黃河干流寧夏段浮游植物群落結(jié)構(gòu)及其影響因子研究*

周 瓊 茍金明 邱小琮 趙睿智 賀樹杰 李 霖

(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院,寧夏 銀川 750021;2.寧夏回族自治區(qū)水產(chǎn)技術(shù)推廣站,寧夏 銀川 750001;3.寧夏大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,寧夏 銀川 750021)

作為初級生產(chǎn)者的浮游植物在水生生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)、能量流動過程中充當(dāng)著重要角色[1],其種類、數(shù)量及組成變化對水生生態(tài)系統(tǒng)都有很大影響[2]。浮游植物可以在水環(huán)境發(fā)生變化的早期做出響應(yīng),因此在水質(zhì)評價(jià)中具有重要的指示作用[3]。代亮亮等[4]和陶敏等[5]指出,通過浮游植物與水環(huán)境因子的關(guān)系可以監(jiān)測和評價(jià)水環(huán)境的變化。

黃河受自然氣候和人類活動的雙重影響,流域生態(tài)和水環(huán)境都面臨諸多問題[6]113。丁一桐等[7]899對黃河干流的浮游植物群落進(jìn)行了研究,但沒有對浮游植物群落的影響因子進(jìn)行研究。林濤等[8]研究表明，黃河干流寧夏段入境水質(zhì)為《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)的Ⅱ類,而出境時(shí)變?yōu)榱刷箢?。寧忠瑞等[9]研究表明，黃河干流寧夏段存在氮磷等農(nóng)業(yè)面源污染。可見,黃河干流寧夏段的水環(huán)境存在很多問題。本研究基于2019年春(2019年4月)、夏(2019年7月)、秋(2019年10月)、冬(2020年1月)黃河干流寧夏段8個(gè)斷面的浮游植物和水環(huán)境因子監(jiān)測數(shù)據(jù),運(yùn)用多元統(tǒng)計(jì)方法對浮游植物群落結(jié)構(gòu)、時(shí)空分布特征進(jìn)行分析,并對浮游植物與水環(huán)境因子關(guān)系進(jìn)行研究,旨在以黃河干流寧夏段為引子逐步探明黃河流域浮游植物群落特征及其與水環(huán)境因子的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 樣點(diǎn)布置

根據(jù)黃河干流寧夏段水文條件和水域形態(tài)等,共設(shè)置8個(gè)樣點(diǎn),分別為柳樹村(H1)、上大灣(H2)、石空(H3)、棗園(H4)、青銅峽壩(H5)、永寧楊和鎮(zhèn)(H6)、頭道墩(H7)、陶樂渡口(H8)(見圖1)。

1.2 樣品測定

水溫使用溫度計(jì)在0.5 m水深處測得;pH采用《水質(zhì) pH值的測定 玻璃電極法》(GB/T 6920—86)測得;溶解氧(DO)采用《水質(zhì) 溶解氧的測定 電化學(xué)探頭法》(HJ 506—2009)測得;懸浮物(SS)采用《水質(zhì) 懸浮物的測定 重量法》(GB 11901—89)測得;總磷(TP)采用《水質(zhì) 總磷的測定 鉬酸銨分光光度法》(GB/T 11893—89)測得;總氮(TN)采用《水質(zhì) 總氮的測定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》(HJ 636—2012)測得;高錳酸鹽指數(shù)采用《水質(zhì) 高錳酸鹽指數(shù)的測定》(GB/T 11892—89)測得;氨氮采用《水質(zhì) 氨氮的測定 納氏試劑分光光度法》(HJ 535—2009)測得。

浮游植物測定:在0.5 m水深處取水樣1 L,加入魯哥試液,搖勻,倒入1 L沉淀器中,2 h后輕轉(zhuǎn)沉淀器,靜置24 h。取含沉淀物水樣30 mL,于50 mL定量樣品瓶中定容。再取0.1 mL于0.1 mL計(jì)數(shù)框內(nèi)(面積20 mm×20 mm),浮游植物密度(PD)采用視野法計(jì)數(shù),浮游植物生物量(PB)通過細(xì)胞體積法計(jì)算。

1.3 數(shù)據(jù)處理及分析

1.3.1 浮游植物指數(shù)計(jì)算

反映群落種類豐富程度的Margalef指數(shù)(D)、反映群落復(fù)雜程度的Shannon-Wiener指數(shù)(H)和反映不同物種均勻程度的Pielou指數(shù)(JP)的計(jì)算分別如式(1)至式(3)所示[10]。

(1)

(2)

(3)

式中:S為浮游植物種類數(shù);N為浮游植物總個(gè)體數(shù);Ni為第i種浮游植物的個(gè)體數(shù)。

1.3.2 統(tǒng)計(jì)分析

為了更好地揭示浮游植物群落特征與水環(huán)境因子之間的關(guān)系,采用灰關(guān)聯(lián)分析[11]、冗余分析(RDA)[12]等方法分析浮游植物與水環(huán)境因子之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。RDA應(yīng)用Canoco 5.0軟件進(jìn)行去趨勢對應(yīng)分析(DCA),分析之前需對除pH外的數(shù)據(jù)進(jìn)行對數(shù)處理[13]。

2 結(jié)果與分析

2.1 黃河干流寧夏段浮游植物時(shí)空變化特征

2.1.1 黃河干流寧夏段浮游植物種類組成時(shí)空變化特征

2019年在黃河干流寧夏段共發(fā)現(xiàn)8門46種浮游植物,其中綠藻門15種、硅藻門13種、藍(lán)藻門11種、甲藻門2種、裸藻門2種、隱藻門1種、金藻門1種、黃藻門1種。由圖2可見,在時(shí)間上,冬春兩季種類少,其中硅藻門、甲藻門全年都有,秋季還出現(xiàn)了藍(lán)藻門、黃藻門、綠藻門,夏季種類最多,除了以上5門都有出現(xiàn)外,還出出現(xiàn)了隱藻門、金藻門、裸藻門,共有36種;在空間上,H4在全年中8門都有檢出,而H5、H6全年只檢出5門。

分析浮游植物優(yōu)勢種發(fā)現(xiàn),主要優(yōu)勢種為小環(huán)藻(Cyclotellastelligera)、直鏈藻(Melosiragranulata)、等片藻(Diatomaelongatum)、針桿藻(Synedraacus)和脆桿藻(Fragilariaconstruens),均屬于硅藻門,由于夏秋季水溫高、SS低,浮游植物多樣性增加,綠藻門的纖維藻(Ankistrodesmusfalcatus)、鼓藻(Cosmariumobsoletum)也成為了優(yōu)勢種(見表1)。

丁一桐等[7]894研究表明,黃河干流全河段檢出浮游植物7門96種,主要有硅藻門52種、綠藻門23種、藍(lán)藻門7種、甲藻門5種,上游優(yōu)勢種多屬于硅藻門,藍(lán)藻門、綠藻門作為優(yōu)勢種多出現(xiàn)在中下游。

表1 黃河干流寧夏段浮游植物優(yōu)勢種Table 1 Dominant phytoplankton in the Ningxia section of Yellow River mainstream

王帥帥等[14]95在黃河干流濟(jì)南段共檢出49種浮游植物,其中硅藻門25種、綠藻門12種、藍(lán)藻門8種,優(yōu)勢種多屬于硅藻門、藍(lán)藻門。本研究黃河干流寧夏段共檢出8門46種浮游植物,其中綠藻門15種、硅藻門13種,硅藻門優(yōu)勢種類多,夏季綠藻門、藍(lán)藻門也有成為優(yōu)勢種的。由此推斷,黃河上游優(yōu)勢種多屬于硅藻門,下游優(yōu)勢種多屬于藍(lán)藻門和綠藻門,夏季的時(shí)候藍(lán)藻門和綠藻門也會增加。

2.1.2 黃河干流寧夏段浮游植物數(shù)量時(shí)空變化特征

圖3、圖4分別為黃河干流寧夏段PD和PB的時(shí)空變化特征。PD為9.58×104～6.05×105個(gè)/L,PB為0.06～0.53 mg/L,基本上都是在夏季最高,各樣點(diǎn)中基本上都是H5最高。H5的浮游植物多樣性不高,但是浮游植物數(shù)量卻很高,需防范水華暴發(fā)。

2.1.3 黃河干流寧夏段浮游植物指數(shù)時(shí)空變化特征

黃河干流寧夏段浮游植物的Shannon-Wiener指數(shù)、Margalef指數(shù)、Pielou指數(shù)時(shí)空變化特征分別見圖5、圖6、圖7。3個(gè)指數(shù)在夏季達(dá)到最大值,各樣點(diǎn)中H1、H4較高,與浮游植物種類組成的分析結(jié)果基本一致。

2.2 黃河干流寧夏段水環(huán)境因子時(shí)空變化特征

由表2可知,黃河干流寧夏段各樣點(diǎn)水溫和高錳酸鹽指數(shù)的四季差異不大;春夏秋季pH較高,呈弱堿性,冬季pH較低,接近中性;夏季浮游植物種類和數(shù)量較多,光合作用強(qiáng),因此水體DO高;SS夏季普遍偏低,有利于浮游植物的光合作用;春夏季部分地區(qū)TN、TP高,主要是由于這些地區(qū)引黃灌溉使得田間面源氮磷洗入河中[6]113;氨氮從春季到冬季整體呈現(xiàn)下降趨勢,因?yàn)榇合膬杉竞恿髁柩?、流速較大,導(dǎo)致對底泥的擾動較大,從而使得氨氮較高。

2.3 黃河干流寧夏段浮游植物與水環(huán)境因子的統(tǒng)計(jì)關(guān)系分析

由表3的關(guān)聯(lián)度系數(shù)可知,對黃河干流寧夏段PD和PB的主要影響因素依次為水溫、氨氮、pH、TP和DO等。

DCA表明,黃河干流寧夏段浮游植物指標(biāo)與水環(huán)境因子的4個(gè)軸的軸長均小于3,約束性排序可以使用RDA。RDA的累積信息解釋率為79.4%,軸1特征值為0.630 4,軸2特征值為0.136 5,信息映射到前兩軸的相關(guān)性依次為0.959 5、0.848 4,表明RDA的排序可信[15]。

通過圖8可知,水溫、TP、DO對PD、PB、Shannon-Wiener指數(shù)、Margalef指數(shù)和Pielou指數(shù)有促進(jìn)作用,而SS對PD、PB、Shannon-Wiener指數(shù)、Margalef指數(shù)和Pielou指數(shù)有抑制作用。

3 討 論

黃河干流寧夏段水溫為1.6～21.5 ℃,硅藻門適宜生存,故硅藻門全年占優(yōu)勢;藍(lán)藻門、綠藻門為喜溫浮游植物,溫度過低抑制生長[16]167,黃河干流寧夏段夏季水溫為17.2～21.5 ℃,藍(lán)藻門、綠藻門也成為優(yōu)勢種;浮游植物變化趨勢與水溫一致,PD、PB均在7月最大,1月最小。黃河干流寧夏段水體為弱堿性,適宜藻類生長,夏季pH為8.05～8.29,有利藍(lán)藻門、綠藻門生長[17]。水體DO與浮游植物光合作用有密切關(guān)系,夏季浮游植物最多,故DO最高。SS過高會導(dǎo)致光照衰減,從而抑制藻類生長,有研究表明,SS超過50 mg/L會吸附浮游植物產(chǎn)生沉降[18],黃河干流寧夏段夏季SS低,也是夏季藻類特別是藍(lán)藻門生長迅速的重要原因。藻類可以直接吸收氨氮[19],因此氨氮在一定范圍內(nèi)會促進(jìn)浮游植物生長。

表2 水環(huán)境因子時(shí)空變化特征Table 2 Spatial and temporal variation characteristics of water environmental factors

表3 浮游植物與水環(huán)境因子的關(guān)聯(lián)度系數(shù)Table 3 Correlation coefficients of phytoplankton and water environmental factors

不同的河流、湖泊有不同的水環(huán)境影響因子。王帥帥等[14]99研究表明,濁度、堿度、水溫、pH是影響黃河干流濟(jì)南段浮游植物的主要水環(huán)境因子;張春梅等[20]確認(rèn),水溫、TP、氨氮、流速和流量是影響南水北調(diào)中線干渠浮游植物群落結(jié)構(gòu)的重要水環(huán)境因子;鄭燦等[21]研究表明,TN、氨氮是影響星海湖水體浮游植物的主要水環(huán)境因子;楊宋琪等[16]167研究認(rèn)為,黑河張掖段的浮游植物群落結(jié)構(gòu)主要受到水體氮磷營養(yǎng)鹽、水溫、海拔的影響。

黃河干流寧夏段受地理位置、氣候的影響,水溫偏低,呈弱堿性。TN、TP和高錳酸鹽指數(shù)主要是灌區(qū)農(nóng)田退水?dāng)y帶的外源氮磷營養(yǎng)鹽引起,冬春季SS較高則與暖氣、火力發(fā)電等工業(yè)作業(yè)有關(guān)。農(nóng)田退水和工業(yè)用水合理利用、達(dá)標(biāo)排放是降低黃河氮磷營養(yǎng)鹽、高錳酸鹽指數(shù)的有效措施,實(shí)施生物防治、循環(huán)利用等措施也可以對生活污水、工業(yè)廢水、養(yǎng)殖場污水、灌溉退水等進(jìn)行治理和利用。

4 結(jié) 論

(1) 黃河干流寧夏段硅藻門全年優(yōu)勢,夏季藍(lán)藻門、綠藻門也占優(yōu)勢。浮游植物種類和數(shù)量夏季最高,柳樹村、棗園、青銅峽壩等地的浮游植物豐富。

(2) 水溫、TP、DO對PD、PB、Shannon-Wiener指數(shù)、Margalef指數(shù)和Pielou指數(shù)有促進(jìn)作用,而SS對PD、PB、Shannon-Wiener指數(shù)、Margalef指數(shù)和Pielou指數(shù)有抑制作用。