秋香江冬季水质现状及浮游生物群落结构特征

陈 兰，张洛红，黄道建，刘 洁，黄楚珊，陈棉彪，张丽娟，胡国成

（1.生态环境部华南环境科学研究所/国家环境保护环境污染健康风险评价重点实验室，广东 广州 510535；2.西安工程大学环境与化学工程学院，陕西 西安 710048；3.广东省水利电力勘测设计研究院，广东 广州 510170；4.广东省社会科学院，广东 广州 510635）

【研究意义】秋香江是珠江流域东江的一级支流，位于广东省紫金县中部，发源于紫金县乌石乡、龙窝镇、水墩乡交界的榴墩嶂，自东北向西南流经乌石等9 个乡镇，在古竹镇的江口村汇入东江。秋香江干流总长134 km［1］，河床平均坡降为11.1%，河流流经水域总面积达1669 km2，流域内山区较多，植被覆盖率较高［2］。秋香江上建有小型水利发电站20 多座，对水生生态环境产生一定影响，秋香江上游的区域产业类型如生活污水和上游生猪养殖场清洗废水也对流域水生生态环境造成了一定程度的影响，因此，研究该流域生态环境对保护该流域生态健康具有重要意义。【前人研究进展】曾金凤等［3］分析东江源区赣粤出境水质时空分布特征，为该流域的水环境治理和水生态改善提供理论依据和数据支撑。周夏飞等［4］基于环境统计数据、DEM 数据、水质监测断面数据和基础地理数据等对东江流域开展突发水污染风险分区。虽然对东江流域水环境研究较多，但是对于秋香江的水环境研究还处于空白，所以很有必要对秋香江的水生态进行研究。

【本研究切入点】浮游生物是河流生态系统中重要的生物类群之一，主要包括浮游植物（藻类）和浮游动物，在河流生态系统物质循环和能量流动中发挥重要作用。浮游植物是生产者，浮游动物是初级消费者，也是食物链组成的基础环节［5］。浮游生物主动规避能力较弱，且对水域污染及水质的变化反应敏感，水质的变化会导致其种类、数量和分布的变化，因此，浮游生物可作为评价水生生态系统健康的指示物种［6］。同时，浮游生物的数量变化直观反映了污染物对生物体的危害，因此可作为水域水质污染的早期预警。浮游生物作为水质生物监测的重要指标［7］，越来越多地被应用到世界各国的河流生态健康评估中［8］，研究水质指标与浮游生物群落结构特征对防治水域污染有重大意义［9］。【拟解决的关键问题】本研究结合秋香江常规环境因子监测结果，分别对3 座水电站上游和下游水体浮游生物群落进行系统调查，以期为研究水体浮游生物群落结构特征及其与环境因子的关系，保护水环境安全提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 采样点设置

2018年12月，在秋香江上、中、下游选择3座水电站，布设6个采样点，分别是深紫水电站上游S1（115°10′22″E，23°38′41″N）、深紫水电站下游S2（115°9′23″E，23°38′10″N）、凤凰水电站上游S 3（114°58′11″E，23 °25 ′36 ″N ）、凤凰水电站下游S 4（114°56′14″E，23°25′18″N）、亚公角水电站上游S5（114°43′55″E，23°23′54″N）和亚公角水电站下游S 6（114°40′26″E，23°24′28″N）。

1.2 水样采集与分析

按照《水质采样技术指导》（HJ494-2009）的要求，在每个采样点采集水样。现场采样过程中利用哈希便携式多参数水质分析仪（型号：HD40）测定pH、溶解氧（DO）和电导率（Cond），利用萨氏盘测定水体透明度（SS）。按照《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）要求测定其他水环境因子。

1.3 浮游生物采集与鉴定

浮游植物定性样品使用25 号浮游生物网（孔径64 μm），以网口上端刚在水深33 cm 处作“∞”形的循回拖动约3～5 min，然后将网慢慢提起，使浮游植物集中在网头内，打开活塞，使样品流入瓶内，立即使用4%甲醛溶液固定后镜检观察。浮游植物定量样品利用采水器采集表层水样（水面以下0.5 m）1000 mL，现场加入15 mL 鲁哥氏碘液固定，静置24 h 后浓缩至30 mL，移取0.1 mL，采用目镜视野计数法进行藻类细胞计数与鉴定［10］。浮游动物样品利用采水器采集1000 mL水样放入容器中，鲁哥氏碘液固定，带回实验室进行沉降和浓缩，定容到30 mL。浮游动物样品通过镜检进行计数，沉淀后用1 mL 浮游生物计数框进行全沉淀计数，计算生物密度和生物量。

1.4 水质状况评价

按照《紫金县环境保护和生态建设“十三五”规划（2016—2020 年）》的要求，秋香江水环境质量要求达到II 类。利用《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中II 类标准，评价秋香江水质达标情况。

1.5 综合营养状态指数测算

按照《地表水环境质量评价办法（试行）》的相关要求，根据叶绿素a、总磷、总氮、透明度和高锰酸盐指数，计算不同采样点（水电站）综合营养状态指数（TLI），评价水体富营养化状况。评价分级标准：TLI（∑）＜30 为贫营养，30 ≤TLI（∑）≤50 为中营养，50 ＜TLI（∑）≤60 为轻度富营养，60 ＜TLI（∑）≤70 为中度富营养，TLI（∑）>70 为重度富营养［11］。

1.6 生物多样性调查

本研究采用Shannon-Wiener 多样性指数（H’）、Margalef 种类丰富度指数（D）和Pielou均匀度指数（E）对秋香江浮游生物多样性进行分析。多样性指数计算公式如下：

式中，N为群落中物种的总密度，S为物种数，Ni为第i个物种的密度。Shannon-Wiener 多样性指数0 ＜H’＜1 水体为重污染，1 ＜H’＜3 水体为中污染，H’>3 水体为轻污染或无污染［12］。

1.7 冗余分析

生态学中常用来分析环境因子和生物群落相互关系的统计分析方法是典范对应分析（CCA）和冗余分析（RDA），当排序轴的梯度值大于4时应选择CCA 分析，当排序轴的梯度值小于3 时应选择RDA 分析，其余情况两种方法均可。本研究排序轴的梯度值为1.4，因此选择RDA 分析。以上统计方法使用Canoco for windows 5 软件。

2 结果与分析

2.1 秋香江水质状况

从各采样点的水质理化指标（表1）可以看出，在采样期间秋香江表层水温比较稳定，透明度波动较小，溶解氧变化范围为5.23～8.17 mg/L。利用《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）Ⅱ类标准限值对水质进行单因子评价，分析秋香江水质情况，结果显示：深紫水电站上游（S1）TP 和TN 分别超过Ⅱ类标准17 倍和8 倍、达到Ⅴ类或劣Ⅴ类水标准，深紫水电站下游（S2）TP和TN 分别超过Ⅱ类标准14 倍和8 倍、达到Ⅴ类或劣Ⅴ类水标准；凤凰水电站上游（S3）和下游（S4）TP 和TN 分别超过Ⅱ类标准4 倍和3 倍，达到Ⅴ类水标准；亚公角水电站上游（S5）和下游（S6）TP 和TN 分别超过Ⅱ类标准4 倍和2 倍，分别达到Ⅴ类水标准和Ⅳ类水标准。总体上，秋香江水体中N、P 含量偏高，水质状况较差。从广东省生态环境厅发布的2017 年重点河流水质信息来看，位于秋香江下游的江口监测断面水质达到Ⅱ类标准，N、P 均未超标，这表明秋香江水质在逐渐恶化。本研究中CODMn波动范围为0.7～3.9 mg/L，均在4 mg/L 以下，达到高锰酸盐指数Ⅱ类标准（CODMn≤4 mg/L）的要求，表明这些水体中有机污染较轻。根据综合营养状态指数（TSI）评价秋香江富营养化情况，6 个样点TSI 介于30和47 之间，属于中营养状态，其中深紫水电站上游（S1）和下游（S2）的TSI 分别为47 和46，营养水平最高。

表1 秋香江环境参数及综合营养状态指数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 种类组成 本次调查秋香江6 个采样点共发现浮游植物6 门53 种，其中绿藻19 种，约占藻类总种数的36%；硅藻16 种，约占藻类总种数30%；蓝藻11 种，约占藻类总种数的20%；隐藻和裸藻各3 种，分别占藻类总种数的6%；甲藻1 种，占藻类总种数的2%（表2）。秋香江浮游植物以硅藻为主，其次是绿藻和蓝藻，总体上浮游植物种类沿着河流方向由丰富向简单变化，其中铜绿微囊藻（Microcystis aeruginosa）、多甲藻（Peridiniumsp.）、裸藻（Euglenasp.）、小球藻（Chlorellasp.）和鼓藻（Cosmariumsp.）为秋香江广布种，隐球藻（Aphanocapsasp.）、拉氏拟柱胞藻（Cylindrospermopsis raciborskii）、反曲隐藻（Cryptomonas ref lexa）、梅尼小环藻（Cyclotella meneghiniana）、针杆藻（Synedrasp.）、囊裸藻（Trachelomonassp.）和栅藻（Scenedesmussp.）在秋香江也较为常见。

2.2.2 浮游植物密度 秋香江浮游植物密度的变化范围为5.1×108～1.89×109cells/L（表3），以凤凰水电站下游（S4）藻类密度最大、为1.89×109cells/L，其次是亚公角水电站上游（S5）、密度为1.72×109cells/L，各采样点间藻类密度波动较大，其中铜绿微囊藻（Microcystis aeruginosa）、隐球藻（Aphanocapsasp.）、史密斯微囊藻（Microcystissmithii）、小球藻（Chlorellasp.）、挪氏微囊藻（Microcystisnovacekii）、直链藻（Melosirasp.）、多甲藻（Peridiniumsp.）和平裂藻（Merismopediasp.）密度较高。所有样点浮游植物主要由蓝藻和绿藻组成，约占采样点浮游植物的99%。通常来说，营养水平高的湖泊常以绿藻和蓝藻占优势［13］，由此可见，秋香江有一定的水体富营养化趋势。秋香江从上游至下游硅藻数量增加，蓝藻数量减少，表明水体营养水平逐渐降低［14］，这与综合营养状态指数逐渐减小基本一致。

2.2.3 浮游植物群落多样性 秋香江浮游植物群落多样性如图1 所示，各采样点Margalef 种类丰富度指数（D）依次为S2>S1>S3>S4>S6>S5，Shannon-Wiener 多样性指数（H’）依次为S6>S1>S5>S4>S3>S2，Pielou 均匀度指数（E）依次为S6>S5>S1>S4>S3>S2。各采样点的Shannon-Wiener 多样性指数（H’）和Pielou 均匀度指数（E）变化趋势相似，其中深紫水电站下游（S2）、凤凰水电站下游（S4）、凤凰水电站上游（S3）的Shannon-Wiener 多样性指数小于1，水体处于重污染水平；深紫水电站上游（S1）、亚公角水电站上游（S5）和亚公角水电站下游（S6）的Shannon-Wiener 多样性指数介于1～3，水体处于中度污染水平。

表2 秋香江各采样点浮游植物种类Table 2 Species of phytoplankton at various sampling sites along the Qiuxiang River

表3 秋香江各采样点浮游植物密度Table 3 Phytoplankton density at various sampling sites along the Qiuxiang River

图1 秋香江各采样点浮游植物多样性指数Fig.1 Diversity index of phytoplankton at various sampling sites along the Qiuxiang River

2.3 秋香江浮游动物

2.3.1 种类组成 秋香江6 个采样点共鉴定出原生动物、轮虫类、枝角类、桡足类4 大类群浮游动物62 种，其中原生动物33 种，占浮游动物总种数的53%；轮虫类17 种，占浮游动物总种数的27%；枝角类8 种，占浮游动物总种数的13%；桡足类4 种，占浮游动物总种数的7%。各采样点的浮游动物种类组成如图2 所示，原生生物包括变形虫属（Amoebasp.）、表壳虫属（Arcellasp.）、砂壳虫属（Diff lugiasp.）、匣壳虫属（Centropyxissp.）等，轮虫类包括臂尾轮虫属（Brachionussp.）、多肢轮虫属（Polyarthrasp.）、龟甲轮虫属（Keratellasp.）等，枝角类包括秀体溞属（Diaphanosomasp.）、象鼻溞属（Bosminasp.）、尖额溞属（Alonasp.）、裸腹溞属（Moinasp.）等，桡足类包括英勇剑水蚤（Cyclopsstrenuus）、跨立小剑水蚤（Microcyclops varicans）、广 布 中 剑 水 蚤（Mesocyclops leuckarti）和无节幼体等。总体上看，秋香江浮游动物种类沿着河流方向逐渐减少。

图2 秋香江各样点浮游动物种类Fig.2 Zooplankton species at various sampling sites along the Qiuxiang River

2.3.2 浮游动物丰度 秋香江浮游动物丰度如图3 所示，变化范围为3.93～232.87 ind/L。其中角突臂尾轮虫（Brachionus angularis）、沟钟虫（Vorticella convallaria）、滚动焰毛虫（Askenasia faurei）、针棘刺胞虫（Acanthocystis aculeata）和针簇多肢轮虫（Polyarthra trigla）丰度较高，且各样点间浮游动物丰度波动较大，以深紫水电站上游（S1）浮游动物丰度最大（232.87 ind/L），其次是深紫水电站下游（S2）。亚公角水电站上游（S5）和下游（S6）浮游动物种类单一，主要由原生动物和轮虫组成，约占采样点浮游动物的63.2%和96.7%。通常情况下，贫营养水体中个体较大的枝角类和桡足类占优势，而富营养水体则以个体较小的轮虫和原生动物占优势［15］。本研究中秋香江从上游至下游轮虫和原生动物数量优势逐渐减弱，枝角类和桡足类数量优势逐渐增加，表明水体营养化水平逐渐降低，这与综合营养状态指数评价逐渐减小基本一致。

图3 秋香江各采样点浮游动物丰度Fig.3 Zooplankton abundance at various sampling sites along the Qiuxiang River

2.3.3 浮游动物群落多样性 秋香江浮游动物多样性指数如图4 所示，6 个采样点Margalef 种类丰富度指数（D）依次为S1>S2>S3>S4>S6>S5，Shannon-Wiener 多样性指数（H’）依次为S3>S1>S2>S4>S5>S6，Pielou 均匀度指数（E）依次为S6>S5>S4>S3>S2>S1；Margalef 种类丰富度指数（D）变化呈升高趋势，而Pielou 均匀度指数（E）和Shannon-Wiener 多样性指数（H’）变化呈降低趋势，与综合营养状态指数变化趋势基本一致。

图4 秋香江各采样点浮游动物多样性指数Fig.4 Diversity index of zooplankton at various sampling sites along the Qiuxiang River

2.4 环境因子与浮游生物的冗余分析

为了进一步研究环境因子与浮游生物群落结构的关系，对其进行冗余分析（RDA）。从图5可以看出，影响秋香江浮游生物群落结构的元素包括溶解氧（DO）、五日生化需氧量（BOD5）、高锰酸盐指数（CODMn）、导电率（Cond）和总氮（TN），其中最主要的因素是DO，其次是TN，而影响最小的是CODMn和BOD5（两个环境因子重合），体现不同浮游生物对生存环境的要求不一样。相关性分析结果显示，枝角类的群落结构及其分布主要受CODMn和BOD5影响，DO 对挪氏微囊藻和顶锥十字藻分布的影响最为显著，桡足类和平裂藻主要与Cond 相关，TN 与轮虫类相关性最大（重合）。上述所有环境因子对小球藻、鼓藻和史密斯微囊藻影响均较小。

图5 秋香江浮游生物与环境因子的RDA 分析结果Fig.5 RDA result of plankton species and environmental factors in the Qiuxiang River

3 讨论

研究表明，较高浓度的氮、磷对浮游植物的生长有促进作用，同时，适宜水温亦是促进浮游植物生长与繁殖的重要理化因子之一，它通过控制光合作用、酶促反应和呼吸作用强度来影响藻类细胞生长增殖相应的一系列过程［16］。秋香江冬季较高的营养盐含量及适宜的水温有利于浮游植物的大量生长，因而浮游植物种类和密度都达到较高水平，如绿藻种类数在各样点所占比例最高，其次是硅藻；各样点浮游植物中蓝藻密度最高，且以铜绿微囊藻为主，其原因是秋香江流域在现代工业环境下水体富营养化趋势愈加严重，营养盐对铜绿微囊藻的生长甚至暴发起着关键作用［17］。秋香江中游和上游铜绿微囊藻密度较高，说明该段河流营养化水平较高，与综合营养状态指数计算结果基本一致；浮游植物Shannon-Wiener 多样性指数均值为0.98，Pielou 均匀度指数均值为0.22，说明浮游植物的多样性水平偏低，但各门类物种数差异较大，主要是由于水体污染导致其种类分布不均匀。

在浮游动物丰度组成中，以原生动物丰度最高、占绝对优势，其次是轮虫类，枝角类和桡足类丰度较低，虽然枝角类种类数比桡足类多，但丰度却相对最低，这与大部分江河湖泊水体中浮游动物群落结构特征研究结果相似［18］，主要原因是水体富营养化会导致浮游动物小型化如轮虫和原生动物占优势地位［19］。秋香江浮游动物丰度和生物量随水体富营养化程度增加而增加，枝角类丰度和生物量随水体富营养化增加而减少，桡足类丰度和生物量并不随水体富营养化程度增加而增加，主要是因为紫金县综合工业发展程度较低，区域产业类型如生活污水和上游生猪养殖场清洗废水对流域水生生态环境造成了一定程度的影响，导致浮游动物种类、数量和分布发生了变化，浮游动物Shannon-Wiener 多样性指数均值为3.8，Pielou 均匀度指数均值为0.87，虽然深紫水电站附近的Shannon-Wiener 多样性指数偏高，但大部分浮游动物属于中污带的指示生物，如在数量上占绝对优势的沟钟虫、角突臂尾轮虫、滚动焰毛虫，这3 种浮游动物都是中污带的指示生物，因此不能只根据该水域浮游动物Shannon-Wiener 多样性指数判定该水域属于轻污染水平，综合浮游植物多样性指数表明该流域受到了中度污染。

浮游生物群落结构特征受多种环境因子的共同影响，如温度、营养盐、盐度以及水动力条件等。根据RDA 分析结果，影响秋香江浮游生物群落结构变化的主要环境因子为DO、BOD5、CODMn、Cond 和TN。水体中浮游生物与DO 浓度密切相关，是因为浮游动物死亡降解和生命活动需要消耗溶大量解氧；BOD5和CODMn表示水中有机物污染程度，在一定程度上可反映枝角类的食物来源状况，随着有机物增加，枝角类多样性呈现增加趋势［20］，与RDA 图中枝角类群落与BOD5和CODMn呈显著正相关一致；Cond 在分析生物与环境因子的关系中应用广泛，主要随着地表径流而带入水体中的离子总量，是影响河流着生藻类群落的重要环境因子［21］，秋香江平裂藻与Cond 相关性最大支持上述理论。氮是浮游植物生长繁殖的重要营养盐，也是常见的限制性营养元素，藻类优先同化吸收利用总氮和铵态氮，这与CCA 分析结果一致，说明控制外源氮营养输入仍然是秋香江富营养化的关键。

4 结论

本研究分别从水质状况、浮游生物结构以及两者之间关系探究秋香江水生生态环境，结果表明，秋香江流域水体氮、磷含量较高，且以上游营养水平最高；秋香江属于蓝藻-绿藻型河流，6个采样点的Shannon-Wiener 多样性指数和Pielou均匀度指数都偏低；浮游动物中个体较小的原生动物和轮虫在种类和密度上均占绝对优势，而相对个体较大的枝角类和桡足类在种类和密度上均较少。综合浮游生物状况来看，秋香江流域受到了中度污染，且上游污染程度最高。此外，影响浮游生物分布的5 个环境因子为DO、BOD5、CODMn、Cond 和TN，其中影响最大的环境因子是溶解氧（DO）。