漢江下游干支流浮游植物群落特征及其對水質的指示評價

余業鑫,李 艷,向羅京,柳滿森,趙恩民,郭益銘,王海軍,5

1.華中農業大學水產學院,湖北 武漢 430070

2.中國科學院水生生物研究所,淡水生態與生物技術國家重點實驗室,湖北 武漢 430072

3.湖北省環境科學研究院,湖北 武漢 430073

4.中國地質大學,湖北 武漢 430074

5.云南大學生態與環境學院高原湖泊生態與治理研究院,云南 昆明 650504

浮游植物作為河流生態系統的主要初級生產者,對生態系統的物質循環和能量流動有著重要影響[1-2]。 一方面,浮游植物可吸收利用水中的營養物質,將水中的無機物轉化為有機物帶入食物鏈;另一方面,浮游植物可作為浮游動物及濾食性魚類的食物,將能量向上一級傳遞[3]。 浮游植物對水環境的變化比較敏感,常被用于水質評價及預警等[4-6]。 運用浮游植物評估水質狀況可以彌補物理和化學監測的局限,并且可以根據藻類的動態變化,全面、真實地反映水質的優劣,掌握污染的發展趨勢[7]。 國內外許多學者利用浮游植物對河流、湖泊和海洋水質進行了評價[8-10]。BORICS 等[11]提出了應用浮游藻類對大型河流富營養化狀況進行評估的思路和方法。 SABATE等[12]利用浮游藻類特征對河流生態狀況進行了評價。 WU 等[6]通過調查河流浮游植物生物完整性指數,評估了人類活動對河流浮游植物群落的干擾。 孟東平等[13]通過測定汾河太原段34 個優勢藻種的生態位寬度和生態位重疊,分析了該區域浮游藻類群落的穩定性。 此外,浮游植物群落特征也被應用于河流生態修復工程效果評估。

漢江是長江最長的一級支流,有著十分重要的生態和經濟價值。 丹江口水庫以上為漢江上游,丹江口至鐘祥為中游,鐘祥至漢口為下游。 漢江下游干流沿途經過6 個縣市,全長382 km。 漢江生物多樣性比較豐富,如漢江干流及秦嶺南麓5 條支流含有底棲動物約240 種(其中水生昆蟲209 種)[14],干流含有浮游動物約86 種[15],中下游含有魚類約79 種[16-17]。 此外,漢江下游流域是我國重要的糧食生產基地,也是長江經濟帶重要的組成部分,2012 年湖北漢江流域GDP 總額占全省的41.51%。 因此,無論是從生物學還是經濟學角度,漢江都具有十分重要的價值[18]。

隨著各類水利工程的興建和投入使用,加上營養鹽的大量輸入,漢江下游水生態環境發生了很大變化,浮游植物群落也發生了較大改變,主要表現為生物量的增加和物種多樣性的降低[19]。近年來,漢江頻繁發生硅藻水華事件,對下游的生態系統穩定和人民生命財產安全造成了極大威脅[20-21]。 因此,有必要持續開展以浮游植物等水生生物為研究對象的漢江水環境質量調查與評估。 本研究于2019 年3—12 月對漢江下游干流及主要支流(引江濟漢運河和漢北河)開展了浮游植物群落特征及水環境因子狀況調查,旨在分析漢江下游及主要支流浮游植物群落特征的主要影響因子,并根據浮游植物群落結構對漢江下游水質進行生物學評價,從而為漢江下游水質評估、預測及水環境安全管理提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區域及采樣點

漢江下游主要指鐘祥至漢口段,河道長382 km,流域面積1.7×104km2。 本研究主要針對漢江下游干流及主要支流,干流為沙洋至漢口宗關段,支流為引江濟漢運河和漢北河。 在干流設置6 個采樣點,包括沙洋(SY)、澤口(ZK)、仙桃(XT)、漢川(HC)、新溝交界(XGJ)、宗關(ZG);支流采樣點設置在靠近漢江的一端,每條支流設置1 個采樣點,即引江濟漢運河(YH)和漢北河(XG)(圖1)。 野外采樣于2019 年3—12 月進行,每月采樣1 次。 根據前期調查情況,漢江冬季藻類相對較少,所以本研究僅采集1 個月的冬季樣品,即以12 月為代表。

圖1 漢江下游干流及主要支流采樣點分布示意圖Fig.1 Distribution of sampling sites in the mainstream and main tributaries of the lower reaches of Hanjiang River

1.2 浮游植物樣品采集與分析

使用5 L 有機玻璃采水器在每個采樣點的表層、中層和底層分別采集水樣,混合均勻后取1 000 mL 置于采樣瓶中,現場按照1%的體積比加入魯哥試劑對浮游植物進行固定。 將樣品帶回實驗室并靜置48 h 后,利用虹吸法緩慢吸去上清液,將下層的浮游植物樣品定容至50 mL,并加入4%的甲醛溶液保存。 取0.1 mL 濃縮液置于浮游植物計數框內,在顯微鏡(×400 倍)下鑒定藻類種類并計數。 浮游植物種類鑒定參照《中國淡水藻類——系統、分類及生態》[22]和《中國淡水藻志》[23]進行。 計算藻類生物量時,將藻類看作與其相似的幾何體,然后測量該幾何體的邊長、高或直徑等,計算出該幾何體的體積作為該藻類的體積。 藻類生物量計算公式:

式中:BPhyt為藻類生物量,mg/L;S為藻類種類數;ρ為藻類質 量密度,10-9mg/μm3;Vi為種類i的體積,μm3;Di為種類i的數量密度,cells/L。

1.3 水體物理化學指標分析

水體溫度、溶解氧、pH 和電導率使用多參數水質測量儀(美國YSI,ProPlus)在中層水深處進行原位測量。 在每個采樣點的表層、中層和底層分別采集水樣,取1 000 mL 混合水樣帶回實驗室,測定水體總氮、總磷、氨氮、硝態氮和總硅酸鹽等。 總氮用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測定,總磷使用鉬銻抗分光光度法測定,氨氮用納氏試劑分光光度法測定,硝態氮用紫外分光光度法測定,總硅酸鹽用鉬酸鹽比色法測定[24]。

1.4 分析方法

使用浮游植物群落的Shannon-Wiener 多樣性指 數(H′)[25]、 Pielous 均 勻 度 指 數(J)[26]和Margalef 物種豐富度指數(d)[27]對水質進行生物學評價。 上述評價方法計算結果指示的水質狀況判別標準見表1[28]。

表1 浮游植物多樣性指數及水質評判標準Table 1 Evaluation standards of phytoplankton diversity index and water quality

利用McNaughton 優勢度指數(Y)來描述浮游植物種類的優勢度,將Y>0.02 的浮游植物定義為優勢種,計算公式如下:

式中:ni為第i種物種的個體數;N為樣品中所有物種的總個體數;fi為該物種出現的頻率。

數據處理在Microsoft Excel 2016 中完成,數據分析用R 4.0.5 完成,圖表繪制用R 4.0.5、GraphPad Prism 8 和ArcGIS 10.2 完成。 經檢驗,水體營養指標和浮游植物多樣性指數的數據不服從正態分布,因此,采用多個獨立樣本比較的Kruskal-Wallis 方法來檢驗不同區域間的差異性。利用R 軟件中的vegan 包對浮游植物與環境因子進行排序分析。 對環境因子進行常用對數(lg)轉換,并對浮游植物密度數據進行去趨勢對應分析(Detrended Correspondence Analysis)。 分 析 結 果顯示,排序軸梯度最大值小于3,因此,采用基于線性的冗余分析(Redundancy Analysis)對浮游動物與環境因子的關系做進一步分析[29]。 顯著性標準為P<0.05。

2 結果分析

2.1 水體營養指標變化

調查顯示(圖2),就水體總氮含量而言,漢江下游干流略低于引江濟漢運河和漢北河,但差異不顯著。 總磷與總氮的變化規律類似,同樣是漢江下游干流最低,但各區域之間沒有顯著差異。

圖2 2019 年3—12 月漢江下游干流及主要支流總氮和總磷平均值Fig.2 Mean values of total nitrogen and total phosphorus in the mainstream and main tributaries of the lower reaches of Hanjiang River during March-December 2019

2.2 浮游藻類種類組成

本研究共鑒定出7 門110 種浮游藻類,其中以綠藻門(49 種)和硅藻門(33 種)為主,其次為藍藻門(11 種),隱藻門種類數最少(3 種)。 漢江下游干流浮游藻類種類數最多,共鑒定出101 種,綠藻門所占比例最大(43%),其次為硅藻門(31%)和藍藻門(10%)[圖3(a)]。 在引江濟漢運河水樣中,共鑒定出52 種浮游藻類,硅藻門所占比例最大(42%),其次為綠藻門(31%)和藍藻門(13%)[圖3(b)]。 在漢北河水樣中,共鑒定出71 種浮游藻類,綠藻門所占比例最大(45%),其次為硅藻門 ( 24%) 和藍藻門 ( 13%)[圖3(c)]。

圖3 2019 年3—12 月漢江下游干流及主要支流浮游植物種類數占比Fig.3 Percentage contribution of various phytoplankton phytum in species number in the mainstream and main tributaries of the lower reaches of Hanjiang River

2.3 浮游植物密度和生物量分布特征

調查顯示,浮游植物密度和生物量的空間分布特征相似,均是漢北河最高,引江濟漢運河最低,漢江干流介于二者之間(圖4)。

圖4 2019 年3—12 月漢江下游干流及主要支流各采樣點位浮游植物密度和生物量Fig.4 Distributions of phytoplankton density and biomass in the mainstream and main tributaries of the lower reaches of Hanjiang River during March-December 2019

從浮游植物密度來看,漢江下游干流以硅藻門所占比例為最大(38.77%),其次為綠藻門(31.84%)和藍藻門(24.01%);在引江濟漢運河,綠藻門所占比例最大(36.91%),其次為硅藻門(34.69%)和藍藻門(23.35%);在漢北河,藍藻門所占比例最大(57.44%),其次為綠藻門(26.48%)和藍藻門(11.25%)。 從浮游植物生物量來看,漢江下游干流及主要支流均為硅藻門占比最大(49.15% ～82.59%)。 除硅藻門外,在漢江下游干流, 綠藻門(7.63%) 和隱藻門(6.39%)占比較大;在引江濟漢運河,綠藻門(10.18%)和甲藻門(7.08%)占比較大;在漢北河,隱藻門(20.61%)和綠藻門(14.22%)占比較大。

2.4 浮游植物優勢種分布差異

調查結果顯示,漢江下游優勢物種主要集中在硅藻門、藍藻門和綠藻門,但在不同的調查區域有所差異(表2)。 在漢江下游干流,優勢種集中在硅藻門、綠藻門、藍藻門和隱藻門,其中,硅藻門的種數較多(4 種),以直鏈藻的優勢度為最大(0.19),其次為冠盤藻(0.13)。 在引江濟漢運河,優勢種主要集中在綠藻門和硅藻門,優勢度最大的為綠藻門的球衣藻(0.14)。 在漢北河,優勢種主要集中在藍藻門、綠藻門和硅藻門,優勢度最大的為藍藻門的偽魚腥藻(0.24)。 相比漢江下游干流,兩個支流的浮游植物優勢種的數量均較少。

表2 2019 年3—12 月漢江下游干流及主要支流的浮游植物優勢種及其優勢度Table 2 The dominant species and dominance-index of phytoplankton in the mainstream andmain tributaries of the lower reaches of Hanjiang River during March-December 2019

2.5 浮游植物多樣性指數分布特征及水質評價

浮游植物多樣性中,漢江下游干流Shannon-Wiener 指數的年均值為2.15,引江濟漢運河和漢北河分別為2.16 和2.37(圖5,表3)。 根據表1可知,漢江下游干流、漢北河和引江濟漢運河水質都處于β-中污染狀態。 漢江下游干流Pielou 均勻度指數的年均值為0.77,引江濟漢運河為0.80,漢北河為0.74,表明3 處水域的水質均處于輕度污染狀態。 漢北河Margalef 物種豐富度指數的年均值最大(1.54),其次為漢江下游干流(1.24)和引江濟漢運河(1.07),表明3 處水域的水質均處于α-中污染狀態。

圖5 2019 年3—12 月漢江下游干流及主要支流浮游植物多樣性指數箱線圖Fig.5 The boxplots of diversity index in the mainstream and main tributaries of the lower reaches of Hanjiang River during March-December 2019

表3 2019 年3—12 月漢江下游干流及主要支流浮游植物多樣性指數平均值及水質評價結果Table 3 Water quality evaluation based on the mean values of diversity index in the mainstream and main tributaries of the lower reaches of Hanjiang River during March-December 2009

2.6 浮游植物與環境因子的關系

冗余分析結果表明,影響漢江下游浮游植物群落結構的主要環境因子分別為硝態氮、硅酸鹽和氨氮(P<0.05)(圖6)。 同時,硅藻門密度與流速、水溫、硅酸鹽、總氮呈正相關,藍藻門密度與總磷、磷酸鹽、氨氮、溶解氧呈正相關,綠藻門密度與水溫、氨氮呈正相關。 斯皮爾曼分析結果表明,漢江下游優勢藻類硅藻門的密度主要與溫度呈顯著正相關(P<0.05)(圖7)。

圖6 2019 年3—12 月漢江下游干流及主要支流浮游植物和環境因子冗余分析結果Fig.6 Redundancy analysis for the relationships between phytoplankton composition and environmental variables in the lower reaches of Hanjiang River during March-December 2019

圖7 2019 年3—12 月漢江下游干流及主要支流浮游植物密度、生物量和環境因子斯皮爾曼分析結果Fig.7 Spearman rank correlation analysis between density and biomass of phytoplankton and environmental variables in the lower reaches of the Hanjiang River during March-December 2019

3 討論

3.1 漢江下游不同區域浮游植物群落特征

本研究在漢江下游干流、引江濟漢運河和漢北河8 個斷面共檢測出浮游植物7 門105 種。 該結果與潘曉潔等[30]2010 年調查得到的64 種相比有上升趨勢,與買占等[31]2017—2018 年調查得到的163 種相比有下降趨勢。 總體看來,不同年份的漢江下游浮游植物種類數存在差異。 一方面,浮游植物種類數受到營養鹽、氣候、水文等環境條件的影響;另一方面,浮游植物種類數還受調查頻次、采樣點位數量等采樣情況的影響。 與漢江中上游相比(173 種[32]、114 種[33]),本次調查得到的浮游藻類種類數量更少,可能是因為下游水質略差,導致浮游植物群落多樣性下降。

不同調查區域的浮游植物優勢類群及生物量中,硅藻門都占有很大的比例,主要為直鏈藻和冠盤藻,這與其他學者的調查結果相似[31-32,34]。 況琪軍等[35]在1998 年對漢江下游干流的調查顯示,該江段的優勢種同樣主要為硅藻門的直鏈藻和冠盤藻。 這可能是因為漢江下游干流流速較大,容易形成以硅藻為優勢類群的群落。 其他區域也呈現相似的浮游植物群落特征,如珠江支流東江、湖北香溪河和云南瀾滄江,其硅藻生物量所占比例均達56%以上[36-38]。 一般而言,硅藻易成為大型河流中的常見類群,其密度和生物量可達藻類總數的60%以上[39-40]。

在漢江支流漢北河和引江濟漢運河,藍藻和綠藻也是優勢類群。 這可能是因為支流的流速相對較小,并且受到的污染更嚴重,更易出現在中富營養水體中占優勢的藍綠藻[41]。 然而,本次調查在兩個支流僅各設置了一個采樣點。 河流中不同區域的污染物收納量、人為干擾程度、水動力條件等的差異,可導致浮游植物種類和數量產生較大差異,因此,后期研究中需增加采樣范圍,以更加準確、全面地評估漢北河和引江濟漢運河的浮游植物群落特征。

就藻類總量而言,根據本研究調查結果,浮游植物密度和生物量呈現相似的變化規律,均是漢北河最高,引江濟漢運河最低,漢江下游干流介于兩者之間。 本次調查顯示,漢江下游干流浮游植物年平均密度為9.36×106ind. /L。 根據以往調查可知,1977 年漢江下游干流的浮游植物年平均密度為3.87×105ind. /L,1996 年 為1.50×106ind. /L,2000 年為3.62×107ind. /L[16,42-43]。 對比結果表明,漢江下游干流浮游植物密度整體逐年增加,近年有所下降。 由以上研究可知,從浮游藻類總量來看,近幾十年來,漢江下游干流水體受污染物輸入量增加等因素的影響,水質表現出逐漸惡化的趨勢,但近年來呈一定程度的轉好趨勢。

3.2 浮游植物群落特征主要影響因子

冗余分析結果表明,漢江下游干流及主要支流的浮游藻類群落特征受多種環境因子的影響,但只有硝態氮、硅酸鹽和氨氮的影響達到了顯著水平。 硅藻主要受到水溫、流速和硅酸鹽的影響,與總氮、總磷等營養鹽的關系不明顯;藍藻主要受到總磷、磷酸鹽和氨氮的影響;綠藻主要受水溫和氨氮的影響。 根據斯皮爾曼分析結果可知,浮游植物的密度和生物量主要與溫度呈顯著正相關,而與總氮、總磷等營養鹽呈負相關。 已有研究表明,漢江水華的優勢藻種為硅藻,因此,探索漢江下游硅藻群落的主要環境影響因子,對于漢江下游的水質生物學評價具有重要意義[44-45]。

水溫能夠控制硅藻呼吸作用的強度和光合作用酶促反應的速率,從而影響硅藻的生長和繁殖[46]。 有研究表明,大部分硅藻的最適生長溫度為15～25 ℃,當水溫大于10 ℃時,硅藻繁殖速度較快[47]。 調查期間,漢江年平均水溫為23.0 ℃。在該溫度下,硅藻生長較快。 杜紅春[15]、馬京久等[34]對漢江的研究結果也顯示,水溫是影響漢江下游浮游植物群落結構和功能群分布的主要環境因子之一。

除溫度外,營養鹽對漢江下游干流及主要支流的浮游植物群落特征也有很重要的影響。 然而,在河流生態系統中,浮游植物與營養鹽之間在很多時候并不像湖泊生態系統一樣有明顯的相關性[41]。 在本研究中,硅藻與營養鹽呈負相關。WEHR 和THORP[48]研究發現,在密西西比河上游,適應富營養化水體的典型浮游植物的生物量很少與水體氮、磷含量相關,甚至在其最大支流俄亥俄河中還出現了浮游植物生物量與水中氮、磷濃度呈負相關的現象。 馬京久等[34]在2016—2017 年對漢江的調查結果也顯示,營養鹽與浮游植物生物量呈負相關。 杜紅春[15]在2018—2019年的調查中也發現,漢江中的部分浮游植物功能群與營養鹽呈負相關。 然而,潘曉潔等[31]在2014年的調查中發現,漢江下游硅藻數量與磷酸鹽、總磷等呈正相關。 FRIEDRICH 等[49]發現,萊茵河下游水體氮、磷含量的增加刺激了浮游植物種類和數量的增長。 這就表明在河流生態系統中,浮游藻類與氮、磷含量的關系相對復雜。 在本次調查中,浮游植物的密度和生物量與總氮、總磷等呈負相關。 這主要是因為在河流生態系統中,流速和溫度是決定浮游植物總量的更重要的因子。 一般而言,浮游植物在靜水中更容易大量繁殖。 當流速增大后,浮游植物容易進入水體下層,導致其受到的光照減少,不容易上升至較高水平[50-51]。除流速外,水溫也是影響漢江浮游植物生長的主要環境因子。 水溫可以直接影響浮游植物的光合作用效率,光合作用效率與水溫在一定范圍內呈正相關,因此,適度的高溫有利于浮游植物有機質的積累[46,52]。 以上原因導致河流中的浮游植物往往與營養鹽呈現負相關或不相關。

3.3 浮游植物多樣性與水質評價

根據本研究浮游植物多樣性指數計算結果可知,漢江下游整體處于中污染狀態。 該結果與其他學者在2016—2018 年的調查結果相似[32,34]。潘曉潔等[31]在2010 年對漢江中下游浮游植物的調查結果顯示,漢江中下游水體處于中污染狀態。劉智峰等[53]在2009 年4—6 月的調查中發現,漢江中段水體處于β-中污染狀態。 況琪軍等[54]研究發現,漢江中下游所含10 種屬于優勢種類的浮游植物中,有6 種為α-中污染種類或β-中污染種類,漢江中下游水質狀況為中污染。 有研究表明,20 世紀80 年代的漢江干流水質良好,水質綜合評價等級為Ⅰ類。 然而從1992 年開始,漢江水質逐步惡化,部分年份冬春季有水華發生[21]。 這主要是因為近幾十年來,隨著周邊城鎮的快速發展,漢江水體受到了一定程度的污染。 近年來,隨著國家及地方各管理部門多種控制和修復措施的實施,漢江水質已有了逐漸轉好的跡象。

4 結論

根據本研究2019 年3—12 月調查結果,從浮游植物群落特征來看,漢江下游整體處于中度污染狀態。 與歷史調查數據相比,近幾十年來,漢江下游干流水體受到了一定程度的污染,水質表現出逐漸惡化的趨勢。 雖然近年來有所好轉,但整體形勢仍不容樂觀。 漢江水質狀況不僅影響著流域內的生態環境質量,而且還對區域內的飲用水安全具有重要影響,因此,有必要持續開展漢江水環境質量調查與評估。 就漢江下游水質現狀而言,除加強監測外,控制周邊水產養殖污水,農村生活污水、生活垃圾、人畜糞便,以及工業尾水的輸入,也是恢復與維持漢江生態系統健康的重要手段之一。