建塘江浮游植物群落结构特征及与环境因子的关系

倪 蒙，原居林，刘 梅，顾志敏

(浙江省淡水水产研究所，农业部淡水渔业健康养殖重点实验室，浙江省鱼类健康与营养重点实验室，浙江 湖州 313001 )

建塘江位于浙江省慈溪市境内，是慈溪市“三横十一纵”规划建设骨干河道之一，是慈溪西部地区最重要的纵向北排河道。同时，随着围垦蓄淡养殖业的发展，建塘江已成为慈溪围垦养殖区主要的淡水水源，其水质变化特征直接关系到慈溪地区养殖业的发展。近年来，随着“五水共治”等战略部署的开展，慈溪市进行了大规模水环境整治工程，取得了良好的生态效果。但河道扩宽、底泥疏浚和闸坝建设等工程在有效清除河道沉积物的同时，也一定程度上削减了河道中水生生物种群，破坏了水体原有的生态系统。浮游生物是重要的河道初级生产者，能够迅速而灵敏地反映水环境变化[1-2]。肖小雨等[3]对吉安地区典型景观湖泊浮游植物群落结构特征及其与水环境因子的关系进行了分析，结果表明，4个景观湖泊处于富营养化状态，中等污染水平，建议对小型封闭景观水体进行必要治理和生态修复。余员龙[4]对千岛湖浮游植物群落结构及营养盐的分析发现，总磷和硅酸盐是决定千岛湖年均浮游植物生物量的主要营养盐。赖俊翔等[5]则认为，温度、pH、溶解态无机磷和化学需氧量是影响广西北部湾海域春季浮游植物群落的主要环境因子。孙慧慧等[6]对莱州湾浮游植物群落结构与环境因子时空变化特征的分析发现，温度和硅酸盐含量与浮游植物群落结构变化具有显著相关性。有关河流浮游生物群落结构与水环境变化的相关研究也有报道，秦雪等[7]的研究结果表明，黄河口调水调沙前，影响浮游植物群落空间结构的主要因素为硝酸盐、亚硝酸盐、溶解氧和透明度，调水调沙后，影响浮游植物群落空间结构的主要因素为溶解氧、活性硅酸盐、铵盐和透明度；而怀洪新河浮游植物群落结构主要受叶绿素a、氨氮、水温、总氮、溶解氧、水深和浊度的影响[8]。但尚未见有关建塘江水质和浮游植物现状的研究报道。笔者从渔业生态环境角度出发，对建塘江一个完整养殖周期(5—10月)水质特征和浮游植物的种类、丰度、生物量、生物多样性进行逐月调查研究，分析该河段水质及浮游植物群落结构特征，揭示该河段水质污染现状，在理论上有助于理解自然河流生态系统多样性和稳定性的关系，在应用上有助于维护水生态系统健康，为河道疏浚后浮游生物种群恢复及生态系统再建立提供科学依据，并为慈溪围垦养殖区水产养殖源水污染物去除和水质改善提供参考，推动慈溪水产养殖业的健康可持续发展。

1 材料与方法

1.1 采样地点和时间

本研究根据建塘江河段分布情况，在建塘江闸上游(A)、建塘江闸下游(B)和入海口区域(C)处依次设置3个采样断面，每个采样断面设置3个平行，在整个对虾养殖期(2017年5—10月)对建塘江各采样断面进行逐月采样。

1.2 水质检测及分析方法

温度、pH和溶解氧使用水质分析仪(美国哈希HQ40d)现场测定。使用2.5 L的采水器按常规方法采集表层水样和底层水样，将表层和底层水样混合后每个样点采水1 L，运回实验室参照《水和废水监测分析方法》[9]测定总氮、总磷、氨氮、亚硝态氮、高锰酸盐指数、铬、铜、锌、铅、镉和总汞等其他各项水质指标。

图1 采样断面的位置分布

1.3 水质污染综合评价方法

根据环杭州湾围垦养殖区池塘水质检测结果，选取对水质影响较大的5个主要因子(总氮、总磷、氨氮、亚硝态氮、高锰酸盐指数)作为评价标准，采用单项污染因子指数对总氮、总磷、氨氮、亚硝态氮和高锰酸盐指数等主要污染因子进行评价，并计算水质综合污染指数，水质综合污染指数参考文献[10]的评价方法，按下式计算：

P=1/n∑Pi

Pi=Ci/Si，i=1，2，…，n

式中，P为水质污染指数；Pi为污染物i的污染指数；Ci为污染物i的实测含量；Si为污染物的评价标准；n为总的污染个数。

采用分指数平方和的平方根法计算综合污染指数：

式中，PI为综合污染指数；Ci为污染物i的实测含量；Si为依据《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中Ⅲ类水质评价标准；n为总的污染个数。

1.4 浮游植物采样及分析方法

浮游植物样品采集参考淡水生物资源调查技术规范(DB43/T 432—2009)，样品经固定并浓缩后，使用0.10 mL浮游生物计数框显微镜(10×40倍)观察计数。浮游植物种类鉴定参照《中国淡水藻类——系统、分类及生态》[11]进行分类鉴定，并计算浮游植物丰度及生物量。

1.5 优势度及生物多样性分析

本研究选择优势度(Y)、丰富度指数(D)[12]、香农维纳多样性指数(H′)[13]、均匀度指数(J′)[14]和辛普森多样性指数(λ)[15]作为浮游植物群落评价指标。浮游植物的优势种根据每个种的优势度(Y)来确定，Y≥0.02确定为优势种。

式中，ni为样品中第i种浮游植物的数量；N为样品中浮游植物所有种类总数量；fi为第i种浮游植物在各站位中出现的频率；S为样品中的浮游植物种类数；Pi为第i种浮游植物数量占总浮游植物数量的比例；Hmax为lnS，表示香农维纳多样性指数H′的最大值。

1.6 数据分析方法

采用Pearson相关性分析浮游植物与水环境之间的关系。浮游植物指标选择浮游植物丰度、生物量及以上4种多样性指数，水质指标选择温度、pH、溶解氧、高锰酸盐指数、氨氮、总磷和总氮。分析前，对各项水质参数进行对数转换。采用Canoco 4.5分析软件对浮游植物与环境因子进行典范对应分析并使用Canodraw 4.5作图。

2 结果与分析

2.1 建塘江水环境现状及污染状况评价

2.1.1 建塘江水环境调查结果

依据地表水环境质量标准(GB 3838—2002)对3个采样断面初始水质特征进行了调查，水温具有显著的时间差异，8月温度达到最高值，各采样断面间无显著性差异。不同采样断面pH为 8.20～9.02，各采样断面间无显著性差异，多数采样断面均符合地表水环境质量标准。各采样断面溶解氧水平均大于6.00 mg/L，处于地表水环境质量标准Ⅰ～Ⅱ类间。高锰酸盐指数为16.00～37.00 mg/L，属于地表水环境质量标准Ⅲ～Ⅴ类。氨氮质量浓度均低于0.50 mg/L，为地表水环境质量标准Ⅰ～Ⅱ类，其中，10月氨氮质量浓度显著高于其他月份(P<0.05)，但各采样断面无显著性差异。总磷质量浓度为0.49～1.70 mg/L，均高于地表水环境质量标准Ⅴ类，是建塘江最主要的污染因子。总氮质量浓度为1.60～7.60 mg/L，为地表水环境质量Ⅴ类，5月C采样断面达到最高值(7.60 mg/L)，10月氨氮质量浓度显著高于其他月份(P<0.05)。铜、锌、汞、镉、总铬、铅等重金属指标含量均低于检测限值(结果未显示)，说明建塘江未受到重金属污染。

表1 初始水环境现状调查结果

注：*代表超过地表水环境质量标准Ⅴ类限值.

2.1.2 建塘江水质污染评价与分析

在土方开挖施工时，施工管理部门要制定好科学有效的计划安排和组织管理，充分利用好施工现场的有利条件，严格控制施工成本、施工进度以及施工安全。很多情况下，基坑土方开挖的面积较大，在开挖过程中不仅要求配合锚杆和土钉的施工进行分步开挖，而且为了增加日出土量，都会选择盆式开挖，也就是每边给锚杆和土钉留有约10m的作业面，中间部分就以每步3～3.5m的速率开挖，其土方开挖允许的偏差如表1所示[3]。

根据《地表水环境质量标准》GB 3838—2002并结合滨海滩涂主要污染因子确定标准如下，高锰酸盐指数为20.00 mg/L、氨氮为1.00 mg/L、亚硝态氮为0.20 mg/L、总磷为0.20 mg/L、总氮为1.00 mg/L，评价结果见表2。单项污染因子指数法评价结果显示，高锰酸盐指数(1.27～1.62)在各月均处于重污染状态，氨氮在5—9月处于清洁状态(0.02～0.07)，而10月为尚清洁(0.31)。与氨氮评价结果相一致，亚硝态氮在5—9月处于清洁状态(0.01～0.12)，而10月为轻污染状态(0.62)。总磷在各时间点均高于3.00，处于严重污染状态，是建塘江最主要的污染物来源。总氮水质污染指数为1.93～4.83，处于重污染—严重污染水平。水质综合污染指数P评价结果显示，6—8月为重污染状态(1.002.00)。

表2 建塘江水质污染指数评价结果

2.2 建塘江浮游植物群落结构特征

2.2.1 浮游植物种类组成

通过对建塘江各采样点的水样进行分析，共检测出浮游植物48种，隶属于6个门。其中绿藻门22种、蓝藻门10种、硅藻门10种、裸藻门3种、甲藻门2种、隐藻门1种。从门的种类分布来看，绿藻门种类最多，占种类总数的45.8%；其次是蓝藻门和硅藻门，均占种类总数的20.8%。

2.2.2 浮游植物现存量

建塘江浮游植物丰度和生物量变化见图2，浮游植物丰度为86.00×104～635.00×104个/L，生物量为0.14～2.34 mg/L。从时间分布看，建塘江浮游植物丰度变化趋势为9月>8月>6月>5月>7月>10月，生物量的变化趋势为9月>6月>5月>8月>7月>10月。从空间分布看，各采样断面变化趋势基本一致，入海口C采样断面丰度和生物量在各个月份均高于A、B两个断面。

2.2.3 浮游植物优势类群及生物多样性

优势度计算结果见表3，建塘江浮游植物优势种主要有6种，分别为颗粒直链藻(Melosiragranulata)、小颤藻(Oscillatoriatennuis)、具缘微囊藻(Microcystismarginata)、中华平裂藻(Merismopediasinica)、四尾栅藻(Scenedesmusquadricauda)和小环藻(Cyclotellameneghiniana)。但各月优势种不同，颗粒直链藻在5—9月成为优势种，小环藻在5、6、7、10月成为优势种，绿藻门的四尾栅藻在10月成为优势种，每月都有至少1种蓝藻门的藻类[中华平裂藻、小颤藻、微小平裂藻(Merismopediatenuissima)、具缘微囊藻]成为优势种。

图2 建塘江浮游植物丰度和生物量

表3 建塘江浮游植物前三优势种

建塘江浮游植物多样性指数和均匀度指数分析结果(图3)表明，丰富度指数为1.02～1.68，属于α-中污，其中9月物种丰富度最高，10月下降到最低。各采样点香农维纳多样性指数均处于2.00～3.00，属于β-中污，最高也出现在9月，最低出现在6月。辛普森多样性指数与香农维纳指数基本一致。均匀度指数反映的是各个物种个体数目分配的均匀程度[10]，本研究中，10月均匀度指数最高，6月最低。

2.3 建塘江浮游植物群落结构特征与环境因子的关系

相关性分析结果表明，浮游植物丰度与温度正相关(R=0.556)，随温度的升高而升高(表4)。而生物量与氨氮呈现显著负相关(R=-0.548)。香农维纳多样性指数和均匀度指数均与pH呈现负相关关系，而辛普森多样性指数则与pH极显著正相关(P<0.05)。

图3 建塘江浮游植物丰富度指数、多样性指数和均匀度指数变化

温度pH溶解氧高锰酸盐指数氨氮总磷总氮丰富度指数香农维纳多样性指数辛普森多样性指数均匀度指数浮游植物丰度温度pH-0.09溶解氧0.010.56∗高锰酸盐指数-0.300.390.23氨氮-0.45-0.13-0.33-0.02总磷-0.330.06-0.58∗0.260.33总氮-0.52∗-0.25-0.320.200.440.48∗丰富度指数0.34-0.40-0.18-0.16-0.44-0.09-0.31香农维纳多样性指数0.24-0.54∗-0.44-0.090.130.220.220.46辛普森多样性指数-0.110.62∗∗0.150.410.040.430.11-0.280.07均匀度指数0.10-0.59∗-0.48∗-0.060.380.310.46-0.010.81∗∗0.07浮游植物丰度0.56∗-0.21-0.29-0.15-0.360.17-0.360.80∗∗0.52∗-0.070.10生物量0.17-0.13-0.25-0.03-0.55∗0.18-0.360.80∗∗0.24-0.15-0.150.85∗∗

典范对应分析4个排序轴的特征值分别为0.39、0.27、0.22和0.11，前两个排序轴可以解释62%的浮游植物方差值。温度(-0.55)主要贡献于第1排序轴，温度(-0.66)、溶解氧(0.54)、高锰酸盐指数(0.74)和氨氮(0.51)主要贡献于第2排序轴(图4)。

浮游植物物种与环境因子排序见图4，其中，第1象限主要与pH和溶解氧呈现正相关，主要物种包括蓝藻门的微小色球藻(Chroococcusminutus，S2)、中华尖头藻(Merismopediasinica，S10)，裸藻门的梭形裸藻(Euglenaacus，S14)，硅藻门的小环藻(S16)和绿藻门的舟形藻属(Navicula，S22)。第2象限主要与高锰酸盐指数、氨氮、总氮呈现正相关，主要包括蓝藻门的中华平裂藻(S4)，硅藻门的尖针杆藻(Synedraacusvar，S19)、针杆藻属(SynedraS23)、卵圆双壁藻(Diploneisovalis，S25)和绿藻门的针形纤维藻(Ankistrodesmusacicularis，S29)、弓形藻(Schroederiasp.，S32)、三角四角藻(Tetraedromtrigonum，S34)、双对栅藻(Scenedesmusbijuba，S35)、二形栅藻(S.dimorphus，S36)、四尾栅藻(S37)、齿牙栅藻(S、denticulatus，S38)、四足十字藻(Crucigeniatetrapedia，S40)、长绿梭藻(Chlorogoniumelongatum，S45)。第3象限主要与温度和总磷呈现正相关，主要物种包括蓝藻门的具缘微囊藻(S1)、微小平裂藻(S3)、小席藻(Phormidiumtenu，S5)、小颤藻(S6)、普通念珠藻(Nostoccommune，S8)、弯头尖头藻(Raphidiopsiscurvata，S9)和绿藻门的纤细月牙藻(Selenastrumgracile，S30)、华美十字藻(C.elabena，S41)、二角盘星藻纤细变种(Pediastrumduplex，S44)。第4象限包括蓝藻门的卷曲鱼腥藻(Anabeanaconvolutus，S7)，甲藻门的埃尔多甲藻(Peridiniumelpatiewskyi，S11)、光薄甲藻(Glenodiniumgymnodinium，S12)，裸藻门的尖尾裸藻(Euglenagasterosteus，S13)、尖尾扁裸藻(Phacusacuminatus，S15)，硅藻门的变异直链藻(Melosiravarians，S18)、双头辐节藻(Stauroneissmithii，S21)，隐藻门的卵形隐藻(Cryptomonsovata，S26)和绿藻门的小球衣藻(Chlamydomonasmicrosphaera，S27)、 肥壮蹄形藻(Kirchneriellaobesa，S31)、四角十字藻(C.quadrata，S39)、小空星藻(Coelastrummicroporum，S42)、十字顶棘藻(Chodatellatetrapedia，S43)、纤细新月藻(Closteriumgracile，S47)。

图4 建塘江浮游植物与环境因子的典范对应分析排序

3 讨 论

3.1 水环境现状及污染状况评价

与自然河流相比，建塘江作为一条重要的排水河道，易成为生活污水和工业废水的排放对象，城市径流面源污染逐渐加剧。由于滩涂地区特殊的生境，建塘江pH高于传统河流。总氮、总磷作为建塘江主要污染物，均达到或者超过了地表水环境质量标准Ⅴ类水水平，高锰酸盐指数在多数情况下成为主要污染物，可能与上游地区较多的生活污水排放有关。采用单因子分析法和综合分析法对建塘江水进行质量评价，结果均为重污染—严重污染，说明建塘江水质受到了较大程度的污染，主要的污染物质为总磷、总氮和高锰酸盐指数，其中总磷尤为严重。

3.2 浮游植物群落结构特征

浮游植物是水生态系统中物质循环和能量流动的重要组成部分，对环境变化比较敏感，其群落结构能够间接反映水生态系统质量状况[2,16]。本研究共检测出浮游植物6门48种。其中绿藻门22种，蓝藻门10种，硅藻门10种，裸藻门3种，甲藻门2种，隐藻门1种。主要种类为硅藻、蓝藻和绿藻，这与大多数河流中浮游植物的组成相似[17-20]。建塘江浮游植物的丰度和生物量存在明显的时间差异，可能与夏季高温，水体中营养物质丰富，浮游植物大量繁殖有关。优势种虽然存在一定的时间差异，但主要的优势种为颗粒直链藻、小颤藻、具缘微囊藻、中华平裂藻、四尾栅藻和小环藻等种类，全为海、淡水均可生存的种类，可能与滩涂地区特殊的盐度环境有关。均匀度指数反映了各物种个体数目分配的均匀程度，本研究均匀度指数为0.69～0.92，表明建塘江浮游植物均匀度良好。香农维纳多样性指数越大，表示该群落结构越复杂，稳定性越好。本研究中，香农维纳多样性指数处于2.00～3.00，表明建塘江水质状况为β-中污。丰富度指数为1.02～1.68，属于α-中污。

3.3 浮游植物群落结构特征及与环境因子的关系

相关性分析表明，水温是影响浮游植物丰度的主要影响因子，可能与水温升高，浮游植物得以快速生长和繁殖有关[21-23]，这与赖俊翔等[5-6]的研究结果一致。pH是重要的生态因子，也是一项反映水环境状况的重要指标，过高或过低的pH均能引起养殖生物死亡[24]，而本研究中pH是影响多样性的主要因素，可能与不同浮游植物对pH的耐受范围不同有关[25]。浮游植物能够通过光合作用将离子态的氨氮转化成亚硝态氮，并进一步转化成硝态氮。本研究中氨氮含量与浮游植物生物量呈现显著的负相关，可能是由于监测前期浮游植物大量繁殖，吸收利用了水体中的氨氮，导致水体氨氮降低；而监测后期，浮游植物进入衰败期，部分藻类死亡，藻类密度急剧下降，氨氮吸收能力下降。浮游植物衰败过程中产生的大量浮游植物残体也可能是导致水体中氨氮上升的主要原因。这与王崇明等[26]的研究结果一致。

环境因子对浮游植物群落结构的形成及变化具有十分重要的影响[27-30]。典范对应分析结果表明，温度在第1排序轴和第2排序轴上均有较高的贡献率，这与相关性分析结果一致，因此，温度被认为是浮游植物季节性变化最为关键的因素[23]。本研究中浮游植物在排序图上有较好的分化。蓝藻门主要集中在第1象限，与温度和总磷含量正相关，这与蓝藻门耐高温特性有关。绿藻门在各个象限均有分布，与绿藻门类群的多样性有关，但第2象限包含绿藻门种类最多，说明绿藻门浮游植物能适应高氮营养盐和有机物质。硅藻门主要分布在第1、2、4象限，与温度呈负相关，说明高温抑制了硅藻的生长。