烏梁素海浮游植物污染指示種及水質評價

陳曉江 , 李興 , 李佳佳

烏梁素海浮游植物污染指示種及水質評價

陳曉江1, 李興2,*, 李佳佳1

1. 忻州師范學院生物系, 忻州 034000 2. 內蒙古師范大學內蒙古節水農業工程研究中心, 呼和浩特 010022

為了研究內蒙古烏梁素海湖泊水體污染程度, 在烏梁素海水域設置12個采樣點, 于2016年4月至11月期間, 每月的第一周對烏梁素海湖浮游植物進行采樣調查, 在實驗室鑒定浮游植物種類, 然后通過計算浮游植物污染生物指數方法, 分析湖泊水體污染狀況。結果顯示, 實驗室內通過鏡檢共鑒定測出浮游植物種類161種(包含6種變種), 屬于6 門57 屬, 其中以綠藻門種類數最多(60種), 其次為硅藻門(48種)、藍藻門(37種)和裸藻門(13種)。烏梁素海常見污染指示種為58種, 其中在群落中呈優勢的物種有梅尼小環藻()、四尾柵藻()、彎曲柵藻()、微小平裂藻()、點型平裂藻()、小空星藻()、細小隱球藻()、居氏腔球藻()、銅綠微囊藻()。烏梁素海湖泊浮游植物污染生物指數()平均值為2.55(當2.5<≤3.5 時, 為重度污染), 說明烏梁素海水體處于重度污染狀態。

浮游植物; 污染指示種; 污染生物指數; 烏梁素海

0 前言

湖泊資源是經濟社會賴以生存發展的重要基礎之一。目前人類活動的加強, 導致湖泊水質日益惡化, 降低了湖泊生態功能, 嚴重制約了我們生活的質量[1]。面對湖泊一系列的生態問題, 迫切要求我們應用生態學的理論和方法, 制定湖泊的生態修復與建設的措施與方法。但是由于湖泊生態系統的多樣性, 不同區域的湖泊差異性顯著, 在科學研究過程中, 構建的湖泊生態系統評價體系需要具有區域特性與針對性。隨著生態指示物種的深入研究, 以及在生態評價上以生物要素為核心的評價體系構建和應用, 以生物群落結合水質參數指標進行生態系統定量評價應用越來越廣泛[2]。

浮游植物多數為單細胞生物體, 作為水生生態系統重要的初級生產者, 對水環境的水體質量具有明確的指示作用[3]。根據浮游植物對環境變化的敏感性, 特別是特定的物種對特定的生境較強的適應性, 所以在水生態監測過程中, 常用作評價指標[4], 以充分揭示水生生態系統健康狀況, 預測水生態系統結構動態, 分析其恢復趨勢, 實踐中指導河流、水庫、湖泊等生態系統的保護和恢復。目前, 在水質污染監測和評價中, 根據浮游生物群落結構、功能與水環境特征的密切相關性, 常用浮游植物指標種、浮游植物多樣性指數、硅藻指數、藻類綜合指數、浮游植物密度和物種豐富度指數等指標來量化湖泊、河流和水庫的生態狀況[5-8]。本研究對烏梁素海應用浮游植物污染指示種方法分析其水生態狀況, 為烏梁素海的生態恢復提供數據支持, 為烏梁素海水質污染指示種及水質污染程度動態變化積累基礎數據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

烏梁素海是由于黃河改道形成的牛軛湖, 由于河套灌區退水輸入到湖泊中, 氮磷營養鹽的增加, 導致湖泊水體呈富營養化, 湖泊水質下降[9]。烏梁素海屬于草-藻型湖泊, 位于中溫帶干旱和半干旱區, 該區域降水量年均值為224 mm, 蒸發量年均值卻高達1502 mm; 年均氣溫為7.3 ℃, 水域面積約為280.38 km2, 湖水深度0.5—4 m 之間(其中枯水期湖水深度為0.5—2.5 m, 豐水期湖水深度為0.5—4 m), 蓄水量2.5—3.0 億m3, (其中枯水期湖泊蓄水量為2.5億m3, 豐水期湖泊蓄水量為3.0 億m3)。其中明水區面積為112.13 km2, 水體中有豐富的水生植物, 明水區內的85.7 km2為沉水植物密集區, 沉水植物群落以龍須眼子菜為優勢種, 挺水植物以蘆葦為優勢種, 蘆葦面積為110.97 km2, 占水域面積的39.5%[9-11]。烏梁素海的冰封期較長, 一般約為5個月, 時間是每年11 月初結冰, 直到翌年3 月末到4月初才開始融化。烏梁素海其補水來源的90%為河套地區的農業退水、工業廢水和生活污水, 導致水量減少主要是蒸發、滲漏和從西山咀河口排入黃河[11]。烏梁素海在該區域具有重要的生態價值, 作為鳥類覓食、棲息和繁殖的場所, 湖泊流域生物多樣性非常豐富, 其中鳥類有17目49科, 約241種, 其中國家一級保護的鳥類有5種, 二級保護的有25種[12]。

1.2 浮游植物水樣采集和處理

取樣點布置是根據烏梁素海的水動力學特征、水生植物分布特征、入水和出水口位置特點, 按照水域生態系統觀測規范[13], 在烏梁素海布置了12個采樣點(見圖1), 樣點定位用GPS 進行定位記錄, 以便于取樣時準確定位。采樣時間為2016 年4 月—10月, 每月中旬取樣一次, 在各采樣點采集浮游植物樣品, 同時在取樣現場進行水溫(T)、水深(h)、電導率(EC)、pH、溶解氧(DO)、透明度(SD)等水質參數的測定(使用儀器為multi350i 便攜式水質分析儀), 依據《水和廢水監測分析方法(第四版)(增補版)》[14]中的測定方法現場采集水樣帶回實驗室進行總氮(TN), 總磷(TP)、總溶解性固體(TDS)等指標的測定(國家環境保護總局, 2002)。每個采樣點的采樣情況是當采樣點水深小于1 m 時, 在水層中部采樣; 當水深大于1 m 時, 在水面下0.5 m 處采樣。

浮游植物定性樣品使用25#浮游生物網采集, 采集時把浮游生物網以“∞”形在水體表層拖拉5分鐘進行撈取, 采集水樣注入樣品瓶中, 并滴入1.5%福爾馬林溶液3 mL保存, 帶回實驗室用顯微鏡進行鏡檢, 應用形態分類方法進行種類鑒定。定量樣品用采水器采集1 L 水樣后加入15 mL魯哥試劑保存, 定量樣品帶回實驗室后在實驗臺上靜置30小時后, 去掉上清液濃縮至30 mL 裝入定量樣品瓶中, 用于定量分析。浮游植物物種鑒定方法, 首先從搖勻后的濃縮樣品瓶中取0.1 mL水樣制備裝片, 每個樣品制備10 張裝片, 在型號為Olympus CX31 光學顯微鏡下, 每個裝片觀察計數20個視野, 根據鏡檢中的浮游植物形態特征, 依據參考資料的物種描述特征鑒定種類。浮游植物種類鑒定參考資料為《中國淡水藻類-系統、分類及生態》和《淡水微型生物與底棲動物圖譜》等資料[15-19]。

1.3 數據處理

物種優勢度計算公式為:

=(N/)/F, 當≥0.02時為優勢種, 全年都有分布的物種定為常見種。

Shannon指數計算公式為:

=-∑P×log2P(P=N/)

Pielou均勻度指數計算公式為:

=/log2

浮游植物污染生物指數計算公式為:

=∑L×f/∑f

計算公式中:為物種優勢度值;為樣品中的總個體數;N為第種的個體總數;F為第種個體在各采樣點出現的頻率;為樣品中種類總數;為浮游植物污染指數值;L為第i種藻種污染分值, 根據污染指示級別, 將藻種污染類型分為寡污性(os)、α-中污性(α-ms)、β-中污性(β-ms)和多污性/β-多污性(ps/β-ps), 分別賦值1—4 分, 指示多污染級別的物種以其平均值計算[20];f為第種個體在各采樣點出現頻率按五級劃分所賦的分值(出現頻率按≤20% 、20%—40%、40%—60%、60%—80%和＞80%劃分為5 級, 分別賦值1—5 分); 當1.0≤≤1.5 時, 為輕度污染水體; 當1.5<≤2.5 時, 為中度污染水體; 當2.5<≤3.5 時, 為重度污染; 當為3.5—4.0 時, 為嚴重污染[20,21]。浮游植物污染指示種和指示污染等級參照文獻[22]、[23]和[24]確定。

2 結果與分析

2.1 烏梁素海藻類污染指示種

在烏梁素海所設12個采樣點, 于2016年4月到10月期間所采水樣中, 通過定性和定量鏡檢分析, 共檢測出浮游植物種類161種(包含6種變種), 屬于6 門57 屬, 其中以綠藻種類最多, 其次為硅藻、藍藻和裸藻(表1)。在12個采樣點檢測出常見污染指示種58種, 以α-ms (α-中污性)種類最多, 其次為β-ms(β-中污性)和β-ps(β-多污性)種類(表2)。其中整個生態監測期都出現的在群落中占優勢的污染指示種有9 種, 梅尼小環藻()、四尾柵藻()、彎曲柵藻()、微小平裂藻()、點型平裂藻()、小空星藻()、細小隱球藻()、居氏腔球藻()、銅綠微囊藻()。

注: 采樣點w1和w11在明水區和蘆葦區交界點位置; 采樣點w2在干渠入湖口; 采樣點w3在蘆葦區; 采樣點w4、w5、w7、w8和w9在明水區; 采樣點w6和w10在隱水區; 采樣點w12在烏拉特旗出水口。

Figure 1 Sketch map of sampling sites

表1 烏梁素海水體中污染指示種數量

2.2 浮游植物多生物樣性指數、均勻度指數和污染生物指數

烏梁素海的浮游植物生物多樣性指數值()在不同采樣點和不同時間上具有差異性, 在生態調查取樣期內, 烏梁素海除了5月份值小于3外, 其他取樣時間上的值皆大于3, 說明烏梁素海浮游植物具有較高的生物多樣性(圖2)。其中在取樣時間里,最小值為2.89(5月份), 1<<3, 為中度污染水體;最大值為3.73(8月份)。4月份在12個采樣點的值波動范圍為2.83≤≤4.35, 其中值最小值在采樣點W3(=2.83), 最大值在采樣點W9(= 4.35); 5月份最小值在采樣點W5(=1.9), 最大值在采樣點W6(=3.95); 6月份最小值在采樣點W11(=1.81), 最大值在采樣點W2(=4.14); 7月份最小值在采樣點W2(=1.93), 最大值在采樣點W1(=4.07); 8月份最小值在采樣點W12(= 2.91), 最大值在采樣點W5(=4.51); 9月份最小值在采樣點W11(=2.47), 最大值在采樣點W5(= 4.73); 10月份最小值在采樣點W6(=2.87), 最大值在采樣點W5(=4.43)。

表2 烏梁素海常見污染指示種及污染指示等級

續表

注: os(寡污性); α-ms(α-中污性); β-ms(β-中污性); ps(多污性); β-ps(β-多污性)。

烏梁素海的浮游植物均勻度指數值()在不同采樣點和不同時間上具有差異性, 在各個采樣點均值上, 從4月份到10月份均勻度差異性小,均值的波動范圍為0.70≤≤0.78(圖2)。其中在取樣時間里,最小值為0.70(5月份);最大值為0.78(10月份)。4月份在12個采樣點的值波動范圍為0.59≤≤0.94, 其中值最小值在采樣點W2(=0.59), 最大值在采樣點W9(=0.94); 5月份最小值在采樣點W5(=0.33), 最大值在采樣點W1(=0.944); 6月份最小值在采樣點W11(=0.44), 最大值在采樣點W4(=0.94); 7月份最小值在采樣點W6(=0.45), 最大值在采樣點W5(=0.91); 8月份最小值在采樣點W11(=0.54), 最大值在采樣點W5(=0.97); 9月份最小值在采樣點W12(=0.54), 最大值在采樣點W2(=0.88); 10月份的最小值在采樣點W6(=0.59), 最大值在采樣點W7(=0.96)。結合較高的多樣性指數值, 說明烏梁素海水體營養鹽豐富, 浮游植物生長所需要資源充足。

圖2 烏梁素海浮游植物生物多樣性指數和均勻度指數

Figure2 Phytoplankton biodiversity index and evenness index in Wuliangsuhai Lake

通過實驗室鏡檢檢測出浮游植物污染指示種161 種(含6變種), 分屬6門57 屬, 揭示出烏梁素海的浮游植物污染指示種具有較高的多樣性, 所以運用生物多樣性指數值和均勻度指數值評價烏梁素海水質, 會出現較高的生物多樣性指數值和均勻度指數值。運用污染生物指數值法計算烏梁素海浮游植物污染生物指數,年平均值為2.55, 其中2016 年8 月的污染生物指數最小(=2.48)(圖3)。按照污染指數評價標準判斷, 烏梁素海全年的植物污染生物指數值大于2.5, 說明其水質受到重度污染。

3 討論

通過對草-藻型湖泊烏梁素海的研究, 烏梁素海的浮游植物污染指示種共鏡檢出6門57 屬161種(包括6變種), 主要是綠藻、硅藻、藍藻和裸藻, 說明在該湖泊中污染指示種具有較高的多樣性, 其原因是與湖泊中有豐富的水生植物蘆葦、狐尾藻和眼子菜等。水生植物豐富度與浮游植物多樣性呈顯著正相關性[25]。浮游植物是水體中重要的初級生產者,同時浮游植物多為單細胞, 對水環境變化極具敏感性, 在研究水環境質量中常作為指示生物[26]。這次通過對烏梁素海12個采樣點從4月至10月的取樣鏡檢中, 共鑒定出常見的污染指示種達58 種, 且多為ms污染種, 揭示出了烏梁素海污染程度, 在常見的污染指示種中有梅尼小環藻、四尾柵藻、彎曲柵藻、微小平裂藻、點型平裂藻、小空星藻、細小隱球藻、居氏腔球藻、銅綠微囊藻等在群落中占優勢, 且在時空間的分布上有顯著差異, 說明了烏梁素海具有復雜的水環境特征, 水域中豐富的蘆葦區對湖泊的切割, 形成了豐富的水域微環境。根據烏梁素海優勢種的污染指示等級多為中污染和多污染, 表明水質處于中度污染到重度污染水平。烏梁素海水域環境復雜程度高, 對其水質進行單一參數整體評價結果具有局限性, 而運用多樣性指數、均勻度指數和污染生物指數多個參數分析, 發現烏梁素海浮游植物雖然具有較高的多樣性指數值和較高的均勻度指數值, 但是浮游植物物種多為耐污染種類。充分揭示了烏梁素海作為草-藻型湖泊, 一方面富營養化的水體提供了浮游植物生長的良好環境條件, 另一方面豐富的水生植物對藻類的生長有一定限制作用, 從而提高了浮游植物均勻度指數值。

圖3 烏梁素海不同取樣月份浮游植物污染生物指數

Figure3 Phytoplankton indexes of pollution in different sampling months in Wuliangsuhai Lake

由于浮游植物污染指示種方法具有快速客觀和較強實踐性的特點, 目前諸多研究利用浮游植物污染指示種方法對湖泊和水庫水質進行了評價, 其中研究藻型湖泊的成果較豐富。隨著經濟社會的發展, 內陸水體富營養化程度日趨嚴重, 所以多數研究報道其水體中浮游植物群落中占優勢的種類多為ms污染指示種(屬)和ps污染指示種(屬)。貴州威寧草海為典型的草型淺水湖泊, 其常見污染指示種為33種, 多數為α-ms種類, 其次為β-ms種類, 在常見的33種中有污染指示等級為ms和ps的銅綠微囊藻、點形裂面藻、微小隱球藻、嚙蝕隱藻、小球藻和分歧錐囊藻等在群落中成優勢種[21]; 大九湖是高山濕地湖泊, 其浮游植物優勢種四尾柵藻、纖細席藻、球衣藻、短縫藻、顆粒直鏈藻、短線脆桿藻、小形色球藻為ms污染指示種[27]; 西安市漢城湖優勢種有束絲藻屬、平裂藻屬、直鏈藻屬、隱藻屬、藍隱藻屬、囊裸藻屬、裸甲藻屬、鼓藻屬、小球藻屬和衣藻屬多為ms污染指示種(屬)[28]; 滇池湖泊全年以ms污染指示等級的微囊藻屬、盤星藻屬和束絲藻屬占優勢[29, 30]。烏梁素海浮游植物種類多數為ms污染指示種屬, 原因是烏梁素海承擔著黃河灌區的灌溉任務, 黃河灌區大量富含氮磷營養鹽的退水再次注入烏梁素海中, 導致了湖泊水體富營養化程度較高, 水體中豐富的營養鹽含量導致藻類暴發式生長, 在夏季曾多次發生藍-綠藻水華現象, 使湖泊水質污染程度持續加劇, 污染程度越來越嚴重[10]。烏梁素海豐富的水生植物一方面對排入烏梁素海中的污染物通過吸收, 起到了對水體凈化作用, 另一方面, 水生植物在衰老死亡后腐爛在水體中, 增加了水體的富營養化, 且水生植物雖然對藻類有競爭抑制作用和化感作用, 但是水生植物減緩的湖泊水體的流動性, 且腐爛后增加了水體的富營養化, 促進了藻類的生長, 使得烏梁素海水質污染程度持續呈上升趨勢。隨著對烏梁素海治理措施的加強, 如生態補水、生態監測和綜合生物治理等措施, 烏梁素海的水質污染程度得以有所緩解和改善。

4 結論

在烏梁素海各種水域共12個采樣點中, 于2016 年4 月—2016 年10 月期間所采集的水樣中, 通過實驗室鏡檢檢測出浮游植物種類161 種(含6變種), 分屬6門57 屬, 其中常見的污染指示種為58種, 揭示出烏梁素海的浮游植物污染指示種具有較高的多樣性。通過污染生物指數值評價烏梁素海水質, 結果為重度污染趨勢。

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Pollution indicator species and evaluation of water quality in Wuliangsuhai Lake

CHEN Xiaojiang1, LI Xing2,*,LI Jiajia1

1. Department of Biology, Xinzhou Teachers University, Xinzhou 034000, China 2. Inner Mongolia Engineering Research Center for Water-saving Agriculture, Inner Mongolia Normal University, Hohhot 010022, China

In order to study the pollution degree of Wuliangsuhai Lake, Inner Mongolia, 12 sampling points were set in the water area of Wuliangsuhai Lake. From April to November 2016, in the first week of each month, phytoplankton samples were collected and investigated in Wuliangsuhai Lake. Phytoplankton species were identified in the laboratory. Then, the pollution status of lake water was analyzed by calculating phytoplankton pollution biological index. The results showed that a total of 161 species (including 6 varieties) of phytoplankton were identified by microscopic examination in the laboratory, belonging to 6 phyla, 57 genera, of which chlorophyta had the most species (60 species), followed by Chlorophyta (48 species), Cyanophyta (37 species) and Euglenophyta (13 species). There were 58 common pollution indicator species in Wuliangsuhai Lake, which of them were dominant species, such as,,,,,,,,. The average value of phytoplankton pollution index was 2.55 in Wuliangsuhai Lake(when 2.5 <≤3.5, the lake was heavily pollution),indicating that the water body of Wuliangsuhai Lake was heavily pollution.

phytoplankton; pollution indicator species; biotic index of pollution; Wuliangsuhai Lake

陳曉江, 李興, 李佳佳. 烏梁素海浮游植物污染指示種及水質評價[J]. 生態科學, 2021, 40(3): 231–237.

CHEN Xiaojiang, LI Xing, LI Jiajia. Pollution indicator species and evaluation of water quality in Wuliangsuhai Lake[J]. Ecological Science, 2021, 40(3): 231–237.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.03.027

X835

A

1008-8873(2021)03-231-07

2020-11-01;

2020-12-07

中央引導地方科技發展資金項目(2020ZY0026); 博士科研啟動項目(047/00000415); 忻州師范學院基金項目(047/00000443)

陳曉江(1974—), 男, 山西大同人, 講師, 博士, 主要從事水生態監測, E-mail: cxjmy@126.com

李興, 男, 副教授, 主要從事農業節水灌溉研究, E-mail:549645024@qq.com