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    黃河下游典型水庫浮游植物群落結(jié)構(gòu)及其與環(huán)境因子的關(guān)系

    2018-05-22 08:50:12孫韶華趙清華賈瑞寶
    水資源與水工程學(xué)報 2018年2期
    關(guān)鍵詞:浮游藍(lán)藻山區(qū)

    侯 偉, 陳 燕, 孫韶華, 李 祥, 李 偉, 胡 芳, 趙清華, 賈瑞寶

    (山東省城市供排水監(jiān)測中心, 山東 濟(jì)南 250021)

    1 研究背景

    浮游植物作為水生態(tài)系統(tǒng)的主要初級生產(chǎn)者之一,是物質(zhì)傳遞和能量流動的基礎(chǔ),對維持水生態(tài)系統(tǒng)健康有重要作用[1-2]。由于其生長周期短,對環(huán)境變化敏感,其數(shù)量及群落結(jié)構(gòu)可很好地反映水質(zhì)狀況。因此,對水體中浮游植物群落結(jié)構(gòu)的研究是了解其生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的基礎(chǔ)。反之,環(huán)境條件的變化也可直接或間接影響浮游植物群落結(jié)構(gòu)[3]。浮游植物的種類組成及數(shù)量分布通常呈季節(jié)性變化[4-5],尤其在四季分明的溫帶地區(qū)[6-7]。此外,浮游植物群落結(jié)構(gòu)是判斷水體富營養(yǎng)化程度的重要指標(biāo)[8-9]。在不同營養(yǎng)狀態(tài)水體中,浮游植物的種類組成和數(shù)量變化有明顯差異;富營養(yǎng)化水體通常以藍(lán)藻為優(yōu)勢類群[10-11],而中營養(yǎng)水體的浮游植物群落則具多樣性[12-13]。韓博平[3]在廣東大中型水庫開展了浮游植物群落及富營養(yǎng)化的調(diào)研,指出多數(shù)水庫為中-富營養(yǎng)狀態(tài),浮游植物種群常年以藍(lán)藻門為優(yōu)勢類群。在我國熱帶、亞熱帶水庫中,影響浮游植物群落結(jié)構(gòu)的主要因素有透明度、氮、磷、懸浮物等[4-6],而在中國北方,由于水溫、光照季節(jié)變化明顯,化學(xué)需氧量、水溫、熱分層、降雨量、水量等是影響浮游植物群落結(jié)構(gòu)的主要環(huán)境因子[7-9]。

    濟(jì)南位于黃河下游地區(qū),水庫承擔(dān)了該市75%的城市用水,為保障工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活飲用水發(fā)揮著關(guān)鍵作用。按水源類型劃分,該市水庫主要包括山區(qū)水庫和引黃水庫[10]。黃河下游山區(qū)水庫由自然降雨和地表徑流匯集而成;引黃水庫的水源來自黃河,黃河水經(jīng)過引黃閘提取、清污和沉沙后進(jìn)入水庫,流域內(nèi)的地表徑流不直接排入水庫。兩種水庫由于水源、水文及水動力過程的差異,其營養(yǎng)狀態(tài)及生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可能存在一定差異。目前,有關(guān)山區(qū)與引黃水庫的浮游植物群落結(jié)構(gòu)及其影響因子研究較少,僅侯翠榮[11]對兩座山區(qū)和引黃水庫的浮游植物種類組成進(jìn)行過調(diào)研,但沒有對兩種類型水庫的浮游植物群落結(jié)構(gòu)動態(tài)進(jìn)行比較分析。為彌補(bǔ)對黃河下游典型水庫浮游植物群落結(jié)構(gòu)研究的不足,本研究于2012年9月至2013年8月對黃河下游的山區(qū)(臥虎山、錦繡川)和引黃(鵲山、玉清)水庫的水質(zhì)及浮游植物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)查研究,關(guān)注浮游植物群落結(jié)構(gòu)在該區(qū)域典型水庫中的時空變化及其與環(huán)境因子的關(guān)系,旨在從浮游植物群落結(jié)構(gòu)的角度發(fā)現(xiàn)山區(qū)與引黃兩種典型供水水庫間的生態(tài)差異,為評估黃河下游地區(qū)不同水源類型的水庫水質(zhì)及其生態(tài)環(huán)境提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和參考。

    2 材料與方法

    2.1 區(qū)域概況

    以濟(jì)南市臥虎山(E116°57′N36°29′)、錦繡川(E117°10′N36°30′)、鵲山(E116°57′N36°46′)和玉清(E116°59′N36°40′)水庫為調(diào)查對象(圖1),該4座水庫均處于黃河中下游地區(qū)(圖1)。其中,臥虎山和錦繡川水庫為山區(qū)水庫,分別屬天然蓄水的大型和中型水庫,庫容分別為11 700×104m3和2 414×104m3,流域面積較大,分別為557和166 km2。鵲山和玉清為中型引黃水庫,庫容分別為4 600×104m3和4 850×104m3。4座水庫建庫時間較晚,在1988至2000年間。

    圖1 臥虎山、錦繡川、鵲山和玉清水庫的地理位置及主要河流示意圖

    2.2 采樣方法與樣品處理

    2.3 數(shù)據(jù)處理

    采用SPSS 16.0軟件進(jìn)行方差(One-way ANOVA)分析、主成分分析(PCA)及相關(guān)分析。

    3 結(jié)果分析

    3.1 水庫環(huán)境參數(shù)

    水中Chl a濃度能夠反映浮游植物生物量的高低,體現(xiàn)了水體初級生產(chǎn)力和富營養(yǎng)化水平。采樣期間,臥虎山水庫的Chl a濃度顯著高于其他3座水庫,平均為32.0 μg/L;錦繡川水庫的最低,均值僅為6.0 μg/L;鵲山和玉清水庫的Chl a濃度居中,分別為12.1和11.9 μg/L。

    表1 4座水庫環(huán)境參數(shù)的均值(最小值~最大值)

    注:不同的字母表示有顯著差異(One-way ANOVA,P<0.05)

    3.2 浮游植物群落組成特征

    本文調(diào)查期間,共檢出浮游植物55種,其中綠藻門(Chlorophyta)種類最多,有23種,藍(lán)藻門(Cyanophyta)13種,硅藻門(Bacillariophyta)17種,金藻門(Chrysophyta)2種。臥虎山、錦繡川、鵲山和玉清水庫的浮游植物種類數(shù)相近,分別為37、36、34和29種。圖2為水庫浮游植物種類組成。4座水庫均以綠藻門種類數(shù)最多,其次是藍(lán)藻、硅藻,金藻門種類最少;錦繡川水庫中硅藻門類群比藍(lán)藻多。4座水庫中常見的屬有:脆桿藻屬(Fragilaria Lyngbye)、浮絲藻屬(Planktonema)、小環(huán)藻屬(Cyclotella)、小球藻屬(Chlorella)。

    圖2 4座水庫的浮游植物種類組成

    采樣期間,鵲山和臥虎山水庫浮游植物豐度顯著高于其他2座水庫(One-way ANOVA,p<0.05),平均分別為1 398×104和1 381×104cells/L;玉清水庫為1 111×104cells/L,錦繡川水庫浮游植物豐度最低(378×104cells/L)(圖3)。各水庫浮游植物豐度季節(jié)差異較大,但基本以藍(lán)藻門、硅藻門為主要類群,其中臥虎山、鵲山和玉清3座水庫藍(lán)藻門豐度范圍分別為56×104~1 481×104、11×104~3 198×104、10×104~2 431×104cells/L,硅藻門豐度范圍分別為27×104~1 741×104、18×104~3 500×104、13×104~2 341×104cells/L,兩個門類浮游植物豐度較高的時間多為枯水期(圖3)。 時間上,2013年臥虎山水庫的浮游植物豐度明顯低于2012年,僅在4月份由于較高的藍(lán)藻豐度有峰值(圖3(a)),錦繡川水庫浮游植物豐度較小且全年變化不大(圖3(b))。2座引黃水庫浮游植物豐度的季節(jié)變化相似,均呈現(xiàn)豐水期高于其他季節(jié)的趨勢(圖3(c)、3(d))。

    3.3 浮游植物群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子的關(guān)系

    圖3 2012-2013年采樣期間臥虎山、錦繡川、鵲山和玉清水庫浮游植物豐度

    浮游植物的生長往往受到諸多環(huán)境因子的影響,但營養(yǎng)鹽的可獲得性一般被認(rèn)為是影響浮游植物生物量的主要因素[13]。本研究中,Spearman相關(guān)分析結(jié)果顯示,浮游植物豐度與TP、TN∶TP極顯著相關(guān)(P<0.01)(表2);而與N的相關(guān)性卻不顯著,表明磷可能是浮游植物生長的首要限制性營養(yǎng)鹽。此外,浮游植物豐度與Chl a、SD、TOC極顯著相關(guān)(表2),表明浮游植物可能是水庫總有機(jī)碳和Chl a的主要貢獻(xiàn)者,其生長影響了水體透光率。

    將山區(qū)和引黃水庫的浮游植物豐度分別與環(huán)境因子進(jìn)行回歸擬合。結(jié)果顯示,引黃水庫的浮游植物與環(huán)境因子的關(guān)系更加密切(圖4(a)~4(d))。除Chl a、TOC、SD和TN∶TP(質(zhì)量比)外,山區(qū)水庫浮游植物豐度還與TP顯著相關(guān)(r=0.519,p<0.01),而引黃水庫的則與水溫關(guān)系密切(r=0.611,p<0.01),表明山區(qū)和引黃水庫浮游植物生長除與光輻射和氮磷比有關(guān)外,還分別受到磷含量和水溫的影響。

    表2 4座水庫浮游植物細(xì)胞豐度與環(huán)境因子Spearman相關(guān)關(guān)系

    注:*表示顯著相關(guān)(p<0.05,2-tailed) **表示極顯著相關(guān)(p<0.01,2-tailed)。

    圖4 山區(qū)和引黃水庫浮游植物豐度與Chl a、TOC、SD和TN∶TP(質(zhì)量比)的相關(guān)性分析

    將上述理化及生物變量進(jìn)行KMO and Bartlett's 檢驗,結(jié)果為0.705,表明現(xiàn)有數(shù)據(jù)較適合做主成分分析。特征值大于1的主成分共有4個,第一主成分特征值為5.789,貢獻(xiàn)率為35.41%;第二主成分特征值為3.328,貢獻(xiàn)率為23.14%;第三主成分特征值為2.183,貢獻(xiàn)率為21.15%;第四主成分特征值和貢獻(xiàn)率分別為1.343和10.62%;4個主成分累計貢獻(xiàn)率為90.31%。表3為4個主成分的載荷矩陣。

    根據(jù)因子的載荷及特征值計算每個主成分的因子系數(shù),結(jié)果如下:

    表3 因子載荷矩陣

    4 討 論

    浮游植物是水生態(tài)系統(tǒng)的重要部分,作為物質(zhì)代謝和能量循環(huán)的初級生產(chǎn)者,對維持生態(tài)平衡有重要作用,也是反映水體富營養(yǎng)化程度的主要指標(biāo)。自然水體中,影響浮游植物群落結(jié)構(gòu)的因子是多方面的,包括營養(yǎng)狀態(tài)[4,14]、水溫[14-15]、風(fēng)力[16]、光輻射[17]等。浮游植物種類組成與水體營養(yǎng)狀態(tài)關(guān)系密切,通常營養(yǎng)水平低的水體中浮游植物種類更具多樣性,本研究中,貧-中營養(yǎng)的錦繡川水庫浮游植物種類較多。臥虎山水庫同時具有較高的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)和浮游植物種類數(shù),這可能是因為臥虎山水庫由錦繡川和錦云川、錦陽川3座水庫的水源匯合而成,多個水源引起臥虎山水庫浮游植物種類具有多樣性;水源相同的2座引黃水庫的浮游植物種類數(shù)相近,表明山區(qū)和引黃水庫浮游植物的種類組成不僅與營養(yǎng)狀態(tài)有關(guān),還與水體來源及類型有密切關(guān)系。

    相關(guān)分析結(jié)果顯示,山區(qū)和引黃水庫浮游植物均受到透明度和氮磷比的影響。本研究中4座水庫的透明度較低,尤其是臥虎山、鵲山和玉清水庫,年均在1.1~1.3 m。較低的光輻射條件不僅影響了浮游植物數(shù)量,還改變了浮游植物種類組成,臥虎山、鵲山和玉清水庫通常以藍(lán)藻為優(yōu)勢類群(圖3)。這是因為低光環(huán)境可能會改變浮游植物與營養(yǎng)鹽之間的作用,Zhang等[18]指出水下的有效光線低于250 μmol/(m2·s)時藍(lán)藻可能成為優(yōu)勢類群。透明度與浮游植物豐度的關(guān)系也反映了在中營養(yǎng)、中-富營養(yǎng)水庫中,光輻射是影響浮游植物群落結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因子。這與侯偉等[4]、黃成等[5]在對亞熱帶水庫浮游植物種群研究中得出的結(jié)論一致。本研究中,氮磷比是影響4座水庫浮游植物生長的另一個環(huán)境因素,4座水庫TP濃度基本處于0.01~0.03 mg/L,即在低營養(yǎng)狀態(tài)下,氮磷比可能成為浮游植物生長的限制因子。在我國北方地區(qū),由于對農(nóng)業(yè)化肥的大量使用,地表徑流帶入大量含磷污染廢水,導(dǎo)致水體磷元素含量升高。由于磷肥中含有溶解性磷酸鹽,可被浮游植物直接吸收利用轉(zhuǎn)化為細(xì)胞內(nèi)磷,從而使水中磷元素含量增加,進(jìn)而引起浮游植物生物量的增加。Masson等[19]同樣在美國魁北克北部27個冰川湖泊中發(fā)現(xiàn)藻類生物量與總磷有極顯著的正相關(guān)關(guān)系。國內(nèi)外諸多研究關(guān)注了氮磷比對浮游植物生長的影響,焦立新等[20]研究表明云南洱海的浮游植物生物量年內(nèi)變化受m(N)/m(P)的影響,而日變化則主要受ρ(TP)的影響。吳世凱等[21]發(fā)現(xiàn)當(dāng)水中TP<0.035 mg/L時,浮游植物生物量與氮磷比呈顯著負(fù)相關(guān)。兩種類型水庫浮游植物生長的不同點(diǎn)在于山區(qū)與引黃水庫浮游植物豐度還分別受到TP和水溫的影響。山區(qū)與引黃水庫的磷含量雖無顯著差異,但山區(qū)水庫氮磷比顯著高于引黃水庫(表1),使得磷成為浮游植物生長的限制因子。而在引黃水庫,水溫成為浮游植物生長的主要限制因子。水溫和營養(yǎng)鹽尤其是磷含量對浮游植物群落生長的影響已被很多研究揭示。Arhonditsis等[22]和Hudzik等[23]在研究中都發(fā)現(xiàn)總磷、透明度和水溫等是影響浮游植物群落結(jié)構(gòu)的重要環(huán)境因子。除主要的環(huán)境因子以外,水源(錦陽川和錦云川水庫、黃河)的浮游植物群落結(jié)構(gòu)及浮游動物的上-下行效應(yīng)可能也在一定程度上影響了水庫內(nèi)浮游植物群落結(jié)構(gòu),需要進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究。

    5 結(jié) 論

    本文通過對黃河下游地區(qū)2類4座典型水庫水質(zhì)調(diào)研,開展了浮游植物群落結(jié)構(gòu)動態(tài)變化及其與環(huán)境因子關(guān)系的研究,得出以主要下結(jié)論:

    (1)采樣期間,共檢出浮游植物55種,其中綠藻門種類最多;4座水庫中常見的屬有:脆桿藻屬(Fragilaria Lyngbye)、浮絲藻屬(Planktonema)、小環(huán)藻屬(Cyclotella)、小球藻屬(Chlorella)。浮游植物豐度空間差異較大,波動范圍為27×104~4 971×104cells/L;時間上,豐水期豐度高于其他兩個時期。

    (2)兩種類型水庫浮游植物群落結(jié)構(gòu)的差異與水體來源及類型有密切關(guān)系,山區(qū)和引黃水庫浮游植物豐度分別受TP、水溫的限制。統(tǒng)計分析結(jié)果表明,離子類型、水體營養(yǎng)水平及氮磷組成、水溫對氮循環(huán)過程的影響等因素直接或間接地影響了4座水庫浮游植物的群落結(jié)構(gòu)。

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