漓江桂林市區段夏季浮游植物群落特征與水質評價

周振明，陳朝述，劉可慧，李俊，陳孟林，蔣瑜，于方明*

1. 廣西師范大學環境與資源學院，廣西 桂林 541004; 2. 桂林電子科技大學生命與環境科學學院，廣西 桂林 541004;3. 珍稀瀕危動植物生態與環境保護省部共建教育部重點實驗室，廣西 桂林 541004

浮游植物是水生生態系統的主要初級生產者，是水生動物特別是許多經濟魚類的重要餌料，同時與水體質量的關系非常密切。不同類群浮游植物對水體環境的變化的敏感程度和適應能力存在一定的差別，其自身群落結構的變化也可引起河流水質的改變，很多浮游植物可以指示水質的優劣(沈韞芬等，1990；Reynolds，2006)，在水生態系統中具有重要地位。因此，利用浮游植物群落結構的多樣性來監測水體環境已經成為一種重要手段，目前國內外已有大量相關研究（譚香等，2011；Gabyshev和Gabysheva，2010；吳波等，2007）。

漓江發源于桂林興安縣境內的貓兒山，自北向南流經興安、靈川、桂林、陽朔，由平樂縣匯入西江，全長214 km，屬珠江水系。漓江是桂林的母親河，是沿岸城市主要生產、生活水源地，對桂林市的經濟發展和人民生活起著重要的作用。但近年來隨著經濟的高速發展，漓江上游水利工程大量修建，原始森林砍伐，污染物無序排放，這些行為不可避免地改變水體環境因子，對漓江的環境質量和生態系統平衡造成很大威脅。目前，有關漓江流域的魚類資源、生態環境保護、底棲動物和著生動物已有少許報道(廖祖荷等，2005；曹艷霞等，2009；曹艷霞等，2010；楊青瑞等，2012)，但有關浮游植物與水質變化相結合的資料還鮮有報道。因此，為探尋漓江流域浮游植物與水質的相互關系，本文于2012年8月對漓江桂林市區段干流水體理化性質、浮游植物的種類和密度進行了分析，初步了解漓江干流城市段浮游植物的分布特征，并結合生物多樣性和化學指標對水質進行評價，以期為保護漓江水質和實現水資源的可持續利用提供參考，并為漓江水生態環境的保護提供一定的基礎理論依據。

1 材料與方法

1.1 采樣點位設置

本研究根據漓江在桂林市區的流向和實際水環境特點，從進入市區的上游趙家橋村開始，到離開市區的下游王家村結束，基本上等距離布置采樣點，依次為趙家橋村（采樣點1）、南洲橋（采樣點2）、虞山橋（采樣點3）、解放橋（采樣點4）、漓江橋（采樣點5）、王家村（采樣點9），中間在三條支流每條支流入口處設置一個采樣點，為桃花江入口處（采樣點6）、南溪河入口處（采樣點7）和小東江入口處（采樣點8），共計9個采樣點（圖1）。

圖1 采樣點位置布設圖Fig.1 Sampling Sites in the Guilin City Section of Lijiang River

1.2 水體理化指標的測定

現場采用便攜式pH計和溶氧儀測定水體pH和溶解氧（DO），并在每個樣點水面以下 0.5 m處采集1000 mL水樣，加硫酸至pH<2，帶回實驗室用于測定水體高錳酸鹽指數（CODMn）、總氮（TN）、氨氮（NH4+-N）、硝酸鹽氮（NO3－-N）、總磷（TP）等各項理化指標。另外在同樣地點采取2000mL水樣用于水體葉綠素（Chla）的測定。總氮采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，氨氮采用納氏試劑光度法，硝氮采用酚二磺酸光度法，磷酸鹽采用鉬銻抗分光光度法，高錳酸鹽指數測定采用滴定法，葉綠素a的測定采用丙酮分光光度法測定（國家環境保護總局《水和廢水監測分析方法》編委會，2002）。

1.3 浮游植物的采樣與測定

浮游植物定性樣品的采集采用 25號浮游植物網，在水面表層呈“∞”字形來回緩慢撈取浮游植物樣品，并將網內濃縮液置于100 mL已加入魯哥氏液的塑料水樣瓶中，帶回實驗室，在光學顯微鏡（10×40）下鑒定生物種類，浮游植物物種鑒定參考文獻（周鳳霞和陳劍虹，2010；胡鴻鈞和魏印心，2006）。

浮游植物定量樣品采集采用有機玻璃采水器，在水面以下0.5 m處采集2 L水樣置于已加入15 mL魯哥氏液的塑料瓶中，樣品帶回實驗室后取1000 mL置于燒杯中靜置，最后濃縮定容至30 mL。測定時充分搖勻，用光學顯微鏡進行定量分析，觀測的結果換算成每升水樣含有的植物細胞個數，即浮游植物細胞密度（單位：inh.·L-1）。

1.4 水質評價標準

1.4.1 水體理化性質評價

根據GB3838-2002《地表水環境質量標準》對水體水質理化性質進行評價；按照HJ/T91—2002《地表水和污水監測技術規范》、《水和廢水監測分析方法》第四版中的A類方法進行實驗操作和質量控制；采用單因子法對漓江水質進行評價。

1.4.2 優勢種的判斷

浮游植物群落優勢種采用優勢度（Y）來判斷，其計算公式為：Y=（ni×fi）/N，式中N為樣品中的所有生物總數；ni為第i種生物的個體數，fi為第i種生物在所有樣品中出現的頻率。以優勢度Y>0.02的標準確定優勢種。

1.4.3 浮游植物多樣性評價

采用 Shannon-Wiener指數(H)、Simpson 指數（D）、豐富度指數Margalef指數(d)和均勻度指數Pielou指數(J)對浮游植物的多樣性進行評價，其計算公式如下：

上述公式中：S為浮游植物種類數；N為同一樣品中所有的生物細胞總數；ni為第i種生物的細胞數。各項指數評價標準見表1（Whittaker，1972；Magurran，1988；Pielou，1966）。

2 結果與分析

2.1 漓江水質特征

漓江桂林市區段水體pH均大于7，呈現中性或偏堿性(表2)。溶解氧（DO）在研究區段不同采樣點間變化較大，在漓江橋達到最高值，為9.05 mg·L-1，南溪山河入口處最低，為3.2 mg·L-1。高錳酸鹽指數（CODMn）除了在南溪河入口處高達6.2 mg·L-1外，其他各點均差異不大，在1.87～3.58 mg·L-1之間變化。葉綠素a含量（Chla）從漓江上游往下依次呈現走高趨勢，到南溪河入口達到最高，之后逐漸降低。TP含量在趙家橋至南州橋江段基本保持穩定，而進入市區后呈現先增后降的過程，在南溪河入口處達到最高值。趙家橋村到漓江橋的水質較為穩定，總氮呈現緩慢上升趨勢，而在桃花江入口和南溪河入口處，總氮和氨氮呈現大幅上升走勢，并且在南溪河入口處達到最大值，之后呈現下降趨勢。硝酸鹽氮則走低，在南溪河入口處達到最低值。

2.2 浮游植物群落結構特征

2.2.1 種類組成

對漓江桂林市區段水體浮游植物進行調查分析，共觀測記錄浮游植物7門60屬128種（表3）。其中硅藻門19屬50種，占種類組成的39.06%；綠藻門27屬52種，占種類組成的40.63%；藍藻門8屬16種，占種類組成的12.50%；裸藻門3屬7種，占種類數5.47%；黃藻門、金藻門和甲藻門分別為1屬1種，各占種類組成的0.78%。硅藻和綠藻為主要種類，漓江浮游植物類型為硅藻-綠藻型，其中硅藻門中異極藻屬、羽紋藻屬、舟形藻屬、橋彎藻屬、小環藻屬和針桿藻屬種類數居多，綠藻門中鼓藻屬、新月藻屬和柵藻屬種類數居多。

2.2.2 密度及優勢種

由圖2可知，浮游植物密度在上游趙家橋村到解放橋段呈現小范圍波動，在漓江橋和桃花江入口處大幅增加，在南溪河入口處達到最大，隨后逐步減少。其密度波動范圍處在10.3×104～1047.0×104ind.·L-1之間，平均密度為474.7×104ind.·L-1。其中密度最小的是趙家橋村，密度最大的是南溪河入口。

漓江水體浮游植物中硅藻門在密度上占據絕對優勢（表4），其密度總和為3384.89×104ind.·L-1，占總密度的79.23%；其次是綠藻，總密度為783.40×104ind.·L-1，占總密度的18.34%。硅藻和綠藻的密度占到總浮游植物類群的97.57%，漓江水體類型為硅藻-綠藻型，屬寡污帶。

浮游植物優勢種依次為冠盤藻S.tephanodiscus（優勢度指數為0.242，下同）、蛋白核小球藻C. pyrenoidosa（0.148）、喙頭舟形藻N.rhynchocephala（0.033）、短小舟形藻N.exigua（0.037）、廣緣小環藻C.Bodanica（0.060）、四尾柵藻S.quadricanda（0.035）、肘狀針桿藻S.ulna（0.020）。優勢種一般為指示性浮游植物，7種優勢植物中有5種屬于硅藻門，其余2種屬于綠藻門，硅藻占據絕對優勢地位。

表1 水質生物多樣性指數評價標準Tab.1 Water Quality Evaluation Criteria for Water with Biodiversity Index

表2 漓江桂林市區段主要水質監測指標Tab.2 Water Quality Data of the Lijiang River

表3 漓江桂林市區段水體浮游藻類的種類組成Tab. 3 Composition of Phytoplankton Species in Guilin City Reach of Lijiang River

續表3

圖2 漓江桂林市區段各采樣點浮游植物密度Tab.2 Density of Phytoplankton in Each Sampling Points of Guilin City Section of Lijiang River

表4 漓江桂林市區段浮游植物各類群的密度（×104 ind.·L-1）Tab.4 Density of Different Phytoplankton in Guinlin City Section of Lijiang river

2.3 浮游植物多樣性指數

漓江浮游植物四種生物多樣性指數中Shannon-Wiener指數(H)在2.2～4.27之間波動，平均值為3.67；Margalef指數(d)在2.58～4.23之間波動，平均值為3.10；Pielou指數(J)在0.40～0.83之間波動，平均值為0.68；Simpson指數（D）波動范圍較大，在2.24～15.24之間，平均值為8.39（表5）。

從表5可以看出，四種生物多樣性指數對所選9個采樣點的評價結果不完全一致。Shannon-Wiener多樣性指數評價結果表明，桃花江入口處（采樣點6）、南溪河入口處（采樣點7）和小東江入口處（采樣點8）為β-中污型，其余均為清潔-寡污型。Margalef多樣性指數評價結果表明，采樣點5、8和9為清潔-寡污型，采樣點7為α-中污型，其余為β-中污型。Pielou指數評價結果表明，樣點6、7和8為β-中污型，其余為清潔-寡污型。Simpson多樣性指數評價結果表明，樣點6和7為β-中污型，其余為清潔-寡污型。綜合4種多樣性指數評價漓江水質，采樣點6，7和8水質存在一定污染，為β-中污型，其余各樣點污染較輕屬清潔-寡污型。

2.4 水質指標相關性

為了更好地探討漓江水體各種理化指標和生物指標之間的相互關系，統計分析其相關性，結果見表6。

由表6可知，由于pH值在考察的河流段變化均不大，與其他指標相關性較弱。Chla與大部分指標都呈現一定的相關性，其中與CODMn、TP、NH4+-N、TN呈極顯著正相關（p<0.01），與DO和NO3-N呈顯著負相關（p<0.05）。細胞密度與TN呈極顯著負相關（p<0.01），與NH4+-N呈顯著正相關（p<0.05），與DO呈顯著負相關（p<0.05）。Shannon-Wiener多樣性指數H與DO呈極顯著正相關（p<0.01），與NH4+-N和TN呈極顯著負相關（p<0.01），與CODMn和TP呈顯著負相關（p<0.05）。Margalef多樣性指數d與各項理化指標的關系不顯著。Pielou指數J與Simpson多樣性指數D一致性較強，均與DO呈顯著正相關（p<0.05），與NH4+-N和TN呈顯著負相關（p<0.05）。

表5 漓江水體四種多樣性指數及其水質評價Tab.5 Values and Assessment of Four Biodiversity Indexes of Plankton

表6 漓江水體各指標相關性分析Tab.6 The Correlation Analysis in Guinlin City Section of Lijiang River

3 討論

3.1 水體理化性質與水質

理化指標監測由于可以迅速判斷水質的優劣而在水環境值監測評價中占據著非常重要的作用。漓江市區段水體中各項理化指標在漓江橋上游一直表現平穩，但在桃花江入口處開始變動較大，CODMn、TN、氨氮含量均從此處開始增大，到南溪河入口處則大幅度增加，此后又逐步降低。而溶解氧正好相反，在南溪河入口處達到最低值。理化指標的變動說明在有支流流入的漓江斷面水質開始變壞，根據現場調查結果，分析導致該現象的原因可能是漓江在市區內的三條支流接納了來自上游的不同性質的污染物。桃花江的上游是桂林市西邊的大片農田，其污染源主要是農田施肥和農藥；而南溪河的上游為大片居民區和釀酒廠，居民區和釀酒廠的有機污水日復一日排入南溪河，致使南溪河污染嚴重；小東江上游也主要是農田和一家醬料廠。上游的靈劍溪水體污染本很嚴重（朱繼蕤和郝爽，2009），但是在七星公園處與漓江的一條小支流匯合使得污染有所減輕。有機物和營養組分的超標排放和分解消耗了大量的溶解氧，并且入河口處的水流速度大幅降低，其中南溪河入口的水流近乎停滯，這導致水體換氣速度降低，從而導致溶解氧大幅下降，進而導致排入的有機污染物得不到充分的降解而日益累積在水體中，造成支流入河處水域的嚴重污染。

3.2 水體生物指標變化與水質

一般認為，水體中存在有機物質時，浮游植物能夠分解有機物質成為自身的營養。因此，當水體中有機物質增多時，浮游植物便會增加繁殖，種類和密度就會增加（姜雪芹等，2009）。而氮磷等營養元素的增加在一定范圍內可以促進浮游植物密度的增加，當氮磷濃度增加到一個限值時，不能適應的浮游植物死亡，而能夠適應的浮游植物大量繁殖，浮游植物密度大幅增加，生物多樣性指數降低。漓江市區段的水體中，Chla含量在漓江橋上游一直處于較低水平，在桃花江入口處開始增加，到南溪河入口處達到最大，表明在三條支流入口處存在大量的有機物和營養物質，這與理化指標評價結果一致。水體中Chla與CODMn、TP和TN均成極顯著正相關，其含量增加源于水體中藻類的大量繁殖，在桃花江入口處、南溪河入口處和小東江入口處浮游植物細胞密度均大幅增加。其中南溪河入口處水體中的浮游植物細胞密度已經大于100×104ind.·L-1，且綠藻密度急劇增多，出現大量諸如蛋白核小球藻和冠盤藻等能產生較多Chla的藻類。

漓江市區段河流水體中浮游植物在種類上以綠藻最多，其次是硅藻，二者合計占總種數的79.53%；在細胞密度上則以硅藻最多，綠藻次之，二者合計占比更是高達97.57%，因此水質類型主要為硅藻-綠藻型。就優勢種而言，舟形藻、針桿藻、脆桿藻、卵形藻和柵藻在每個斷面均有出現，其中綠藻門中的柵藻屬β-中污類指示種類，從漓江上游往下數量依次增多。綠藻門的核蛋白小球藻和硅藻門的冠盤藻在漓江橋上游水體中僅少量被發現，但在下游三條支流入口處大量出現，而藍藻門的顫藻在桃花江入口處才出現，這些藻類都是一些中污性指示生物，指示從漓江橋斷面以下水質開始變差。有研究(Smith，1983)指出，當水體中TN與TP的質量比小于29:1時，藍藻門種類更容易繁殖。本研究所考察的9個采樣點中，南溪河入口處TN與TP的質量比最低，為9.5:1，其藍藻門細胞密度最大。

生物多樣性指數隨著種類數的增加而增大，其指數值與水體污染程度成反比（況琪軍等，2004；Tian等，2013）。漓江市區段水體中浮游植物的 4種多樣性指數在漓江橋上游均保持較高水平，其中 Shannon-Wiener指數(H)在3.67以上，Simpson指數（D）大于 6.16，Margalef指數(d)大于2.50，Pielou指數(J)大于0.66.指數值總體較高說明漓江水體中浮游植物群落結構比較穩定，受外界環境的影響較小，水質屬于清潔型。但到三條支流的入口處，4種指數的值均快速下降，最低分別達到1.60、2.24、1.85、0.40，水質為 β-中污型到 α-中污型。浮游植物在各個采樣斷面存在較大差異，除了溫度、水流、光照和水中各種環境因子外，還有種間關系作用（Adel 和Roger，2005）。侯偉等（侯偉等，2011））研究指出，TN是影響浮游植物群落結構的主要因素，營養水平可以影響浮游植物數量和種類組成。從各指標的相互關系也可以看出，4種生物指數中，Shannon-Wiener指數(H)、Pielou指數(J)和Simpson指數（D）與DO呈正相關關系，而與CODMn、TP和TN等指標呈負相關關系，DO、CODMn、TP和TN均為浮游植物群落結構重要的影響因素，不同采樣點的營養狀態不同導致浮游植物群落特征分布也有所差異。生物多樣性指數對水質的評價結果與理化指標評價結果基本一致。

4 結論

（1）漓江市區段水體水質在漓江橋上游比較穩定，DO較高，有機物和營養元素含量較低，但在三條支流入口處有機物和營養元素含量大幅升高，DO大幅降低。從理化指標來看，漓江干流水質總體較清潔，在支流入口處污染較為嚴重。

（2）漓江市區段水體浮游植物群落在種類上以綠藻門最多，其次為硅藻門，二者合計占總種數的79.53%，而在細胞密度上則以硅藻門最多，綠藻門次之，二者合計占總密度達97.57%，優勢種也以硅藻類為主。漓江水質類型為硅藻-綠藻型。

（3）Shannon-Wiener指數H、Simpson指數D、Pielou指數J和Margalef指數d對水質的評價結果與理化指標評價結果基本一致，漓江橋上游水體為清潔-寡污帶，三條支流入口處為β-中污帶。利用細胞密度評價顯示南溪河入口處為β-中污型，其他采樣點為寡污-β-中污型。

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