污染治理前后小清河上游浮游植物群落變化與水質評價

楊 青,唐厚全,張水燕,田 勇,鄭琳琳,薛 飛,劉建軍

山東省濟南生態環境監測中心,山東 濟南 250101

小清河是黃河流域重要的獨流入海河流,起源于山東省濟南市睦里莊,于壽光市羊口鎮匯入渤海萊州灣。小清河上游全部位于濟南市境內,河長70.3 km,流域面積2 803 km2,是濟南市最主要的納污和泄洪河道。自20世紀90年代起,小清河上游水質日益惡化,除源頭睦里莊外,其余河段均為嚴重污染狀態[1-4],水生態系統遭受嚴重破壞,部分水生生物甚至絕跡[5-6]。2015年,國務院印發《水污染防治行動計劃》(又稱“水十條”),提出系統推進水污染防治和水生態保護工作。2016—2020年,濟南市通過新改建污水處理廠、升級污水收集管網、開展流域生態補水和河道清淤等一系列治理措施,有效減少了小清河上游的污染輸入,使河流自凈能力得到提升,水質得到明顯改善。

浮游植物是水生態系統中主要的初級生產者,其群落的動態變化對水質有重要的指示作用[7-9]。研究發現：砷、鎘等重金屬會脅迫浮游植物優勢種發生改變[10-12];石油污染中,芘會降低浮游植物生物量[13];水庫蓄水前后、黃河調水調沙前后、南水北調前后,浮游植物的功能群、生物量、藻類占比、優勢種、多樣性指數都會發生改變[14-19]。可見,浮游植物不僅能反映受污染水體的水質情況,還能指示未受污染水體的水質變化趨勢,在河湖水質評價中具有廣泛應用。污染治理措施是對水體的強烈人為干擾,會使浮游植物的群落組成和結構發生變化,因而通過監測浮游植物變化可以評價水質變化情況和污染治理效果。

有學者運用浮游植物多樣性指數評價了小清河水質狀況,但相關研究以單年度或單季節的短期調查為主,調查數據不能支撐污染治理前后河流水質變化的全面比較,也缺少對浮游植物群落演替與理化指標相關性的分析。本研究分別于2015年(治理前)和2020年(治理后)在小清河上游開展浮游植物采樣調查和理化指標檢測,調查時間覆蓋春、夏、秋3季。基于調查結果,從種類組成、相對豐度、優勢種等方面對比分析了污染治理前后浮游植物群落特征變化,利用綜合污染指數和3種生物多樣性指數分別評價研究區域水質,并采用多變量統計方法研究理化指標改善與浮游植物群落變化的關系。研究結果可為流域水污染治理和水生態保護工作提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 采樣點位設置

在小清河上游設置4個采樣點(圖1),自上而下分別是睦里莊(S1)、還鄉店(S2)、大碼頭(S3)、辛豐莊(S4)。S1為小清河源頭斷面,源頭水來自玉清湖水庫滲水和玉符河河水;S2位于濟南市主城區下游,對應主城區排污匯水區;S3、S4位于城市東北部,主要對應工業和農業用水區。

注：底圖下載自山東省標準地圖服務系統(http：//bzdt.shandongmap.cn/standard-map),審圖號為魯SG(2021)026號,下載日期為2022-01-10。圖1 采樣點分布

1.2 樣品采集和檢測方法

2015年和2020年的春季(3月)、夏季(7月、8月)、秋季(10月)前后,分別在S1至S4采樣點開展采樣調查。

浮游植物采樣與鑒定方法：在水面下0.5 m左右采集水樣1 L。完成樣品采集后,立即在樣品中加入魯哥試劑,利用虹吸法緩慢吸去上清液,將下層的浮游植物樣品定容至100 mL,使用0.1 mL浮游生物計數框在顯微鏡(日本Olympus,BX53)下采用目鏡視野法進行浮游植物計數,并根據形態學特征鑒定浮游植物種類。

理化指標采樣與檢測方法：理化指標樣品與浮游植物樣品同步采集,水溫(WT)、pH、溶解氧(DO)使用便攜式水質分析儀現場測定,高錳酸鹽指數(CODMn)、化學需氧量(COD)、生化五日需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、總氮(TN)、總磷(TP)測定參考國家標準方法[20-26]。對于超過方法檢出上限的樣品,在分析或比色前以適當倍數稀釋,通過換算獲得樣品濃度;對于低于方法檢出下限的樣品,以檢出限的1/2參與計算。

1.3 數據處理與統計分析

選取pH、DO、CODMn、COD、BOD5、NH3-N、TP等7項指標,按照公式(1)和公式(2)計算綜合污染指數(P)[27]：

(1)

(2)

式中：i為檢測指標,Pi為單項污染指數,Ci為指標i的實測濃度,Si為《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中指標i的Ⅲ類標準限值,n為參與評價的指標數量。

按照公式(3)計算污染分擔率(Ki)[28]：

(3)

按照公式(4)計算浮游植物密度：

(4)

式中：N表示浮游植物密度,個/L;A表示計數框面積,mm2;AC表示計數面積,mm2;V1表示水樣經沉淀濃縮后的體積,mL;V表示計數框容積,mL;n為計數所得浮游植物的個體數,個;V0為濃縮前的水樣體積,mL;1 000為體積換算系數。

按照公式(5)、公式(6)、公式(7)分別計算Shannon-Wiener多樣性指數(H′)、Pielou均勻度指數(J)、Marglef豐富度指數(d)[29]：

(5)

(6)

(7)

式中：ni表示第i個物種的個體數,N表示樣品中所有種類的總個體數,S表示樣品中所有物種的種類數。

按照公式(8)計算優勢度指數：

Y=(ni/N)×fi

(8)

式中：Y表示優勢度指數,fi為第i個物種在各站點或月份出現的頻次。當Y>0.02時,判定該物種為優勢種[30]。綜合污染指數和多樣性指數評價標準見表1[31]。

表1 水質狀況評價標準

使用SPSS 21.0進行數據統計和t檢驗。非度量多維標度分析(Non-metric Multidimensional Scaling,NMDS)、相似性分析(Analysis of Similarities,ANOSIM)和相似度百分比分析(Similarity Percentage Analysis,SIMPER)使用PAST程序完成。冗余分析(Redundancy Analysis,RDA)使用CANOCO5.0軟件,并在開展分析前對除pH以外的理化指標數據和浮游植物數據進行lg(x+1)轉換(x為原始數據),使數據趨于正態分布[32-34]。

2 結果與分析

2.1 理化指標變化

2015年,小清河上游綜合污染指數為1.67,對應重度污染,NH3-N、TP、DO 3項指標的污染分擔率分別達到了37.4%、21.0%、13.8%[圖2(a)]。2020年,小清河上游綜合污染指數降至0.76,為中度污染,NH3-N、TP、DO 3項指標的污染分擔率分別為17.9%、15.2%、6.5%[圖2(b)]。配對樣本t檢驗結果顯示,治理前后的NH3-N(t=6.144,P<0.001)、TN(t=4.433,P<0.001)、TP(t=5.857,P<0.001)、DO(t=-13.796,P<0.001)濃度均有極顯著差異,pH(t=3.038,P=0.008)有顯著差異。從沿程變化來看(圖3),2015年,污染主要集中于S2至S4采樣點,水質均為重度污染及以上級別,其中S2采樣點綜合污染指數達2.16,為嚴重污染。2020年,S2至S4采樣點綜合污染指數為0.83～0.94,均為中度污染,其中最大值仍出現在S2點位,綜合污染指數為0.94。

圖2 治理前后小清河上游污染分擔率

圖3 小清河上游污染沿程變化

2.2 浮游植物群落變化

2.2.1 種類組成變化

浮游植物種類數占比見圖4。2015年,小清河上游樣品中共檢出浮游植物6門35種,包括硅藻15種、綠藻11種、藍藻4種、裸藻2種、甲藻2種、隱藻1種,硅藻、綠藻、藍藻種類較多,占比分別為42.9%、31.4%、11.4%。2020年,共檢出浮游植物4門31種,包括硅藻12種、綠藻12種、藍藻5種、裸藻2種,仍是硅藻、綠藻、藍藻種類較多,占比分別為38.7%、38.7%、16.1%。配對樣本t檢驗結果顯示,治理前后的浮游植物種類數存在顯著差異(t=2.882,P=0.011)。

圖4 治理前后浮游植物種類數占比

2.2.2 密度和相對豐度變化

浮游植物相對豐度變化見圖5。2015年,小清河上游浮游植物密度變化范圍為1.10×106～2.60×106個/L,平均值為1.77×106個/L,占比前4位的種類分別是藍藻(77.2%)、硅藻(13.2%)、綠藻(4.9%)、隱藻(3.5%)。2020年,浮游植物密度變化范圍為0.75×106～6.46×106個/L,平均值為1.92×106個/L,占比前4位的種類分別是硅藻(64.9%)、綠藻(18.2%)、藍藻(14.3%)、裸藻(2.7%)。與2015年相比,硅藻相對豐度上升了51.7個百分點,綠藻上升了13.3個百分點,藍藻下降了62.9個百分點。配對樣本t檢驗結果顯示,治理前后的硅藻(t=-3.701,P=0.002)、綠藻(t=-3.255,P=0.005)密度存在顯著差異,藍藻密度存在極顯著差異(t=12.780,P<0.001)。

圖5 治理前后浮游植物相對豐度

2.2.3 優勢種和群落類型變化

如表2所示,2015年,小清河上游樣品中共檢出優勢種4門8種,包括藍藻3種、硅藻3種、裸藻和隱藻各1種,平均優勢度指數為0.216。不同門類中,以藍藻的平均優勢度指數為最大(0.379),其中微囊藻(Microcysitisspp.)為絕對優勢種,優勢度指數為0.548～0.697。以優勢度指數最大的兩種優勢種所屬門類表征各點位群落類型,除S1為藍藻-硅藻型外,S2、S3、S4均為藍藻型。

表2 治理前后優勢種及優勢度指數

2020年,共檢出優勢種4門16種,包括硅藻7種、藍藻3種、綠藻5種、裸藻1種,較2015年增加了8種,平均優勢度指數為0.107。不同門類中,以硅藻的平均優勢度指數為最大(0.153),其中小環藻(Cyclotellaspp.)為絕對優勢種,優勢度指數為0.228～0.427。以優勢度指數最大的兩種優勢種所屬門類表征各點位群落類型,S1、S2、S3均為硅藻型,S4為硅藻-綠藻型。

2.2.4 群落特征變化

在非度量多維標度分析中,點與點之間的距離越小,群落特征越相似;點與點之間的距離越大,群落特征相差越大。如圖6所示,2015年和2020年浮游植物群落明顯分為兩組：2015年,S2與S3采樣點群落特征十分相似,S4與S1采樣點群落特征差異較大;2020年,S2與S3采樣點群落特征表現出差異,S4與S1采樣點群落特征相似。相似性分析結果顯示,R=0.906 3,P<0.05,表明治理前后的群落特征有顯著差異。相似度百分比分析結果顯示,污染治理前后群落的相似性百分比只有21.2%。完成治理后,小清河上游浮游植物群落較治理前已經發生明顯改變。

注：B代表2015年,A代表2020年。圖6 非度量多維標度分析結果

2.2.5 浮游植物與理化指標相關性分析

以治理前后存在顯著差異的理化指標和浮游植物優勢種作冗余分析(圖7)。2015年軸1和軸2分別能解釋浮游植物群落特征的55.32%和22.46%,NH3-N、TN、TP、DO、pH是影響研究區群落的主要理化指標。從物種來看,短縫藻(a4)、舟形藻(a8)、螺旋藻(b10)、尖頭藻(b12)、顫藻(b9)、卵囊藻(c13)、裸藻(d18)與NH3-N、TN、TP呈正相關,脆桿藻(a2)、小環藻(a3)與之呈負相關。從點位來看,S1樣本主要分布于第一、四象限,pH、DO是影響其群落特征的主要理化指標;S2、S3、S4樣本主要分布于第二、三象限,NH3-N、TN、TP是影響其群落特征的主要理化指標。

注：各編碼(a1～e19)對應的物種見表2。“Mar”表示3月,“Jul”表示7月,“Aug”表示8月,“Oct”表示10月。圖7 浮游植物與理化指標的冗余分析

2020年軸1和軸2分別能解釋浮游植物群落特征的40.42%和30.58%,TN、NH3-N、pH是影響研究區群落特征的主要理化指標,TP、DO對群落的影響減小。布紋藻(a1)、短縫藻(a4)、羽紋藻(a5)、舟形藻(a8)、尖頭藻(b12)等5個種類與NH3-N、TN呈正相關,脆桿藻(a2)、小環藻(a3)、針桿藻(a6)、直鏈藻(a7)、顫藻(b9)、螺旋藻(b10)、微囊藻(b11)、盤星藻(c14)、小球藻(c15)、新月藻(c16)、柵藻(c17)等11個種類與NH3-N、TN呈負相關。S1、S3樣本交叉分布于第一、二象限,與NH3-N、TN、pH呈負相關;S2樣本主要聚集于第三、四象限,NH3-N、TN是影響其群落特征的主要理化指標;S4樣本主要聚集于第四象限,pH是影響其群落特征的主要理化指標。

2.2.6 多樣性指數與水質評價

治理前后多樣性指數及評價結果見表3。2015年,小清河上游Shannon-Wiener多樣性指數等于1.17,為中污染(α-中污染);Pielou均勻度指數等于0.49,為中污染(β-中污染);Marglef豐富度指數等于1.32,為中污染(α-中污染)。2020年,Shannon-Wiener多樣性指數上升到1.78,仍為中污染(α-中污染);Pielou均勻度指數上升到0.84,為寡污染;Marglef豐富度指數下降到1.05,為中污染(α-中污染)。配對樣本t檢驗結果表明,治理前后的小清河上游Shannon-Wiener多樣性指數(t=-8.221,P<0.001)、Pielou均勻度指數(t=-11.75,P<0.001)和Marglef豐富度指數(t=3.435,P=0.004)均存在顯著差異。Pearson相關性分析結果顯示,Shannon-Wiener多樣性指數、Pielou均勻度指數與綜合污染指數呈顯著相關(P<0.01),相關系數分別為-0.512和-0.569。

表3 污染治理前后多樣性指數和水質評價結果

3 討論

3.1 治理前后浮游植物群落變化

經過污染治理,小清河上游浮游植物種類由35種減少為31種,密度平均值由1.77×106個/L上升到1.92×106個/L,相對豐度、優勢種都發生了明顯變化,小環藻(Cyclotellaspp.)取代微囊藻(Microcysitisspp.)成為絕對優勢種,群落類型整體由藍藻型向硅藻型過渡。相似性分析結果和相似度百分比分析結果都表明,經過污染治理,小清河上游浮游植物群落特征已經發生顯著改變。小清河是黃河山東段重要的伴行河流。兩條河流所在區域的自然環境和氣候條件相似,實行相同的水污染防治政策。文獻報道顯示,2015年后,黃河山東段硅藻和綠藻種類增加,硅藻密度和生物量在所有門類中占比最大,小環藻和針桿藻幾乎在所有斷面都為優勢種[35-36],浮游植物群落變化情況與本研究結果相似。

張晶晶等[37]對經小清河專項治理后的萊州灣環境和浮游植物群落變化的研究顯示,氮磷營養鹽濃度變化與優勢種的改變明顯相關。小清河上游氮磷營養鹽主要來源于主城區污水,其中：第一污染來源為污水處理廠尾水,污染貢獻度為34.0%;第二污染來源為直排污水,污染貢獻度為29.1%[38]。為解決污水處理廠尾水和直排污水收集問題,2015—2020年,濟南市新建改建污水處理設施23座,新建污水管網1 883.58 km,主城區污水處理能力增加了44萬t/d,基本實現主城區污水全收集、全處理,有效遏制了主城區對流域的氮磷污染輸入,使上游TN、TP、NH3-N濃度顯著下降。

浮游植物對營養鹽絕對濃度和氮磷比(N/P,摩爾比)的響應具有種屬特異性。藍藻喜好高氮高磷環境,硅藻喜好低磷環境,綠藻更適合在中氮高磷條件下生長[39-40]。SCHINDLER[41]、SMITH[42]的氮磷比學說認為,低氮磷比有利于藍藻形成優勢,高氮磷比更有利于硅藻形成優勢。2020年,S2、S3、S4采樣點TP年均值降低到了0.20 mg/L,較2015年下降66.3%,氮磷比由55∶1上升到120∶1,最大值達220∶1,表明治理后的流域磷限制明顯增強。受低磷限制,藍藻生長繁殖速度受到一定影響,而氮磷比的上升為硅藻取代藍藻成為優勢種創造了有利條件。由此,群落類型整體向硅藻型過渡。文獻報道顯示,2019年漢江下游TP濃度在0.1 mg/L左右,低磷條件明顯限制了藍藻的生長,使群落中藍藻的種類、密度占比都小于硅藻[43]。這與本研究結果一致。值得注意的是,治理后的S2、S3、S4采樣點TN年均值仍可達到8.11 mg/L,最大值達13.90 mg/L。相比漢江的低TN濃度(<2 mg/L),高氮條件在一定程度上限制了小清河上游綠藻的擴增,使綠藻相對豐度明顯小于硅藻。隨著治理重點向氮污染偏移,河流會逐漸向中氮環境過渡,TN濃度的降低會刺激綠藻的增長,使浮游植物群落向硅藻-綠藻型演替。

3.2 浮游植物與理化指標的關系

浮游植物群落演替是眾多環境因子在時間和空間上相互影響的結果[44]。治理前,NH3-N、TN、TP、DO、pH都是影響研究區域群落特征的主要理化指標,而治理后,TP、DO對群落的影響作用明顯減弱。DO是表征水體污染程度的重要指標,較低的DO會抑制浮游植物的生長[45]。2015年小清河上游DO平均濃度為2.62 mg/L,僅達到《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅲ類標準(5 mg/L)的52.4%。以藍藻為主要優勢種的浮游植物群落在生長繁殖過程中會大量消耗水中的氧氣,造成水體DO濃度進一步降低。浮游植物對氧氣的競爭使DO成為影響流域浮游植物生長的關鍵因子,并與優勢種密度呈負相關。治理后,小清河上游DO平均濃度上升到7.81 mg/L,加之光合型藻類可以通過光合作用向水體釋放氧氣,以及綠藻、藍藻密度占比的改變,使氧氣不再是浮游植物的主要競爭資源,DO對群落的影響作用減弱。磷是浮游植物實現物質合成和能量傳輸的必要元素,其濃度變化會影響藻類的代謝及群落的動態格局[46]。硅藻偏好低磷環境。在治理過程中,隨著硅藻在群落中逐漸占據優勢,硅藻型群落對磷的整體需求較治理前的藍藻型群落有所降低,因此,TP對群落的影響減弱。

對于湖泊型生態系統,浮游植物一般與氮磷指標正相關[47-49]。對于河流型生態系統,浮游植物與氮磷指標的關系比較復雜。在受污染、營養化水平高的河流,浮游植物多與TP、TN正相關,而在水質清潔、營養化水平低的河流,多與TP、TN負相關。例如：長江和瀾滄江源區(TP濃度<0.08 mg/L,TN濃度<1 mg/L)藍藻密度與TP負相關[50];淮河上游典型支流水質較好的主河道的浮游植物優勢種多與TP、TN負相關,水質較差的古河道的浮游植物優勢種與TP、TN呈現一定程度的正相關[51];營養化水平較低的錦江河(綜合營養狀態指數=36.05)的浮游植物密度與TP、TN負相關,營養化水平較高的南明河(綜合營養狀態指數=61.76)的浮游植物密度與 TN、TP正相關[52]。本研究冗余分析結果顯示：治理前,有7種浮游植物與TN、NH3-N、TP明顯正相關,2種與TN、NH3-N、TP負相關;治理后,有5種浮游植物與NH3-N、TN正相關,11種與NH3-N、TN負相關。以上結果符合河流型水體中浮游植物與環境因子的相關性規律,同時也表明小清河上游水質整體呈改善趨勢。

從空間上來看,S2、S3、S4采樣點都位于主城區下游。冗余分析結果顯示,治理前,S2、S3、S4采樣點浮游植物樣本分布集中,并且都與TN、NH3-N、TP正相關。非度量多維標度分析結果表明,S2和S3采樣點群落特征十分相似。這說明主城區氮磷污染同時影響了S2、S3、S4采樣點的浮游植物群落,特別是使S2和S3采樣點的群落特征呈現高度相似。治理后,S2采樣點群落與S3、S4采樣點群落分離,S2采樣點浮游植物仍與TN、NH3-N正相關,S3采樣點浮游植物與TN、NH3-N負相關,S4采樣點浮游植物與pH正相關。非度量多維標度分析結果顯示,S2和S3兩點位的浮游植物群落特征已經明顯不同,S4點位的群落特征與源頭斷面S1表現出一定的相似性。冗余分析結果和非度量多維標度分析結果都表明,主城區污染對下游浮游植物的影響范圍由S2、S3、S4采樣點縮小到S2采樣點,S3、S4采樣點浮游植物群落受上游污水的影響明顯減弱。S2采樣點群落仍受主城區影響,但主要影響指標由TN、NH3-N、TP變為TN、NH3-N,表明流域磷污染對下游浮游植物群落的影響范圍縮小。

3.3 不同生物指數的水質評價結果

從水質現狀來看,治理后小清河上游水質的Shannon-Wiener多樣性指數、Marglef豐富度指數評價結果均為中污染(α-中污染),與綜合污染指數評價結果一致,而Pielou均勻度指數評價結果為寡污染(清潔)。從變化趨勢來看,Shannon-Wiener多樣性指數、Pielou均勻度指數指示治理后水質有所改善,與綜合污染指數評價結果一致,而Marglef豐富度指數指示水質有所退化。Shannon-Wiener多樣性指數在治理后的現狀評價和趨勢評價上的評價結果與綜合污染指數一致,表明Shannon-Wiener多樣性指數是當前更適用于小清河上游水質評價的生物多樣性指數。

為解決河流環境容量和自凈能力不足的問題,治理期間,小清河上游曾進行多輪生態補水[53]。原水和客水的混合會加快不同水層間營養鹽和浮游植物的交換及混合,使浮游植物的分布更趨均勻。滏陽河、太湖貢湖灣、東平湖在接收補水或調水后,Pielou均勻度指數較補水前均有不同程度的上升[54-56]。因此,生態補水是造成治理后小清河上游Pielou均勻度指數偏大的原因之一,使Pielou均勻度指數評價結果優于其他兩種指數。

汛期的小清河上游水質不穩定,存在短期NH3-N、TP濃度高值。同時,河道清淤造成的沉積物內源性污染釋放也會使NH3-N、TN、TP濃度出現超標[57-58]。水質波動會沖擊群落物種組成,導致清潔種可能會由此消失。同時,汛期河流水量增長使密度較低的浮游植物種類更不容易被采集到,成為造成Marglef豐富度指數下降的主要原因。對比治理前后浮游植物的種類可以發現,雖然治理后小清河上游浮游植物種類由35種減少到31種,但減少的種類主要是喜污的隱藻、甲藻和指示富營養水體的冠盤藻。因此,雖然治理后Marglef豐富度指數減小,但從群落物種組成上來看,研究區域的水質仍呈改善趨勢。

4 結論

1)經過污染治理,小清河上游浮游植物種類由35種減少為31種,密度平均值由1.77×106個/L上升到1.92×106個/L,硅藻、綠藻相對豐度分別上升了51.6個百分點和13.3個百分點,藍藻相對豐度下降了62.9個百分點,優勢種由8種增加到16種,小環藻(Cyclotellaspp.)取代微囊藻(Microcysitisspp.)成為絕對優勢種,群落類型整體由藍藻型向硅藻型過渡,表明治理前后的群落特征發生顯著改變。

2)治理后,TP、DO對浮游植物群落的影響明顯減弱,TN、NH3-N、pH成為當前影響浮游植物群落特征的主要理化指標。主城區氮磷污染對小清河上游浮游植物群落特征的影響范圍由S2、S3、S4采樣點縮小到S2采樣點。

3)Shannon-Wiener多樣性指數是當前更適用于小清河上游水質評價的生物多樣性指數。治理后,小清河上游處于α-中污染狀態,水質較治理前有明顯改善。