陳詩雨 郭 印 徐賽賽 陳立婧#

(1.上海海洋大學環(huán)境DNA技術(shù)與水生態(tài)健康評估工程中心,上海 201306;2.上海農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學院,上海 201699)

浮游植物是水生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)者,由于個體較小,能對環(huán)境的變化做出迅速響應(yīng)[1-3]。浮游植物與水質(zhì)關(guān)系密切,其群落組成、優(yōu)勢種、現(xiàn)存量等指標在不同營養(yǎng)水平的水環(huán)境中存在差異,能夠及時、準確地反映水體狀況[4]。近年來,利用浮游植物與理化指標相結(jié)合評價不同環(huán)境水質(zhì)的方式受到了較多學者的廣泛關(guān)注。如鐘可兒等[5]對長江干流浮游植物群落結(jié)構(gòu)空間異質(zhì)性及其影響因素進行探究,并為長江干流水生生物監(jiān)測和10年禁漁實施效果的評估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及理論依據(jù);孫來康等[6]對西安城市河流浮游植物群落結(jié)構(gòu)及其與環(huán)境因子的關(guān)系進行探究;李為星等[7]對上海城郊河道水質(zhì)進行評價,從而為城市河道的治理與修復提供科學參考。對不同類型河道對比分析可以較為清晰地了解不同環(huán)境下水體的營養(yǎng)情況,并根據(jù)結(jié)果有針對性地提出改善水質(zhì)方案,提高水質(zhì)治理效率,加快環(huán)境修復進程。

崇明區(qū)地處長江入海口,面積為1 267 km2,被譽為鑲嵌在長江經(jīng)濟帶的“海上明珠”,是上海最具潛在戰(zhàn)略意義的發(fā)展空間之一。崇明區(qū)屬沿海平原感潮河網(wǎng)地區(qū),水資源主要來自長江水的供給和降雨形成的地表徑流[8],全區(qū)共有河湖16 274條(個),總長度共計9 304.5 km,生境類型復雜多樣,為水生生物提供了良好的生存條件和繁衍空間,在上海生物多樣性中占據(jù)重要地位。前人的研究多集中于崇明島典型污染河道以及島上的明珠湖和青草沙水庫[9-12],對于全區(qū)河道的基礎(chǔ)性調(diào)查較少。根據(jù)崇明區(qū)地理位置與河道等級在全區(qū)選取26個監(jiān)測點,并劃分為5種類型河道,每季度進行1次調(diào)查,分析不同類型河道中浮游植物種類組成和數(shù)量分布以及與環(huán)境因子的關(guān)系,并對水質(zhì)狀況進行評估,以期為崇明區(qū)河道生態(tài)整治工程效果評價提供基礎(chǔ)參考數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 監(jiān)測點設(shè)置

于2020年在崇明區(qū)三島設(shè)置26個監(jiān)測點(見圖1),并根據(jù)監(jiān)測點所處河道類型和位置特征劃分為5種類型河道:水動力斷面河道(市區(qū)管河道中監(jiān)測水動力狀況的河道)5個監(jiān)測點,鎮(zhèn)級以上河道(平均分布全區(qū))10個監(jiān)測點,1864黑臭河道(列入全市黑臭河道整治計劃的河道)5個監(jiān)測點,村級河道3個監(jiān)測點,三查三訪河道(市河長辦公室通過三查三訪發(fā)現(xiàn)的問題河道)3個監(jiān)測點。監(jiān)測點概況如表1所示,每季度采集樣品1次。

圖1 2020年崇明區(qū)5種類型河道監(jiān)測點分布Fig.1 Distribution of 5 types of river monitoring sites in Chongming District in 2020

表1 2020年崇明區(qū)5種類型河道監(jiān)測點概況Table 1 Overview of 5 types of river monitoring sites in Chongming District in 2020

1.2 采樣方法

浮游植物采集遵照《水環(huán)境監(jiān)測規(guī)范》(SL 219—2013)。根據(jù)監(jiān)測點水深的差異采集不同水層的水樣,混合后取1 L水樣,加入15%(質(zhì)量分數(shù))魯哥氏液固定[13],靜置沉淀48 h后收集濃縮至50 mL。種類鑒定主要參考文獻[14]。同時現(xiàn)場測定理化參數(shù):使用HQ2200便攜式水質(zhì)多參數(shù)分析儀測定水溫(WT)、pH、溶解氧(DO)、電導率(EC)、總?cè)芙夤腆w(TDS),賽式盤測定水體透明度(SD),BPL8-PS7FL回聲測深儀測定水深,FluoroSenseTM手持式葉綠素儀測定葉綠素a(Chla),SVR電波流速儀測定流速;總氮(TN)、總磷(TP)的測定方法參考文獻[15]。

1.3 數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析

Jaccard群落相似性系數(shù)(X)可衡量不同地區(qū)間種群的差異程度,按式(1)計算[16]。

X=C/(A+B-C)

(1)

式中:C為兩種類型河道共有浮游植物種類數(shù);A和B為兩種類型河道浮游植物的種類數(shù)。Jaccard群落相似性系數(shù)越大,兩種類型河道浮游植物的群落結(jié)構(gòu)相似度越高。X為0～0.25,極不相似;X為0.26～0.50,輕度相似;X為0.51～0.75,中等相似;X為0.76～1.00,極度相似。

優(yōu)勢度(Y)按式(2)計算,Y>0.02為優(yōu)勢種[17]。

Y=Ni/N×fi

(2)

式中:Ni為第i個種的個體數(shù);N為每個種的總個體數(shù);fi為第i個種在各監(jiān)測點中出現(xiàn)的頻率。

水質(zhì)評價采用現(xiàn)存量法和修正的Carlson指數(shù)法,評價標準見表2?，F(xiàn)存量法根據(jù)浮游植物生物密度和生物量綜合分析。修正的Carlson指數(shù)(IM)以Chla的濃度作為營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的基準,按式(3)計算[18]。

表2 水體營養(yǎng)狀況評價標準Table 2 Evaluation criteria for water nutrition status

IM=10×(2.46+lnCa/ln2.5)

(3)

式中:Ca為Chla質(zhì)量濃度,μg/L。

2 結(jié)果與分析

2.1 崇明區(qū)河道水質(zhì)理化參數(shù)

由表3可見,2020年崇明區(qū)河道pH為7.67～7.98,均呈弱堿性。村級河道、三查三訪河道的DO高于其他3種類型河道,水動力斷面河道、鎮(zhèn)級以上河道的Chla低于其他河道,水動力斷面河道的流速最快。根據(jù)方差分析檢驗發(fā)現(xiàn)不同類型河道除SD、EC、TDS和流速存在極顯著差異(p<0.01)外,其他理化參數(shù)無顯著差異(p>0.05)。

表3 2020年崇明區(qū)5種類型河道主要理化參數(shù)Table 3 The main physical and chemical parameters of 5 types of rivers in Chongming District in 2020

2.2 浮游植物種類組成及優(yōu)勢種

2020年崇明區(qū)河道共鑒定出浮游植物7門243種。綠藻門(Chlorophyta)87種,占總種類數(shù)的35.80%;硅藻門(Bacillariophyta)63種,占總種類數(shù)的25.93%;藍藻門(Cyanophyta)44種,占總種類數(shù)的18.11%;裸藻門(Euglenophyta)35種,占總種類數(shù)的14.40%;其他門共占5.76%,其中甲藻門(Pyrrophta)6種,隱藻門(Cryptophyta)5種,金藻門(Chrysophyta)3種。浮游植物物種的豐富度主要由綠藻門、硅藻門、藍藻門、裸藻門貢獻。各類型河道中,鎮(zhèn)級以上河道浮游植物種類最多,為7門175種;水動力斷面河道浮游植物種類最少,為5門96種。不同類型河道中浮游植物種類占比不同,三查三訪河道的綠藻門占比最高,為49.53%;水動力斷面河道的硅藻門占比最高,為29.17%;水動力斷面河道與三查三訪河道中全年未觀測到金藻門與隱藻門(見圖2)。

圖2 2020年崇明區(qū)5種類型河道各門浮游植物種類數(shù)Fig.2 Number of phytoplankton species of each phylum in 5 types of rivers in Chongming District in 2020

根據(jù)浮游植物Jaccard群落相似性系數(shù)可知:鎮(zhèn)級以上河道與1864黑臭河道、村級河道之間的浮游植物群落結(jié)構(gòu)均為中等相似;水動力斷面河道與1864黑臭河道、村級河道及三查三訪河道均為輕度相似(見表4)。

表4 2020年崇明區(qū)5種類型河道浮游植物Jaccard群落相似性系數(shù)Table 4 Jaccard similarity coefficients of phytoplankton in 5 types of rivers in Chongming District in 2020

崇明區(qū)河道各季度優(yōu)勢種共鑒定出3門20種,冬季優(yōu)勢種的種類最多,秋季最少(見表5)。村級河道的冬季優(yōu)勢種最多,為10種;1864黑臭河道的冬季次之,為8種;水動力斷面河道的夏季、冬季和三查三訪河道的秋季優(yōu)勢種最少,均為3種。不同類型河道的浮游植物優(yōu)勢種的種類有所不同,但均以藍藻門為主。

表5 2020年崇明區(qū)5種類型河道浮游植物優(yōu)勢種的優(yōu)勢度Table 5 Dominance of 5 types of river phytoplankton dominant species in Chongming District in 2020

2.3 浮游植物生物密度和生物量

2020年崇明區(qū)河道浮游植物平均生物密度為1.36×107個/L,藍藻門和綠藻門合計占生物密度的89.58%。根據(jù)多重比較發(fā)現(xiàn)水動力斷面河道和1864黑臭河道之間、水動力斷面河道和村級河道之間生物密度存在極顯著差異(p<0.01);鎮(zhèn)級以上河道和1864黑臭河道之間存在顯著差異(p<0.05),其他類型河道之間生物密度無顯著差異(p>0.05)。由圖3可見,不同類型河道浮游植物年平均生物密度由大到小依次為:三查三訪河道(2.49×107個/L)、1864黑臭河道(1.87×107個/L)、村級河道(1.33×107個/L)、鎮(zhèn)級以上河道(6.46×106個/L)、水動力斷面河道(4.78×106個/L)。水動力斷面河道冬季生物密度最大,鎮(zhèn)級以上河道夏季生物密度最大,1864黑臭河道和村級河道秋季生物密度最大,三查三訪河道春季生物密度最大。

注:柱子所示為平均值,誤差棒之外認定為異常值。圖3 2020年崇明區(qū)5種類型河道浮游植物生物密度Fig.3 Biological density of phytoplankton in 5 types of rivers in Chongming District in 2020

2020年崇明區(qū)河道浮游植物平均生物量為3.87 mg/L,主要由藍藻門、硅藻門和綠藻門貢獻,三者合計占總生物量的89.63%。根據(jù)多重比較發(fā)現(xiàn)除水動力斷面河道和村級河道之間、鎮(zhèn)級以上河道和村級河道之間生物量存在顯著差異(p<0.05)外,其他類型河道之間生物量無顯著差異(p>0.05)。由圖4可見,不同類型河道浮游植物生物量由大到小依次為:1864黑臭河道(6.21 mg/L)、三查三訪河道(4.31 mg/L)、村級河道(4.12 mg/L)、鎮(zhèn)級以上河道(2.65 mg/L)、水動力斷面河道(2.07 mg/L)。

圖4 2020年崇明區(qū)5種類型河道浮游植物生物量Fig.4 Phytoplankton biomass in 5 types of rivers in Chongming District in 2020

2.4 浮游植物分布與環(huán)境因子的關(guān)系

對浮游植物生物密度進行除趨勢對應(yīng)分析RDA結(jié)果表明:水動力斷面河道、三查三訪河道主要集中在第一象限,與TP靠近;村級河道主要集中在第一、三象限,與TP、DO和WT靠近;鎮(zhèn)級以上河道主要集中在第一、三象限,與DO、WT和pH靠近;而1864黑臭河道的分布較為分散,表明影響因素較為復雜(見圖5)。不同物種與環(huán)境因子的關(guān)系存在差異,影響藍藻門中細小平裂藻和點形平裂藻生物密度的因子主要是WT,而影響假魚腥藻生物密度的因子主要是TN;硅藻門的生物密度主要受WT的影響;綠藻門的生物密度受SD的影響較大。

圖5 2020年崇明區(qū)5種類型河道浮游植物與理化參數(shù)的RDA排序Fig.5 RDA ranking of phytoplankton and physical and chemical parameters for 5 types of rivers in Chongming District in 2020

(DCA),排序結(jié)果表明排序軸梯度最大值為2.938 3,因此選用冗余分析(RDA)。根據(jù)浮游植物相對豐度和出現(xiàn)頻率,選取12種浮游植物用于RDA,浮游植物代碼見表6。

表6 RDA中浮游植物物種代碼Table 6 Phytoplankton species codes in RDA

2.5 水質(zhì)評價

2020年崇明區(qū)河道IM介于51.49～63.86,5種類型河道的IM由大到小依次為:三查三訪河道(63.86)、村級河道(63.71)、1864黑臭河道(62.25)、鎮(zhèn)級以上河道(57.16)、水動力斷面河道(51.49)。5種類型河道IM結(jié)果表明:水動力斷面河道為中營養(yǎng),而其他類型河道均為富營養(yǎng)。5種類型河道生物密度結(jié)果表明:水動力斷面河道、鎮(zhèn)級以上河道為貧-中營養(yǎng),1864黑臭河道、村級河道和三查三訪河道為中營養(yǎng)。生物量結(jié)果表明:除1864黑臭河道為中-富營養(yǎng)外,其他類型河道均為中營養(yǎng)。

3 討 論

3.1 崇明區(qū)不同類型河道浮游植物群落結(jié)構(gòu)的異同

1864黑臭河道和村級河道水源主要來自鎮(zhèn)級以上河道,因此浮游植物物種受水體來源的影響而形成中等相似的結(jié)果。三查三訪河道中位于生活垃圾處置場周圍的S24,受垃圾處理系統(tǒng)的影響,水體營養(yǎng)鹽含量增加,浮游植物的群落結(jié)構(gòu)發(fā)生相應(yīng)的變化,與鎮(zhèn)級以上河道的差異最大。

水動力斷面河道與1864黑臭河道、村級河道及三查三訪河道浮游植物種類僅輕度相似可能是受流速的影響。水動力不僅會影響水體的渾濁程度,還會通過影響主動能力弱的浮游植物的生長與繁殖改變浮游植物的群落結(jié)構(gòu)[19]。水動力斷面河道的監(jiān)測點多位于環(huán)島運河附近。環(huán)島運河由北橫引河、南橫引河和團旺河構(gòu)成,為崇明水系的骨干河道,其面寬底深,過水斷面大,蓄水調(diào)水效能強,水閘引排水時須通過環(huán)島運河進行水能重新分配調(diào)整后再流入島嶼腹地和進入閘口水道,水體流速較快,較大流速的沖擊導致部分藻類細胞破裂死亡,降低浮游植物的種類和生物密度。研究表明當流速達到0.1 m/s時,能破壞藻類結(jié)構(gòu)[20]。而1864黑臭河道、村級河道及三查三訪河道的流速較緩,水體中營養(yǎng)鹽的積累導致浮游植物大量生長繁殖,浮游植物種類多于水動力斷面河道。

優(yōu)勢種對群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有重要影響,其種類數(shù)越多且優(yōu)勢度越小,則群落結(jié)構(gòu)越復雜、穩(wěn)定[21]。5種類型河道中,村級河道的群落結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定,水動力斷面河道的群落結(jié)構(gòu)較為脆弱。不同類型河道均以藍藻門為主要的優(yōu)勢種群,崇明區(qū)河道引水自長江,入水營養(yǎng)鹽濃度較高,TN、TP年均值分別為3.20、1.26 mg/L。研究表明隱球藻、擬柱胞藻(Cylindrospermopsisraciborskii)以及假魚腥藻等藍藻適合在高氮高磷條件下生長[22],尤其是細小隱球藻,由于其細胞體積較小,具有相對較大的比表面積,在相同水體環(huán)境下對營養(yǎng)鹽有更高的利用率[23],因此在5種類型河道中全年均為優(yōu)勢種,且優(yōu)勢度較高。

三查三訪河道年平均生物密度高于1864黑臭河道,而年平均生物量卻低于1864黑臭河道,因為1864黑臭河道硅藻門占比為25.79%,三查三訪河道硅藻門占比為22.43%,而硅藻門的鮮質(zhì)量普遍較高。

3.2 崇明區(qū)不同類型河道浮游植物季度變化

水動力斷面河道中冬季浮游植物生物密度最高,冬季小環(huán)藻的生物密度較高,而小環(huán)藻喜生活在WT較低的水體中。三查三訪河道春季浮游植物生物密度最高,是因為S24的綠藻門生物密度較高,優(yōu)勢種為衣藻和四尾柵藻。衣藻和四尾柵藻喜生活在有機質(zhì)豐富的靜水水體中,而且四尾柵藻被認為是乙型中污帶的指示種,表明S24存在水體污染情況。1864黑臭河道全年藍藻門生物密度較高,尤其是位于下游的S18,由于上游營養(yǎng)物質(zhì)不斷富集導致該監(jiān)測點藍藻門的種類和生物密度高于其他監(jiān)測點,而夏季降水后上游來流量增加,破壞了原來的生長環(huán)境,降低了浮游植物的生物密度。鎮(zhèn)級以上河道和村級河道生物密度季節(jié)變化與曹毅等[24]對上海市環(huán)城綠帶休憩型河道的研究結(jié)果較為一致,均為夏秋季高于冬春季。

在本次調(diào)查中,5種類型河道夏季浮游植物生物密度普遍較低,這與其他學者所述的WT升高,浮游植物種類和數(shù)量增加的結(jié)論[25]不一致,可能是與夏季采樣正值暴雨過后有關(guān),大量雨水的沖刷降低了河道內(nèi)浮游植物的生物密度。而且LIU等[26]在對洪門水庫進行調(diào)查時也發(fā)現(xiàn)旱季的多樣性指數(shù)和豐富度指數(shù)明顯較高,而雨季的富營養(yǎng)化指數(shù)明顯低于旱季和正常季,分析是因為在高降水時期,外部水源的稀釋減緩了水庫的富營養(yǎng)化程度。

3.3 崇明區(qū)河道浮游植物分布與環(huán)境因子的關(guān)系

環(huán)境因子的變化會直接或間接影響浮游植物的群落組成和生物密度。如WT降低時,喜低溫的硅藻門會成為主要的生物密度貢獻者;隨著WT的升高,藍藻門、裸藻門等喜高溫的物種取代硅藻門的主體地位,并可能成為新的優(yōu)勢種,而綠藻門適宜生活在WT適中的水體環(huán)境中[27]。WT還可以通過影響細胞內(nèi)酶的活性調(diào)節(jié)浮游植物的光合作用,改變水體中DO含量,而DO含量的變化會進一步促進或抑制浮游植物的生長繁殖。pH也是重要的影響因素,研究表明浮游植物在堿性的水體中具有更高的初級生產(chǎn)力,更有利于細胞光合作用的進行[28]。Chla含量可以反映出水體中浮游植物生物密度的變化規(guī)律[29]。

根據(jù)RDA結(jié)果可知,水動力斷面河道和三查三訪河道浮游植物的生物密度受TP的影響較大,村級河道浮游植物的生物密度受TP、DO和WT的影響較大,鎮(zhèn)級以上河道浮游植物生物密度受DO、WT和pH的影響較大。水動力斷面河道和三查三訪河道中的TP含量較高,適合藍藻門的生長繁殖;村級河道的裸藻門較多,而且WT與其他類型河道相比較高,農(nóng)村河道較窄,流速不大,符合裸藻門喜高溫、靜水的特性;各類型河道中,鎮(zhèn)級以上河道的SD最高,水體中的懸浮物較少,且DO和WT也較為適宜,有利于浮游植物的生存;1864黑臭河道水質(zhì)較為渾濁,TN含量較高,DO較低,且受人類活動的影響較大,周邊部分居民的環(huán)保意識不足,生活污水隨意排放,浮游植物群落結(jié)構(gòu)受到環(huán)境的綜合影響。

3.4 河道水質(zhì)改善的建議

綜合水體營養(yǎng)狀況得出,水動力斷面河道和鎮(zhèn)級以上河道水質(zhì)最佳,其次是1864黑臭河道與村級河道,三查三訪河道最差。水動力是影響崇明區(qū)河道水質(zhì)的重要因素。水動力斷面河道和鎮(zhèn)級以上河道作為崇明區(qū)的主要河道,其河道較寬,水體流速也較快;而1864黑臭河道、村級河道及三查三訪河道的監(jiān)測點多位于農(nóng)村河道附近,周圍遍布住房和農(nóng)田,農(nóng)村河道與外界河流的交換大多通過泵閘等設(shè)施,交換頻率較低,導致河道水動力不足,水體長期處于幾乎靜止的狀態(tài),營養(yǎng)鹽慢慢累積,促進了浮游植物的生長與繁殖[30]。因此,建議調(diào)節(jié)崇明區(qū)河道水質(zhì)可以從增大河道引水量、拓寬河道等措施入手,增大河道水體的上下?lián)交斐潭?同時結(jié)合新建河道護岸、種植綠化以及水生態(tài)治理等工程措施,采用受控漂浮濕地(CFWs)[31],選擇生長速度適中、養(yǎng)分吸收效率高并且適合河道環(huán)境種植的植物,通過降低營養(yǎng)鹽的含量控制浮游植物的生長繁殖,改善河道周邊環(huán)境;深入推進“民間河長制”,定期對河道進行清淤疏浚,改善農(nóng)村河道水質(zhì)情況,加快崇明區(qū)建設(shè)成為國家生態(tài)文明發(fā)展的先行區(qū)的步伐。

4 結(jié) 論

1) 上海市崇明區(qū)5種類型河道中鎮(zhèn)級以上河道浮游植物種類最多,為175種,水動力斷面河道種類最少,為96種;三查三訪河道生物密度最大,為2.49×107個/L,水動力斷面河道生物密度最小,為4.78×106個/L;1864黑臭河道生物量最大,為6.21 mg/L,水動力斷面河道生物量最小,為2.07 mg/L。

2) 水動力斷面河道、三查三訪河道浮游植物的生物密度主要受TP的影響,村級河道浮游植物主要受TP、DO和WT的影響,鎮(zhèn)級以上河道主要受DO、WT和pH的影響,而1864黑臭河道的影響因素較為復雜。

3) 5種類型河道中,水動力斷面河道和鎮(zhèn)級以上河道水質(zhì)最佳,其次是1864黑臭河道與村級河道,三查三訪河道最差。