重金屬污染區秋季浮游植物群落特征及其與環境因子的關系

宋高飛 朱宇軒,2 Anila P. Ajayan 楊麗華 賈云璐 姜傳奇 畢永紅

(1. 中國科學院水生生物研究所淡水生態與生物技術國家重點實驗室, 武漢 430072; 2. 中國科學院大學, 北京 100049)

浮游植物是水生態系統中主要初級生產者和食物鏈的重要基礎環節, 同時也是水環境變化的最直接響應者, 其群落結構特征直接影響生態系統的結構和功能[1]。另外, 環境因子變化也影響浮游植物豐度與群落結構的變化[2,3]。研究表明, 浮游植物群落結構受到多種因子的共同調控, 與營養鹽、溫度和光照等條件密切相關[4—6]。同時, 浮游植物對金屬離子具有很強的吸收和富集能力, 容易受到重金屬污染并敏感地在分子、細胞和種群等水平上響應重金屬的毒害效應, 導致浮游植物群落由多樣化向單一化轉變[7—11]。因此通過物種組成、物種豐度、優勢種及多樣性狀況等群落結構特征來研究重金屬污染區水體浮游植物與環境因子之間的關系, 對于揭示浮游植物群落演替的驅動因子、探究常規理化因子與重金屬對浮游植物群落組成的影響權重、開展水生態系統的管理和保護, 均具有重要意義。

2013年5月湖南攸縣“鎘大米事件”經媒體報道后, 該區域水稻田土壤重金屬污染研究已成為當前國內土壤重金屬污染研究和治理的關注重點[12]; 被譽為“朱砂王國”的萬山因汞礦大規模開采和冶煉,給當地環境帶來了極大破壞[13]。目前攸縣和萬山的重金屬污染研究主要集中在土壤, 但是礦業活動引起的水污染最終會引起水質惡化和水生態系統破壞, 急需開展重金屬污染區水體的浮游植物生態學調查研究, 以便為重金屬污染的影響效應評估提供基礎數據[14—17]。

鑒于此, 本文以攸縣和萬山兩個重金屬污染區不同類型水體為研究對象, 在野外原位調查的基礎上運用多元技術分析浮游植物與環境因子間的相關關系, 探究重金屬元素對浮游植物群落結構的影響權重, 以期為該區域水生態系統的管理和保護提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

湖南省株洲市攸縣位于湖南省東部, 介于東經113°09′—113°51′, 北緯26°46′—27°26′; 全縣土地總面積為2648 km2, 是全國100個重點產煤縣和商品煤基地。本研究在攸縣境內共設置了6個采樣點(圖 1A), 其中YX1點位于電廠附近的硬化渠道,YX2點位于一條自然河流, YX3點位于一個人工池塘, YX4點位于人工池塘旁的小溪流, YX5點位于礦區排出的硫磺水河流, YX6為水稻田。

貴州省銅仁市萬山區位于貴州省東部, 介于東經109°11′—109°14′, 北緯27°30′—27°32′; 國土面積842 km2, 汞礦的開發已有600余年的開采歷史。在萬山共設置了9個采樣點(圖 1B), 其中WS1點位于電廠旁邊的冷卻水池, WS2點位于道路旁的山間小瀑布, WS3點位于一硬化渠道旁的大水池, WS4點位于養雞場附近的小溪, WS5點為礦渣處理坑的尾水, WS6點位于大水溪, WS7點位于人工水處理池,WS8點位于貴州水務旁的大水渠, WS9點位于龍江水庫壩前。

圖1 采樣點位圖(A. 攸縣; B. 萬山)Fig. 1 Distribution of the sampling sites (A. Youxian County; B. Wanshan District)

1.2 水樣采集與分析

于2019年11月17日和2019年11月28日, 分別對攸縣及萬山境內不同類型的水體進行了采樣調查。通過GPS定位, 現場使用YSI Professional Plus多參數儀(YSI, USA)測定水溫(WT)、pH、電導(SPC)、氧化還原電位(ORP)和溶解氧(DO)。采集表層水樣測定總氮(TN)、總磷(TP)、銨鹽( NH+4-N)、硝酸鹽(N O－3-N)、磷酸鹽(P O34－-P)、化學需氧量(CODMn)和葉綠素a(Chl.a), 測定方法參考中華人民共和國國家標準方法進行測定。總碳(TC)、無機碳(IC)和總有機碳(TOC)則通過燃燒氧化-非分散紅外吸收法利用TOC測定儀(Anlutikjena,multi N/C 3100)進行測定。

用2%的電子級硝酸處理過的500 mL樣品瓶采集金屬檢測水樣, 冷藏運回實驗室, 金屬元素鎘(Cd)、錳(Mn)、鍶(Sr)、鋅(Zn)、鐵(Fe)、鎳(Ni)、鈷(Co)、銅(Cu)、鈾(U)、鉛(Pb)、銫(Se)、砷(As)、鋇(Ba)、釩(V)、鉍(Bi)、銣(Rb)和汞(Hg)等利用電感耦合等離子體-發射光譜儀ICP-OES(PekinElmer, OPTIMA 8000DV)進行測定。

1.3 浮游植物樣品采集與分析

用25#浮游生物網采集浮游植物定性樣品,4%甲醛溶液固定。現場采集1000 mL水樣裝于塑料樣品瓶, 用于浮游植物的鑒定與定量計數, 水樣用魯哥氏液(Lugol iodine solution)固定保存; 靜置48h, 通過虹吸作用抽去多余的上清液, 經沉淀后定容至30 mL。充分振蕩混勻, 吸取0.1 mL滴到浮游植物計數框上, 隨后用顯微鏡(Olympus CX21, Japan)在放大倍數400倍下進行鑒定與計數, 浮游植物鑒定參考相關書籍[18, 19], 鑒定到種或屬。

1.4 數據分析與統計

多樣性指數計算 采用物種豐富度Species richness(D)、Shannon-Wiener多樣性指數(H')和均勻性指數(J)對浮游植物群落多樣性進行分析評價,通過優勢種優勢度(Y)確定樣本優勢種群。利用Past version 2.17[20]計算各樣本物種的多樣性指數[21]。

Shannon-Wiener多樣性指數(H')計算公式:

式中,H'為物種多樣性指數、S為樣品中的總物種數、Pi為第i種的個體數(ni)與總個體數(N)的比值(ni/N)。

均勻性指數(J)計算公式:

式中,J表示均勻度、H'表示種類多樣性指數值、S表示樣品中總種數。

優勢種優勢度(Y)的計算公式:

式中,fi為第i個種在各樣方中出現頻率、ni為群落中第i個種在空間中的個體數量;N為群落中所有種的個體數總和。本次調查生物優勢度Y≥0.02即為優勢種[22]。

2017年，哈電電機研制的世界首臺300兆乏全空冷調相機投入運行，作為電力守護的“安全衛士”，為特高壓電網直流輸電工程提供保障，發揮了“定海神針”的作用，行業專家賦予其“技術水平國際領先”的權威鑒定。哈電電機實現了從單一發電設備向發電設備、輸電設備并舉的華麗轉身，延伸了產業鏈條，也使我國遠距離特高壓直流輸電進入嶄新時代。

統計分析 利用Microsoft Excel, Spss Statistics 17.0和 Origin 2018對浮游植物各類群密度數據進行了處理和制圖。對各采樣位點物種數量組成做Upset分析, 對各組的群落組成做analysis of similarities (ANOSIM)分析, 對各門細胞密度與環境因子做Pearson相關性分析, 對物種組成與環境因子做Mantel test分析, 對樣點分布情況做對應分析(CA),對樣點與各組環境因子做典范對應分析(CCA)。以上統計分析和作圖均在R(version 3.6.2, https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/CRAN/)環境下完成。

2 結果

2.1 群落組成

攸縣和萬山共鑒定浮游植物7門52屬67種, 其中綠藻種類數最多, 有27種, 硅藻次之, 為21種, 藍藻9種, 甲藻、隱藻、裸藻和金藻較少(圖 2)。細胞密度變化范圍為1.11×104—1.17×107cells/L。攸縣各樣點藍藻的相對豐度較高, 萬山各樣點硅藻的相對豐度較高。

圖2 浮游植物群落特征Fig. 2 Phytoplankton community characteristics

YX1、YX2、YX3和YX6位點藍藻相對豐度最高, YX4位點中硅藻占優勢, YX5位點中綠藻占優勢, 且YX5位點的綠藻主要是克里藻Klebsormidiumsp.。攸縣的浮游植物優勢種為7種(表 1)。

W S 1 以甲藻相對豐度最高, 主要為角藻,WS2、WS4、WS6、WS7和 WS8位點硅藻相對豐度最高, WS3位點金藻相對豐度較高, 主要為錐囊藻Dinobryonsp., WS5位點藍藻相對豐度最高, WS9位點綠藻相對豐度最高。萬山的優勢種較攸縣要少, 僅3種(表 1)。

表1 攸縣和萬山兩地浮游植物優勢種及優勢度Tab. 1 Dominant species of phytoplankton in Youxian County and Wanshan District

UpSetR分析結果(圖 3)顯示, 同時存在于攸縣和萬山所有樣點的物種數為0, 出現在攸縣所有樣點的物種數為17個, 出現在萬山所有樣點的物種數為11個。攸縣各樣點共有物種主要是藍藻、綠藻和硅藻。萬山各樣點共有物種主要是硅藻、綠藻、甲藻和金藻。

圖3 不同采樣位點浮游植物物種組成的Upset圖(實心圓表示該樣點用于統計物種數目)Fig. 3 The upset diagram showing the number of shared and specific phytoplankton in each sampling site (The solid circle represents the point used to conduct analysis of species numbers statistics)

通過ANOSIM分析進一步探討攸縣和萬山浮游植物群落結構的差異(圖 4A), 結果顯示兩地群落結構差異P為0.083, 相異系數R為0.152, 表明攸縣和萬山群落結構組間差異大于組內差異。不同類型水體之間的群落結構差異分析顯示(圖 4B),不同類型水體的群落結構差異P為0.549, 相異系數R為-0.022, 表明群落結構的組間差異小于組內差異。

圖4 浮游植物群落結構ANOSIM分析(A. 采樣區域; B. 不同水體類型)Fig. 4 Analysis of similarities (ANOSIM) of the phytoplankton community structure between Youxian County and Wanshan district (A) and Different water type (B)

2.2 群落多樣性分析

表2 攸縣各樣點浮游植物多樣性指數Tab. 2 The phytoplankton diversity index in Youxian County

表3 萬山各樣點浮游植物多樣性指數Tab. 3 The phytoplankton diversity index in Wanshan District

攸縣各樣點浮游植物多樣性指數顯示, YX5的物種豐富度、Shannon-Wiener指數及均勻性指數都最低, 而YX2的3個多樣性指數值都最高。萬山各采樣點浮游植物的多樣性指數顯示, WS5的物種豐富度和香農維納指數最低, 均勻度較差。WS8和WS9的浮游植物多樣性指數相對較高。

2.3 水環境狀況

如表 4和表 5所示, 重金屬Cd、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Sr、Pb和U含量的平均值攸縣大于萬山, Cr、As、Se、Ba、Rb和V含量的均值萬山高于攸縣。除攸縣YX5樣點外其他樣點Cd、Cu和Zn含量低于地表水Ⅰ類限值, YX5樣點Cd含量低于地表水Ⅱ類限值; 所有樣點的As和Pb含量低于地表水Ⅰ類限值; 另外, 所有樣點未檢測到Hg。單因素方差分析顯示, 兩地Cr、Ba和V含量具有顯著的差異(P＜0.05), 攸縣和萬山兩地的均值分別為2.614和8.158 μg/L、14.925和85.879 μg/L、0.260和1.434 μg/L, 其他各金屬含量則差異不顯著(P＞0.05)。

表4 攸縣和萬山重金屬含量狀況Tab. 4 Means (minimum-maximum) of heavy metal elements content in Youxian County and Wanshan District

表5 攸縣和萬山常規理化因子狀況Tab. 5 Means (minimum-maximum) of routine physics and chemistry index in Youxian County and Wanshan District

常規理化因子檢測結果顯示, YX6、WS1、WS5、WS6、WS7和WS9各樣點TN的含量高于地表水Ⅴ類限值, 其他各樣點位于Ⅲ—Ⅴ類; 除WS6樣點N H+4-N含量高于地表水Ⅲ類限值, 其他各樣點都低于Ⅱ類或Ⅰ類限值; 除WS8樣點TP含量高于地表水Ⅲ類限值, 其他各樣點都低于Ⅱ類或Ⅰ類限值。單因素方差分析顯示, 兩地WT及IC含量差異顯著(P＜0.05), 其他各理化因子則差異不顯著(P＞0.05)。

其中YX5點的水體呈強酸性, pH為3.86, 其他位點為中性或弱堿性; 同時YX5點具有較高的氧化性和導電性, ORP和SPC分別為484.5和946.0; 并且其多種重金屬含量也遠遠高于其他點位, Cd為攸縣境內重要的重金屬污染元素, 在該位點含量最高。

WS5、WS6和WS7各樣點的N含量較高, 分別為13.14、13.97和18.67 mg/L; WS1位點Chl.a含量最高, 為71.96 μg/L; WS9位點Mn的含量最高, 為169.649 μg/L。

2.4 浮游植物與環境因子的關系

浮游植物豐度與環境因子的Pearson相關性分析結果發現兩地具有一定的差異(表 6)。藍藻與NH+4-N、Cr、Se、Ba和V具有顯著的負相關性; 硅藻、綠藻及總浮游植物與CODMn具有顯著的正相關性; 甲藻與TOC具有顯著的正相關性; 隱藻與V具有顯著的負相關性, 裸藻與CODMn、ORP具有顯著的正相關性, 與N O－3-N、Se具有顯著的負相關。

表6 浮游植物豐度與環境因子的Pearson相關性分析Tab. 6 Pearson correlation coefficients between phytoplankton abundance and environmental factors

在Mantel test分析中(圖 5), 除pH外攸縣與萬山其他環境因子及物種矩陣均經過lg(x+1)轉換。結果顯示藍藻組成與CODMn、WT和Ba具有較高相關性, 相關系數在0.2—0.4; 硅藻與pH、TC、IC、Co、Ni、Zn、Cd和Pb具有較高相關性, 相關系數在0.2—0.4; 綠藻與CODMn、WT和Chl.a具有較高相關性, 相關系數均≥0.4; 其他類群藻類與 PO34－-P、Chl.a具有較高相關性, 相關系數在0.2—0.4。

圖5 浮游植物群落組成的環境驅動因素Fig. 5 Environmental drivers of phytoplankton community composition

通過Pearson相關性分析, 把相關性較強的因子分為一類, 共分為4類, 分別是F1( NH+4-N、TN、NO－3-N、P O34－-P)、F2(DO、pH、IC、TC、TOC、TP)、F3(CODMn、Chl.a、WT、SPC、ORP)和F4(Cd、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、As、Se、Sr、Ba、Zn、U、V、Rb、Pb)。

CCA典范相關性分析發現(圖 6), F2、F3和F4等是影響浮游植物群落組成的關鍵因素。F2主要為C、P和pH、DO, 其與CCA1軸的相關系數高達0.92。DO與CCA1軸的回歸分析相關系數最高。F3的環境因子包含ORP, 氧化還原電位對許多元素的濃度和形式具有重要的影響, 對生態系統中的生物轉化具有重要的作用。F4為重金屬指標, 其與CCA1軸的相關系數為0.44。

圖6 各采樣位點物種矩陣與環境因子矩陣的CCA分析Fig. 6 Biplot diagram for CCA on the relationship between environmental variables and phytoplankton community composition

3 討論

3.1 浮游植物群落結構

受礦業活動的影響, 攸縣與萬山的土壤與水體在一定程度上都受到了重金屬污染[14—16]。攸縣浮游植物物種組成為綠藻-硅藻-藍藻型, 豐度組成為藍藻-硅藻-綠藻型; 萬山浮游植物物種組成為綠藻-硅藻型, 豐度組成主要為硅藻型, 個別位點為藍藻或綠藻型。從物種組成來看, 兩者都是以綠藻和硅藻為優勢種群, 這與受重金屬影響的貴州高原水庫、云南高原湖泊浮游植物物種組成結果一致, 都為綠藻-硅藻型[13,23]。與此相反, 銅陵礦區河流浮游植物物種組成為硅藻-綠藻型, 這可能是由河流型水體特征及硅藻物種的生理特性所決定[24]。硅藻具有堅硬的硅質, 能抵抗機械損傷, 能夠在流速波動較大的水體中生存[22]。從豐度組成來看, 攸縣以喜高溫藍藻為主, 而萬山則以喜低溫的硅藻為主,水溫是兩地群落差異的重要影響因子。

3.2 浮游植物群落與環境因子的關系

營養鹽、溫度和光照等條件是影響水體浮游植物群落組成和細胞密度的重要因素[4,25,26]。營養鹽為浮游植物賴以生存的物質基礎, 營養鹽的增加,可顯著促進浮游植物的生物量[27—29], 該結論在攸縣及萬山與環境因子的Pearson相關性分析, 及浮游植物群落組成與環境因子的Mantel test 中得到證實。硅藻、綠藻、裸藻和總浮游植物的細胞豐度及藍藻和綠藻的群落組成與CODMn呈顯著正相關關系,甲藻與TOC具有顯著的相關性, 這與東江干流及銅陵市河流研究結果一致[24,30]。同時佐證了裸藻和甲藻主要分布在有機質含量豐富的水體[19,31,32]。C和P作為浮游植物的基礎元素, 是植物生長所必需的。本研究中硅藻群落組成與TC及IC具有顯著的相關性, 甲藻、裸藻、隱藻和金藻的群落組成與P O34－-P具有顯著的相關性, 這也與已有報道一致[33—35]。由于地理位置及氣候差異, 攸縣和萬山兩地的水溫具有顯著的差異, Mantel test結果顯示水溫與藍藻和綠藻的群落組成具有顯著性, 在一定溫度條件下,藍藻和綠藻較硅藻更適宜高溫環境[28,36,37]。

礦山開采、尾礦堆放和礦石選礦等礦業活動引起的重金屬污染依然嚴峻。浮游植物作為食物鏈的最低端及水環境的主要初級生產者, 可以快速敏感地響應水體金屬污染[7]。Pearson相關性分析顯示Cr、Se、Ba和V與藍藻細胞豐度具有顯著負相關關系, Se與裸藻細胞豐度同樣具有負相關關系。除Se外, 另外3種金屬都屬于非必需金屬, 對浮游植物具有毒性[35]。在Cr污染土壤中, 隨污染程度增高微生物數量降低; 不同形態Cr對微生物的毒害作用也不相同, 陰離子態Cr(NaCrO4)對微生物毒害程度大于陽離子態Cr(CrCl3)[38]; Ni作為有機體進行正常生理活動所不可缺少的元素, 一般來自成土母質, 同時也是我國城市土壤污染程度最低的重金屬之一[39]。在萬山各采樣點藍藻與Cr和Ni具有顯著的負相關關系, 與上述報道類似, 同時說明在兩地分布的Ni是高于浮游植物對其的積累閾值的[16,38]。兩地硅藻物種組成與Co、Ni、Zn、Cd和Pb具有顯著相關性。Co、Ni和Zn為有機體所必須金屬, Pb和Cd為有毒重金屬, 其大量輸入會嚴重影響水體水質, 使浮游植物生長受到抑制, 導致浮游植物群落結構由多樣化向單一化轉變, 破壞了湖泊生態系統的健康[8,9]。YX5位點水體呈強酸性, 浮游植物群落單一, 以耐污種菱形藻及克里藻占優勢, 并且Cd含量也遠高于其他位點。煤礦排放的硫磺水致使水體呈酸性, 超出許多浮游植物的耐受范圍, 導致耐低pH的克里藻大量增殖[40]。綜上所述, 環境中的重金屬成分及其含量對水體浮游植物群落結構具有顯著的影響。

浮游植物群落組成及生物量與環境因子存在密切的關系, 能較好地反映水體狀況及變化。反之,環境因子變化也影響浮游植物群落組成和生物量的變化。CCA結果顯示常規理化因子對攸縣和萬山兩地浮游植物群落組成的影響大于金屬元素, 這與銅陵市河流冬季浮游植物研究的結果一致[24]。在本研究中, 部分重金屬對浮游植物群落組成及細胞豐度影響不顯著, 原因可能是上覆水中其含量較低, 對浮游植物及其群落的影響有限。

4 結論

在秋冬季, 攸縣浮游植物物種組成為綠藻-硅藻-藍藻型, 豐度組成為藍藻-硅藻-綠藻型; 萬山浮游植物物種組成為綠藻-硅藻型, 豐度組成則為硅藻型, 個別位點為藍藻或綠藻型。CCA結果顯示常規理化因子對攸縣和萬山兩地浮游植物群落組成的影響大于金屬元素。