摘要:为研究土地利用类型和水环境因子对浮游植物群落的影响,于2022年1月和7月对北江韶关段主要支流墨江、锦江、武江和南水河的25个采样点进行了浮游植物和环境因子的调查监测。在枯水期,共检测到浮游植物6门69种;在丰水期,共检测到浮游植物6门68种。无论是在枯水期还是丰水期,硅藻门和绿藻门的物种总数占比均超过80%。丰水期浮游植物的平均密度(5.65×105 cells·L-1)和生物量(1.20 mg×L-1)均明显高于枯水期(2.89×105 cells·L-1、0.72 mg·L-1)。Shannon-Wiener多样性指数(H’)和Margalef指数(D)表明,枯水期的物种多样性高于丰水期,而Pielou均匀度指数(J)在不同时期的值相近。选择pH、水温(WT)、浊度(TUR)、高锰酸盐指数(CODMn)、总氮(TN)、总磷(,rP)作为主要水环境因子进行冗余分析(RDA),结果表明,在枯水期,3 000m缓冲区土地利用类型面积占比与水环境因子对浮游植物的变化具有最大解释能力(56.94%);在丰水期,1200 m缓冲区土地利用类型面积占比与水环境因子可最大程度解释浮游植物的变化情况(43.91%);在枯水期,WT是影响硅藻分布的主要环境因子,绿藻和蓝藻主要受TP和CODMn的影响,隐藻主要受林地面积比例和pH的影响;在丰水期,蓝藻和隐藻主要受pH、水域和林地面积比例的影响,硅藻主要受TP、CODMn和建筑用地面积比例的影响,绿藻主要受WT和TUR的影响。研究表明,不同水期浮游植物的影响因子存在差异,识别主要影响因子有利于制定合理的水生态修复及保护措施,以保证浮游植物多样性和水生态系统平衡与健康。
关键词:北江;浮游植物;群落结构;土地利用类型;水环境因子
中图分类号:Q948.8 文献标志码:A 文章编号:1672-2043(2024)08-1846-13 doi:10.11654/jaes.2023 -0862
作为水体的初级生产者,浮游植物是水生态系统食物网的重要组成部分,在能量流动和物质循环方面发挥关键作用。浮游植物可对水体理化因子的变化做出响应,并通过群落结构的变化反映水环境质量。杜红春等研究认为季节和污染源变化会影响浮游植物群落结构,考察浮游植物群落变化特征可揭示汉江中下游的水生态环境质量。白海锋等识别出渭河陕西段枯水期浮游植物群落的重要影响因子是总磷、pH和总溶解性固体,丰水期则为总磷和高锰酸盐指数,并指出可通过浮游植物多样性指数表征研究河流的水体质量。目前,河岸缓冲区土地利用类型与水体质量的关系是重要研究内容。王鹏等发现水体质量与其河岸带土地利用类型密切相关,其中耕地与建设用地占比上升会降低水质,而草地和林地比例上升会对水质产生积极作用。王小平等和Pratt等发现不同河岸缓冲区尺度下土地利用类型对水质的影响存在差异。彭勃等发现土地利用类型与水质之间的关系受到水期差异的影响。由此可知,河岸缓冲区土地利用类型可与水环境因子共同影响水体浮游植物群落结构。
韶关是广东省北部生态屏障的重要组成部分。北江作为韶关重要河流,其充足的水资源为韶关社会经济发展提供保障,保护北江水生态环境有助于筑牢生态屏障。近年来,城市化推进和农业开发等人类活动对北江水环境造成了不良影响。当前,水环境监测评价的要求逐步从水质要素转变为水生态综合要素,水环境管理目标则从水质优良提升至水生态健康。研究认为,土地利用类型和水环境因子的变化会影响浮游植物群落,分析浮游植物群落演替及其与影响因子的关系,可为水体的生态管理提供理论依据。研究北江韶关段主要支流浮游植物群落结构变化特征,并探索其对影响因子的响应,有助于评估其水生态环境健康状况。
本研究通过对北江韶关段主要支流的25个监测断面开展浮游植物、水环境因子和土地利用类型调查,研究枯、丰水期浮游植物的物种、密度、生物量、生物多样性等变化特征,分析浮游植物群落和水环境因子及土地利用类型的相关性,以期为北江韶关段河流的水生态环境监控、治理、修复、保护提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 研究区域及采样点
墨江、锦江、武江和南水河均为北江韶关段支流。墨江位于韶关市始兴县境内,全长89 km,流域面积1 367 km2;锦江位于韶关市仁化县境内,全长108km,流域面积1 913 km2;武江发源于湖南临武县三峰岭,在韶关市境内流经乐昌、乳源、曲江等县区,全长260 km,流域面积7 079 km2;南水河发源于韶关乳源县五指山安墩头,流经乳源、曲江等县区,全长104km,流域面积1 489 km2。选择在2022年1月(枯水期)及7月(丰水期)开展野外采样工作。根据实测数据可知,墨江、锦江、武江和南水河2022年1月流量分别为14.0、15.1、43.2、18.6 m3·s-1,而2022年7月流量分别为40.8、50.9、128.4、44.2 m3·s-1。本研究针对广东省北江韶关段主要支流区域,共设置25个采样点位(图1)。采样点位布设主要遵循以下原则:优先选择研究水体中具有历史调查数据的点位;充分考虑河道地貌形态、沿岸土地利用状况、水文及水力学状况等特征差异;规避污水排放及支流汇合处等水质不均匀的区域;避开闸坝下方、桥梁下和渡口等不利于水生物调查采样的区域。采样调查工作均避开降雨密集时期。
1.2 样品采集与测定
1.2.1 浮游植物采集及测定
参照《淡水浮游生物研究方法》进行浮游植物样品采集与处理。浮游植物定性样品:使用25*浮游生物网(孔径0.064 mm)在水面下0.5 m以“∞”字形拖动3-5 min,将所得滤液放入采样瓶并用4%甲醛溶液固定。浮游植物定量样品:使用1L的有机玻璃采水器采集水面下0.5 m处水样,并加入15 mL鲁哥试剂摇匀固定,所得样品带回实验室静置48 h后,采用虹吸法将样品浓缩至50 mL。取浓缩后的0.1 mL样品在40×10倍标准光学显微镜下进行种类鉴定和计数。参照《中国淡水藻类——系统、分类及生态》进行种类鉴定。根据细胞体积的测定计算浮游植物生物量,即把1 mm3细胞体积换算为1 mg鲜质量生物量。
1.2.2 水环境指标测定
水环境指标样品与浮游植物样品同步采集,采集方法依据《地表水环境质量监测技术规范》(HJ 91.2-2022)。水温(WT)、pH、溶解氧(DO)采用便携式水质分析仪(Hydrolab DS5X)现场测定,透明度(SD)采用塞式透明度盘测定,高锰酸盐指数(CODMn)、氨氮(NH3-N)、总磷(TP)、总氮(TN)、浊度(TUR)等指标的测定参考《水和废水监测分析方法》。
1.2.3 河岸带土地利用类型数据
本文基于2020年广东省土地利用矢量数据,采用ArcGIS Pro软件中的缓冲区、矢切割工具提取采样点河岸带土地利用研究范围。研究区河网密布,采样点位水质受多方来水影响,因此宜采用以采样点为中心的圆形缓冲区作为分析单元。缓冲区半径划分主要依据采样点水域宽度及区域水环境与土地利用的尺度效应研究来确定,根据研究区的范围和河岸土地利用类型特征,以采样点为中心划定了600、900、1 200、2 000、3 000 m和5 000 m共6个尺度缓冲区,分别进行土地利用类型提取。其次参照中国科学院资源环境数据中心的土地利用分类系统,结合研究区情况,将河岸带土地利用类型分为林地、耕地、建筑用地、园地、水域5个大类。
1.3 数据处理与分析
采用Shannon-Wiener多样性指数(H')、Pielou均匀度指数(J)、Margalef指数(D)和优势度(Y)描述各采样断面浮游植物群落特征。具体计算公式见公式(1)-公式(4)。
式中:Pi=ni/N,只为第i种浮游植物密度与总密度的比值;ni为第i种浮游植物密度;N为浮游植物总密度;S为浮游植物物种数;fi为第i种浮游植物在各采样断面的出现频率。将Y≥0.02的浮游植物定为优势种。
其中,H’用于描述物种个体出现的紊乱及不确定性,J用于评价物种多样性水平,D用于指示群落/生境中物种数量多寡。上述多样性指数水质评价标准如表1所示。
本文使用Excel 2021处理所得实验数据,采用ArcGIS Pro V2.5和Origin 2021进行图形分析与绘制,应用SPSS Statistics 27对数据进行方差分析(ANO-VA)。使用CANOCO for Windows 5.0中的束缚型排序方法分析浮游植物群落与影响因子之间的相关性。其中,浮游植物门类密度作为物种数据源,土地利用类型面积比例和水环境因子参数作为影响因子数据源,构成物种与影响因子矩阵。由群落分布去趋势对应分析(Detrended Correspondence Analysis,DCA)结果可知,不同缓冲区尺度及水期Gradient length的第一轴均小于3.00,因此可选用冗余分析(Redundancy analy-SIS,RDA)。物种及影响因子数据(pH除外)均进行lg(x+1)标准化处理。
2 结果与分析
2.1 浮游植物群落结构特征
2.1.1 浮游植物物种组成及优势类群
北江韶关段4支研究水体枯水期共检出浮游植物6门69种,其中:硅藻门38种,占比55.07%;绿藻门23种,占比33.33%;隐藻门、蓝藻门、甲藻门、裸藻门共计8种,总占比11.60%。丰水期共检出浮游植物6门68种,其中:硅藻门34种,占比50.00%;绿藻门23种,占比33.82%;蓝藻门、隐藻门、甲藻门、裸藻门共计11种,总占比16.18%。如图2所示,相比于枯水期,研究支流丰水期绿藻门和蓝藻门占比上升,硅藻门占比下降。枯水期的隐藻门占比高于丰水期,而不同水期甲藻门、裸藻门仅在零星采样点位出现。研究支流浮游植物结构为硅藻—绿藻型,而蓝藻门、隐藻门也占据一定比例。
研究水体不同水期共划分浮游植物优势种4门24种,各支流枯水期和丰水期优势种及优势度如表2所示。从水期来看,硅藻门的变异直链藻(Melosiravarians)在墨江的两个水期均为优势种,硅藻门的膨胀桥弯藻(Cymbella tumida)在锦江为主要优势种,硅藻门的颗粒直链藻(Aulacoseira granulata)和梅尼小环藻(Cyclotella meneghiniana)在武江为主要优势种,硅藻门的放射舟形藻(Navicula radiosa)和梅尼小环藻在南水河为主要优势种。从空间优势度来看,墨江的主要优势种为硅藻门的扁圆舟形藻(N. paZcentula)、颗粒直链藻和变异直链藻,以及绿藻门的四尾栅藻(Scenedesmus quadricauda);锦江的主要优势种为硅藻门的变异直链藻和膨胀桥弯藻,以及绿藻门的环丝藻(Ulothrix zonata);武江的主要优势种为硅藻门的颗粒直链藻、绿藻门的单角盘星藻(PediasCmm simplex)和蓝藻门的纤细席藻(Phormidium tenue);南水河的主要优势种为硅藻门的华丽星杆藻(Asterionella for-mosa)、放射舟形藻和梅尼小环藻,以及蓝藻门的微小平裂藻(Merismopedia tenuissima)。
2.1.2 浮游植物细胞密度及生物量
如图3(A)所示,枯水期研究水体采样点位的浮游植物密度变化范围为1.90×104-7.05×10s cells·L-1,平均值为2.89×105 cells·L-1:浮游植物的生物量变化范围为0.03-2.07 mg·L-1,平均值为0.72 mg·L-1。如图3(B)所示,丰水期研究水体采样点位的浮游植物密度变化范围为1.44×105-1.32×106 cells·L-1,平均值为5.65×105 cells·L-1;浮游植物的生物量变化范围为0.24-4.13 mg·L-1,平均值为1.20 mg·L-1。不同水期浮游植物密度均取决于硅藻门和绿藻门的密度,其中枯水期上述两个门类占总细胞密度的90.38%,而丰水期二者的密度占比为86.93%。蓝藻门在丰水期的密度占比(10.53%)高于枯水期(5.97%)。浮游植物生物量在不同水期均取决于硅藻门,硅藻门的枯水期和丰水期生物量占比分别为87 .24%和82.15%。丰水期浮游植物的密度约为枯水期的1.9倍,而生物量约为枯水期的1.7倍。
2.1.3 浮游植物生物多样性指数
不同水期浮游植物多样性指数变化如图4所示。枯水期墨江H'、J、D的均值分别为2.23、0.90、0.91;锦江各采样点位H'、J、D的均值分别为1.88、0.78、0.90;武江各采样点位H'、J、D的均值分别为1.47、0.60、0.81;南水河各采样点位H'、J、D的均值分别为1.78、0.87、0.70。丰水期墨江各采样点位H'、J、D的均值分别为1.80、0.80、0.65;锦江各采样点位H'、J、D的均值分别为1.64、0.88、0.48;武江各采样点位H'、J、D的均值分别为1.45、0.74、0.51;南水河各采样点位H'、J、D的均值分别为1.60、0.84、0.47。其中,4条研究支流H'和D的变化趋势具有相似性。整体而言(图5),研究支流枯水期的H,均值(1.81)、D均值(0.83)高于丰水期(1.61、0.52),而枯水期的J均值(0.77)低于丰水期(0.81)。
2.2 影响因子变化特征
2.2.1 水环境因子变化特征
研究水体采样点位不同水期环境因子变化特征如表3所示。单因素方差分析结果表明,WT、pH、D0、TN在不同水期差异显著(P<0.05)。尽管不同水期CODMn、NH3-N、TP、TUR、SD的差异性不显著,但这些因子也受到水期变化的影响。其中,枯水的期D0、CODMn、NH3-N、TN、SD的均值高于丰水期,而WT、pH、TUR的均值低于丰水期,TP在不同水期的均值差异很小。
2.2.2 土地利用类型特征
北江研究水体不同尺度缓冲区的土地利用类型存在差异,总体上以林地、耕地和建筑用地为主(图6)。在所有5种土地利用类型中,面积占比排序为林地(62.03%)>耕地(13.93%)>建筑用地(10.47%)>水域(7.90%)>园地(5.67%)。随着缓冲区尺度增加,林地和园地的面积占比均值逐渐上升,耕地、建筑用地和水域的占比均值逐渐下降。相比于上游区域,墨江、武江、南水河的下游河岸缓冲区林地面积比例出现了下降,而耕地、建筑用地、园地等面积上升,表明这3条支流的下游为居民生活区域。此外,锦江J4和J5、武江WI和W2及W5-W7、南水河N3和N4等区域的土地利用类型显示其为人类聚集区。
2.3 浮游植物群落结构与影响因子的关系
2.3.1 重要水环境因子提取
对研究水体两个水期的水环境因子进行标准化处理,随后进行Spearman相关性分析。如图7所示,水环境因子中SD与TUR、NH3-N与pH呈极显著相关关系(P<0.01),D0与WT呈显著相关关系(P<0.05),因此考虑选择TUR、pH、WT作为重要水环境因子。此外,氮和磷是藻类生长的重要限制因子,而CODM。与浮游植物的变化密切相关。由此,选择TUR、pH、WT、TN、TP、CODM。等水环境因子参与下一步分析工作。
2.3.2 最优缓冲区尺度识别
使用CANOCO 5.0分析土地利用类型与重要水环境因子对浮游植物群落结构变化的解释能力,进而筛选出对浮游植物影响最大的缓冲区尺度。如表4所示,在枯水期环境下,土地利用类型及水环境因子对浮游植物群落影响的缓冲区尺度排序为3 000 m>600 m>2 000 m>1 200 m>900 m>5 000 m,即缓冲区尺度为3 000 m时,土地利用类型及水环境因子对浮游植物的解释率最大,为56.94%;在丰水期环境下,土地利用类型及水环境因子对浮游植物群落影响的缓冲区尺度排序为1 200 m>600 m>900 m>2 000 m>5 000 m>3 000 m,即缓冲区为1200 m时,土地利用类型及水环境因子对浮游植物的解释率最大,为43.91%。
2.3.3 浮游植物群落结构与影响因子的RDA分析
选择重要水环境因子pH、WT、TUR、CODM。、TN、TP和3 000 m缓冲区条件下林地、耕地、建筑用地、水域、园地面积比例与枯水期浮游植物优势种密度进行RDA分析;丰水期则选择上述水环境因子和1200 m缓冲区上述土地利用类型面积比例与浮游植物优势种密度进行RDA分析。如图8(A)所示,枯水期RDA排序图显示WT是研究支流硅藻分布的主要影响因子;绿藻和蓝藻分布则主要受到TP和CODM。的影响;隐藻分布的主要影响因子为林地面积比例和pH。如图8(B)所示,丰水期RDA排序图显示蓝藻和隐藻分布的主要影响因子为pH、水域和林地面积比例;TP、CODMn和建筑用地面积比例对硅藻分布影响显著;绿藻主要受到WT和TUR的影响。
3 讨论
3.1 浮游植物群落结构特征
北江韶关段研究支流浮游植物群落组成主要为硅藻—绿藻型,其中枯水期绿藻门物种数与丰水期相当,硅藻门高于丰水期,其他门类则低于丰水期。研究支流浮游植物密度取决于硅藻门和绿藻门,其中枯水期这两个门类密度占比分别为72%和18%,丰水期则分别为62%和25%。Sommer等研究发现丰水期高温条件下硅藻门和隐藻门的密度下降,而绿藻门和蓝藻门的密度逐渐上升,这与本研究浮游植物群落变化特征规律一致。研究支流不同水期硅藻门物种数和密度均占比最大,优势种数量也高于其他浮游植物门类。由图3可知,除个别监测点位,研究支流下游浮游植物密度和生物量高于上中游,即下游水体营养程度较高,水质较差。一般而言,由于沿程生活污水和工农业废水的排放,水体污染物质自上游到下游呈现逐渐富集的趋势。值得注意的是,枯水期墨江点位M3和M5、武江点位W3、南水河点位N2分布于拦河坝附近,这些点位的浮游植物密度高于其下游点位。鲍林林等研究发现拦河坝会改变所在河段水动力条件,从而提高富营养化程度。由于丰水期河流水量的增加会减轻拦河坝富集营养物质的能力,上述点位的浮游植物生长能力提高不明显。如图3所示,各监测点位枯水期浮游植物密度基本都低于丰水期,而锦江J1和J3、南水河N2密度高于丰水期。周静等研究发现高流速会抑制浮游植物生长繁殖。上述点位所在上游河段坡度大、流速快,且丰水期的高雨量条件进一步增加了流速,导致浮游植物密度下降。
可用多样性指数评价研究支流的生物资源丰富度及质量状况。一般来说,多样性指数值越高,则浮游植物群落结构越稳定,研究水体质量越高。唐涛等研究发现H'、J、D可用于评价水体质量,且指数之间可以互相参考。本研究H'指示锦江、武江、南水河处于α-中污染状态,墨江水质总体优于其他支流,但也处于中污染状态;D指示研究支流许多监测点位处于重污染状态;J则显示研究水体大部分属于清洁—轻度污染状态。研究认为,J主要用于分析浮游植物群落个数的分配状况,用其指示水质常优于H'和D。此外,相比于反映群落物种数目多寡的指数D,主要指示区域物种多样性的指数H'显示研究水体的受污染程度较低。陈红等和君珊等研究发现指数H'对河流水质状况的评价明显优于指数D。由此可知,多样性指数的水质评价能力有待进一步完善。
3.2 环境因子与浮游植物群落关系分析
研究认为,水体浮游植物的形成及变化与环境因子密切相关。大龙潭河流型水库浮游植物群落结构变化的主要影响因子为pH、WT和CODMn,其中pH影响藻类的碳物质吸收及酸碱度环境,WT可直接控制浮游植物的呼吸/光合作用强度,而CODMn则与藻类分解释放有机物相关。金沙江中下游浮游植物功能群分布格局的关键驱动因子为TUR、氮营养盐和WT。白海锋等研究渭河陕西段浮游植物群落结构变化情况,发现枯水期和丰水期的影响因子存在差异,但TP是不同水期共有的主要影响因子。当前土地利用结构与地表水体质量的关联性分析是国内外的研究热点。沿岸土地通过能量流动和物质循环过程影响水体理化指标,进而驱动水体浮游植物的健康状态。如前所述,枯水期条件下3 000 m缓冲区尺度的环境影响因子对浮游植物的解释率最大,而丰水期解释率最大的缓冲区尺度为1200 m。丰水期降雨量较大,对土地的冲刷作用较强,土壤物质随地表径流进入河量较多,在较小的缓冲区尺度下即可对水体环境及浮游植物产生影响;而枯水期则需要较大的缓冲区尺度才能对水体产生影响。
由RDA图分析可知,枯水期硅藻门与WT呈正相关关系[图8(A)]。Canale等研究认为硅藻门在低温条件下易成为优势种群。孙祥等发现,春季低温环境下某些硅藻的生物量随着温度上升而升高,这与本文硅藻门的总体变化趋势一致。如表2所示,枯水期硅藻门中的梅尼小环藻是墨江、武江、南水河的优势种。张志纯研究发现梅尼小环藻的生长速率与温度成正比,温度升高有利于藻细胞吸收营养盐。此外,枯水期变异直链藻为墨江和锦江的重要优势硅藻种,颗粒直链藻是锦江的优势硅藻种。张正德等研究发现变异直链藻和颗粒直链藻等硅藻在低温环境下呈现生长优势,且与温度呈正相关关系。枯水期绿藻门与蓝藻门均与TP和CODM。呈正相关关系。杨震等研究发现TP是蓝绿藻生长的重要影响因素,石晓丹等侧认为低温环境下TP是蓝绿藻密度的重要限制因子。蓝藻门在低温条件下易分解释放有机物,而张运林等研究发现有机物指标CODMn与蓝藻密度呈极显著正相关关系,该结果与本研究结果一致。枯水期隐藻门的主要影响因素是pH和林地面积比例。詹德昊等研究发现隐藻门在低温环境下具有生长优势,其光合作用过程会引起水体pH上升。Nankabirwa等认为隐藻是较好水体的指示物种,而朱为菊则认为隐藻的出现是水体有机污染的反映。一般来说,林地被认为能够汇集污染物,这种土地类型面积占比与关联水体质量呈正比关系。丰水期隐藻门和蓝藻门的主要影响因素为pH、林地和水域面积比例。研究支流蓝藻门优势种微小平裂藻具有广适性,可在多种营养程度的水体中生长。丰水期硅藻门主要受到建筑用地面积比例、TP、CODMn的影响。研究认为,建筑用地区域不仅会增加生活污水和生活垃圾等非点源污染,其不透水下垫面也会加快径流的形成,导致降雨期间污染物随地表径流进入水体的速度加快。丰水期WT和TUR与绿藻门呈正相关关系。安睿等研究发现,绿藻可在低光照、高浊度条件下表现出较强的生长繁殖能力。
4 结论
(1)北江韶关段支流的浮游植物群落结构为硅藻—绿藻型。其中,枯水期检出浮游植物6门69种,丰水期检出浮游植物6门68种,不同水期共划分优势种4门24种;丰水期的浮游植物密度和生物量都高于枯水期;多样性指数Shannon-Wiener和Margalef表明枯水期水体质量高于丰水期,而Pielou均匀度指数指示不同水期水体质量相近。
(2)不同水期水环境因子存在显著差异,其中溶解氧(DO)、高锰酸钾指数(CODMn)、氨氮(NH3-N)、总氮(TN)、透明度(SD)在枯水期较高,水温(WT)、pH、浊度(TUR)在丰水期较高,总磷(TP)在不同水期差异性低;不同尺度缓冲区的土地利用类型面积比例存在差异,总体上面积比例排序为林地>耕地>建筑用地>水域>园地。
(3)冗余分析结果显示,3 000 m缓冲区条件下影响因子对枯水期浮游植物群落结构变化具有最大解释能力,而1200 m缓冲区条件下影响因子对丰水期浮游植物群落结构变化具有最大解释能力。枯水期硅藻主要受WT影响,绿藻和蓝藻的分布主要受TP和CODMn影响,隐藻分布则主要受林地面积比例和pH影响;丰水期蓝藻和隐藻主要受pH、水域和林地面积比例影响,硅藻主要受TP、CODMn、建筑用地面积比例影响,绿藻的主要影响因子为WT和TUR。考察浮游植物的主要影响因子,有助于分析浮游植物群落结构特征和演替过程,从而制定相应的水体修复及保护措施,以维持水生态系统的平衡与健康。
(责任编辑:李丹)
基金项目:广东省重点领域研发计划项目(202081111350001);广东省省级科技计划项目(202280202160007)