长江武汉段和汉江武汉段浮游藻类群落比较研究

2018-03-1443000市第六中学43000

水利水电快报 2018年2期

(. ， 43000；.市第六中学， 43000)

1 研究背景

浮游藻类作为水生态系统的初级生产者，个体较小，对于环境的变化较敏感，其群落组成和丰度能反映短期水体的富营养化水平，起到指示作用。2000年以来，欧盟国家在“水框架指令”的推动下，已经开始按照河流的不同类型分别进行健康评估和保护，而是否能够达到良好的效果，与所选择的浮游藻类参数密切相关[1]。

我国已开始河流健康评价的研究，所采用的指标较单调，更多的是借鉴国外相关指标，这些指标是否适用于我国河流还有待考证。目前，适应我国内陆河流健康评价的标准尚未建立，必须进行河流水生态系统中浮游藻类基础数据的收集[2]。国内河流健康评价的研究对象大多为单一河流[3-4]，而我国大多数河流分支较多，水网复杂，很难对某一河流进行单一判定。选取某一时期干流和支流健康状况及相关影响因子进行比较的研究较少。

长江是我国第一大河，已有学者对其浮游藻类群落构成进行了研究，多集中于三峡库区和河口区域等有大型水利工程或者地形较特殊区域。张馨月2015年对宜昌江段进行研究，结果显示长江江段优势种为硅藻、蓝藻、绿藻，因季节的变化所占比例有所不同[5]。吴波对长江口区藻类分布格局进行了研究，发现长江口主河道以硅藻门为主，其次为绿藻[6]。汉江作为长江的最大支流，浮游藻类研究更多的偏向于汉江水华，研究结果显示，数次水华的优势种均为硅藻[7-11]。

目前，我国分别研究长江、汉江浮游藻类群落结构的成果较多，但是同一时期将两者进行比较研究的较少。长江武汉段属于长江中游，离三峡库区和河口距离均较远，但长江最大的支流汉江在武汉龙王庙汇入。武汉四季分明，年平均气温16℃～18℃，夏季前后受季风影响降水增多，每年5～10月为汛期。长江武汉段和汉江武汉段气象条件相同，但由于水利工程的调控导致河流水动力条件和含沙量存在较大差异，汇合处分界明显，汛期甚至会出现“顶托”现象。本研究于2016年开始，选择2个典型断面逐月监测浮游藻类群落结构及相关环境因子，希望对同一区域同一河流的干流和支流进行同步监测，了解气候相同但水文和水质条件存在差异的干流和支流浮游藻类群落结构是否存在较大差异及其与环境因子的关系，为今后进行河流健康评价提供参考依据。

2 研究方法

2.1 研究对象

长江武汉段水体浑浊，含沙量高，水流速度快，江面宽阔；汉江武汉段水体清澈，流速较小，江面窄。

该研究根据地形特点设置2个采样断面：集家嘴断面和37码头断面。集家嘴断面是国家重要水质基本断面，也为汉江入长江河口控制断面，距离河口0.8 km；37码头断面处于长江，是国家重点水质基本断面，为武汉河段控制断面，处于集家嘴断面汇入口的下游。监测断面地理位置图见图1。

图1 监测断面位置

2.2 试验方法

2016年7至2017年5月，每月上旬采样监测一次。每个采样断面设置3条垂线，用有机玻璃采样器取水面下0.5 m水样，等量混匀之后取1 000 mL用于定量检测。采集的样品立即用鲁哥氏液固定，用量为水样体积1%～1.5%。经24 h沉淀浓缩至50 mL，用0.1 mL浮游藻类计数框在10×40倍光学显微镜下观察计数，计数方法参考水库渔业资源调查规范(SL167-2014)。

现场测定环境因子水温、pH值、电导率、溶解氧，使用酸度计、电导率仪和溶氧仪等；高锰酸盐指数、总磷、氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮，采集样品后加相应保存剂固定，送实验室进行检测，检测方法采用国家标准、环保标准或者水利标准。

本文统计软件使用SPSS19，绘图使用OriginPro 8。

3 结果分析

3.1 浮游藻类生物量变化

按季节分析监测数据，集家嘴断面浮游藻类冬季增多，夏季减少。浮游藻类生物量最高值(0.442 mg/L)出现在3月，最低值(0.010 mg/L)出现在11月，平均浮游藻类生物量0.156 mg/L，硅藻生物量所占比例达到62%以上。37码头断面浮游藻类冬季增多，夏季减少。浮游藻类生物量最高值(0.281 mg/L)出现在4月，最低值(0.007 mg/L)出现在11月，平均浮游藻类生物量0.107 mg/L，硅藻生物量所占比例达到76%。

全年2个断面的浮游藻类生物量基本保持一致，集家嘴断面春季因绿藻的大量繁殖，浮游藻类生物量较37码头明显增多，见图2。

我呆呆地看着父亲，不知道他到底想说什么。父亲拍了拍我的后脑勺说：“你心里的烦恼就像这些小草，怎么锄都不能使它们真正消失。所以，最好的办法就是不要去理会它们，时间长了，你会发现自己曾经历的烦恼也可以是生命中的一道风景。每当你有了烦恼时，不如试着享受眼前的时光，比如你现在虽然不能去朋友家了，但是不是可以站在门口好好欣赏一下雨中的田园，或者读一本书？”我看着门外田野里的雨景，渐渐地领会到了父亲的意思。

图2 浮游藻类生物量变化

3.2 优势藻种分析

2个断面的全年浮游藻类群落结构基本一致，优势种均为硅藻，其余监测到的浮游藻种有甲藻、绿藻、蓝藻和裸藻等。逐月监测数据显示，硅藻每月都有检出；甲藻秋季最少，甲藻细胞数量少但个体较大，因而生物量占浮游藻类总生物量比例较大，常见藻种为多甲藻，偶见角甲藻和薄甲藻；绿藻春季大量增长，监测资料显示集家嘴断面爆发式增长的绿藻种类主要为水绵和盘星藻；蓝藻增长出现于夏季，常见种类为颤藻，偶见色球藻和鱼腥藻。

硅藻生物量按季度取均值进行比例分析(见图3)：

(1)夏季。2个断面优势种均为直链藻。集家嘴断面直链藻占比例较大，超过48%，其他藻种占比例较小；37码头断面直链藻虽为优势种，但与脆杆藻、舟形藻、小环藻所占比例差距不大。

(2)秋季。2个断面优势种均为直链藻。集家嘴断面直链藻占比超过85%；37码头断面藻类群落结构组成与夏季差别不大。

(3)冬季。集家嘴断面优势种为直链藻，37码头断面优势种为小环藻。集家嘴断面小环藻占比增多，直链藻占比降至65.9%；37码头断面直链藻和小环藻占比均大幅提升，合计比例超过95%。

(4)春季。2个断面优势种均变为小环藻。集家嘴断面小环藻占62%，直链藻占比降至约20%；37码头断面群落结构恢复多样性，小环藻和直链藻相较于冬季占比减小，其他藻种所占比例增大。

(5)全年。37码头断面的群落结构组成相较于集家嘴断面浮游藻类种类更多，仅冬季与集家嘴断面差异不大；集家嘴断面除春季外，直链藻均占据绝对优势。

图3 硅藻群落结构

表1 环境因子监测数据

3.3 环境因子分析

表1对2个断面逐月监测的环境因子进行了统计，并使用图4的“垂直盒”图标进行了表述，每个盒子代表了60%的数据变动范围，盒中实线为平均值，上下范围代表95%置信区间。可以看出集家嘴断面和37码头断面电导率、悬浮物、硝酸盐氮、总磷差异较大，逐月监测数据显示，2个断面的水温、溶解氧和氨氮波动较大，季节性变化明显。

图4 环境因子变化

表2将监测断面浮游藻类生物量和监测的环境因子进行了Pearson相关性研究，结果显示集家嘴断面的甲藻生物量和氨氮含量的变化显著相关；37码头断面浮游藻类总生物量的变化与pH值和氨氮含量显著相关，其中硅藻生物量与水温、pH值、溶解氧、硝酸盐氮、氨氮含量显著相关，甲藻生物量与总磷含量显著相关，绿藻生物量与硝酸盐氮含量显著相关，蓝藻生物量与高锰酸盐指数含量显著相关。分析监测的环境因子之间的Pearson相关性，发现与水温显著相关的环境因子有pH值、溶解氧和氮含量。

4 讨论

从以上结果可以看出，长江武汉段和汉江武汉段浮游藻类的季节性变化趋势一致，2个断面虽然有部分环境因子(电导率、悬浮物、硝酸盐氮和总磷)存在差异，但有差异的环境因子大部分与浮游藻类的生物量变化无显著相关性，存在相关性的环境因子与硅藻生物量的变化有关，因2个断面的优势种群均为硅藻，因而不影响浮游藻类生物量的变化趋势。

2个监测断面的优势浮游藻类均为硅藻，该研究分析结果与已有长江、汉江浮游藻类群落结构研究结果一致[12- 13]。黎佛林对江西水系包含的数条不同水动力条件的河流硅藻分布进行了研究，研究结果显示影响硅藻生长的最主要因子是流速，直链藻和小环藻在大江中丰度较大，缓流水体适合大多数藻类生长[14]。该研究结果中集家嘴断面直链藻和小环藻在不同季节交替占据优势，37码头断面直链藻和小环藻都占据主导地位，与此研究结论吻合。

表2 监测断面环境因子与浮游藻类生物量的Pearson相关性

注：**在0.01水平(双侧)上显著相关，*在0.05水平(双侧)上显著相关。

况琪军等人的调查结果显示，小环藻在低温条件下也能很好的生长，而直链藻适宜于春末夏初的水温条件[12]。该研究中水温较低的季节冬季和春季小环藻均有大量生长，所占比例较大，与其研究结论一致。

研究显示，氮磷比11.8∶1～15.5∶1之间有利于硅藻大量繁殖[12]，比较各季度2个断面的氮磷比，37码头断面均处于此范围内，而集家嘴断面氮磷比均不在此范围内，但差距不大，因而37码头硅藻种类群落结构相较于集家嘴断面更多样，可能一部分来自于氮磷比的差别，一部分来自于2个断面流速的差异，后期可以进行相关研究。

环境因子之间的相关性分析显示，与水温显著相关的环境因子有pH值、溶解氧和氮含量。pH值通过测量电池电动势获得，电极的电位和水的电离平衡都受温度的影响，所以水温和pH值显著相关。溶解氧测定的是水中溶解的分子态氧，水温与溶解度直接相关，因而水温是影响溶解氧的主要因素。水体中温度升高会促进微生物的生长，特别是硝化细菌，随着水温的增高，硝化细菌的硝化能力会增强，直接影响水体中各种氮的含量，因而水温与氮含量显著相关。

浮游藻类生物量与环境因子的相关性分析显示，与浮游藻类生物量存在显著相关性的环境因子在不同断面间存在差异，考虑到2个断面浮游藻类生物量均存在季节性差异，光照、水温季节性变化较大，且水温与大部分环境因子有显著相关性，也有研究显示15℃～20℃有利于硅藻生长，充分的日照使硅藻能进行光合作用，大量繁殖[10]。蓝藻在30℃生长最好，硅藻光照强度适应范围较广，而蓝藻只适宜于较低的光照强度[15]，所以水温可能是影响浮游藻类群落结构及生物量的重要环境因子。

长江武汉段和汉江武汉段的优势种均为硅藻，且种类多样，国外多用硅藻指数进行健康河流评价。美国已开发多种硅藻指数用于监测河流富营养化状态，研究显示当硅藻在浮游植物群落中占据优势时，硅藻指数的评价结果较优[16]。富足的营养盐、适宜的气候条件、水文条件都具备时容易发生水华[11]。长江和汉江武汉段营养盐和气候条件均相似，差别最大的是水文条件，汉江1992，1998，2000，2003和2008年曾发生5次水华，主要优势种为小环藻，均出现在春季汉江下游流量较小，流速缓慢，水位较低，长江流量远大于汉江流量，发生“顶托”现象的时间段[11]，说明水文条件是关键因子。可以将此次研究获得结果作为基础数据，后期利用硅藻指数等指标对长江、汉江武汉段进行河流健康评价，以期找出浮游藻类生长和水文条件之间的联系，为预警水华做参考。