汉江中下游浮游植物群落结构及水质评价

Phytoplankton community structure and water quality evaluation in the middle and lower reaches of the Hanjiang River

摘要

南水北调中线工程调水后，汉江中下游水华频发引起社会关注。为掌握调水后汉江中下游浮游植物的群落结构特征，于2017年11月、2018年2月、4月和8月在汉江中下游的8个断面对浮游植物进行了定量调查。调查结果显示：共鉴定浮游植物163种，群落组成以硅藻门（Bacillariophyta）、绿藻门（Chlorophyta）为主，其次是蓝藻门（Cyanophyta）。浮游植物优势种主要为硅藻门的梅尼小环藻（Cyclotella meneghiniana）、颗粒直链藻最窄变种（Melosira granulata var.）、变异直链藻（Melosira varians）、颗粒直链藻（Melosira granulata），隐藻门的卵形隐藻（Cryptomonas ovata），蓝藻门的弯曲颤藻（Oscillatoria sp.）和伪鱼腥藻（Pseudoanabaena sp.），且都有较高的优势度。浮游植物密度和生物量的季节变化范围分别为0.33×10⁶ cells/L~1.82×10⁶ cells/L 和0.49 mg/L~7.38 mg/L。基于Shannon⁃Weaver多样性指数和Pielou均匀度指数以及优势种评价法对汉江中下游的水质进行评价，判断汉江中下游水质整体处于中污状态。

Abstract

The frequent occurrence of water blooms in the middle and lower reaches of the Hanjiang River has aroused public concern after the diversion of water from the middle route of the South⁃to⁃North Water Diversion Project. In order to understand the characteristics of phytoplankton community structure in the middle and lower reaches of Hanjiang River after water diversion， quantitative investigations of phytoplankton were carried out in November 2017， February， April and August 2018 at 8 sections in the middle and lower reaches of Hanjiang River. 163 species of phytoplankton were identified， of which the community is mainly composed of Bacillariophyta and Chlorophyta， followed by Bacillariophyta. The main dominant species were Cyclotella meneghiniana， Melosira granulata var.， Melosira varians， Melosira granulata， Cryptomonas ovata， Oscillatoria sp.， and Pseudoanabaena sp.， whose dominance indexes are higher than others. The phytoplankton density and biomass ranged from 0.33×10⁶ to 1.82×10⁶ cells/L and from 0.49 to 7.38mg/L， respectively. Based on the evaluation method of Shannon Weaver diversity index， Pielou evenness index and dominant species， it is concluded that the water quality of the middle and lower reaches of the Hanjiang River is in a medium pollution state.

Graphical abstract

关键词

汉江中下游 / 浮游植物 / 群落结构 / 水质评价

Key words

the middle and lower reaches of the Hanjiang River / phytoplankton / community structure / water quality evaluation

0 引 言

浮游植物是水域生态系统的主要初级生产者，对物质循环、能量流动及维持生态系统平衡起着非常重要的作用^［1］。浮游植物群落结构对水环境变化非常敏感，其群落结构组成及多样性等指标能准确反映水体的水质状况，弥补水体理化指标在水质评价上的不足^［2］。利用浮游植物评价水质状况已受到国内外学者的关注^［3，4］。我国学者自20世纪50年代起就开展了河流的浮游植物群落结构的调查研究工作^［5］，近年来注重利用浮游植物多样性指数反映河流水质状况及富营养化状态方面的研究^［6~8］。

汉江是长江的第一大支流，汉江中下游通常是指从丹江口水库到下游汉口汇入长江的江段，全长超过630 km。汉江流域是长江经济带的重要组成部分，其区位优势十分明显。近年来，随着“南水北调”中线工程、“引江济汉”工程以及梯级电站的不断建设，汉江中下游的水文情势逐渐发生了改变，可能引起新的水环境、水生态问题^［9］；同时汉江平原重要市镇的经济发展也导致污染负荷逐年增加，这也使得汉江中下游水质逐年恶化^［10］。近年来，汉江中下游水华频发引起社会关注。而有关汉江中下游浮游植物和水质评价的研究工作尚不完备，缺乏大尺度的研究。为了全面了解汉江中下游浮游植物群落结构，本研究于2017年11月至2018年8月分4个季节对汉江中下游8个断面的浮游植物群落结构开展了定期定量调查，旨在了解南水北调中线工程调水后汉江中下游浮游植物的群落结构和时空分布特征，为汉江中下游的水华控制、水质改善、流域的综合管理提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 采样点设置

依据汉江中下游地形特征，综合考虑已建或规划的汉江中下游若干梯级水利枢纽的坝址上下区段，结合历史调查数据的可比性，确定汉江中下游干流的8个主要典型位置作为采样断面，从上至下依次为老河口市光化大桥、襄阳市古城码头、钟祥市转斗、沙洋市罗汉闸、潜江市红旗码头、仙桃市石剅、汉川市新沟、武汉市宗关（图1）。每个断面设3个采样点，分别于2017年11月（秋季），2018年2月（冬季）、2018年4月（春季）和2018年8月（夏季）进行四次采样。

1.2 样品采集与处理

浮游植物定量样品：用5 L有机玻璃采水器在各采样点于水面下0.5 m处采集水样1 000 mL置于采样瓶中，按1%的体积比加入鲁哥试剂现场固定，带回实验室静置48 h后利用虹吸法缓缓吸去上清液，定容至50 mL，并加入4%甲醛溶液保存^［11］。浮游植物定性样品：用25#浮游生物网（网孔直径为0.064 mm）在表层至0.5 m处拖动浮游生物网数次，待水滤去后打开浮游生物网下面的阀门，将采集到的浮游植物样品收集至50 mL的标本瓶中，加入4%甲醛溶液现场固定，带回实验室镜检。

浮游植物定性和定量样品用 Nikon 50i显微镜，定量样品的计数方法依据《淡水浮游生物研究方法》^［11］，参照文献［12］的方法进行鉴定。淡水浮游植物的密度近似等同于淡水的密度，即浮游植物的生物量为浮游植物的数量乘以各自的平均体积。细胞的体积测定时依据藻类的体型按照最相似的几何形态测量^［13］。每个断面三个样点的样品单独处理分析，最后综合取值。

1.3 数据分析

用香农⁃威纳多样性指数（Shannon⁃Wiener index）、Pielou 均匀度指数（Pielou）和McNaughton优势度指数（Mcnaughton index）对汉江中下游浮游植物的生态学特征进行分析评价，计算公式如下：（1）Shannon⁃Wiener指数^［14］：H'=-∑pi×ln pi。式中，pi=ni/N，ni为第i种的个体数，N为所有种类总个体数。（2）Pielou均匀度指数^［7］：J=H'/log₂S。式中，H'为Shannon⁃Wiener指数，S为物种数。（3）McNaughton优势度指数：Y=pi×fi。式中，pi=ni/N，ni为第i种的个体数，N为所有种类总个体数，fi为该物种在各断面中出现的频率。根据McNaughton优势度指数公式计算各种生物的优势度，将Y>0.02的浮游植物定为优势种^［15］。常见的浮游植物多样性判别水体水质状况的标准见表1。

各断面或各季节间浮游植物的生物量、密度、Shannon⁃Wiener指数、Pielou均匀度指数均用单因素方差分析（one⁃way ANOVA）来检验其差异性。所有数据处理、绘图及分析均在Excel 2016、Origin 2017和SPSS 18.0软件中完成。P<0.05作为显著性水平。

2 结果与分析

2.1 种类组成及变化

2017年11月至2018年8月对汉江中下游8个监测断面浮游植物进行了定性和定量调查，共检出浮游植物7门163种。其中硅藻门（Bacillariophyta）80种，占总种类数的49.08%；绿藻门（Chlorophyta）51种，占总种类数的31.29%；蓝藻门（Cyanophyta）15种，占总种类数的9.20%；裸藻门（Euglenophyta）9种，占总种类数的5.52%；甲藻门（Pyrrophyta）4种，占总种类数的2.45%；隐藻门（Cryptophyta）2种，占总种类数的1.23%；金藻门（Chrysophyta）2种，占总种类数的1.23%。调查期间汉江中下游浮游植物以硅藻、绿藻和蓝藻为主，三者的种类数占总种类数的89.57%（图2）。

从季节变化上看，冬季（2018年2月）浮游植物的种类数最少（74种），春季（2018年4月）种类数最多（120种）；4个季度中，硅藻门种类数均占优势，占总种类的50%以上；其次是绿藻门和蓝藻门，总体来说硅藻和绿藻占比高，而蓝藻相对硅藻和绿藻则占比较少（表2）。

从空间分布来看，上游老河口的浮游植物种类最多为143种，其次是新沟为137种；最少的为罗汉闸、宗关和石剅，物种数分别为111种、111种和112种。在4次调查过程中硅藻门的种类数在各个断面均最高，其中最多的为老河口断面，达78种；其次是襄阳断面，为77种；最少的是罗汉闸断面，为48种。在八个监测断面，种类数均是硅藻>绿藻>蓝藻（表3）。

2.2 优势种变化

调查期间汉江中下游各季度浮游植物优势度指数为0~0.641。优势种有10种，分别为硅藻门的梅尼小环藻（Cyclotella meneghiniana）、颗粒直链藻（Melosira granulata）、颗粒直链藻最窄变种（Melosira granulata var.）、变异直链藻（Melosira varians）、链状曲壳藻（Achnanthes catenatum）、桥弯藻一种（Cymbella sp.）、脆杆藻（Fragilaria sp.），蓝藻门的弯曲颤藻（Oscillatoria sp.）、伪鱼腥藻（Pseudoanabaena sp.）；隐藻门的卵形隐藻（Cryptomonas ovata）。从不同季节看，浮游植物群落组成中秋季的优势种均属于硅藻门，其中颗粒直链藻、颗粒直链藻最窄变种的优势度最大，分别为0.179和0.197；冬季的优势种均属于硅藻门，梅尼小环藻优势度最大，为0.641；春季的优势种属于硅藻门和隐藻门，但优势度较小，其中优势种卵形隐藻的优势度仅为0.023；夏季的优势种属于蓝藻门和硅藻门，优势度最大的为蓝藻门的伪鱼腥藻（表4）。

2.3 浮游植物密度与生物量

不同季度汉江中下游浮游植物的密度变化处于0.33×10⁶ cells/L~1.82×10⁶ cells/L之间。夏季罗汉闸断面密度值最高，冬季宗关断面次之。单因素方差分析表明，夏季各断面密度差异显著（P<0.05），其余各季度无显著差异（P>0.05）（图3）。不同季节汉江中下游浮游植物总生物量的变化幅度为0.49 mg/L~7.38 mg/L（图4）。夏季罗汉闸断面的密度和生物量均为最高；冬季，宗关断面密度仅次于罗汉闸断面，而宗关断面生物量则为最高；春季，密度最高的断面是红旗码头，生物量最高的断面是新沟，其次是红旗码头；秋季，密度最高的断面是转斗，生物量最高的断面是宗关。兴隆坝上4个断面从上至下密度逐渐上升，空间差异显著（P<0.05）；兴隆坝下4个断面浮游植物密度季节间差异显著（P<0.05）。

2.4 浮游植物多样性及其水质评价

基于不同监测断面各季节Shannon⁃Weaver多样性指数和Pielou均匀度指数的水质评价结果见表5。结果表明，生物多样性指数H′为1.42~3.80，水质状况变化范围为β⁃中污到清洁⁃寡污型。采样结果中除冬季和春季8个断面的平均H′值不在2~3外（这两个季度各断面平均H′分别为3.01和1.94，约可以认为也处于2~3），秋季和夏季平均H′值为2.07和2.68，基本处于2~3之间，为β⁃中污染状态。

Pielou均匀度指数为0.37~1.11，4次采样8个断面Pielou均匀度指数J的平均值分别为0.53、0.89、0.46、0.59，基本可以视为处于0.5~0.8之间，为β⁃中污染状态。

综上所述，从生物多样性指数及Pielou均匀度指数评价得出汉江中下游水体整体处于β⁃中污状态。H′和J在不同断面和不同季节均差异显著（P<0.05）。

3 讨 论

3.1 汉江中下游浮游植物群落结构特征

汉江中下游8个断面共检出浮游植物7门163种，其中硅藻门80种，占总种类数的49.08%，群落结构组成以硅藻门为主，符合天然河流中浮游植物种类组成以硅藻门的种类为主的特征^{［16，17］}。江汉平原属于亚热带气候，比较适合藻类生长。而这次调查结果共检出浮游植物163种，与之前吴兴华等^［10］、邬红娟等^［18］以及潘晓洁等^［19］对汉江中下游调查所检出的浮游植物种类数相比呈增加趋势；与淮河流域的浮游植物种类数244种相比较少^［20］，与赣江流域的浮游植物种类数312种少了近一倍^［21］，而相比于西枝江流域的浮游植物种类数98种则相对较多^［22］。从浮游植物优势种的季节变化上看，秋季和冬季汉江中下游浮游植物优势种均为硅藻，且春季同样是以硅藻为主要优势种，但同时出现了隐藻门中的卵形隐藻这一优势种，而夏季则以蓝藻为主要优势种，这也与笪文怡等^［23］结论相符，即藻类群落结构及其优势种呈现明显的季节变化，在总体硅藻门类占优的背景下，蓝藻在7-10月形成明显的生物量峰值，而隐藻则在3-5月形成峰值。

3.2 汉江中下游浮游植物优势种与水质状况

汉江中下游浮游植物优势种以指示水体中⁃富营养状态的鞭毛藻（卵形隐藻）和硅藻门的种类（梅尼小环藻、颗粒直链藻、变异直链藻等）为主。隐藻在汉江中下游分布不算广，但在春季为优势种，这主要与隐藻能耐受低光环境^［24］，且在一定有机污染的环境中正常繁殖有关^［17］。根据Reynolds浮游植物功能类群的划分^［25］：梅尼小环藻属于C功能类群（入侵性机会主义策略者），该类群适合生活在富营养型的小、中型湖泊，无分层现象；颗粒直链藻属于P功能类群（栖息在水深2~3 m的连续或者半连续的水体混合层，水体营养指数较高），这些类群在汉江中下游广泛分布，可能与汉江中下游干流上大量坝闸的存在有关。坝闸等水利工程的建立能显著改变水量的时空调配，降低河流的流速，造成半连续体水体环境，使得浮游植物群落结构从河流型向湖泊型转变，而这类生境适宜于C功能类群和P功能类群藻类的生长与繁殖^［26］。根据况琪军等^［16］利用藻类水质指示种评价的标准，汉江中下游浮游植物10种优势种中有6种为α⁃中污染种类或β⁃中污染种类，显示汉江中下游水质状况为中污染。

3.3 汉江中下游浮游植物多样性与水质评价

通常多样性指数高，群落结构和水质状况就越好^［14］。汉江中下游浮游植物多样性指数评价显示，汉江中下游整体处于中污染状态，这一结果与用优势种来评价水质状况的结论是一致的，说明浮游植物群落多样性指数适用于评价大型流域的水质状况。此外，也有学者利用理化指标或综合指标等方法对汉江中下游水质状况进行评价。陈燕飞等^［27］通过季节性肯达尔检验法和叠加型指数法对汉江中下游水质评价的结果显示，水质有重污染逐渐向中度污染过度。景朝霞等^［28］应用水污染指数发（WPI）和层次聚类分析（CA）法，综合辨识流域水环境时空变化特征，表明汉江中下游干流水质整体上为Ⅲ类。汉江中下游水体已受到一定程度的污染，河流自净能力下降，水质状况不容乐观，应加强流域内水污染综合治理及其水生态修复工程，防止水质进一步恶化。

3.4 调水前后浮游植物群落结构变化及原因分析

南水北调中线工程调水，会导致丹江口水库下泄流量大幅度减少。已有研究模型预测表明，当中线工程从丹江口水库调水95×10⁸ m³时，汉江中下游径流量将减少约16%^［29］。上游来水的减少会引起汉江中下游水环境容量降低和水体自净能力下降。与调水前邬红娟等^［18］2001年对汉江中下游浮游植物的调查结果相比，调水前汉江中下游浮游植物的密度和生物量分别为0.09×10⁶ cells/L~1.4×10⁶ cells/L和0.060 mg/L~1.312 mg/L，而调水后本次调查研究的浮游植物密度和生物量分别为0.33×10⁶ cells/L~1.82×10⁶ cells/L和0.49 mg/L~7.38 mg/L，这说明汉江中下游干流浮游植物密度及生物量在南水北调中线工程调水后均呈递增趋势，浮游藻类密度、生物量的增加，也是近几年汉江水华频发的原因^［10］。在生物多样性方面，2010年潘晓洁等^［19］通过Shannon⁃Weaver多样性指数以及Margalef丰富度指数所反映的水体质量与系统稳定性情况，得出汉江中下游整体呈现轻度污染状况，而本次调查基于Shannon⁃Weaver多样性指数和Pielou均匀度指数以及优势种评价法对汉江中下游的水质进行评价，判断汉江中下游水质整体处于中污状态，这与调水后汉江水质恶化，水华频发的结果相一致。

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基金资助

湖北省南水北调局项目