浮游植物是水生态系统中的主要初级生产者,数量众多,代谢效率高,广布于各种水体中[1]116-119,是水生态系统的重要组成部分。同时也是浮游动物和部分鱼类主要食物来源,在物质循环和能量流动中都起到至关重要的作用[2]56-61。浮游植物群落是水环境中初级生产者和食物链的基础环节[3]670-673,其群落结构组成和数量分布将会直接影响水域生态系统的稳定,而水质的变化又会直接影响浮游植物的变化,因此,浮游植物可作为监测水质的指示生物[4]118-120。通过对浮游植物群落的研究,来反映水质的时空变化,已成为评价水质状况的重要手段[5,6,7]。

滦河流域位于东经115°30′～118°45′和北纬39°10′～42°40′之间,流域南北长500km,东西平均宽90km。上游最宽处1175m,下游最窄处12米,流域面积4480km2。其中,山地44070km2,平原810km2。整个流域地势西北高,东南低。滦河经由河北省丰宁县流入承德市,流经隆化县、滦平县、承德县、宽城满族自治县,在唐山市乐亭县注入渤海,全长877km[8]448-452。滦河为河北省第二大河,是河北省北部、东部的主要水源,也是流经承德的主要河流[9]38-39,同时也是天津市的重要水源。

为系统了解滦河承德段浮游植物群落组成以及水质状况,于2015年10月对滦河承德区段6个国控断面环境因子和浮游植物群的群落组成进行了调查,分析了该段水域浮游植物的种类、密度和优势种等数据,利用生物多样性指数和营养状态指数评估了该河段的污染状况,以期为该河段的保护与管理提供背景数据和参考依据。

1、采样点设置

1.1采样点的设置

本次调查参考滦河水质国控和省控监测点,共设置为6个采样点,其中郭家屯、偏桥子、大杖子为国控点和其余采样点为省控点,全部采样点地理分布见表1。

表1采样点位置导出到EXCEL

1.2浮游植物样品采集和浮游植物鉴定

1.2.1浮游植物定性样品采集与鉴定

用25号筛绢布制成的浮游生物网定点采样[10],浮游生物网置于水面下50cm处做“∞”字形拖动采取水样,每次做50个重复,将滤出的水样装入预先准备好的标本瓶中,加入5%的甲醛溶液固定[11]9-13。在10×40倍光学显微镜下观察全片,鉴定浮游植物的种类[12]67-69。

1.2.2游植物定量样品采集与鉴定

用1000ml水生—81型有机玻璃采水器取水面下50cm处的水样1000ml两次,分别装入1000ml采样瓶中,其中一瓶用于水质理化因子测定,另一瓶用15ml鲁哥氏液固定,带回实验室静置24h,用虹吸法吸出上清液900ml[13]104-107,再静置24h后将样品准确浓缩至10ml。放入样本瓶中保存待检。充分摇匀浓缩水样,吸出0.1ml置于网格计数框中,在10×40倍OLYMPUSCX41光学显微镜下随机挑选5个大格对浮游植物进行计数,然后求出5个大格的平均值,计算浮游植物的密度[14]190-197。

1.3水质理化因子的测定

选取测定的水质理化因子包括:pH、水温(T)、溶解氧(DO)、生化需氧量(BOD)、总磷(TP)、总氮(TN)。其中现场测定指标为:pH、T、DO,pH采用pH-8笔式pH计测定,T和DO采用便携式溶氧仪测定。实验室测定数据包括:BOD、TP、TN。其中BOD通过BOD快速测定仪测定,TP采用钼酸铵分光光度计法测定,TN采用凯氏定氮仪测定。

1.4理化因子水质评价

目前国内外对河流水质的评价主要采用单因子法[15]和以TP为基准的修正后的卡尔森营养状态指数法(TSI)[16]108-151。基于单因子的水质评价能快速便捷地反映水质状况,但是由于水体水质变化不只受单一理化因子影响,所以稳定性相对较差。而修正后的卡尔森营养状态指数法的评价结果更可靠。

单因子评价标准如下表2:

表2单因子评价标准

修正后的卡尔森营养状态指数公式为:

TSI(TP)=10[2.46+(6.71+1.53×lnTP)/ln2.5]

式中:TSI为营养状态指数;TP为总磷(mg/L)。

评价标准为:TSI<37,为贫营养型;

38<TSI<53,为中营养型;

TSI>54,为富营养型。

1.5生物学评价

1.5.1细胞密度法[17,18]计算公式如下:

式中,N为每升水中水藻数(个/L);SO为计数框面积(mm2);SF为每个视野的面积(个/mm2);nF为计数过的视野数(个);V为每升水浓缩后的体积(ml);VO为计数框的体积(ml);nP为每片计算出的细胞个数(个/片);N<3×105时为贫营养状态;3×105<N<10×105时为中营养状态;N>10×105时为富营养状态。

1.5.2Margalef多样性指数M值[19]计算公式为:

M=(S-1)/lnN

式中,M为物种丰富度指数;S为种类数;N为总个体数;M>5时为无污染;M=4～5时为轻污染;M=3～3.9时为中污染;M<2.9时为重污染。

1.5.3Simpson指数D值[19]计算公式为:

D=N(N-1)/∑ni(ni-1)

式中:ni为i种的个体数;N为总个体数;0<D<1时表示水质严重污染(相当于多污型),1<D<2时表示水质为重污染(相当于α-中污型),2<D<3时表示水质中度污染(相当于β-中污型),3<D<6时表示水质轻度污染,D>6时表示水体清洁[20]。

1.5.4Shannon-Weaver多样性指数H值[19]计算公式为:

H=-∑(ni/N)·ln(ni/N)

式中:ni为i种的个体数;N同上;H>3时为无污染;2<H<3时为轻污染;1.0<H<1.9时为中污染;0<H<0.9时为重污染。

2、数据分析和处理选取

2015年10月在滦河承德区段水域6个采样点测定的主要水质指标作为数据分析的来源,对测得的数据做标准化处理,建立浮游藻类和环境指标的数据库。浮游藻类数据的选取,要选取至少在2个采样点出现,并且在一个样品中的含量大于1%的属种,对除pH外所有的环境指标做lgX+1转换处理。经过上述处理后,原始数据库包括6个样品点,49个藻类分类单元,6个环境因子。采用SPSS23.0对数据进行统计分析。根据CANOCO4.5软件中除趋势对应性分析(DCA)的排序轴梯度长度决定排序的方法,此次采用冗余分析(RDA)来分析浮游藻类群落与环境因子之间的关系。

3、结果

3.1滦河浮游植物群落结构特征

通过2015年10月对滦河6个采样点浮游植物的调查,初步鉴定出浮游植物共8门60属186种(含变种及变型),各采样点各门类浮游植物种数如图1。其中,硅藻门14属61种,占总数32.8%;绿藻门20属59种,占总数31.7%;裸藻门9属32种,占总数17.2%;蓝藻门10属23种,占总数12.4%;隐藻门3属5种,占总数2.7%;黄藻门1属2种,占总数1.6%;甲藻门1属2种,占总数1.1%;金藻门1属1种,占总数0.5%。

图1滦河各采样点浮游植物各门类种数

3.2浮游植物种群组成特征调查

水域浮游植物种类区系是以我国北方习见种类为主组成。其中隐藻门的长形蓝隐藻、硅藻门的近缘针杆藻、绿藻门的基纹鼓藻出现率为100%;出现率在60%以上的种类有裸藻门的具瘤陀螺藻、硅藻门的著名羽纹藻、短线脆杆藻、窗格平板藻、绿藻门的棒形鼓藻。

滦河承德区段各采样点种类数为31～61种,差别较明显,从高到低依次为:大杖子61种>乌龙矶大桥48种>偏桥子43种>郭家屯40种>承钢大桥38种>宫后31种;各采样点浮游植物密度为1.14×106～2.33×106个/L,差别亦较明显,从高到低依次为:大杖子2.33×106个/L>乌龙矶大桥1.68×106个/L>承钢大桥1.56×106个/L>偏桥子1.52×106个/L>郭家屯1.19×106个/L>宫后1.14×106个/L。各区域浮游植物分布和密度见表3。本次对滦河定量调查结果为:滦河水域群落结构为硅藻-绿藻-裸藻型,绝对优势属种为针杆藻属的近缘针杆藻、肘状针杆藻。具体见表4。

表3滦河各采样点浮游藻类分布和密度(104个/L)

表4滦河各采样点浮游植物优势属种

根据沈韫芬等[16]108-151提出的中国常见藻类的耐污值,其中耐有机污染值较高的鱼腥螺旋藻、小球藻、镰形纤维藻等也分布在本次调查的水域,但上述藻类的种群密度及生物量均较小,并未成为优势种。同时据文献记载[21],上述耐污种类在水质较好的一些水域亦有分布记录。而调查水域的大多数其他藻类均属中污染或寡污染种。因此从浮游植物目前的区系和群落组成整体上看,调查水域的水质处于较为良好的水平。

3.3滦河浮游植物细胞密度和水环境因子相关性

对滦河流域承德段6个采样点的温度(T)、pH、溶解氧(DO)、生化需氧量(BOD)、总磷(TP)、总氮(TN),共6个水环境因子做了测定。水环境因子和浮游植物密度的Pearson相关性分析结果如表5,结果显示:浮游植物细胞密度和水环境因子的相关性不显著,水环境因子中温度和pH呈显著正相关,温度和总磷呈显著负相关。

表5滦河浮游植物细胞密度和水环境因子相关性分析

3.4滦河水质营养状态评价

生物多样性指数,是用于表示多种生物所组成的混合生物群落的数量和种类之间关系的一种指数,是评价水质的重要指标之一[22,23,24]。指数值越高,该群落结构越复杂,稳定性越大,水质越好[25,26]。Margalef多样性指数由于能够较为客观地反映水体污染状态和水质变化情况,常被采用,但它忽略了个体在各种类间的分布情况,故该处采用Margalef多样性指数M值、Shannon-Weaver多样性指数H值[27]1-6和Simpson多样性指数D值对水体营养状态进行综合评价(具体见表6)。

表6三种生物多样性指数对水质的综合评价

从三种多样性指数的水质生物学评价结果来看,对所选采样点的评价结果不完全一致,但相差甚小。Margalef多样性指数评价结果显示:采样点2和采样点6为轻污染水平,而其余采样点均为无污染水平;Shannon-Weaver多样性指数评价结果显示:所有采样点均为无污染水平;Simpson多样性指数评价结果显示:所有采样点均为水体清洁。综合三种多样性指数评价滦河水质,采样点2和采样点6可评价为较好水平,其余各采样点可评价为良好水平。

3.5滦河各采样点理化指标及水质评价

滦河各采样点的水环境因子测定结果(由承德市环保局环境监测中心站提供)如表7所示,六个区域pH值均>7,水体呈弱碱性,采样点1的pH值最高,采样点5的pH值最小;平均水温为15～23℃,采样点1的水温最高,采样点5的水温最低;溶解氧变化范围7.90～8.84mg/L之间,采样点1的溶解氧值最大,采样点5的溶解氧值最小。

表7滦河水环境因子

采用单因子评价方法,对滦河承德段各采样点水体状态进行评价,评价结果见表8。根据DO评价结果,各采样点均为Ⅰ类水体;根据TN评价结果,各采样点均为Ⅰ类水体;根据TP评价结果,5号采样点水体为Ⅳ类水体,其余采样点水体为Ⅲ类水体,说明TP为各采样点主要污染物质。

采用修正后的卡尔森营养状态指数来评价滦河的营养状态,评价结果见表9依据评价标准,样点1、2、3为贫营养型,样点4、5、6为中营养型,可见滦河承德区段上游水质为良好水平,下游水质为较好水平。

表9滦河营养状态指数值及评价

3.6浮游植物与环境因子的冗余分析

(RDA)依据滦河承德段各采样点浮游植物出现的相对频度和相对密度,共选取49种浮游藻类用于RDA分析,其中包括绿藻门16种,硅藻门18种,裸藻门8种,隐藻门1种,蓝藻门5种,藻类代码见表10。

表10RDA分析种藻类代码

表10RDA分析种藻类代码

图2为滦河承德区段浮游植物群落和环境因子RDA分析结果排序图,前两个主成分的特征值分别为0.395和0.171,物种与环境因子的相关系数分别为0.291和0.416。选取的绿藻中:9种和温度呈正相关,7种和温度呈负相关;9种和溶解氧呈正相关,7种和溶解氧呈负相关;10种和BOD呈正相关,6种和BOD呈负相关;9种和PH呈正相关,7种和PH呈负相关;10种和总氮呈正相关,6种和总氮呈负相关;11种和总磷呈正相关,5种和总磷呈负相关。选取的蓝藻中:3种和温度呈正相关,2种和温度呈负相关;3种和溶解氧呈正相关,2种和溶解氧呈负相关;5种均和BOD呈正相关;3种和PH呈正相关,2种和PH呈负相关;5种均和总氮呈正相关;5种均和总磷呈正相关。选取的硅藻中:8种和温度呈正相关,11种和温度呈负相关;10种和溶解氧呈正相关,9种和溶解氧呈负相关;11种和BOD呈正相关,8种和BOD呈负相关;11种和总氮呈正相关,8种和总氮呈负相关;12种和总磷呈正相关,7种和总磷呈负相关。选取的裸藻中:3种和温度呈正相关,5种和温度呈负相关;6种和溶解氧呈正相关,2种和溶解氧呈负相关;3种和BOD呈正相关,5种和BOD呈负相关;5种和PH呈正相关,3种和PH呈负相关;5种和总氮呈正相关,3种和总氮呈负相关;4种和总磷呈正相关,4种和总磷呈负相关。选取的隐藻共1种,和各种环境因子均呈负相关。

4、讨论

4.1滦河浮游植物群落结构和水质

滦河的6个采样共鉴定出浮游植物186种(含变种及变型),分属于8门60属。以硅藻细胞密度最大,绿藻、裸藻次之,属于典型的硅藻-绿藻-裸藻型群落结构,与之前的研究结果一致[27]。通过对生物多样性指数的评价,各种评价方法得出的结果较为一致,综合生物多样性指数、单因子评价和营养状态指数评价,各采样点的主要污染物质为TP。滦河水质相对最好的是采样点1和3,采样点2、4、5次之,采样点6最差,基本呈现出从上有到下游水质逐渐变差的趋势,这与不同研究人员通过不同模型对滦河流域生态环境状况的预测结果较为一致[28,29]。结合调查区域沿岸环境概况,推测出现这种趋势的原因为:①滦河上游少有工矿企业等重大污染源是上游水质较好的主要原因。②滦河下游周边水产养殖业的增加,尤其是密集的投饵网箱养殖,使水体的营养物质进一步增加,加速了营养化的进程。③滦河下游周边有较多的工矿企业及城镇居民。主要有炼钢厂、发电厂、机械制造厂、印刷厂等大中型企业和城镇居民的生活污水可能直接排入下游水域,是导致下游水质相对较差的主要原因。

4.2影响滦河承德段区域浮游植物群落的主要环境因子

浮游植物群落的结构组成和演替变化受水环境因子变化的综合影响,其中尤其以受营养物质的影响最为突出。通过RDA分析,在调查的主要硅藻-绿藻-裸藻型群落结构中,各水环境因子对浮游植物群落结构均有不同程度影响,而影响最为突出的为营养物质和BOD,而在受营养物质影响的物种中,又以绿藻最为明显,所有被调查的绿藻均表现出和总氮、总磷正相关关系。

参考文献:

[1]胡建林,刘国祥,蔡庆华,等.三峡库区重庆段主要支流春季浮游植物调查[J].水生生物学报,2006(01):116-119.

[2]王俊.黄海春季浮游植物的调查研究[J].海洋水产研究,2001(01):56-61.

[3]薛俊增,孙薇,方伟,等.车尔臣河流域且末县塔提让乡芦苇湿地浮游植物群落生态[J].东华大学学报(自然科学版),2010,36(6):670-673.

[4]庞志研,张明珠,余安仁,等.枯水期白云湖浮游植物调查与初步分析[J].人民珠江,2015,36(3):118-120.

[5]徐杰,何萍,王钦,等.夏季白洋淀沉水植物分布与水环境因子的关系[J].湿地科学,2013,11(04):488-494.

[6]张梅,李原,王若南.滇池浮游植物的生物多样性调查研究[J].云南大学学报(自然科学版),2005(02):170-175.

[7]郝媛媛,孙国钧,张立勋,等.黑河流域浮游植物群落特征与环境因子的关系[J].湖泊科学,2014,26(01):121-130.

[8]周绪申,齐向华,吴筱,等.滦河干流浮游植物多样性及污染状况[J].南水北调与水利科技,2015,13(3):448-452.

[9]管华,孙志琢.承德市武烈河纳污能力及限制排污总量分析[J].河北水利,2008(8):38-39.

[10]董少鸣,宋晓燕,董建新,等.避暑山庄湖区浮游植物研究初探[J].河北民族师范学院学报,2013,33(3):24-25.

[11]龙胜兴,叶晓云,俞振兴,等.2011年红枫湖水库浮游植物群落结构分布特征[J].贵州师范大学学报(自然科学版),2012,30(5):9-13.

[12]李修峰,常秀岭,谢文星,等.汉江中游秋季浮游植物的初步研究[J].水利渔业,2005,25(4):67-69.

[13]周志明,朱俊杰,顾志敏,等.四明湖水库浮游生物现状调查及评价[J].水生态学杂志,2011,32(3):104-107.

[14]永杰,李伯康,曹维,等.2011年南黄海辐射沙脊群海域浮游植物种类组成和密度的时空变化[J].应用海洋学报,2014(2):190-197.

[15]GB/T3838-2002,地表水环境质量标准[S].

[16]沈蕴芬,章宗涉,龚循矩,等.微型生物监测新技术[M].北京:中国建筑工业出版社,1990:108-151.

[17]胡鸿钧,李尧英,魏印心等.中国淡水藻类[M].上海:上海科学技术出版社,1980.

[18]皱平,江霜英,高廷耀,等.城市景观水的处理方法[J].中国给水排水,2003,19(2):24-25.

[19]梁红.环境监测[M].武汉:武汉理工大学出版社,2003.

[20]陈亮,刘一,禹娜,等.分水江水库浮游动物群落结构的初步研究及水质评价[J].华东师范大学学报(自然科学版),2010(6):72-82.

[21]水利部海委引滦工程管理局.潘家口、大黑汀水库水质管理规划报告[R].天津:水利部海河水利委员会,1989.

[24]陈纯,李思嘉,肖利娟,等.营养盐加富和鱼类添加对浮游植物群落演替和多样性的影响[J].生态学报,2013,33(18):5777-5784.

[25]顾丁锡.湖泊富营养化评价方法[J].环境污染与防治,1982(3):14-17.

[26]舒俭民.长江源区浮游生物调查初报[J].中国环境监测,1998,14(5):79.

[27]吴佳宁,王刚,路献品,等.滦河流域浮游生物与底栖动物分布特征调查研究[J].环境保护科学,2014,40(06):1-6.

[28]谈娟娟,董增川,方庆,等.滦河流域生态健康演变趋势分析[J].人民长江,2014,45(14):31-35.

[29]向亮,刘学锋,郝立生,等.未来百年不同排放情景下滦河流域径流特征分析[J].地理科学进展,2011,30(07):861-867.

宋晓燕,马莹,于小红,李贝贝,董建新.滦河承德区段浮游植物群落调查和水质评价[J].河北民族师范学院学报,2020,40(02):61-70.

基金:国家自然科学基金资助项目(51409226,51769036).