方差分析方法(One-way ANOVA), 顯著水平設(shè)定為=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 理化參數(shù)與營(yíng)養(yǎng)水平

各采樣季主要理化參數(shù)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(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)湖(庫(kù))Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)和的Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn), CODMn在Ⅲ類和Ⅳ類之間波動(dòng)。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(yíng)養(yǎng)(圖2)。

表1 景觀河道水體理化參數(shù)數(shù)據(jù)

圖2 綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI(∑)季節(jié)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(lán)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(lán)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(qū)浮游植物種類數(shù)量組成見圖3。

2.2.2 浮游植物優(yōu)勢(shì)種及其優(yōu)勢(shì)度

研究區(qū)域全年浮游植物優(yōu)勢(shì)種群共有14個(gè), 包括藍(lán)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(huán)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(lán)隱藻()。其中, 偽魚腥藻和顫藻在春季占優(yōu)勢(shì)地位；夏季則以顫藻、魚腥藻和微囊藻為主；秋季小環(huán)藻、顆粒直鏈藻和顫藻占優(yōu)；小環(huán)藻是冬季的主要優(yōu)勢(shì)種(表3)。

圖3 浮游植物季節(jié)組成

Figure 3 Seasonal composition of phytoplankton

表3 浮游植物優(yōu)勢(shì)屬種及優(yōu)勢(shì)度

2.2.3 浮游植物細(xì)胞密度

景觀河道浮游植物細(xì)胞密度存在明顯季節(jié)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(lán)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(lán)藻門為主要貢獻(xiàn)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(yōu)勢(shì), 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(dá)70.81%(圖4)。

2.2.4 浮游植物生物多樣性指數(shù)

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

圖4 浮游植物細(xì)胞密度變化

Figure4 Temporal variation of phytoplankton cell densities

圖5 浮游植物多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)和豐富度指數(shù)

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

3 討論

調(diào)查結(jié)果表明, 渭河城市景觀河道TN、TP污染負(fù)荷較高, 處于中等富營(yíng)養(yǎng)水平。過量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)是水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要原因[37], 而攔河筑壩導(dǎo)致河流水動(dòng)力條件減弱更是加劇了污染物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在河道的滯留。研究發(fā)現(xiàn), 張家口市清水河多級(jí)橡膠壩截留了河道近42.5%的總磷負(fù)荷, 增加河道富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)[38]；在沂河, 橡膠壩的建成促進(jìn)沉積物中氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的富集, 加劇了底泥氮磷釋放的風(fēng)險(xiǎn)[10]；由于橡膠壩工程的影響, 在遼河流域, 水體中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不但經(jīng)壩體攔截有所富集, 同時(shí)還降低了河道大型底棲動(dòng)物多樣性[27]。對(duì)于渭河關(guān)中地區(qū), 尤其是西安段, 人類活動(dòng)密集, 工農(nóng)業(yè)及生活污水排放強(qiáng)度極大, 河水氮磷等營(yíng)養(yǎng)元素濃度長(zhǎng)期處于高位[39], 富集在攔水壩形成的景觀河道, 為水體富營(yíng)養(yǎng)化甚至發(fā)生藻類水華提供了充分的營(yíng)養(yǎng)條件, 這一現(xiàn)象在生態(tài)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(zhǎng)是水體富營(yíng)養(yǎng)化最直觀表征。全年來看, 四個(gè)景觀水體藻豐度均值達(dá)1.02—3.31×107(ind·L-1), 已經(jīng)達(dá)到了水華發(fā)生的標(biāo)準(zhǔn)[42]。其中, 春夏兩季藍(lán)藻門分別占浮游植物細(xì)胞密度的70.15%和88.35%, 表現(xiàn)為富營(yíng)養(yǎng)湖泊浮游植物群落組成特點(diǎn)[43]。景觀河道浮游植物群落組成以硅藻-綠藻-藍(lán)藻組合為主, 其中秋冬兩季硅藻為優(yōu)勢(shì), 春夏兩季藍(lán)藻門占主導(dǎo)(圖3), 與該流域未建壩河段硅藻全年占優(yōu)的特點(diǎn)有明顯差別[44]。景觀河道春季浮游植物優(yōu)勢(shì)種為偽魚腥藻和顫藻；夏季為顫藻和魚腥藻；秋季為小環(huán)藻和顆粒直鏈藻；冬季為小環(huán)藻和尖尾藍(lán)隱藻, 均為代表中-富營(yíng)養(yǎng)型或富營(yíng)養(yǎng)型水體的指示屬種[45]。從浮游植物群落結(jié)構(gòu)、細(xì)胞密度、優(yōu)勢(shì)種組成綜合判斷, 渭河城市段經(jīng)由閘壩攔截的河道趨近于富營(yíng)養(yǎng)化湖泊的特性, 優(yōu)渥的營(yíng)養(yǎng)條件和水體較長(zhǎng)的滯留時(shí)間為浮游植物尤其是藍(lán)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(zhuǎn)變。

生物評(píng)價(jià)法被廣泛用于評(píng)估水生態(tài)系統(tǒng)健康[19, 21, 23, 26]。本研究區(qū)域內(nèi), 浮游植物多樣性指數(shù)()、均勻度指數(shù)()、豐富度指數(shù)()表現(xiàn)出較相似的季節(jié)性變化。根據(jù)指數(shù)結(jié)果, 渭河景觀河道春秋季水質(zhì)評(píng)價(jià)為中度污染, 夏冬季節(jié)重度污染；指數(shù)指示景觀水體春季為中度污染, 其它季節(jié)均表現(xiàn)為重度污染；指數(shù)的評(píng)價(jià)結(jié)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(gè)生物多樣性指數(shù)對(duì)景觀河道水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果較為一致, 也基本能夠反映水質(zhì)的實(shí)際情況。然而與渭河流域自然河流魚類、浮游生物、底棲動(dòng)物等生物指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果相比較, 城市景觀河道水質(zhì)顯然較差[46–48]。

綜合營(yíng)養(yǎng)水平狀態(tài)、浮游植物群落組成、生物多樣性等指標(biāo), 渭河關(guān)中段景觀河道氮、磷負(fù)荷高, 水質(zhì)差, 水體呈富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài), 偶爾會(huì)發(fā)生藻類水華。如不加以科學(xué)的生態(tài)管理, 水質(zhì)或?qū)⒊掷m(xù)惡化, 藻類水華風(fēng)險(xiǎn)將會(huì)增大。未來或考慮水生態(tài)修復(fù)、水力調(diào)控甚至拆除閘壩等手段應(yīng)對(duì)景觀河道日益嚴(yán)峻的水生態(tài)環(huán)境問題。

4 結(jié)論

本研究對(duì)渭河關(guān)中段四個(gè)河道型景觀水體的水環(huán)境質(zhì)量、營(yíng)養(yǎng)水平現(xiàn)狀以及浮游植物的群落結(jié)構(gòu)開展調(diào)查研究, 結(jié)論如下:

(1)景觀河道氮磷負(fù)荷高, 水質(zhì)較差, 水體呈中等富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)；

(2)景觀河道全年浮游植物主要以綠藻-硅藻-藍(lán)藻型為主, 夏季藍(lán)藻占優(yōu)勢(shì)地位, 浮游植物優(yōu)勢(shì)種全年均為代表富營(yíng)養(yǎng)水體的指示種；

(3)生物指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示春秋季污染較輕, 夏冬季污染較為嚴(yán)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(guān)中段景觀河道浮游植物群落結(jié)構(gòu)及其水質(zhì)評(píng)價(jià)[J]. 生態(tài)科學(xué), 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(xiàng)目(2017BSHQYXMZZ10); 陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2019SF-236); 陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)鏈（群）項(xiàng)目(2021ZDLSF05-10)

胡恩(1983—), 男, 陜西咸陽(yáng)人, 博士, 高級(jí)工程師, 主要從事水域生態(tài)學(xué)研究, E-mail: huen777@163.com

胡恩