閩江原厝水源地浮游植物群落結(jié)構(gòu)及其與環(huán)境因子的關(guān)系

陳小霞 馮美霞 林雅逢 翁笑艷

(福建省福州環(huán)境監(jiān)測中心站,福建 福州 350011)

閩江下游福州段屬于強(qiáng)潮汐河口感潮河段，穿越福州市中心區(qū)，承擔(dān)著福州市供水和納污功能，原厝水源地位于閩江下游(福州段)北港，是福州市重要的飲用水水源地之一。近年來，閩江干流下游河道逐年刷深，上游相同水流量下水位下降，潮流控制的范圍不斷擴(kuò)大，受潮汐影響，污染物輸送、擴(kuò)散條件下降，城市取水口和排污口交錯布局，導(dǎo)致城區(qū)部分水源地出現(xiàn)水質(zhì)超標(biāo)及水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象，甚至偶爾爆發(fā)硅藻水華，夏秋季節(jié)硅藻密度可達(dá)106個/升，與水體富營養(yǎng)化伴生的藻類爆發(fā)已成為閩江下游飲用水源保護(hù)面臨的新型生態(tài)問題。

目前，閩江下游福州段尚無開展水體富營養(yǎng)化及硅藻水華演替規(guī)律方面的系統(tǒng)研究，本文選擇具有典型代表性的城區(qū)飲用水源地為研究對象，旨在探索浮游植物的季節(jié)演替規(guī)律及其與環(huán)境因子的關(guān)系，為系統(tǒng)評估水體生態(tài)健康狀況、建立水體富營養(yǎng)化監(jiān)測預(yù)警機(jī)制、保護(hù)水源地水質(zhì)安全等提供基礎(chǔ)資料。

本文主要根據(jù)2017年10月至2018年9月原厝水源地的逐月調(diào)查和監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析浮游植物的種群結(jié)構(gòu)、數(shù)量分布、生物多樣性指數(shù)等群落特征，并對浮游植物與環(huán)境因子的相關(guān)性進(jìn)行分析。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與分析

在原厝水質(zhì)自動監(jiān)測站設(shè)立調(diào)查點(diǎn)位。從2017年10月開始，每個月分上、中、下旬進(jìn)行表層浮游植物樣品的采集。用浮游生物定性網(wǎng)在選定的采樣點(diǎn)于水面0.5m深處以每秒20～30cm的速度作∞形循回緩慢拖動5～10min，采集定性樣品。定性及定量樣品均用魯哥氏液現(xiàn)場固定。帶回實(shí)驗(yàn)室后，沉淀濃縮至20mL，分析時均勻取水樣0.1mL于計(jì)數(shù)框中，進(jìn)行種類鑒定與計(jì)數(shù)。采樣、樣品處理和室內(nèi)分析(包括樣品定性、定量分析)、資料整理等均按照《河流水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)指南》(試行)執(zhí)行。環(huán)境因子指標(biāo)參照原厝自動站每小時監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括：水溫、pH、溶解氧、氨氮、總磷、硝酸鹽氮、總氮。

1.2 統(tǒng)計(jì)評價方法

采用種類優(yōu)勢度(Y)[1]來確定：

Y=(ni/N)×fi

(1)

其中，ni為第i種的個體數(shù)，N為每個種的總個體數(shù)，fi為第i種在各站位中出現(xiàn)的頻率。Y>0.02為優(yōu)勢種。

Shannon多樣性指數(shù)(H′)計(jì)算公式[2]：

(2)

Margalef豐富度指數(shù)(D)計(jì)算公式[2]：

D=(S-1)/log2N

(3)

Pielou均勻度指數(shù)(J)計(jì)算公式[2]：

J=H′/log2S

(4)

公式(2)、(3)、(4)中,H′為種類多樣性指數(shù)，S為樣品中的種類總數(shù)，ni為第i種的個體數(shù)，N為每個種的總個體數(shù)。

本文采用SPSS軟件對圓篩藻類與環(huán)境因子進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析和雙側(cè)顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 浮游植物的物種組成及優(yōu)勢度

2017年10月～2018年9月，在閩江原厝水源地共鑒定出6門42種浮游植物，分屬硅藻門、綠藻門、隱藻門、甲藻門、裸藻門和藍(lán)藻門6個門類。浮游植物種類組成以硅藻占優(yōu)勢，其次為綠藻。檢定出的硅藻門共18種，占總種數(shù)的42.9%；綠藻門次之，共13種，占總種數(shù)的31.0%；隱藻門、甲藻門、裸藻門分別檢定出3種，各占總種數(shù)的7.14%；藍(lán)藻門檢定出2種，種類組成最少，僅占總種數(shù)的4.76%。由表1可見，四個季節(jié)的優(yōu)勢藻均為硅藻門中的圓篩藻類，優(yōu)勢度范圍0.14～0.21，其余藻類的優(yōu)勢度均小于0.02。

利用浮游植物優(yōu)勢類群對水質(zhì)進(jìn)行評價時，一般認(rèn)為，金藻門種類的大量出現(xiàn)表示水體處于貧營養(yǎng)狀態(tài)，隱藻門種類代表貧、中營養(yǎng)水體，甲藻門種類代表中營養(yǎng)水體，硅藻門代表中富營養(yǎng)水體，硅藻門和綠藻門代表富營養(yǎng)水體，藍(lán)藻門和綠藻門代表重富營養(yǎng)水體。閩江原厝水源地硅藻和綠藻占比達(dá)74.4%，從藻類組成來看，該點(diǎn)位可能出現(xiàn)水體富營養(yǎng)化。

表1 浮游植物優(yōu)勢種類

2.2 浮游植物的季節(jié)變化

閩江原厝水源地浮游植物細(xì)胞密度和種類數(shù)的季節(jié)變化見圖1。調(diào)查期間浮游植物的細(xì)胞密度范圍為6.08×106～30.15×106個/升，均值15.66×106個/升，最高值出現(xiàn)在夏季，最低值在冬季，表明浮游植物存在明顯的季節(jié)更替。種類數(shù)、圓篩藻數(shù)量變化趨勢與細(xì)胞密度相同。有研究表明[3]，溫度和藻類細(xì)胞數(shù)量在一定溫度范圍內(nèi)呈現(xiàn)的是正相關(guān)關(guān)系，即隨著溫度升高，藻類細(xì)胞數(shù)量有增加趨勢。夏季水溫較高，光照充足，適合浮游植物生存，可促進(jìn)浮游植物快速繁殖[4]，因此藻類細(xì)胞密度最大。冬季水溫低光照弱，藻類數(shù)量減少。

圖1 浮游植物細(xì)胞數(shù)和種類數(shù)的季節(jié)變化

2.3 浮游植物的多樣性指數(shù)

閩江原厝水源地浮游植物的多樣性指數(shù)(H′)范圍0.548～0.985，平均值為0.776；均勻度指數(shù)(J)范圍0.140～0.218，平均值為0.175；豐富度指數(shù)(D)范圍0.587～1.287，平均值為0.881。由圖2可知，從全年來看，多樣性指數(shù)與均勻度指數(shù)呈現(xiàn)相同的季節(jié)變化趨勢。H′在春季達(dá)到最低值(0.548)，隨著氣溫的上升，開始逐漸升高，在秋季達(dá)到最高值(0.985)，隨后開始降低，在冬季降至0.677。與H′和J不同，豐富度指數(shù)D在夏季達(dá)到最高值，秋冬季開始降低，直到翌年春季達(dá)到最低值。隨著均勻度的增加，多樣性指數(shù)也增加，而隨著豐富度指數(shù)的增加，多樣性指數(shù)卻沒有明顯增加。多樣性指數(shù)與均勻度之間的這種密切聯(lián)系在諸如捕食、競爭、演替等生態(tài)過程中均有所體現(xiàn)[5]。

多樣性指數(shù)(H′)是反映均勻度指數(shù)(J)和豐富度指數(shù)(D)的綜合指標(biāo)[6]，是表征群落穩(wěn)定性的重要參數(shù)。多樣性指數(shù)越高，生態(tài)系統(tǒng)越穩(wěn)定。一般而言，群落物種的多樣性指數(shù)受種類數(shù)和個體數(shù)量分布均勻程度的影響，種類數(shù)越高或物種分布越均勻，H′值越大[7]。秋季浮游植物的種類數(shù)為23種，僅次于夏季33種，秋季均勻度J最高，可能是秋季閩江原厝水源地浮游植物多樣性指數(shù)最高的原因。夏季溫度較高，光照較強(qiáng)，適宜浮游植物生長，這可能是浮游植物豐富度在夏季達(dá)到最高值的主要原因。

圖2 浮游植物的多樣性指數(shù)

2.4 主要環(huán)境因子

調(diào)查期間,33組環(huán)境因子的季節(jié)平均值如表2所示。水溫的變化規(guī)律表現(xiàn)為夏秋季節(jié)高、春冬季節(jié)低；溶解氧、硝酸鹽氮、總氮的季節(jié)變化與水溫相反，表現(xiàn)為春冬季節(jié)高、夏秋季節(jié)低；pH、氨氮、總磷的季節(jié)變化表現(xiàn)為秋冬季節(jié)高、春夏季節(jié)低。

閩江原厝水體中總磷濃度范圍0.036～0.079mg/L，總氮濃度范圍1.63～1.83mg/L，總磷含量普遍較低，總氮含量相對較高。氮和磷是藻類生長的主要營養(yǎng)物質(zhì)，是水體富營養(yǎng)化的顯著標(biāo)志，因此討論水體營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)需考慮TN/TP指標(biāo)，其分布變化不僅反映水域營養(yǎng)鹽的陸源輸入、海流運(yùn)輸、大氣沉降和人類活動的影響，同時在一定程度上也反映了水體中營養(yǎng)鹽的再生、循環(huán)機(jī)制和速率[8]。由表2可以看出，TN/TP比值均大于7，說明磷是閩江原厝水源地潛在的限制性營養(yǎng)鹽。其中春、冬季TN/TP比值較大，夏、秋季TN/TP比值較小。原因可能是冬、春季節(jié)交替變換時期，在太陽熱幅射的作用下，水溫逐漸回升，水體中微生物活躍，河流底質(zhì)及底質(zhì)附近的生物殘體，有機(jī)碎屑中微生物分解速度加快，并向水體釋放氮磷營養(yǎng)物質(zhì)，以滿足冬春交替時期水生生物進(jìn)入生長旺季，對營養(yǎng)元素的需求，導(dǎo)致TN/TP比值增大。夏季水溫較高，浮游植物繁殖快速，藻類密度和種類數(shù)達(dá)到最大，消耗較多的營養(yǎng)鹽，夏秋季節(jié)降水頻繁沖刷河道，TN/TP比值下降。

表2 環(huán)境因子的季節(jié)均值

2.5 主要指標(biāo)的相關(guān)性分析

對四個季節(jié)閩江原厝水源地優(yōu)勢藻種類圓篩藻細(xì)胞密度與水溫、pH、溶解氧等環(huán)境因子進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析和雙側(cè)顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。從全年來看，圓篩藻細(xì)胞密度與水溫、pH呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與氨氮、總磷呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。從季節(jié)看，春季圓篩藻細(xì)胞密度與各環(huán)境因子間相關(guān)性不顯著。夏季藻類細(xì)胞密度與水溫、pH、溶解氧呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與氨氮、總磷呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。秋季圓篩藻細(xì)胞密度與溶解氧呈顯著正相關(guān)關(guān)系。冬季圓篩藻細(xì)胞密度與水溫呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與溶解氧呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。圓篩藻細(xì)胞密度與環(huán)境因子間的關(guān)系存在明顯的季節(jié)變化，不同季節(jié)影響藻類生長的主要環(huán)境因子不同。

圓篩藻細(xì)胞數(shù)量與氨氮、總磷均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明圓篩藻細(xì)胞數(shù)量的增加是以不斷消耗水體中的氮、磷等營養(yǎng)鹽為基礎(chǔ)的。夏季水溫、pH值、溶解氧與圓篩藻細(xì)胞數(shù)量有著良好的正相關(guān)關(guān)系，主要是因?yàn)樗疁厣?，藻類?xì)胞數(shù)量增加，藻類利用光合作用吸收CO2，釋放大量O2，溶解氧隨著升高，水體中H+含量減少，pH值增大。

表3 圓篩藻密度與環(huán)境因子之間的相關(guān)性分析

3 結(jié)論

閩江原厝水源地共鑒定出6門42種浮游植物，種類組成以硅藻占優(yōu)勢，四個季節(jié)的優(yōu)勢藻類均為圓篩藻。浮游植物細(xì)胞密度和種類數(shù)存在明顯的季節(jié)更替，最高值出現(xiàn)在夏季，最低值在冬季。浮游植物多樣性指數(shù)與均勻度指數(shù)呈現(xiàn)相同的季節(jié)變化趨勢，表現(xiàn)為秋季>夏季>冬季>春季，豐富度指數(shù)表現(xiàn)為夏季最高。

調(diào)查期間主要環(huán)境因子表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化，TN/TP比值大于7，磷是閩江原厝水源地潛在的限制性營養(yǎng)鹽。相關(guān)性分析表明，圓篩藻細(xì)胞密度與水溫、pH呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與氨氮、總磷呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。