黄河干流宁夏段浮游植物群落结构及其影响因子研究*

周 琼 苟金明 邱小琮 赵睿智 贺树杰 李 霖

(1.宁夏大学土木与水利工程学院,宁夏 银川 750021;2.宁夏回族自治区水产技术推广站,宁夏 银川 750001;3.宁夏大学生命科学学院,宁夏 银川 750021)

作为初级生产者的浮游植物在水生生态系统物质循环、能量流动过程中充当着重要角色[1],其种类、数量及组成变化对水生生态系统都有很大影响[2]。浮游植物可以在水环境发生变化的早期做出响应,因此在水质评价中具有重要的指示作用[3]。代亮亮等[4]和陶敏等[5]指出,通过浮游植物与水环境因子的关系可以监测和评价水环境的变化。

黄河受自然气候和人类活动的双重影响,流域生态和水环境都面临诸多问题[6]113。丁一桐等[7]899对黄河干流的浮游植物群落进行了研究,但没有对浮游植物群落的影响因子进行研究。林涛等[8]研究表明，黄河干流宁夏段入境水质为《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)的Ⅱ类,而出境时变为了Ⅲ类。宁忠瑞等[9]研究表明，黄河干流宁夏段存在氮磷等农业面源污染。可见,黄河干流宁夏段的水环境存在很多问题。本研究基于2019年春(2019年4月)、夏(2019年7月)、秋(2019年10月)、冬(2020年1月)黄河干流宁夏段8个断面的浮游植物和水环境因子监测数据,运用多元统计方法对浮游植物群落结构、时空分布特征进行分析,并对浮游植物与水环境因子关系进行研究,旨在以黄河干流宁夏段为引子逐步探明黄河流域浮游植物群落特征及其与水环境因子的关系。

1 材料与方法

1.1 样点布置

根据黄河干流宁夏段水文条件和水域形态等,共设置8个样点,分别为柳树村(H1)、上大湾(H2)、石空(H3)、枣园(H4)、青铜峡坝(H5)、永宁杨和镇(H6)、头道墩(H7)、陶乐渡口(H8)(见图1)。

1.2 样品测定

水温使用温度计在0.5 m水深处测得;pH采用《水质 pH值的测定 玻璃电极法》(GB/T 6920—86)测得;溶解氧(DO)采用《水质 溶解氧的测定 电化学探头法》(HJ 506—2009)测得;悬浮物(SS)采用《水质 悬浮物的测定 重量法》(GB 11901—89)测得;总磷(TP)采用《水质 总磷的测定 钼酸铵分光光度法》(GB/T 11893—89)测得;总氮(TN)采用《水质 总氮的测定 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》(HJ 636—2012)测得;高锰酸盐指数采用《水质 高锰酸盐指数的测定》(GB/T 11892—89)测得;氨氮采用《水质 氨氮的测定 纳氏试剂分光光度法》(HJ 535—2009)测得。

浮游植物测定:在0.5 m水深处取水样1 L,加入鲁哥试液,摇匀,倒入1 L沉淀器中,2 h后轻转沉淀器,静置24 h。取含沉淀物水样30 mL,于50 mL定量样品瓶中定容。再取0.1 mL于0.1 mL计数框内(面积20 mm×20 mm),浮游植物密度(PD)采用视野法计数,浮游植物生物量(PB)通过细胞体积法计算。

1.3 数据处理及分析

1.3.1 浮游植物指数计算

反映群落种类丰富程度的Margalef指数(D)、反映群落复杂程度的Shannon-Wiener指数(H)和反映不同物种均匀程度的Pielou指数(JP)的计算分别如式(1)至式(3)所示[10]。

(1)

(2)

(3)

式中:S为浮游植物种类数;N为浮游植物总个体数;Ni为第i种浮游植物的个体数。

1.3.2 统计分析

为了更好地揭示浮游植物群落特征与水环境因子之间的关系,采用灰关联分析[11]、冗余分析(RDA)[12]等方法分析浮游植物与水环境因子之间的统计关系。RDA应用Canoco 5.0软件进行去趋势对应分析(DCA),分析之前需对除pH外的数据进行对数处理[13]。

2 结果与分析

2.1 黄河干流宁夏段浮游植物时空变化特征

2.1.1 黄河干流宁夏段浮游植物种类组成时空变化特征

2019年在黄河干流宁夏段共发现8门46种浮游植物,其中绿藻门15种、硅藻门13种、蓝藻门11种、甲藻门2种、裸藻门2种、隐藻门1种、金藻门1种、黄藻门1种。由图2可见,在时间上,冬春两季种类少,其中硅藻门、甲藻门全年都有,秋季还出现了蓝藻门、黄藻门、绿藻门,夏季种类最多,除了以上5门都有出现外,还出出现了隐藻门、金藻门、裸藻门,共有36种;在空间上,H4在全年中8门都有检出,而H5、H6全年只检出5门。

分析浮游植物优势种发现,主要优势种为小环藻(Cyclotellastelligera)、直链藻(Melosiragranulata)、等片藻(Diatomaelongatum)、针杆藻(Synedraacus)和脆杆藻(Fragilariaconstruens),均属于硅藻门,由于夏秋季水温高、SS低,浮游植物多样性增加,绿藻门的纤维藻(Ankistrodesmusfalcatus)、鼓藻(Cosmariumobsoletum)也成为了优势种(见表1)。

丁一桐等[7]894研究表明,黄河干流全河段检出浮游植物7门96种,主要有硅藻门52种、绿藻门23种、蓝藻门7种、甲藻门5种,上游优势种多属于硅藻门,蓝藻门、绿藻门作为优势种多出现在中下游。

表1 黄河干流宁夏段浮游植物优势种Table 1 Dominant phytoplankton in the Ningxia section of Yellow River mainstream

王帅帅等[14]95在黄河干流济南段共检出49种浮游植物,其中硅藻门25种、绿藻门12种、蓝藻门8种,优势种多属于硅藻门、蓝藻门。本研究黄河干流宁夏段共检出8门46种浮游植物,其中绿藻门15种、硅藻门13种,硅藻门优势种类多,夏季绿藻门、蓝藻门也有成为优势种的。由此推断,黄河上游优势种多属于硅藻门,下游优势种多属于蓝藻门和绿藻门,夏季的时候蓝藻门和绿藻门也会增加。

2.1.2 黄河干流宁夏段浮游植物数量时空变化特征

图3、图4分别为黄河干流宁夏段PD和PB的时空变化特征。PD为9.58×104～6.05×105个/L,PB为0.06～0.53 mg/L,基本上都是在夏季最高,各样点中基本上都是H5最高。H5的浮游植物多样性不高,但是浮游植物数量却很高,需防范水华暴发。

2.1.3 黄河干流宁夏段浮游植物指数时空变化特征

黄河干流宁夏段浮游植物的Shannon-Wiener指数、Margalef指数、Pielou指数时空变化特征分别见图5、图6、图7。3个指数在夏季达到最大值,各样点中H1、H4较高,与浮游植物种类组成的分析结果基本一致。

2.2 黄河干流宁夏段水环境因子时空变化特征

由表2可知,黄河干流宁夏段各样点水温和高锰酸盐指数的四季差异不大;春夏秋季pH较高,呈弱碱性,冬季pH较低,接近中性;夏季浮游植物种类和数量较多,光合作用强,因此水体DO高;SS夏季普遍偏低,有利于浮游植物的光合作用;春夏季部分地区TN、TP高,主要是由于这些地区引黄灌溉使得田间面源氮磷洗入河中[6]113;氨氮从春季到冬季整体呈现下降趋势,因为春夏两季河流凌汛、流速较大,导致对底泥的扰动较大,从而使得氨氮较高。

2.3 黄河干流宁夏段浮游植物与水环境因子的统计关系分析

由表3的关联度系数可知,对黄河干流宁夏段PD和PB的主要影响因素依次为水温、氨氮、pH、TP和DO等。

DCA表明,黄河干流宁夏段浮游植物指标与水环境因子的4个轴的轴长均小于3,约束性排序可以使用RDA。RDA的累积信息解释率为79.4%,轴1特征值为0.630 4,轴2特征值为0.136 5,信息映射到前两轴的相关性依次为0.959 5、0.848 4,表明RDA的排序可信[15]。

通过图8可知,水温、TP、DO对PD、PB、Shannon-Wiener指数、Margalef指数和Pielou指数有促进作用,而SS对PD、PB、Shannon-Wiener指数、Margalef指数和Pielou指数有抑制作用。

3 讨 论

黄河干流宁夏段水温为1.6～21.5 ℃,硅藻门适宜生存,故硅藻门全年占优势;蓝藻门、绿藻门为喜温浮游植物,温度过低抑制生长[16]167,黄河干流宁夏段夏季水温为17.2～21.5 ℃,蓝藻门、绿藻门也成为优势种;浮游植物变化趋势与水温一致,PD、PB均在7月最大,1月最小。黄河干流宁夏段水体为弱碱性,适宜藻类生长,夏季pH为8.05～8.29,有利蓝藻门、绿藻门生长[17]。水体DO与浮游植物光合作用有密切关系,夏季浮游植物最多,故DO最高。SS过高会导致光照衰减,从而抑制藻类生长,有研究表明,SS超过50 mg/L会吸附浮游植物产生沉降[18],黄河干流宁夏段夏季SS低,也是夏季藻类特别是蓝藻门生长迅速的重要原因。藻类可以直接吸收氨氮[19],因此氨氮在一定范围内会促进浮游植物生长。

表2 水环境因子时空变化特征Table 2 Spatial and temporal variation characteristics of water environmental factors

表3 浮游植物与水环境因子的关联度系数Table 3 Correlation coefficients of phytoplankton and water environmental factors

不同的河流、湖泊有不同的水环境影响因子。王帅帅等[14]99研究表明,浊度、碱度、水温、pH是影响黄河干流济南段浮游植物的主要水环境因子;张春梅等[20]确认,水温、TP、氨氮、流速和流量是影响南水北调中线干渠浮游植物群落结构的重要水环境因子;郑灿等[21]研究表明,TN、氨氮是影响星海湖水体浮游植物的主要水环境因子;杨宋琪等[16]167研究认为,黑河张掖段的浮游植物群落结构主要受到水体氮磷营养盐、水温、海拔的影响。

黄河干流宁夏段受地理位置、气候的影响,水温偏低,呈弱碱性。TN、TP和高锰酸盐指数主要是灌区农田退水携带的外源氮磷营养盐引起,冬春季SS较高则与暖气、火力发电等工业作业有关。农田退水和工业用水合理利用、达标排放是降低黄河氮磷营养盐、高锰酸盐指数的有效措施,实施生物防治、循环利用等措施也可以对生活污水、工业废水、养殖场污水、灌溉退水等进行治理和利用。

4 结 论

(1) 黄河干流宁夏段硅藻门全年优势,夏季蓝藻门、绿藻门也占优势。浮游植物种类和数量夏季最高,柳树村、枣园、青铜峡坝等地的浮游植物丰富。

(2) 水温、TP、DO对PD、PB、Shannon-Wiener指数、Margalef指数和Pielou指数有促进作用,而SS对PD、PB、Shannon-Wiener指数、Margalef指数和Pielou指数有抑制作用。