2. 兰州交通大学环境与市政工程学院, 兰州 730070
2. College of Environmental & Municipal Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China
水质是河流生态系统健康的重要指标,浮游藻类作为淡水生态系统的初级生产者,是食物链的重要组成部分,因其个体微小,对外界反应灵敏,其群落组成和数量变化对水体的水质营养状况和健康水平起到一定的指示作用[1].然而河流作为一个连续的动态系统,其水质是各种自然因素和人类活动共同影响的体现[2],作为一种人类活动,大坝的建立可以显著改变原来的河流生态系统的生境状况[3,4],使得不同时空尺度上生境的异质性降低,对应的生物群落多样性降低,水域生态系统结构与功能随之发生变化.水体中浮游藻类的种类、 数量及群落结构等特征变化可以用来评价水环境状况[5].
贝江位于广西壮族自治区北部融水苗族自治县境内,是柳江主流融江的支流之一,发源于黔桂交界的九万大山,流经融水县汪洞、 三防、 怀宝、 四荣、 融水等乡镇,于融水镇上游7.5 km处的周村附近汇入融江.贝江主河道长度134 km,流域面积1788 km2,流域地处亚热带,气候温暖湿润,雨量充沛,年平均降雨量1824.8 mm,且多以暴雨形式出现.目前针对贝江藻类的研究仅见唐鑫等[6]做过零星调查,本研究对贝江水体理化参数、 浮游藻类群落特征以及水体污染源等方面进行全面调查,运用藻类生物学指标和综合营养状态指数对水体进行评价,并探讨影响浮游藻类群落分布的环境因子以及分析水体富营养化的风险,以期为流域水环境管理提供科学依据. 1 材料与方法 1.1 采样点设置
在贝江干流、 两条主要支流都郎河、 香粉河以及融江共设置15个采样点(图 1).从贝江干流上游三防镇至贝江口全长约130 km河段,根据已建电站和规划中待建电站的位置,在电站坝上、 坝下等不同生境的河段布设样点,流域内规划建设7处梯级水电站,已建有拉川和江门电站,鱼窝电站正在建设中,规划待建的电站有落久、 拉甫、 河村口及马浪,干流共设置样点12个,编号S1~S6和S9~S14,采样点S1位于贝江最上游的三防镇,S2位于上游第一个梯级拉川电站库区内,S3位于拉川电站坝下,S4位于鱼窝电站坝前,S11位于的落久电站坝址,S13位于江门电站坝前,S14位于江门电站坝下,主要支流都郎河和香粉河各设置1个采样点,编号S7和S8,此外在融江设置采样点S15.
![]() | S1.三防镇; S2.拉川库区; S3.拉川坝下; S4.鱼窝坝前; S5.河村口大桥; S6.怀宝镇; S7.都郎河; S8.香粉河; S9.四荣乡; S10.贝江码头; S11.落久电站坝址; S12.贝江干流(永利铁桥); S13.江门电站坝前; S14.江门电站坝下; S15.融江 图 1 贝江采样点位示意 Fig. 1 Location of sampling sites in Beijiang River |
于枯水期(2013年12月)和丰水期(2014年4月)对贝江流域15个点位进行调查分析.现场测定pH、 水温(T)、 溶解氧(DO)、 透明度(SD),采集表层水样1L带回实验室测定叶绿素a(Chl-a)、 总氮(TN)、 氨氮(NH4+-N)、 硝氮(NO3--N)、 亚硝氮(NO2--N)、 总磷(TP)以及高锰酸盐指数,测定方法均参考文献[7]的方法. 1.2.2 浮游藻类分析
浮游藻类定性样品用25号浮游生物网在水体表层呈“∞”形来回捞取,4%福尔马林溶液固定,显微镜下进行种类鉴定; 浮游藻类定量样品用采水器采集表层(水下0.5 m)水样1 L,加入10 mL鲁哥试剂固定,样品经沉淀、 浓缩、 定容后,采用目镜视野计数法进行藻类细胞计数与鉴定[8]. 1.2.3 评价方法
应用Shannon-Wiener多样性指数(H)、 Pielou均匀度指数(J)、 Margalef物种丰富度指数(d)和优势度指数(Y)进行水生态环境评价,分别按以下公式进行计算:
综合营养状态指数(TLI)法,使用Carlson方法评价[10],公式如下:
采用Canoco for Windows 4.5软件对物种数据和环境数据进行排序分析,物种矩阵经过lg(x+1)转换,环境因子除pH外全部进行lg(x+1)转换[11],基本图形绘制在Origin 8.6中完成.
2 结果与分析 2.1 浮游藻类群落特征 2.1.1 浮游藻类群落组成
调查期间,贝江共检出浮游藻类74种,隶属于6门29科48属(表 1),其中绿藻门12科19属,占39.58%; 硅藻门10科17属,占35.42%; 蓝藻门3科7属,占14.58%; 其他门类3门4科5属共占10.42%.
![]() | 表 1 贝江浮游藻类群落组成 Table 1 Composition of the phytoplankton community in Beijiang River |
调查期间,贝江共有浮游藻类优势种12种,包括蓝藻门2种: 小颤藻(Oscillatoria tenuis)、 多变鱼腥藻(Anabaena variabilis); 隐藻门1种: 啮蚀隐藻(Cryptomonas erosa); 硅藻门9种: 颗粒沟链藻(Aulacoseira granulate)、 变异脆杆藻(Fragilaria virescens)、 二列双菱藻(Surirella biseriata)、 双头菱形藻(Nitzschia amphibia)、 简单舟形藻(Navicula simplex)、 梅尼小环藻(Cyclotella meneghiniana)、 肘状针杆藻(Synedra ulna)、 窄异极藻(Gomphonema angustatum)、 膨胀桥弯藻(Cymbella tumida).浮游藻类优势种及其优势度见表 2,啮蚀隐藻为枯水期的第一优势种,小颤藻为丰水期的第一优势种,硅藻门的双头菱形藻、 窄异极藻、 肘状针杆藻和膨胀桥弯藻出现的频度较高.
![]() | 表 2 浮游藻类优势种及其优势度 Table 2 Dominant species and the dominance of phytoplankton in Beijiang River |
2.1.3 浮游藻类细胞密度
贝江枯水期和丰水期各样点浮游藻类细胞密度组成见图 2,枯水期藻类总细胞密度介于1.88×105~9.81×105 cells ·L-1之间,平均值为3.54×105 cells ·L-1; 丰水期藻细胞总密度介于2.04×105~8.99×105 cells ·L-1之间,平均值为4.87×105 cells ·L-1.两期浮游藻类总细胞密度最高的样点均是拉川库区(S2),但藻细胞密度组成差异较大,枯水期隐藻占比例最大,丰水期演变为蓝藻和硅藻占优势.枯水期、 丰水期藻类总细胞密度最低的样点分别是四荣乡(S9)、 融江(S15).
![]() | 图 2 贝江流域各采样点浮游藻类细胞密度组成
Fig. 2 Phytoplankton cell densities of each sampling site in Beijiang River
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贝江浮游藻类多样性指数(H)、 均匀度指数(J)与丰富度指数(d)变化趋势如图 3.枯水期多样性指数H的变化范围为1.27~4.57,平均值为2.80,最高值出现在都郎河(S7),最低值出现在拉川坝下(S3); 均匀度指数J处于0.44~1.44之间,平均值为0.88,最高值出现在香粉河(S8),最低值出现在拉川库区(S2); 丰富度指数d的变化范围0.32~1.13,平均值0.66.丰水期多样性指数H的变化范围2.34~3.38,平均值为2.89,三防镇(S1)最高,香粉河(S8)最低; 均匀度指数J处于0.66~0.89,平均值为0.82,三防镇(S1)最高,拉川库区(S2)最低; 物种丰富度指数d的变化范围0.54~1.17,平均值为0.81.根据多样性指数评价标准[12],除S2、 S3等个别样点处于中污染外,贝江整体处于轻污染状态.
![]() | 图 3 贝江流域各样点浮游藻类多样性指数、 均匀度指数和丰富度指数
Fig. 3 Phytoplankton Shannon-Wiener index,evenness and species richness in Beijiang River
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调查结果表明(表 3),枯水期贝江水体中的pH、 T、 NO2--N、 NH4+-N和TN含量显著低于丰水期 (P<0.05),而Chl-a是枯水期显著高于丰水期(P<0.05).贝江水体TN、 TP浓度变幅分别为 0.66~1.14 mg ·L-1、 0.03~0.14 mg ·L-1 (图 4),丰水期TN浓度高于枯水期,且均超过贝江水功能区水质标准: 《地表水环境质量标准(GB 3838-2002)》中Ⅱ类水标准; TP浓度除样点S9、 S10外,丰水期均高于枯水期,且S9含量最高,超过地表水环境质量标准(GB 3838-2002)》中Ⅱ类水标准.
![]() | 表 3 贝江水体主要理化参数 Table 3 Physic-chemical parameters of water in Beijiang River |
![]() | 图 4 贝江总氮、 总磷浓度分布特征
Fig. 4 Concentrations of TN and TP in Beijiang River
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根据综合营养状态指数TLI(∑)的大小,对贝江水体进行富营养化状态评价(图 5),贝江水体处于贫-中营养状态.样点江门电站坝下(S14)、 融江(S15)丰水期和枯水期TLI(∑)均小于30,为贫营养状态,样点贝江码头(S10)、 落久电站坝址(S11)和贝江干流(S12)枯水期处于贫营养水平,其他样点枯水期和丰水期都处于中营养水平.
![]() | 图 5 贝江各点位TLI(∑)值
Fig. 5 TLI(∑)of different sampling points in Beijiang River
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选取表 2中的12种优势种以及7个环境因子pH、 DO、 T、 NH4+-N、 TN、 TP和高锰酸盐指数进行排序分析.DCA分析显示,枯水期和丰水期4个轴中梯度最大值分别为1.128和1.058,均小于3,因此数据更适合RDA分析(表 4).枯水期、 丰水期前两个环境因子轴与物种轴之间的相关系数分别为0.898、 0.713和0.801、 0.704说明排序图能很好地反映藻类与环境因子之间的关系[12]; 枯水期前两轴累计解释了浮游藻类种类变异的34.3%和环境变异的68.1%; 丰水期前两轴累计解释了浮游藻类种类变异的37.5%和环境变异的77.6%.枯水期贝江浮游藻类群落分布与环境因子DO、 TN、 TP和高锰酸盐指数的相关性较高,小颤藻、 二列双菱藻、 肘状针杆藻和膨胀桥弯藻与DO、 TP和高锰酸盐指数具有正相关性,与TN呈负相关性; 丰水期贝江浮游藻类群落结构与环境因子TN、 NH4+-N和高锰酸盐指数有较高的相关性,啮蚀隐藻、 肘状针杆藻和简单舟形藻与TN、 NH4+-N呈正相关性,与双头菱形藻、 膨胀桥弯藻和颗粒沟链藻呈负相关性,多变鱼腥藻和窄异极藻与高锰酸盐指数呈正相关性 (图 6).
![]() | 表 4 浮游藻类与环境因子的RDA分析 Table 4 Redundancy analysis results of phytoplankton and environmental factors |
![]() | a.小颤藻Oscillatoria tenuis; a1.多变鱼腥藻Anabaena variabilis; b.啮蚀隐藻Cryptomonas erosa; c.变异脆杆藻Fragilaria virescens; d.二列双菱藻Surirella biseriata; e.双头菱形藻Nitzschia amphibia; f.梅尼小环藻Cyclotella meneghiniana; g.肘状针杆藻Synedra ulna; h.窄异极藻Gomphonema angustatum; i.膨胀桥弯藻Cymbella tumida; j.颗粒沟链藻Aulacoseira granulate; k.简单舟形藻Navicula simplex 图 6 贝江枯水期和丰水期环境因子与浮游藻类RDA分析 Fig. 6 RDA analysis of environmental factors in wet and dry seasons and phytoplankton in Beijiang River |
通过对贝江流域污染源的调查分析,贝江流域内基本没有工业污染源,影响水质的污染源主要为农业面源污染,包括城镇与农村生活面源、 农田面源及畜禽养殖,运用排污系数法分别计算每年氮磷排放量,参照《全国水环境容量核定技术指南》提供的入河系数,估算贝江流域全年接受氮、 磷负荷分别为5028.46 t、 115.73 t,从各类污染源的贡献率看,农田面源的污染贡献率最大,氮污染的贡献率达到95.48%,磷污染所占比例达到84.71%(表 5).
![]() | 表 5 贝江入河污染源的统计分析 Table 5 Statistical analysis of input pollution sources in Beijiang River |
3 讨论 3.1 贝江浮游藻类群落特征与水质现状
贝江浮游藻类群落结构主要由硅藻门、 绿藻门和蓝藻门组成,其中硅藻门种类最多,且出现频度较高的菱形藻、 桥弯藻、 针杆藻和异极藻,与广西其它河流桂江[13]和漓江[14]的硅藻种类类似.藻细胞密度是水生生态系统功能和水质评价的重要参数,在一定程度上也能反映水体的水质情况[15].贝江藻细胞总密度丰水期与枯水期差异较小,但各样点藻细胞密度组成在不同时期差异较大(图 2).相比枯水期,丰水期各样点蓝藻比例升高,硅藻比例略有增加,绿藻比例较低且维持相对稳定,隐藻比例降低,其他藻类细胞的比例变化不大.样点拉川库区(S2)能很好地反映此变化规律,枯水期隐藻比例最大,丰水期演变为蓝藻和硅藻占优势,这与样点的生境发生较大的变化相关,由于拉川电站的建立,使得该区域呈现出水库的特点,水体交换和流速比干流慢,导致水体中藻类发生变化.同一时期不同样点的藻细胞密度组成也存在明显差异(图 2),枯水期样点三防镇(S1)、 怀宝镇(S6)和落久电站坝址(S11)的蓝藻细胞密度显著高于其它样点,主要原因是三防镇(S1)位于拉川电站库尾,落久电站坝址(S11)位于贝江下游江门电站库区内,类似水库的生境有利于蓝藻的大量繁殖; 而怀宝镇(S6)处于贝江中游,采样点靠近居民区,水体受到居民生活污水和人为的污染严重.研究认为,中营养型水体以甲藻、 隐藻和硅藻类占优势,而富营养型水体以蓝藻、 绿藻类占优势[16].贝江河流段浮游藻类以硅藻为主,且出现频度较高的菱形藻、 异极藻和桥弯藻均是α-寡污指示种[17],说明贝江水质整体良好,但在样点三防镇(S1)、 拉川库区(S2)和落久电站坝址(S11)蓝藻或隐藻凸显优势(图 2),更接近水库浮游藻类的分布特征. 3.2 贝江水体发生富营养化的风险分析
水体富营养化与藻类水华是全球性的水环境问题,主要与人为氮和磷的过量排放有关[18],河流发生富营养化的主要因素包括水体中含有丰富的氮磷、 缓慢的水文水动力及适宜的气象条件[19].本研究RDA分析表明,氮磷营养盐是影响贝江浮游藻类群落分布的重要环境因子,调查期间水体中TN和TP平均浓度分别为0.89 mg ·L-1和0.06 mg ·L-1,其中贝江下游地区TN水平较高,而样点(S8、 S9)TP含量较高(图 4),但下游紧接着的贝江码头(S10)样点TP含量明显降低,说明贝江水体有一定自净作用.贝江丰水期TN、 TP高于枯水期的原因可能与丰水期雨量大,强降水冲刷了土壤中积累的营养盐进入水体有关.与同处于亚热带地区的其他河流相比,贝江水体中TN、 TP浓度处于较低水平,低于同流域的龙江河[19]和融江(本研究),但与20世纪80年代珠江[20]TN、 TP浓度相比,TN浓度仍有所升高,TP浓度基本维持不变.贝江流域内梯级水库拉川库区总氮、 总磷浓度分别为0.91 mg ·L-1、 0.06 mg ·L-1,江门电站库区的总氮、 总磷浓度分别为1.00 mg ·L-1、 0.03 mg ·L-1,高于高州水库[21]总氮、 总磷浓度0.63 mg ·L-1、 0.02 mg ·L-1,研究表明高州水库已发生过大规模蓝藻水华[21],说明贝江水体中氮磷营养盐水平已具有发生水体富营养化与藻类水华的风险.污染源调查结果显示贝江氮磷的污染主要来自于农业面源污染(表 5),这与贝江的社会经济情况相关,贝江地处山区,无工业支柱产业,农业和林业是其经济基础产业,因此农业耕作成为主要的人类活动.已有研究表明[22,23],农业用地面积与水质指标NH4+-N、 NO3--N、 TN呈显著正相关性,而水体中的氮素主要来源于不合理施用而流失的化肥和农药,这与黄亚丽等[24]对南四湖流域、 李恒鹏等[25]对太湖上游地区以及张平等[26]对密云水库东庄小流域地区的研究结果相似,说明农业耕作中农药、 化肥的过度施用已成为很多流域水环境污染的主要影响因素.此外,河流上梯级电站的建设导致水动力条件改变,进而影响水体营养物质组成与循环,也是造成河流富营养化的重要原因[27],贝江流域规划建7处梯级电站,目前已建有拉川电站和江门电站,鱼窝电站正在建设,电站的建设导致部分水体从河流型向水库型改变,大坝拦截造成了局部河段流速减缓,水动力条件的改变可导致营养盐的累积和藻类的大量繁殖[28],大大增加水体富营养化的风险,加上流域常年温暖湿润的气候条件,说明贝江发生水体富营养化的潜在风险较高.因此控制贝江外源氮磷输入是实现水生生态系统平衡和健康维持的可行而有力的手段,发展有机农业和生态农业,引导和帮助农民科学施肥、 安全用药,从源头上降低面源污染的产生压力,才能保护现存的良好水质.
4 结论
(1)本次调查贝江浮游藻类共有6门29科48属74种,丰水期6门26科40属59种,枯水期5门23科41属58种; 主要由硅藻门、 绿藻门、 蓝藻门组成,全年优势种以硅藻门藻类为主,主要有颗粒沟链藻、变异脆杆藻、二列双菱藻、双头菱形藻、简单舟形藻、梅尼小环藻、肘状针杆藻、窄异极藻和膨胀桥弯藻. 藻细胞总密度丰水期和枯水期相差不大,枯水期藻细胞总密度平均值为3.54×105 cells ·L-1; 丰水期藻细胞总密平均值为4.87×105 cells ·L-1.
(2)根据生物多样性指数评价贝江水体处于轻或无污染,综合营养状态指数表明贝江水体处于贫-中营养状态.贝江水质整体良好,各样点藻细胞密度分布和优势种显示,贝江河流段水质优于水库段,且水库内水体富营养化的潜在风险较高.
(3)本研究RDA分析表明,贝江浮游藻类群落的分布与环境因子氮磷营养盐具有较高的相关性,并且贝江氮磷的污染主要来源于农业面源污染.因此,通过控制外源氮磷的输入,减少化肥、 农药不合理的施用量,提高利用效率,加强流域的生态环境保护,发展有机农业和生态农业,对防范贝江水体的进一步污染意义重大.
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