漓江桂林市区段夏季浮游植物群落特征与水质评价

2014-07-16周振明陈朝述刘可慧李俊陈孟林蒋瑜于方明

生态环境学报 2014年4期

周振明，陈朝述，刘可慧，李俊，陈孟林，蒋瑜，于方明*

1. 广西师范大学环境与资源学院，广西桂林 541004; 2. 桂林电子科技大学生命与环境科学学院，广西桂林 541004;3. 珍稀濒危动植物生态与环境保护省部共建教育部重点实验室，广西桂林 541004

浮游植物是水生生态系统的主要初级生产者，是水生动物特别是许多经济鱼类的重要饵料，同时与水体质量的关系非常密切。不同类群浮游植物对水体环境的变化的敏感程度和适应能力存在一定的差别，其自身群落结构的变化也可引起河流水质的改变，很多浮游植物可以指示水质的优劣(沈韫芬等，1990；Reynolds，2006)，在水生态系统中具有重要地位。因此，利用浮游植物群落结构的多样性来监测水体环境已经成为一种重要手段，目前国内外已有大量相关研究（谭香等，2011；Gabyshev和Gabysheva，2010；吴波等，2007）。

漓江发源于桂林兴安县境内的猫儿山，自北向南流经兴安、灵川、桂林、阳朔，由平乐县汇入西江，全长214 km，属珠江水系。漓江是桂林的母亲河，是沿岸城市主要生产、生活水源地，对桂林市的经济发展和人民生活起着重要的作用。但近年来随着经济的高速发展，漓江上游水利工程大量修建，原始森林砍伐，污染物无序排放，这些行为不可避免地改变水体环境因子，对漓江的环境质量和生态系统平衡造成很大威胁。目前，有关漓江流域的鱼类资源、生态环境保护、底栖动物和着生动物已有少许报道(廖祖荷等，2005；曹艳霞等，2009；曹艳霞等，2010；杨青瑞等，2012)，但有关浮游植物与水质变化相结合的资料还鲜有报道。因此，为探寻漓江流域浮游植物与水质的相互关系，本文于2012年8月对漓江桂林市区段干流水体理化性质、浮游植物的种类和密度进行了分析，初步了解漓江干流城市段浮游植物的分布特征，并结合生物多样性和化学指标对水质进行评价，以期为保护漓江水质和实现水资源的可持续利用提供参考，并为漓江水生态环境的保护提供一定的基础理论依据。

1 材料与方法

1.1 采样点位设置

本研究根据漓江在桂林市区的流向和实际水环境特点，从进入市区的上游赵家桥村开始，到离开市区的下游王家村结束，基本上等距离布置采样点，依次为赵家桥村（采样点1）、南洲桥（采样点2）、虞山桥（采样点3）、解放桥（采样点4）、漓江桥（采样点5）、王家村（采样点9），中间在三条支流每条支流入口处设置一个采样点，为桃花江入口处（采样点6）、南溪河入口处（采样点7）和小东江入口处（采样点8），共计9个采样点（图1）。

图1 采样点位置布设图Fig.1 Sampling Sites in the Guilin City Section of Lijiang River

1.2 水体理化指标的测定

现场采用便携式pH计和溶氧仪测定水体pH和溶解氧（DO），并在每个样点水面以下 0.5 m处采集1000 mL水样，加硫酸至pH<2，带回实验室用于测定水体高锰酸盐指数（CODMn）、总氮（TN）、氨氮（NH4+-N）、硝酸盐氮（NO3－-N）、总磷（TP）等各项理化指标。另外在同样地点采取2000mL水样用于水体叶绿素（Chla）的测定。总氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，氨氮采用纳氏试剂光度法，硝氮采用酚二磺酸光度法，磷酸盐采用钼锑抗分光光度法，高锰酸盐指数测定采用滴定法，叶绿素a的测定采用丙酮分光光度法测定（国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》编委会，2002）。

1.3 浮游植物的采样与测定

浮游植物定性样品的采集采用 25号浮游植物网，在水面表层呈“∞”字形来回缓慢捞取浮游植物样品，并将网内浓缩液置于100 mL已加入鲁哥氏液的塑料水样瓶中，带回实验室，在光学显微镜（10×40）下鉴定生物种类，浮游植物物种鉴定参考文献（周凤霞和陈剑虹，2010；胡鸿钧和魏印心，2006）。

浮游植物定量样品采集采用有机玻璃采水器，在水面以下0.5 m处采集2 L水样置于已加入15 mL鲁哥氏液的塑料瓶中，样品带回实验室后取1000 mL置于烧杯中静置，最后浓缩定容至30 mL。测定时充分摇匀，用光学显微镜进行定量分析，观测的结果换算成每升水样含有的植物细胞个数，即浮游植物细胞密度（单位：inh.·L-1）。

1.4 水质评价标准

1.4.1 水体理化性质评价

根据GB3838-2002《地表水环境质量标准》对水体水质理化性质进行评价；按照HJ/T91—2002《地表水和污水监测技术规范》、《水和废水监测分析方法》第四版中的A类方法进行实验操作和质量控制；采用单因子法对漓江水质进行评价。

1.4.2 优势种的判断

浮游植物群落优势种采用优势度（Y）来判断，其计算公式为：Y=（ni×fi）/N，式中N为样品中的所有生物总数；ni为第i种生物的个体数，fi为第i种生物在所有样品中出现的频率。以优势度Y>0.02的标准确定优势种。

1.4.3 浮游植物多样性评价

采用 Shannon-Wiener指数(H)、Simpson 指数（D）、丰富度指数Margalef指数(d)和均匀度指数Pielou指数(J)对浮游植物的多样性进行评价，其计算公式如下：

上述公式中：S为浮游植物种类数；N为同一样品中所有的生物细胞总数；ni为第i种生物的细胞数。各项指数评价标准见表1（Whittaker，1972；Magurran，1988；Pielou，1966）。

2 结果与分析

2.1 漓江水质特征

漓江桂林市区段水体pH均大于7，呈现中性或偏碱性(表2)。溶解氧（DO）在研究区段不同采样点间变化较大，在漓江桥达到最高值，为9.05 mg·L-1，南溪山河入口处最低，为3.2 mg·L-1。高锰酸盐指数（CODMn）除了在南溪河入口处高达6.2 mg·L-1外，其他各点均差异不大，在1.87～3.58 mg·L-1之间变化。叶绿素a含量（Chla）从漓江上游往下依次呈现走高趋势，到南溪河入口达到最高，之后逐渐降低。TP含量在赵家桥至南州桥江段基本保持稳定，而进入市区后呈现先增后降的过程，在南溪河入口处达到最高值。赵家桥村到漓江桥的水质较为稳定，总氮呈现缓慢上升趋势，而在桃花江入口和南溪河入口处，总氮和氨氮呈现大幅上升走势，并且在南溪河入口处达到最大值，之后呈现下降趋势。硝酸盐氮则走低，在南溪河入口处达到最低值。

2.2 浮游植物群落结构特征

2.2.1 种类组成

对漓江桂林市区段水体浮游植物进行调查分析，共观测记录浮游植物7门60属128种（表3）。其中硅藻门19属50种，占种类组成的39.06%；绿藻门27属52种，占种类组成的40.63%；蓝藻门8属16种，占种类组成的12.50%；裸藻门3属7种，占种类数5.47%；黄藻门、金藻门和甲藻门分别为1属1种，各占种类组成的0.78%。硅藻和绿藻为主要种类，漓江浮游植物类型为硅藻-绿藻型，其中硅藻门中异极藻属、羽纹藻属、舟形藻属、桥弯藻属、小环藻属和针杆藻属种类数居多，绿藻门中鼓藻属、新月藻属和栅藻属种类数居多。

2.2.2 密度及优势种

由图2可知，浮游植物密度在上游赵家桥村到解放桥段呈现小范围波动，在漓江桥和桃花江入口处大幅增加，在南溪河入口处达到最大，随后逐步减少。其密度波动范围处在10.3×104～1047.0×104ind.·L-1之间，平均密度为474.7×104ind.·L-1。其中密度最小的是赵家桥村，密度最大的是南溪河入口。

漓江水体浮游植物中硅藻门在密度上占据绝对优势（表4），其密度总和为3384.89×104ind.·L-1，占总密度的79.23%；其次是绿藻，总密度为783.40×104ind.·L-1，占总密度的18.34%。硅藻和绿藻的密度占到总浮游植物类群的97.57%，漓江水体类型为硅藻-绿藻型，属寡污带。

浮游植物优势种依次为冠盘藻S.tephanodiscus（优势度指数为0.242，下同）、蛋白核小球藻C. pyrenoidosa（0.148）、喙头舟形藻N.rhynchocephala（0.033）、短小舟形藻N.exigua（0.037）、广缘小环藻C.Bodanica（0.060）、四尾栅藻S.quadricanda（0.035）、肘状针杆藻S.ulna（0.020）。优势种一般为指示性浮游植物，7种优势植物中有5种属于硅藻门，其余2种属于绿藻门，硅藻占据绝对优势地位。

表1 水质生物多样性指数评价标准Tab.1 Water Quality Evaluation Criteria for Water with Biodiversity Index

表2 漓江桂林市区段主要水质监测指标Tab.2 Water Quality Data of the Lijiang River

表3 漓江桂林市区段水体浮游藻类的种类组成Tab. 3 Composition of Phytoplankton Species in Guilin City Reach of Lijiang River

续表3

图2 漓江桂林市区段各采样点浮游植物密度Tab.2 Density of Phytoplankton in Each Sampling Points of Guilin City Section of Lijiang River

表4 漓江桂林市区段浮游植物各类群的密度（×104 ind.·L-1）Tab.4 Density of Different Phytoplankton in Guinlin City Section of Lijiang river

2.3 浮游植物多样性指数

漓江浮游植物四种生物多样性指数中Shannon-Wiener指数(H)在2.2～4.27之间波动，平均值为3.67；Margalef指数(d)在2.58～4.23之间波动，平均值为3.10；Pielou指数(J)在0.40～0.83之间波动，平均值为0.68；Simpson指数（D）波动范围较大，在2.24～15.24之间，平均值为8.39（表5）。

从表5可以看出，四种生物多样性指数对所选9个采样点的评价结果不完全一致。Shannon-Wiener多样性指数评价结果表明，桃花江入口处（采样点6）、南溪河入口处（采样点7）和小东江入口处（采样点8）为β-中污型，其余均为清洁-寡污型。Margalef多样性指数评价结果表明，采样点5、8和9为清洁-寡污型，采样点7为α-中污型，其余为β-中污型。Pielou指数评价结果表明，样点6、7和8为β-中污型，其余为清洁-寡污型。Simpson多样性指数评价结果表明，样点6和7为β-中污型，其余为清洁-寡污型。综合4种多样性指数评价漓江水质，采样点6，7和8水质存在一定污染，为β-中污型，其余各样点污染较轻属清洁-寡污型。

2.4 水质指标相关性

为了更好地探讨漓江水体各种理化指标和生物指标之间的相互关系，统计分析其相关性，结果见表6。

由表6可知，由于pH值在考察的河流段变化均不大，与其他指标相关性较弱。Chla与大部分指标都呈现一定的相关性，其中与CODMn、TP、NH4+-N、TN呈极显著正相关（p<0.01），与DO和NO3-N呈显著负相关（p<0.05）。细胞密度与TN呈极显著负相关（p<0.01），与NH4+-N呈显著正相关（p<0.05），与DO呈显著负相关（p<0.05）。Shannon-Wiener多样性指数H与DO呈极显著正相关（p<0.01），与NH4+-N和TN呈极显著负相关（p<0.01），与CODMn和TP呈显著负相关（p<0.05）。Margalef多样性指数d与各项理化指标的关系不显著。Pielou指数J与Simpson多样性指数D一致性较强，均与DO呈显著正相关（p<0.05），与NH4+-N和TN呈显著负相关（p<0.05）。

表5 漓江水体四种多样性指数及其水质评价Tab.5 Values and Assessment of Four Biodiversity Indexes of Plankton

表6 漓江水体各指标相关性分析Tab.6 The Correlation Analysis in Guinlin City Section of Lijiang River

3 讨论

3.1 水体理化性质与水质

理化指标监测由于可以迅速判断水质的优劣而在水环境值监测评价中占据着非常重要的作用。漓江市区段水体中各项理化指标在漓江桥上游一直表现平稳，但在桃花江入口处开始变动较大，CODMn、TN、氨氮含量均从此处开始增大，到南溪河入口处则大幅度增加，此后又逐步降低。而溶解氧正好相反，在南溪河入口处达到最低值。理化指标的变动说明在有支流流入的漓江断面水质开始变坏，根据现场调查结果，分析导致该现象的原因可能是漓江在市区内的三条支流接纳了来自上游的不同性质的污染物。桃花江的上游是桂林市西边的大片农田，其污染源主要是农田施肥和农药；而南溪河的上游为大片居民区和酿酒厂，居民区和酿酒厂的有机污水日复一日排入南溪河，致使南溪河污染严重；小东江上游也主要是农田和一家酱料厂。上游的灵剑溪水体污染本很严重（朱继蕤和郝爽，2009），但是在七星公园处与漓江的一条小支流汇合使得污染有所减轻。有机物和营养组分的超标排放和分解消耗了大量的溶解氧，并且入河口处的水流速度大幅降低，其中南溪河入口的水流近乎停滞，这导致水体换气速度降低，从而导致溶解氧大幅下降，进而导致排入的有机污染物得不到充分的降解而日益累积在水体中，造成支流入河处水域的严重污染。

3.2 水体生物指标变化与水质

一般认为，水体中存在有机物质时，浮游植物能够分解有机物质成为自身的营养。因此，当水体中有机物质增多时，浮游植物便会增加繁殖，种类和密度就会增加（姜雪芹等，2009）。而氮磷等营养元素的增加在一定范围内可以促进浮游植物密度的增加，当氮磷浓度增加到一个限值时，不能适应的浮游植物死亡，而能够适应的浮游植物大量繁殖，浮游植物密度大幅增加，生物多样性指数降低。漓江市区段的水体中，Chla含量在漓江桥上游一直处于较低水平，在桃花江入口处开始增加，到南溪河入口处达到最大，表明在三条支流入口处存在大量的有机物和营养物质，这与理化指标评价结果一致。水体中Chla与CODMn、TP和TN均成极显著正相关，其含量增加源于水体中藻类的大量繁殖，在桃花江入口处、南溪河入口处和小东江入口处浮游植物细胞密度均大幅增加。其中南溪河入口处水体中的浮游植物细胞密度已经大于100×104ind.·L-1，且绿藻密度急剧增多，出现大量诸如蛋白核小球藻和冠盘藻等能产生较多Chla的藻类。

漓江市区段河流水体中浮游植物在种类上以绿藻最多，其次是硅藻，二者合计占总种数的79.53%；在细胞密度上则以硅藻最多，绿藻次之，二者合计占比更是高达97.57%，因此水质类型主要为硅藻-绿藻型。就优势种而言，舟形藻、针杆藻、脆杆藻、卵形藻和栅藻在每个断面均有出现，其中绿藻门中的栅藻属β-中污类指示种类，从漓江上游往下数量依次增多。绿藻门的核蛋白小球藻和硅藻门的冠盘藻在漓江桥上游水体中仅少量被发现，但在下游三条支流入口处大量出现，而蓝藻门的颤藻在桃花江入口处才出现，这些藻类都是一些中污性指示生物，指示从漓江桥断面以下水质开始变差。有研究(Smith，1983)指出，当水体中TN与TP的质量比小于29:1时，蓝藻门种类更容易繁殖。本研究所考察的9个采样点中，南溪河入口处TN与TP的质量比最低，为9.5:1，其蓝藻门细胞密度最大。

生物多样性指数随着种类数的增加而增大，其指数值与水体污染程度成反比（况琪军等，2004；Tian等，2013）。漓江市区段水体中浮游植物的 4种多样性指数在漓江桥上游均保持较高水平，其中 Shannon-Wiener指数(H)在3.67以上，Simpson指数（D）大于 6.16，Margalef指数(d)大于2.50，Pielou指数(J)大于0.66.指数值总体较高说明漓江水体中浮游植物群落结构比较稳定，受外界环境的影响较小，水质属于清洁型。但到三条支流的入口处，4种指数的值均快速下降，最低分别达到1.60、2.24、1.85、0.40，水质为 β-中污型到 α-中污型。浮游植物在各个采样断面存在较大差异，除了温度、水流、光照和水中各种环境因子外，还有种间关系作用（Adel 和Roger，2005）。侯伟等（侯伟等，2011））研究指出，TN是影响浮游植物群落结构的主要因素，营养水平可以影响浮游植物数量和种类组成。从各指标的相互关系也可以看出，4种生物指数中，Shannon-Wiener指数(H)、Pielou指数(J)和Simpson指数（D）与DO呈正相关关系，而与CODMn、TP和TN等指标呈负相关关系，DO、CODMn、TP和TN均为浮游植物群落结构重要的影响因素，不同采样点的营养状态不同导致浮游植物群落特征分布也有所差异。生物多样性指数对水质的评价结果与理化指标评价结果基本一致。

4 结论

（1）漓江市区段水体水质在漓江桥上游比较稳定，DO较高，有机物和营养元素含量较低，但在三条支流入口处有机物和营养元素含量大幅升高，DO大幅降低。从理化指标来看，漓江干流水质总体较清洁，在支流入口处污染较为严重。

（2）漓江市区段水体浮游植物群落在种类上以绿藻门最多，其次为硅藻门，二者合计占总种数的79.53%，而在细胞密度上则以硅藻门最多，绿藻门次之，二者合计占总密度达97.57%，优势种也以硅藻类为主。漓江水质类型为硅藻-绿藻型。

（3）Shannon-Wiener指数H、Simpson指数D、Pielou指数J和Margalef指数d对水质的评价结果与理化指标评价结果基本一致，漓江桥上游水体为清洁-寡污带，三条支流入口处为β-中污带。利用细胞密度评价显示南溪河入口处为β-中污型，其他采样点为寡污-β-中污型。

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