上海市崇明区不同类型河道浮游植物群落结构特征的对比研究*

陈诗雨 郭 印 徐赛赛 陈立婧#

(1.上海海洋大学环境DNA技术与水生态健康评估工程中心,上海 201306;2.上海农林职业技术学院,上海 201699)

浮游植物是水生态系统的初级生产者,由于个体较小,能对环境的变化做出迅速响应[1-3]。浮游植物与水质关系密切,其群落组成、优势种、现存量等指标在不同营养水平的水环境中存在差异,能够及时、准确地反映水体状况[4]。近年来,利用浮游植物与理化指标相结合评价不同环境水质的方式受到了较多学者的广泛关注。如钟可儿等[5]对长江干流浮游植物群落结构空间异质性及其影响因素进行探究,并为长江干流水生生物监测和10年禁渔实施效果的评估提供基础数据及理论依据;孙来康等[6]对西安城市河流浮游植物群落结构及其与环境因子的关系进行探究;李为星等[7]对上海城郊河道水质进行评价,从而为城市河道的治理与修复提供科学参考。对不同类型河道对比分析可以较为清晰地了解不同环境下水体的营养情况,并根据结果有针对性地提出改善水质方案,提高水质治理效率,加快环境修复进程。

崇明区地处长江入海口,面积为1 267 km2,被誉为镶嵌在长江经济带的“海上明珠”,是上海最具潜在战略意义的发展空间之一。崇明区属沿海平原感潮河网地区,水资源主要来自长江水的供给和降雨形成的地表径流[8],全区共有河湖16 274条(个),总长度共计9 304.5 km,生境类型复杂多样,为水生生物提供了良好的生存条件和繁衍空间,在上海生物多样性中占据重要地位。前人的研究多集中于崇明岛典型污染河道以及岛上的明珠湖和青草沙水库[9-12],对于全区河道的基础性调查较少。根据崇明区地理位置与河道等级在全区选取26个监测点,并划分为5种类型河道,每季度进行1次调查,分析不同类型河道中浮游植物种类组成和数量分布以及与环境因子的关系,并对水质状况进行评估,以期为崇明区河道生态整治工程效果评价提供基础参考数据。

1 材料与方法

1.1 监测点设置

于2020年在崇明区三岛设置26个监测点(见图1),并根据监测点所处河道类型和位置特征划分为5种类型河道:水动力断面河道(市区管河道中监测水动力状况的河道)5个监测点,镇级以上河道(平均分布全区)10个监测点,1864黑臭河道(列入全市黑臭河道整治计划的河道)5个监测点,村级河道3个监测点,三查三访河道(市河长办公室通过三查三访发现的问题河道)3个监测点。监测点概况如表1所示,每季度采集样品1次。

图1 2020年崇明区5种类型河道监测点分布Fig.1 Distribution of 5 types of river monitoring sites in Chongming District in 2020

表1 2020年崇明区5种类型河道监测点概况Table 1 Overview of 5 types of river monitoring sites in Chongming District in 2020

1.2 采样方法

浮游植物采集遵照《水环境监测规范》(SL 219—2013)。根据监测点水深的差异采集不同水层的水样,混合后取1 L水样,加入15%(质量分数)鲁哥氏液固定[13],静置沉淀48 h后收集浓缩至50 mL。种类鉴定主要参考文献[14]。同时现场测定理化参数:使用HQ2200便携式水质多参数分析仪测定水温(WT)、pH、溶解氧(DO)、电导率(EC)、总溶解固体(TDS),赛式盘测定水体透明度(SD),BPL8-PS7FL回声测深仪测定水深,FluoroSenseTM手持式叶绿素仪测定叶绿素a(Chla),SVR电波流速仪测定流速;总氮(TN)、总磷(TP)的测定方法参考文献[15]。

1.3 数据处理和统计分析

Jaccard群落相似性系数(X)可衡量不同地区间种群的差异程度,按式(1)计算[16]。

X=C/(A+B-C)

(1)

式中:C为两种类型河道共有浮游植物种类数;A和B为两种类型河道浮游植物的种类数。Jaccard群落相似性系数越大,两种类型河道浮游植物的群落结构相似度越高。X为0～0.25,极不相似;X为0.26～0.50,轻度相似;X为0.51～0.75,中等相似;X为0.76～1.00,极度相似。

优势度(Y)按式(2)计算,Y>0.02为优势种[17]。

Y=Ni/N×fi

(2)

式中:Ni为第i个种的个体数;N为每个种的总个体数;fi为第i个种在各监测点中出现的频率。

水质评价采用现存量法和修正的Carlson指数法,评价标准见表2。现存量法根据浮游植物生物密度和生物量综合分析。修正的Carlson指数(IM)以Chla的浓度作为营养状态指数的基准,按式(3)计算[18]。

表2 水体营养状况评价标准Table 2 Evaluation criteria for water nutrition status

IM=10×(2.46+lnCa/ln2.5)

(3)

式中:Ca为Chla质量浓度,μg/L。

2 结果与分析

2.1 崇明区河道水质理化参数

由表3可见,2020年崇明区河道pH为7.67～7.98,均呈弱碱性。村级河道、三查三访河道的DO高于其他3种类型河道,水动力断面河道、镇级以上河道的Chla低于其他河道,水动力断面河道的流速最快。根据方差分析检验发现不同类型河道除SD、EC、TDS和流速存在极显著差异(p<0.01)外,其他理化参数无显著差异(p>0.05)。

表3 2020年崇明区5种类型河道主要理化参数Table 3 The main physical and chemical parameters of 5 types of rivers in Chongming District in 2020

2.2 浮游植物种类组成及优势种

2020年崇明区河道共鉴定出浮游植物7门243种。绿藻门(Chlorophyta)87种,占总种类数的35.80%;硅藻门(Bacillariophyta)63种,占总种类数的25.93%;蓝藻门(Cyanophyta)44种,占总种类数的18.11%;裸藻门(Euglenophyta)35种,占总种类数的14.40%;其他门共占5.76%,其中甲藻门(Pyrrophta)6种,隐藻门(Cryptophyta)5种,金藻门(Chrysophyta)3种。浮游植物物种的丰富度主要由绿藻门、硅藻门、蓝藻门、裸藻门贡献。各类型河道中,镇级以上河道浮游植物种类最多,为7门175种;水动力断面河道浮游植物种类最少,为5门96种。不同类型河道中浮游植物种类占比不同,三查三访河道的绿藻门占比最高,为49.53%;水动力断面河道的硅藻门占比最高,为29.17%;水动力断面河道与三查三访河道中全年未观测到金藻门与隐藻门(见图2)。

图2 2020年崇明区5种类型河道各门浮游植物种类数Fig.2 Number of phytoplankton species of each phylum in 5 types of rivers in Chongming District in 2020

根据浮游植物Jaccard群落相似性系数可知:镇级以上河道与1864黑臭河道、村级河道之间的浮游植物群落结构均为中等相似;水动力断面河道与1864黑臭河道、村级河道及三查三访河道均为轻度相似(见表4)。

表4 2020年崇明区5种类型河道浮游植物Jaccard群落相似性系数Table 4 Jaccard similarity coefficients of phytoplankton in 5 types of rivers in Chongming District in 2020

崇明区河道各季度优势种共鉴定出3门20种,冬季优势种的种类最多,秋季最少(见表5)。村级河道的冬季优势种最多,为10种;1864黑臭河道的冬季次之,为8种;水动力断面河道的夏季、冬季和三查三访河道的秋季优势种最少,均为3种。不同类型河道的浮游植物优势种的种类有所不同,但均以蓝藻门为主。

表5 2020年崇明区5种类型河道浮游植物优势种的优势度Table 5 Dominance of 5 types of river phytoplankton dominant species in Chongming District in 2020

2.3 浮游植物生物密度和生物量

2020年崇明区河道浮游植物平均生物密度为1.36×107个/L,蓝藻门和绿藻门合计占生物密度的89.58%。根据多重比较发现水动力断面河道和1864黑臭河道之间、水动力断面河道和村级河道之间生物密度存在极显著差异(p<0.01);镇级以上河道和1864黑臭河道之间存在显著差异(p<0.05),其他类型河道之间生物密度无显著差异(p>0.05)。由图3可见,不同类型河道浮游植物年平均生物密度由大到小依次为:三查三访河道(2.49×107个/L)、1864黑臭河道(1.87×107个/L)、村级河道(1.33×107个/L)、镇级以上河道(6.46×106个/L)、水动力断面河道(4.78×106个/L)。水动力断面河道冬季生物密度最大,镇级以上河道夏季生物密度最大,1864黑臭河道和村级河道秋季生物密度最大,三查三访河道春季生物密度最大。

注:柱子所示为平均值,误差棒之外认定为异常值。图3 2020年崇明区5种类型河道浮游植物生物密度Fig.3 Biological density of phytoplankton in 5 types of rivers in Chongming District in 2020

2020年崇明区河道浮游植物平均生物量为3.87 mg/L,主要由蓝藻门、硅藻门和绿藻门贡献,三者合计占总生物量的89.63%。根据多重比较发现除水动力断面河道和村级河道之间、镇级以上河道和村级河道之间生物量存在显著差异(p<0.05)外,其他类型河道之间生物量无显著差异(p>0.05)。由图4可见,不同类型河道浮游植物生物量由大到小依次为:1864黑臭河道(6.21 mg/L)、三查三访河道(4.31 mg/L)、村级河道(4.12 mg/L)、镇级以上河道(2.65 mg/L)、水动力断面河道(2.07 mg/L)。

图4 2020年崇明区5种类型河道浮游植物生物量Fig.4 Phytoplankton biomass in 5 types of rivers in Chongming District in 2020

2.4 浮游植物分布与环境因子的关系

对浮游植物生物密度进行除趋势对应分析RDA结果表明:水动力断面河道、三查三访河道主要集中在第一象限,与TP靠近;村级河道主要集中在第一、三象限,与TP、DO和WT靠近;镇级以上河道主要集中在第一、三象限,与DO、WT和pH靠近;而1864黑臭河道的分布较为分散,表明影响因素较为复杂(见图5)。不同物种与环境因子的关系存在差异,影响蓝藻门中细小平裂藻和点形平裂藻生物密度的因子主要是WT,而影响假鱼腥藻生物密度的因子主要是TN;硅藻门的生物密度主要受WT的影响;绿藻门的生物密度受SD的影响较大。

图5 2020年崇明区5种类型河道浮游植物与理化参数的RDA排序Fig.5 RDA ranking of phytoplankton and physical and chemical parameters for 5 types of rivers in Chongming District in 2020

(DCA),排序结果表明排序轴梯度最大值为2.938 3,因此选用冗余分析(RDA)。根据浮游植物相对丰度和出现频率,选取12种浮游植物用于RDA,浮游植物代码见表6。

表6 RDA中浮游植物物种代码Table 6 Phytoplankton species codes in RDA

2.5 水质评价

2020年崇明区河道IM介于51.49～63.86,5种类型河道的IM由大到小依次为:三查三访河道(63.86)、村级河道(63.71)、1864黑臭河道(62.25)、镇级以上河道(57.16)、水动力断面河道(51.49)。5种类型河道IM结果表明:水动力断面河道为中营养,而其他类型河道均为富营养。5种类型河道生物密度结果表明:水动力断面河道、镇级以上河道为贫-中营养,1864黑臭河道、村级河道和三查三访河道为中营养。生物量结果表明:除1864黑臭河道为中-富营养外,其他类型河道均为中营养。

3 讨 论

3.1 崇明区不同类型河道浮游植物群落结构的异同

1864黑臭河道和村级河道水源主要来自镇级以上河道,因此浮游植物物种受水体来源的影响而形成中等相似的结果。三查三访河道中位于生活垃圾处置场周围的S24,受垃圾处理系统的影响,水体营养盐含量增加,浮游植物的群落结构发生相应的变化,与镇级以上河道的差异最大。

水动力断面河道与1864黑臭河道、村级河道及三查三访河道浮游植物种类仅轻度相似可能是受流速的影响。水动力不仅会影响水体的浑浊程度,还会通过影响主动能力弱的浮游植物的生长与繁殖改变浮游植物的群落结构[19]。水动力断面河道的监测点多位于环岛运河附近。环岛运河由北横引河、南横引河和团旺河构成,为崇明水系的骨干河道,其面宽底深,过水断面大,蓄水调水效能强,水闸引排水时须通过环岛运河进行水能重新分配调整后再流入岛屿腹地和进入闸口水道,水体流速较快,较大流速的冲击导致部分藻类细胞破裂死亡,降低浮游植物的种类和生物密度。研究表明当流速达到0.1 m/s时,能破坏藻类结构[20]。而1864黑臭河道、村级河道及三查三访河道的流速较缓,水体中营养盐的积累导致浮游植物大量生长繁殖,浮游植物种类多于水动力断面河道。

优势种对群落结构稳定性有重要影响,其种类数越多且优势度越小,则群落结构越复杂、稳定[21]。5种类型河道中,村级河道的群落结构较为稳定,水动力断面河道的群落结构较为脆弱。不同类型河道均以蓝藻门为主要的优势种群,崇明区河道引水自长江,入水营养盐浓度较高,TN、TP年均值分别为3.20、1.26 mg/L。研究表明隐球藻、拟柱胞藻(Cylindrospermopsisraciborskii)以及假鱼腥藻等蓝藻适合在高氮高磷条件下生长[22],尤其是细小隐球藻,由于其细胞体积较小,具有相对较大的比表面积,在相同水体环境下对营养盐有更高的利用率[23],因此在5种类型河道中全年均为优势种,且优势度较高。

三查三访河道年平均生物密度高于1864黑臭河道,而年平均生物量却低于1864黑臭河道,因为1864黑臭河道硅藻门占比为25.79%,三查三访河道硅藻门占比为22.43%,而硅藻门的鲜质量普遍较高。

3.2 崇明区不同类型河道浮游植物季度变化

水动力断面河道中冬季浮游植物生物密度最高,冬季小环藻的生物密度较高,而小环藻喜生活在WT较低的水体中。三查三访河道春季浮游植物生物密度最高,是因为S24的绿藻门生物密度较高,优势种为衣藻和四尾栅藻。衣藻和四尾栅藻喜生活在有机质丰富的静水水体中,而且四尾栅藻被认为是乙型中污带的指示种,表明S24存在水体污染情况。1864黑臭河道全年蓝藻门生物密度较高,尤其是位于下游的S18,由于上游营养物质不断富集导致该监测点蓝藻门的种类和生物密度高于其他监测点,而夏季降水后上游来流量增加,破坏了原来的生长环境,降低了浮游植物的生物密度。镇级以上河道和村级河道生物密度季节变化与曹毅等[24]对上海市环城绿带休憩型河道的研究结果较为一致,均为夏秋季高于冬春季。

在本次调查中,5种类型河道夏季浮游植物生物密度普遍较低,这与其他学者所述的WT升高,浮游植物种类和数量增加的结论[25]不一致,可能是与夏季采样正值暴雨过后有关,大量雨水的冲刷降低了河道内浮游植物的生物密度。而且LIU等[26]在对洪门水库进行调查时也发现旱季的多样性指数和丰富度指数明显较高,而雨季的富营养化指数明显低于旱季和正常季,分析是因为在高降水时期,外部水源的稀释减缓了水库的富营养化程度。

3.3 崇明区河道浮游植物分布与环境因子的关系

环境因子的变化会直接或间接影响浮游植物的群落组成和生物密度。如WT降低时,喜低温的硅藻门会成为主要的生物密度贡献者;随着WT的升高,蓝藻门、裸藻门等喜高温的物种取代硅藻门的主体地位,并可能成为新的优势种,而绿藻门适宜生活在WT适中的水体环境中[27]。WT还可以通过影响细胞内酶的活性调节浮游植物的光合作用,改变水体中DO含量,而DO含量的变化会进一步促进或抑制浮游植物的生长繁殖。pH也是重要的影响因素,研究表明浮游植物在碱性的水体中具有更高的初级生产力,更有利于细胞光合作用的进行[28]。Chla含量可以反映出水体中浮游植物生物密度的变化规律[29]。

根据RDA结果可知,水动力断面河道和三查三访河道浮游植物的生物密度受TP的影响较大,村级河道浮游植物的生物密度受TP、DO和WT的影响较大,镇级以上河道浮游植物生物密度受DO、WT和pH的影响较大。水动力断面河道和三查三访河道中的TP含量较高,适合蓝藻门的生长繁殖;村级河道的裸藻门较多,而且WT与其他类型河道相比较高,农村河道较窄,流速不大,符合裸藻门喜高温、静水的特性;各类型河道中,镇级以上河道的SD最高,水体中的悬浮物较少,且DO和WT也较为适宜,有利于浮游植物的生存;1864黑臭河道水质较为浑浊,TN含量较高,DO较低,且受人类活动的影响较大,周边部分居民的环保意识不足,生活污水随意排放,浮游植物群落结构受到环境的综合影响。

3.4 河道水质改善的建议

综合水体营养状况得出,水动力断面河道和镇级以上河道水质最佳,其次是1864黑臭河道与村级河道,三查三访河道最差。水动力是影响崇明区河道水质的重要因素。水动力断面河道和镇级以上河道作为崇明区的主要河道,其河道较宽,水体流速也较快;而1864黑臭河道、村级河道及三查三访河道的监测点多位于农村河道附近,周围遍布住房和农田,农村河道与外界河流的交换大多通过泵闸等设施,交换频率较低,导致河道水动力不足,水体长期处于几乎静止的状态,营养盐慢慢累积,促进了浮游植物的生长与繁殖[30]。因此,建议调节崇明区河道水质可以从增大河道引水量、拓宽河道等措施入手,增大河道水体的上下掺混程度;同时结合新建河道护岸、种植绿化以及水生态治理等工程措施,采用受控漂浮湿地(CFWs)[31],选择生长速度适中、养分吸收效率高并且适合河道环境种植的植物,通过降低营养盐的含量控制浮游植物的生长繁殖,改善河道周边环境;深入推进“民间河长制”,定期对河道进行清淤疏浚,改善农村河道水质情况,加快崇明区建设成为国家生态文明发展的先行区的步伐。

4 结 论

1) 上海市崇明区5种类型河道中镇级以上河道浮游植物种类最多,为175种,水动力断面河道种类最少,为96种;三查三访河道生物密度最大,为2.49×107个/L,水动力断面河道生物密度最小,为4.78×106个/L;1864黑臭河道生物量最大,为6.21 mg/L,水动力断面河道生物量最小,为2.07 mg/L。

2) 水动力断面河道、三查三访河道浮游植物的生物密度主要受TP的影响,村级河道浮游植物主要受TP、DO和WT的影响,镇级以上河道主要受DO、WT和pH的影响,而1864黑臭河道的影响因素较为复杂。

3) 5种类型河道中,水动力断面河道和镇级以上河道水质最佳,其次是1864黑臭河道与村级河道,三查三访河道最差。