秦皇岛电厂温排水对浮游植物群落的影响研究

刘有才，马 旺，胡 琦，赵 上，丁玉蓉

（河北省水文工程地质勘查院，河北·石家庄 050021）

浮游植物是海洋生态系统中重要的初级生产者，在海洋生态系统的能量流动、物质循环和食物链传递中起着至关重要的作用。浮游植物相对于其他水生植物而言，具有生长周期短、对环境变化反应灵敏等特点，其环境因子和营养盐因子对浮游植物群落的影响较为明显[1-2]。这些因子的改变可影响浮游植物的种类组成、细胞密度、生物量等，进而对海洋生态系统的稳定性造成一定影响。国内外不少研究学者把浮游植物作为生态环境变化的重要生物学参数[3-4]。

已有研究表明，温度、盐度、电导率、叶绿素a等因子，是影响浮游植物新陈代谢方面的主要环境驱动因子，对海洋浮游植物的物种组成、光合性能以及生长速率都有着重要的作用，进而影响着浮游植物的生产力、生物量以及物种多样性等[5-6]。电厂温排水的排放会抑制部分狭温性浮游植物的生长甚至导致其死亡，导致具有广温性适应性的藻类快速生长，其竞争者的死亡将使得藻华生物获得更多的资源和生长空间，导致植物群落生物多样性降低，对群落的稳定性产生较大影响。营养盐水平的变化，对浮游植物的种群结构产生明显的影响。如研究发现由于东海营养盐结构发生变化，其海域近年来的浮游植物种类组成及生物量发生了很大变化，尤以有毒有害的藻类，如东海原甲藻、米氏凯伦藻等物种丰度的增加最为明显[7]。环境因子与营养盐的叠加作用对浮游植物群落的影响受到越来越多的关注。如研究发现营养盐等条件的变化，使得藻类迅速生长分裂和聚集，导致海水变色、生物多样性降低、生态系统破坏，甚至影响了人类的经济活动[8]。近年来，秦皇岛近岸海域多次记录到抑食金球藻形成的褐潮，严重损害了该海域的扇贝养殖业。尤为严峻的是，近年来渤海周边海域多次记录到有毒藻类形成的赤潮，养殖贝类染毒情况也非常常见，对海产品消费者健康构成潜在威胁[9]。因此，环境因子与营养盐的叠加作用对浮游植物群落的影响受到越来越多的关注。

本次调查研究根据前期模拟秦皇岛电厂温排水影响范围，布设7个站位，分别于2020年5月、8月、11月进行调查取样工作。通过调查取样得出的水温、盐度、电导率、叶绿素a等环境因子分布特征和硝酸盐、硅酸盐、铵盐、亚硝酸盐等营养盐分布特征，结合影响范围内浮游植物物种组成和多样性指数的季节变化，采用冗余分析方法，得出电厂温排水对浮游植物群落的影响。

1 研究区概况

秦皇岛地处河北省东北部，南面为内陆海渤海，北面靠燕山山脉，东面与辽宁葫芦岛接壤，西面与唐山接壤，位于环渤海经济圈中心地带，是东北、华北两大经济区的结合部[10-11]，所辖海域面积为1805.27 km2。秦皇岛电厂温排水通过新开河口排放入海，新开河口位于秦皇岛港东、西两港区之间，距秦皇岛市中心最近的出海通道，水域面积27万m2。

秦皇岛海域潮汐类型属于正规日潮区，平均潮位的年变化具有冬季低、夏季高的特点，1月份平均潮位最低，8月份平均潮位达到最高值；最大潮差夏半年较小，冬半年较大。波浪以风浪为主，涌浪比例较小，常浪向为南向，强浪向为南东向；全年以涌浪为主的混合浪的主浪向均在南方位[12]。表层海水温度春季9.5～19.5℃，夏季26～27.5℃，秋季12～12.5℃，冬季0.7～-1.3℃。海水盐度受气候及大陆径流影响，秦皇岛附近一般为33.4‰，表层平均海水盐度28.77‰～30.73‰，最高为34.20‰。1月下旬至2月中旬为盛冰期，除深水港外沿岸港口封冰，沿岸固定冰宽20～50 m，冰厚5～15 cm。

2 材料与方法

2.1 站位布设及采样时间

根据前期模拟秦皇岛电厂温排水影响范围，分别于2020年5月、8月、11月分春、夏、冬季在退潮时进行调查取样工作，布设7个站位，分别为QHD-1～QHD-7（表1、图1）。

表1 调查取样站位Table1 The survey sampling stations

图1 调查站位Fig.1 Distribution map of survey stations

2.2 样品采集和处理

本次取样中海水温度、盐度、电导率测量按照国家标准《海洋调查规范：海洋水文观测》（GB/T 12763.2-2007）进行，叶绿素a、浮游植物采样、固定和计数等按照国家标准《海洋调查规范：海洋生物调查》（GB/T 12763.6-2007）进行。

海水温度、盐度、电导率采用TDS进行现场测试；叶绿素a样品采用定深取样器进行采集表层海水2L，现场过滤通过0.65微米GF/F滤膜放到棕色塑料瓶中，滤膜由90%丙酮浸泡，低温萃取24小时后，利用荧光法测定；浮游植物样品采用定深取样器进行采集表层海水1L，现场加入浓度4%酸性鲁格试剂固定，利用Utermöhl计数框定量分析浮游植物种类和细胞计数[13-14]。

2.3 指标的测定与计算

浮游植物的优势种根据各个种的优势度（Y）值来确定，Y＞0.02的种类为优势种。

式中：Ni为i种类的个体数；

N为所有种类总的个体数；fi为i种类个体出现的频率。

Shannon-Weaver多样性指数（H’）计算公式为：

Margalef丰度指数（D）计算公式为：）

Pielou均匀度指数（J）计算公式为：

2.4 数据处理

运用SPSS软件对测定数据进行统计分析和绘图，采用Canoco5.0软件对浮游植物与环境因子之间的关系进行冗余分析[15]。基于除趋势对应分析(DCA，Detrended Correspondence Analysis）对浮游植物丰度数据进行计算，DCA结果中Lengths of gradient的第一轴值为3.490，介于3.0～4.0 之间，符合RDA分析。

3 结果

3.1 水文时空分布特征

水文要素时空分布特征如表2所示。

（1）水温

5月份和11月份，除个别站位外，水温都低于19℃；8月份各站位水温均超过26.0℃。5月份各站位水温温差较小，处于16.70℃和18.10℃之间，其中最高值出现在QHD1站位，最低值出现在QHD6站位；8月份各站位水温变化不大，在26.20～26.80℃之间；11月份除QHD1站位水温为20.20℃，其他站位在13.20～14.20℃之间，QHD4站位水温最低，为13.20℃。

（2）盐度

5月和8月盐度相对较高，各站位差异较小；11月份盐度相对较低，盐度区间为30.98～31.80 Psu，最高值出现在QHD2站位，最低值出现在QHD1站位。

（3）电导率

8月份电导率相对较高，其中最大值出现在QHD2站位，为50.53 S/m，最低值出现在QHD3站位，为49.86 S/m。5月份各站位电导率差异不大，在41.13～42.04 S/m之间。11月份电导率相对较低，最大值出现在QHD1站位，为42.28 S/m，其他站位都小于38 S/m，差距不大。

（4）叶绿素a

5月份和8月份各站位叶绿素a浓度相对较低，均处于0.70～4.95 μg/L之间。11月份各站位叶绿素a浓度相对较高，最高值为5.82 μg/L，出现在QHD6站位。

表2 水文要素监测结果Table 2 The monitoring results of hydrological factors

3.2 营养盐时空分布特征

营养盐时空分布特征如表3所示。

（1）硝酸盐

11月份硝酸盐含量较高，处于0.060～0.157 mg/L之间，最高值出现在QHD1站位，最低值出现在QHD6站位；8月份各站位均未检测出；5月份仅QHD1站位和QHD4站位检测出铵盐，分别为0.121 mg/L和0.06 mg/L。

（2）亚硝酸盐

11月份亚硝酸盐含量较高，处于0.017～0.024 mg/L之间，最高值出现在QHD7站位，最低值出现在QHD3站位；5月份整体含量较低，在0.004～0.009 mg/L之间，变化不大；8月份仅QHD1、QHD5、QHD7站位检测出，含量分别为0.027 mg/L、0.005 mg/L、0.010 mg/L。

（3）磷酸盐

总体上磷酸盐含量较低，仅5月份和8月份的QHD1站位检测出，分别为0.023 mg/L和0.025 mg/L，其他站位均未检测出。

（4）硅酸盐

5月份各站位硅酸盐浓度较高，11月份较低。其中，5月份最高值出现在QHD7站位，为0.671 mg/L。8月份和11月份最高值都出现在QHD1站位，分别为0.885 mg/和0.836 mg/L。

表3 营养盐监测结果Table 3 The monitoring results of nutrient actors

（5）铵盐

总体上铵盐含量较低，5月份QHD2站位铵盐浓度较高，为0.318 mg/L，其他站位较低或者未检测出；8月份除QHD2站位含量为0.052 mg/L，其他站位未检测出；11月份除QHD2和QHD5站位含量为0.128 mg/L和0.059 mg/L，其他站位未检测出。

3.3 浮游植物种类组成

秦皇岛温排水海域在3次野外调查中硅藻门种类较多，甲藻门其次，针孢藻门和隐藻门较少（表4和图2）。5月份QHD-1站位出现了10种硅藻，QHD-3站位出现了8种。除了QHD-1站位，其余站位均出现了针孢藻。总体而言，8月份的硅藻种类数较5月份更多，QHD-3站位出现了14种硅藻。此外，QHD-3、QHD-5和QHD-6站位出现了隐藻。11月份出现了更多种类的硅藻和甲藻，其中QHD-6站位硅藻和甲藻种类数最多，分别为21种和8种。

表4 浮游植物群落结构Table 4 The phytoplankton community structure

图2 温排水海域浮游植物种类数量变化Fig.2 The changes of phytoplankton species and quantity in warm drainage sea area

在5月、8月和11月的采样中发现，硅藻在秦皇岛温排水海域占主体，在所有浮游植物中所占比例均超过85%（图3）。在5月份，除了QHD-1站位，还出现了针孢藻和甲藻。8月份甲藻的比例有所升高，在QHD-3站位的占比超过了10%。在11月份，甲藻维持了大约10%的占比，其中QHD-1站位出现了4%的隐藻。

4 讨论

4.1 群落多样性指数

图3 温排水海域浮游植物密度百分比Fig.3 The percentage of phytoplankton density in warm drainage sea area

秦皇岛电厂温排水海域Shannon-Wiener指数出现明显的季节变化特征（图4）。其中，5月份指数最低，QHD-2站位和QHD-4站位稍高，均小于0.5。11月份指数最高，均超过2，其中QHD-6站位最高，超过2.5。8月份最低值出现在QHD-4站位，最高值出现在QHD-6站位。

图4 温排水海域Shannon-Wiener指数的季节变化Fig.4 Seasonal variation of Shannon-Wiener index in warm drainage sea area

秦皇岛电厂温排水海域浮游植物丰富度的季节差异较为明显（图5a）。QHD-1站位各季节差异最小，QHD-6站位差异较大。5月份丰富度均低于8月份，其中最低值出现在QHD-2站位，最高值出现在QHD-3站位。除QHD-1站位外，8月份丰富度均低于11月份。其中，最高值出现在QHD-3站位。11月份最低值出现在QHD-1站位，最高值出现在QHD-6站位。

秦皇岛温排水海域浮游植物均匀度的季节变化较为明显（图5b）。5月份各站位均匀度偏低，最小值出现在QHD-3站位，最高值出现在QHD-2站位。除QHD-6站位外，11月份均匀度均高于8月份。11月份最高值出现在QHD-1站位。

图5 温排水海域浮游植物丰富度(a)与均匀度(b)的季节变化Fig.5 The seasonal variation of phytoplankton richness (a) and uniformity (b) in warm drainage sea area

4.2 浮游植物群落与环境因子冗余分析

秦皇岛温排水海域环境因子与浮游植物群落的冗余分析如图6a所示。5月份各站位受硅酸盐和铵盐的影响较大，其中QHD-1站位和QHD-3站位受影响相对较小。8月份浮游植物群落受电导率和温度影响较大。11月份硝酸盐和亚硝酸盐是影响浮游植物群落的重要环境因子。

4.3 环境因子与浮游植物优势种的关系

秦皇岛温排水海域环境因子与浮游植物优势种的冗余分析如图6b所示。其中，针孢藻门的赤潮异弯藻受硅酸盐影响较大，六种硅藻受硝酸盐和亚硝酸盐影响较大，甲藻门的叉状角藻和两种硅藻受温度和电导率影响较大。

图6 温排水海域环境因子与浮游植物群落(a)及优势种(b)的冗余分析Fig.6 The redundancy analysis of environmental factors and phytoplankton community (a) and dominant species (b) in warm drainage sea area

5 结论

本文分析总结了水文和营养盐的时空分布特征及浮游植物群落物种组成和群落结构在不同季节的分布特征，调查研究了电厂温排水影响区域内外浮游植物数量、种类、物种多样性和分布特征。冗余分析结果显示，5月份浮游植物群落主要受硅酸盐和铵盐影响，8月份浮游植物群落主要受硅酸盐和亚硝酸盐影响，11月份主要受到硝酸盐和亚硝酸盐影响。针孢藻门的赤潮异弯藻受硅酸盐影响较大，六种硅藻受硝酸盐和亚硝酸盐影响较大，甲藻门的叉状角藻和两种硅藻受温度和电导率影响较大。

本次调查研究也存在一定的局限性，主要表现在三次调查取样浮游植物群落物种组成存在较大差异，三次调查中硅藻门种类较多，但是11月份硅藻门和甲藻门数量相当；且8月份和11月份物种数明显高于5月份。在今后的调查研究中，建议加大取样频率和取样站位，建立长期持续的监测工作，为开展海洋生态修复与保护提供科学依据。