乌梁素海浮游植物污染指示种及水质评价

陈晓江 , 李兴 , 李佳佳

乌梁素海浮游植物污染指示种及水质评价

陈晓江1, 李兴2,*, 李佳佳1

1. 忻州师范学院生物系, 忻州 034000 2. 内蒙古师范大学内蒙古节水农业工程研究中心, 呼和浩特 010022

为了研究内蒙古乌梁素海湖泊水体污染程度, 在乌梁素海水域设置12个采样点, 于2016年4月至11月期间, 每月的第一周对乌梁素海湖浮游植物进行采样调查, 在实验室鉴定浮游植物种类, 然后通过计算浮游植物污染生物指数方法, 分析湖泊水体污染状况。结果显示, 实验室内通过镜检共鉴定测出浮游植物种类161种(包含6种变种), 属于6 门57 属, 其中以绿藻门种类数最多(60种), 其次为硅藻门(48种)、蓝藻门(37种)和裸藻门(13种)。乌梁素海常见污染指示种为58种, 其中在群落中呈优势的物种有梅尼小环藻()、四尾栅藻()、弯曲栅藻()、微小平裂藻()、点型平裂藻()、小空星藻()、细小隐球藻()、居氏腔球藻()、铜绿微囊藻()。乌梁素海湖泊浮游植物污染生物指数()平均值为2.55(当2.5<≤3.5 时, 为重度污染), 说明乌梁素海水体处于重度污染状态。

浮游植物; 污染指示种; 污染生物指数; 乌梁素海

0 前言

湖泊资源是经济社会赖以生存发展的重要基础之一。目前人类活动的加强, 导致湖泊水质日益恶化, 降低了湖泊生态功能, 严重制约了我们生活的质量[1]。面对湖泊一系列的生态问题, 迫切要求我们应用生态学的理论和方法, 制定湖泊的生态修复与建设的措施与方法。但是由于湖泊生态系统的多样性, 不同区域的湖泊差异性显著, 在科学研究过程中, 构建的湖泊生态系统评价体系需要具有区域特性与针对性。随着生态指示物种的深入研究, 以及在生态评价上以生物要素为核心的评价体系构建和应用, 以生物群落结合水质参数指标进行生态系统定量评价应用越来越广泛[2]。

浮游植物多数为单细胞生物体, 作为水生生态系统重要的初级生产者, 对水环境的水体质量具有明确的指示作用[3]。根据浮游植物对环境变化的敏感性, 特别是特定的物种对特定的生境较强的适应性, 所以在水生态监测过程中, 常用作评价指标[4], 以充分揭示水生生态系统健康状况, 预测水生态系统结构动态, 分析其恢复趋势, 实践中指导河流、水库、湖泊等生态系统的保护和恢复。目前, 在水质污染监测和评价中, 根据浮游生物群落结构、功能与水环境特征的密切相关性, 常用浮游植物指标种、浮游植物多样性指数、硅藻指数、藻类综合指数、浮游植物密度和物种丰富度指数等指标来量化湖泊、河流和水库的生态状况[5-8]。本研究对乌梁素海应用浮游植物污染指示种方法分析其水生态状况, 为乌梁素海的生态恢复提供数据支持, 为乌梁素海水质污染指示种及水质污染程度动态变化积累基础数据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

乌梁素海是由于黄河改道形成的牛轭湖, 由于河套灌区退水输入到湖泊中, 氮磷营养盐的增加, 导致湖泊水体呈富营养化, 湖泊水质下降[9]。乌梁素海属于草-藻型湖泊, 位于中温带干旱和半干旱区, 该区域降水量年均值为224 mm, 蒸发量年均值却高达1502 mm; 年均气温为7.3 ℃, 水域面积约为280.38 km2, 湖水深度0.5—4 m 之间(其中枯水期湖水深度为0.5—2.5 m, 丰水期湖水深度为0.5—4 m), 蓄水量2.5—3.0 亿m3, (其中枯水期湖泊蓄水量为2.5亿m3, 丰水期湖泊蓄水量为3.0 亿m3)。其中明水区面积为112.13 km2, 水体中有丰富的水生植物, 明水区内的85.7 km2为沉水植物密集区, 沉水植物群落以龙须眼子菜为优势种, 挺水植物以芦苇为优势种, 芦苇面积为110.97 km2, 占水域面积的39.5%[9-11]。乌梁素海的冰封期较长, 一般约为5个月, 时间是每年11 月初结冰, 直到翌年3 月末到4月初才开始融化。乌梁素海其补水来源的90%为河套地区的农业退水、工业废水和生活污水, 导致水量减少主要是蒸发、渗漏和从西山咀河口排入黄河[11]。乌梁素海在该区域具有重要的生态价值, 作为鸟类觅食、栖息和繁殖的场所, 湖泊流域生物多样性非常丰富, 其中鸟类有17目49科, 约241种, 其中国家一级保护的鸟类有5种, 二级保护的有25种[12]。

1.2 浮游植物水样采集和处理

取样点布置是根据乌梁素海的水动力学特征、水生植物分布特征、入水和出水口位置特点, 按照水域生态系统观测规范[13], 在乌梁素海布置了12个采样点(见图1), 样点定位用GPS 进行定位记录, 以便于取样时准确定位。采样时间为2016 年4 月—10月, 每月中旬取样一次, 在各采样点采集浮游植物样品, 同时在取样现场进行水温(T)、水深(h)、电导率(EC)、pH、溶解氧(DO)、透明度(SD)等水质参数的测定(使用仪器为multi350i 便携式水质分析仪), 依据《水和废水监测分析方法(第四版)(增补版)》[14]中的测定方法现场采集水样带回实验室进行总氮(TN), 总磷(TP)、总溶解性固体(TDS)等指标的测定(国家环境保护总局, 2002)。每个采样点的采样情况是当采样点水深小于1 m 时, 在水层中部采样; 当水深大于1 m 时, 在水面下0.5 m 处采样。

浮游植物定性样品使用25#浮游生物网采集, 采集时把浮游生物网以“∞”形在水体表层拖拉5分钟进行捞取, 采集水样注入样品瓶中, 并滴入1.5%福尔马林溶液3 mL保存, 带回实验室用显微镜进行镜检, 应用形态分类方法进行种类鉴定。定量样品用采水器采集1 L 水样后加入15 mL鲁哥试剂保存, 定量样品带回实验室后在实验台上静置30小时后, 去掉上清液浓缩至30 mL 装入定量样品瓶中, 用于定量分析。浮游植物物种鉴定方法, 首先从摇匀后的浓缩样品瓶中取0.1 mL水样制备装片, 每个样品制备10 张装片, 在型号为Olympus CX31 光学显微镜下, 每个装片观察计数20个视野, 根据镜检中的浮游植物形态特征, 依据参考资料的物种描述特征鉴定种类。浮游植物种类鉴定参考资料为《中国淡水藻类-系统、分类及生态》和《淡水微型生物与底栖动物图谱》等资料[15-19]。

1.3 数据处理

物种优势度计算公式为:

=(N/)/F, 当≥0.02时为优势种, 全年都有分布的物种定为常见种。

Shannon指数计算公式为:

=-∑P×log2P(P=N/)

Pielou均匀度指数计算公式为:

=/log2

浮游植物污染生物指数计算公式为:

=∑L×f/∑f

计算公式中:为物种优势度值;为样品中的总个体数;N为第种的个体总数;F为第种个体在各采样点出现的频率;为样品中种类总数;为浮游植物污染指数值;L为第i种藻种污染分值, 根据污染指示级别, 将藻种污染类型分为寡污性(os)、α-中污性(α-ms)、β-中污性(β-ms)和多污性/β-多污性(ps/β-ps), 分别赋值1—4 分, 指示多污染级别的物种以其平均值计算[20];f为第种个体在各采样点出现频率按五级划分所赋的分值(出现频率按≤20% 、20%—40%、40%—60%、60%—80%和＞80%划分为5 级, 分别赋值1—5 分); 当1.0≤≤1.5 时, 为轻度污染水体; 当1.5<≤2.5 时, 为中度污染水体; 当2.5<≤3.5 时, 为重度污染; 当为3.5—4.0 时, 为严重污染[20,21]。浮游植物污染指示种和指示污染等级参照文献[22]、[23]和[24]确定。

2 结果与分析

2.1 乌梁素海藻类污染指示种

在乌梁素海所设12个采样点, 于2016年4月到10月期间所采水样中, 通过定性和定量镜检分析, 共检测出浮游植物种类161种(包含6种变种), 属于6 门57 属, 其中以绿藻种类最多, 其次为硅藻、蓝藻和裸藻(表1)。在12个采样点检测出常见污染指示种58种, 以α-ms (α-中污性)种类最多, 其次为β-ms(β-中污性)和β-ps(β-多污性)种类(表2)。其中整个生态监测期都出现的在群落中占优势的污染指示种有9 种, 梅尼小环藻()、四尾栅藻()、弯曲栅藻()、微小平裂藻()、点型平裂藻()、小空星藻()、细小隐球藻()、居氏腔球藻()、铜绿微囊藻()。

注: 采样点w1和w11在明水区和芦苇区交界点位置; 采样点w2在干渠入湖口; 采样点w3在芦苇区; 采样点w4、w5、w7、w8和w9在明水区; 采样点w6和w10在隐水区; 采样点w12在乌拉特旗出水口。

Figure 1 Sketch map of sampling sites

表1 乌梁素海水体中污染指示种数量

2.2 浮游植物多生物样性指数、均匀度指数和污染生物指数

乌梁素海的浮游植物生物多样性指数值()在不同采样点和不同时间上具有差异性, 在生态调查取样期内, 乌梁素海除了5月份值小于3外, 其他取样时间上的值皆大于3, 说明乌梁素海浮游植物具有较高的生物多样性(图2)。其中在取样时间里,最小值为2.89(5月份), 1<<3, 为中度污染水体;最大值为3.73(8月份)。4月份在12个采样点的值波动范围为2.83≤≤4.35, 其中值最小值在采样点W3(=2.83), 最大值在采样点W9(= 4.35); 5月份最小值在采样点W5(=1.9), 最大值在采样点W6(=3.95); 6月份最小值在采样点W11(=1.81), 最大值在采样点W2(=4.14); 7月份最小值在采样点W2(=1.93), 最大值在采样点W1(=4.07); 8月份最小值在采样点W12(= 2.91), 最大值在采样点W5(=4.51); 9月份最小值在采样点W11(=2.47), 最大值在采样点W5(= 4.73); 10月份最小值在采样点W6(=2.87), 最大值在采样点W5(=4.43)。

表2 乌梁素海常见污染指示种及污染指示等级

续表

注: os(寡污性); α-ms(α-中污性); β-ms(β-中污性); ps(多污性); β-ps(β-多污性)。

乌梁素海的浮游植物均匀度指数值()在不同采样点和不同时间上具有差异性, 在各个采样点均值上, 从4月份到10月份均匀度差异性小,均值的波动范围为0.70≤≤0.78(图2)。其中在取样时间里,最小值为0.70(5月份);最大值为0.78(10月份)。4月份在12个采样点的值波动范围为0.59≤≤0.94, 其中值最小值在采样点W2(=0.59), 最大值在采样点W9(=0.94); 5月份最小值在采样点W5(=0.33), 最大值在采样点W1(=0.944); 6月份最小值在采样点W11(=0.44), 最大值在采样点W4(=0.94); 7月份最小值在采样点W6(=0.45), 最大值在采样点W5(=0.91); 8月份最小值在采样点W11(=0.54), 最大值在采样点W5(=0.97); 9月份最小值在采样点W12(=0.54), 最大值在采样点W2(=0.88); 10月份的最小值在采样点W6(=0.59), 最大值在采样点W7(=0.96)。结合较高的多样性指数值, 说明乌梁素海水体营养盐丰富, 浮游植物生长所需要资源充足。

图2 乌梁素海浮游植物生物多样性指数和均匀度指数

Figure2 Phytoplankton biodiversity index and evenness index in Wuliangsuhai Lake

通过实验室镜检检测出浮游植物污染指示种161 种(含6变种), 分属6门57 属, 揭示出乌梁素海的浮游植物污染指示种具有较高的多样性, 所以运用生物多样性指数值和均匀度指数值评价乌梁素海水质, 会出现较高的生物多样性指数值和均匀度指数值。运用污染生物指数值法计算乌梁素海浮游植物污染生物指数,年平均值为2.55, 其中2016 年8 月的污染生物指数最小(=2.48)(图3)。按照污染指数评价标准判断, 乌梁素海全年的植物污染生物指数值大于2.5, 说明其水质受到重度污染。

3 讨论

通过对草-藻型湖泊乌梁素海的研究, 乌梁素海的浮游植物污染指示种共镜检出6门57 属161种(包括6变种), 主要是绿藻、硅藻、蓝藻和裸藻, 说明在该湖泊中污染指示种具有较高的多样性, 其原因是与湖泊中有丰富的水生植物芦苇、狐尾藻和眼子菜等。水生植物丰富度与浮游植物多样性呈显著正相关性[25]。浮游植物是水体中重要的初级生产者,同时浮游植物多为单细胞, 对水环境变化极具敏感性, 在研究水环境质量中常作为指示生物[26]。这次通过对乌梁素海12个采样点从4月至10月的取样镜检中, 共鉴定出常见的污染指示种达58 种, 且多为ms污染种, 揭示出了乌梁素海污染程度, 在常见的污染指示种中有梅尼小环藻、四尾栅藻、弯曲栅藻、微小平裂藻、点型平裂藻、小空星藻、细小隐球藻、居氏腔球藻、铜绿微囊藻等在群落中占优势, 且在时空间的分布上有显著差异, 说明了乌梁素海具有复杂的水环境特征, 水域中丰富的芦苇区对湖泊的切割, 形成了丰富的水域微环境。根据乌梁素海优势种的污染指示等级多为中污染和多污染, 表明水质处于中度污染到重度污染水平。乌梁素海水域环境复杂程度高, 对其水质进行单一参数整体评价结果具有局限性, 而运用多样性指数、均匀度指数和污染生物指数多个参数分析, 发现乌梁素海浮游植物虽然具有较高的多样性指数值和较高的均匀度指数值, 但是浮游植物物种多为耐污染种类。充分揭示了乌梁素海作为草-藻型湖泊, 一方面富营养化的水体提供了浮游植物生长的良好环境条件, 另一方面丰富的水生植物对藻类的生长有一定限制作用, 从而提高了浮游植物均匀度指数值。

图3 乌梁素海不同取样月份浮游植物污染生物指数

Figure3 Phytoplankton indexes of pollution in different sampling months in Wuliangsuhai Lake

由于浮游植物污染指示种方法具有快速客观和较强实践性的特点, 目前诸多研究利用浮游植物污染指示种方法对湖泊和水库水质进行了评价, 其中研究藻型湖泊的成果较丰富。随着经济社会的发展, 内陆水体富营养化程度日趋严重, 所以多数研究报道其水体中浮游植物群落中占优势的种类多为ms污染指示种(属)和ps污染指示种(属)。贵州威宁草海为典型的草型浅水湖泊, 其常见污染指示种为33种, 多数为α-ms种类, 其次为β-ms种类, 在常见的33种中有污染指示等级为ms和ps的铜绿微囊藻、点形裂面藻、微小隐球藻、啮蚀隐藻、小球藻和分歧锥囊藻等在群落中成优势种[21]; 大九湖是高山湿地湖泊, 其浮游植物优势种四尾栅藻、纤细席藻、球衣藻、短缝藻、颗粒直链藻、短线脆杆藻、小形色球藻为ms污染指示种[27]; 西安市汉城湖优势种有束丝藻属、平裂藻属、直链藻属、隐藻属、蓝隐藻属、囊裸藻属、裸甲藻属、鼓藻属、小球藻属和衣藻属多为ms污染指示种(属)[28]; 滇池湖泊全年以ms污染指示等级的微囊藻属、盘星藻属和束丝藻属占优势[29, 30]。乌梁素海浮游植物种类多数为ms污染指示种属, 原因是乌梁素海承担着黄河灌区的灌溉任务, 黄河灌区大量富含氮磷营养盐的退水再次注入乌梁素海中, 导致了湖泊水体富营养化程度较高, 水体中丰富的营养盐含量导致藻类暴发式生长, 在夏季曾多次发生蓝-绿藻水华现象, 使湖泊水质污染程度持续加剧, 污染程度越来越严重[10]。乌梁素海丰富的水生植物一方面对排入乌梁素海中的污染物通过吸收, 起到了对水体净化作用, 另一方面, 水生植物在衰老死亡后腐烂在水体中, 增加了水体的富营养化, 且水生植物虽然对藻类有竞争抑制作用和化感作用, 但是水生植物减缓的湖泊水体的流动性, 且腐烂后增加了水体的富营养化, 促进了藻类的生长, 使得乌梁素海水质污染程度持续呈上升趋势。随着对乌梁素海治理措施的加强, 如生态补水、生态监测和综合生物治理等措施, 乌梁素海的水质污染程度得以有所缓解和改善。

4 结论

在乌梁素海各种水域共12个采样点中, 于2016 年4 月—2016 年10 月期间所采集的水样中, 通过实验室镜检检测出浮游植物种类161 种(含6变种), 分属6门57 属, 其中常见的污染指示种为58种, 揭示出乌梁素海的浮游植物污染指示种具有较高的多样性。通过污染生物指数值评价乌梁素海水质, 结果为重度污染趋势。

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Pollution indicator species and evaluation of water quality in Wuliangsuhai Lake

CHEN Xiaojiang1, LI Xing2,*,LI Jiajia1

1. Department of Biology, Xinzhou Teachers University, Xinzhou 034000, China 2. Inner Mongolia Engineering Research Center for Water-saving Agriculture, Inner Mongolia Normal University, Hohhot 010022, China

In order to study the pollution degree of Wuliangsuhai Lake, Inner Mongolia, 12 sampling points were set in the water area of Wuliangsuhai Lake. From April to November 2016, in the first week of each month, phytoplankton samples were collected and investigated in Wuliangsuhai Lake. Phytoplankton species were identified in the laboratory. Then, the pollution status of lake water was analyzed by calculating phytoplankton pollution biological index. The results showed that a total of 161 species (including 6 varieties) of phytoplankton were identified by microscopic examination in the laboratory, belonging to 6 phyla, 57 genera, of which chlorophyta had the most species (60 species), followed by Chlorophyta (48 species), Cyanophyta (37 species) and Euglenophyta (13 species). There were 58 common pollution indicator species in Wuliangsuhai Lake, which of them were dominant species, such as,,,,,,,,. The average value of phytoplankton pollution index was 2.55 in Wuliangsuhai Lake(when 2.5 <≤3.5, the lake was heavily pollution),indicating that the water body of Wuliangsuhai Lake was heavily pollution.

phytoplankton; pollution indicator species; biotic index of pollution; Wuliangsuhai Lake

陈晓江, 李兴, 李佳佳. 乌梁素海浮游植物污染指示种及水质评价[J]. 生态科学, 2021, 40(3): 231–237.

CHEN Xiaojiang, LI Xing, LI Jiajia. Pollution indicator species and evaluation of water quality in Wuliangsuhai Lake[J]. Ecological Science, 2021, 40(3): 231–237.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.03.027

X835

A

1008-8873(2021)03-231-07

2020-11-01;

2020-12-07

中央引导地方科技发展资金项目(2020ZY0026); 博士科研启动项目(047/00000415); 忻州师范学院基金项目(047/00000443)

陈晓江(1974—), 男, 山西大同人, 讲师, 博士, 主要从事水生态监测, E-mail: cxjmy@126.com

李兴, 男, 副教授, 主要从事农业节水灌溉研究, E-mail:549645024@qq.com