2. 南京水利科学研究院生态环境研究中心, 南京 210029;
3. 南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室, 南京 210029;
4. 江苏省水文水资源勘测局, 南京 210029
2. Center for Eco-environmental Research, Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029;
3. State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering Science, Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029;
4. Jiangsu Water Resources Bureau, Nanjing 210029
河流是地球生态系统的重要组成部分, 不仅是生物圈物质循环、能量流动和信息传递的重要通道, 同时具有调节气候、涵养水源、保持生物多样性等多种生态功能(胡金等, 2015).随着人口的快速增长和城市化进程的加速, 人类对水资源的需求急剧增大, 越来越多水利工程的修建已经在不同程度上破坏了大自然的平衡, 并导致河流生态系统严重退化, 水生态系统修复和保护已成为全球关注的热点问题之一.科学地评价河流健康状况是进行水生态系统修复及保护的前提.早期的流域水生态系统健康评价多集中于水质理化指标的研究(Adel et al., 2005), 随着研究的深入, 人们发现常规的水质理化指标只能表征受监测水体的瞬时状态, 无法有效反映污染物的协同效应或化合物的慢性毒性(陈朝述等, 2015), 不足以全面反映河流的健康状况, 因此, 水质生物评价指标与方法逐步被引入河流健康评价体系之中.
浮游植物是自然水体的初级生产者和生物链的基础环节(Lepistl et al., 2004), 具有分布范围广、生活周期短等特点(唐涛等, 2002).浮游植物在生态系统的能量流动和物质循环中发挥着重要的作用(Horne et al., 1994), 其群落结构能对环境条件的变化做出复杂而快速的响应, 可对水质变化提供早期预警信息, 是反映河流健康的重要指示物种之一(谭香等, 2011).国内外学者从浮游植物群落结构与环境因子的响应关系(Pramanik et al., 2016;Sellami et al., 2016;周宇建等, 2016)、利用浮游植物进行水质评价等方面进行了大量研究(Koch et al., 2004;周振明等, 2014;陈朝述等, 2015), 然而当前不少研究中, 水质生物评价与理化指标评价结果尚存在较大差异(陈凯等, 2012;陈朝述等, 2015), 各评价指数适应性检验不够全面, 对水质生物评价也缺乏深入认识.为了进一步探究水质生物评价与理化指标评价之间的关系, 本文选择淮河流域受闸坝调控及城市人类活动双重影响的典型河流为研究对象, 开展水环境及浮游植物调查, 探明淮河干流及主要支流夏季浮游植物群落组成及空间分布特征, 利用多样性指数、均匀度、丰富度等生物指标评价其水生态健康状况, 并结合水质综合污染指数对评价结果进行验证和综合分析.
2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 研究区域概况及样点布设 2.1.1 研究区域概况淮河是我国第三大河流, 位于112°~121°E, 31°~36°N, 流域总面积约为27万km2, 水资源量占全国的3.4%(Zhao et al., 2012).淮河干流发源于桐柏山太白顶北麓, 全长由西向东约1000 km, 总落差约200 m, 依次流经河南、湖北、安徽, 在江苏的三江营汇入长江.淮河沿程闸坝众多、人口聚集、排污严重, 致使其水环境和水生态状况持续恶化(赵长森等, 2008), 诸如河道干涸断流、湖泊湿地萎缩、鱼类洄游通道阻断、生物多样性降低、流域生态功能下降等生态环境问题日益突出(蒋艳等, 2014;陈凯等, 2016;刘祥等, 2016).
2.1.2 样点布设本研究选择淮河流域受闸坝调控及城市人类活动双重影响的典型河流为对象, 于2015年8月进行水质、生物样品采集, 包括淮河流域洪泽湖以上干流及沙颍河、涡河、淠河等主要支流.样点的布设严格遵照《水环境监测规范》(SL219—2013), 同时参考分析大量研究成果(夏军等, 2006;赵长森等, 2008;蒋艳等, 2014)并结合实地情况, 共设置27个点位, 包括淮河干流点位12个、沙颍河8个、涡河4个、淠河3个, 其中, 淮河干流从上游至下游依次考虑(下同)的主要闸坝有临淮岗水利枢纽、蚌埠闸;沙颍河考虑的主要闸坝有逍遥闸、周口闸、槐店闸、阜阳闸及颖上闸;涡河考虑的主要闸坝有涡阳闸、蒙城节制闸;淠河则考虑横排头闸以下河段.采样点位及主要闸坝空间分布如图 1所示.
采集水下0.5 m处水样, 现场使用便携式YSI-6600型多参数水质监测仪测定水温、pH值、溶解氧(DO)及电导率(EC);并将水质样品置于-4 ℃冰箱中冷冻保存, 带回实验室测定分析化学需氧量(CODMn)、氨氮(NH3-N)、硝态氮(NO3--N)、总氮(TN)、磷酸盐(PO43--P)等含量(周振明等, 2014), 测定分析方法参照《水和废水监测分析方法》(国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》编委会, 2002).
2.2.2 浮游植物样品采集浮游植物定性样品时, 依照《水环境监测规范》(SL219-2013)使用25号浮游植物网(64 μm孔径)在采水点表层匀速按“∞”字形拖曳, 将样品收集在100 mL聚乙烯瓶中, 加4%的福尔马林进行固定.采集浮游植物定量样品时, 使用2.5 L有机玻璃采水器, 分别采集表层、中层、底层水样于塑料桶内, 混合均匀后取1 L水加15 mL鲁戈氏液固定, 并带回实验室经筒型分液漏斗静置沉淀48 h, 吸去上清液, 保留30 mL浓缩样品待检.
实验室内将样品充分摇匀后立即用移液枪吸取0.1 mL注入浮游植物计数框内, 用目镜视野法在10×40倍显微镜下计数.每瓶标本至少计数两片, 每片计数50~100个视野, 同一样品的两次结果与平均数之差不大于±15%, 即为有效结果, 取其平均值.鉴定时, 所有生物个体均被鉴定到可行的最低分类单元, 通常为种级(王丽等, 2013).
2.3 数据处理与分析 2.3.1 水质生物评价采用Shannon-Wiener多样性指数(H′)、Margalef丰富度指数(D)、Pielou均匀度指数(J)进行浮游植物多样性评价;采用物种优势度Y计算浮游植物优势种;采用水质综合污染指数(Pb)进行常规水质评价(曾阳等, 2012).计算公式如下:
(1) |
(2) |
(3) |
(4) |
(5) |
式中, ni为第i个分类单元的个体数, N为样品中所有物种的总个体数, S为样品分类单元数.基于TN、TP、NH3-N、CODMn计算水质综合污染指数Pb, 其中, Pi=Ci/C0, Ci为实测浓度, C0为地表水Ⅱ类水质标准规定的该项化学参数浓度的上限, n为控制项目数.各指标评价标准见表 1(Whittaker, 1972;Margalef, 1958;Pielou, 1996;沈韫芬等, 1990).
基础数据处理在Excel 2010中完成, 其他数据统计分析均在R软件(version 3.0.2)中完成, 包括利用非参数多维尺度分析(Non-metric Multidimensional Scaling, NMDS)检验不同河段浮游植物群落结构差异性(Clarke et al., 2001), 对各评价指数及其与环境因子之间的Pearson相关性分析.为了消除极值影响并使数据满足正态分布, 在进行统计分析之前, 先对变量进行log(X+1)转换(刘祥等, 2016).
3 结果(Results) 3.1 浮游植物群落组成特征 3.1.1 种类组成及优势种调查共获得浮游植物8门71属153种, 隶属于蓝藻门(Cyanophyta)、绿藻门(Chlorophyta)、硅藻门(Bacillariophyta)、裸藻门(Euglenophyta)、金藻门(Chrysophyta)、甲藻门(Pyrrophyta)、隐藻门(Cryptophyta)、黄藻门(Xanthophyta).其中, 绿藻门61种, 占39.9%;硅藻门49种, 占32.0%;蓝藻门17种, 占11.0%;裸藻门16种, 占10.5%;甲藻门4种, 占2.6%;隐藻门3种, 占2.0%;黄藻门2种, 占1.3%;金藻门1种, 占0.7%.不同河段采集到的浮游植物种类数目显示, 淮河干流共采集到浮游植物106种, 沙颍河采集到100种, 涡河采集到76种, 淠河采集到68种.所有点位中, 位于沙颍河下游(S24)处采集到的浮游植物种类数目最少, 仅有16种;位于淮河干流源头(S01)处种类数目最多, 高达44种.不同河段浮游植物群落组成和结构的NMDS排序图表明(图 2), 淮河干流、淠河和涡河点位的浮游植物群落差异性极小, 而与沙颍河的浮游植物群落存在一定的差异性.在优势种上, 调查结果(表 2)表明, 淮河流域浮游植物的优势物种为微小平裂藻(M. tenuissima)、小环藻(Cyclotella sp.)、四尾栅藻(S. quadricauda)和薄甲藻(G. pulvisculus), 优势度分别为0.14、0.10、0.03和0.02, 不同河段优势种略有差异.
分析结果显示, 本次调查中淮河流域所有点位夏季浮游植物密度变化范围为0.019×105~131.824×105 ind·L-1, 平均值为29.796×105 ind·L-1.对比4条河流浮游植物平均密度, 其中沙颍河最大, 为65.694×105 ind·L-1, 而淠河最小, 仅为0.036×105 ind·L-1.从各点位数据分析可知, 淮河干流浮游植物密度主要呈现从上游至中游逐渐减小的趋势;沙颍河浮游植物密度大体呈现中游高、上下游低的趋势.基于藻类密度百分比分析4条河流浮游植物群落组成(图 3), 主要以蓝藻、绿藻、硅藻及隐藻门居多, 其他藻类群落所占密度则相对较低.不同河段藻类群落密度百分比差异较为显著, 淮河干流以硅藻和蓝藻为主, 占65.54%;沙颍河、涡河以蓝藻和绿藻为主, 两种藻类总和分别占60.24%和54.88%;此外, 沙颍河隐藻门含量显著高于淮河干流, 占21.01%;淠河其他种类的藻类明显高于另外3条河流, 占14.55%.
单因子水质评价法:根据《中华人民共和国地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中对水体水质的相关规定, 结合各监测点中TN、TP、CODMn、NH3-N等水体理化指标浓度值, 运用单因子评价水质法对各监测点水体水质进行评价.如图 4所示, 淮河流域受TN和TP污染较为严重, 其中92.6%的点位TN含量处于劣Ⅴ类水质标准(淮干91.7%、沙颖河87.5%、涡河100%、淠河100%), 96.3%的点位TP含量介于Ⅲ~Ⅴ类水质标准之间.
水质综合指数评价法:基于TN、TP、CODMn、NH3-N计算水质综合污染指数Pb, 并结合其评价标准可知(表 1), 当前淮河流域水体均受到不同程度的污染, 大部分点位均处于中等污染状态, 且各河段皆呈现中游水质劣于上下游水质的特征, 其主要原因是各河段上游受人类活动影响较小, 而中游点位多位于城市附近, 接纳了大量的生活或工业污水.所有点位中沙颍河上游S9点位水质相对最优(Pb=1.16), 而其中游S6点位水质最差(Pb=8.69).此外, 沙颍河及涡河皆存在重污染点位, 并属沙颍河污染最为严重, 出现4个重污染点位(S5、S6、S8、S14), 占该河段的50%.
3.2.2 水质生物学评价利用Shannon多样性指数(H′)、Margalef丰富度指数(D)、Pielou均匀度指数(J)对各站点的浮游植物多样性指数进行计算与分析, 并参考各自的评价标准评价水质.结果表明, H′介于0.78~3.21之间, 最高值出现在S22, 最低值出现在S8, 4条河流的H′值大小排序为淠河>淮河干流>涡河>沙颍河, 整体处于β-中污染;D介于1.03~4.79之间, 最低值出现在S24, 最高值出现在S15, 整体处于轻污染到α-中污染;J介于0.12~0.73之间, 最低值出现在S8, 最高值出现在S9, 整体处于中污染到重污染状态.除淠河丰富度指数明显高于其他河段以外, 其它河段Shannon多样性指数、Margalef丰富度指数、Pielou均匀度均没有显著差异性(表 3).
分析各评价指数的评价结果(图 5)可知, 对于同一点位, 3种(及以上)指标评价结果一致的情况占所有点位的74.1%, 其中, 4种指标评价结果完全一致的共7处, 包括中污染6处(S4、S7、S19、S20、S21、S24)、轻污染1处(S9), 在S8处除Margalef丰富度指数评价结果为α-中污染以外, 其它评价指数皆可以得出重污染的结论.综合评价表明, 淮河流域夏季水环境质量总体呈现中游低、上下游高的特征, 且受氮、磷元素污染较为严重.
浮游植物群落结构变化和多样性指标能有效反映水生态环境的改变(刘静等, 2015), 当河流受到污染时, 浮游植物群落会从以硅藻占优势逐步演替为蓝、绿藻占优势(朱旭宇等, 2013).调查发现, 淮河流域沙颍河及涡河水体污染较为严重, 其蓝藻及绿藻比例明显高于其它藻类(图 3), 优势种也以蓝藻门的微小平裂藻为主(表 2);而水体受污染程度相对较轻的淠河, 则以硅藻为主, 占35.1%, 蓝藻仅占2.4%, 同时黄藻及甲藻所占比例有所上升, 占14.55%, 浮游植物生物多样性及均匀度指数较高(表 3).此外, 虽然夏季淮河流域浮游植物群落中绿藻门和硅藻门种类较多, 但其密度远远低于蓝藻门, 分析其原因主要是因为本次调查时间在夏季, 各采样点平均水温为29.3 ℃, 处于蓝藻最适生长温度范围(25~35 ℃) (刘静等, 2015);同时大部分采样河段有机污染超标严重, 为蓝藻大量繁殖提供了充足的营养盐.水体中的氮、磷元素是浮游植物生长所必须的营养元素.研究表明, 浮游植物吸收氮、磷营养盐是按照Redfile(16 : 1)比进行吸收(Redfield et al., 1963), 过高的氮磷比会影响浮游植物对营养物质的吸收, 限制浮游植物的生长与繁殖(张伟等, 2015), 进而影响浮游植物群落结构.本次调查发现, 由于各河段受氮、磷元素污染程度不同, 加之不同浮游植物对营养盐的需求及利用特性存在差异(Hlaili et al., 2006), 这可能也是导致淮河流域主要河流浮游植物群落结构及种群密度差异性的原因之一.
闸坝的建设虽然在水资源优化配置方面取得了较大的效益, 但也不同程度上改变了河道的水文情势并对河流的生态环境带来了巨大的影响(刘祥等, 2016).一方面, 闸坝等水利工程的建设不仅切断了河流的连通性, 阻碍水生生物的自然迁移, 而且容易造成污染物质富集.例如, 沙颍河及涡河流域闸坝密集, 夏季河流断流频率大, 导致河道内生态急流匮乏, 水体交换能力弱, 污染物浓缩, 水质恶化严重(徐艳红等, 2017), 进而使得浮游植物群落结构趋异单一化, 耐物种大量繁殖, 生物多样性降低; 另一方面, 闸坝调控所导致的河道水动力条件的改变也会在很大程度上影响水生环境中浮游植物的群落结构及密度分布, 开闸调控实施后, 闸上富集的污染物和浮游植物本身随水体下泄迁移到闸下区域, 导致闸下浮游植物平均密度及Margalef指数均高于闸上(左其亭等, 2016).
研究表明, 浮游植物种类增多、密度降低和均匀度上升意味着水质的好转(谢进金等, 2005;曾阳等, 2012), 沙颍河源头(S9)由于受人为干扰较轻, 所采集到的浮游植物呈现出生物多样性较高、细胞密度较低的特点, 但从上游向中游延伸, 均存在不同程度点源与面源污染的排放, 导致水环境不断恶化.例如, 沙颍河中游S6站点处, 夏季CODMn、TN、TP浓度严重超标, 生物多样性指数显著下降, 微小平裂藻及小孢空星藻等耐污种大量繁殖.随着流域下游(S22)人为干扰逐渐降低及河流水质的自我净化, 水质状况又有所改善, Shannon多样性指数与Pielou均匀度指数均呈现出较高值.除此之外, 水体中泥沙或悬浮物也是影响浮游植物群落结构最重要的物理因素之一(Wang et al., 2010), 水体中悬浮物含量升高, 透明度降低, 影响浮游植物的光照时间和光照强度(胡俊等, 2016), 进而影响浮游植物的生长与繁殖.例如, S2、S23点位受人为采砂活动的影响, 水体悬浮物浓度较大, 生物密度表现为较低值.综合分析可见, 影响夏季淮河流域浮游植物的主要环境因子为TN、TP、CODMn、悬浮物和温度.
4.2 水质生物评价综合分析水质综合污染指数评价表明, 研究河段水质整体处于中污染至重污染状况;浮游植物生物指数评价表明, 研究河段水质整体处于β-中污染至α-中污染水平, 部分点位为重污染水平, 可见两种评价结果具有较好的一致性.但值得一提的是, 对于某个具体监测点而言, 不同指数评价结果可能略有差异, 分析其原因主要是因为生物多样性指数与水体营养类型之间关系复杂, 受到水体类型、计数方式及鉴定种类的详细程度等诸多因素的影响(左其亭等, 2017).此外, 水生生物除了受温度、光照和水中各种环境因子影响之外(周振明等, 2016), 还受种间关系作用影响(Adel et al., 2005), 部分未被纳入水质综合污染指数计算范围的环境因子也可能影响浮游植物的群落结构, 这也是造成两种评价结果存在差异的原因之一.因此在实际评价时, 仍需考虑不同环境影响因子的作用, 并综合生物指标与理化指标, 对水质变化作出合理且科学的评价.
本研究仅做了单次夏季调查, 未能突出样点浮游植物群落及水生态健康状况的季节性变化规律, 但研究结果从空间尺度上综合反映了夏季淮河流域典型河流浮游植物群落分布及水生态健康状况.后续还将开展不同季节的采样工作, 进行时间尺度的验证, 以获取淮河流域更为全面的水生态健康状况.
5 结论(Conclusions)1) 淮河干流及主要支流夏季浮游植物调查共获8门71属153种, 主要隶属于绿藻门(占39.9%)、硅藻门(占32.0%)及蓝藻门(占11.0%);但细胞密度上则以蓝藻和绿藻为主, 优势种也以蓝藻门的微小平裂藻为主.淮河干流、淠河和涡河的浮游植物群落差异性较小, 而与沙颍河的浮游植物群落存在一定的差异性.不同河段浮游植物平均密度差异较大, 浮游植物分布表现出较为显著的空间差异性.
2) 水质综合污染指数评价表明, 研究河段水质整体处于中污染至重污染水平;浮游植物生物指数评价表明, 研究河段水质整体处于β-中污染至α-中污染水平, 部分点位为重污染水平.生物指数综合评价与水质综合评价结果表现出较好的一致性, 具有良好的互补性和互验性.
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DOI:10.12030/j.cjee.201509131 |