太原汾河蓄水區浮游植物細胞密度及其與營養元素的關系

劉 洋,呂俊平,劉 琪,謝樹蓮,馮 佳

山西大學生命科學學院, 太原 030006

浮游植物是水生態系統中的初級生產者與重要餌料生物,也是水環境中的重要指示生物。浮游植物的種類組成和數量分布的生態學特征是水生生態系統的重要研究內容,及首要和重要環節[1]。其結構簡單,個體微小,對水體中各因素變化極其敏感,從而在短時間內發生一定的改變,與其他生物群落相比較,浮游植物更為及時、準確的反映水生態系統的變化[2- 3]。浮游植物作為水環境特征的重要指示劑,已引起了世界范圍內的研究和關注[4- 5]。因此,人們可以通過測定浮游植物的數量、種類等特征,來達到分析水質狀況的目的[6- 7]。對此,國內外已有很多對河流、湖泊等浮游植物研究的先例,并對其水質進行了分析與研究[8- 9]。

汾河是山西最大的河流,發源于寧武縣東寨鎮管涔山脈樓山下的水母洞,流經6個地市,34個縣市,在河津市匯入黃河,全長約700km。流域面積約40000km2,約占全省總面積的四分之一,該流域覆蓋了全省41%的人口,是山西人民的母親河,也是黃河的第二大支流。汾河流域作為山西全省經濟和社會發展的核心區域,由于長時間過度開發,生態環境受到極大破壞,嚴重制約山西經濟社會的可持續發展和民眾生活質量的提高,也影響了山西的對外形象。近年,汾河中下游流域內鄉鎮企業發展迅猛,相繼建起了大批洗煤、選礦、煉焦、造紙等高污染企業,加重了對汾河水質的污染[10]。

太原汾河蓄水區北起柴村橋北側,南至祥云橋南側,由北向南貫穿太原市迎澤區、尖草坪區、萬柏林區、晉源區、小店區,全長6km,河寬500m,占地300余hm2。太原汾河蓄水區為人工復式河槽,中墻將其分為東、西兩渠,西側為渾水渠,寬約80m,用來排洪與水庫灌溉；東側為清水渠,寬約220m,由多道橡膠壩將其分為蓄水湖面。東西兩岸各有一條排污暗渠,用來接納沿線城鎮的排污管道,將污水送至下游污水處理廠凈化處理。

本文系統地調查分析了太原汾河蓄水區9個采樣點浮游植物群落組成、氣溫、水溫、溶解氧、高錳酸鹽指數、總氮、總磷等環境因子的特征,并運用PCA方法對浮游植物與環境因子之間的關系進行分析探討,旨在為太原汾河蓄水區水質生態學評價和水環境監測提供理論依據,有助于建立該地區健康安全的生態環境管理機制,對太原汾河蓄水區水生生物資源的可持續發展提供重要的參考[11]。

1 材料與方法

1.1 采樣點布設與采樣時間

圖1 太原汾河蓄水區采樣點分布 Fig.1 Distribution of sampling sites in Fenhe water storage area of Taiyuan柴村橋(S1),勝利橋北(S2),勝利橋南(S3),迎澤橋(S4),南內環橋(S5),長風橋(S6),躋汾橋(S7),南中環橋南(S8)和九院沙河南側(S9)

自2015年6月開始至10月,每月定期對太原汾河蓄水區進行采樣,根據其自然情況及地理位置,從上游至下游,共布設9個采樣點,分別為柴村橋(S1),勝利橋北(S2),勝利橋南(S3),迎澤橋(S4),南內環橋(S5),長風橋(S6),躋汾橋(S7),南中環橋南(S8)和九院沙河南側(S9)[12](圖1)。

1.2 水樣的采集與鑒定

浮游植物的水樣采集包括定性采集和定量采集兩種。定性采集用25號浮游生物網在水面以“∞”形來回拖動,以約20—30cm/s的速度拖動3min,待網內多余的水濾去,打開管底的閥門,將網頭的水樣收集到事先準備好的50mL標本瓶中,用4%的甲醛現場固定。定量采集用1L采水器采集,將采集好的液體用15%的魯哥氏液固定,同時每瓶貼上標簽,標明時間、采樣點,然后將液體搖勻后倒入1L的廣口瓶中沉淀24h,用虹吸管小心抽出上層不含藻體的“上清液”,然后將剩下70—80mL的液體轉移至100mL定量瓶中,再用少許上述虹吸管吸出來的“上清液”清洗3次廣口瓶,沖洗液轉入至100mL定量瓶中待檢[13],用顯微鏡(Olympus BX51)進行鑒定與計數[14- 15]。

1.3 水質中各理化指標的測定

1.4 數據處理

1.4.1 密度的計算

水中浮游植物密度的計算,參照文獻[17]。

1.4.2 綜合營養狀態指數

根據中國環境監測總站制定的《湖泊(水庫)富營養化評價方法及分級技術規定》,選用葉綠素a、總磷、總氮、透明度、高錳酸鹽指數5個參數,采用綜合營養狀態指數法評價太原汾河蓄水區水質綜合營養狀態,其公式為：

式中,TLI(∑)表示綜合營養化狀態指數；TLI(j)代表第j中參數的營養狀態指數；Wj為第j種參數的營養狀態指數相關權重。

rij為第j種參數與基準參數Chl-a的相關系數；m為評價參數的個數。

TLI(Chl-a)=10(2.5+1.086lnChl-a)

TLI(TP)=10(9.436+1.624lnTP)

TLI(TN)=10(5.453+1.694lnTN)

TLI(SD)=10(5.118-1.94lnSD)

TLI(CODMn)=10(0.109+2.66lnCODMn)

綜合營養狀態指數為TLI(∑),其分級標準為：TLI(∑)<30為貧營養,30≤TLI(∑)≤50為中營養,TLI(∑)>50為富營養,5070為重度富營養[19]。

表1 中國湖泊部分參數與葉綠素a的相關關系rij及rij2值

1.4.3 相關性分析

采用相關性分析來研究葉綠素a與環境因子的響應關系,同時建立相應的回歸方程,對各項環境因子做主成分分析(PCA),篩選出對浮游植物影響較大的因子,然后利用Origin 8.5和SPSS 19.0處理以上數據,并進行分析。

2 結果與分析

2.1 優勢種空間分布

對于不同采樣點的調查發現,在豐水期與平水期,各個采樣點的優勢種有所不同,其中藍藻門以微小色球藻(Chroococcusminutus)、微小平裂藻(Merismopediatenuissima)、小顫藻(Oscillatoriatenuis)、銅綠微囊藻(Microcystisaeruginosa)為主要優勢種,綠藻門以小球藻(Chlorellavulgaris)為主要優勢種,硅藻門以尖針桿藻(Synedraacus)為主要優勢種(表2)。豐水期與平水期相比較,豐水期優勢種種類居多。

2.2 浮游植物豐度特征與葉綠素a變化

浮游植物的豐度等變化與種類的組成,與季節和水體中營養元素密切相關[20]。調查期間發現,該流域共包括204種,隸屬8門75屬。其中藍藻門、綠藻門所占比例較大,分別為54.89%、33.49%,合計占總種數的93.38%,其次是硅藻門占總數的5.15%,裸藻門、金藻門、甲藻門、隱藻門種類相對較少,僅占總數的1.47%。以上結果顯示,太原汾河蓄水區夏秋季浮游指物群落構成了以藍-綠藻門為主要優勢類群[21]。每個月的浮游植物種類稍有變動,但并不明顯,表現為夏季相對于秋季藍藻門種類居多,造成這種現象的主要原因是夏季光照強度高、水溫較高、多雨,以上條件同時也是藍藻門中的微囊藻屬種類形成水華的必要條件[22]。

太原汾河蓄水區平水期(2015年9月、10月)和豐水期(2015年5月、6月、7月8月)浮游植物豐度分別為4.52—67.27×10、16.85—89.19×106個/L,平均值分別為36.03×106、50.24×106個/L。平水期藍藻在豐度上占多數,占42.95%,豐度為0.70—26.75×106個/L,平均值為13.725×106個/L。其次為綠藻,占35.36%,豐度為0.86—49.00×106個/L,平均值為24.93×106個/L。再次為硅藻,占17.35%,豐度為0.62—14.62×106個/L,平均值為7.62×106個/L；豐水期藍藻在豐度上也占多數,原因是豐水期多雨,太原汾河蓄水區多暴發水華,占59.24%,豐度為0.13—48.46×106個/L,平均值為24.30×106個/L。其次為綠藻,占28.12%,豐度為0.08—30.14×106個/L,平均值為15.11×106個/L。再次為硅藻,僅占7.36%,豐度為0.70—10.08×106個/L,平均值為5.39×106個/L(圖2)。

太原汾河蓄水區葉綠素a整體均值為38.13mg/L,變化范圍為17.04—84.60mg/L,最大值出現在S6(長風橋),最小值出現在S1(柴村橋)。葉綠素a的含量隨地理位置變化明顯,中下游要顯著高于上游,原因是中下游地區營養鹽濃度偏高,在一定程度上刺激了浮游植物的生長[23],導致藻類細胞密度較大,葉綠素a含量升高。在時間上,葉綠素a的含量分布特征具有相似性,主要表現為豐水期((79.56±4.36)mg/L)葉綠素a含量高于平水期((24.32±3.15)mg/L),原因在于豐水期降雨徑流帶來的營養鹽以及水溫的升高,為浮游植物的生長與繁殖提供了養分與適宜的溫度。

表2 各采樣點在豐水期與平水期的浮游植物優勢種

柴村橋(S1),勝利橋北(S2),勝利橋南(S3),迎澤橋(S4),南內環橋(S5),長風橋(S6),躋汾橋(S7),南中環橋南(S8)和九院沙河南側(S9)

圖2 太原汾河蓄水區各樣點葉綠素a與總細胞密度變化Fig.2 Chl-a and total cell density change trend in Fenhe water storage area of Taiyuan S:代表樣點Site

2.3 各采樣點綜合營養狀態指數

調查期間,太原汾河蓄水區9個采樣點水質均達到富營養狀態(表3),在豐水期,S1—S7采樣點水質達到輕度富營養狀態,S8、S9采樣點水質達到中度富營養狀態；在平水期,S1—S6樣點水質達到輕度富營養狀態,S7—S9采樣點水質達到中度富營養狀態。這種情況的發生,可能是由于沿途城鎮居民生活污水、工業廢水的不合理排放,造成水體中各項理化指標超標,使水體富營養化。由于S7、S8、S9站點在下游,這就更容易讓該地區的水體受到污染,從而達到中度富營養狀態。

表3 各樣點在豐水期與平水期的綜合營養狀態指數

2.4 葉綠素a含量與水環境及營養元素的相關性分析

太原汾河蓄水區各采樣點環境因子參數如表4所示。根據葉綠素a與水環境因子進行相關性分析(表5),同時建立回歸方程(圖3)。結果顯示,太原汾河蓄水區葉綠素a與TN呈顯著正相關(r=0.12,P<0.05),與TP呈顯著正相關(r=0.12,P<0.05),說明總氮、總磷對太原汾河蓄水區浮游植物生長有重要的影響,而總磷對浮游指物的影響更加顯著。水體中總氮、總磷等無機營養鹽是影響浮游植物光合作用的重要因子[24]。此外,當水體中的氮磷比大于20時,磷可能會成為水體營養水平的限制因子[25]。太原汾河蓄水區氮磷比豐水期為24.91,平水期為28.27,由此可以說明磷是太原汾河蓄水區浮游植物生長的限制因子。

太原汾河蓄水區葉綠素a與水溫呈顯著正相關(r=0.12,P<0.05),隨水溫上升的同時,浮游植物的生長速度也隨之加快。說明水溫是影響藻類光合作用和呼吸代謝的重要因素,適宜的水溫可以加快藻細胞內的新陳代謝作用,從而促進了浮游植物的生長與繁殖[26]。與此同時,太原汾河蓄水區葉綠素a與COD呈極顯著正相關(r=0.58,P<0.01),與CODMn呈極顯著正相關(r=0.42,P<0.01)。水中的有機物會促進藻類的生長,太原汾河蓄水區的有機物主要來自沿途生活污水的排放、農業水產養殖等,這些有機物通過氧化分解,最終變成了可供藻類直接利用的營養物質(圖3)。

2.5 葉綠素a含量與水環境及營養元素的主成分分析

主成分分析旨在利用降維的思想,把多指標轉化為少數幾個綜合指標。9個樣點的水環境及營養元素的主成分分析結果見表6。主成分數目選定既要滿足數據降維目的又希望綜合盡可能多的信息,常用累計方差貢獻率不低于某一閾值來確定主成分數目。第一主成分可以最大限度反映樣本之間的差別[27]。

表4 各采樣點在豐水期與平水期的水環境及營養元素

表5 葉綠素a與水環境及營養元素的相關性

* 在0.05水平(雙側)上顯著相關；**在0.01水平(雙側)上顯著相關

圖3 葉綠素a與總氮、總磷、水溫、化學需氧量和高錳酸鹽指數的相互關系Fig.3 The correlations between Chl-a and TN, TP, WT, COD, CODMnChl-a: 葉綠素a, Chlorophyll-a; TN: 總氮, Total nitrogen; TP: 總磷, Total phosphorus; WT: 水溫, Water temperature; COD: 化學需氧量, Chemical oxygen demand; CODMn: 高錳酸鹽指數, Permanganate index

主成分的載荷矩陣在旋轉之后的載荷系數更接近1或者更接近0,得到的主成分能夠更好地解釋和命名變量(表7)。決定第一主成分的主要是水溫、氣溫、溶解氧、葉綠素a等理化指標,第一主成分反映原始數據信息量的59.182%,為與浮游植物出現數量相關的因子。決定第二主成分大小的主要是總氮、氨氮等,其貢獻率為75.762%,為氮源因子。決定第三主成分的是透明度,其負荷值為負值,其貢獻率為87.489%,稱其為透明度因子。由圖4能夠直觀的看出各個站點與PC1和PC2的關系：S5,S7,S8和S9依次落在PC1與PC2的正向區間,表明這4個站點水溫、氣溫較高,溶解氧與其成反比,含量較低,總氮、氨氮、葉綠素a含量較高,說明藻細胞密度較大。S1落在第二區間,水溫、氣溫較低,溶解氧含量較高,總氮、氨氮、葉綠素a含量較低,說明藻細胞密度較小。S2和S3分布在第三區間,該區間水溫、氣溫較低,溶解氧含量高,藻細胞密度較小。S4和S6分布在第四區間,該區間氣溫、水溫較高,溶解氧含量較高,總氮、氨氮、葉綠素a含量較低,藻細胞密度相對較大。

圖4 太原汾河蓄水區9個采樣點主成分分析得分圖Fig.4 PCA scores of 9 sample stations in Fenhe water storage area

由圖4可知各個站點PC2與PC3的關系：S5和S8落在第一區間,表明總氮、氨氮含量較高的同時,其透明度較低,藻細胞密度較高。S6落在第三區間,總氮、氨氮含量較低,其透明度較高,藻細胞密度較高。S4落在第二區間下側,總氮、氨氮含量較高,透明度較低,藻細胞密度較大；S2和S3落在第二區間右側,總氮、氨氮含量較低,透明度較高,藻細胞密度較小。S1落在第四區間左側,總氮、氨氮含量較高,超出了標準值,透明度較高,藻細胞密度較低。

PCA分析結果表明,太原汾河蓄水區營養鹽、有機物含量、水溫等都是影響太原汾河蓄水區浮游植物生長的重要因素,這對分析太原汾河蓄水區水環境營養元素控制因子以及浮游植物的生長影響因素有重要的作用。

表6 水環境及營養元素的主成分分析

表7 主成分分析旋轉后的成分載荷矩陣

旋轉在4次迭代后收斂；PC1—PC3分別表示第一至第三主成分

3 討論

一般條件下,豐水期氣溫、水溫較高,水體中營養鹽等各成分含量多,更新快,適宜藻類生長繁殖,平水期則稍遜之。雖然藍藻門、綠藻門、硅藻門種類較多,但各采樣點藻類植物的種類略有不同。通過對太原汾河蓄水區豐水期與平水期各采樣點優勢種的調查發現,S5采樣點處于太原汾河蓄水區中段,周邊工廠、居民住宅居多,工業廢水生活污水的不合理排放,導致該河段水體中藻的種類較少,只有微小平裂藻(M.tenuissima)和小球藻(C.vulgaris)。但總體來說,該流域藍藻門、綠藻門占絕大多數,豐水期以藍藻門中的微小色球藻(C.minutus)、微小平裂藻(M.tenuissima)、小顫藻(O.tenuis)為主要優勢種,下游出現銅綠微囊藻(M.aeruginosa),說明該流域容易暴發水華等危害。同時綠藻門以小球藻(C.vulgaris)為主要優勢種。硅藻門相對較少,主要優勢種為尖針桿藻(S.acus)。相對于平水期而言,優勢種種類較少,藍藻門的微小平裂藻(M.tenuissima)、綠藻門的小球藻(C.vulgaris)依然是該時期的主要優勢種。

水體富營養化是指河流或湖泊在自然因素或人類活動影響下,造成水體生產力從低的貧營養狀態逐步向生產力高的富營養狀態過度的一種現象。如今已成為水體污染最嚴重的問題之一,也是全球性環境問題之一。太原汾河蓄水區由北向南貫穿整個太原市,近年來,隨著社會經濟的迅速發展,人口與工業企業的增加以及城鎮規模化擴張多個檢測站點靠近市中心,由于附近居民、游客的不良習慣,造成生活垃圾、污水不合理排放,沿途的各大工廠對工業廢水沒有嚴格把控,使其匯入汾河,致使總氮、總磷等指標偏高,藍藻細胞密度增大,水體富營養化程度加重[28],最終導致整個水體處于輕度富營養狀態或中度富營養狀態,造成了生態環境的破壞。因此太原汾河蓄水區污染防治措施要以入河污染物總量控制為原則,擬定具有針對性的分階段投資行動方案。以點源污染控制為主,工廠實行達標排放和清潔生產,強化城鎮生活污染處理工程建設與技術革新。水體環境因子及營養元素是影響水體生態系統的重要因素,決定著不同的浮游植物群落結構,并且環境因子及營養元素也是評價水質和水體營養狀態的重要指標[29]。水溫、氣溫的變化對浮游植物的生物量有著明顯的影響[30],溫度的改變直接影響著河流中的物理和化學活動,從而影響水體上下水層的交換、各營養物質的循環與分布[31- 32]。太原汾河蓄水區夏季水溫較高,各種營養物質循環速度變快,營養物的攝入量大大增加,致使該流域浮游植物密度增大,秋季以后,氣溫下降,導致水溫較低,營養物的攝入量減少,浮游植物密度降低。

葉綠素是植物光合作用中重要的光合色素。通過測定葉綠素a濃度大小,可間接反映出水體中浮游植物生物量及水質狀況[33- 35],而且浮游植物的生物量與種類也與其密切相關,是水體理化指標動態變化的綜合指標[31,36]。葉綠素a的含量也受到水溫、氣溫、氮、磷、透明度、營養鹽等因素的影響。本研究結果顯示葉綠素a與總磷、總氮相關性顯著,太原汾河蓄水區各站點葉綠素a含量與浮游植物密度的變化趨勢一致,并且呈顯著或極顯著正相關。

氮、磷是藻類生長的重要營養因子,在一定濃度范圍內對浮游植物的生長有促進作用,反之,也會有抑制作用[37]。水體中過高的氮、磷含量易使浮游植物群落單一化,同時易爆發大量的藻類[38]。太原汾河蓄水區各采樣點葉綠素a與總氮、總磷呈顯著正相關。水體中的氮磷比在一定程度上可反映出營養鹽對浮游植物生長的影響,進而影響水體中葉綠素a的含量。當氮磷比大于20∶1時,說明氮過量,磷是限制因子,藻細胞密度主要受磷含量的影響；當氮磷比小于13∶1時,說明氮不足,氮是限制因子[39]。太原汾河蓄水區的氮磷比總體均值在豐水期和平水期分別為24.91和28.27,并且總氮均存在超標現象,由此可以說明磷是該流域藻類生長的主要限制因子[40]。

化學需氧量,高錳酸鹽指數是監測水環境中有機物含量的兩個重要指標,二者在理論上存在著定性的大小關系,指數越大,水體受有機物污染越嚴重。化學需氧量是指,處理水樣時,以重鉻酸鉀作為氧化劑,在一定條件下其所消耗的量,高錳酸鹽指數是指,以高錳酸鉀作為氧化劑,在一定條件下其所消耗的量[41]。二者都是利用化學物質氧化有機物,化學需氧量的測定時間短(2—3h),不受水質成分的限制[42]。高錳酸鹽指數測定時間最短,但是由于高錳酸鉀的氧化能力弱于重鉻酸鉀,只能氧化一部分有機物。本次葉綠素a與化學需氧量、高錳酸氧指數相關性分析結果顯示,均為極顯著正相關,二者相關系數差異較小,說明水體中有的機物會促進藻類的生長繁殖,同時藻類自身會通過光合作用產生大量有機物,使水體中化學需氧量與高錳酸鹽指數升高。

主成分分析是一個采用較少的綜合指標代替原來多個指標的大部分信息的一種降維的分析方法,剔除不重要的信息,保留所需要的重要信息。本研究據此對太原汾河蓄水區的9個采樣點的13項指標進行主成分分析提取更為重要有用的信息,并采用主成分得分圖分析各個主成分和理化指標與站點之間的關系,對評價各樣點理化指標之間關系提供更為直觀有效的理論依據。若選擇浮游植物較多的采樣點,可在PC1和PC2得分圖的第一區間與PC2和PC3得分圖的第二、三區間選擇,說明該采樣點附近污染較嚴重,水體中氮、磷含量較高,嚴重的水體富營養化會導致水華的爆發。

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