建塘江浮游植物群落結構特征及與環境因子的關系

倪 蒙，原居林，劉 梅，顧志敏

(浙江省淡水水產研究所，農業部淡水漁業健康養殖重點實驗室，浙江省魚類健康與營養重點實驗室，浙江 湖州 313001 )

建塘江位于浙江省慈溪市境內，是慈溪市“三橫十一縱”規劃建設骨干河道之一，是慈溪西部地區最重要的縱向北排河道。同時，隨著圍墾蓄淡養殖業的發展，建塘江已成為慈溪圍墾養殖區主要的淡水水源，其水質變化特征直接關系到慈溪地區養殖業的發展。近年來，隨著“五水共治”等戰略部署的開展，慈溪市進行了大規模水環境整治工程，取得了良好的生態效果。但河道擴寬、底泥疏浚和閘壩建設等工程在有效清除河道沉積物的同時，也一定程度上削減了河道中水生生物種群，破壞了水體原有的生態系統。浮游生物是重要的河道初級生產者，能夠迅速而靈敏地反映水環境變化[1-2]。肖小雨等[3]對吉安地區典型景觀湖泊浮游植物群落結構特征及其與水環境因子的關系進行了分析，結果表明，4個景觀湖泊處于富營養化狀態，中等污染水平，建議對小型封閉景觀水體進行必要治理和生態修復。余員龍[4]對千島湖浮游植物群落結構及營養鹽的分析發現，總磷和硅酸鹽是決定千島湖年均浮游植物生物量的主要營養鹽。賴俊翔等[5]則認為，溫度、pH、溶解態無機磷和化學需氧量是影響廣西北部灣海域春季浮游植物群落的主要環境因子。孫慧慧等[6]對萊州灣浮游植物群落結構與環境因子時空變化特征的分析發現，溫度和硅酸鹽含量與浮游植物群落結構變化具有顯著相關性。有關河流浮游生物群落結構與水環境變化的相關研究也有報道，秦雪等[7]的研究結果表明，黃河口調水調沙前，影響浮游植物群落空間結構的主要因素為硝酸鹽、亞硝酸鹽、溶解氧和透明度，調水調沙后，影響浮游植物群落空間結構的主要因素為溶解氧、活性硅酸鹽、銨鹽和透明度；而懷洪新河浮游植物群落結構主要受葉綠素a、氨氮、水溫、總氮、溶解氧、水深和濁度的影響[8]。但尚未見有關建塘江水質和浮游植物現狀的研究報道。筆者從漁業生態環境角度出發，對建塘江一個完整養殖周期(5—10月)水質特征和浮游植物的種類、豐度、生物量、生物多樣性進行逐月調查研究，分析該河段水質及浮游植物群落結構特征，揭示該河段水質污染現狀，在理論上有助于理解自然河流生態系統多樣性和穩定性的關系，在應用上有助于維護水生態系統健康，為河道疏浚后浮游生物種群恢復及生態系統再建立提供科學依據，并為慈溪圍墾養殖區水產養殖源水污染物去除和水質改善提供參考，推動慈溪水產養殖業的健康可持續發展。

1 材料與方法

1.1 采樣地點和時間

本研究根據建塘江河段分布情況，在建塘江閘上游(A)、建塘江閘下游(B)和入海口區域(C)處依次設置3個采樣斷面，每個采樣斷面設置3個平行，在整個對蝦養殖期(2017年5—10月)對建塘江各采樣斷面進行逐月采樣。

1.2 水質檢測及分析方法

溫度、pH和溶解氧使用水質分析儀(美國哈希HQ40d)現場測定。使用2.5 L的采水器按常規方法采集表層水樣和底層水樣，將表層和底層水樣混合后每個樣點采水1 L，運回實驗室參照《水和廢水監測分析方法》[9]測定總氮、總磷、氨氮、亞硝態氮、高錳酸鹽指數、鉻、銅、鋅、鉛、鎘和總汞等其他各項水質指標。

圖1 采樣斷面的位置分布

1.3 水質污染綜合評價方法

根據環杭州灣圍墾養殖區池塘水質檢測結果，選取對水質影響較大的5個主要因子(總氮、總磷、氨氮、亞硝態氮、高錳酸鹽指數)作為評價標準，采用單項污染因子指數對總氮、總磷、氨氮、亞硝態氮和高錳酸鹽指數等主要污染因子進行評價，并計算水質綜合污染指數，水質綜合污染指數參考文獻[10]的評價方法，按下式計算：

P=1/n∑Pi

Pi=Ci/Si，i=1，2，…，n

式中，P為水質污染指數；Pi為污染物i的污染指數；Ci為污染物i的實測含量；Si為污染物的評價標準；n為總的污染個數。

采用分指數平方和的平方根法計算綜合污染指數：

式中，PI為綜合污染指數；Ci為污染物i的實測含量；Si為依據《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中Ⅲ類水質評價標準；n為總的污染個數。

1.4 浮游植物采樣及分析方法

浮游植物樣品采集參考淡水生物資源調查技術規范(DB43/T 432—2009)，樣品經固定并濃縮后，使用0.10 mL浮游生物計數框顯微鏡(10×40倍)觀察計數。浮游植物種類鑒定參照《中國淡水藻類——系統、分類及生態》[11]進行分類鑒定，并計算浮游植物豐度及生物量。

1.5 優勢度及生物多樣性分析

本研究選擇優勢度(Y)、豐富度指數(D)[12]、香農維納多樣性指數(H′)[13]、均勻度指數(J′)[14]和辛普森多樣性指數(λ)[15]作為浮游植物群落評價指標。浮游植物的優勢種根據每個種的優勢度(Y)來確定，Y≥0.02確定為優勢種。

式中，ni為樣品中第i種浮游植物的數量；N為樣品中浮游植物所有種類總數量；fi為第i種浮游植物在各站位中出現的頻率；S為樣品中的浮游植物種類數；Pi為第i種浮游植物數量占總浮游植物數量的比例；Hmax為lnS，表示香農維納多樣性指數H′的最大值。

1.6 數據分析方法

采用Pearson相關性分析浮游植物與水環境之間的關系。浮游植物指標選擇浮游植物豐度、生物量及以上4種多樣性指數，水質指標選擇溫度、pH、溶解氧、高錳酸鹽指數、氨氮、總磷和總氮。分析前，對各項水質參數進行對數轉換。采用Canoco 4.5分析軟件對浮游植物與環境因子進行典范對應分析并使用Canodraw 4.5作圖。

2 結果與分析

2.1 建塘江水環境現狀及污染狀況評價

2.1.1 建塘江水環境調查結果

依據地表水環境質量標準(GB 3838—2002)對3個采樣斷面初始水質特征進行了調查，水溫具有顯著的時間差異，8月溫度達到最高值，各采樣斷面間無顯著性差異。不同采樣斷面pH為 8.20～9.02，各采樣斷面間無顯著性差異，多數采樣斷面均符合地表水環境質量標準。各采樣斷面溶解氧水平均大于6.00 mg/L，處于地表水環境質量標準Ⅰ～Ⅱ類間。高錳酸鹽指數為16.00～37.00 mg/L，屬于地表水環境質量標準Ⅲ～Ⅴ類。氨氮質量濃度均低于0.50 mg/L，為地表水環境質量標準Ⅰ～Ⅱ類，其中，10月氨氮質量濃度顯著高于其他月份(P<0.05)，但各采樣斷面無顯著性差異。總磷質量濃度為0.49～1.70 mg/L，均高于地表水環境質量標準Ⅴ類，是建塘江最主要的污染因子。總氮質量濃度為1.60～7.60 mg/L，為地表水環境質量Ⅴ類，5月C采樣斷面達到最高值(7.60 mg/L)，10月氨氮質量濃度顯著高于其他月份(P<0.05)。銅、鋅、汞、鎘、總鉻、鉛等重金屬指標含量均低于檢測限值(結果未顯示)，說明建塘江未受到重金屬污染。

表1 初始水環境現狀調查結果

注：*代表超過地表水環境質量標準Ⅴ類限值.

2.1.2 建塘江水質污染評價與分析

在土方開挖施工時，施工管理部門要制定好科學有效的計劃安排和組織管理，充分利用好施工現場的有利條件，嚴格控制施工成本、施工進度以及施工安全。很多情況下，基坑土方開挖的面積較大，在開挖過程中不僅要求配合錨桿和土釘的施工進行分步開挖，而且為了增加日出土量，都會選擇盆式開挖，也就是每邊給錨桿和土釘留有約10m的作業面，中間部分就以每步3～3.5m的速率開挖，其土方開挖允許的偏差如表1所示[3]。

根據《地表水環境質量標準》GB 3838—2002并結合濱海灘涂主要污染因子確定標準如下，高錳酸鹽指數為20.00 mg/L、氨氮為1.00 mg/L、亞硝態氮為0.20 mg/L、總磷為0.20 mg/L、總氮為1.00 mg/L，評價結果見表2。單項污染因子指數法評價結果顯示，高錳酸鹽指數(1.27～1.62)在各月均處于重污染狀態，氨氮在5—9月處于清潔狀態(0.02～0.07)，而10月為尚清潔(0.31)。與氨氮評價結果相一致，亞硝態氮在5—9月處于清潔狀態(0.01～0.12)，而10月為輕污染狀態(0.62)。總磷在各時間點均高于3.00，處于嚴重污染狀態，是建塘江最主要的污染物來源。總氮水質污染指數為1.93～4.83，處于重污染—嚴重污染水平。水質綜合污染指數P評價結果顯示，6—8月為重污染狀態(1.002.00)。

表2 建塘江水質污染指數評價結果

2.2 建塘江浮游植物群落結構特征

2.2.1 浮游植物種類組成

通過對建塘江各采樣點的水樣進行分析，共檢測出浮游植物48種，隸屬于6個門。其中綠藻門22種、藍藻門10種、硅藻門10種、裸藻門3種、甲藻門2種、隱藻門1種。從門的種類分布來看，綠藻門種類最多，占種類總數的45.8%；其次是藍藻門和硅藻門，均占種類總數的20.8%。

2.2.2 浮游植物現存量

建塘江浮游植物豐度和生物量變化見圖2，浮游植物豐度為86.00×104～635.00×104個/L，生物量為0.14～2.34 mg/L。從時間分布看，建塘江浮游植物豐度變化趨勢為9月>8月>6月>5月>7月>10月，生物量的變化趨勢為9月>6月>5月>8月>7月>10月。從空間分布看，各采樣斷面變化趨勢基本一致，入海口C采樣斷面豐度和生物量在各個月份均高于A、B兩個斷面。

2.2.3 浮游植物優勢類群及生物多樣性

優勢度計算結果見表3，建塘江浮游植物優勢種主要有6種，分別為顆粒直鏈藻(Melosiragranulata)、小顫藻(Oscillatoriatennuis)、具緣微囊藻(Microcystismarginata)、中華平裂藻(Merismopediasinica)、四尾柵藻(Scenedesmusquadricauda)和小環藻(Cyclotellameneghiniana)。但各月優勢種不同，顆粒直鏈藻在5—9月成為優勢種，小環藻在5、6、7、10月成為優勢種，綠藻門的四尾柵藻在10月成為優勢種，每月都有至少1種藍藻門的藻類[中華平裂藻、小顫藻、微小平裂藻(Merismopediatenuissima)、具緣微囊藻]成為優勢種。

圖2 建塘江浮游植物豐度和生物量

表3 建塘江浮游植物前三優勢種

建塘江浮游植物多樣性指數和均勻度指數分析結果(圖3)表明，豐富度指數為1.02～1.68，屬于α-中污，其中9月物種豐富度最高，10月下降到最低。各采樣點香農維納多樣性指數均處于2.00～3.00，屬于β-中污，最高也出現在9月，最低出現在6月。辛普森多樣性指數與香農維納指數基本一致。均勻度指數反映的是各個物種個體數目分配的均勻程度[10]，本研究中，10月均勻度指數最高，6月最低。

2.3 建塘江浮游植物群落結構特征與環境因子的關系

相關性分析結果表明，浮游植物豐度與溫度正相關(R=0.556)，隨溫度的升高而升高(表4)。而生物量與氨氮呈現顯著負相關(R=-0.548)。香農維納多樣性指數和均勻度指數均與pH呈現負相關關系，而辛普森多樣性指數則與pH極顯著正相關(P<0.05)。

圖3 建塘江浮游植物豐富度指數、多樣性指數和均勻度指數變化

溫度pH溶解氧高錳酸鹽指數氨氮總磷總氮豐富度指數香農維納多樣性指數辛普森多樣性指數均勻度指數浮游植物豐度溫度pH-0.09溶解氧0.010.56?高錳酸鹽指數-0.300.390.23氨氮-0.45-0.13-0.33-0.02總磷-0.330.06-0.58?0.260.33總氮-0.52?-0.25-0.320.200.440.48?豐富度指數0.34-0.40-0.18-0.16-0.44-0.09-0.31香農維納多樣性指數0.24-0.54?-0.44-0.090.130.220.220.46辛普森多樣性指數-0.110.62??0.150.410.040.430.11-0.280.07均勻度指數0.10-0.59?-0.48?-0.060.380.310.46-0.010.81??0.07浮游植物豐度0.56?-0.21-0.29-0.15-0.360.17-0.360.80??0.52?-0.070.10生物量0.17-0.13-0.25-0.03-0.55?0.18-0.360.80??0.24-0.15-0.150.85??

典范對應分析4個排序軸的特征值分別為0.39、0.27、0.22和0.11，前兩個排序軸可以解釋62%的浮游植物方差值。溫度(-0.55)主要貢獻于第1排序軸，溫度(-0.66)、溶解氧(0.54)、高錳酸鹽指數(0.74)和氨氮(0.51)主要貢獻于第2排序軸(圖4)。

浮游植物物種與環境因子排序見圖4，其中，第1象限主要與pH和溶解氧呈現正相關，主要物種包括藍藻門的微小色球藻(Chroococcusminutus，S2)、中華尖頭藻(Merismopediasinica，S10)，裸藻門的梭形裸藻(Euglenaacus，S14)，硅藻門的小環藻(S16)和綠藻門的舟形藻屬(Navicula，S22)。第2象限主要與高錳酸鹽指數、氨氮、總氮呈現正相關，主要包括藍藻門的中華平裂藻(S4)，硅藻門的尖針桿藻(Synedraacusvar，S19)、針桿藻屬(SynedraS23)、卵圓雙壁藻(Diploneisovalis，S25)和綠藻門的針形纖維藻(Ankistrodesmusacicularis，S29)、弓形藻(Schroederiasp.，S32)、三角四角藻(Tetraedromtrigonum，S34)、雙對柵藻(Scenedesmusbijuba，S35)、二形柵藻(S.dimorphus，S36)、四尾柵藻(S37)、齒牙柵藻(S、denticulatus，S38)、四足十字藻(Crucigeniatetrapedia，S40)、長綠梭藻(Chlorogoniumelongatum，S45)。第3象限主要與溫度和總磷呈現正相關，主要物種包括藍藻門的具緣微囊藻(S1)、微小平裂藻(S3)、小席藻(Phormidiumtenu，S5)、小顫藻(S6)、普通念珠藻(Nostoccommune，S8)、彎頭尖頭藻(Raphidiopsiscurvata，S9)和綠藻門的纖細月牙藻(Selenastrumgracile，S30)、華美十字藻(C.elabena，S41)、二角盤星藻纖細變種(Pediastrumduplex，S44)。第4象限包括藍藻門的卷曲魚腥藻(Anabeanaconvolutus，S7)，甲藻門的埃爾多甲藻(Peridiniumelpatiewskyi，S11)、光薄甲藻(Glenodiniumgymnodinium，S12)，裸藻門的尖尾裸藻(Euglenagasterosteus，S13)、尖尾扁裸藻(Phacusacuminatus，S15)，硅藻門的變異直鏈藻(Melosiravarians，S18)、雙頭輻節藻(Stauroneissmithii，S21)，隱藻門的卵形隱藻(Cryptomonsovata，S26)和綠藻門的小球衣藻(Chlamydomonasmicrosphaera，S27)、 肥壯蹄形藻(Kirchneriellaobesa，S31)、四角十字藻(C.quadrata，S39)、小空星藻(Coelastrummicroporum，S42)、十字頂棘藻(Chodatellatetrapedia，S43)、纖細新月藻(Closteriumgracile，S47)。

圖4 建塘江浮游植物與環境因子的典范對應分析排序

3 討 論

3.1 水環境現狀及污染狀況評價

與自然河流相比，建塘江作為一條重要的排水河道，易成為生活污水和工業廢水的排放對象，城市徑流面源污染逐漸加劇。由于灘涂地區特殊的生境，建塘江pH高于傳統河流。總氮、總磷作為建塘江主要污染物，均達到或者超過了地表水環境質量標準Ⅴ類水水平，高錳酸鹽指數在多數情況下成為主要污染物，可能與上游地區較多的生活污水排放有關。采用單因子分析法和綜合分析法對建塘江水進行質量評價，結果均為重污染—嚴重污染，說明建塘江水質受到了較大程度的污染，主要的污染物質為總磷、總氮和高錳酸鹽指數，其中總磷尤為嚴重。

3.2 浮游植物群落結構特征

浮游植物是水生態系統中物質循環和能量流動的重要組成部分，對環境變化比較敏感，其群落結構能夠間接反映水生態系統質量狀況[2,16]。本研究共檢測出浮游植物6門48種。其中綠藻門22種，藍藻門10種，硅藻門10種，裸藻門3種，甲藻門2種，隱藻門1種。主要種類為硅藻、藍藻和綠藻，這與大多數河流中浮游植物的組成相似[17-20]。建塘江浮游植物的豐度和生物量存在明顯的時間差異，可能與夏季高溫，水體中營養物質豐富，浮游植物大量繁殖有關。優勢種雖然存在一定的時間差異，但主要的優勢種為顆粒直鏈藻、小顫藻、具緣微囊藻、中華平裂藻、四尾柵藻和小環藻等種類，全為海、淡水均可生存的種類，可能與灘涂地區特殊的鹽度環境有關。均勻度指數反映了各物種個體數目分配的均勻程度，本研究均勻度指數為0.69～0.92，表明建塘江浮游植物均勻度良好。香農維納多樣性指數越大，表示該群落結構越復雜，穩定性越好。本研究中，香農維納多樣性指數處于2.00～3.00，表明建塘江水質狀況為β-中污。豐富度指數為1.02～1.68，屬于α-中污。

3.3 浮游植物群落結構特征及與環境因子的關系

相關性分析表明，水溫是影響浮游植物豐度的主要影響因子，可能與水溫升高，浮游植物得以快速生長和繁殖有關[21-23]，這與賴俊翔等[5-6]的研究結果一致。pH是重要的生態因子，也是一項反映水環境狀況的重要指標，過高或過低的pH均能引起養殖生物死亡[24]，而本研究中pH是影響多樣性的主要因素，可能與不同浮游植物對pH的耐受范圍不同有關[25]。浮游植物能夠通過光合作用將離子態的氨氮轉化成亞硝態氮，并進一步轉化成硝態氮。本研究中氨氮含量與浮游植物生物量呈現顯著的負相關，可能是由于監測前期浮游植物大量繁殖，吸收利用了水體中的氨氮，導致水體氨氮降低；而監測后期，浮游植物進入衰敗期，部分藻類死亡，藻類密度急劇下降，氨氮吸收能力下降。浮游植物衰敗過程中產生的大量浮游植物殘體也可能是導致水體中氨氮上升的主要原因。這與王崇明等[26]的研究結果一致。

環境因子對浮游植物群落結構的形成及變化具有十分重要的影響[27-30]。典范對應分析結果表明，溫度在第1排序軸和第2排序軸上均有較高的貢獻率，這與相關性分析結果一致，因此，溫度被認為是浮游植物季節性變化最為關鍵的因素[23]。本研究中浮游植物在排序圖上有較好的分化。藍藻門主要集中在第1象限，與溫度和總磷含量正相關，這與藍藻門耐高溫特性有關。綠藻門在各個象限均有分布，與綠藻門類群的多樣性有關，但第2象限包含綠藻門種類最多，說明綠藻門浮游植物能適應高氮營養鹽和有機物質。硅藻門主要分布在第1、2、4象限，與溫度呈負相關，說明高溫抑制了硅藻的生長。