秋香江冬季水質現狀及浮游生物群落結構特征

陳 蘭，張洛紅，黃道建，劉 潔，黃楚珊，陳棉彪，張麗娟，胡國成

（1.生態環境部華南環境科學研究所/國家環境保護環境污染健康風險評價重點實驗室，廣東 廣州 510535；2.西安工程大學環境與化學工程學院，陜西 西安 710048；3.廣東省水利電力勘測設計研究院，廣東 廣州 510170；4.廣東省社會科學院，廣東 廣州 510635）

【研究意義】秋香江是珠江流域東江的一級支流，位于廣東省紫金縣中部，發源于紫金縣烏石鄉、龍窩鎮、水墩鄉交界的榴墩嶂，自東北向西南流經烏石等9 個鄉鎮，在古竹鎮的江口村匯入東江。秋香江干流總長134 km［1］，河床平均坡降為11.1%，河流流經水域總面積達1669 km2，流域內山區較多，植被覆蓋率較高［2］。秋香江上建有小型水利發電站20 多座，對水生生態環境產生一定影響，秋香江上游的區域產業類型如生活污水和上游生豬養殖場清洗廢水也對流域水生生態環境造成了一定程度的影響，因此，研究該流域生態環境對保護該流域生態健康具有重要意義。【前人研究進展】曾金鳳等［3］分析東江源區贛粵出境水質時空分布特征，為該流域的水環境治理和水生態改善提供理論依據和數據支撐。周夏飛等［4］基于環境統計數據、DEM 數據、水質監測斷面數據和基礎地理數據等對東江流域開展突發水污染風險分區。雖然對東江流域水環境研究較多，但是對于秋香江的水環境研究還處于空白，所以很有必要對秋香江的水生態進行研究。

【本研究切入點】浮游生物是河流生態系統中重要的生物類群之一，主要包括浮游植物（藻類）和浮游動物，在河流生態系統物質循環和能量流動中發揮重要作用。浮游植物是生產者，浮游動物是初級消費者，也是食物鏈組成的基礎環節［5］。浮游生物主動規避能力較弱，且對水域污染及水質的變化反應敏感，水質的變化會導致其種類、數量和分布的變化，因此，浮游生物可作為評價水生生態系統健康的指示物種［6］。同時，浮游生物的數量變化直觀反映了污染物對生物體的危害，因此可作為水域水質污染的早期預警。浮游生物作為水質生物監測的重要指標［7］，越來越多地被應用到世界各國的河流生態健康評估中［8］，研究水質指標與浮游生物群落結構特征對防治水域污染有重大意義［9］。【擬解決的關鍵問題】本研究結合秋香江常規環境因子監測結果，分別對3 座水電站上游和下游水體浮游生物群落進行系統調查，以期為研究水體浮游生物群落結構特征及其與環境因子的關系，保護水環境安全提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 采樣點設置

2018年12月，在秋香江上、中、下游選擇3座水電站，布設6個采樣點，分別是深紫水電站上游S1（115°10′22″E，23°38′41″N）、深紫水電站下游S2（115°9′23″E，23°38′10″N）、鳳凰水電站上游S 3（114°58′11″E，23 °25 ′36 ″N ）、鳳凰水電站下游S 4（114°56′14″E，23°25′18″N）、亞公角水電站上游S5（114°43′55″E，23°23′54″N）和亞公角水電站下游S 6（114°40′26″E，23°24′28″N）。

1.2 水樣采集與分析

按照《水質采樣技術指導》（HJ494-2009）的要求，在每個采樣點采集水樣。現場采樣過程中利用哈希便攜式多參數水質分析儀（型號：HD40）測定pH、溶解氧（DO）和電導率（Cond），利用薩氏盤測定水體透明度（SS）。按照《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）要求測定其他水環境因子。

1.3 浮游生物采集與鑒定

浮游植物定性樣品使用25 號浮游生物網（孔徑64 μm），以網口上端剛在水深33 cm 處作“∞”形的循回拖動約3～5 min，然后將網慢慢提起，使浮游植物集中在網頭內，打開活塞，使樣品流入瓶內，立即使用4%甲醛溶液固定后鏡檢觀察。浮游植物定量樣品利用采水器采集表層水樣（水面以下0.5 m）1000 mL，現場加入15 mL 魯哥氏碘液固定，靜置24 h 后濃縮至30 mL，移取0.1 mL，采用目鏡視野計數法進行藻類細胞計數與鑒定［10］。浮游動物樣品利用采水器采集1000 mL水樣放入容器中，魯哥氏碘液固定，帶回實驗室進行沉降和濃縮，定容到30 mL。浮游動物樣品通過鏡檢進行計數，沉淀后用1 mL 浮游生物計數框進行全沉淀計數，計算生物密度和生物量。

1.4 水質狀況評價

按照《紫金縣環境保護和生態建設“十三五”規劃（2016—2020 年）》的要求，秋香江水環境質量要求達到II 類。利用《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）中II 類標準，評價秋香江水質達標情況。

1.5 綜合營養狀態指數測算

按照《地表水環境質量評價辦法（試行）》的相關要求，根據葉綠素a、總磷、總氮、透明度和高錳酸鹽指數，計算不同采樣點（水電站）綜合營養狀態指數（TLI），評價水體富營養化狀況。評價分級標準：TLI（∑）＜30 為貧營養，30 ≤TLI（∑）≤50 為中營養，50 ＜TLI（∑）≤60 為輕度富營養，60 ＜TLI（∑）≤70 為中度富營養，TLI（∑）>70 為重度富營養［11］。

1.6 生物多樣性調查

本研究采用Shannon-Wiener 多樣性指數（H’）、Margalef 種類豐富度指數（D）和Pielou均勻度指數（E）對秋香江浮游生物多樣性進行分析。多樣性指數計算公式如下：

式中，N為群落中物種的總密度，S為物種數，Ni為第i個物種的密度。Shannon-Wiener 多樣性指數0 ＜H’＜1 水體為重污染，1 ＜H’＜3 水體為中污染，H’>3 水體為輕污染或無污染［12］。

1.7 冗余分析

生態學中常用來分析環境因子和生物群落相互關系的統計分析方法是典范對應分析（CCA）和冗余分析（RDA），當排序軸的梯度值大于4時應選擇CCA 分析，當排序軸的梯度值小于3 時應選擇RDA 分析，其余情況兩種方法均可。本研究排序軸的梯度值為1.4，因此選擇RDA 分析。以上統計方法使用Canoco for windows 5 軟件。

2 結果與分析

2.1 秋香江水質狀況

從各采樣點的水質理化指標（表1）可以看出，在采樣期間秋香江表層水溫比較穩定，透明度波動較小，溶解氧變化范圍為5.23～8.17 mg/L。利用《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）Ⅱ類標準限值對水質進行單因子評價，分析秋香江水質情況，結果顯示：深紫水電站上游（S1）TP 和TN 分別超過Ⅱ類標準17 倍和8 倍、達到Ⅴ類或劣Ⅴ類水標準，深紫水電站下游（S2）TP和TN 分別超過Ⅱ類標準14 倍和8 倍、達到Ⅴ類或劣Ⅴ類水標準；鳳凰水電站上游（S3）和下游（S4）TP 和TN 分別超過Ⅱ類標準4 倍和3 倍，達到Ⅴ類水標準；亞公角水電站上游（S5）和下游（S6）TP 和TN 分別超過Ⅱ類標準4 倍和2 倍，分別達到Ⅴ類水標準和Ⅳ類水標準。總體上，秋香江水體中N、P 含量偏高，水質狀況較差。從廣東省生態環境廳發布的2017 年重點河流水質信息來看，位于秋香江下游的江口監測斷面水質達到Ⅱ類標準，N、P 均未超標，這表明秋香江水質在逐漸惡化。本研究中CODMn波動范圍為0.7～3.9 mg/L，均在4 mg/L 以下，達到高錳酸鹽指數Ⅱ類標準（CODMn≤4 mg/L）的要求，表明這些水體中有機污染較輕。根據綜合營養狀態指數（TSI）評價秋香江富營養化情況，6 個樣點TSI 介于30和47 之間，屬于中營養狀態，其中深紫水電站上游（S1）和下游（S2）的TSI 分別為47 和46，營養水平最高。

表1 秋香江環境參數及綜合營養狀態指數Table 1 Environmental parameters and comprehensive nutritional status index along the Qiuxiang River

2.2 秋香江浮游植物

2.2.1 種類組成 本次調查秋香江6 個采樣點共發現浮游植物6 門53 種，其中綠藻19 種，約占藻類總種數的36%；硅藻16 種，約占藻類總種數30%；藍藻11 種，約占藻類總種數的20%；隱藻和裸藻各3 種，分別占藻類總種數的6%；甲藻1 種，占藻類總種數的2%（表2）。秋香江浮游植物以硅藻為主，其次是綠藻和藍藻，總體上浮游植物種類沿著河流方向由豐富向簡單變化，其中銅綠微囊藻（Microcystis aeruginosa）、多甲藻（Peridiniumsp.）、裸藻（Euglenasp.）、小球藻（Chlorellasp.）和鼓藻（Cosmariumsp.）為秋香江廣布種，隱球藻（Aphanocapsasp.）、拉氏擬柱胞藻（Cylindrospermopsis raciborskii）、反曲隱藻（Cryptomonas ref lexa）、梅尼小環藻（Cyclotella meneghiniana）、針桿藻（Synedrasp.）、囊裸藻（Trachelomonassp.）和柵藻（Scenedesmussp.）在秋香江也較為常見。

2.2.2 浮游植物密度 秋香江浮游植物密度的變化范圍為5.1×108～1.89×109cells/L（表3），以鳳凰水電站下游（S4）藻類密度最大、為1.89×109cells/L，其次是亞公角水電站上游（S5）、密度為1.72×109cells/L，各采樣點間藻類密度波動較大，其中銅綠微囊藻（Microcystis aeruginosa）、隱球藻（Aphanocapsasp.）、史密斯微囊藻（Microcystissmithii）、小球藻（Chlorellasp.）、挪氏微囊藻（Microcystisnovacekii）、直鏈藻（Melosirasp.）、多甲藻（Peridiniumsp.）和平裂藻（Merismopediasp.）密度較高。所有樣點浮游植物主要由藍藻和綠藻組成，約占采樣點浮游植物的99%。通常來說，營養水平高的湖泊常以綠藻和藍藻占優勢［13］，由此可見，秋香江有一定的水體富營養化趨勢。秋香江從上游至下游硅藻數量增加，藍藻數量減少，表明水體營養水平逐漸降低［14］，這與綜合營養狀態指數逐漸減小基本一致。

2.2.3 浮游植物群落多樣性 秋香江浮游植物群落多樣性如圖1 所示，各采樣點Margalef 種類豐富度指數（D）依次為S2>S1>S3>S4>S6>S5，Shannon-Wiener 多樣性指數（H’）依次為S6>S1>S5>S4>S3>S2，Pielou 均勻度指數（E）依次為S6>S5>S1>S4>S3>S2。各采樣點的Shannon-Wiener 多樣性指數（H’）和Pielou 均勻度指數（E）變化趨勢相似，其中深紫水電站下游（S2）、鳳凰水電站下游（S4）、鳳凰水電站上游（S3）的Shannon-Wiener 多樣性指數小于1，水體處于重污染水平；深紫水電站上游（S1）、亞公角水電站上游（S5）和亞公角水電站下游（S6）的Shannon-Wiener 多樣性指數介于1～3，水體處于中度污染水平。

表2 秋香江各采樣點浮游植物種類Table 2 Species of phytoplankton at various sampling sites along the Qiuxiang River

表3 秋香江各采樣點浮游植物密度Table 3 Phytoplankton density at various sampling sites along the Qiuxiang River

圖1 秋香江各采樣點浮游植物多樣性指數Fig.1 Diversity index of phytoplankton at various sampling sites along the Qiuxiang River

2.3 秋香江浮游動物

2.3.1 種類組成 秋香江6 個采樣點共鑒定出原生動物、輪蟲類、枝角類、橈足類4 大類群浮游動物62 種，其中原生動物33 種，占浮游動物總種數的53%；輪蟲類17 種，占浮游動物總種數的27%；枝角類8 種，占浮游動物總種數的13%；橈足類4 種，占浮游動物總種數的7%。各采樣點的浮游動物種類組成如圖2 所示，原生生物包括變形蟲屬（Amoebasp.）、表殼蟲屬（Arcellasp.）、砂殼蟲屬（Diff lugiasp.）、匣殼蟲屬（Centropyxissp.）等，輪蟲類包括臂尾輪蟲屬（Brachionussp.）、多肢輪蟲屬（Polyarthrasp.）、龜甲輪蟲屬（Keratellasp.）等，枝角類包括秀體溞屬（Diaphanosomasp.）、象鼻溞屬（Bosminasp.）、尖額溞屬（Alonasp.）、裸腹溞屬（Moinasp.）等，橈足類包括英勇劍水蚤（Cyclopsstrenuus）、跨立小劍水蚤（Microcyclops varicans）、廣 布 中 劍 水 蚤（Mesocyclops leuckarti）和無節幼體等。總體上看，秋香江浮游動物種類沿著河流方向逐漸減少。

圖2 秋香江各樣點浮游動物種類Fig.2 Zooplankton species at various sampling sites along the Qiuxiang River

2.3.2 浮游動物豐度 秋香江浮游動物豐度如圖3 所示，變化范圍為3.93～232.87 ind/L。其中角突臂尾輪蟲（Brachionus angularis）、溝鐘蟲（Vorticella convallaria）、滾動焰毛蟲（Askenasia faurei）、針棘刺胞蟲（Acanthocystis aculeata）和針簇多肢輪蟲（Polyarthra trigla）豐度較高，且各樣點間浮游動物豐度波動較大，以深紫水電站上游（S1）浮游動物豐度最大（232.87 ind/L），其次是深紫水電站下游（S2）。亞公角水電站上游（S5）和下游（S6）浮游動物種類單一，主要由原生動物和輪蟲組成，約占采樣點浮游動物的63.2%和96.7%。通常情況下，貧營養水體中個體較大的枝角類和橈足類占優勢，而富營養水體則以個體較小的輪蟲和原生動物占優勢［15］。本研究中秋香江從上游至下游輪蟲和原生動物數量優勢逐漸減弱，枝角類和橈足類數量優勢逐漸增加，表明水體營養化水平逐漸降低，這與綜合營養狀態指數評價逐漸減小基本一致。

圖3 秋香江各采樣點浮游動物豐度Fig.3 Zooplankton abundance at various sampling sites along the Qiuxiang River

2.3.3 浮游動物群落多樣性 秋香江浮游動物多樣性指數如圖4 所示，6 個采樣點Margalef 種類豐富度指數（D）依次為S1>S2>S3>S4>S6>S5，Shannon-Wiener 多樣性指數（H’）依次為S3>S1>S2>S4>S5>S6，Pielou 均勻度指數（E）依次為S6>S5>S4>S3>S2>S1；Margalef 種類豐富度指數（D）變化呈升高趨勢，而Pielou 均勻度指數（E）和Shannon-Wiener 多樣性指數（H’）變化呈降低趨勢，與綜合營養狀態指數變化趨勢基本一致。

圖4 秋香江各采樣點浮游動物多樣性指數Fig.4 Diversity index of zooplankton at various sampling sites along the Qiuxiang River

2.4 環境因子與浮游生物的冗余分析

為了進一步研究環境因子與浮游生物群落結構的關系，對其進行冗余分析（RDA）。從圖5可以看出，影響秋香江浮游生物群落結構的元素包括溶解氧（DO）、五日生化需氧量（BOD5）、高錳酸鹽指數（CODMn）、導電率（Cond）和總氮（TN），其中最主要的因素是DO，其次是TN，而影響最小的是CODMn和BOD5（兩個環境因子重合），體現不同浮游生物對生存環境的要求不一樣。相關性分析結果顯示，枝角類的群落結構及其分布主要受CODMn和BOD5影響，DO 對挪氏微囊藻和頂錐十字藻分布的影響最為顯著，橈足類和平裂藻主要與Cond 相關，TN 與輪蟲類相關性最大（重合）。上述所有環境因子對小球藻、鼓藻和史密斯微囊藻影響均較小。

圖5 秋香江浮游生物與環境因子的RDA 分析結果Fig.5 RDA result of plankton species and environmental factors in the Qiuxiang River

3 討論

研究表明，較高濃度的氮、磷對浮游植物的生長有促進作用，同時，適宜水溫亦是促進浮游植物生長與繁殖的重要理化因子之一，它通過控制光合作用、酶促反應和呼吸作用強度來影響藻類細胞生長增殖相應的一系列過程［16］。秋香江冬季較高的營養鹽含量及適宜的水溫有利于浮游植物的大量生長，因而浮游植物種類和密度都達到較高水平，如綠藻種類數在各樣點所占比例最高，其次是硅藻；各樣點浮游植物中藍藻密度最高，且以銅綠微囊藻為主，其原因是秋香江流域在現代工業環境下水體富營養化趨勢愈加嚴重，營養鹽對銅綠微囊藻的生長甚至暴發起著關鍵作用［17］。秋香江中游和上游銅綠微囊藻密度較高，說明該段河流營養化水平較高，與綜合營養狀態指數計算結果基本一致；浮游植物Shannon-Wiener 多樣性指數均值為0.98，Pielou 均勻度指數均值為0.22，說明浮游植物的多樣性水平偏低，但各門類物種數差異較大，主要是由于水體污染導致其種類分布不均勻。

在浮游動物豐度組成中，以原生動物豐度最高、占絕對優勢，其次是輪蟲類，枝角類和橈足類豐度較低，雖然枝角類種類數比橈足類多，但豐度卻相對最低，這與大部分江河湖泊水體中浮游動物群落結構特征研究結果相似［18］，主要原因是水體富營養化會導致浮游動物小型化如輪蟲和原生動物占優勢地位［19］。秋香江浮游動物豐度和生物量隨水體富營養化程度增加而增加，枝角類豐度和生物量隨水體富營養化增加而減少，橈足類豐度和生物量并不隨水體富營養化程度增加而增加，主要是因為紫金縣綜合工業發展程度較低，區域產業類型如生活污水和上游生豬養殖場清洗廢水對流域水生生態環境造成了一定程度的影響，導致浮游動物種類、數量和分布發生了變化，浮游動物Shannon-Wiener 多樣性指數均值為3.8，Pielou 均勻度指數均值為0.87，雖然深紫水電站附近的Shannon-Wiener 多樣性指數偏高，但大部分浮游動物屬于中污帶的指示生物，如在數量上占絕對優勢的溝鐘蟲、角突臂尾輪蟲、滾動焰毛蟲，這3 種浮游動物都是中污帶的指示生物，因此不能只根據該水域浮游動物Shannon-Wiener 多樣性指數判定該水域屬于輕污染水平，綜合浮游植物多樣性指數表明該流域受到了中度污染。

浮游生物群落結構特征受多種環境因子的共同影響，如溫度、營養鹽、鹽度以及水動力條件等。根據RDA 分析結果，影響秋香江浮游生物群落結構變化的主要環境因子為DO、BOD5、CODMn、Cond 和TN。水體中浮游生物與DO 濃度密切相關，是因為浮游動物死亡降解和生命活動需要消耗溶大量解氧；BOD5和CODMn表示水中有機物污染程度，在一定程度上可反映枝角類的食物來源狀況，隨著有機物增加，枝角類多樣性呈現增加趨勢［20］，與RDA 圖中枝角類群落與BOD5和CODMn呈顯著正相關一致；Cond 在分析生物與環境因子的關系中應用廣泛，主要隨著地表徑流而帶入水體中的離子總量，是影響河流著生藻類群落的重要環境因子［21］，秋香江平裂藻與Cond 相關性最大支持上述理論。氮是浮游植物生長繁殖的重要營養鹽，也是常見的限制性營養元素，藻類優先同化吸收利用總氮和銨態氮，這與CCA 分析結果一致，說明控制外源氮營養輸入仍然是秋香江富營養化的關鍵。

4 結論

本研究分別從水質狀況、浮游生物結構以及兩者之間關系探究秋香江水生生態環境，結果表明，秋香江流域水體氮、磷含量較高，且以上游營養水平最高；秋香江屬于藍藻-綠藻型河流，6個采樣點的Shannon-Wiener 多樣性指數和Pielou均勻度指數都偏低；浮游動物中個體較小的原生動物和輪蟲在種類和密度上均占絕對優勢，而相對個體較大的枝角類和橈足類在種類和密度上均較少。綜合浮游生物狀況來看，秋香江流域受到了中度污染，且上游污染程度最高。此外，影響浮游生物分布的5 個環境因子為DO、BOD5、CODMn、Cond 和TN，其中影響最大的環境因子是溶解氧（DO）。