秦皇島電廠溫排水對浮游植物群落的影響研究

劉有才，馬 旺，胡 琦，趙 上，丁玉蓉

（河北省水文工程地質(zhì)勘查院，河北·石家莊 050021）

浮游植物是海洋生態(tài)系統(tǒng)中重要的初級生產(chǎn)者，在海洋生態(tài)系統(tǒng)的能量流動、物質(zhì)循環(huán)和食物鏈傳遞中起著至關(guān)重要的作用。浮游植物相對于其他水生植物而言，具有生長周期短、對環(huán)境變化反應(yīng)靈敏等特點，其環(huán)境因子和營養(yǎng)鹽因子對浮游植物群落的影響較為明顯[1-2]。這些因子的改變可影響浮游植物的種類組成、細胞密度、生物量等，進而對海洋生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成一定影響。國內(nèi)外不少研究學(xué)者把浮游植物作為生態(tài)環(huán)境變化的重要生物學(xué)參數(shù)[3-4]。

已有研究表明，溫度、鹽度、電導(dǎo)率、葉綠素a等因子，是影響浮游植物新陳代謝方面的主要環(huán)境驅(qū)動因子，對海洋浮游植物的物種組成、光合性能以及生長速率都有著重要的作用，進而影響著浮游植物的生產(chǎn)力、生物量以及物種多樣性等[5-6]。電廠溫排水的排放會抑制部分狹溫性浮游植物的生長甚至導(dǎo)致其死亡，導(dǎo)致具有廣溫性適應(yīng)性的藻類快速生長，其競爭者的死亡將使得藻華生物獲得更多的資源和生長空間，導(dǎo)致植物群落生物多樣性降低，對群落的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。營養(yǎng)鹽水平的變化，對浮游植物的種群結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯的影響。如研究發(fā)現(xiàn)由于東海營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，其海域近年來的浮游植物種類組成及生物量發(fā)生了很大變化，尤以有毒有害的藻類，如東海原甲藻、米氏凱倫藻等物種豐度的增加最為明顯[7]。環(huán)境因子與營養(yǎng)鹽的疊加作用對浮游植物群落的影響受到越來越多的關(guān)注。如研究發(fā)現(xiàn)營養(yǎng)鹽等條件的變化，使得藻類迅速生長分裂和聚集，導(dǎo)致海水變色、生物多樣性降低、生態(tài)系統(tǒng)破壞，甚至影響了人類的經(jīng)濟活動[8]。近年來，秦皇島近岸海域多次記錄到抑食金球藻形成的褐潮，嚴重損害了該海域的扇貝養(yǎng)殖業(yè)。尤為嚴峻的是，近年來渤海周邊海域多次記錄到有毒藻類形成的赤潮，養(yǎng)殖貝類染毒情況也非常常見，對海產(chǎn)品消費者健康構(gòu)成潛在威脅[9]。因此，環(huán)境因子與營養(yǎng)鹽的疊加作用對浮游植物群落的影響受到越來越多的關(guān)注。

本次調(diào)查研究根據(jù)前期模擬秦皇島電廠溫排水影響范圍，布設(shè)7個站位，分別于2020年5月、8月、11月進行調(diào)查取樣工作。通過調(diào)查取樣得出的水溫、鹽度、電導(dǎo)率、葉綠素a等環(huán)境因子分布特征和硝酸鹽、硅酸鹽、銨鹽、亞硝酸鹽等營養(yǎng)鹽分布特征，結(jié)合影響范圍內(nèi)浮游植物物種組成和多樣性指數(shù)的季節(jié)變化，采用冗余分析方法，得出電廠溫排水對浮游植物群落的影響。

1 研究區(qū)概況

秦皇島地處河北省東北部，南面為內(nèi)陸海渤海，北面靠燕山山脈，東面與遼寧葫蘆島接壤，西面與唐山接壤，位于環(huán)渤海經(jīng)濟圈中心地帶，是東北、華北兩大經(jīng)濟區(qū)的結(jié)合部[10-11]，所轄海域面積為1805.27 km2。秦皇島電廠溫排水通過新開河口排放入海，新開河口位于秦皇島港東、西兩港區(qū)之間，距秦皇島市中心最近的出海通道，水域面積27萬m2。

秦皇島海域潮汐類型屬于正規(guī)日潮區(qū)，平均潮位的年變化具有冬季低、夏季高的特點，1月份平均潮位最低，8月份平均潮位達到最高值；最大潮差夏半年較小，冬半年較大。波浪以風浪為主，涌浪比例較小，常浪向為南向，強浪向為南東向；全年以涌浪為主的混合浪的主浪向均在南方位[12]。表層海水溫度春季9.5～19.5℃，夏季26～27.5℃，秋季12～12.5℃，冬季0.7～-1.3℃。海水鹽度受氣候及大陸徑流影響，秦皇島附近一般為33.4‰，表層平均海水鹽度28.77‰～30.73‰，最高為34.20‰。1月下旬至2月中旬為盛冰期，除深水港外沿岸港口封冰，沿岸固定冰寬20～50 m，冰厚5～15 cm。

2 材料與方法

2.1 站位布設(shè)及采樣時間

根據(jù)前期模擬秦皇島電廠溫排水影響范圍，分別于2020年5月、8月、11月分春、夏、冬季在退潮時進行調(diào)查取樣工作，布設(shè)7個站位，分別為QHD-1～QHD-7（表1、圖1）。

表1 調(diào)查取樣站位Table1 The survey sampling stations

圖1 調(diào)查站位Fig.1 Distribution map of survey stations

2.2 樣品采集和處理

本次取樣中海水溫度、鹽度、電導(dǎo)率測量按照國家標準《海洋調(diào)查規(guī)范：海洋水文觀測》（GB/T 12763.2-2007）進行，葉綠素a、浮游植物采樣、固定和計數(shù)等按照國家標準《海洋調(diào)查規(guī)范：海洋生物調(diào)查》（GB/T 12763.6-2007）進行。

海水溫度、鹽度、電導(dǎo)率采用TDS進行現(xiàn)場測試；葉綠素a樣品采用定深取樣器進行采集表層海水2L，現(xiàn)場過濾通過0.65微米GF/F濾膜放到棕色塑料瓶中，濾膜由90%丙酮浸泡，低溫萃取24小時后，利用熒光法測定；浮游植物樣品采用定深取樣器進行采集表層海水1L，現(xiàn)場加入濃度4%酸性魯格試劑固定，利用Uterm?hl計數(shù)框定量分析浮游植物種類和細胞計數(shù)[13-14]。

2.3 指標的測定與計算

浮游植物的優(yōu)勢種根據(jù)各個種的優(yōu)勢度（Y）值來確定，Y＞0.02的種類為優(yōu)勢種。

式中：Ni為i種類的個體數(shù)；

N為所有種類總的個體數(shù)；fi為i種類個體出現(xiàn)的頻率。

Shannon-Weaver多樣性指數(shù)（H’）計算公式為：

Margalef豐度指數(shù)（D）計算公式為：）

Pielou均勻度指數(shù)（J）計算公式為：

2.4 數(shù)據(jù)處理

運用SPSS軟件對測定數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和繪圖，采用Canoco5.0軟件對浮游植物與環(huán)境因子之間的關(guān)系進行冗余分析[15]。基于除趨勢對應(yīng)分析(DCA，Detrended Correspondence Analysis）對浮游植物豐度數(shù)據(jù)進行計算，DCA結(jié)果中Lengths of gradient的第一軸值為3.490，介于3.0～4.0 之間，符合RDA分析。

3 結(jié)果

3.1 水文時空分布特征

水文要素時空分布特征如表2所示。

（1）水溫

5月份和11月份，除個別站位外，水溫都低于19℃；8月份各站位水溫均超過26.0℃。5月份各站位水溫溫差較小，處于16.70℃和18.10℃之間，其中最高值出現(xiàn)在QHD1站位，最低值出現(xiàn)在QHD6站位；8月份各站位水溫變化不大，在26.20～26.80℃之間；11月份除QHD1站位水溫為20.20℃，其他站位在13.20～14.20℃之間，QHD4站位水溫最低，為13.20℃。

（2）鹽度

5月和8月鹽度相對較高，各站位差異較??；11月份鹽度相對較低，鹽度區(qū)間為30.98～31.80 Psu，最高值出現(xiàn)在QHD2站位，最低值出現(xiàn)在QHD1站位。

（3）電導(dǎo)率

8月份電導(dǎo)率相對較高，其中最大值出現(xiàn)在QHD2站位，為50.53 S/m，最低值出現(xiàn)在QHD3站位，為49.86 S/m。5月份各站位電導(dǎo)率差異不大，在41.13～42.04 S/m之間。11月份電導(dǎo)率相對較低，最大值出現(xiàn)在QHD1站位，為42.28 S/m，其他站位都小于38 S/m，差距不大。

（4）葉綠素a

5月份和8月份各站位葉綠素a濃度相對較低，均處于0.70～4.95 μg/L之間。11月份各站位葉綠素a濃度相對較高，最高值為5.82 μg/L，出現(xiàn)在QHD6站位。

表2 水文要素監(jiān)測結(jié)果Table 2 The monitoring results of hydrological factors

3.2 營養(yǎng)鹽時空分布特征

營養(yǎng)鹽時空分布特征如表3所示。

（1）硝酸鹽

11月份硝酸鹽含量較高，處于0.060～0.157 mg/L之間，最高值出現(xiàn)在QHD1站位，最低值出現(xiàn)在QHD6站位；8月份各站位均未檢測出；5月份僅QHD1站位和QHD4站位檢測出銨鹽，分別為0.121 mg/L和0.06 mg/L。

（2）亞硝酸鹽

11月份亞硝酸鹽含量較高，處于0.017～0.024 mg/L之間，最高值出現(xiàn)在QHD7站位，最低值出現(xiàn)在QHD3站位；5月份整體含量較低，在0.004～0.009 mg/L之間，變化不大；8月份僅QHD1、QHD5、QHD7站位檢測出，含量分別為0.027 mg/L、0.005 mg/L、0.010 mg/L。

（3）磷酸鹽

總體上磷酸鹽含量較低，僅5月份和8月份的QHD1站位檢測出，分別為0.023 mg/L和0.025 mg/L，其他站位均未檢測出。

（4）硅酸鹽

5月份各站位硅酸鹽濃度較高，11月份較低。其中，5月份最高值出現(xiàn)在QHD7站位，為0.671 mg/L。8月份和11月份最高值都出現(xiàn)在QHD1站位，分別為0.885 mg/和0.836 mg/L。

表3 營養(yǎng)鹽監(jiān)測結(jié)果Table 3 The monitoring results of nutrient actors

（5）銨鹽

總體上銨鹽含量較低，5月份QHD2站位銨鹽濃度較高，為0.318 mg/L，其他站位較低或者未檢測出；8月份除QHD2站位含量為0.052 mg/L，其他站位未檢測出；11月份除QHD2和QHD5站位含量為0.128 mg/L和0.059 mg/L，其他站位未檢測出。

3.3 浮游植物種類組成

秦皇島溫排水海域在3次野外調(diào)查中硅藻門種類較多，甲藻門其次，針孢藻門和隱藻門較少（表4和圖2）。5月份QHD-1站位出現(xiàn)了10種硅藻，QHD-3站位出現(xiàn)了8種。除了QHD-1站位，其余站位均出現(xiàn)了針孢藻?？傮w而言，8月份的硅藻種類數(shù)較5月份更多，QHD-3站位出現(xiàn)了14種硅藻。此外，QHD-3、QHD-5和QHD-6站位出現(xiàn)了隱藻。11月份出現(xiàn)了更多種類的硅藻和甲藻，其中QHD-6站位硅藻和甲藻種類數(shù)最多，分別為21種和8種。

表4 浮游植物群落結(jié)構(gòu)Table 4 The phytoplankton community structure

圖2 溫排水海域浮游植物種類數(shù)量變化Fig.2 The changes of phytoplankton species and quantity in warm drainage sea area

在5月、8月和11月的采樣中發(fā)現(xiàn)，硅藻在秦皇島溫排水海域占主體，在所有浮游植物中所占比例均超過85%（圖3）。在5月份，除了QHD-1站位，還出現(xiàn)了針孢藻和甲藻。8月份甲藻的比例有所升高，在QHD-3站位的占比超過了10%。在11月份，甲藻維持了大約10%的占比，其中QHD-1站位出現(xiàn)了4%的隱藻。

4 討論

4.1 群落多樣性指數(shù)

圖3 溫排水海域浮游植物密度百分比Fig.3 The percentage of phytoplankton density in warm drainage sea area

秦皇島電廠溫排水海域Shannon-Wiener指數(shù)出現(xiàn)明顯的季節(jié)變化特征（圖4）。其中，5月份指數(shù)最低，QHD-2站位和QHD-4站位稍高，均小于0.5。11月份指數(shù)最高，均超過2，其中QHD-6站位最高，超過2.5。8月份最低值出現(xiàn)在QHD-4站位，最高值出現(xiàn)在QHD-6站位。

圖4 溫排水海域Shannon-Wiener指數(shù)的季節(jié)變化Fig.4 Seasonal variation of Shannon-Wiener index in warm drainage sea area

秦皇島電廠溫排水海域浮游植物豐富度的季節(jié)差異較為明顯（圖5a）。QHD-1站位各季節(jié)差異最小，QHD-6站位差異較大。5月份豐富度均低于8月份，其中最低值出現(xiàn)在QHD-2站位，最高值出現(xiàn)在QHD-3站位。除QHD-1站位外，8月份豐富度均低于11月份。其中，最高值出現(xiàn)在QHD-3站位。11月份最低值出現(xiàn)在QHD-1站位，最高值出現(xiàn)在QHD-6站位。

秦皇島溫排水海域浮游植物均勻度的季節(jié)變化較為明顯（圖5b）。5月份各站位均勻度偏低，最小值出現(xiàn)在QHD-3站位，最高值出現(xiàn)在QHD-2站位。除QHD-6站位外，11月份均勻度均高于8月份。11月份最高值出現(xiàn)在QHD-1站位。

圖5 溫排水海域浮游植物豐富度(a)與均勻度(b)的季節(jié)變化Fig.5 The seasonal variation of phytoplankton richness (a) and uniformity (b) in warm drainage sea area

4.2 浮游植物群落與環(huán)境因子冗余分析

秦皇島溫排水海域環(huán)境因子與浮游植物群落的冗余分析如圖6a所示。5月份各站位受硅酸鹽和銨鹽的影響較大，其中QHD-1站位和QHD-3站位受影響相對較小。8月份浮游植物群落受電導(dǎo)率和溫度影響較大。11月份硝酸鹽和亞硝酸鹽是影響浮游植物群落的重要環(huán)境因子。

4.3 環(huán)境因子與浮游植物優(yōu)勢種的關(guān)系

秦皇島溫排水海域環(huán)境因子與浮游植物優(yōu)勢種的冗余分析如圖6b所示。其中，針孢藻門的赤潮異彎藻受硅酸鹽影響較大，六種硅藻受硝酸鹽和亞硝酸鹽影響較大，甲藻門的叉狀角藻和兩種硅藻受溫度和電導(dǎo)率影響較大。

圖6 溫排水海域環(huán)境因子與浮游植物群落(a)及優(yōu)勢種(b)的冗余分析Fig.6 The redundancy analysis of environmental factors and phytoplankton community (a) and dominant species (b) in warm drainage sea area

5 結(jié)論

本文分析總結(jié)了水文和營養(yǎng)鹽的時空分布特征及浮游植物群落物種組成和群落結(jié)構(gòu)在不同季節(jié)的分布特征，調(diào)查研究了電廠溫排水影響區(qū)域內(nèi)外浮游植物數(shù)量、種類、物種多樣性和分布特征。冗余分析結(jié)果顯示，5月份浮游植物群落主要受硅酸鹽和銨鹽影響，8月份浮游植物群落主要受硅酸鹽和亞硝酸鹽影響，11月份主要受到硝酸鹽和亞硝酸鹽影響。針孢藻門的赤潮異彎藻受硅酸鹽影響較大，六種硅藻受硝酸鹽和亞硝酸鹽影響較大，甲藻門的叉狀角藻和兩種硅藻受溫度和電導(dǎo)率影響較大。

本次調(diào)查研究也存在一定的局限性，主要表現(xiàn)在三次調(diào)查取樣浮游植物群落物種組成存在較大差異，三次調(diào)查中硅藻門種類較多，但是11月份硅藻門和甲藻門數(shù)量相當；且8月份和11月份物種數(shù)明顯高于5月份。在今后的調(diào)查研究中，建議加大取樣頻率和取樣站位，建立長期持續(xù)的監(jiān)測工作，為開展海洋生態(tài)修復(fù)與保護提供科學(xué)依據(jù)。