灞河城市段浮游生物群落结构时空变化及其与环境因子的关系

陈 红,刘 清,潘建雄,王 松,王在照,*

1 西北农林科技大学动物科技学院,杨凌 712100 2 西安市水产工作站,西安 710054 3 西安市渔政监督管理站,西安 710054

浮游生物作为水域生态系统中的重要组成部分,对能量流动和物质循环以及维持水域生态系统的稳定具有重要作用[1]。浮游生物对水体环境中各种因素的变化相当敏感,环境条件的改变会影响其种类及数量的变化,从而对环境变化起到指示作用[2]。因此,浮游生物的种类组成和群落结构常作为水质评价的重要指标。灞河,是黄河支流渭河的支流,位于陕西省境内。它发源于蓝田县灞源乡,全长109 km,流域面积2581 km2。近年来,由于西安工业化和城市化进程的发展,大量未经严格处理的工业废水和生活污水排入灞河,导致其水生态系统遭到破坏。到目前为止,有关灞河浮游生物群落结构及水质评价的研究较少,绝大多数发表时间较早且仅涉及环境因子方面[3-6]。因此,本研究于2016年9月至2017年7月对灞河城市段不同采样点浮游生物的群落结构、时空差异进行了深入调查,并运用典范对应分析(CCA)进一步探讨了其群落结构与环境因子的关系,旨在全面了解灞河的水质状况以及景观河道对水体的净化能力,为城市河流生态系统的保护提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 采样点的布设和采样时间

自2004年9月,西安市以灞河城市段为核心水体规划和建设了浐灞生态区,其中建成了全硬质护岸的河道堤防50公里,橡胶坝4座,亲水景观平台18座,形成水面11.3 km2,建成并开放了雁鸣湖、广运潭等大型水生态公园,是西北地区首批国家级水生态保护与修复试点区和国家湿地公园所在地。根据灞河城市流域的环境特征,从上游到下游有代表性的设置8个采样点,依次为灞河湿地公园(S1)、世博园上游(S2)、世博园下游(S3)、欧亚桥(S4)、浐灞交汇处(S5)、污水处理厂出水口(S6)、秦汉大桥(S7)、最下游大坝(S8)；8个采样点被橡胶坝拦截为4个水体,其中S1与S2之间有2个橡胶坝,在2个坝之间的景观河流的河床上种植有树木及大型水生植物,S3与S4及S5与S6之间分别有1个橡胶坝,S8下游有一个橡胶坝(图1)。本研究于2016年9月至2017年7月,每2个月进行一次采样分析。

图1 灞河城市段采样点的分布Fig.1 Sampling sites in Xi′an city section of Ba river “S”表示采样点,Site

1.2 调查方法

1.2.1 浮游生物的采集和处理

浮游植物定性样品的采集使用25号浮游生物网,在水面下0.5 m左右呈“∞”状缓慢拖行数分钟,采集后加入4%的甲醛溶液进行现场固定；定量样品使用1 L的有机玻璃采水器采集,采集后现场加入15 mL的鲁哥试液固定,实验室静置48 h后浓缩至30 mL进行样品鉴定[7-8]。

采用13号浮游生物网在水面表层进行浮游动物定性样品的采集,并用4%的甲醛溶液固定；定量样品经5 L的采水器采集后用13号浮游生物网过滤,并用4%的甲醛溶液现场固定,带回实验室沉淀浓缩后进行样品鉴定[9-10]。

1.2.2 理化指标的测定

采用多参数水质分析仪(Milti 3430,WTW)现场测定pH、水温(WT)、溶解氧(DO)和电导率(EC),用塞氏盘测定水体透明度(SD)；采集的水样运回实验室后参考国家标准方法[11]进行叶绿素a(Chla)、总磷(TP)、总氮(TN)和化学需氧量(CODMn)的测定；重金属元素采用电感耦合等离子体质谱仪(ICAP Qc,ThermoFisher)进行测定。

1.3 数据处理

1.3.1 物种多样性指数

采用Shannon-Wiener多样性指数和Margalef 物种丰富度指数对物种多样性进行分析,计算公式为：

Shannon-Wiener 多样性指数(H):H= -∑Pi×log2Pi

Margalef 丰富度指数(D):D= (S-1) /log2N

式中,Pi=Ni/N,Ni表示第i种的个体数,N表示样品的总个体数；S表示样品的种类总数,具体评价标准见表1[12-14]。

表1 多样性指数评价标准

1.3.2 优势种

优势度表示浮游生物群落内各生物种类处于何种优势或劣势状态的群落测定度,根据物种的出现频率和个体数量来确定。

Y=(ni/N)×fi

式中,fi表示第i种在各采样点的出现频率,ni表示第i种的个体数,N表示样品中总个体；当Y>0.02时,定为优势种[15]。

1.3.3 典范对应分析(CCA)

CCA能够将物种数据和环境因子用回归分析方法相结合,更加直观的反映了物种和环境因子间的关系[16-17]。本文采用 Canoco for Windows 4. 5 软件对浮游生物和环境因子进行 CCA分析,将优势种作为排序物种[18],分析前将物种数据和环境数据进行对数转换[19-20]。

2 结果与分析

2.1 水体理化因子的时空分析

灞河城市段水体理化因子的时空分布见表2和表3。在时间分布上,灞河城市段全年水温为6.01—29.03℃,SD为0.32—0.73 m,Chl-a含量为14.84—41.33 mg/L。根据国家《地表水环境质量标准》[11],对水体理化因子进行评价可知,全年DO、As和Pb含量均属于Ⅰ类水；Cd含量除2016年9月属于Ⅱ类水外,其他采样时间点均属于Ⅰ类水；Hg含量全年变化范围较大,符合Ⅱ—Ⅲ类水质标准,且从2016年9月至2017年7月逐渐升高；而CODMn和TP含量变化符合Ⅲ—Ⅴ类水质标准；TN含量全年均超标严重,属于劣Ⅴ类水。从空间分布来看,各采样点的温度和pH无显著差别；Chl-a含量最高的前三位分别是欧亚桥(S4)、污水处理厂出水口(S6)和浐灞河交汇处(S5)；浐灞河交汇处(S5)重金属浓度最高,污水处理厂出水口(S6)各营养盐浓度最大,且DO和SD最低；上游4个采样点(S1、S2、S3、S4)和下游4个采样点(S5、S6、S7、S8)相比,营养盐浓度与重金属含量相对较低,DO、SD相对较高。

表2 水体理化因子的时间分布

WT：水温，Water temperature；SD：透明度,Transparency；S：电导率,Conductivity；DO：溶解氧,Dissolved oxygen；CODMn：高锰酸盐指数,Permanganate index；TN：总氮,Total nitrogen；TP：总磷,Total phosphorus；Chl-a：叶绿素a,Chlorophyll a；As：砷,Arsenic；Pb：铅,Lead；Hg：汞,Mercury；Cd：镉,Cadmium

表3 水体理化因子的空间分布

2.2 浮游生物群落结构特征

灞河城市段8个采样点全年共鉴定出浮游植物7门63属。其中,绿藻门属数最多,为22属,占总数的34.9%；其次为硅藻门19属,占总数的30.2%；蓝藻门10属,占总数的15.9%；甲藻门4属,占总数的6.3%；金藻门和裸藻门均为3属,均分别占总数的4.8%；隐藻门最少,仅有2属,占总数的3.2%。浮游植物全年各采样点丰度变化范围为0.73×104—98.50×104个/L,其中2016年9月污水处理厂出水口(S6)细胞密度最高,2017年1月世博园下游(S3)最低。由图2可以看出,浮游植物群落结构具有明显的时间分布差异,夏秋两季主要以蓝藻门和绿藻门为主,冬春硅藻门占绝对优势,隐藻门、绿藻门和裸藻门所占比例相差不大；由图3、图4可知,夏秋两季浮游植物丰度明显偏高,各采样点全年浮游植物丰度表现为S6>S5>S4>S7>S8>S2>S1>S3,其中S5和S6的细胞密度明显高于其他采样点。浮游植物优势属的分布季节差异显著,小球藻属、颤藻属在2016年7月和9月具有绝对优势,在2017年1月和3月以硅藻门优势属为主。针杆藻属、直链藻属、小环藻属、菱形藻属、隐藻属和囊裸藻属的时间分布比较广泛,全年均为优势属。

共鉴定出浮游动物4类45种,其中轮虫22种,占种类总数的48.9%,原生动物11种,占24.4%,枝角类7种,占15.6%,桡足类5种,占11.1%。调查期间,浮游动物密度变化范围为20—1084 个/L,其中最高值出现在2017年7月的秦汉大桥(S7)。由图3可知,全年浮游动物组成除2016年11月以原生动物占优势外,其余均以轮虫类为主；枝角类和桡足类密度比例分别在2017年7月和2016年9月达到最高,为24.1%和25.3%；由图4、图5可以看出浮游动物丰度的时空变化趋势与浮游植物基本吻合。浮游动物优势种全年均为轮虫类占优势,其中臂尾轮虫最多,占轮虫类种类数的50%；其次为原生动物和枝角类,桡足类最少,仅有1种。

图2 浮游植物丰度百分比的时间分布Fig.2 The time distribution of the percentage of phytoplankton abundance

图3 浮游动物丰度百分比的时间分布Fig.3 The time distribution of the percentage of zooplankton abundance

2.3 浮游生物多样性分析

浮游植物多样性的时空分布见表4,其中Shannon-Wiener 多样性指数范围为2.14—4.10,平均值为3.16,污染等级为轻污或无污染(表1),其中2016年11月的S2污染程度最轻,2016年9月的S6污染最重； Margalef 物种丰富度指数范围为1.04—1.86,平均值为1.39,污染等级为α-中污染,其中2016年9月的S7污染程度最轻,2017年1月的S8污染最重。各采样点Shannon-Wiener 多样性指数大小排序为S2>S1>S4>S3>S8>S7>S5>S6,Margalef 物种丰富度指数大小排序为S4>S2>S1>S3=S7>S5>S8>S6；不同采样时间Shannon-Wiener 多样性指数大小排序为2016年11月>2017年1月>2017年3月>2017年5月>2017月7月>2016年9月,Margalef 物种丰富度指数大小排序为2016年9月>2016年11月>2017年7月>2017年3月>2017年5月>2017年1月。

图4 浮游生物丰度的空间分布Fig.4 The spatial distribution of plankton abundance

浮游动物多样性的时空分布见表5,其中浮游动物的Shannon-Wiener 多样性指数在1.08—3.25之间,平均值为2.50,污染等级为β-中污染,其中2016年9月的S1污染程度最轻,2017年3月的S8污染最重； Margalef 物种丰富度指数范围为0.70—1.73,平均值为1.23,污染等级为α-中污染,其中2016年9月的S3污染程度最轻,2016年11月的S5污染最重。各采样点Shannon-Wiener 多样性指数大小排序为S5>S1>S3>S4>S2>S7>S8>S6,Margalef 物种丰富度指数大小排序为S7>S5>S3>S1>S4>S2=S6>S8；不同采样时间Shannon-Wiener 多样性指数大小排序为2017年7月>2017年5月>2016年9月>2017年1月>2017年3月>2016年11月,Margalef 物种丰富度指数大小排序为2017年7月>2016年9月>2017年1月=2017年5月>2017年3月>2016年11月。

表4 浮游植物生物多样性的时空分布

H: 香农-威纳多样性指数，Shannon-Wiener diversity index;D: 马哥列夫丰富度指数，Margalef abundance index

表5 浮游动物生物多样性的时空分布

2.4 浮游生物与环境因子的CCA分析

对灞河城市段浮游生物优势种和环境因子进行CCA排序分析,用于CCA分析中的浮游生物物种及代码见表6。表7为浮游生物CCA分析的统计信息,其中浮游植物前两个排序轴的特征值分别为0.616、0.316,物种环境相关系数分别为0.967、0.981,共解释了77.7%的物种-环境变异累积比；浮游动物前两个排序轴的特征值分别为0.495、0.354,物种环境相关系数分别为0.941、0.924,共解释了68.7%的物种-环境变异累积比。浮游植物和浮游动物排序轴中前两轴的物种环境相关系数均较高,表明灞河城市段浮游生物物种组成与环境因子之间关系紧密。

表6 浮游生物在CCA排序图中的物种及编号

注：CCA：典范对应分析,Canonical correspondence analysis

表7 浮游生物群落CCA分析的统计信息

由表8可知,CCA中物种排序(SPEC AX1、SPEC AX2)前两个轴之间的相关系数浮游植物和浮游动物分别为-0.013、0.003,环境排序(ENVI AX1、ENVI AX2)中相关系数均为0,表明CCA排序图能够较好的反映物种与环境间的关系,排序结果真实可靠[21-22]。根据浮游植物与环境因子的相关性分析,灞河城市段浮游植物群落变化主要受TN、CODMn、WT、pH、DO、SD、Hg、Pb等因子的影响。其中,CODMn、WT均与轴一呈负相关,相关系数分别为-0.607、-0.797,SD与轴一呈正相关,相关系数为0.574； TN、pH、DO、Hg与轴二呈正相关,相关系数分别为0.726、0.708、0.705、0.850,Pb与轴二呈负相关,相关系数为-0.609。根据浮游动物与环境因子的相关性分析,对灞河城市段浮游动物群落变化影响较大的环境因子为Chla、TN、TP、CODMn、WT、pH、S、Hg。其中, Chla、CODMn、WT、pH、Hg与轴一均呈负相关,相关系数分别为-0.658、-0.529、-0.860、-0.516、-0.634； TN、TP、S与轴二呈负相关,相关系数分别为-0.622、-0.579、-0.501。

图6和图7为浮游生物与环境因子的CCA排序图,物种在排序图中的位置是所处环境因素综合反映的结果[23]。由图6可知,浮游植物的大部分物种均分布在第二排序轴的右侧,与SD呈正相关,与WT、CODMn等呈负相关；颤藻属、微囊藻属、节旋藻属等与WT、Hg、TN、pH、DO具有正相关性；伪鱼腥藻属、菱形藻属等与CODMn以及重金属Pb均呈正相关,与SD、DO呈负相关。图7中,轮虫类在排序图中的分布比较分散,其不同种类对环境因子的适应性存在明显差异；部分轮虫类以及大部分原生动物与SD、As呈正相关,与WT、Chla等呈负相关；裂足臂尾轮虫、针簇多肢轮虫、乳头砂壳虫、简弧象鼻溞与重金属Cd和Pb正相关性较高；纤巧异尾轮虫、多刺裸腹溞、广布中剑水蚤与WT、Chla等呈正相关,与As呈负相关；角突臂尾轮虫、蒲达臂尾轮虫等与CODMn、TN、TP、S以及Hg呈正相关,与SD呈负相关。

表8 前2个排序轴和环境因子间的相关系数

SPEC AX1：物种轴1,Species axis 1；SPEC AX2：物种轴2,Species axis 2；ENVI AX1：环境轴1,Environment axis 1；ENVI AX2：环境轴2,Environment axis 2

图6 浮游植物与环境因子的CCA排序图Fig.6 CCA biplot of phytoplankton species and environmental variables

图7 浮游动物与环境因子的CCA排序图Fig.7 CCA biplot of zooplankton species and environmental variables

3 讨论

3.1 浮游生物群落的时空分布特征

调查期间,灞河城市段浮游植物种类组成主要以硅藻、绿藻、蓝藻为主,其中夏秋两季绿藻和蓝藻占绝对优势,冬春两季硅藻和隐藻占比大幅提升,这与类似研究结果一致,在这些研究中蓝藻和绿藻适宜在温暖的水体中生长,而硅藻和隐藻多为冷水性物种[24-25]。浮游动物种类组成全年主要以轮虫为主,其次为原生动物,且浮游动物丰度主要受轮虫影响,这与许多受污染河流中浮游动物的群落特征相似[2, 26]。浮游植物和浮游动物丰度的时空变化趋势基本一致,这可能与浮游植物为浮游动物提供食物来源有关[27]。研究表明,水温对浮游生物丰度的影响较大[28-29],夏季光照、温度等条件适宜浮游植物的大量繁殖,充足的食物来源也为浮游动物的繁殖提供了条件。因此,在研究中浮游植物和浮游动物丰度的季节变化明显,夏季浮游生物丰度明显高于其他季节。空间分布上,下游浮游生物丰度整体高于上游,浮游植物和浮游动物丰度的最高值分别出现在S6、S7采样点。浮游生物丰度受水体中有机质、营养盐的影响,S6处污水处理厂的出水使此处水体有机质、营养盐含量明显升高,随着水体的流动,S7采样点有机质、营养盐的含量也相对较高,进而导致某些浮游生物的大量繁殖。浮游动物丰度未出现在有机质、营养盐最丰富的S6采样点,说明浮游生物丰度不仅受有机质、营养盐的影响,还受水体环境中其他因素的影响。

3.2 水质评价

浮游生物群落结构、丰度、多样性指数及水体理化指标等均能在一定程度上反映水体的水质状况。浮游植物在贫营养水体中金藻占主体,中营养型水体硅藻占主体,富营养型水体则以绿藻、蓝藻占主体[2]。本研究中浮游植物夏秋以绿藻、蓝藻为主,冬春以硅藻为主,说明灞河城市段水体处于中富营养型状态。浮游植物优势类群中的颤藻属、微囊藻属、伪鱼腥藻属和裸藻属等均为耐污种类,同时浮游动物全年以轮虫为主,且轮虫优势种中大部分为耐污的臂尾轮虫属和龟甲轮虫属,表明灞河城市段水体受到了一定程度的污染。由理化指标的监测结果可知,调查期间灞河城市段水质状况较差,全年营养盐含量均较高,也表明灞河城市段水质受到一定程度的污染。根据多样性指数评价标准对水质状况进行综合评价可知,灞河城市段水体属于中污型,特别是污水处理厂出水口附近污染最为严重。

研究区域的8个采样点中S1与S2之间的河道为浅水区,种植有树木及大型水生植物,由于河床上植物的修复作用,S2采样点与S1采样点相比,水体中重金属含量偏低,但CODMn和TN的浓度偏高,这可能由于S2采样点紧邻橡胶坝,经坝顶水的流量在枯水期为3—4 m3/s,而在丰水期为400—800 m3/s,巨大的水流冲击使下层沉积物中的污染物与上层水体进行了物质交换。而S3采样点处水体趋于平静,污染物浓度均低于S1采样点且透明度明显升高,进一步表明水生植物对污染河流水体具有一定的修复作用。浐河在欧亚大道以下1 km处与灞河交汇,其枯水期流量为1—2 m3/s,而丰水期为50—200 m3/s,杜麦等[30]发现,浐河西安段由于生活污水和工业废水的大量排入导致其水质较差,本研究中,S5采样点位于浐河与灞河交汇处的下游,S5采样点污染物浓度和浮游生物丰度均高于S4采样点,且溶解氧和浮游生物多样性指数低于S4采样点,其可能原因是浐河的汇入带入了一些污染物,使S5附近污染物增多,对浮游生物有显著影响。西安市某污水处理厂位于灞河下游附近,其尾水排放量为25万t/d,排放标准为一级A类水,S6采样点位于污水处理厂出水口附近,由于污水处理厂尾水的排放,导致其污染物浓度和浮游生物丰度较高,溶解氧和浮游生物多样性指数较低,表明此处水体水质污染严重。处于下游的S7和S8采样点由于水体的自净能力,污染物浓度和浮游生物丰度逐渐降低,溶解氧和浮游生物多样性指数逐渐上升,表明水质状况较S6采样点有所改善。

3.3 环境因子对浮游生物群落分布的影响

本研究发现灞河城市段下游已受到一定程度的污染,污水处理厂的出水是灞河污染加重的一个主要来源,浐河的汇入也带入了一些污染物；景观河道对污染水体具有一定的修复作用,这将为城市水体的修复治理提供了理论依据。典范对应分析(CCA)表明除常规影响因子外,重金属对浮游生物群落分布也存在一定的影响,其中Hg对浮游生物群落结构影响较大。