淮河中上游浮游植物群落结构特征及营养状况评价

2019-03-18左其亭张永勇于晓龙

中国农村水利水电 2019年2期

陈豪，左其亭，张永勇，于晓龙

(1.华北水利水电大学水利学院，郑州 450046；2.郑州大学水利与环境学院，郑州 450001；3.中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101；4.山东黄河河务局工程建设中心，济南 250011)

浮游植物作为水生生态系统的重要组成部分，是水生态系统的初级生产者，具有种类繁多、分布广泛等特点。同时，浮游植物群落结构特征与水体质量的关系密切，其种类和密度会随着环境因子的改变而改变，因此浮游植物群落结构特征变化对湖泊污染及净化起着指示作用。目前，利用浮游植物数量、群落特征结合水质化学检测作为环境评价指标的方法得到广泛应用[1,2]。藻类生物学法是河流水体富营养化评价的重要方法[3-6]，如指示生物法、优势种评价法等。同时，还有一些其他富营养化评价方法，如营养度指数法、营养状态指数法、修正卡尔森营养指数法、应用模糊数学和灰色系统法等[7-11]。综合运用多种富营养化评价方法，能够更为准确地掌握水体的真实营养化状况。

淮河流域位于我国东部，介于长江和黄河流域之间，是我国水污染较为严重的区域之一，流域内污染物入河量远超水体纳污能力，1994年以来多次发生重大的水污染事件，造成水质、水生生物及河流生态系统的极大破坏[12]。虽然国家经过“九五”、“十五”水污染综合治理，水污染恶化的势头得到有效控制，但水污染形势仍然严峻，流域内半数以上的水功能区水质仍然超标[13]，水环境污染、水生境破坏、水生态失衡问题仍然突出[14]，严重影响着供水安全和河流健康发展。对此，本文通过在淮河中上游开展现场调查取样实验，对水体的环境因子和浮游植物种类、分布及密度等参数进行监测，并从水体理化指标、浮游植物群落结构和富营养化生态学评价等方面对水体富营养化状况进行分析，有助于正确认识浮游植物群落结构对河流水体富营养化程度的指示作用，可为河流水体的富营养化评价提供实验资料和生态学评价理论资料，也可为淮河流域及其他水域环境监测与生态保护提供可靠的科学依据。

1 实验和分析方法

1.1 采样时间和采样点布置

从2012年12月份开始，截止到2014年12月，共开展5次现场实验，分别对淮河中上游(32°57′～33°42′N；112°41′～117°17′E)所定的10个水环境生态调查监测断面(依次为昭平台水库上游D1、白龟山水库下游D2、漯河市区D3、周口市区D4、槐店闸D5、阜阳闸D6、颍上闸D7、临淮岗闸D8、鲁台子水文站D9和蚌埠闸D10)进行冬季(12月份)和夏季(7月份)现场调查实验，调查淮河中上游浮游植物种类、分布、密度及水体理化因子，各监测断面位置见图1，其中，沙颍河上有7个生态监测断面(D1～D7)、淮河干流上有3个生态监测断面(D8～D10)。

图1 取样断面位置示意Fig.1 Locations of sampling sections

1.2 样品采集和分析

实验中对水体理化指标、浮游植物、浮游动物和底栖生物等指标进行监测。在进行各项指标监测时，实验现场直接利用HACH水质监测组件和Hydrolab DS5藻类自动监测仪器检测水体的pH值、水温(T)、溶解氧(DO)、氧化还原电位(ORP)、电导率(EC)和叶绿素a(Chl a)等指标；用聚乙烯水壶采集1 000 mL河水，送回实验室检测氨氮(NH4-N)、高锰酸盐指数(CODMn)、化学需氧量(CODCr)、5 d生化需氧量(BOD5)、总磷(TP)、总氮(TN)等指标；用有机玻璃采水器在0～2 m层采集1 000 mL水样，并立即加入1.5%体积鲁哥氏液固定。水样沉淀48 h后，用虹吸管吸去上清液，浓缩至30 mL，同时加3 mL甲醛溶液保存。定量检测时，取均匀样品0.1 mL，注入0.1 mL计数框内，在400倍显微镜下观察计数，每瓶计数2片，取其平均值，2次计数结果与其平均值之差应不大于±15%。样品采集参照《水环境监测规范》(SL 219-2013)[15]；样品浓缩、固定和保存参照《水生生物监测手册》[16]。

1.3 数据处理及方法

对水体中浮游植物的优势物种采用优势度Y进行计算，并将优势物种作为指示生物评价水体富营养化状况；分别利用综合营养状态指数(TLI)和浮游植物密度值(丰度评价法)对水体的富营养化状况进行评价。

1.3.1 生物学评价方法

(1)指示生物法。指示生物法主要是利用研究区内某些生物种类来指示水体的污染(或富营养化)状况。由于研究区中生物种类比较多，在选择指示生物时存在一定的难度。对此，本文采用各监测断面的优势物种作为指示生物，而优势物种则采用优势度法进行确定。在确定出各监测断面优势物种后，根据优势物种的指示情况代表整个监测断面的富营养化状况。

优势度采用下式：

Y=(ni/N)fi

(1)

式中：ni为第i种的个体数；fi为第i种在各监测断面出现的频率，即一次实验中第种在各监测断面出现的次数与总次数之比；N为所有种类出现的总个体数。当某一物种Y≥0.02时，认为该物种即为优势物种[17]。

(2)丰度评价法。参照湖泊富营养化藻类丰度评价方法[18, 19]，藻类密度(丰度)大于108个/L时为重富营养化状态；80×106个/L

1.3.2 综合营养状态指数法

综合营养状态指数法是利用水体理化指标进行水体富营养化状况评价的常用方法。在淮河中上游水体富营养化状况评价中，以Chl a的状态指数TLI(Chl a)为基准，从其余参数(如TP、TN等)的指数中选择3～4个与基准状态指数TLI(Chl a)比较接近的状态指数，并与其一起进行相关加权综合。综合营养状态指数TLI(∑)计算公式为：

(2)

式中：TLI(∑)为综合营养状态指数；Wi为第i种参数的营养状态指数的相关权重；r1j为第j个参数与Chl a的相关系数；m为选出的主要参数数目，一般取3～4个；相关系数及权重值求解方法参考文献[20]，具体结果见表1；TLI(i)为第i种参数的营养状态指数。

评价标准为：TLI(∑)<30为贫营养，30≤TLI(∑)≤50为中营养，5070为重度富营养[20]。

表1 第i种参数与Chl a相关系数及权重值Tab.1 Correlation coefficient between parameter i andChl a and its weight value

2 结果与分析

2.1 浮游植物群落结构特征

通过对5次实验中浮游植物样品的检测，共获得8门226种浮游植物，分别属于硅藻门、绿藻门、蓝藻门、裸藻门、甲藻门、金藻门、隐藻门和黄藻门，其中硅藻门(99种)和绿藻门(86种)物种最多，分别占43.8%和38.1%，具体情况见图2。从图2中可以看出，第1次实验(SY1)中浮游植物的门数和种类数均最多，而第5次实验(SY5)的浮游植物门数和种类数均最少。

图2 实验中浮游植物的种类分布情况Fig.2 The species distribution of phytoplankton in each experiment

图3 各监测断面浮游植物密度和种类数Fig.3 Density and species number of phytoplankton in each monitoring section

同时，不同实验中浮游植物的种类数和密度值在空间和季节变化上都表现出较大的差异，见图3。在空间分布上，总体来看，浮游植物种类数和密度值均呈现升高-降低-再升高的变化趋势，即沙颍河中下游4个监测断面(D4～D7)的浮游植物种类数和密度值多大于其他监测断面，特别是第2次实验(SY2)中的D5监测断面，其浮游植物种类数最多，密度值也最大(11.5×106个/L)。只有第3次实验(SY3)浮游植物密度值的最大值出现在D2监测断面。从D7监测断面到D8监测断面，浮游植物密度值和种类数均呈现下降的变化趋势，只有第5次实验(SY5)的密度值呈现上升的变化趋势，之后，多数实验中，浮游植物种类数和密度值会再次呈现上升的变化趋势。在季节变化上，对于夏季实验(SY2和SY4)，某些监测断面浮游植物密度值要大于3次冬季实验(SY1、SY3和SY5)结果，如第2次实验(SY2)的D5监测断面，但是某些监测断面浮游植物的密度值则不符合这个规律，这主要是浮游植物除了受到水温影响之外，水中的营养盐类也是重要的影响因素。5次实验中，3次冬季实验某些断面的营养盐类(TN和TP)含量要高于2次夏季实验的含量，这主要是冬季时淮河中上游闸坝多处于关闭状态，造成水体营养盐类的富集，对浮游植物生长具有促进作用[21-23]；但在正常的河道监测断面中(D3和D9监测断面)，夏季实验时的浮游植物密度要大于冬季实验时，此时水温仍是影响浮游植物的主要因素。

2.2 优势物种特征分析

结合各监测断面的浮游植物密度值监测数据，利用优势度计算方法得出各监测断面浮游植物优势物种，其变化特征见表2。结果表明，不同实验中，各监测断面的浮游植物优势物种也发生改变，且5次实验中不存在共有的优势物种，只有梅尼小环藻出现的次数最多(3次实验)。同时，5次实验中，D1、D3和D9监测断面没有出现明确的优势物种。浮游植物优势物种中，硅藻门优势物种最多(6种)，分别是变异直链藻、颗粒直链藻、梅尼小环藻、科曼小环藻、钝脆杆藻、星形冠盘藻；绿藻门的优势物种3种，分别为四尾栅藻、小球衣藻、针丝藻；蓝藻门优势物种为钝顶螺旋藻、蜂巢席藻；隐藻门优势物种为卵形隐藻。不同的浮游植物优势物种对水体污染的指示情况不同，其中，梅尼小环藻是中～富营养型的指示物种；颗粒直链藻、变异直链藻、四尾栅藻、科曼小环藻、卵形隐藻、蜂巢席藻是中营养型水体的指示物种[24, 25]；钝脆杆藻是贫～中营养型水体的指示物种。

表2 各监测断面浮游植物优势物种Tab.2 Dominant species of phytoplankton in each monitoring section

2.3 富营养化状况评价

2.3.1 生物指标评价富营养化程度

(1)指示生物法和丰度评价法评价水体富营养化程度。根据不同浮游植物物种对水体富营养化程度的指示作用，结合表2优势物种的分析结果，利用该物种的富营养化指示情况代表整个监测断面的富营养化状况。但是，D1、D3和D9监测断面没有明确的优势物种，因此，采用丰度评价法评价其富营养化情况。5次实验中，D1监测断面浮游植物密度的变化范围是3.0×104～4.6×105个/L(小于106个/L)，均处于贫营养状态；D3监测断面浮游植物密度的变化范围是1.3×105～3.6×106个/L，其中SY3和SY4中该断面处于贫中营养状态，其余3次实验该断面处于贫营养状态；D9监测断面浮游植物密度的变化范围是9.2×104～1.1×106个/L，只有SY2中该断面处于贫中营养状态，其余4次实验该断面均处于贫营养状态。剩余7个监测断面均有优势物种出现，故采用优势物种指示污染等级与丰度评价法相结合的方法评价水体富营养化程度。对于D2监测断面，SY1和SY3中均存在优势物种，其中SY1的优势物种为梅尼小环藻，其指示污染等级为中～富营养型，而丰度评价结果为贫营养型水体；SY3的优势物种为科曼小环藻和针丝藻，分别指示的污染等级为中营养型水体和贫营养型水体，丰度评价结果为贫～中营养型水体。其余3次实验没有明确的优势物种，采用丰度评价法进行评价，SY2中为贫营养型水体；SY4中为贫中营养型水体；SY5中为贫营养型水体。其他监测断面分析方法与D2监测断面相同，具体结果见表3。

表3 利用指示生物法和丰度评价法评价各监测断面的水体富营养化状况Tab.3 Evaluation nutrient status of each monitoring section by indicator biological method and abundance evaluation method

注：“-”表示实验中该监测断面没有优势物种；“贫”表示“贫营养型”、“贫中”表示“贫中营养型”、“贫～中”表示“贫～中营养型”、“中”表示“中营养型”、“中～富”表示“中～富营养型”。

2.3.2 综合营养状态指数评价水体富营养化程度

选取Chl a、TP、TN和CODMn4个参数，依据综合营养状态指数法计算得出富营养化状态评价结果，具体结果见图4。

由图4可以看出，各监测断面的综合营养状态指数呈现升高-降低的变化趋势，最大值出现在SY5的D5监测断面，结合综合营养状态指数的具体评价标准，其处于重度富营养状态；最小值出现在SY3的D1监测断面，处于贫营养状态，其他各监测断面的分析方法与其相同，具体结果见表4。

从表4中可以看出，沙颍河上游3个监测断面的水体富营养化程度较低，特别是D1监测断面；沙颍河中下游各监测断面的水体富营养化程度较高，多处于轻度富营养状态，甚至达到中度富营养状态，其中沙颍河中游的D4和D5监测断面的水体富营养化程度最高。

2.3.3 综合分析

浮游植物群落结构是评价水体富营养化的重要参数。同时，水体理化指标也是反映水体质量好坏的重要参数。对此，综合采用指示生物法、丰度评价法和综合营养状态指数法对水体质量进行评价。以D1监测断面为例进行综合分析，由于D1监测断面中没有明确的指示生物，仅利用丰度评价法和综合营养状态指数法对其进行综合分析。SY1实验中，丰度评价结果为贫营养型水体，这主要是D1监测断面获取的浮游植物总密度较低，但硅藻门中表示中营养型水体的变异直链藻等物种均有出现，结合综合营养状态指数法中营养型水体的评价结果，将其综合评价定为贫～中营养型，这也符合当地的实际情况，该监测断面位于昭平台水库的上游，受人类活动的影响相对较少，但附近是个温泉度假村，有一定的生活污水排入河道，对水体质量产生影响。依据同样的思路和分析方法，对其余各监测断面的水体富营养化状况进行综合分析，具体结果见表5。

图4 各监测断面综合营养状态指数变化情况Fig.4 Changes of trophic status index in each monitoring section

表4 利用综合营养状态指数评价各监测断面水体营养状态情况Tab.4 Nutrition status in each monitoring section by trophic status index

注：“贫”表示“贫营养”；“中”表示“中营养”；“轻富”表示“轻度富营养”；“中富”表示“中度富营养”。

从表5中可以看出，沙颍河上游各监测断面(D1～D3)的水体富营养程度较轻，只有D3监测断面出现中～轻富营养化程度的水体，而D1监测断面的水体富营养化程度最低，多处于贫～中营养状态；沙颍河中下游各监测断面(D4～D7)的水体富营养化程度最为严重，多次出现轻度富营养化状态，这主要是这些监测断面均处于城市内，受人类活动影响较大，造成河流水体中富含大量的氮和磷等营养元素，如，5次实验中TN最大值(8.96 mg/L)和TP最大值(0.428 mg/L)均出现在D5监测断面，且多数实验中，浮游植物的主要捕食者----浮游动物的种类和数量均相对较少，这就造成这些监测断面浮游植物密度值和种类数均较多(见图2)，且硅藻门和绿藻门浮游植物数量和种类均占优势。国内外普遍认为甲藻、隐藻和硅藻易在中营养型水体中占优势，绿藻和蓝藻则易在富营养型水体中占优势[26]，这与这些监测断面多处于中～轻度富营养型和轻度富营养型水体的评价结果相吻合。淮河干流上的3个监测断面(D8、D9和D10)水体的富营养化程度有所减低，多处于贫～中营养或中营养状态，这主要是淮河干流河道水量大，对水体氮磷等营养元素具有一定的稀释和降解作用，使得水体中浮游植物的种类和密度均有所降低。总体来说，淮河中上游河流水体存在一定的富营养化状况。