周振明,陳朝述,劉可慧,李俊,陳孟林,蔣瑜,于方明*
1. 廣西師范大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,廣西 桂林 541004; 2. 桂林電子科技大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,廣西 桂林 541004;3. 珍稀瀕危動(dòng)植物生態(tài)與環(huán)境保護(hù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 桂林 541004
浮游植物是水生生態(tài)系統(tǒng)的主要初級(jí)生產(chǎn)者,是水生動(dòng)物特別是許多經(jīng)濟(jì)魚類的重要餌料,同時(shí)與水體質(zhì)量的關(guān)系非常密切。不同類群浮游植物對(duì)水體環(huán)境的變化的敏感程度和適應(yīng)能力存在一定的差別,其自身群落結(jié)構(gòu)的變化也可引起河流水質(zhì)的改變,很多浮游植物可以指示水質(zhì)的優(yōu)劣(沈韞芬等,1990;Reynolds,2006),在水生態(tài)系統(tǒng)中具有重要地位。因此,利用浮游植物群落結(jié)構(gòu)的多樣性來監(jiān)測(cè)水體環(huán)境已經(jīng)成為一種重要手段,目前國(guó)內(nèi)外已有大量相關(guān)研究(譚香等,2011;Gabyshev和Gabysheva,2010;吳波等,2007)。
漓江發(fā)源于桂林興安縣境內(nèi)的貓兒山,自北向南流經(jīng)興安、靈川、桂林、陽(yáng)朔,由平樂縣匯入西江,全長(zhǎng)214 km,屬珠江水系。漓江是桂林的母親河,是沿岸城市主要生產(chǎn)、生活水源地,對(duì)桂林市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活起著重要的作用。但近年來隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,漓江上游水利工程大量修建,原始森林砍伐,污染物無序排放,這些行為不可避免地改變水體環(huán)境因子,對(duì)漓江的環(huán)境質(zhì)量和生態(tài)系統(tǒng)平衡造成很大威脅。目前,有關(guān)漓江流域的魚類資源、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、底棲動(dòng)物和著生動(dòng)物已有少許報(bào)道(廖祖荷等,2005;曹艷霞等,2009;曹艷霞等,2010;楊青瑞等,2012),但有關(guān)浮游植物與水質(zhì)變化相結(jié)合的資料還鮮有報(bào)道。因此,為探尋漓江流域浮游植物與水質(zhì)的相互關(guān)系,本文于2012年8月對(duì)漓江桂林市區(qū)段干流水體理化性質(zhì)、浮游植物的種類和密度進(jìn)行了分析,初步了解漓江干流城市段浮游植物的分布特征,并結(jié)合生物多樣性和化學(xué)指標(biāo)對(duì)水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià),以期為保護(hù)漓江水質(zhì)和實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用提供參考,并為漓江水生態(tài)環(huán)境的保護(hù)提供一定的基礎(chǔ)理論依據(jù)。
本研究根據(jù)漓江在桂林市區(qū)的流向和實(shí)際水環(huán)境特點(diǎn),從進(jìn)入市區(qū)的上游趙家橋村開始,到離開市區(qū)的下游王家村結(jié)束,基本上等距離布置采樣點(diǎn),依次為趙家橋村(采樣點(diǎn)1)、南洲橋(采樣點(diǎn)2)、虞山橋(采樣點(diǎn)3)、解放橋(采樣點(diǎn)4)、漓江橋(采樣點(diǎn)5)、王家村(采樣點(diǎn)9),中間在三條支流每條支流入口處設(shè)置一個(gè)采樣點(diǎn),為桃花江入口處(采樣點(diǎn)6)、南溪河入口處(采樣點(diǎn)7)和小東江入口處(采樣點(diǎn)8),共計(jì)9個(gè)采樣點(diǎn)(圖1)。
圖1 采樣點(diǎn)位置布設(shè)圖Fig.1 Sampling Sites in the Guilin City Section of Lijiang River
現(xiàn)場(chǎng)采用便攜式pH計(jì)和溶氧儀測(cè)定水體pH和溶解氧(DO),并在每個(gè)樣點(diǎn)水面以下 0.5 m處采集1000 mL水樣,加硫酸至pH<2,帶回實(shí)驗(yàn)室用于測(cè)定水體高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、總氮(TN)、氨氮(NH4+-N)、硝酸鹽氮(NO3--N)、總磷(TP)等各項(xiàng)理化指標(biāo)。另外在同樣地點(diǎn)采取2000mL水樣用于水體葉綠素(Chla)的測(cè)定。總氮采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法,氨氮采用納氏試劑光度法,硝氮采用酚二磺酸光度法,磷酸鹽采用鉬銻抗分光光度法,高錳酸鹽指數(shù)測(cè)定采用滴定法,葉綠素a的測(cè)定采用丙酮分光光度法測(cè)定(國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》編委會(huì),2002)。
浮游植物定性樣品的采集采用 25號(hào)浮游植物網(wǎng),在水面表層呈“∞”字形來回緩慢撈取浮游植物樣品,并將網(wǎng)內(nèi)濃縮液置于100 mL已加入魯哥氏液的塑料水樣瓶中,帶回實(shí)驗(yàn)室,在光學(xué)顯微鏡(10×40)下鑒定生物種類,浮游植物物種鑒定參考文獻(xiàn)(周鳳霞和陳劍虹,2010;胡鴻鈞和魏印心,2006)。
浮游植物定量樣品采集采用有機(jī)玻璃采水器,在水面以下0.5 m處采集2 L水樣置于已加入15 mL魯哥氏液的塑料瓶中,樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后取1000 mL置于燒杯中靜置,最后濃縮定容至30 mL。測(cè)定時(shí)充分搖勻,用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行定量分析,觀測(cè)的結(jié)果換算成每升水樣含有的植物細(xì)胞個(gè)數(shù),即浮游植物細(xì)胞密度(單位:inh.·L-1)。
1.4.1 水體理化性質(zhì)評(píng)價(jià)
根據(jù)GB3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)水體水質(zhì)理化性質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià);按照HJ/T91—2002《地表水和污水監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》、《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》第四版中的A類方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作和質(zhì)量控制;采用單因子法對(duì)漓江水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。
1.4.2 優(yōu)勢(shì)種的判斷
浮游植物群落優(yōu)勢(shì)種采用優(yōu)勢(shì)度(Y)來判斷,其計(jì)算公式為:Y=(ni×fi)/N,式中N為樣品中的所有生物總數(shù);ni為第i種生物的個(gè)體數(shù),fi為第i種生物在所有樣品中出現(xiàn)的頻率。以優(yōu)勢(shì)度Y>0.02的標(biāo)準(zhǔn)確定優(yōu)勢(shì)種。
1.4.3 浮游植物多樣性評(píng)價(jià)
采用 Shannon-Wiener指數(shù)(H)、Simpson 指數(shù)(D)、豐富度指數(shù)Margalef指數(shù)(d)和均勻度指數(shù)Pielou指數(shù)(J)對(duì)浮游植物的多樣性進(jìn)行評(píng)價(jià),其計(jì)算公式如下:
上述公式中:S為浮游植物種類數(shù);N為同一樣品中所有的生物細(xì)胞總數(shù);ni為第i種生物的細(xì)胞數(shù)。各項(xiàng)指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表1(Whittaker,1972;Magurran,1988;Pielou,1966)。
漓江桂林市區(qū)段水體pH均大于7,呈現(xiàn)中性或偏堿性(表2)。溶解氧(DO)在研究區(qū)段不同采樣點(diǎn)間變化較大,在漓江橋達(dá)到最高值,為9.05 mg·L-1,南溪山河入口處最低,為3.2 mg·L-1。高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)除了在南溪河入口處高達(dá)6.2 mg·L-1外,其他各點(diǎn)均差異不大,在1.87~3.58 mg·L-1之間變化。葉綠素a含量(Chla)從漓江上游往下依次呈現(xiàn)走高趨勢(shì),到南溪河入口達(dá)到最高,之后逐漸降低。TP含量在趙家橋至南州橋江段基本保持穩(wěn)定,而進(jìn)入市區(qū)后呈現(xiàn)先增后降的過程,在南溪河入口處達(dá)到最高值。趙家橋村到漓江橋的水質(zhì)較為穩(wěn)定,總氮呈現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì),而在桃花江入口和南溪河入口處,總氮和氨氮呈現(xiàn)大幅上升走勢(shì),并且在南溪河入口處達(dá)到最大值,之后呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。硝酸鹽氮?jiǎng)t走低,在南溪河入口處達(dá)到最低值。
2.2.1 種類組成
對(duì)漓江桂林市區(qū)段水體浮游植物進(jìn)行調(diào)查分析,共觀測(cè)記錄浮游植物7門60屬128種(表3)。其中硅藻門19屬50種,占種類組成的39.06%;綠藻門27屬52種,占種類組成的40.63%;藍(lán)藻門8屬16種,占種類組成的12.50%;裸藻門3屬7種,占種類數(shù)5.47%;黃藻門、金藻門和甲藻門分別為1屬1種,各占種類組成的0.78%。硅藻和綠藻為主要種類,漓江浮游植物類型為硅藻-綠藻型,其中硅藻門中異極藻屬、羽紋藻屬、舟形藻屬、橋彎藻屬、小環(huán)藻屬和針桿藻屬種類數(shù)居多,綠藻門中鼓藻屬、新月藻屬和柵藻屬種類數(shù)居多。
2.2.2 密度及優(yōu)勢(shì)種
由圖2可知,浮游植物密度在上游趙家橋村到解放橋段呈現(xiàn)小范圍波動(dòng),在漓江橋和桃花江入口處大幅增加,在南溪河入口處達(dá)到最大,隨后逐步減少。其密度波動(dòng)范圍處在10.3×104~1047.0×104ind.·L-1之間,平均密度為474.7×104ind.·L-1。其中密度最小的是趙家橋村,密度最大的是南溪河入口。
漓江水體浮游植物中硅藻門在密度上占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)(表4),其密度總和為3384.89×104ind.·L-1,占總密度的79.23%;其次是綠藻,總密度為783.40×104ind.·L-1,占總密度的18.34%。硅藻和綠藻的密度占到總浮游植物類群的97.57%,漓江水體類型為硅藻-綠藻型,屬寡污帶。
浮游植物優(yōu)勢(shì)種依次為冠盤藻S.tephanodiscus(優(yōu)勢(shì)度指數(shù)為0.242,下同)、蛋白核小球藻C. pyrenoidosa(0.148)、喙頭舟形藻N.rhynchocephala(0.033)、短小舟形藻N.exigua(0.037)、廣緣小環(huán)藻C.Bodanica(0.060)、四尾柵藻S.quadricanda(0.035)、肘狀針桿藻S.ulna(0.020)。優(yōu)勢(shì)種一般為指示性浮游植物,7種優(yōu)勢(shì)植物中有5種屬于硅藻門,其余2種屬于綠藻門,硅藻占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)地位。
表1 水質(zhì)生物多樣性指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Water Quality Evaluation Criteria for Water with Biodiversity Index
表2 漓江桂林市區(qū)段主要水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)Tab.2 Water Quality Data of the Lijiang River
表3 漓江桂林市區(qū)段水體浮游藻類的種類組成Tab. 3 Composition of Phytoplankton Species in Guilin City Reach of Lijiang River
續(xù)表3
圖2 漓江桂林市區(qū)段各采樣點(diǎn)浮游植物密度Tab.2 Density of Phytoplankton in Each Sampling Points of Guilin City Section of Lijiang River
表4 漓江桂林市區(qū)段浮游植物各類群的密度(×104 ind.·L-1)Tab.4 Density of Different Phytoplankton in Guinlin City Section of Lijiang river
漓江浮游植物四種生物多樣性指數(shù)中Shannon-Wiener指數(shù)(H)在2.2~4.27之間波動(dòng),平均值為3.67;Margalef指數(shù)(d)在2.58~4.23之間波動(dòng),平均值為3.10;Pielou指數(shù)(J)在0.40~0.83之間波動(dòng),平均值為0.68;Simpson指數(shù)(D)波動(dòng)范圍較大,在2.24~15.24之間,平均值為8.39(表5)。
從表5可以看出,四種生物多樣性指數(shù)對(duì)所選9個(gè)采樣點(diǎn)的評(píng)價(jià)結(jié)果不完全一致。Shannon-Wiener多樣性指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果表明,桃花江入口處(采樣點(diǎn)6)、南溪河入口處(采樣點(diǎn)7)和小東江入口處(采樣點(diǎn)8)為β-中污型,其余均為清潔-寡污型。Margalef多樣性指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果表明,采樣點(diǎn)5、8和9為清潔-寡污型,采樣點(diǎn)7為α-中污型,其余為β-中污型。Pielou指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果表明,樣點(diǎn)6、7和8為β-中污型,其余為清潔-寡污型。Simpson多樣性指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果表明,樣點(diǎn)6和7為β-中污型,其余為清潔-寡污型。綜合4種多樣性指數(shù)評(píng)價(jià)漓江水質(zhì),采樣點(diǎn)6,7和8水質(zhì)存在一定污染,為β-中污型,其余各樣點(diǎn)污染較輕屬清潔-寡污型。
為了更好地探討漓江水體各種理化指標(biāo)和生物指標(biāo)之間的相互關(guān)系,統(tǒng)計(jì)分析其相關(guān)性,結(jié)果見表6。
由表6可知,由于pH值在考察的河流段變化均不大,與其他指標(biāo)相關(guān)性較弱。Chla與大部分指標(biāo)都呈現(xiàn)一定的相關(guān)性,其中與CODMn、TP、NH4+-N、TN呈極顯著正相關(guān)(p<0.01),與DO和NO3-N呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05)。細(xì)胞密度與TN呈極顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01),與NH4+-N呈顯著正相關(guān)(p<0.05),與DO呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05)。Shannon-Wiener多樣性指數(shù)H與DO呈極顯著正相關(guān)(p<0.01),與NH4+-N和TN呈極顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01),與CODMn和TP呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05)。Margalef多樣性指數(shù)d與各項(xiàng)理化指標(biāo)的關(guān)系不顯著。Pielou指數(shù)J與Simpson多樣性指數(shù)D一致性較強(qiáng),均與DO呈顯著正相關(guān)(p<0.05),與NH4+-N和TN呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05)。
表5 漓江水體四種多樣性指數(shù)及其水質(zhì)評(píng)價(jià)Tab.5 Values and Assessment of Four Biodiversity Indexes of Plankton
表6 漓江水體各指標(biāo)相關(guān)性分析Tab.6 The Correlation Analysis in Guinlin City Section of Lijiang River
理化指標(biāo)監(jiān)測(cè)由于可以迅速判斷水質(zhì)的優(yōu)劣而在水環(huán)境值監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)中占據(jù)著非常重要的作用。漓江市區(qū)段水體中各項(xiàng)理化指標(biāo)在漓江橋上游一直表現(xiàn)平穩(wěn),但在桃花江入口處開始變動(dòng)較大,CODMn、TN、氨氮含量均從此處開始增大,到南溪河入口處則大幅度增加,此后又逐步降低。而溶解氧正好相反,在南溪河入口處達(dá)到最低值。理化指標(biāo)的變動(dòng)說明在有支流流入的漓江斷面水質(zhì)開始變壞,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果,分析導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因可能是漓江在市區(qū)內(nèi)的三條支流接納了來自上游的不同性質(zhì)的污染物。桃花江的上游是桂林市西邊的大片農(nóng)田,其污染源主要是農(nóng)田施肥和農(nóng)藥;而南溪河的上游為大片居民區(qū)和釀酒廠,居民區(qū)和釀酒廠的有機(jī)污水日復(fù)一日排入南溪河,致使南溪河污染嚴(yán)重;小東江上游也主要是農(nóng)田和一家醬料廠。上游的靈劍溪水體污染本很嚴(yán)重(朱繼蕤和郝爽,2009),但是在七星公園處與漓江的一條小支流匯合使得污染有所減輕。有機(jī)物和營(yíng)養(yǎng)組分的超標(biāo)排放和分解消耗了大量的溶解氧,并且入河口處的水流速度大幅降低,其中南溪河入口的水流近乎停滯,這導(dǎo)致水體換氣速度降低,從而導(dǎo)致溶解氧大幅下降,進(jìn)而導(dǎo)致排入的有機(jī)污染物得不到充分的降解而日益累積在水體中,造成支流入河處水域的嚴(yán)重污染。
一般認(rèn)為,水體中存在有機(jī)物質(zhì)時(shí),浮游植物能夠分解有機(jī)物質(zhì)成為自身的營(yíng)養(yǎng)。因此,當(dāng)水體中有機(jī)物質(zhì)增多時(shí),浮游植物便會(huì)增加繁殖,種類和密度就會(huì)增加(姜雪芹等,2009)。而氮磷等營(yíng)養(yǎng)元素的增加在一定范圍內(nèi)可以促進(jìn)浮游植物密度的增加,當(dāng)?shù)诐舛仍黾拥揭粋€(gè)限值時(shí),不能適應(yīng)的浮游植物死亡,而能夠適應(yīng)的浮游植物大量繁殖,浮游植物密度大幅增加,生物多樣性指數(shù)降低。漓江市區(qū)段的水體中,Chla含量在漓江橋上游一直處于較低水平,在桃花江入口處開始增加,到南溪河入口處達(dá)到最大,表明在三條支流入口處存在大量的有機(jī)物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),這與理化指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果一致。水體中Chla與CODMn、TP和TN均成極顯著正相關(guān),其含量增加源于水體中藻類的大量繁殖,在桃花江入口處、南溪河入口處和小東江入口處浮游植物細(xì)胞密度均大幅增加。其中南溪河入口處水體中的浮游植物細(xì)胞密度已經(jīng)大于100×104ind.·L-1,且綠藻密度急劇增多,出現(xiàn)大量諸如蛋白核小球藻和冠盤藻等能產(chǎn)生較多Chla的藻類。
漓江市區(qū)段河流水體中浮游植物在種類上以綠藻最多,其次是硅藻,二者合計(jì)占總種數(shù)的79.53%;在細(xì)胞密度上則以硅藻最多,綠藻次之,二者合計(jì)占比更是高達(dá)97.57%,因此水質(zhì)類型主要為硅藻-綠藻型。就優(yōu)勢(shì)種而言,舟形藻、針桿藻、脆桿藻、卵形藻和柵藻在每個(gè)斷面均有出現(xiàn),其中綠藻門中的柵藻屬β-中污類指示種類,從漓江上游往下數(shù)量依次增多。綠藻門的核蛋白小球藻和硅藻門的冠盤藻在漓江橋上游水體中僅少量被發(fā)現(xiàn),但在下游三條支流入口處大量出現(xiàn),而藍(lán)藻門的顫藻在桃花江入口處才出現(xiàn),這些藻類都是一些中污性指示生物,指示從漓江橋斷面以下水質(zhì)開始變差。有研究(Smith,1983)指出,當(dāng)水體中TN與TP的質(zhì)量比小于29:1時(shí),藍(lán)藻門種類更容易繁殖。本研究所考察的9個(gè)采樣點(diǎn)中,南溪河入口處TN與TP的質(zhì)量比最低,為9.5:1,其藍(lán)藻門細(xì)胞密度最大。
生物多樣性指數(shù)隨著種類數(shù)的增加而增大,其指數(shù)值與水體污染程度成反比(況琪軍等,2004;Tian等,2013)。漓江市區(qū)段水體中浮游植物的 4種多樣性指數(shù)在漓江橋上游均保持較高水平,其中 Shannon-Wiener指數(shù)(H)在3.67以上,Simpson指數(shù)(D)大于 6.16,Margalef指數(shù)(d)大于2.50,Pielou指數(shù)(J)大于0.66.指數(shù)值總體較高說明漓江水體中浮游植物群落結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定,受外界環(huán)境的影響較小,水質(zhì)屬于清潔型。但到三條支流的入口處,4種指數(shù)的值均快速下降,最低分別達(dá)到1.60、2.24、1.85、0.40,水質(zhì)為 β-中污型到 α-中污型。浮游植物在各個(gè)采樣斷面存在較大差異,除了溫度、水流、光照和水中各種環(huán)境因子外,還有種間關(guān)系作用(Adel 和Roger,2005)。侯偉等(侯偉等,2011))研究指出,TN是影響浮游植物群落結(jié)構(gòu)的主要因素,營(yíng)養(yǎng)水平可以影響浮游植物數(shù)量和種類組成。從各指標(biāo)的相互關(guān)系也可以看出,4種生物指數(shù)中,Shannon-Wiener指數(shù)(H)、Pielou指數(shù)(J)和Simpson指數(shù)(D)與DO呈正相關(guān)關(guān)系,而與CODMn、TP和TN等指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,DO、CODMn、TP和TN均為浮游植物群落結(jié)構(gòu)重要的影響因素,不同采樣點(diǎn)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)不同導(dǎo)致浮游植物群落特征分布也有所差異。生物多樣性指數(shù)對(duì)水質(zhì)的評(píng)價(jià)結(jié)果與理化指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致。
(1)漓江市區(qū)段水體水質(zhì)在漓江橋上游比較穩(wěn)定,DO較高,有機(jī)物和營(yíng)養(yǎng)元素含量較低,但在三條支流入口處有機(jī)物和營(yíng)養(yǎng)元素含量大幅升高,DO大幅降低。從理化指標(biāo)來看,漓江干流水質(zhì)總體較清潔,在支流入口處污染較為嚴(yán)重。
(2)漓江市區(qū)段水體浮游植物群落在種類上以綠藻門最多,其次為硅藻門,二者合計(jì)占總種數(shù)的79.53%,而在細(xì)胞密度上則以硅藻門最多,綠藻門次之,二者合計(jì)占總密度達(dá)97.57%,優(yōu)勢(shì)種也以硅藻類為主。漓江水質(zhì)類型為硅藻-綠藻型。
(3)Shannon-Wiener指數(shù)H、Simpson指數(shù)D、Pielou指數(shù)J和Margalef指數(shù)d對(duì)水質(zhì)的評(píng)價(jià)結(jié)果與理化指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致,漓江橋上游水體為清潔-寡污帶,三條支流入口處為β-中污帶。利用細(xì)胞密度評(píng)價(jià)顯示南溪河入口處為β-中污型,其他采樣點(diǎn)為寡污-β-中污型。
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