渭河关中段景观河道浮游植物群落结构及其水质评价

胡恩, 胡龙刚, 王西锋, 石小锋, 周亮, 李昕航, 苏雅玲

渭河关中段景观河道浮游植物群落结构及其水质评价

胡恩1,*, 胡龙刚1, 王西锋1, 石小锋2, 周亮2, 李昕航3, 苏雅玲4

1. 陕西省环境科学研究院, 西安 710069 2. 西安市环境保护科学研究院, 西安 710061 3. 天津大学环境科学与工程学院, 天津 300072 4. 中国科学院南京地理与湖泊研究所, 南京 210008

为了解城市景观河道水质与水生态环境状况, 于2018年按季度对渭河关中段四处景观河道开展水环境因子与浮游植物采样调查。共计鉴定出浮游植物7门63属(种), 以绿藻门、硅藻门、蓝藻门为主。浮游植物细胞密度全年介于(1.02—3.31)×107ind·L-1, 春、夏季以蓝藻门为主, 分别占总浮游植物丰度的70.15%和88.35%；秋、冬季则以硅藻门为主, 分别贡献浮游植物丰度的54.01%和70.81%。浮游植物全年优势属(种)共14个, 春夏季以伪鱼腥藻(sp.)、颤藻(spp.)、鱼腥藻占优(sp.), 秋冬季以小环藻(sp.)和颗粒直链藻()占优, 均为代表中-富营养型或富营养型水体的指示属(种)。Shannon-Wiener多样性指数(')、Margalef丰富度指数()、Pielou均匀度指数()呈现相似的季节变化, 春、秋季污染较轻, 夏、冬季污染较为严重。综合水体营养盐水平、浮游植物群落组成及生物多样性等指标, 渭河关中段景观河道水生态环境状况总体较差。

浮游植物; 群落结构; 水质评价; 城市景观河道; 渭河流域

0 前言

拦河筑坝从多方面影响河流原有生态系统[1–3]。如改变河流水文条件[4]、促进生源要素的滞留与沉积物的积累, 影响下游水生态环境演变过程[5–8], 导致生物群落结构发生更替和重组等[9-10]。为满足日益增长的大水面景观需求以及刺激经济发展, 国内诸多城市在天然河道修筑拦河坝, 营造人景观水体。据不完全统计, 上世纪六十年代至今, 我国已修建超过上千座橡胶坝蓄水工程[11]。由于大量城市生活污水不断向景观河道输送氮、磷等营养物质, 该类水体存在富营养化和发生藻类水华的风险[12–14]。

浮游植物作为水生态系统主要的初级生产者, 是物质循环和能量流动的重要纽带, 对于维持水生态系统平衡有显著作用, 同时是水生态健康的重要生物指示指标之一[15–16]。鉴于其重要的生态功能, 浮游植物群落结构组成及其多样性被广泛用于水质生物学评价[17]。近年来, 我国在一些重点流域的江[18–19]、河[20–21]、湖泊[22–23]、水库[24–25]以及湿地[26]开展了大量的浮游植物调查与评价工作, 这对于认识全国地表水生态健康状况有重要意义。

目前城市景观河道水生态学研究关注不多[27–28], 开展此类工作对于城市河道管理和恢复城市河流景观具有现实指导作用。本研究于2018年于渭河关中段选择四处河道景观水体, 调查浮游植物群落组成季节变化, 从生物学角度评估水质状况, 以期增添渭河景观河道水生态学基础数据, 为此类水体管理和生态保护提供参考。

1 材料与方法

1.1 区域概况与采样点设置

渭河, 黄河第一大支流, 陕西省关中地区的母亲河。长期接纳沿岸大量的工业、农业以及城市生活污水, 水质较差。从陕西省环境质量公报来看, 近十年来, 随着河道综合治理工程的实施, COD和氨氮等污染因子进入明显的下降通道, 但总氮(TN)、总磷(TP)等营养元素却仍依然保持高水平。据不完全统计, 渭河关中段干支流河道修建了上百座拦水坝, 本研究在渭河干流以及沣河、浐河、灞河三条支流设置4个采样点开展景观河道水质与浮游植物调查研究(图1)。

图1 采样点位分布图

Figure 1 The location of sampling sites

1.2 样品采集与分析

现场用便携式水质参数分析仪YSI测定pH、水温(WT)、溶解氧(DO)、电导率(Cond)、透明度(SD)。水质与浮游植物样品采集时均取表层0.5 m水样。取2 L水样带回实验室测定总氮(TN)、总磷(TP)、叶绿素(Chl-a)、高锰酸盐指数(CODMn)等水质指标。TN的测定为碱性过硫酸钾消解、紫外(波长600 nm)分光光度法；TP的测定为碱性过硫酸钾消解、钼锑抗显色分光光度法(波长700 nm)；Chl-a采用热乙醇提取、分光光度法(波长665 nm、770 nm)测定；CODMn采用高锰酸钾水浴氧化后草酸钠、高锰酸钾氧化滴定法[29]。采集1 L水样用1%鲁哥试剂固定, 静置48小时, 利用虹吸法吸除上清液, 定容至30 mL, 用于浮游植物种类鉴定和计数。浮游植物鉴定采用Olympus CH生物光学显微镜镜检, 鉴定到属[30, 31]。

1.3 评价方法

采用Shannon-Wiener多样性指数()、Margalef丰富度指数()以及Pielou均匀度指数()等生物多样性指标评价水质状况[32–34]；浮游植物优势度应用优势度指数()来反映[35]；水体营养状态用综合营养指数法[35]。计算公式如下:

=(1)/ln() (2)

=/ln() (3)

=f(n/N) (4)

()=WTLI()(5)

其中:P为第种物种的个体数在样点所有个体总数的占比,P=n/N,n为第种个体数,为所有个体数量,为样品中的总种数类,f是第种浮游植物的出现频率,()代表第种参数的营养状态指数,W为第种营养状态数的相关权重。

评价标准为: 0—1重污染、1—3为中污染、大于3—4为轻度污染, 大于4表示清洁水体;评价标准为: 0—1重污染, 1—3为中污染, 3—4表示轻度污染、大于4表示清洁水体；评价标准为: 0—0.3重污染, 0.3—0.5中污染、0.5—0.8轻污染、大于0.8表示无污染。优势度指数≥0.02的浮游植物种类确定为优势种。营养状态指数评价标准为: 小于30为贫营养, 30—50为中营养, 大于50为富营养。

1.4 数据分析

营养状态指数以及生物多样性指数季节性差异采用单因素方差分析方法(One-way ANOVA), 显著水平设定为=0.05。

2 结果与分析

2.1 理化参数与营养水平

各采样季主要理化参数如表1所示。水体pH全年变化不大；TN、TP浓度分别超过《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)湖(库)Ⅴ类标准和的Ⅳ类标准, CODMn在Ⅲ类和Ⅳ类之间波动。冬春两季水体SD稍好于夏秋；Chl-a夏秋两季明显高于冬春。

景观河道全年均超过60, 其中夏季(65.34)＞秋季(65.22)＞冬季(64.74)＞春季(62.18), 无显著差异(ANOVA,＞0.05), 景观河道四季均为中度富营养(图2)。

表1 景观河道水体理化参数数据

图2 综合营养状态指数TLI(∑)季节变化

Figure 2 Seasonal variation ofin scenic rivers

2.2 浮游植物群落特征

2.2.1 浮游植物群落组成

2018年景观水体全年共检出浮游植物7门63属种, 隶属蓝藻门、绿藻门、硅藻门、甲藻门、隐藻门和裸藻门。其中绿藻门24属种, 占比38.10%；硅藻门21属种, 占比33.33%；蓝藻门13属种, 占比20.63%；甲藻门2属种, 隐藻门2属种, 裸藻门1属种。春季共鉴定出浮游植物37属种, 夏季32属种, 秋季17属种, 冬季27属种, 研究区浮游植物种类数量组成见图3。

2.2.2 浮游植物优势种及其优势度

研究区域全年浮游植物优势种群共有14个, 包括蓝藻门的颤藻(spp.)、鱼腥藻(sp.)、伪鱼腥藻(sp.)、平裂藻(sp.)、微囊藻(sp.)、席藻(sp.)；硅藻门的小环藻(sp.)、颗粒直链藻()、舟型藻(spp.)；绿藻门的栅藻(spp.)、丝藻(sp.)、月牙藻()；隐藻门的啮齿隐藻()、尖尾蓝隐藻()。其中, 伪鱼腥藻和颤藻在春季占优势地位；夏季则以颤藻、鱼腥藻和微囊藻为主；秋季小环藻、颗粒直链藻和颤藻占优；小环藻是冬季的主要优势种(表3)。

图3 浮游植物季节组成

Figure 3 Seasonal composition of phytoplankton

表3 浮游植物优势属种及优势度

2.2.3 浮游植物细胞密度

景观河道浮游植物细胞密度存在明显季节性差异(<0.05)。春季浮游植物丰度介于(0.34—2.67)×107(ind·L-1), 均值为1.02×107(ind·L-1), 主要以蓝藻门为主, 占浮游植物总密度的70.15%；夏季浮游植物密度为(0.54—6.41)×107(ind·L-1), 均值为3.31×107(ind·L-1), 蓝藻门为主要贡献者, 占总密度的88.35%；秋季浮游植物密度为(0.53—1.57)×107(ind·L-1), 均值为1.29×107(ind·L-1), 硅藻门占优势, 占总密度的54.01%；冬季浮游植物密度为(1.70—3.74)×107(ind·L-1), 均值为2.30×107(ind·L-1), 硅藻门占总密度比例达70.81%(图4)。

2.2.4 浮游植物生物多样性指数

浮游植物多样性指数()、丰富度指数()、均匀度指数()均存在显著季节差异(<0.05)。季节变化较为一致。指数春、夏、秋、冬均值分别为1.66、0.53、1.47、0.70；指数均值为1.38、1.03、0.60、0.65；指数均值为0.54、0.19、0.64、0.28(图5)。

图4 浮游植物细胞密度变化

Figure4 Temporal variation of phytoplankton cell densities

图5 浮游植物多样性指数、均匀度指数和丰富度指数

Figure 5 Shannon-Wiener index, Pielou index, and Margalef index of phytoplankton

3 讨论

调查结果表明, 渭河城市景观河道TN、TP污染负荷较高, 处于中等富营养水平。过量的营养物质是水体富营养化的主要原因[37], 而拦河筑坝导致河流水动力条件减弱更是加剧了污染物和营养物质在河道的滞留。研究发现, 张家口市清水河多级橡胶坝截留了河道近42.5%的总磷负荷, 增加河道富营养化风险[38]；在沂河, 橡胶坝的建成促进沉积物中氮磷营养盐的富集, 加剧了底泥氮磷释放的风险[10]；由于橡胶坝工程的影响, 在辽河流域, 水体中的营养物质不但经坝体拦截有所富集, 同时还降低了河道大型底栖动物多样性[27]。对于渭河关中地区, 尤其是西安段, 人类活动密集, 工农业及生活污水排放强度极大, 河水氮磷等营养元素浓度长期处于高位[39], 富集在拦水坝形成的景观河道, 为水体富营养化甚至发生藻类水华提供了充分的营养条件, 这一现象在生态基流匮乏的北方城市河道比较普遍[20,40,41]。

浮游植物大量生长是水体富营养化最直观表征。全年来看, 四个景观水体藻丰度均值达1.02—3.31×107(ind·L-1), 已经达到了水华发生的标准[42]。其中, 春夏两季蓝藻门分别占浮游植物细胞密度的70.15%和88.35%, 表现为富营养湖泊浮游植物群落组成特点[43]。景观河道浮游植物群落组成以硅藻-绿藻-蓝藻组合为主, 其中秋冬两季硅藻为优势, 春夏两季蓝藻门占主导(图3), 与该流域未建坝河段硅藻全年占优的特点有明显差别[44]。景观河道春季浮游植物优势种为伪鱼腥藻和颤藻；夏季为颤藻和鱼腥藻；秋季为小环藻和颗粒直链藻；冬季为小环藻和尖尾蓝隐藻, 均为代表中-富营养型或富营养型水体的指示属种[45]。从浮游植物群落结构、细胞密度、优势种组成综合判断, 渭河城市段经由闸坝拦截的河道趋近于富营养化湖泊的特性, 优渥的营养条件和水体较长的滞留时间为浮游植物尤其是蓝藻、绿藻大量增殖提供了有利的条件, 尤其是在气温条件适宜的夏季。而随着河流生境湖泊化, 浮游植物群落组成逐渐由河流型向湖泊型转变。

生物评价法被广泛用于评估水生态系统健康[19, 21, 23, 26]。本研究区域内, 浮游植物多样性指数()、均匀度指数()、丰富度指数()表现出较相似的季节性变化。根据指数结果, 渭河景观河道春秋季水质评价为中度污染, 夏冬季节重度污染；指数指示景观水体春季为中度污染, 其它季节均表现为重度污染；指数的评价结果稍显温和, 春秋两季为轻度污染, 夏冬两季重度污染。总体来看, 三个生物多样性指数对景观河道水质评价结果较为一致, 也基本能够反映水质的实际情况。然而与渭河流域自然河流鱼类、浮游生物、底栖动物等生物指数评价结果相比较, 城市景观河道水质显然较差[46–48]。

综合营养水平状态、浮游植物群落组成、生物多样性等指标, 渭河关中段景观河道氮、磷负荷高, 水质差, 水体呈富营养状态, 偶尔会发生藻类水华。如不加以科学的生态管理, 水质或将持续恶化, 藻类水华风险将会增大。未来或考虑水生态修复、水力调控甚至拆除闸坝等手段应对景观河道日益严峻的水生态环境问题。

4 结论

本研究对渭河关中段四个河道型景观水体的水环境质量、营养水平现状以及浮游植物的群落结构开展调查研究, 结论如下:

(1)景观河道氮磷负荷高, 水质较差, 水体呈中等富营养状态；

(2)景观河道全年浮游植物主要以绿藻-硅藻-蓝藻型为主, 夏季蓝藻占优势地位, 浮游植物优势种全年均为代表富营养水体的指示种；

(3)生物指标评价结果显示春秋季污染较轻, 夏冬季污染较为严重。

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Phytoplankton community structure and water quality bio-assessment of urban scenic river in Guanzhong section of Wei River Basin

HU En1,*, HU Longgang1, WANG Xifeng1, SHI Xiaofeng2, ZHOU Liang2, LI Xinhang3, SU Yaling4

1. Shaanxi Provincial Academy of Environmental Science, Xi′an 710069, China 2. Xi′an Academy of Environmental Protection Sciences, Xi′an 710061, China 3. School of Environmental Science and Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China 4. Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China

In order to explore water quality and aquatic ecosystem health of urban scenic river, a four-quarter sampling of water environmental factors and phytoplankton community structure were investigated in urban scenic rivers in Guanzhong section of Wei River Basin, 2018. A total 7 phyla, including 63 genera or species of phytoplankton were identified. Chlorophyta was the most abundant taxa, followed by and Bacillariphyta and Cyanophyta. The phytoplankton abundance was ranged from 1.02×107ind·L-1to 3.31×107ind·L-1. Cyanophyta contributed 70.15% and 88.35% of the total algae abundance in spring and summer, respectively, while Bacillariphyta was the dominated species in autumn and winter, contributing 54.01% and 70.81%, respectively. There were 14 dominant genera or species of phytoplankton in the whole year, among whichsp.,spp., andsp. were dominant in spring and summer, andsp. andin fall and winter, all of which were indicative species of meso-eutrophic or eutrophic water bodies. The Shannon-Wiener index(H'), Margalef diversity index(d), and Pielou evenness index(J) showed similar seasonal variation trends, indicating a lighter pollution in spring and autumn and more serious pollution in summer and winter, respectively. The nutrients level, phytoplankton community structure, and biodiversity index indicated a poor water state of urban scenic rivers in the Guan Zhong section of Wei River.

phytoplankton; community structure; water quality bio-assessment; urban scenic river; Wei River Basin

胡恩, 胡龙刚, 王西锋,等. 渭河关中段景观河道浮游植物群落结构及其水质评价[J]. 生态科学, 2023, 42(1): 129–136.

HU En, HU Longgang, WANG Xifeng, et al. Phytoplankton community structure and water quality bio-assessment of urban scenic river in Guanzhong section of Wei River Basin[J]. Ecological Science, 2023, 42(1): 129–136.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2023.01.015

S157.2

A

1008-8873(2023)01-129-08

2020-11-12;

2021-01-05

陕西省博士后基金项目(2017BSHQYXMZZ10); 陕西省重点研发计划项目(2019SF-236); 陕西省重点研发计划重点产业链（群）项目(2021ZDLSF05-10)

胡恩(1983—), 男, 陕西咸阳人, 博士, 高级工程师, 主要从事水域生态学研究, E-mail: huen777@163.com

胡恩