庾 旸張藝玟劉 靜尹 杰*

(1.上海海洋大學 海洋生態(tài)與環(huán)境學院,上海201306;2.上海市建設用地和土地整理事務中心 自然資源部大都市區(qū)國土空間生態(tài)修復工程技術創(chuàng)新中心,上海200003)

浮游植物是海洋中的初級生產(chǎn)者和能源轉(zhuǎn)換者,在海洋生態(tài)系統(tǒng)中扮演著十分重要的角色。它為浮游動物和魚類、貝類等提供生存所必需的食物[1-2]。浮游植物的種類組成和群落結構直接或間接影響其他海洋生物的分布和豐度變化,并影響生態(tài)系統(tǒng)能量流動和物質(zhì)循環(huán)[3]。浮游植物個體微小,生命周期短,在較短時間內(nèi)會對環(huán)境變動作出響應,可隨水體營養(yǎng)水平的不同,在物種組成和群落結構上存在較大差異[4],因此,浮游植物各項生態(tài)指標可作為評價水體營養(yǎng)等級的重要指標[5]。

上海作為濱海特大型城市,人海交匯頻繁,海岸利用程度極高,經(jīng)濟社會發(fā)展水平較高,污廢水排放較高,城鎮(zhèn)污水處理廠在保證城市河道、湖泊和近海水生態(tài)環(huán)境健康方面發(fā)揮了重大作用;同時,上海的污水處理廠往往依海岸而建,近年來有越來越多的污水排放至其鄰近海域,研究表明,2012—2015年每天就有近300萬t污水經(jīng)污水廠初級處理后直接排向上海近岸海域[6]。當前,隨著生態(tài)文明建設的進一步推進、全民環(huán)保意識的不斷提高,國家對污水廠出水水體理化因子進行了嚴格規(guī)定,制定了出水排放標準,并要求可綜合、全面地評價出水水體對于鄰近海域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的影響。

然而,目前大部分水質(zhì)評價體系一般采用單因子評價或者單純的營養(yǎng)鹽、有機污染物、重金屬等指標評價某一區(qū)域的水質(zhì)情況,缺乏從生態(tài)系統(tǒng)角度進行的綜合評價,生物指標評價往往被忽視。此外,上海近岸海域環(huán)境因子復雜多變,排水口區(qū)域浮游植物的種類組成和群落結構表現(xiàn)出與其他水域環(huán)境的獨特變化,這些指標在一定程度上可以指示該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康狀況[7]。因此,系統(tǒng)掌握浮游植物群落動態(tài)變化規(guī)律將更加有利于解析研究區(qū)域水質(zhì)情況?；诖?本研究對上海某污水廠排水口鄰近海域浮游植物的種類組成、生物多樣性、細胞密度、時空分布等方面開展了4個季節(jié)的調(diào)查分析,以期從浮游植物群落生態(tài)學角度分析該污水廠出水是否對上海近岸海域生態(tài)環(huán)境造成影響。

1 材料與方法

1.1 監(jiān)測范圍與站位的確定

本文選取上海某污水廠排水口鄰近海域進行站位設計和浮游植物監(jiān)測。根據(jù)《陸源入海排污口及鄰近海域監(jiān)測技術規(guī)程》(HY/T 076—2005)[8],以排污口為放射中心,布設了10個站位,采樣站位覆蓋污水處理廠出水范圍,站位設置見圖1。本研究于2019年3月,6月,9月和12月中旬進行4個季節(jié)浮游植物樣本采集,每次采樣在2 h 內(nèi)完成。

圖1 污水廠位置及尾水排放海域浮游植物調(diào)查站位分布Fig.1 Location of sewage treatment plant and stations for phytoplankton survey in the adjacent waters of the sewage treatment plant

1.2 樣品采集與處理

浮游植物的采集、處理過程參照《海洋監(jiān)測規(guī)范》[9]。首先,以淺水Ⅲ型浮游生物網(wǎng)自水底至表層進行垂直拖網(wǎng);隨后,加入質(zhì)量分數(shù)為5%的甲醛溶液固定;最后,樣品帶回實驗室后需進一步靜置沉淀濃縮至50 m L。在光學顯微鏡(Olympus-CX21,Japan)下進行浮游植物計數(shù)與種類鑒定。因上海近岸海域受沖淡水影響,因此,分類鑒定全面參考了《中國海藻志》[10]《中國淡水藻類:系統(tǒng)、分類及生態(tài)》[11]和《歐洲硅藻鑒定系統(tǒng)》[12]等文獻資料。

采用便攜式多參數(shù)水質(zhì)檢測儀(HACH-HQ440d,USA)現(xiàn)場測定水溫(t)、鹽度(S)、溶解氧(DO);采用上海博取懸浮物濃度計(ZWYG-2087,上海博取)現(xiàn)場測定懸浮物(SS);利用連續(xù)流動分析儀(Qu AAtro 8001882,Germany)在實驗室檢測總氮(TN)、總磷(TP)。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

物種多樣性指數(shù)(H′)分析采用香農(nóng)威納指數(shù)(Shannon-Wiener Index)[13]計算公式:

物種豐富度指數(shù)(D)分析采用Margalef[14]計算公式:

物種均勻度指數(shù)(J)分析采用Pielou[15]的計算公式:

物種優(yōu)勢度(Y)[14]分析的計算公式為

式中,s為浮游植物樣品中的種類數(shù);P i為第i種的個體數(shù)占總數(shù)的百分比;n i為第i種的數(shù)量;N為每個物種出現(xiàn)的數(shù)量總和;f i為第i種在各站位出現(xiàn)的頻度。

采用Arcgis軟件繪制浮游植物數(shù)量和密度時空特征分布圖。分析浮游植物與環(huán)境因子相關性關系時,優(yōu)先開展弓形效應和去趨勢對應分析(Detrended Correspondence Analysis,DCA),顯示最長軸長度小于4,因此選取冗余分析(Redundancy Analysis,RDA)進行二者相關性分析較為合適。本文選取浮游植物優(yōu)勢種豐度為響應變量矩陣,環(huán)境因子為解釋變量矩陣,基于相關矩陣進行RDA,排序完成后獲得原始模型。選擇方差膨脹因子(Variance Inflation Factor,VIF)小于10的影響因子對優(yōu)勢種藻類豐度與環(huán)境因子進行RDA。DCA 和RDA 采用R 語言3.6.1進行分析。

2 結果與討論

2.1 浮游植物鑒定與種類組成

上海某污水廠排水口鄰近海域共鑒定出了浮游植物6門95種。其中藍藻門27種,占28.42%;綠藻門22種,占23.16%;硅藻門35種,占36.84%;裸藻門6種,占6.32%;金藻門1種,占1.05%;甲藻門4種,占4.21%(圖2)。

浮游植物種類組成存在季節(jié)差異(圖3),表現(xiàn)為秋季＞春季＞夏季＞冬季。秋季各站位浮游植物數(shù)量介于7～17種,其中位于尾水排放口南側的第3號站點浮游植物數(shù)量最少,而位于北側的第4號站點數(shù)量最多,其中藍藻門最多,占總量的40.9%,硅藻門次之,占總量的31.8%,金藻門最少,只有1 種,為小等刺硅鞭藻(Dictyocha fibula);春季各站位浮游植物種類數(shù)量為5～15 種,其中裸藻僅發(fā)現(xiàn)1 種(尖尾裸藻Euglena oxyuris),未發(fā)現(xiàn)甲藻;夏季各站位浮游植物種類數(shù)量為2～10種,其中硅藻門最多,占總量的50%,甲藻僅有3種,裸藻只有1種(旋轉(zhuǎn)囊裸藻Spinning cystis);冬季各站位浮游植物種類數(shù)量為3～9種,依然是硅藻門最多,占總量的50%。

圖2 浮游植物種類組成Fig.2 Species composition of phytoplankton in the surveying area

圖3 污水廠出水口鄰近海域浮游植物數(shù)量時空分布特征Fig.3 The spatial and temporal distribution of phytoplankton species number in the adjacent waters of the sewage treatment plant

2.2 浮游植物優(yōu)勢種

該污水廠排水口鄰近海域浮游植物種類優(yōu)勢度如表1,硅藻門中的中肋骨條藻為全年優(yōu)勢種,且占據(jù)絕對優(yōu)勢地位。春季優(yōu)勢種為中肋骨條藻、顆粒直鏈藻、水華微囊藻、拉氏擬浮絲藻、阿氏浮絲藻和土生偽魚腥藻,其中中肋骨條藻在各站位均有分布,優(yōu)勢度(Y=0.36)遠高于顆粒直鏈藻(Y=0.11)和其他浮游植物,占絕對優(yōu)勢;夏季優(yōu)勢種為中肋骨條藻、顆粒直鏈藻和水華微囊藻三種,中肋骨條藻優(yōu)勢度為0.42,遠高于其他藻類;秋季優(yōu)勢種為中肋骨條藻、水華微囊藻、拉氏擬浮絲藻、阿氏浮絲藻和土生偽魚腥藻,中肋骨條藻優(yōu)勢度為0.34,水華微囊藻優(yōu)勢度為0.08;冬季優(yōu)勢種僅為中肋骨條藻和顆粒直鏈藻,優(yōu)勢度分別為0.87和0.04。

表1 污水廠排水口鄰近海域浮游植物常見種季節(jié)變化Table 1 Seasonal variations of the common phytoplankton species in the adjacent waters of the sewage treatment plant

2.3 浮游植物細胞密度時空變化

污水廠排水口鄰近海域浮游植物細胞密度(ρ)季節(jié)性變化非常明顯(圖4)。具體表現(xiàn)為:ρ秋季＞ρ冬季＞ρ春季＞ρ夏季,全年平均密度約521.25×104cells/L,峰值出現(xiàn)在秋季,位于4 號站位,達到4 624.91×104cells/L,最低密度出現(xiàn)于夏季,位于9號站位,僅為5.01×104cells/L。不同種類浮游植物的密度占比不同,其中硅藻門浮游植物貢獻最多,年均個體密度高達412.25×104cells/L,占比為79.09%,其次為藍藻門112.48×104cells/L,占比19.71%;綠藻門、裸藻門、甲藻門浮游植物極少,均占比不到1%。各季度分布特征中,硅藻門個體密度(ρ硅藻)與浮游植物總密度差異相似,同樣為ρ硅藻秋季＞ρ硅藻冬季＞ρ硅藻春季＞ρ硅藻夏季。

圖4 污水廠排水口鄰近海域浮游植物密度時空分布規(guī)律Fig.4 The spatial and temporal distribution of phytoplankton density in the adjacent waters of the sewage treatment plant

2.4 浮游植物群落特征與水質(zhì)評價

由表2可知,該污水廠排水口鄰近海域浮游植物多樣性指數(shù)季節(jié)差異較為顯著。Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)年均值為2.19,變化范圍為1.10～3.32,H′值變化趨勢為H′夏季＞H′冬季＞H′秋季＞H′春季,除卻春季均值僅為1.23,夏、秋、冬三季H′指數(shù)均超過2.00。Margalef豐富度指數(shù)(D)全年均值為3.09,變化范圍為2.24～3.97,D值季節(jié)分布趨勢為D冬季＞D夏季＞D秋季＞D春季。Pielou均勻度指數(shù)(J)全年均值為0.53,變幅為2.14～3.97,J值在夏、冬季較高,秋、春季較低。

表2 不同季節(jié)污水廠排水口鄰近海域浮游植物多樣性指數(shù)Table 2 Phytoplankton diversity indexes in the adjacent waters of the sewage treatment plant in different seasons

依據(jù)浮游植物多樣性指數(shù)水質(zhì)評價標準(表3),由污水廠排水口鄰近海域浮游植物Shannon-Wiener多樣性指數(shù)全年均值(2.19)可知,本研究區(qū)域水體處于輕中污染等級;由Pielou均勻度指數(shù)(0.47)和Margalef豐富度指數(shù)(3.09),結果亦顯示水體處于中度污染等級。根據(jù)《海水水質(zhì)標準》(GB 3097—1997)[16],研究海域水質(zhì)總體保持在一類至三類海水水質(zhì)(表4)。溶解氧指標顯示該區(qū)域全年為一類水質(zhì),p H 指標顯示該區(qū)域為二類水質(zhì),懸浮物指標顯示該區(qū)域為三類水質(zhì)。因此綜合表3和表4的分析數(shù)據(jù),綜合表明污水廠排水口鄰近海域水質(zhì)總體屬于輕中污染。

表3 近岸水域水體污染評價Table 3 Evaluation of water pollution in the adjacent waters of the sewage treatment plant

表4 調(diào)查區(qū)域主要理化因子Table 4 Main physical and chemical parameters in the adjacent waters of the sewage treatment plant

2.5 浮游植物優(yōu)勢種與環(huán)境因子相關性分型

通過對6種優(yōu)勢種藻類豐度及5項環(huán)境因子(水溫t、鹽度S、總氮TN、總磷TP和懸浮物SS)進行RDA 分析,得到RDA1和RDA2的解釋度分別為31.58%和24.56%(圖5)。分析結果如表所示,該研究中,2個環(huán)境排序軸和2個物種排序軸相關系數(shù)均為0,且蒙特卡洛檢驗結果中,第一軸和全部軸顯著性差異值p＜0.05,表明排序結果是可靠的。

圖5 浮游植物優(yōu)勢種與環(huán)境因子的冗余分析Fig.5 Redundancy analysis(RDA)of predominant phytoplankton species and environmental factors

從圖5中可以看出,S和SS出現(xiàn)正相關,所起到的作用也相近,中肋骨條藻(d)和顆粒直鏈藻(e)與S呈現(xiàn)正相關,土生偽魚腥藻(f)與S負相關;水華微囊藻(a)、拉氏擬浮絲藻(b)、阿氏浮絲藻(c)主要受到t影響;土生偽魚腥藻(f)與TN和TP呈現(xiàn)一定的正相關性。

3 討 論

3.1 浮游植物群落結構及空間分布特征

上海是海陸交匯和人類活動十分頻繁的區(qū)域,生態(tài)系統(tǒng)脆弱且復雜。根據(jù)2019年中國海洋環(huán)境狀況公報[19],上海及鄰近海域是我國近海富營養(yǎng)化程度最高的區(qū)域之一,水質(zhì)總體較差。本研究區(qū)域位于長江口南側,受到長江徑流沖淡水影響,存在徑流和潮汐的雙向作用,且污水廠排水口為淡水,導致該水域環(huán)境因子變化非常大,營養(yǎng)鹽濃度和懸浮物含量高,環(huán)境條件十分特殊,水體渾濁,泥沙含量高,大部分浮游植物很難生存或大量生長[20]。

本區(qū)域采集到的浮游植物以硅藻門占絕對優(yōu)勢,在2019年全年的調(diào)查中,浮游植物種類組成呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性變化,其中秋季為年度浮游植物種類數(shù)目最多的季節(jié),共采集到44種,其次是春季(36種),夏季采集到30種,冬季僅采集到24種,為全年浮游植物種類數(shù)目最少的季節(jié);浮游植物細胞密度最高值處于秋季,這與浮游植物種類組成最多所處季節(jié)相同。由于中肋骨條藻在細胞豐度上占有絕對優(yōu)勢,它的種群變化規(guī)律決定了總體浮游植物個體豐度的時空特征。

本區(qū)域中鑒定的浮游植物種類組成多為淡水浮游植物,分布有廣鹽種,以硅藻類為主。其中,中肋骨條藻作為一種近岸分布種,其鹽度耐受范圍為13～36,是常見的廣鹽、廣溫性硅藻類浮游植物類群[21];此外,中肋骨條藻可以在渾濁水體中盡可能多地吸收光線[22],它的分布與透明度呈負相關性[23]。有研究表明,本研究所處區(qū)域表層水懸浮物為142.6～2 176.1 mg/L[24],因此,水體純濁度是導致本次調(diào)查中肋骨條藻為全年優(yōu)勢種的重要因素。

3.2 浮游植物多樣性與水質(zhì)分析

對污水廠排水口鄰近海域全周年Shannon-Wiener指數(shù)、Margalef指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)進行統(tǒng)計分析得到的結果,反映了浮游植物群落的物種組成、群落結構和生態(tài)功能,也可以作為水質(zhì)評價的生態(tài)學依據(jù)?？傮w來看,該區(qū)域的生物多樣性和均勻度均處于中等偏下水平,但鑒于各個站位中肋骨條藻的優(yōu)勢度較大,種間分布不均勻,導致其群落結構相對比較簡單。本研究中浮游植物的多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)季節(jié)性變化規(guī)律不明顯,均在夏季達到最大值。根據(jù)表3的水質(zhì)評價標準,判定研究區(qū)域的水質(zhì)清潔度為輕中度污染。

近幾年,國家和地方對城鎮(zhèn)污水排放提出了很高的要求,規(guī)定排放標準不低于一級A 標準,以期進一步減小污水廠排放的污水對海洋環(huán)境產(chǎn)生的負面影響。通過獲取該污水廠排水口各項指標數(shù)據(jù),本研究發(fā)現(xiàn)污水廠排水總磷平均含量為(0.18±0.03)mg/L,總氮為(8.92±1.70)mg/L,氨氮(NH+4-N)為(1.44±0.34)mg/L,而該污水廠鄰近海域總體水質(zhì)要比污水廠出水口水質(zhì)差(待發(fā)表),說明污水廠對其鄰近海域水質(zhì)不會造成明顯影響。此外,肖南燕等[24]研究表明長江口附近海域浮游植物Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Margalef豐富度指數(shù)和Pielou 均勻度指數(shù)分別為2.59,4.00和0.55,顯示長江口水體總體處于輕中度污染水平,與本研究浮游植物水質(zhì)評價基本一致,說明研究區(qū)域本身水體污染性偏高,與污水廠排水口營養(yǎng)物質(zhì)輸入相關性不大。

3.3 浮游植物與環(huán)境因子相關性分析

鹽度、水溫、營養(yǎng)鹽狀況、水動力參數(shù)等環(huán)境條件直接或間接對浮游植物種類組成和分布特征產(chǎn)生影響[25-26]。本研究依據(jù)RDA 排序結果顯示,水溫、鹽度和懸浮物分別是影響該污水廠排放口鄰近海域浮游植物分布的主要環(huán)境因子。

本研究區(qū)域地處長江口,長江徑流和咸潮入侵其鹽度變化較大,3月份受長江沖淡水的強烈影響,呈現(xiàn)出較強的鹽度梯度,此時鹽度成為限制浮游植物生長的主要因子,RDA 分析同樣顯示3月份浮游植物受鹽度影響較大。水溫是影響浮游植物呼吸作用強度和光合酶促作用的關鍵因子,進而影響浮游植物的生長繁育過程。藍藻為暖水生活習性[27],9月份藍藻為優(yōu)勢種群,主要受溫度影響,呈現(xiàn)正相關性。

4 結 語

基于2019年上海某污水廠排水口鄰近海域4個季節(jié)浮游植物監(jiān)測結果,開展了該海域浮游植物多樣性的研究及相關水質(zhì)分析。共鑒定出浮游植物6門95種,其中硅藻門35種,中肋骨條藻(S.costatum)為全年優(yōu)勢種。浮游植物物種多樣性指數(shù)季節(jié)性略有差異,并顯示該海域水質(zhì)總體屬于輕中污染。作為引起上海富營養(yǎng)化來源之一的城鎮(zhèn)污水廠,滿足排放標準對緩解上海水體污染壓力十分重要。據(jù)了解,2017年該污水廠進行了提標改造工程,根據(jù)對該污水廠出水口水質(zhì)進行連續(xù)跟蹤監(jiān)測,與提標改造前上海受影響區(qū)域水質(zhì)相比,本次水質(zhì)總體上得到改善,而且經(jīng)RDA 分析該區(qū)域浮游植物物種結構與環(huán)境因子的關系,懸浮物、鹽度、水溫和溶解氧等環(huán)境因子在本次調(diào)查浮游植物物種組成及分布方面起到重要作用。