黄柏河流域不同区域浮游植物群落特征及总磷分析

Phytoplankton community characteristics and total phosphorus analysis in different areas of the Huangbai River basin

摘要

黄柏河流域矿产资源丰富，磷矿开采导致的颗粒磷排放、地表径流汇聚沉积等会对流域内浮游植物的群落演替产生较大影响。为研究黄柏河流域磷矿开采后环境因子对浮游植物群落结构的影响，于2020年的春季（5月）、夏季（8月）和秋季（9月）分别对黄柏河流域10个监测断面水质和浮游植物采样。根据地区划分法和NMDS分析法将研究区分为磷矿开采影响区（A组）和非影响区（B组），采用主坐标分析（PCoA）和聚类分析得到A组和B组的浮游植物群落结构具有明显差异，A组优势属为隐藻（Cryptomonas）、舟形藻（Navicula）和小环藻（Cyclotella）；B组优势属为隐藻（Cryptomonas）和针杆藻（Synedra），且B组中物种数多于A组。采用典范对应分析（CCA）法分析了环境因子与浮游植物的关系。结果表明，溶解氧、水温、氨氮、氟化物、总磷对黄柏河流域的浮游植物影响较大，且A组浮游植物群落结构与总磷、溶解氧和水温呈负相关，与氟化物呈正相关；B组浮游植物群落结构与溶解氧、总磷呈负相关。研究结果可为该流域的生态环境保护和治理提供科学指导意义。

Abstract

The Huangbai River basin is rich in mineral resources. The phytoplankton community succession in the Huangbai River basin is significantly affected by particulate phosphorus emissions and surface runoff deposition caused by phosphate mining. In order to study the influence of environmental factors on phytoplankton community structure after phosphate mining in the Huangbai River basin， water quality and phytoplankton samples were collected in 10 monitoring sections in spring （May）， summer （August） and autumn （September） of 2020. According to the regional division method and NMDS analysis method， the study was divided into phosphate mining impact zone （group A） and nonaffected zone （group B）， and the phytoplankton community structures of group A and group B were significantly different by principal coordinate analysis （PCoA） and cluster analysis. The dominant genera of group A were Cryptomonas， Navicula， and Cyclotella， group B dominated genera were Cryptomonas and Synedra， and the number of species in group B was higher than that in group A. The relationship between environmental factors and phytoplankton was analyzed by canonical correspondence analysis （CCA） method. The results showed that dissolved oxygen， water temperature， ammonia nitrogen， fluoride and total phosphorus had great effects on phytoplankton in the Huangbai River basin. The phytoplankton community structure in group A was negatively correlated with total phosphorus， dissolved oxygen and water temperature， and positively correlated with fluoride， while the phytoplankton community structure in group B was negatively correlated with dissolved oxygen and total phosphorus. The research results can provide scientific guidance for the ecological environment and environmental governance of the basin.

Graphical abstract

关键词

浮游植物 / 磷矿区 / 典范对应分析（CCA） / 主坐标分析（PCoA） / 黄柏河

Key words

phytoplankton / phosphorus mining area / canonical correspondence analysis （CCA） / principal coordinate analysis （PCoA） / Huangbai River

0 引 言

浮游植物在生态系统中属于初级生产者，对水生态系统的正常运行起着重要作用。在水体中对环境因子的变化较敏感，对其生存环境的变化能够快速做出反应，能够直观地反映出水环境的变化和状况^［1］。磷是浮游植物赖以生存的基本营养盐之一，同时也是导致水体富营养化的重要限制因子^［2，3］。已有研究表明浓度不同的磷会导致浮游植物的物种优势种的组成和生物量等群落结构特征存在差异^［4，5］。黄柏河东支上游存在大量的磷矿厂，部分磷矿企业的废水排放因为未按行业标准达标处理，或因为厂区雨水处理不到位，导致黄柏河流域部分断面总磷超标。颗粒态磷在营养物质的迁移和转化等方面有着重要作用，如沉泥释磷速度与沉泥中颗粒态磷所占比例有关^［6~8］。先前的研究表明该地区磷主要以颗粒态形式存在，约占总磷浓度的97%以上^［9］，因此为简洁起见本文仅使用总磷进行分析。

黄柏河是宜昌市的母亲河，是城区200万人生活用水的源头。近年来，许多学者对黄柏河的水库沉积物营养盐^{［10，11］}、纳污能力^［12］、底栖动物^［13］等进行了分析和研究，但对浮游植物与环境总磷的关系研究较少。因此，本文基于2020年黄柏河流域的水质和浮游植物调查资料，将研究区按照地理位置、总磷浓度和NMDS分析划分为磷矿开采影响区和非影响区。采用主坐标分析（principal coordinate analysis， PCoA）和带柱状图的聚类分析研究两个区域浮游植物的差异性以及造成两个区域浮游植物优势属和群落结构差异的原因；采用典范对应分析（canonical correspondence analysis，CCA）研究两个区域浮游植物群落结构的环境总磷。本研究对黄柏河流域的生态环境治理、生态系统保护和可持续发展具有科学指导意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

黄柏河流域位于湖北省西部，隶属宜昌市西北山区，地处鄂西山区与江汉平原交汇过渡地带。该流域内建有大（二）型水库1座：西北口水库，中型水库4座：玄庙观、天福庙、尚家河、汤渡河水库。流域蕴藏着丰富的矿产资源，已探明的矿种达60多个，其中磷矿资源最丰富。

在黄柏河设置了东支干流、黄马河、晒旗河、天福庙二级站下游以及天福庙、西北口水库、玄庙观三座水库的库首和库尾，共计10个监测断面。具体位置如图1所示。于2020年的春季（5月，平均水温17.5 ℃）、夏季（8月，平均水温30 ℃）、秋季（9月，平均水温25.6 ℃）分别对以上10个监测断面的氨氮、总磷、水温、pH、溶解氧、高锰酸盐指数、五日生化需氧量、总氮、氟化物和浮游植物种类及数量进行采样。因不可抗力因素未完成冬季采样。

本研究将根据各站点的总磷浓度、地理位置数据进行比较和NMDS分析，最终将10个采样点分为两组：磷矿开采影响区（A组）和非影响区（B组）。

1.2 水体理化性质测定方法

按照《水环境监测规范》^［14］的要求，采用便携式多参数测定仪测量水温（WT）、pH值、溶解氧（DO）等指标；分析高锰酸钾指数（COD_MN）、生化需氧量（BOD₅）等有机物污染综合指标；分析氨氮（NH₃-N）、总氮（TN）、总磷（TP）等营养盐指标。

1.3 浮游植物测定方法

浮游植物样品采集后，将样品进行处理和标本鉴定。鉴定时按常规方法沉淀48 h，用细小虹吸管去除上清液，继续沉淀24~36 h后再移去上清液，将沉淀后的样品置入50 mL的标本瓶中定容。计数时均匀抽取0.1 mL水样，用0.1 mL浮游植物计数框在光学显微镜下放大40×10倍进行观察计数。鉴定藻的种类，参考《中国淡水藻类—系统、分类及生态》^［15］，计算藻密度。藻密度计算公式如下^［16］：

N_i=\frac{A}{A_i}\times \frac{V_m}{V}\times n_i

式中：N_i，每升水中第i种浮游植物的细胞数量（cell/L）；A，计数框面积（400 mm²）；A_i，计数面积（mm²）；V_m，1 L水样经沉淀浓缩后的样品体积（30 mL）；V，原样本水量（1 L）；n_i，每片计数得到的第i种硅藻的细胞数（cells）。

2 结果与分析

2.1 浮游植物的组成

表1所示为2020年黄柏河三次采样调查出的浮游植物种类组成。2020年共鉴定出浮游植物6门16属43种，其中硅藻门（Bacillariophyta）种类最丰富7属23种，占种类总数的53.48%；其次为蓝藻门（Cyanophyta）3属7种，约占16.27%；甲藻门（Dinophyta）2属5种，约占11.63%。硅藻门（Bacillariophyta）、蓝藻门（Cyanophyta）和隐藻门（Cryptophyta）为优势类群，各门在采样点藻密度的占比大。如表2所示，蓝藻门在玄庙观水库库首（44.7%）、天福庙水库库尾（57.06%）和天福庙水库库首（63.91%）占比最大；隐藻门在西北口水库库尾占比最大，比例为44.26%；其余采样点占比最大的为硅藻门。黄柏河常见藻属主要有针杆藻（Synedra）、隐藻（Cryptomonas）。针杆藻、隐藻3次采样的总藻密度分别为760.68×10⁴ cells/L、633.2×10⁴ cells/L。

2.2 流域分区

2.2.1 非度量多维尺度分析（NMDS）

基于Bray⁃Curtis相似性系数对各站点磷浓度和经纬度数据进行非度量多维尺度分析（NMDS）。由图2可知，采样点表现出显著差异。将采样点划分为2个组，A组主要位于NMDS的左侧，该组各样点分布比较零散，表明站点水质不稳定，总磷浓度相差较大。B组主要位于NMDS的右上侧，该组各样点间距离相对较近，该组样点总磷浓度较稳定，一年中相差不大。

根据以上分析可将10个采样点分为两组：磷矿开采影响区（A组）：玄庙观水库库首（A1）、玄庙观水库库尾（A2）、黄马河（A3）、东支干流（A4）；非影响区（B组）：晒旗河（B1）、天福庙水库库尾（B2）、天福庙水库库首（B3）、天福庙水库下游（B4）、西北口水库库尾（B5）、西北口水库库首（B6）。

2.2.2 按地理位置和总磷浓度划分

黄柏河的磷矿开采主要分布在上游地区，矿点主要分布在玄庙观水库库首、玄庙观水库库尾、黄马河和东支干流附近，B组各采样点离矿点相对较远（图1）。

由图3可知，黄柏河流域总磷从上游至下游呈现逐渐减小的趋势，这是由于黄柏河上游的磷矿开采对流域的生态系统产生较大影响。其中玄庙观水库库尾总磷浓度最高（0.10~0.28 mg/L），其主要受磷矿开采影响，同时水库内多年沉积、蓄积大量钙结合态磷。在一定条件下，如水温变化、pH降低时重新释放。黄马河（0.02~0.20 mg/L）、东支干流（0.04~0.20 mg/L）两个断面5月与8月、9月总磷浓度相差较大，这可能是受到支流来水量的影响导致水质不稳定。其余断面总磷浓度变化较小，在0.04~0.08 mg/L范围内波动。将初步划分的两个组三次采样的平均总磷浓度进行显著性检验，分析结果显示两组存在显著差异（P<0.05）。

根据地理位置和总磷浓度将10个采样点划分的A、B两组与NMDS分析的划分结果相同，因此该分组是合理可行的。

2.3 不同组浮游植物群落结构特征

2.3.1 浮游植物的主坐标分析（PCoA）

将黄柏河流域分为A、B两组，对其浮游植物群落进行主坐标分析（PCoA）。如图4所示，PCoA1和PCoA2分别解释了整体变化的23.09%和19.35%。A组样方主要分布在第一、三象限，B组样方主要分布在第四象限。A组与B组浮游植物群落结构具有显著差异。A、B两组差异最显著的因素为总磷浓度和地理位置，这也是导致两组浮游生物生长存在显著差异的主要原因。

磷通常是淡水生态系统的主要限制因子^［17］，其浓度的变化会影响浮游植物的群落演替。如图2可知，A组采样点总磷浓度普遍高于B组，从而导致A、B组浮游植物群落结构存在差异。此外，A组样方组内差异明显，这是由于黄马河、东支干流、玄庙观水库库首、玄庙观水库库尾四个断面5月、8月与9月总磷浓度相差较大，导致各站点浮游植物群落的结构存在差异。同时浮游植物的生存环境也对其生长繁衍有一定影响^［18］。A组旁边存在采矿场，因此该组浮游植物的生境受到人为干扰的影响更大。在总磷浓度和浮游植物生境的影响下，A、B两组浮游植物群落结构出现明显差异。王敏等^［19］研究太湖西北湖区也发现总磷上升导致浮游植物主要类群发生显著变化。

2.3.2 浮游植物的聚类分析

将聚类树和柱状图结合不仅能反映出各站点之间的相似性，还能展示样本内元素组成的信息。本文利用带聚类树的堆叠柱形图分析5月、8月、9月黄柏河浮游植物的群落结构，浮游植物种类代码如表3所示，分析结果如图5所示。

由图5可知，在卡方距离0.15处分为七类，磷矿开采影响区（A组）组成一类，非影响区（B组）分为六类。A组与B组的浮游植物群落结构具有一定差异，A组的优势属主要为隐藻（Cryptomonas）（S2）和针杆藻（Synedra）（S4）。B组的优势属主要为隐藻（Cryptomonas）（S2）、舟形藻（Navicula）（S1）和小环藻（Cyclotella）（S5）。这与主坐标分析（PCoA）结果一致。

优势属在群落演替中起着重要作用，决定了群落结构中的物质循环和能量传递的途径和方式，支配着群落结构的演替方向^［20］。通过图5彩色长条可以直观地看出各采样点的优势属。A、B两组浮游植物优势属均属于硅藻门和隐藻门。硅藻门在A、B两组中占比均较高，但其在A组、B组中的优势属不同，A组针杆藻（S4）生物量占优，而B组舟形藻（S1）和小环藻（S5）生物量占优。A组中的优势属隐藻（S2）和针杆藻（S4）均为富营养化程度较高水体中的常见藻属。在A、B两组中均有优势属隐藻（S2），它可以吞噬外界的有机营养盐作为能量物质^［21］，对富营养化有很强的耐受性^［22］。A组内隐藻平均密度（23万个/L）高于B组（19万个/L）。通过对两组环境因子分析，A组内各采样点高营养盐浓度使得隐藻更具有竞争优势。这与刘霞等研究结论类似^［21］。

水体中的磷含量会影响浮游植物竞争和群落结构演替^［23］。在本研究中，A组物种数（28种）小于B组（34种）。如长等片藻（Diatoma elongalum）、小形色球藻（Chroococcus minor）、湖泊伪鱼腥藻（Pseudanabaena limnetica）等物种只出现于B组。这可能与在A组周围进行磷矿开采有关。

2.4 浮游植物与环境因子的关系

利用Canoco5对水体中的浮游植物矩阵进行去趋势分析（DCA），发现最长梯度为3.17>3，故采用典范对应分析（CCA）研究水体中的浮游植物与水体环境的关系。三次采样黄柏河环境因子平均数值如表4所示。CCA的分析结果如图6所示，对采样测得的9个环境因子进行筛选，结果表明溶解氧、水温、氨氮、氟化物、总磷对黄柏河流域的浮游植物影响较大。第一、二排序轴的百分比分别为43.77%和30.23%，能够解释的环境与浮游植物群落的相关性累积百分比为74%。水温、氟化物、溶解氧和总磷与浮游植物的群落结构变化通过了显著性检验（P<0.05），说明浮游植物的群落结构变化主要受以上环境因子的影响。由图6可知，环境因子总磷与浮游植物群落的相关性较氨氮和溶解氧更弱。这是由于黄柏河流域的上游河段存在磷矿产业，使该流域长期遭受磷污染，导致流域浮游植物组成中存在耐磷污染种类。影响A组和B组浮游植物群落结构变化的环境因素各不同。A组浮游植物群落结构变化与总磷、溶解氧和水温呈负相关，与氟化物呈正相关，B组浮游植物群落结构变化与溶解氧、总磷呈负相关。

通过上述分析可知，环境因子总磷对黄柏河流域的浮游植物群落结构分布影响较大。为比较A、B组浮游植物群落结构受到总磷影响的大小，现采用spss进行回归分析。根据两个不同组将浮游植物藻密度作为Y值，将TP作为自变量x进行回归分析，得到回归方程：

A组：Y_A=-\mathrm{0.529}-\mathrm{0.815}x（1）

B组：Y_B=-\mathrm{0.261}-\mathrm{0.597}x（2）

根据式（1）（2）可知，A、B两组浮游植物群落结构与环境因子总磷呈负相关。主要关注标准化回归系数的绝对值大小，绝对值越大，可认为它对因变量的影响就越大。A组回归系数的绝对值（0.815）大于B组（0.597），说明A组的浮游植物受到总磷的影响更大。水温的变化会影响浮游植物的生长，在此分析中水温与大部分浮游植物呈负相关，因此黄柏河流域夏季的浮游植物种类比春季时少。氟化物是重要的环境污染物之一，对浮游植物有一定的危害。监测期间黄柏河氟化物浓度为0.16~0.48 mg/L，低于《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）^［24］中的Ⅰ类水质要求，不会对水中浮游植物造成较大损害。黄柏河流域水量多、水流快，可保持水中溶解氧在较高状态为7.03~10.89 mg/L。浮游植物的生长繁殖均需要消耗溶解氧，高溶解氧有利于浮游植物的生长并形成稳定的生态系统^［25］。

3 结论与建议

本文采用主坐标分析（PCoA）和聚类分析分析了浮游植物群落结构的差异性，根据典范对应分析（CCA）得到浮游植物群落结构与环境因子的关系，主要结论如下：

（1）磷矿开采影响区（A组）与非影响区（B组）浮游植物群落结构具有显著差异分析得到A组黄柏河流域优势属主要为隐藻和针杆藻；B组群落中的优势属主要为隐藻、舟形藻和小环藻，且B组内的物种数更多。

（2）黄柏河流域浮游植物群落结构与溶解氧、水温、总磷等具有关联性。A组浮游植物群落与氨氮、总磷、溶解氧和水温呈负相关，与氟化物呈正相关；B组浮游植物与溶解氧、总磷呈负相关。通过相关关系分析得到，A组的浮游植物受到总磷的影响更大。

（3）建议加强督促磷矿企业，保证废水和雨水达标排放，防止污染水体影响流域浮游植物群落的群落结构和演替。

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基金资助

智慧长江与水电科学湖北省重点实验室开放研究基金(ZH2102000111)