苏州古城区河网浮游植物群落结构特征及其影响因子
2021-05-25崔易翀杨文宇许王辰
崔易翀，杨文宇，许王辰
(上海勘测设计研究院有限公司，上海 200335)
1 引言
浮游植物是水域生态系统的初级生产者，是水中溶解氧的主要提供者，是水域生态系统物质循环和能量流动的重要参与者[1]。由于其个体体积小、细胞结构简单以及对环境变化相对敏感，能够快速响应外界环境的变化[2]，因此其种类组成、群落结构和丰度的变化能够指示生态系统的健康状况，被广泛的应用为水环境评价中的生物监测指标[3]。
苏州位于长江三角洲中部，是我国重要的历史文化名城，地貌特征以平缓平原为主，全市地势低平，城内河港交错、湖荡密布，享有“水都”之称[4]。古城区河网作为城市中心的血管脉络与天然的生态廊道，积淀有丰富的历史文化，承载着重要的景观人文与生态服务功能。由于古城区河网周边承载人口密度极高、城市管网建设年代久远，造成区域内水质状况不佳。“十三五”期间，苏州市通过控源截污、内源治理、活水畅流等多重手段对其进行综合治理，取得了较好的成效，河网各项水质指标明显提升。然而，由于太湖水域及周边上游河道蓝藻持续涌入，加之夏季气温升高，古城区河网水华现象仍呈现季节性爆发的趋势。
本研究通过跟踪监测不同季节苏州古城区典型河网浮游植物群落的物种组成、丰度以及水质的动态变化过程，在明确水体富营养化程度的基础上，通过相关性分析、冗余分析等多元统计方法揭示浮游植物群落结构与环境因子之间的关系，旨在为其后续水污染治理方案的制定提供有效参考。
2 材料与方法
2.1 样点位置与时间
在明确苏州古城区的水系分布与水华发生频率的前提下，于苏州古城区选取5个水华易发点位(图1、表1)，分别于春季(2018年3月)、夏季(2018年7月)、秋季(2018年10月)和冬季(2017年12月)持续采样监测其水体理化特征与浮游植物群落结构变化(表1)。其中，样点1(S1)为古城区河网引水点，样点5(S5)为河网出水点。
图1 苏州古城区河网采样设置
2.2 样品采集与实验分析
参考《地表水和污水监测技术规范》(HJ/T 91—2002)，在监测样点附近水流平稳处使用1L采水器采集水面下0.5 m处水样，保存在4 ℃环境下带回实验室。依据《水和废水分析方法》(第四版)中规定的实验分析方法对水体中的总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮(NH3-N)、高锰酸盐指数(CODMn)、总溶解固体(TDS)和叶绿素a(Chla)等进行测定[6]。
表1 水质及水生态调查样点设置
浮游植物定量样品的采集使用1L采水器采集水面下0.5 m处水样，加入15 mL鲁哥试剂固定，实验室静置沉淀48 h后吸取沉淀液加福尔马林装瓶保存。定性样品的采集使用浮游植物网，于水深0.5 m处按∞字型拖动数分钟，收集浓缩样30～40 mL，带回实验室。
参照《水环境监测规范》(SL219-2013)进行浮游植物镜检，参照《中国淡水藻类：系统、分类及生态》进行浮游植物种类鉴定。具体使用10×40倍的光学显微镜，取0.1 mL样品均匀浓缩液放入浮游植物技术框进行全片鉴定与计数，每个样品计数两片。取其平均值为最终结果，之后将结果换算为每升水样中的细胞数(cells/L)，得到浮游植物丰度[5]。
2.3 数据处理
2.3.1 优势种与多样性指数
选取Shannon-Wiener多样性指数(H′)、Margalef丰富度指数(Dm)和Pielou均匀度指数(J)代表浮游植物群落多样性[7]，计算公式如下：
(1)
(2)
(3)
式(1)～式(3)中，Ni为第i个种群的个数，N为同一样品中所有种群的总个数，S为样品中浮游植物种群类别总数。
根据物种的出现频率和个体数量，计算优势度以确定样本的优势种群(Y)，当Y≥0.02时为优势种群。
Y=(Ni/N)×fi
(4)
式(4)中，fi表示第i个种在各采样点的出现频率，Ni表示第i种的个体数，N表示样品中总个体。
2.3.2 水体富营养化评价
水体富营养化程度采用综合营养状态指数法[8]，公式如下：
(5)
式(5)中，TSI(Σ)表示综合营养状态指数；TSI(J)表示第J中参数的营养状态指数。Wj表示第j种参数营养状态指数的相关权重，采用总氮(TN)、总磷(TP)、高锰酸盐指数(CODMn)和叶绿素a(Chla)作为水体的综合营养状态指数的权重因素，并按照下述方法进行加权。
Chla是浮游植物的重要组成部分，是表征其现存量的重要指标之一[9]。以Chla作为基准参数则第j种参数的归一化相关权重计算公式为：
(6)
式(6)中，rij为第j种参数与基准参数Chla的相关系数；m为评价参数的个数。
2.3.3 统计分析
对环境因子数据进行标准化处理，结合Pearson相关性分析选择适合环境因子，与浮游植物优势种进行排序分析。具体使用R软件vegan软件包开展，详细步骤如下：
(1)由于各个环境因子量纲不同，在进行统计分析前，对各变量进行z-score标准化转换。
(2)为了减轻变量间共线性问题对分析的影响，在排序前对各评价指数及其与环境因子的关系进行Pearson相关性分析，舍去部分相关系数大于0.7的环境因子。
(3)使用DCA分析判断最优排序方法为RDA分析或CCA分析。
(4)使用线性(RDA)/单峰(CCA)拟合，并通过前向选择优化排序模型。
(5)判断排序结果及各排序轴的显著性并绘图。
3 结果与分析
3.1 水体理化性质特征
参照《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)对本次研究中检测的30个水样进行评价，结果表明除极个别外，所有样品的水质类别均为劣V类，主要超标因子为总氮，变化范围在3.08±0.85 mg/L。另外在本次研究中，样品的氨氮含量在0.96±0.45 mg/L之间，总磷含量在0.24±0.09 mg/L之间，高锰酸盐指数在4.66±1.26 mg/L之间。
3.1.1 季相变化趋势
苏州古城区水质特征时间动态变化见表2。其中pH平均值变化范围在6.89～7.75之间，各季节间变化差别不大；TDS平均值变化范围在226.20～302.20 mg/L之间；CODMn平均值变化范围较大，最低值为春季的3.64 mg/L，冬季最高为6.76 mg/L；TN平均值变化范围在3.86～2.29 mg/L之间，其中春季最高，秋季最低；NH3-N最高值为夏季1.39 mg/L，最低值出现在秋季，为0.55 mg/L；NO3-N变化范围为1.75～2.86 mg/L，变化较大；TP浓度变化范围在0.19～0.31 mg/L之间，春季为最高值，冬季为最低值；Chla浓度变化范围较大，最高值出现在春季，为16.74 μg/L，最低值出现在冬季，为1.51 μg/L。
3.1.2 空间变化趋势
苏州古城区水质特征空间动态变化见表3。pH平均值变化范围在7.36～7.47之间；TDS变化范围在267.25～272.13之间；CT变化范围为534.25～544.25之间；CODMn变化范围较大，最小值为引水点的2.76，最大值为样点4的3.76；TN变化范围在2.66～3.76之间，其中样点3最低，引水点其次，样点4最高；NH3-N最高值同样出现在样点4为1.40，最低值出现在引水点，为0.73 mg/L；TP浓度变化范围在0.21～0.31之间，引水点为最低值，样点4为最高值；Chla浓度变化范围较大，最高值出现在样点3，为7.19 μg/L，最高值出现在冬季，为14.02 μg/L。
表2 水体理化因子的时间分布
表3 水体理化因子的空间分布
3.1.3 富营养化评价
根据综合营养状态指数TSI(Σ)分级标准，TSI(Σ)<30时为贫营养，30≤TSI(Σ)≤50是为中营养，50
表4 苏州古城区典型河网综合营养状态指数
3.2 浮游植物群落特征
3.2.1 种类组成及优势种
本次调查共计在苏州古城区检测出浮游植物6门45属(图2、表5)，包括蓝藻门(Cyanophyta)、硅藻门(Bacillariophyta)、绿藻门(Chlorophyta)、甲藻门(Pyrrophyta)、裸藻门(Euglenophyta)和隐藻门(Cryptophyta)。其中，春季检测出2门18属，硅藻门是主要优势类群，占13种，其余为绿藻门，样点1种类最少；夏季门类最多，共检测出浮游植物6门39属，其中硅藻门14属，绿藻门12属，甲藻门、蓝藻门、裸藻门2为4属，隐藻门为1属，主要优势类群为硅藻门和蓝藻门；秋季共鉴定出浮游植物5门20属，硅藻门和绿藻门为主要优势类群，分别占9属和5属，其余为蓝藻门、裸藻门、绿藻门和隐藻门；冬季共鉴定出3门15属，优势类群为硅藻门9属，其余为蓝藻门3属、绿藻门3属，样点3监测出种类最多。
浮游植物优势种可反映水环境的营养状况[10]。苏州古城区共有优势种11种，包括硅藻门的针杆藻(Synedra)、卵形藻(Cocconeis)、平板藻(Tabellaria)、小环藻(cyclotella)、圆筛藻(Coscinodiscus)、直链藻(Melosira)和舟形藻(Navicula)8种，裸藻门的裸藻(Euglena)和囊裸藻(Trachelomonas)，以及绿藻门的小球藻(Chlorella)、蓝藻门的微囊藻(Microcystis)。其中，针杆藻、卵形藻、平板藻、小环藻、小球藻、直链藻和舟形藻为春季优势种；针杆藻、平板藻、微囊藻、小环藻、圆筛藻和直链藻为夏季优势种；针杆藻、裸藻、囊裸藻、平板藻、微囊藻、小环藻、小球藻和直链藻为秋季优势种；针杆藻、微囊藻、小环藻、小球藻、直链藻和舟形藻为冬季优势种。
3.2.2 浮游植物丰度及时空分布
苏州古城区浮游植物数量时空变化如表6所示，结果表明水体浮游植物数量在不同季节和地点存在差异。春季各样点浮游植物数量在6.00×105～23.00×105cells/L之间，夏季浮游植物数量在6.40×105～11.90×105cells/L之间，秋季在5.70×105～11.70×105cells/L之间，冬季在2.75×105～4.75×105cells/L之间，年平均数量为8.61×105cells/L。最低数值出现在冬季样点2上，最高数值出现在春季样点3上。
表5 苏州古城区典型河网浮游植物名录
3.2.3 浮游植物群落多样性格局
群落物种多样性反映了群落的物种组成和个体密度特征，是用来判断水体富营养状况最常用的指标[11]。苏州古城区各样点的Shannon-Wiener多样性指数(H′)、Margalef丰富度指数(Dm)和Pielou均匀度指数(J)如表7所示。其中，Shannon-Wiener多样性指数(H′)介于1.55～2.72之间，均值由高到低分别为夏季(2.48)>秋季(2.09)>春季(1.88)>冬季(1.60)，最高值为秋季S3样点，最低值为冬季S2样点。Margalef丰富度指数(Dm)介于1.41～4.33之间，均值由高到低分别为夏季(3.78)>秋季(2.95)>春季(2.41)>冬季(1.86)，最高值为夏季S3样点，最低值为冬季S5样点。Pielou均匀度指数(J)介于0.78～0.96之间，均值由高到低分别为冬季(0.89)>秋季(0.88)>夏季(0.87)>春季(0.81)，最高值为冬季S2样点，最低值为春季S3样点。
图2 不同季节浮游植物物种组成
表6 苏州古城区浮游植物时空变化特征
3.3 浮游植物与环境因子关系
各环境因子Peason相关性检验结果如表8中所示，pH值与CODMn呈显著负相关(P<0.01)，与Chla呈显著正相关关系(P<0.01)；浊度与TN呈显著负相关关系(P<0.01)，而与其他环境因子无相关性；TN与NH3-N和NO3-N呈显著正相关关系(P<0.01)；此外，TP与NH3-N显著正相关(P<0.01)。
对浮游植物和筛选后的环境因子进行DCA分析，结果显示排序轴梯度长度(LGA)最大值为2.429，故选择RDA进行约束性排序。RDA分析结果如表9中所示。前两个排序轴分别解释了浮游植物群落结构的34.98%和12.95%，所有典范轴累计贡献率达67.51%。对浮游植物群落结构相关性较强的环境因子，影响强度由大到小依次为高锰酸盐指数(CODMn)、电导率(CT)、pH值、总磷(TP)、氨态氮(NH3-N)、总氮(TN)和浊度(图3)。不同季节影响浮游植物群落结构的环境因子不同(图3-右)，春季和冬季浮游植物主要受到总磷(TP)、氨态氮(NH3-N)和电导率(CT)的影响；夏季和秋季浮游植物主要受到高锰酸盐指数(CODMn)和pH值的影响。
表7 苏州古城区浮游植物群落多样性格局
表8 苏州古城区河网环境因子Peason相关系数矩阵(**表示P<0.01)
4 讨论
4.1 浮游植物物种组成及群落分布特征
苏州古城区典型河网浮游植物全年种类数差异较大，春季硅藻门占据绝对优势，并存在部分绿藻门物种；夏季、秋季则浮游植物物种种类组成较为丰富，尽管仍以硅藻门为主，但同时存在蓝藻门、裸藻门、隐藻门等次优物种；冬季水体内浮游植物则为硅藻-蓝藻共优型，全年群落变化规律为由春季的硅藻型绝对优势向冬季硅藻-蓝藻型共优型转变，其中硅藻门的针杆藻属和小环藻属则为古城区河网全年优势种，各样点间物种组成差异较小。相关研究表明，硅藻门物种丰度通常与水温、水体流速和水体营养条件等密切相关，硅藻水华通常发生在河流流量较小、流速较慢的河段。在较高的水温下硅藻门物种的生长通常受到抑制，而在中营养型水体则通常利用硅藻门物种的生长[7,12]。此次调查中，苏州古城区河流水体通常处于中度富营养化状态，因此有利于硅藻门形成优势种。同时春季较低的温度使得硅藻门成为在群落中占比最大，而夏季和秋季较高的温度则抑制了硅藻门物种的生长，从而形成了物种多样性较高的浮游植物群落。
图3 浮游植物与环境因子RDA排序结果
表9 浮游植物群落RDA分析的统计信息
此外，单因素方差分析结果表明苏州古城区水体中浮游植物的丰度随季节变化变化幅度明显(P<0.05)，表现为春季浮游植物群落最高，夏季与秋季浮游植物丰度差别不大，冬季则明显最低。不同样点间浮游植物丰度则没有表现出明显差异(P>0.05)。因此，季节变化是影响苏州古城区河网浮游植物群落的结构及丰度的最主要原因。
4.2 环境因子与浮游植物的关系
浮游植物群落的结构受到水体各方面环境因素的综合影响，且在不同水体中环境因子对其群落结构的影响也存在差异[13]。例如：杜明勇等对太湖流域的研究认为影响太湖流域浮游植物群落变化的主要环境因子为NO3-N、TN和TP[14]；周彦峰等对怀洪新河浮游植物群落的研究则表明，pH值也会影响浮游植物群落的结构和分布[15]。本研究中，苏州古城区河网中浮游植物群落的分布主要与CODMn、电导率、pH值、TP、NH3-N、TN和浊度有关。李夜光等对水体总氮、总磷和浮游植物生物量关系的研究认为[16,17]，水体中氮、磷等营养元素浓度的升高会引起浮游植物丰度的增加。本研究中，春季水体中的TP、NH3-N等含量较高、冬季则相对较低(图2)，这与春季浮游植物丰度较高，冬季则相对较低的现象对应，表明氮、磷等营养元素含量是影响苏州古城区水体浮游植物群落结构及丰度的另一重要原因。此外，菱形藻属(sp14)等耐污物种与水体氨氮含量明显的的正相关关系同样能够支持这一结论[18]。
5 结论
本研究认为苏州古城区河网季节性水华发生的主要过程为：古城区河网上游来水中含有较高的总氮、总磷等营养物质，且携带有硅藻门、蓝藻门、裸藻门等浮游植物，水体进入城区河网后流速逐渐变缓，且由于城区承载人口密度较高，河网水质进一步升高至中度富营养化程度，待夏秋之际温度升高时，生境条件符合硅藻、蓝藻等生长要求，大量藻类在缓流城市景观水体中增殖，最终形成硅藻或硅藻-蓝藻共优型水华。此外，研究区域内浮游植物群落结构的变化除了与总氮、总磷和氨氮等营养元素含量密切相关外，水体pH值、水体浊度等同样与浮游植物群落结构有显著相关性。综上所述，本研究认为在后续古城区河网的水华治理中，应重点针对硅藻型水华的发生机制对症下药，重点降低古城区河网富营养化程度，同时适度增加河网水体的流动性。
