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广州市谷河轮虫群落结构及水体黑臭水平*

2020-05-27李玲刘玉于菲何淑雯梁仁思杨翔翡

中山大学学报(自然科学版)(中英文) 2020年3期
关键词:营养型黑臭轮虫

李玲,刘玉,于菲,何淑雯,梁仁思,杨翔翡

(1. 中山大学环境科学与工程学院,广东 广州 510275; 2. 广东省环境污染控制与修复技术重点实验室,广东 广州 510275)

轮虫(rotifera)在淡水浮游动物中占重要地位,是水生态系统中微食物网的重要一环,一方面它以浮游植物、原生动物和细菌等为食,另一方面它又可被大型浮游动物和鱼类捕食,因此被视为水域生态系统中承上启下的最重要的部分之一[1-3]。由于轮虫生命周期短,对环境变化敏感性高等特征,轮虫也常作为水环境的指示生物,在评价水体营养状态和水体污染监测等方面得到广泛应用[4-5],但对黑臭水体中轮虫群落结构的研究很少。

黑臭水体是一种水体污染的极端现象,随着城市化规模的日益扩大,我国城市黑臭水体大面积的出现[6]。截至2019年11月,全国城市黑臭水体整治监管平台显示,我国黑臭水体总认定数为2 869个,其中广东省黑臭水体数量位居全国首位共有509个。就我国目前而言,城市河流黑臭已成为突出的生态环境问题,针对我国水环境现状特点,建立适合我国水环境特征的浮游生物评价方法,已成为目前研究的趋势。谢丹平等[7]对重污染河道治理中的浮游动物群落结构变化研究发现,角突臂尾轮虫、螺形臂尾轮虫、桡足类无节幼体等浮游动物可作为重污染河道修复的指示生物。何淑雯等[8]对浮游微藻与黑臭现象进行研究,发现裸藻丰度和群落结构在一定程度上可作为水生生物指标来评价河流黑臭。

谷河是珠江的支流,也是中山大学东校园重要的景观河流,可是其水质浑浊、淤泥深厚、腥臭味飘散等现象常年发生,表观上可定义为城市黑臭水体,严重影响到师生们的工作和学习、生活和健康,师生们曾连年分别多次提案希望整治谷河。但鲜少见到对谷河进行过水质或生态学及黑臭等方面的研究报道。因此,本研究对谷河进行水质监测和轮虫的定性定量检测,重点分析轮虫的群落结构与水体营养状况(香农指数、优势度指数、E/O值和QB/T指数等)的相关性及轮虫判断谷河黑臭水平的方法上的可行性,旨在探索用水生生态(浮游动物轮虫)的方法来判断河流黑臭水平的科学上的可行性并为谷河黑臭研究和后续的污染治理提供科学数值依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

谷河(113°23′3.91′′E~113°23′63.98′′E、23°4′2.68′′N~23°4′17.18′′N)位于广州市番禺区小谷围岛北部,与珠江相连,全长约1.5 km,水深约2 m[9]。本次研究的区域为流经中山大学东校园的谷河西南段,受到珠江潮汐规律和闸门开闭影响,河段水流方向由东向西,水体地势较平缓,流速较慢且时常有腥臭味逸散。通过实地考察,发现谷河西南段在多处设置了排污口。

1.2 采样点布设与采样时间

根据地形、水质状况和周边设施情况,本研究于中山大学东校园内的河段设置了6个采样点,进行秋(2017年11月)、冬(2018年1月)、春(2018年3月) 3次采样,采样点设置具体位置见图1。其中1#采样点为谷河中大河段的入水口;2#采样点位于东校区行政楼边缘,有排污口于此;3#采样点位于活水来湖内,湖岸为校内中心饭堂;4#、5#、6#采样点在各学院楼附近等距设置,其中6#采样点位于两栋实验楼连线的中心处,该处设有排污口。谷河中山大学东校园段为珠江最末支流,全日基本为滞流状态。

图1 谷河采样点分布Fig.1 Sampling sites in Gu River

1.3 样本的采集与测定

水温(t)、pH、溶解氧(DO)采用YSI-556水质分析仪、透明度(SD)采用赛式盘进行现场测定。用有机玻璃采水器在每个采样点采取水面下0.5 m水样。采1 L水样装入聚乙烯瓶,现场用移液枪注入10 mL鲁哥氏试剂固定样品用于藻类种类和丰度的分析,以每升水中的藻类个体数记录藻类丰度(ind/L)。再另采1 L水样避光保存并带回实验室,在48 h内完成CODMn、NH3-N、叶绿素a(Chla)的测定。CODMn采用酸性高锰酸钾氧化法,NH3-N采用纳氏试剂比色法,叶绿素a采用丙酮冷冻浸提及三色法进行测定。所有具体操作均按《水和废水监测分析方法》(2002)进行。

1.4 轮虫样本采集与测定

轮虫定量样品用20 μm筛绢制成的浮游生物网过滤浓缩10 L谷河水水样,取6 mL收集于塑料瓶子中,用移液枪注入1 mL乙醇固定后获得样本。轮虫丰度以每升出现的个体数(ind/L)来计。轮虫样品在显微镜下鉴定种类并记录数据[9]。

1.5 轮虫多样性与营养水平分析方法

对轮虫物种优势度情况采用优势度(Y)指数来判断,优势度Y>0.02时即可定为优势种。采用轮虫的E/O指数和QB/T指数对谷河的富营养状态进行评价。

E/O指数为:E/O=ΣE/ΣO

式中,E为 富-中营养型指示种数,O为贫-中营养型指示种数;

QB/T指数为:QB/T=ΣB/ΣT

式中,B为臂尾轮虫属的种数,T为异尾轮虫属的种数。

E/O指数判断为:<0.5为贫营养型(Ⅰ型);0.5~1.5为中营养型(Ⅱ型);1.5~5.0为富营养型(Ⅲ型);﹥5.0为超富营养型(Ⅳ型)[10];QB/T指数>2时划分为富营养[11]。采用香农多样性指数(Shannon-Wiener)(H′)进行水质污染水平的评价[12],H′>3为轻度污染或无污染;2

1.6 黑臭评价方法

应用较多的是采用不同物理化学指标来建立黑臭水体的评价方法体系[13-14]。本研究对多种方法均进行了数据筛选,最终依据与现实状况相符性选定用黑臭多因子加权指数法[13]来判断谷河的河流黑臭程度。

黑臭多因子加权指数法计算公式:

(1)

其中,IB为黑臭指数,CODMn(mg/L)为高锰酸钾指数;NH3-N(mg/L)为氨氮实测值;DO%为溶解氧饱和值;t(℃)为实测水温。黑臭程度判断标准为:IB≤8为无黑臭;835为严重黑臭[14]。

1.7 数据分析方法

数据统计分析采用Microsoft Excel软件,通过Origin 9.0软件进行作图。采用IBM SPSS Statistics 25软件对谷河各采样点轮虫的种类、丰度及水质指标进行差异检验,对轮虫群落结构与环境因子进行相关性分析。采用Canoco 5软件进行CCA分析判断影响谷河轮虫群落结构的主要环境因子。

2 结 果

2.1 理化及生物指标

谷河3次采样各采样点的水体理化因子及生物指标存在差异。秋冬气温、水温均在21~23 ℃左右,冬季采样水温最低在16 ℃左右。3次采样的pH基本维持在7.0~8.0之间,SD、CODMn、DO冬季最高,NH3-N、Chla秋季最高,藻类丰度冬季最低,春季最高(表1)。

表1 谷河理化生指标三季监测结果Table 1 Results of physic-chemical and biological indexes in three seasons of Gu River

2.2 谷河轮虫群落结构特征

1) 种类组成和丰度调查发现3次采样轮虫共计35种,隶属10科16属,其中冬季最多共出现28种,秋季和春季分别为14种和16种,出现的轮虫种类数最多的是臂尾轮虫科,共计13种,占总种数的36.11%。臂尾轮属在谷河3次采样中占比均较高,且萼花臂尾轮虫、角突臂尾轮虫、尾突臂尾轮虫在3次采样中均有出现。用ANOAVA相关性分析显示各样点间轮虫总丰度无显著性差异,但不同季节轮虫丰度存在较大差异。冬季总丰度明显高于秋季和春季,冬季轮虫丰度平均值为168.5 ind/L,春季轮虫丰度平均值为57 ind/L,秋季最低,其平均值为51 ind/L。

2) 优势种及其污染指示调查期间各采样点出现的轮虫种类、出现频度及其污染性(污染指示等级)见表2。具体为:

采用优势度(Y)指数来判断,3次采样发现优势种共有10种,分别为蕚花臂尾轮虫、角突臂尾轮虫、尾突臂尾轮虫、曲腿龟甲轮虫、螺形龟甲轮虫、长三肢轮虫、晶囊轮虫、前翼轮虫、转轮虫、团状聚花轮虫。

结合文献研究数据[15]对本研究的轮虫污染性进行判定,3次采样共发现轮虫污染指示种24种,其中寡污型(o)3种,占12.5%;寡污到中污型(o-β)3种,占12.5%;中污到寡污型(β-o)1种,占4.1%;β-α中污型有7种,占29.2%;β中污型有10种,占41.7%。从不同污染指示种所占的比例来看,谷河水体达到了中度富营养化水平。

3) 轮虫的E/O指数和QB/T指数根据表2计算得到谷河E/O值,见表3。

根据E/O指数计算所得数值与其判断标准,可以判定谷河中大河段整体已达到了富营养化水平。除此之外,秋季4#、5#采样点、冬季6#采样点和春季1#、3#采样点已呈现为超富营养型水体。整体来看,谷河中大河段的富营养化情况:春季﹥秋季﹥冬季。

在3次采样中,仅有冬季2号样点和春季1号样点有异尾轮虫出现,出现频率低,种类数量少,相反臂尾轮虫的种类和数量明显占很大的优势;因此用QB/T指数判断每次采样每个样点的谷河轮虫的QB/T指数均超过了2,因而判定每个样点的谷河水均达到了富营养化水平。

4) 多样性指数谷河轮虫3次采样香农多样性指数(H′)平均值分别为1.71,2.05,1.85,ANOVA分析显示轮虫未存在季节或样点的显著性差异。用H′对谷河进行生态学评价发现,整体上谷河为α-中污型和β-中污型。

2.3 黑臭水平分析

根据公式(1)对各样点进行黑臭水平分析,三季谷河中大河段的黑臭指数IB在5.15~20.40,从图2可以看出谷河中大河段各个采样点不同季节的黑臭指数存在差异。3次采样按水体黑臭程度由高到低的排序依次为:春季﹥冬季﹥秋季。秋季有3个样点(2#、3#、4#)为微黑臭,其余为无黑臭。冬季有4个样点(1#、2#、5#、6#)为微黑臭,其余为无黑臭。春季各采样点均呈现黑臭,其中3#、5#为中度黑臭。从图中还可以看出,谷河2#采样点三季度的黑臭水平相近,可能与其旁侧为中山大学东校园行政楼餐厅排污口相关。

表2 谷河三季轮虫的种类、出现频度及其污染指示等级1)Table 2 The species composition, appearance frequency and pollution ranks of rotiferain three seasons of Gu River

1) +表示在该次水样中有出现,⊕表示是该次采样中的优势种;o为寡污性,o-β为寡污到β中污型,β-o为β中污到寡污型;β为β中污型,β-α为β-α中污型

表3 谷河三季各采样点轮虫E/O指数值及营养水平判断1)Table 3 The E/O index value of rotifera and the trophic levels judgments at each sampling site in three seasons of Gu River

1)Ⅰ:E/O≤0.5,贫营养型;Ⅱ:0.5

表4 谷河三季各采样点轮虫多样性指数H′及污染水平判断Table 4 The H′ diversity index of rotiferaand the pollution levels judgments at each sampling site in three seasons of Gu River

图2 谷河三季各采样点 黑臭指数IB的时空分布特征Fig.2 Temporal and spatial characteristics of black-odor index at each sampling site in three seasons of Gu River

2.4 轮虫群落与环境因子及黑臭评价结果的关系

表5显示了轮虫种类数、丰度与理化参数之间的Pearson相关关系。轮虫种类数与SD、CODMn、DO呈显著正相关,与水温、Chla呈显著负相关。轮虫丰度与t、Chla、藻类丰度呈显著负相关,与CODMn、DO呈显著正相关,与SD有相关性。

进一步,对轮虫三季的优势种及环境因子进行的CCA分析,从而识别对轮虫优势种影响较大的环境因子。结果如图3,CCA分析显示,前两个排序轴的特征值分别为0.36和0.26,第一排序轴物种与环境因子的相关系数为0.975,第二排序轴与环境因子的相关系数为0.923。藻类与第一环境因子排序轴正相关性最大,其次是Chla;CODMn与第一环境因子排序轴负相关性最大,其次是DO。由图3可知藻类、Chla、温度t、CODMn、DO对轮虫优势种影响较大。

表5 轮虫种类、丰度与理化参数和藻类的相关性分析1)Table 5 Correlation analysis of rotifera species and abundance with physi-chemical parameters and algae abundance

1)**P<0.01,*P<0.05;n=18

图3 谷河轮虫与环境因子的CCA分析Fig.3 Canonical correspondence analysis between rotifera and environmental factors in Gu River

2.5 轮虫与黑臭评价结果的相关性分析

对三季轮虫的总丰度、臂尾轮虫总丰度及臂尾轮虫组成比例与黑臭指数IB进行Pearson相关性分析(表6)。黑臭指数IB与轮虫总丰度、臂尾轮虫总丰度、臂尾轮虫组成比例并没有显著相关性。

表6 黑臭指数与轮虫丰度相关性分析1)Table 6 Correlation analysis of black-odor index IB with rotifera abundance

1)*P<0.05,**P<0.01,n=18

3 讨 论

3.1 影响轮虫群落结构的环境因子

有报道水温是决定轮虫群落结构变化的主要环境因子[16]。本研究中谷河轮虫种类、丰度与水温呈极显著负相关(r=0.617,r=0.833,P﹤0.01),在冬季谷河轮虫种类和丰度达到了最大。轮虫总数的高峰一般在水温20 ℃以上出现,胡柯等[17]在研究广州轮虫种群时发现轮虫在冬季15 ℃和20 ℃下的繁殖率要高于其他季节23 ℃及28 ℃下的繁殖率,这与本研究中出现冬季(1月)轮虫种类和丰度更高相一致。这可能与广州的独特的气候条件密不可分。此外,谷河轮虫绝大多数为广温性和温水性种类,如臂尾轮虫、螺形龟甲轮虫、广布多肢轮虫、晶囊轮虫等都是广温性种类,角突臂尾轮虫、萼花臂尾轮虫为温水性种类[18]。因此,在长期的适应下轮虫在冬季出现较高的丰度。

相关性分析显示轮虫的种类数、丰度与溶解氧呈显著的正相关关系(r=0.622,r=0.821,P﹤0.01),而与Chla呈极显著负相关(r=0.628,r=0.626,P﹤0.01)。秋季采样和春季采样时的溶解氧明显低于冬季采样时谷河中的溶解氧含量,溶解氧不足可以限制轮虫的生长[19]。Chla含量能间接反映浮游植物的丰度,通常情况下叶绿素a与轮虫丰度呈显著正相关[15,19],而本文呈现负相关的结果可能是因为春、秋季Chla含量高,藻类丰度大,藻类的繁殖和分解作用消耗了水体的溶解氧,从而抑制了轮虫的生长。也有学者认为,食物浓度过高会抑制轮虫的生长[20];富营养化的水体能为轮虫提供充足的食物[21],因此认为在有足够的食物(藻类)条件下,溶解氧成为了影响谷河轮虫群落生长的关键因素。

3.2 谷河轮虫群落结构与水质及黑臭现象的关系

陈玉辉[6]将水体“黑臭”现象和“富营养化”状态结合研究,发现处于严重黑臭状态的水体同时也均处于富营养化状态,在本研究中谷河亦是如此。从三季研究中来看,谷河水体的富营养化程度和黑臭程度在春季均最严重。谷河轮虫的污染指示种多为臂尾轮属,出现种类最多、丰度大,其与轮虫总丰度呈显著正相关(r=0.889,P﹤0.01),进一步对黑臭指数与轮虫总丰度、臂尾轮虫总丰度及臂尾轮虫组成比例进行相关性分析,并没有发现它们之间有显著相关性。但是CCA分析表明,在优势种方面曲腿龟甲轮虫、长三肢轮虫、团状聚花轮虫、螺形龟甲轮虫轮虫的数量与CODMn、NH3-N相关性显著,可作为水体污染程度的指示生物[22]。且与秋、冬两次采样不同的是在春季前翼轮虫、晶囊轮虫(β中污型)成为优势种从CCA分析中可以看出前翼轮虫、晶囊轮虫与黑臭加权指数IB呈正相关,说明前翼轮虫、晶囊轮虫在一定程度上可能可作为水体污染加重的指示生物。谷河中大校园段水流量低,全日基本为滞流状态有关。水体的流动性差,降低了水体的自净能力,造成谷河常年黑臭,水质严重恶化。有研究显示在水流量低的条件下,有利于浮游动物维持相对稳定的群落结构[23]。本次研究中各采样点间的群落结构差异不大,轮虫群落结构相对稳定,所以可能难以从轮虫群落结构变化上来定性、定量分析水体黑臭水平。综上,虽然轮虫在谷河不能很好地作为水质生物指标来评价水体黑臭,但是能较好地评价水体的富营养情况。

4 结 论

谷河中大河段的轮虫共计35种,其中污染指示种23种,优势种类主要有萼花臂尾轮虫B.calyciflorus、角突臂尾轮虫B.angularis和曲腿龟甲轮虫K.valga。E/O指数和QB/T指数均判定谷河达到了富营养化水平。香农多样性指数(H′)判定谷河为α-中污型和β-中污型。根据黑臭加权指数(IB)得出谷河水体黑臭程度为春季>冬季>秋季,水体整体已呈现微黑臭状态。水温、DO、CODMn、藻类丰度和Chla是影响谷河轮虫群落结构变化的重要的环境与生态因素。前翼轮虫、晶囊轮虫与IB相关性显著,可作为谷河水体污染加重的指示生物。但轮虫总丰度、臂尾轮虫总丰度、臂尾轮虫组成比例与IB并没有显著相关性,因此用轮虫用来评价水体的黑臭状况还有待进一步的深入研究。

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