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汾河流域浮游植物群落特征及环境因子分析

2024-09-19 87 上传者：管理员

摘要：为研究汾河流域浮游植物群落特征及其与环境因子的关系，于2021年5—10月对汾河流域18处重点水域进行了浮游植物及环境因子调查分析。结果表明，汾河流域共鉴出浮游植物8门、77属、200种，鱼腥藻、栅藻、小环藻、针杆藻为主要优势种；浍河水库、晋阳湖为中度富营养，其余湖库营养化程度较低；PCA主成分分析表明总磷(TP)对水体营养状况的正向影响最大，其次是总氮(TN)和叶绿素a(Chl-a)。研究结果可为流域水生态保护与修复提供参考。

关键词：
主成分分析
水质评价
汾河
浮游植物
环境因子
群落特征
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汾河位于山西省中部和西南部，是黄河第二大支流，也是山西省内最大河流，因其孕育了灿烂的三晋文明，被称为山西人民的母亲河。汾河流域南北长413km,东西宽188km,干流长约700km,流域面积约40000km2,约占山西省国土总面积的1/4。近年来，山西省通过实施“七河流域生态保护与修复”、“母亲河复苏”、“一泓清水入黄河”等行动，流域水质状况得到较大改善，生态环境持续向好，但仍存在水生环境脆弱、生物多样性不足等问题。

浮游植物因其结构简单，个体微小，对水体中各环境因素变化敏感，与其他生物群落相比，浮游植物对环境变化的响应更为迅速，常作为水体营养状况评价和水生生物多样性的重要指示生物[1- 3]。浮游植物群落结构、种类组成能有效地反映水环境状况及变化，已广泛应用于生态学研究和水生态评价[4- 5]。

本文对汾河流域重点水域进行调查监测，评价水体营养状态，检测浮游植物种类及数量，进而分析浮游植物群落特征及影响因素，旨在为深入开展流域水污染防治和水生态保护与修复提供基参考和技术支撑。

1、材料及方法

1.1采样站点与采样时间

选择汾河流域18处重点水域开展监测分析(见表1、如图1所示),按水域类型分为河流和湖泊水库两类，河流类含汾河干流上中下游重要断面及潇河、文峪河、浍河等重要支流入汾口；湖泊水库类含天池、晋阳湖2处湖泊和流域内5座大型水库及部分中型水库。于2021年5—10月对各监测点进行水质理化指标和浮游植物采样监测，监测时间涵盖春季(5月)、夏季(6—8月)和秋季(9—10月)。

图1汾河流域监测点布设

表1汾河流域监测点信息

1.2样品采集与测试

水质样品采集按SL 219—2013《水环境监测规范》[6]进行，水质指标检测按GB 3838—2002《地表水环境质量标准》[7]规定方法进行，浮游植物样品采集、鉴定和计数按SL 733—2016《内陆水域浮游植物监测技术规程》[8]进行。

1.3数据分析与处理方法

根据SL 395—2007《地表水资源质量评价技术规程》[9]进行营养状态评价。湖库水体营养状态选取总氮(TN)、总磷(TP)、高锰酸钾指数(CODMn)、叶绿素a(Chl-a)四项指标采用指数法评价，为便于对照比较，河流水体亦采用此方法进行营养状态评价。

营养状态指数法计算公式为：

EI=∑n=1ΝEn/N(1)

式中，EI—为营养状态指数；En—评价项目赋分值；N—评价项目个数。

根据营养状态指数确定营养状态等级，0<EI≤20为贫营养(Ⅰ级),20<EI≤50中营养(Ⅱ级),50<EI≤60为轻度富营养(Ⅲ级),60<EI≤80为中度富营养(Ⅳ级),80<EI≤100为重度富营养(Ⅴ级)。

按照以下公式计算浮游植物优势度：Yi=ΝiΝ×100(1)式中，Yi—第i种的优势度；Ni—第i种个体数；N—所用种类总个体数。Y值大于2的种类为优势种。

采用PCA主成分分析法(Principal Component Analysis)进行相关分析，PCA分析法是研究多个变量间相关性的一种统计方法，是由原变量通过线性组合出新变量来表示影响事物的主要方面[10]。通过正交变换将一组可能存在相关性的变量转换成一组线性不相关的变量，转换后的这组变量叫主成分，主成分分析法的主要思想是将n维特征映射到m维上(m<n),其中m维是全新的正交特征，称为主成分，m维的特征是重新构造出来的，不是简单的从n维特征中减去n-m维特征。其核心思想就是将数据沿最大方向投影，数据更易于区分。根据水质监测数据，选择总氮(TN)、总磷(TP)、叶绿素a(Chl-a)、透明度(SD,监测点为湖库时)、高锰酸盐指数(CODMn)以及藻密度(algal density)作为需要分析的特征参数进行PCA分析，讨论变量中的主成分及因素间的相关关系。

2、结果与分析

2.1水环境因子特征

汾河流域各监测点水环境因子检测结果见表2。总体上湖库型监测点水质状况优于河流型监测点，汾河干流上游监测点水质优于下游监测点，大型水库水质优于晋阳湖及浍河水库等中型水库，主要支流入汾口水质较差。

河流类监测点中，h3汾河二坝氨氮浓度2.11mg/L,超过GB 3838—2002中Ⅴ类限值；h8、h9文峪河入汾口南姚和浍河入汾口桥西断面氨氮浓度超过GB 3838—2002中Ⅲ类限值1.0mg/L,其余断面氨氮浓度小于1.0mg/L。

表2水环境因子检测结果

湖库类监测点中，全部5座大型水库和2处湖泊总磷浓度均小于Ⅲ类限值的0.05mg/L;k4晋阳湖总磷含量接近Ⅲ类限值；2座中型水库k8涝河水库超过Ⅲ类限值；k9浍河水库超过Ⅳ类限值的0.1mg/L。

2.2营养状态分析

5—10月河流类监测点营养状况见表3。h1静乐和h6西师部分测次为中营养Ⅱ级，其余均为富营养Ⅲ—Ⅳ级；h4义棠的营养化程度最高，连续6个月均为中度富营养Ⅳ级；其次是h3二坝，5个月为中度富营养Ⅳ级，1个月为轻度富营养Ⅲ级。各河流类监测点9月份营养化程度最高，除h7郝村外全部为中度富营养Ⅳ级，其次是6月份和7月。对比水质评价结果可以看出，水质污染较重的河段，水体富营养化程度也较高。

表3河流水体营养状况

5—10月湖泊水库监测点营养状况见表4。k4晋阳湖和k9浍河水库营养化程度最高，有4个月为中度富营养Ⅳ级，其余2个月为轻度富营养Ⅲ级。涝河水库均为轻度富营养Ⅲ级。大型水库营养状态多数为中营养Ⅱ级，评分最优的是k5松塔水库，其次是k2汾河水库、k3汾河二库，再次是k6柏叶口水库和k7文峪河水库。湖库营养状态同样在9月份评级更低，其次是10月份。

表4湖泊水库营养状况

2.3浮游植物群落特征

对18个监测点分别进行浮游植物种类和数量的测定，种类组成如图2所示。汾河流域共发现浮游植物8门(绿藻门、硅藻门、蓝藻门、裸藻门、隐藻门、甲藻门、黄藻门和金藻门)、10纲、24目、43科、77属、200种。其中，河流类站点65属、162种，湖库类站点72属、149种。浮游植物群落组成中，硅藻门和绿藻门种类居多，其中硅藻门74种、绿藻门64种，分别占所鉴定种数的37%和32%;其次是裸藻门和蓝藻门，分别有27种和19种；甲藻门、隐藻门种类较少分别有8种和4种。本次调查监测中，黄藻门、金藻门也有出现，分别仅有2种，鉴出率低，黄藻门圆头刺棘藻5月份在二坝站鉴出，黄藻门黄丝藻6月份在涝河水库站鉴出；金藻门长锥形锥囊藻5月份在文峪河水库站鉴出，金藻门分歧锥囊藻在各主要水库均有鉴出。不同类型水体，不同监测点浮游植物群落结构差异较大，水体中浮游植物种类、数量与水体环境关系密切，有研究者认为，群落结构和物种多样性更多由局部环境决定，不同类型水域中优势物种的形成受到局部条件变化和环境梯度的时空影响[11- 12]。浮游植物逐月物种数如图3所示。

图2汾河流域浮游植物物种数

图3浮游植物逐月物种数

汾河流域浮游植物优势种共有10种，包括蓝藻门鱼腥藻、颤藻、平裂藻，硅藻门针杆藻、小环藻、直链藻，绿藻门栅藻、纤维藻、小球藻和隐藻门蓝隐藻。其中，硅藻门的小环藻、针杆藻，蓝藻门的鱼腥藻，绿藻门的栅藻，隐藻门的蓝隐藻为春季(5月)优势种；蓝藻门鱼腥藻、颤藻、平裂藻，硅藻门的针杆藻、小环藻，绿藻门的纤维藻、栅藻为夏季(6—8月)优势种；蓝藻门鱼腥藻、平裂藻、硅藻门针杆藻、小环藻、直链藻为秋季(9—10月)优势种。

2.4藻密度分析

汾河流域多数站点5月份藻密度最大，6—7月进入汛期后藻密度明显降低，8月后藻密度有所上升，说明藻密度总量随季节变化明显[13-14],受降雨影响较大。春季浮游植物总藻密度最大，硅藻、蓝藻、绿藻占比相当，入夏后蓝藻藻密度占比逐渐增大，并成为流域主要优势种。各月藻密度变化情况如图4所示。笔者曾于2020年5月初在汾河干流中游文水段人工湿地内发现蓝藻水华爆发，其发生时间与本研究结果较吻合，本次研究中10月份藻密度明显降低应与汾河流域2021年“十一”期间秋汛有直接关系。

图4浮游植物藻密度变化

各监测点藻密度在汾河干流自上游至下游(h1～h6)沿程逐渐升高，干流大于支流(h7～h9)。h2汾河太原湿地公园藻密度较高500×104cell·L-1,藻密度年均值与下游h5柴庄和h6西师断面相当。各监测点藻密度检测结果见表5。各湖库站点中，k1天池、k3汾河二库、k4晋阳湖、k6柏叶口水库、k8涝河水库春季大于夏秋季；k2汾河水库、k5松塔水库、k7文峪河水库整体藻密度较低，且5—10月程逐月升高趋势；k4晋阳湖5月藻密度达1632×104cell·L-1,k8涝河水库5月藻密度达1425×104cell·L-1,k9浍河水库夏季藻密度1088×104cell·L-1,3处监测点研究期藻密度均值大于500×104cell·L-1。晋阳湖水体封闭性较强，随着周边污染企业外迁，湖岸带环境美化整治，湖水水质得到改善，但作为城市浅水湖泊，需警惕持续的富营养可能导致的湖泊生态系统结构性变化[15],预防水华等恶性水污染情况发生。

2.5 PCA分析

根据监测数据，选择总氮(TN)、总磷(TP)、叶绿素a(Chl-a)、透明度(SD)以及藻密度(algal density)、高锰酸盐指数(CODMn)作为需要分析的特征，进行各自然月PCA分析，对各分析变量中的主成分及因素间的相关关系进行讨论如下。

①分析提取的新解释变量主成分1(Dim1)、主成分2(Dim2)对各点位差异解释度分别为49.4%和18.7%,总解释度为68.1%(如图5所示)。②TP、TN和CODMn为Dim1的3个决定因子，且均与Dim1呈正相关关系，Dim1主要反映水体的营养化程度。③Chl-a, algal density为Dim2的2个决定因子，且均与Dim2呈正相关关系，Dim2主要反映水体中浮游植物的生长状况，SD与Dim1、Dim2均呈负相关关系。④总磷(TP)对水体营养状况的正向影响最大，其次是总氮(TN)和叶绿素a(Chl-a),再次是藻密度(algal density)和高锰酸钾指数(CODMn)。⑤透明度(SD)与水体营养状况、浮游植物量均呈现负相关性，表明营养状态与浮游植物量可通过水体透明度进行表征。

分析六个原始要素间的关系，可以发现高锰酸钾指数(CODMn)和总氮(TN)相关性最大，呈正相关。叶绿素a(Chl-a)与藻密度(algal density)相关性最大，呈正相关。分析较为突出的监测点可得出，湖库类监测点中浍河水库富营养化程度最为严重，其次是晋阳湖，其余湖库营养化程度较低；河流类监测点中义棠、柴庄、二坝富营养化程度最为严重，其次是桥西、汾河湿地公园，其余监测点营养化程度较低。

图5 PCA分析

表5汾河流域藻密度监测结果

3、结论

研究期汾河流域共鉴出浮游植物8门、77属、200种，硅藻门和绿藻门种类居多，其次是裸藻门和蓝藻门。优势种为鱼腥藻、栅藻、小环藻、针杆藻等。藻密度总量受季节变化和降雨影响较大，且在汾河干流自上游至下游逐渐升高。

汾河流域湖库型监测点水质优于河流型监测点，大型水库水质优于晋阳湖、浍河水库等中型水库，汾河干流上游水质优于下游。进行流域生态保护与修复时，上游重在生境保护，下游重在污染控制。晋阳湖和浍河水库已达中度富营养，需要警惕营养状况持续恶化带来的水华风险，同时做好水生态监测。

参考文献:

[1]王振方,张玮,杨丽,等.异龙湖不同湖区浮游植物群落特征及其与环境因子的关系[J].环境科学,2019,40(5):2249- 2257.

[2]周绪申,李娜,孙博闻,等.白洋淀浮游生物群落结构的季节变化及其与环境因子的关系[J].水利水电技术(中英文),2021,52(8):110- 119.

[4]朱海涛,彭玉,柴元冰,等.黄河源区浮游植物群落特征研究[J].人民长江,2019,50(3):84- 87.

[5]夏春龙.2011—2021年大伙房水库浮游植物群落特征[J].水利技术监督,2023(5):131- 134.

[6] SL 219—2013.水环境监测规范[S].

[7] GB 3838—2002.地表水环境质量标准[S].