基于附著藻類多樣性和TLI的府河水質評價

張琪，苑博，周靜，朱珍妮，肖國華，劉存歧

(1.河北大學 生命科學學院，河北 保定 071002；2. 河北省海洋生物資源與環境重點實驗室，河北 秦皇島 066200)

附著藻類是一種普遍生長于河流生態系統中的附著生物[1].作為水生態系統食物鏈中的重要的初級生產者之一，附著藻類對環境的要求低，可以在低溫、低營養、低光照的環境中正常生存，具有很高的初級生產力.在淺水及河流沿岸區域，附著藻類在生態環境中占有優勢，生物量遠遠大于浮游植物，物種數量幾乎占總藻類的90%[2]，在富營養化的濕地環境中，附著藻類的生物量幾乎與大型水生植物相當[3].附著藻類可以通過吸收水體中的氮磷，為自身的生長活動提供養分，同時可以降低水體中的營養鹽含量，改善水體環境.因此，附著藻類的研究越來越受到關注.

研究發現，水體中的氮磷等營養鹽含量與附著藻類的生物量、物種組成等有著密切的關系[4]，因此可以通過鑒定附著藻類的物種組成和優勢種等來判斷水體污染狀況[5-6].彭艷俠等[7]研究了府河浮游植物與水體理化指標的相關性，在一定程度上體現了府河水質的變化.但對于附著藻類在府河的分布以及對水質的響應鮮見報道.

府河屬大清河水系，主要有支流黃花溝、金線河匯入，是白洋淀重要的源頭河流，其水質直接影響白洋淀水質的優劣.本研究調查了府河附著藻類群落結構和時空分布變化，并利用物種多樣性指數和綜合營養狀態指數(TLI)對府河水質進行了評價，為府河和白洋淀生態修復提供了基礎數據和理論支持.

1 材料與方法

1.1 采樣點設置、樣品采集與處理

1.1.1 采樣點設置

根據府河自身特點，在府河的上、中、下游及支流依次設置10個采樣點，同時在白洋淀的鰣鯸淀設置1個采樣點考察府河水質對白洋淀的影響，采樣點設置如表1.

表1 府河附著藻類采樣點的設置Tab.1 Sampling sites of periphyton in Fuhe River

1.1.2 樣品的采集與處理

2016年4月至11月，按照春季、夏季和秋季的時間設置進行水體理化指標測定，并對附著藻類樣品進行采集.每個采樣點選擇10個標準載玻片作為人工基質，放入有機玻璃支持框制成人工附著藻類采集器，將其放置在各個采樣點中，14 d后取回至實驗室觀察.

利用毛筆刷將采集到的載玻片正反面上的附著藻類刷到燒杯中，定容至400 mL，對其葉綠素a(Chla)進行測定；將魯格試劑加入到50 mL的藻液中，待靜置48 h后在顯微鏡下觀察并對藻類進行物種鑒定與計數.

1.2 水體理化因子的測定

對水體中總氮(TN)、總磷(TP)和Chla進行測定，TN、TP均按照國家地表水環境質量標準方法測定，Chla通過PHYTO-PAM光合測定儀進行測定.

1.3 附著藻類的鑒定與計數

在藻液中加入魯格試劑并搖勻靜置，吸取0.1 mL的藻液置于規格為20 mm×20 mm的0.1 mL計數框中，在顯微鏡下鑒定并計數[1].藻類鑒定參照文獻[8]和[9].

1.4 附著藻類物種多樣性分析

采用Shannon-Wiener多樣性指數(H′)[10]、Margalef多樣性指數(M)[11]和Pielou均勻度指數(J)[12]對水質進行評價[13].

1.5 綜合營養狀態指數

綜合營養狀態指數計算公式為

TLI(∑)=∑Wj·TLI(j),

式中,TLI(∑)為綜合營養狀態指數；TLI(j)為第j種參數的營養狀態指數；Wj為第j種參數的營養狀態指數的相關權重.

以Chla作為基準參數，則第j種參數的歸一化的相關權重計算公式為

式中,rij為第j種參數與基準參數Chla的相關系數；m為評價參數的個數.詳細計算及分級標準見參考文獻[14].

本實驗利用TLI對府河的營養狀況進行評價[1，14].計算公式為

TLI(Chla)=10×(2.5+1.086×ln Chla),
TLI(TP)=10×(9.436+1.624×ln TP),
TLI(TN)=10×(5.453+1.694×ln TN),

式中,Chla單位為mg/m3，TN和TP單位均為mg/L.

2 結果與分析

2.1 附著藻類物種群落組成

本次調查共鑒定出附著藻類6門，147種(屬)；其中，采樣點S11的附著藻類物種數最多，為87種，S4的種類最少，為70種.不同季節府河附著藻類各門類物種數量統計結果如圖1所示，硅藻門、綠藻門和藍藻門在府河的附著藻類群落結構中占有優勢.由圖1可知，春季、夏季和秋季水體中優勢種均屬硅藻門，占比分別為51.7%、43.8%和54.7%.隨著季節的變化，硅藻門的占比逐漸增加；綠藻門、藍藻門、甲藻門、裸藻門和隱藻門的占比逐漸減少.

圖1 不同季節府河附著藻類物種分布Fig.1 Seasonal distribution of periphyton species in Fuhe River

2.2 附著藻類群落的多樣性指數變化

如圖2所示，府河附著藻類Shannon-Wiener多樣性指數(H′)在春季、夏季和秋季的波動范圍不大，為2.664～3.428，S7采樣點秋季出現最低值，S11采樣點夏季出現最高值.從時間分布來看，夏季H′值普遍高于春季和秋季，春季高于秋季.春季，最高值出現在采樣點S10，最低值出現在采樣點S4；夏季，最高值出現在采樣點S11，最低值出現在采樣點S5；秋季，最高值出現在采樣點S10，最低值出現在采樣點S7；全年平均最高值出現在采樣點S10，最低值出現在采樣點S5，全年平均H′值為2.973.按照H′評價標準可以看出，春季白洋淀入淀河段采樣點S9和S10以及鰣鯸淀S11水體的H′值均大于3，屬于輕污染狀況，其余采樣點屬于中污染狀況；夏季水體中采樣點S1、S2、S4和S5的H′值均在2～3，屬于中污染，其余采樣點均大于3，屬于輕污染；秋季水體中只有S10采樣點的H′值大于3，屬于輕污染，其余采樣點均屬于中污染.全年水體中H′值大于3的采樣點有4個，分別為S3、S9、S10和S11，水體狀況屬于輕污染，其余采樣點的H′值均為2～3，屬于中污染；其中水質狀況最好的是采樣點S10，H′值為3.174；水質最差的采樣點是S4，H′值為2.884.

圖2 府河附著藻類Shannon-Wiener多樣性指數(H′)的變化Fig.2 Variation of Shannon-Wiener diversity index (H′) of periphyton in Fuhe River

府河的附著藻類Margalef多樣性指數(M)為2.173～7.747，由圖3可知，春季和秋季時M值差異不大，夏季普遍高于春、秋2季，最低值出現在秋季的S7采樣點，最高值出現在夏季的S11采樣點.春季，最高值出現在采樣點S9，最低值出現在采樣點S4；夏季，最高值出現在采樣點S11，最低值出現在采樣點S5；秋季，最高值出現在采樣點S10，最低值出現在采樣點S7；全年平均最高值出現在采樣點S10，最低值出現在采樣點S5，全年M平均值為4.217.根據M評價標準：春季水體中除了采樣點S4的M值為1～3，其余采樣點M>3，屬于輕污染；夏季水體中只有采樣點S5水質屬于中污染，其余采樣點均屬于輕污染；秋季水體中，S7采樣點的M值為1～3，其余各采樣點M>3.全年各采樣點M平均值均大于3，其中最高的是S10，M=5.328，最低的為S5，M=3.304.

圖3 府河附著藻類Margalef多樣性指數(M)的變化Fig.3 Variation of Margalef diversity index (M) of periphyton in Fuhe River

府河流域的附著藻類Pielou均勻度指數(J)為0.292～0.554，由圖4可知，春季、夏季和秋季的J整體變化差異不大，最低值出現在春季的采樣點S4，最高值出現在秋季的采樣點S11.春季，最高值出現在采樣點S10，最低值出現在采樣點S4；夏季，最高值出現在采樣點S6，最低值出現在采樣點S4；秋季，最高值出現在采樣點S11,最低值出現在采樣點S1；全年平均的J最高值出現在采樣點S10，最低值出現在采樣點S4，全年J平均值為0.474.根據J水質評價標準：春季水體中，S4采樣點的J值最低，水質情況屬于重污染，其余采樣點均屬于中污染；夏季水體中有4個采樣點的J值位于0.3～0.5，水體屬于中污染，其余采樣點屬于輕污染；秋季水體中S2、S9、S10和S11的J值位于0.5～0.8，屬于輕污染，其余采樣點屬于中污染；全年水體中S10和S11的J值為0.5～0.8，屬于輕污染，其余采樣點屬于中污染；其中最高值0.515在采樣點S10，最低值0.401在采樣點S4，屬于中污染.

圖4 府河附著藻類Pielou均勻度指數(J)的變化Fig.4 Variation of Pielou evenness index (J) of periphyton in Fuhe River

2.3 綜合營養狀態指數

根據府河和白洋淀的11個采樣點的監測數據，選擇TN、TP和Chla 3個指標作為評價因子并計算11個采樣點在春、夏、秋3個季節的TLI(∑)，不同季節各采樣點的評價結果及全年評價結果如表2～5.

表2 春季府河11個采樣點的綜合營養狀態指數 (TLI)Tab.2 Comprehensive trophic level index(TLI) of 11 sampling sites in Fuhe River in spring

春季，11個采樣點整體偏輕度富營養狀態，其中綜合營養狀態指數最高的采樣點為S6，營養化等級呈輕度富營養；最低的采樣點為S11，營養化等級呈中營養狀態.

表3 夏季府河11個采樣點綜合營養狀態指數(TLI)Tab.3 Comprehensive trophic level index(TLI) of 11 sampling sites in Fuhe River in summer

夏季，11個采樣點中有5個為中營養狀態，其余均為輕度富營養狀態；其中TLI最高的為S4采樣點，最低的為S8采樣點.

秋季，11個采樣點的水質整體偏中營養狀態；其中TLI最高的為S8，水體呈輕度富營養狀態，最低的為S3，水體呈中營養狀態.

表4 秋季府河11個采樣點綜合營養狀態指數(TLI) Tab.4 Comprehensive trophic level index(TLI) of 11 sampling sites in Fuhe River in autumn

全年水體中，采樣點S3、S7、S9、S10和S11處于中營養狀態，其余采樣點均處于輕度富營養狀態；TLI最高的是采樣點S4，最低的是S11.

表5 全年府河11個采樣點綜合營養狀態指數 (TLI)Tab.5 Annual comprehensive trophic level index(TLI) of 11 sampling sites in Fuhe River

從府河11個采樣點營養化等級評價結果可以看出，TLI最大值出現在春季的S6采樣點，最小值出現在秋季的S3采樣點.從時間維度上，春季和夏季水體中以輕度富營養化的水體為主，秋季水體主要以中營養程度為主.從空間維度上，采樣點S3和S11的TLI普遍較低，營養程度較低，水質情況較好.

3 討論

目前研究表明，物種多樣性在一定程度上反映了水體的營養狀況[15-16]，物種多樣性越高，多樣性指數越大，水質情況越好[15,17].從全年來看，府河附著藻類多樣性指數夏季普遍高于春季和秋季，這可能是因為夏季溫度較高，有利于藻類的生長，使附著藻類的物種數量增加.

通過TLI評價結果看出，全年水體中各采樣點的TLI從上游到下游有降低的趨勢，這和附著藻類多樣性指數的趨勢一致，這可能是府河從上游到下游的過程中，河流的自凈能力降低了河流中的污染程度；其中采樣點S6的水體營養指數較高，水體呈現輕度富營養化，由于該采樣點位于村莊河流附近，村莊生活污水對水體的污染較高；同時作為3條支流的匯流點，綜合了支流的營養物質，導致該采樣點水體營養程度高.而采樣點S11的TLI最低，水質最好，說明了白洋淀的濕地自凈功能在一定程度上改善了水質.

通過對比附著藻類多樣性指數和TLI評價結果，府河秋季水體質量高于春季和夏季，這和通過附著藻類多樣性指數得出的部分結果稍有差異，原因可能是在TLI評價中，水體理化指標反映出了較強的時間異質性，而在附著藻類多樣性鑒定和計數過程中，人為因素對結果的干擾不可忽視[8].

根據研究結果，建議在以后的府河生態規劃和建設中應注意對沿河村莊附近的垃圾集中處理，減少村莊垃圾對河道的污染；建設河流生態修復工程，對保定市區的工業廢水排放加強管理和懲戒力度，增強河流自凈能力，提高河流生態系統修復功能.