胡 蓮,鄒 曦,袁玉潔,史 方,鄭志偉
(水利部中國科學(xué)院水工程生態(tài)研究所,水利部水工程生態(tài)效應(yīng)與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430079)
浮游植物種類分布廣泛,對(duì)環(huán)境的變化極其敏感,是水生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,是物質(zhì)代謝和能量循環(huán)的主要初級(jí)生產(chǎn)者,位于食物鏈的第一環(huán)節(jié),對(duì)維系水生態(tài)系統(tǒng)的健康有著至關(guān)重要的作用[1]。浮游植物種類繁多,主要包括藍(lán)藻、綠藻、硅藻、甲藻、裸藻、隱藻、金藻和黃藻8個(gè)門類,其中容易形成水華的種類為藍(lán)藻、綠藻、甲藻和硅藻。浮游植物種類組成與水體的營養(yǎng)狀態(tài)有著密切聯(lián)系,其群落結(jié)構(gòu)能反映水體的水質(zhì)狀況,優(yōu)勢(shì)種能指示水體的營養(yǎng)狀況[2-3]。浮游植物的種類組成、豐度及多樣性作為水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)之一,被廣泛應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)中,用來評(píng)價(jià)水體的生態(tài)環(huán)境狀況及污染程度[4-5]。
百歲溪位于三峽大壩庫首,是長(zhǎng)江北岸的一級(jí)支流,發(fā)源于興山、秭歸、宜昌三縣交界的大老嶺林區(qū),流經(jīng)紅桂香、梅紙廠、小溪口、楊泉壩等地,在韓家灣匯入長(zhǎng)江。百歲溪干流全長(zhǎng)29.8 km,流域面積152.5 km2,相對(duì)落差約800 m。三峽水庫蓄水運(yùn)行后,百歲溪下游河段受回水影響而成為水庫區(qū)。水庫蓄水至175 m水位時(shí),百歲溪干流回水到達(dá)距入江口約6 km的黃土包一帶。目前,尚少見針對(duì)百歲溪水環(huán)境研究的報(bào)道。本研究在三峽水庫泄水期(5月)和蓄水期(10月)對(duì)百歲溪環(huán)境因子和浮游植物進(jìn)行了全面調(diào)查,分析百歲溪浮游植物群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子的關(guān)系,以期為百歲溪水環(huán)境綜合治理和生態(tài)修復(fù)提供重要的基礎(chǔ)資料和理論依據(jù)。
在充分考慮百歲溪河道形態(tài)變化、重要生境分布、污染源分布、鄰近支流匯入以及受回水影響等因素,沿百歲溪上游至下游河口區(qū)設(shè)置5個(gè)采樣斷面和1個(gè)長(zhǎng)江對(duì)照點(diǎn)(圖1),即小漁村(BSX-1)、梅氏廠(BSX-2)、肖家咀(BSX-3)、土倉坪(BSX-4)、楊家灣(BSX-5)和長(zhǎng)江對(duì)照點(diǎn)(BSX-6)。
根據(jù)三峽水庫運(yùn)行調(diào)度,選擇三峽水庫泄水運(yùn)行期(2016年5月)和蓄水運(yùn)行期(2016年10月)采樣監(jiān)測(cè)2次。
圖1 百歲溪采樣點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of sampling sites in Baisui stream
浮游植物分別采集定性、定量樣品,其中定性樣品采用25#浮游植物網(wǎng)采集,并收集在50 mL樣品瓶中,甲醛現(xiàn)場(chǎng)固定,實(shí)驗(yàn)室鏡檢;定量樣品采用2 500 mL有機(jī)玻璃采水器取表層、中層、底層水樣充分混合,取1 000 mL現(xiàn)場(chǎng)加魯哥液固定,經(jīng)48 h沉淀后,濃縮定容到30 mL鏡檢。浮游植物采樣及鑒定方法主要參照《中國淡水藻類——系統(tǒng)、分類及生態(tài)》[6]和《淡水浮游生物研究方法》[7]。
水溫(TW)、pH、電導(dǎo)率(EC)、溶解氧(DO)等采用YSI多參數(shù)水質(zhì)測(cè)量?jī)x現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè);透明度(SD)采用塞氏盤現(xiàn)場(chǎng)獲取;哈希濁度儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定濁度(Turb);高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、生化需氧量(BOD5)、總磷(TP)、磷酸鹽(PO43--P)、總氮(TN)、氨氮(NH4+-N)、葉綠素a(Chl.a)等指標(biāo),現(xiàn)場(chǎng)采集水樣后,按照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》(第4版)[8]進(jìn)行水樣保存和測(cè)定,送實(shí)驗(yàn)室分析測(cè)定。水質(zhì)調(diào)查和分析方法主要參考《水環(huán)境監(jiān)測(cè)規(guī)范》(SL 219-2013)[9]、《水質(zhì)采樣樣品的保存和管理技術(shù)規(guī)定》(HJ 493-2009)[10]和《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》(第4版)[8]等相關(guān)規(guī)范資料。
1.3.1 優(yōu)勢(shì)度的計(jì)算
優(yōu)勢(shì)度(Y)的計(jì)算公式為:
式中,ni為第i種的豐度,N為總豐度,fi為第i種的出現(xiàn)頻率。其中優(yōu)勢(shì)度Y≥0.02的種類定為百歲溪浮游植物優(yōu)勢(shì)種[11-12]。
1.3.2 浮游植物多樣性指數(shù)的計(jì)算
分別運(yùn)用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)、Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(D)、Pielou均勻度指數(shù)(J)、Margalef豐富度指數(shù)(dMa)的計(jì)算式對(duì)藻類種類多樣性進(jìn)行計(jì)算[13]。其中,當(dāng)H′>3時(shí),為輕度污染或無污染,1≤H′≤3為中度污染,H′<1時(shí),為重度污染[12];當(dāng)0.5≤J≤0.8,為輕度污染或無污染,0.3≤J<0.5為中度污染,J<0.3時(shí),為重度污染[14];當(dāng)0≤dMa≤4,水體為富營養(yǎng)化,4<dMa≤5,為中營養(yǎng)化,dMa>5時(shí),為貧營養(yǎng)化[15]。
2.1.1 種類組成
經(jīng)鑒定,百歲溪5月和10月的浮游植物種類組成存在些許差異,10月種類數(shù)略高于5月,以綠藻、硅藻和藍(lán)藻為主。其中5月浮游植物6門37屬52種,以綠藻門種類數(shù)最多,14屬19種,占36.54%;其次是硅藻門,10屬18種,占34.62%;再次為藍(lán)藻門,7屬9種,占17.31%;隱藻門、甲藻門和裸藻門各2屬2種,分別占3.85%。10月浮游植物7門40屬59種,包括綠藻門18屬25種,占42.37%;硅藻門7屬14種,占23.73%;藍(lán)藻門9屬13種,占22.03%;隱藻門2屬3種,占5.08%;甲藻門2屬2種3.39%;裸藻門和金藻門各1屬1種,分別占1.69%。10月出現(xiàn)了指示水體清潔的金藻門錐囊藻,為偶見種,僅在SNX-3斷面采集到。
2.1.2 豐度
百歲溪浮游植物細(xì)胞密度除采樣斷面BSX-1在5月顯著高于其他斷面外,其他采樣時(shí)間與采樣斷面都在一定范圍內(nèi)變化。從圖2可以看出,百歲溪浮游植物細(xì)胞密度在5月的均值為7.141×105個(gè)/L,各采樣站點(diǎn)在1.480×105~2.316×106個(gè)/L之間變化,其中BSX-1的值最大,為2.316×106個(gè)/L,其次是BSX-2,為8.215×105個(gè)/L,BSX-3最小。在10月的均值為3.741×105個(gè)/L,較5月有一定下降,各采樣站點(diǎn)在1.745×105~7.390×105個(gè)/L之間變化,其中,BSX-2的值最大,其次是BSX-3,為5.825×105個(gè)/L,再次為BSX-6和BSX-1,分別為2.870×105個(gè)/L和2.770×105個(gè)/L,BSX-4和BSX-5的值也相差不大。
圖2 百歲溪各采樣點(diǎn)浮游植物細(xì)胞密度時(shí)空變化Fig.2 The temporal-spatial variation of phytoplankton density at each sampling site in Baisui stream
將百歲溪從上游到下游河口按照水位特征劃分為河流區(qū)、回水區(qū)、長(zhǎng)江對(duì)照區(qū)。圖3是5月和10月各區(qū)浮游植物細(xì)胞密度的變化情況。可以看出,不管是5月還是10月,浮游植物細(xì)胞密度上游河流區(qū)段明顯高于下游回水區(qū)段和長(zhǎng)江對(duì)照區(qū)。其中5月均值為5.730×105個(gè)/L,上游河流區(qū)段值最大,為1.095×106個(gè)/L,其次為下游回水區(qū)段,3.753×105個(gè)/L,長(zhǎng)江對(duì)照區(qū)最小,為2.485×105個(gè)/L。10月均值較5月略有下降,為3.331×105個(gè)/L,上游河流區(qū)段值仍然最大,為5.328×105個(gè)/L,而其次為下游回水區(qū),為2.870×105個(gè)/L,長(zhǎng)江對(duì)照區(qū)段則最小,為1.795×105個(gè)/L。
圖3 百歲溪各水體浮游植物細(xì)胞密度變化Fig.3 The space-time change of phytoplankton density in dif?ferent regions of Baisui stream
2.1.3 優(yōu)勢(shì)種
按照式(1)計(jì)算不同物種的優(yōu)勢(shì)度(表1),發(fā)現(xiàn)百歲溪浮游植物優(yōu)勢(shì)種主要有藍(lán)藻門的浮游魚腥藻、微囊藻、小顫藻、藍(lán)纖維藻、水華魚腥藻和粘球藻,綠藻門的空球藻、小球藻和球衣藻,硅藻門的小環(huán)藻等。根據(jù)沈韞芬等編著的《微型生物監(jiān)測(cè)新技術(shù)》[15],這些優(yōu)勢(shì)種中絕大多數(shù)為β-中污型至多污型水體指示種類。如小顫藻為多污型指示種,小球藻、小環(huán)藻和空球藻等為耐有機(jī)污染指示種。浮游植物的優(yōu)勢(shì)種對(duì)水體營養(yǎng)狀態(tài)有指標(biāo)作用。浮游魚腥藻、水華魚腥藻、微囊藻等藻類在溫度、氮磷等營養(yǎng)鹽條件合適的情況下,極有可能爆發(fā)水華,影響水質(zhì)。
表1 百歲溪浮游植物優(yōu)勢(shì)種隨時(shí)間變化情況Tab.1 Distribution of dominant phytoplankton species in May and October in Baisui stream
2.1.4 浮游植物多樣性
按照1.3.2所述方法計(jì)算浮游植物多樣性指數(shù),結(jié)果顯示,百歲溪5月和10月各采樣斷面均值略有變化,Shannon-Wiener多樣性指數(shù)H′、Pielou均勻度指數(shù)J、Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)D和Margalef豐富度指數(shù)dMa變化趨勢(shì)差異不大,從上游至下游各多樣性指數(shù)均為先升后降(圖4)。其中5月各采樣斷面的H′變化范圍為0.47~2.37,J值變化范圍為0.07~0.47,D變化范圍為0.16~0.86,dMa變化范圍為1.10~2.05;10月各采樣斷面H′變化范圍為0.82~2.17,J值變化范圍為0.16~0.30,D變化范圍為0.41~0.77,dMa變化范圍為0.88~2.49。
圖4 百歲溪浮游植物多樣性分析Fig.4 Phytoplankton diversity index of each sampling site in Baisui stream
表2為百歲溪兩次調(diào)查水環(huán)境因子平均值。其中5月TW在12.74℃~19.41℃之間變化,10月TW在14.9℃~25.03℃之間變化,上游水溫明顯低于下游水溫。DO分別在6.86~12.25 mg/L和5.49~7.48 mg/L之間變化。pH值分別在5.08~8.23和8.89~10.11之間變化。Turb分別在2.88~19.3 NTU和2.46~87.9 NTU之間變化。TN濃度變化范圍為0.64~8.43mg/L,最高值出現(xiàn)在10月的BSX-1斷面,最低值出現(xiàn)在5月的BSX-2斷面,且10月的TN濃度高于5月。NH4+-N濃度變化范圍為0.033~0.53 mg/L,最高值和最低值分別出現(xiàn)在10月的BSX-2斷面和BSX-3斷面。TP濃度在0.03~0.14 mg/L之間變化,且5月的TP濃度高于10月,從上游至下游呈現(xiàn)先降低再升高的趨勢(shì)。PO43--P濃度變化范圍為0.015~0.12 mg/L,最高值出現(xiàn)在5月的BSX-4斷面,最低值出現(xiàn)在10月的BSX-3斷面。CODMn變化范圍為0.65~1.47 mg/L,整體偏低;最高值和最低值分別出現(xiàn)在5月和10月的BSX-5斷面。BOD5變化范圍為0.01~1.14 mg/L,整體偏低,最高值出現(xiàn)在10月的BSX-1斷面,最低值出現(xiàn)在5月的BSX-2和BSX-3斷面。Chl.a濃度變化范圍為0.74~7.73 μg/L,最高值出現(xiàn)在5月的BSX-1斷面,最低值出現(xiàn)在10月的BSX-5斷面。
表2 百歲溪各采樣點(diǎn)水環(huán)境因子Tab.2 The environmental factors of each sampling site in Baisui stream
對(duì)百歲溪水文、水質(zhì)因子與浮游植物主要類群進(jìn)行相關(guān)性分析(表3),結(jié)果表明,其浮游植物密度與NH4+-N,DO,Chl.a,pH,Turb和流速等水體理化指標(biāo)呈現(xiàn)顯著相關(guān)。浮游植物各類群與水體理化的相關(guān)性不同,其中藍(lán)藻的生長(zhǎng)與Chl.a,pH,Turb呈現(xiàn)顯著正相關(guān),硅藻表現(xiàn)出與DO呈負(fù)相關(guān);隱藻的生長(zhǎng)與水體的NH4+-N呈正相關(guān);金藻則與流速呈正相關(guān)。
百歲溪5月和10月分別鑒定出浮游植物6門37屬52種和7門40屬59種,其種類組成以綠藻最多,其次為硅藻,為綠藻-硅藻-藍(lán)藻型。而且百歲溪的綠藻絕大多數(shù)為一些適應(yīng)性強(qiáng)、分布廣的湖泊水庫型常見種類。況琪軍等[16]研究發(fā)現(xiàn)河流型水體中浮游植物以硅藻為主,而湖泊型水體中浮游植物表現(xiàn)為以綠藻為主的藻類生物學(xué)特征。說明百歲溪浮游植物群落結(jié)構(gòu)已經(jīng)由原來的河流相向湖泊相演變。對(duì)三峽水庫同類型的河流,也有研究[17]報(bào)道浮游植物群落結(jié)構(gòu)已發(fā)展為典型的湖泊相藻類特征。
百歲溪5月和10月浮游植物細(xì)胞密度均值分別為7.141×105個(gè)/L和3.741×105個(gè)/L,各采樣斷面密度有所不同,分別在1.480×105~2.316×106個(gè)/L和1.745×105~7.390×105個(gè)/L之間變化,但除5月采樣斷面BSX-1的密度超過1.0×106個(gè)/L外,其他采樣斷面以及10月所有采樣斷面密度均低于1.0×106個(gè)/L。當(dāng)密度小于或等于1.0×106個(gè)/L時(shí)水質(zhì)為輕或無污型,1.0×106~9.0×106個(gè)/L時(shí)水質(zhì)為輕污—β-中污型,1.0×107~4.0×107個(gè)/L時(shí)水質(zhì)為 β-中污型,4.1×107~8.0×107個(gè)/L時(shí)水質(zhì)為 α-β-中污型,8.1×107~9.9×107個(gè)/L時(shí)水質(zhì)為 α-中污型,大于1.0×108個(gè)/L時(shí)水質(zhì)為ps型[18]。說明百歲溪除5月采樣斷面BSX-1的水質(zhì)達(dá)到輕污—β-中污型外,其他斷面的水質(zhì)都為輕或無污型,據(jù)此判斷百歲溪為中營養(yǎng)類型。浮游植物優(yōu)勢(shì)種類與水體營養(yǎng)狀況有密切的關(guān)系,對(duì)水體具有指示作用[15,19]。百歲溪主要優(yōu)勢(shì)種有藍(lán)藻門的浮游魚腥藻、微囊藻、小顫藻、藍(lán)纖維藻、水華魚腥藻等,為β-中污型至多污型水體指示種類。因此,當(dāng)浮游魚腥藻、水華魚腥藻、微囊藻等藻類遇到適宜的溫度和營養(yǎng)鹽條件的情況下,極有可能爆發(fā)水華,影響水質(zhì)。
浮游植物的多樣性與水域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有著密切的關(guān)系,生物多樣性指數(shù)是評(píng)價(jià)水質(zhì)狀況的重要指標(biāo)之一。一般認(rèn)為,多樣性指數(shù)越大,水質(zhì)越好。但孫軍等[13]指出,單純使用一種多樣性指數(shù)來解釋浮游植物的多樣性容易造成較大的偏差,Shannon-wiener指數(shù)和Simpson指數(shù)對(duì)浮游植物群落多樣性有較好的解釋,分別代表對(duì)浮游植物物種數(shù)敏感和不敏感。而Pielou指數(shù)對(duì)解釋浮游植物群落均勻度較好。因此,現(xiàn)常以Shannon多樣性指數(shù)小于1,Pielou均勻度指數(shù)小于0.3為多樣性較差的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。百歲溪Shannon指數(shù)5月除采樣斷面BSX-1和BSX-2小于1,處于重度污染外,其他采樣斷面H′值在1.0~3.0之間,為中度污染。10月上游河流區(qū)段和下游回水區(qū)段水質(zhì)明顯好于長(zhǎng)江對(duì)照區(qū),除對(duì)照區(qū)多樣性指數(shù)值低于1外,其他采樣斷面H′值在1~3之間變化,處于中度污染。而10月Pielou指數(shù)較5月表現(xiàn)要差,5月J值有BSX-3、BSX-5、BSX-6大于0.3,10月僅BSX-2為0.3,其他斷面均小于0.3。說明百歲溪浮游植物群落結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、浮游植物種類個(gè)體數(shù)量分布不均勻。還有學(xué)者將Shannon-wiener多樣性指數(shù)分為5級(jí)來評(píng)價(jià)浮游植物豐富度[20],當(dāng)H′<0.6,評(píng)價(jià)為Ⅰ級(jí),表示多樣性差;0.6≤H′<1.5,評(píng)價(jià)為Ⅱ級(jí),表示多樣性一般;1.5≤H′<2.5,評(píng)價(jià)為Ⅲ級(jí),表示多樣性較好;2.5≤H′<3.5,為Ⅳ級(jí),表示多樣性豐富,當(dāng)H′≥3.5,評(píng)價(jià)為Ⅴ級(jí),表示多樣性非常豐富。百歲溪除5月采樣斷面BSX-1、BSX-2的H′值低于0.6,表現(xiàn)為多樣性差的Ⅰ級(jí),以及10月采樣斷面BSX-6的H′值為0.82,表現(xiàn)為多樣性一般的Ⅱ級(jí)外,其他斷面H′值在1.6以上,評(píng)判為Ⅲ級(jí),表示多樣性較好??傮w說明百歲溪浮游植物的生物多樣性指數(shù)偏低,多樣性和豐富度一般,浮游植物群落結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單,種類個(gè)體數(shù)量分布均勻度不夠,對(duì)外部環(huán)境變化和內(nèi)部種群波動(dòng)抵抗能力較弱。由此可以判定百歲溪為中營養(yǎng)水體。
表3 百歲溪環(huán)境因子與浮游植物主要類群相關(guān)性分析Tab.3 Correlation coefficients of phytoplankton with environmental factors in Baisui stream
根據(jù)三峽水庫營養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[21],單因子評(píng)價(jià)百歲溪水體富營養(yǎng)狀態(tài),則TN基本處于重度富營養(yǎng)水平,TP處于輕度-中度富營養(yǎng)水平,Chl.a基本處于貧營養(yǎng)-中營養(yǎng)水平。而采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)[TLI(Σ)]來評(píng)價(jià)百歲溪水體富營養(yǎng)水平,習(xí)慣用0~100的一系列連續(xù)數(shù)字對(duì)水體營養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)分級(jí):當(dāng)TLI(Σ)<30時(shí)為貧營養(yǎng);30≤TLI(Σ)≤50時(shí)為中營養(yǎng);TLI(Σ)>50時(shí)為富營養(yǎng)[50<TLI(Σ)≤60時(shí)為輕度富營養(yǎng);60<TL(Σ)≤70時(shí)為中度富營養(yǎng);TLI(Σ)>70時(shí)為重度富營養(yǎng)]。在同一營養(yǎng)狀態(tài)下,指數(shù)值越高,其營養(yǎng)程度越重[22]。由表4可以看出,百歲溪5月和10月水體均處于中營養(yǎng)狀態(tài);從空間來看,回水區(qū)斷面和河流斷面水體的營養(yǎng)水平差異不顯著,長(zhǎng)江對(duì)照斷面的營養(yǎng)水平與回水區(qū)相近。從各評(píng)價(jià)因子來看,TN和TP已經(jīng)達(dá)到富營養(yǎng)水平,其他因子則處于貧營養(yǎng)至中營養(yǎng)水平。
表4 百歲溪綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)Tab.4 Comprehensive nutrition state index in Baisui stream
百歲溪浮游植物種類5月為52種、10月為59種,為綠藻-硅藻-藍(lán)藻型。浮游植物細(xì)胞密度5月為7.141×105個(gè)/L,10月為3.741×105個(gè)/L,主要優(yōu)勢(shì)種為浮游魚腥藻、微囊藻、小顫藻、藍(lán)纖維藻、水華魚腥藻等指示水體β-中污型至多污型的種類。浮游植物群落結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單,多樣性指數(shù)偏低,多樣性和豐富度一般,種類個(gè)體數(shù)量分布均勻度不夠。Pearson相關(guān)性分析表明,浮游植物細(xì)胞密度與水體中濁度、pH、氨氮、葉綠素a和流速呈顯著正相關(guān),與溶解氧呈顯著負(fù)相關(guān)。根據(jù)三峽水庫營養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),百歲溪總氮和總磷達(dá)到富營養(yǎng)水平,綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)分析,百歲溪處于中營養(yǎng)水平狀態(tài)。綜合評(píng)價(jià),百歲溪水質(zhì)處于中營養(yǎng)水平。
三峽生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)2018年4期