环境科学  2014, Vol. Issue (3): 915-923   PDF    
引用本文
王爱爱, 冯佳, 谢树莲. 汾河中下游浮游藻类群落特征及水质分析[J]. 环境科学, 2014, (3): 915-923.
WANG Ai-ai, FENG Jia, XIE Shu-lian. Phytoplankton Community Structure and Assessment of Water Quality in the Middle and Lower Reaches of Fenhe River[J]. Environmental Science, 2014, (3): 915-923.
汾河中下游浮游藻类群落特征及水质分析
王爱爱, 冯佳, 谢树莲     
山西大学生命科学学院, 太原 030006
收稿日期: 2013-7-25; 修订日期: 2013-9-12.
基金项目： 山西省自然科学基金项目（2011011036）；山西省社会发展科技攻关项目（20130313010-4）
作者简介：王爱爱(1987~),女,硕士研究生,主要研究方向为淡水藻类与水质监测,E-mail:414591148@qq.com
通讯联系人,E-mail:xiesl@sxu.edu.cn
摘要：为了解汾河中下游的浮游藻类分布并评价其水质状况，选取18个采样点对浮游藻类进行了调查采集、种类鉴定和数据分析. 结果表明：①汾河中下浮游藻类植物共计有298种，隶属8门96属，种类较多的依次是硅藻门、绿藻门和蓝藻门，分别有27属127种，41属104种和20属45种，裸藻门、隐藻门、甲藻门、金藻门和黄藻门共8属22种，各样点丰水期的种数均高于枯水期. 优势种主要有硅藻门的梅尼小环藻、尖针杆藻、隐头舟形藻、谷皮菱形藻，绿藻门的小球藻，蓝藻门的弱细颤藻、两栖颤藻等，多数为α-中污和β-中污指示种. 细胞密度以丰水期较高，枯水期较低. ②汾河中下游浮游藻类群落的Shannon-Wieaver物种多样性指数基本介于1~3之间，Margalef 物种丰富度指数基本介于0.5~2之间，Pielou均匀度指数介于0.3~0.8之间. ③汾河中下游浮游藻类优势类群在丰水期，大部分绿藻和裸藻与化学需氧量、电导率、氨氮具有较高的相关性，蓝藻受水温和Cr影响较大，硅藻分布与环境因子的关系较复杂；在枯水期蓝藻与氨氮、总磷、化学需氧量具有较高的相关性，绿藻和裸藻主要受溶氧和总磷的影响，硅藻主要与总磷、溶氧、pH和Cd等相关. 综合分析，汾河中下游各样点水质分别为Ⅰ类~Ⅴ类不等，均受到不同程度的污染，水质总体呈富营养型，处于中污染至重污染状态.
关键词： 浮游藻类     群落结构     环境因子     水质分析     汾河中下游    
Phytoplankton Community Structure and Assessment of Water Quality in the Middle and Lower Reaches of Fenhe River
WANG Ai-ai, FENG Jia, XIE Shu-lian     
School of Life Science, Shanxi University, Taiyuan 030006, China
Abstract: To understand the distribution of phytoplankton and the water quality in the middle and lower reaches of Fenhe River, 18 sampling sites were selected for specimen collection, species identification and data analysis. The results showed that: ① There were 298 species of phytoplankton under the membership of 8 divisions and 96 genera, among which, Bacillariophyta was the dominant division, with a total of 127 species of 27 genera, followed by Chlorophyta, with 104 species of 41 genera, and Cyanophyta, with 45 species of 20 genera. Only 22 species of 8 genera belonged to Euglenophyta, Cryptophyta, Pyrrophyta, Chrysophyta and Xanthophyta. The number of species in wet season was higher than that in dry season at all sites. Dominant species included Cyclotella meneghiniana, Synedra acus, Navicula cryptocephala, Nitzschia palea of Bacillariophyta, Chlorella vulgaris of Chlorophyta, Oscillatoria tenuis, O. amphibia of Cyanophyta, most of which were indicator species of α-and β-mesosaprobic type. Cell density was higher in wet season and lower in dry season. ② Shannon-Wieaver species diversity index ranged from 1 to 3 basically. Margalef species richness index ranged from 0.5 to 2. Pielou evenness index ranged 0.3-0.8. ③ During the wet season, most dominant species of Chlorophyta and Euglenophyta had higher correlation with chemical oxygen demand (COD), conductivity and ammonia nitrogen. The dominant species of Cyanophyta were greatly influenced by the contents of water temperature and chromium (Cr). The distribution of dominant species of Bacillariophyta was complicatedly related with environmental factors. During the dry season, there was a higher correlation between the members of Cyanophyta and ammonia nitrogen, total phosphorus, COD. The species of Chlorophyta and Euglenophyta were mainly influenced by the dissolved oxygen and total phosphorus. The bacillariophytes were mainly related with total phosphorus, dissolved oxygen, pH and cadmium (Cd). In conclusion, the water was moderately to heavily contaminated in middle and lower reaches of Fenhe River and the water quality was eutrophic.
Key words: phytoplankton     community structure     environmental factors     water quality     middle and lower reaches of Fenhe River    

藻类是水生态系统的初级生产者，是整个水生态系统物质循环和能量流动的基础[1，2]. 同时，浮游藻类具有个体小、 细胞结构简单、 对栖息环境变化敏感等特点，易受环境中各种因素的影响而在较短周期内发生改变，相对于其他生物类群更能及时反映水域生态系统的变化[3，4]. 因此，在水质评价中，通过分析水体中浮游藻类的种类、 数量及群落结构等特征，可以分析和评价水质状况[5，6]. 国内外许多河流、 湖泊、 水库都进行过大量浮游藻类的研究，并据此对其水质状况进行了分析评价[7,8,9]

汾河是山西省最大的河流，也是黄河的第二大支流，全长716 km，纵贯山西南北，流经全省27个县市，是全省经济和社会发展的核心区域. 同时，汾河也是山西省最大的纳污水体，年平均接纳污水量约占全省污水排放总量的50%. 近20年来，汾河中下游流域内乡镇企业发展迅猛，相继建起了大批洗煤、 选矿、 炼焦、 造纸等高污染企业，加重了汾河的污染状况[10]. 据有关文献报道，汾河中下游的义棠、 临汾和柴庄断面近10年来水质一直为劣Ⅴ类[11]，临汾段和运城段水质较差，污染严重，COD、 BOD5和氨氮严重超标[12，13].

曾有文献对汾河流域临汾段浮游藻类及群落特征有过初步研究，报道存在7门，41属，131种[14]. 但迄今，对整个汾河流域中下游的浮游藻类分布及与环境因子的关系尚无全面的研究分析. 鉴于此，笔者研究了汾河中下游藻类植物的群落结构，并结合生物指标和理化指标，综合分析了汾河中下游的水质状况，以期为汾河流域及其它景观水体的治理和环境保护提供科学依据，同时也为水生态健康指标以及水生态修复评价提供理论依据.

1 材料与方法
1.1 采样点的设置

根据汾河中下游自然地理情况，共设18个采样点(图 1)，从上至下分别位于洛阳村南(S1)、 汾河二坝(S2)、 祁县苗家堡(S3)、 汾河三坝(S4)、 汾河三坝下游(S5)、 孝义北桥头村(S6)、 霍家堡(S7)、 义棠(S8)、 灵石(S9)、 霍州(S10)、 赵城(S11)、 洪洞(S12)、 临汾尧都区南芦村(S13)、 襄汾三跨大桥(S14)、 柴庄(S15)，新绛(S16)、 稷山(S17)和河津(S18).

图 1 汾河中下游浮游藻类采样点示意 Fig. 1 Sampling sites of phytoplankton in the middle and lower reaches of Fenhe River
1.2 理化指标的测定

现场测量并记录水温、 流速、 电导率. 按照有关文献中的规范方法测定总磷、 氨氮、 总硬度、 化学需氧量、 溶解氧、 pH、 镉、 铬、 锌、 铅、 铜[14].

1.3 标本的采集和鉴定

根据研究地域的自然条件，一般5~9月为丰水期，10~次年3月为枯水期. 于2012年6月(丰水期)和2012年11月(枯水期)对汾河中下游进行了两次采集.

定性采集用25号浮游生物网，于水面下“∞”状拖动，每秒20~30 cm，约2 min. 将浓缩于网头的水样收集于50 mL标本瓶，用4%福尔马林现场固定，以待镜检鉴定. 种类鉴定依据文献[15，16]进行.

定量采集用1 L采水器于水面下采样，置于采样瓶中，加入15 mL鲁哥氏液固定，静置48 h后吸去上清液留50 mL备用. 显微镜检计数时，充分摇匀，吸取0.1 mL滴入计数框内，用视野法计数，计算1 L水中浮游藻类的数量.

1.4 数据分析

对固定的浮游植物进行分类鉴定后，把每个采样点所采集到的浮游植物按不同种类准确统计个体数，并计算出每一种类的细胞密度. 计算藻类多样性指数、 均匀度和优势度，公式分别为：① Shannon-Wiener物种多样性指数H′=-Σ(ni/N)ln(ni/N)； ② Margalef物种丰富度指数D=(S-1)/lnN； ③ Pielou物种均匀度指数J= H′/lnS. 式中，N为样品中所有种类的总细胞密度，S为样品中种类总数，ni为第i种物种的生物密度[17,18,19,20].

采用 Canoco for Windows 4.5 软件对物种数据和环境数据进行典范对应分析(CCA)，物种经过筛选，满足在各样点出现的频度＞12.5%和至少在一个样点的相对密度≥1%[21]，物种矩阵经过 lg(x+1)转换，环境因子数据除 pH 外全部进行 lg(x+1)转换[22].

2 结果与讨论
2.1 汾河中下游的理化指标

表 1是汾河中下游各采样点的理化指标. 从中可以看出，不同季节水温变化较大，同一季节各采样点水温变化很小. 电导率在不同季节及各采样点间变化较大，从772 μS ·cm-1到超过4 000 μS ·cm1不等. 水体流速总体较慢，在0.5~2.5 m ·s-1之间. 化学需氧量(高锰酸盐指数)衡量水污染状况的重要指标，数值越大，水体污染越严重. 汾河中下游各样点化学需氧量一般在0.048~2.584 mg ·L-1之间，但在样点S17枯水期的数值特别高，达到了14.752 mg ·L-1，应该是局部污染严重所致. 氨氮也是评价水体的重要指标. 从表 1可看出，氨氮的变化范围较大，一般在0.304~6.617 mg ·L-1之间，同样,在样点S17数值特别高，达59.894 mg ·L-1，可见该样点在枯水期确实污染严重. 水体中磷含量过高，可造成藻类的过度繁殖，使河流透明度降低，水质变坏，因此总磷是水质评价中不可或缺的指标. 表 1显示，总磷浓度的变化范围为0.009~4.59 mg ·L-1. 总硬度范围在2.240~6.410 meq ·L-1之间. 各样点pH 值均高于7，水体明显偏碱性. 溶氧量变化范围在3.40~12.50 mg ·L-1. 各采样点5种重金属锌、 镉、 铬、 铅和铜的含量大多较高.

表 1 汾河中下游水质理化指标 Table 1 Physico-chemical parameters of sampling sites in the middle and lower reaches of Fenhe River

从表 1可知，各采样点多种污染物指标都以枯水期为高，丰水期相对较低，而溶氧量却是丰水期高于枯水期，原因主要是由于枯水期水源补给较少(全年70%的降雨量集中在6~9月)[23]，导致水中物质得不到稀释，浓度增加，水体几乎得不到交换，溶解氧越来越少. 从数据比较可知，个别样点污染物浓度特别高，可能是由于水体周边废水的不定期排放所致. 如S17(稷山)，电导率、 氨氮和高锰酸盐指数远高于其它样点，据走访当地居民，就是因为此前水体中有大量生活垃圾倾入，因此导致了局部污染的急剧增加.

2.2 汾河中下游浮游藻类植物的组成
2.2.1 种类组成

对汾河中下游藻类植物的鉴定结果显示，共有298种(包括种下分类单位)，隶属8门96属. 从图 2可以看出，种类较多的依次是硅藻门、 绿藻门和蓝藻门，分别有27属127种(占总种数的42.62%)，41属104种(占总种数的34.90%)，20属45种(占总种数的14.10%). 裸藻门、 隐藻门、 甲藻门、 金藻门和黄藻门共8属22种(占总种数的8.38%).

图 2 汾河中下游浮游藻类种类组成 Fig. 2 Phytoplankton composition in the middle and lower reaches of Fenhe River

图 3显示了丰水期和枯水期各样点浮游藻类种类数，可以看出各样点丰水期的藻类种类数均高于枯水期. 一般情况，丰水期水温较高，水体营养更新较快，环境适宜浮游藻类生长繁殖，枯水期则反之. 但同时可以看出，各样点不同季节浮游藻类种数差异程度不等，有的样点不同季节种类数相差悬殊，说明其生态系统稳定性较差. 其中样点S11(赵城)的藻类种数最少，应该与其周边环境情况有关.该镇周边有铁厂、 洗煤厂等小企业，污水往往直接排放，导致该段河水水体发黑，污染严重，藻类种类较少.

图 3 汾河中下游各采样点浮游藻类种类数 Fig. 3 Phytoplankton number of sampling sites in the middle and lower reaches of Fenhe River

从图 4可以看出，各门藻类植物种类数在不同采样点所占百分比也存在着一定差异. 虽然都以硅藻门、 绿藻门和蓝藻门种类较多，但硅藻门比例较高的往往是污染较轻的河段，而蓝藻和绿藻门种类比例较高的则是污染较重的河段. 另外指示较清洁水体的金藻门等出现的频率不高，可见汾河中下游流域整体水质情况堪忧.

图 4 汾河中下游各采样点浮游藻类组成比例 Fig. 4 Phytoplankton percentage of different divisions in the middle and lower reaches of Fenhe River
2.2.2 优势种

表 2显示了汾河中下游各采样点不同季节浮游 藻类的优势种类. 从中可知，优势种主要有硅藻门的梅尼小环藻(Cyclotella meneghiniana)、 尖针杆藻(Synedra acus)、 隐头舟形藻(Navicula cryptocephala)、 谷皮菱形藻(Nitzschia palea)，绿藻门的小球藻(Chlorella vulgaris)，蓝藻门的弱细颤藻(Oscillatoria tenuis)、 两栖颤藻(Oscillatoria amphibia)等，这些种类在丰水期和枯水期均有分布. 有的种类仅在丰水期呈现优势，如硅藻门的钝脆杆藻(Fragilaria capucina)、 系带舟形藻(Navicula cincta)、 普通肋缝藻(Frustulia vulgaris)和绿藻门的四尾栅藻(Scenedesmus quadricauda)等，有的种类则仅在枯水期呈现优势，如蓝藻门的小席藻(Phormidium tenue)、 窝形席藻(Phormidium faveolarum)和硅藻门的橄榄形异极藻(Gomphonema olivaceum)等.

表 2 汾河中下游各采样点浮游藻类优势种 1) Table 2 Phytoplankton dominant species of sampling sites in the middle and lower reaches of Fenhe River

从表 2可以看出，各采样点丰水期优势种多为α-中污、 β-中污指示种，只有少数为α-寡污指示种，枯水期优势种则全部为α-中污、 β-中污指示种. 根据文献[24]，汾河中下游的水质应介于α-中污之间至β-中污.

2.2.3 细胞密度

藻类的细胞密度是水生生态系统功能和水质评价的重要参数之一，在一定程度上也能反映水体的污染程度[25]. 从图 5可以看出，同一采样点浮游植物的细胞密度随季节不同差别较大，总体上丰水期较高，平均3.93×108个 ·L-1，枯水期较低，平均2.99×108个 ·L-1. 就各样点来看，差别也较大，汾河二坝(S2)和襄汾(S14)段分别在枯水期和丰水期细胞密度最大，赵城段(S11)细胞密度在丰水期和枯水期都最低. 由图 6还可看出，汾河中下游各采样点均以硅藻门、 绿藻门和蓝藻门细胞密度较大，其它门类细胞密度都很低. 一般认为浮游藻类细胞密度<30×104个 ·mL-1时水体为贫营养型，30×104~100×104个 ·mL-1之间为中营养，>100×104个 ·mL-1为富营养型[26]，据此汾河中下游水质总体近富营养型.

图 5 汾河中下游各采样点浮游藻类细胞密度 Fig. 5 Phytoplankton cell densities of sampling sites in the middle and lower reaches of Fenhe River

图 6 汾河中下游浮游藻类细胞密度组成比例 Fig. 6 Phytoplankton percentage of cell densities in the middle and lower reaches of Fenhe River
2.3 汾河中下游浮游藻类群落结构特征

生物多样性是群落的主要特征之一，群落内物种愈丰富则生物多样性越大. 一般而言，水体发生富营养化会使不适应高营养的藻类消亡，从而导致生物多样性的降低. 同时，浮游藻类生物多样性指数也是常用的水质评价指标，可反映水质的优劣[27，28].

Shannon-Wieaver物种多样性指数多用于反映群落结构的复杂程度，数值越大，群落结构越复杂，对环境的反馈功能越强，越稳定，0为水质严重污染，0~l为重污染，l~3为中污，大于3为清洁水体[29]. 从图 7可以看出，汾河中下游各样点Shannon-Wieaver指数基本介于l~3之间，丰水期平均2.46，枯水期平均2.08，水质基本属于中污.

图 7 汾河中下游各样点浮游藻类Shannon-Wiener物种 多样性指数、 Margalef物种丰富度指数和Pielou均匀度指数 Fig. 7 Phytoplankton Shannon-Wiener index, species richness and evenness in the middle and lower reaches of Fenhe River

Margalef 物种丰富度指数反映植物群落结构与环境之间的关系，理论上，浮游植物种类愈多，个体数量分布愈均匀，所得的 Margalef 多样性指数就愈大，指示环境愈稳定. 从图 7可以看出，汾河中下游各采样点的Margalef指数基本介于0.5~2之间，丰水期平均为1.40，枯水期平均为0.81，水质基本属中污至重污染，个别样点特别是赵城段(S11)，Margalef指数小于0.1，水质明显严重污染.

Pielou均匀度指数指一个群落或生境中全部物种个体数目的分配状况，反映各物种个体数目分配的均匀程度，均匀度值越大，则多样性越高. 从图 7可看出，汾河中下游各采样点的Pielou指数介于0.3~0.8之间，样点之间差异较大，反映出各样点小环境的水质差异. 由于各样点所处的位置及环境不同，工矿企业废水废气的排放、 居民生活污水的倾入以及农药残留物等都可能造成水质的恶化.

2.4 汾河中下游浮游藻类群落与环境因子的典范对应分析(CCA)

典范对应分析(CCA)可反映浮游植物群落组成与环境因子之间的对应关系[30,31]. 根据汾河中下游浮游藻类出现频度和相对密度，选取31种用于 CCA 分析，其中丰水期选取27种，枯水期选取17种，代码见表 3. 图 8是丰水期和枯水期的分析结果排序. 对于环境因子来讲，第一、 第二排序轴间的相关系数都为0，说明排序结果是可信[32].

表 3 汾河中下游CCA分析浮游藻类代码 Table 3 Phytoplankton codes for CCA in the middle and lower reaches of Fenhe River

图 8 汾河中下游丰水期和枯水期浮游藻类与环境因子的CCA排序图 Fig. 8 CCA biplot of phytoplankton and environmental variables in wet and dry season in the middle and lower reaches of Fenhe River

丰水期第一排序轴与电导率、 化学需氧量、 总磷、 氨氮、 溶氧、 Cr、 Cu、 Zn正相关，与水温、 流速等负相关. 第二排序轴与水温、 流速、 总磷、 pH、 金属Cu正相关，与化学需氧量、 氨氮等负相关. 从浮游植物种类的空间分布来看，大部分绿藻和裸藻分布在第二排序轴的下方，与化学需氧量、 电导率、 氨氮具有较高的相关性. 蓝藻主要分布在第二排序轴的左上方和右下方，受水温和Cr影响较大. 硅藻在排序轴上分布较分散，与环境因子的关系较复杂.

枯水期第一排序轴与水温、 电导率、 化学需氧量、 氨氮、 pH、 总硬度、 Cr、 Zn、 Cu正相关，与总磷、 流速、 溶氧等负相关. 第二排序轴与pH、 溶氧、 电导率、 Cu、 Cr、 Pb正相关，与氨氮、 总磷等负相关. 从浮游植物种类的空间分布来看，蓝藻主要分布在第二排序轴的下方，与氨氮、 总磷、 化学需氧量具有较高的相关性. 绿藻和裸藻分布在第一排序轴的左方，主要受溶氧和总磷的影响. 硅藻主要分布在第一排序轴的左边和第二排序轴的上方，主要与总磷、 溶氧、 pH和Cd等相关.

从汾河中下游浮游藻类与理化因子分析结果可以看出，浮游藻类群落在不同季节很不稳定，在丰水期水量较多，有些化学指标的增加可能会促进浮游藻类的生长，而在枯水期水量减少，这些指标急剧升高，超出浮游藻类的耐受范围，反而抑制了浮游藻类的生长，如化学需氧量、 Zn和Cu等. 对于那些与藻类群落相关性较高的理化指标应更多关注.

3 结论

(1)根据国家地面水环境质量标准(GB 3838-2002)，从化学需氧量、 总磷、 氨氮、 溶氧量和重金属镉、 铬、 锌、 铅、 铜的含量标准判断，汾河中下游各样点水质分别为Ⅰ类~Ⅴ类不等. 总的来看，汾河中下游各采样点均受到不同程度的污染，与上游相比水质更差.

(2)汾河中下浮游藻类植物共计有298种，隶属8门96属. 种类较多的依次是硅藻门、 绿藻门和蓝藻门，分别有27属127种，41属104种，20属45种. 裸藻门、 隐藻门、 甲藻门、 金藻门和黄藻门共8属22种. 各样点丰水期的种数均高于枯水期. 优势种主要有硅藻门的梅尼小环藻、 尖针杆藻、 隐头舟形藻、 谷皮菱形藻，绿藻门的小球藻，蓝藻门的弱细颤藻、 两栖颤藻等，多数为α-中污和β-中污指示种. 细胞密度以丰水期较高，枯水期较低，水质总体呈富营养型.

(3)汾河中下游浮游藻类群落的Shannon-Wieaver物种多样性指数基本介于l~3之间，Margalef 物种丰富度指数基本介于0.5~2之间， Pielou均匀度指数介于0.3~0.8之间. 综合分析，汾河中下游水体处于中污染至重污染状态.

(4)根据典范对应分析(CCA)的结果，汾河中下游浮游藻类优势类群在丰水期，大部分绿藻和裸藻与化学需氧量、 电导率、 氨氮具有较高的相关性，蓝藻受水温和Cr影响较大，硅藻分布与环境因子的关系较复杂； 在枯水期蓝藻与氨氮、 总磷、 化学需氧量具有较高的相关性，绿藻和裸藻主要受溶氧和总磷的影响，硅藻主要与总磷、 溶氧、 pH和Cd等相关.

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汾河中下游浮游藻类群落特征及水质分析
王爱爱, 冯佳, 谢树莲