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铜陵市河湖湿地浮游生物群落结构特征及影响因素

2023/11/16 9:25:38 来源:环境工程 作者: 阅读数:309次

研究背景

河湖湿地是人类赖以生存和发展的保障,具有调蓄洪水、净化水质、维持生物多样性以及航运、娱乐等功能。随着城市化进程的加快,兴修水利、围垦湖泊等人类活动破坏了河湖湿地的自然结构,造成城市水系面积萎缩,破碎化、斑块化程度加剧;大量污染物的排放,超过河湖的自净能力,导致污染物累积、富营养化以及黑臭水体等环境问题,破坏了城市河湖湿地的生态环境平衡。因此,开展城市河湖湿地水环境和水生态调查研究对于城市河湖湿地的治理与生态修复具有重要意义。

浮游生物作为城市河湖湿地中重要组成部分,其群落结构在流域水生态系统中占有重要地位,为水生态系统的物质循环、能量流动、信息传递发挥重要作用。由于浮游生物具有结构简单、对环境变化反应灵敏的特点,因此浮游生物是水体富营养化的重要指示物种。目前浮游生物群落结构特征已被广泛应用到城市水环境质量的研究中。胡智华等探讨了水环境因子、水位调控和护岸类型对南京市闸控河流浮游植物群落结构的影响。胡俊等发现闸坝阻隔使得沙颍河浮游植物群落结构由以硅藻为主的河流群落特征转变为以蓝藻、隐藻为主的湖泊群落特征。当前研究大部分主要是分析浮游生物群落结构变化与水环境因子的关系,有关水利工程设施对城市河湖浮游生物群落结构的影响研究较少。

铜陵市位于长江下游,具有典型的城市河湖湿地,由于防洪排涝的需求,铜陵市自1950年起修建了大量的水闸、小型水库和排灌站等水利工程设施。为进一步了解铜陵市河湖湿地的水生态现状,本研究开展不同水闸分布密度及不同季节的河湖水质监测和浮游生物调查,分析城市河湖浮游生物群落结构时空变化特征及其影响因素,进而为铜陵市湿地水生态修复和水资源管理提供科学支撑。

 

摘要

以铜陵市河湖湿地为研究对象,通过开展2020年12月(枯水期)、2021年3月(平水期)和6月(丰水期)的水环境和浮游生物采样调查,综合分析浮游生物群落结构的时空变化特征,探讨了水环境因子、水闸分布等对浮游生物群落结构的影响。结果显示:共采集到的浮游植物有7门60属102种,主要隶属于蓝藻门和硅藻门,春季、夏季物种数多,冬季物种数少;共采集到的浮游动物有3门21属32种,其中轮虫占优势。铜陵市河湖湿地浮游生物群落结构主要受水温、溶解氧、总磷等环境因子的影响,此外还与水闸分布密度密切相关。高密度的水闸分布影响河湖的自然生境,浮游生物密度较高。从城市河湖湿地长期保护与生态修复的角度考虑,在保障防洪排涝的条件下,适当调节水闸的分布以及开启频率,可为浮游生物提供更有利的湿地生境条件。

1、材料与方法

1)研究区域与样点布设

铜陵市(117°42′00″E—118°10′6″E,30°45′12″N—31°7′56″N);位于中国安徽省中南部,总面积3008km2。境内河湖密布,长江由西南往北再东折穿境而过,将铜陵市划分为江南和江北两片,两侧分布主要河湖有菜子湖、白荡湖、陈瑶湖、枫沙湖、顺安河、黄浒河等。水资源依赖于降水补给,年平均降水量为1354mm,集中在汛期。水利设施分布广泛,以水闸、排灌站、小型水库为主。本研究选择人类活动干扰程度较大的干流河湖作为调查区域,共设置42个采样断面,每个断面设置3个平行采样点,于2020年12月(枯水期)、2021年3(平水期),6月(丰水期)共开展3次上游至下游浮游生物及水样采集。研究区采样点位置及水闸密度如图1所示。

2)样品采集与鉴定

(1)浮游生物采集。

浮游植物:采样期间所有河流、湖泊水深均在1~5m,故在水面下0.5m处采集1000mL水样装入采样瓶,立即加入10mL的鲁哥试剂固定,去除水样的浮游植物和其他生物,使水样呈棕黄色。带回实验室,静置沉淀24h后,去除上清液,保留20~30mL的含沉淀物水样,以备镜检。浮游植物的种类、细胞体积和生物量换算鉴定参照文献,种类鉴定分至属级。

浮游动物:采集10L不同深度混合水样,水样经64μm的浮游生物网过滤后保存于50mL标本瓶后,并立即加甲醛溶液固定,以去除水样中浮游动物和其他生物,以备镜验。浮游动物种类鉴定、物种体积和生物量的计算依据文献,种类鉴定分至属级。

(2)环境因子测定。

水体理化指标测定方法参照SL219—2013《水环境监测规范》进行。水体理化指标分为现场监测和实验室测定2个部分。使用多参数水质仪测定溶解氧(DO)、pH、水温(WT)、气压(Baro)、电导率(EC)等;同时利用有机玻璃采水器采集不同深度的混合水样500mL,带回实验室测定其理化指标。本研究测定的理化指标包括总氮(TN)、总磷(TP)、化学需氧量(COD),测定方法参照《水和废水监测分析方法》。

(3)数据处理与分析。

浮游生物密度和生物量的计算参照文献。浮游生物多样性指数计算包括Shannon-Wiener多样性指数(H′)和Pielou均匀度指数(J)。

使用SPSS23对不同采样点浮游生物群落结构指标进行空间聚类分析。利用Excel2016、Origin等软件进行数据处理和图表制作。

2、结果

1)水环境因子

对铜陵市河湖采样点2020—2021年的水质监测数据进行空间分析,水质参数在不同河湖间呈现显著差异(P<0.05)。图2为不同水质参数在不同河湖的箱式图。可知:黄浒河的TN、TP平均值高于其他河湖,枫沙湖的COD浓度平均值最高,陈瑶湖和菜子湖COD浓度分布较为集中。pH的平均值在枫沙湖最小,顺安河最高,顺安河EC值显著高于其他河湖,可能受采矿活动的影响;WT在河湖间差异不大,陈瑶湖和顺安河WT略高于其他河湖;气压的平均值,在白荡湖最大,顺安河最小;DO平均值在白荡湖最大。在陈瑶湖TP未显示中位数,因为其下四分位数与中位数相等;菜子湖下四分位数与下边缘相等,2条线重合;菜子湖和陈瑶湖的COD箱形图也出现了相似的情况。

2)浮游生物种类组成

共鉴定出浮游植物7门60属102种。蓝藻门是铜陵市河湖沼系统的主要优势门类,而金藻门仅在夏季出现(图3)。枯水期,白荡湖和顺安河的优势门类均为绿藻门,枫沙湖、菜子湖、黄浒河的优势门类均为硅藻门,陈瑶湖的优势门类为蓝藻门。平水期,白荡湖和陈瑶湖的优势门类均为绿藻门,枫沙湖、菜子湖、黄浒河和顺安河的优势门类均为硅藻门。丰水期,白荡湖、菜子湖、陈瑶湖、顺安河以蓝藻门为主,枫沙湖和黄浒河以绿藻门为主。从冬季到夏季,硅藻门占比逐渐减少,蓝藻门占比逐渐增多。

共鉴定出浮游动物3门21属32种。轮虫是铜陵市河湖沼系统浮游动物的主要优势门类(图3)。冬季,黄浒河的轮虫门类占比最高(85.71%),菜子湖的枝角类占比最高(18.75%),陈瑶湖的桡足类占比最高(25%)。平水期,白荡湖的轮虫门类占比最高,为77.14%;陈瑶湖的枝角类占比最高(16%);枫沙湖的桡足类占比最高(26.19%)。夏季,枫沙湖的轮虫门类占比最高,为74%,陈瑶湖的枝角类占比最高(13%);黄浒河的桡足类占比最高(23%)。

3)浮游生物密度与生物量

3次采样调查期间,铜陵市夏季浮游植物物种密度最大,平水期生物量最大(2.43mg/L)(图4)。枯水期,物种密度呈菜子湖<枫沙湖<白荡湖<陈瑶湖<顺安河<黄浒河的规律。平水期,物种密度呈白荡湖<黄浒河<枫沙湖<顺安河<菜子湖<陈瑶湖的趋势。丰水期,物种密度呈枫沙湖<顺安河<黄浒河<白荡湖<菜子湖<陈瑶湖的趋势。枯水期生物量菜子湖最大(1.54mg/L),陈瑶湖最小(0.72mg/L)。与冬季物种密度不同的是,菜子湖生物量组成以硅藻(41.47%)和甲藻(50.4%)为主,其余河湖以硅藻门为主。平水期和丰水期生物量均为陈瑶湖最大,白荡湖最小,且各区域的生物量组成均以硅藻为主。

对于浮游动物物种,春季的生物量和物种密度(250.95ind./L)均为最大(图5)。枯水期,物种密度呈菜子湖<枫沙湖<黄浒河<白荡湖<顺安河<陈瑶湖的规律;生物量白荡湖最小(0.23mg/L),陈瑶湖最大(0.76mg/L);与物种密度不同的是,菜子湖生物量以枝角类为主,其余河湖以桡足类为主。平水期,物种密度和生物量均是黄浒河最小,陈瑶湖最大;其中,菜子湖生物量组成以轮虫为主,其余河湖以桡足类为主。丰水期,物种密度呈顺安河<枫沙湖<菜子湖<陈瑶湖<黄浒河<白荡湖的趋势;白荡湖生物量最大(0.99mg/L),陈瑶湖生物量最小(0.38mg/L),枫沙湖、菜子湖、陈瑶湖的生物量以枝角类为主,其余河湖均以桡足类为主。

4)物种生物多样性

不同季节铜陵市浮游生物多样性指数如图6所示。可知:浮游植物Shannon-Wiener指数(H′)和Pielou均匀度指数(J)变化趋势一致。总体来看,H′呈现春季(2.36)>冬季(2.28)>夏季(2.25)的趋势。枯水期,6个河湖Shannon-wiener指数均值在2.03~2.42,黄浒河H′和J数值最低,陈瑶湖最高,菜子湖H′标准差最高,陈瑶湖标准差最低。平水期,6个河湖H′均值在2.23~2.57,其中陈瑶湖均值最高(2.57),白荡湖均值最低(2.23);枫沙湖标准差最高(0.41),菜子湖标准差最低(0.16)。丰水期,6个河湖H′均值在2.00~2.44,其中黄浒河H′和J数值最高,陈瑶湖最低;白荡湖标准差最高(0.32),菜子湖标准差最低(0.22)。依据基于浮游植物生物多样性指数对水质的评价方法,结果表明铜陵市河湖总体处于轻污染。

浮游动物H′和J变化趋势一致(图6)。总体来看,H′呈现夏季(1.42)>春季(1.41)>冬季(1.27)的趋势。枯水期6个H′指数均值在1.08~1.48,白荡湖H′指数最低,顺安河最高;枫沙湖H′指数标准差最高,而黄浒河最低。平水期6个河湖H′指数均值在1.07~1.56,最大值出现在陈瑶湖,最低值出现在黄浒河;菜子湖标准差最高(0.55),枫沙湖最低(0.19);丰水期6个河湖H′指数均值在1.32~1.67,其中菜子湖均值最高,白荡湖均值最低;枫沙湖标准差最高(0.44),菜子湖最低(0.20)。依据基于浮游动物生物多样性指数对水质的评价方法,结果表明铜陵市河湖总体处于中污染水平。

5)浮游生物群落与环境因子的关系

表1为铜陵市不同季节浮游生物群落植被与环境因子的Pearson相关系数。可知:水温(WT)与浮游植物生物量和浮游植物密度呈显著正相关,表示水温对浮游植物的生长起促进作用。溶解氧(DO)与浮游植物密度呈显著负相关(r=-0.46,P<0.01),同时,溶解氧对浮游植物生物量、浮游动物密度、浮游动物生物量、浮游动物多样性起抑制作用。TP与浮游动物密度和浮游动物多样性呈显著负相关,表明TP对浮游动物的生长影响较大。

图7为丰水期采样点浮游植物和浮游动物群落结构指标的空间聚类分析结果,在相似系数20%的水平上分为2大群组:Ⅰ类主要是水闸分布密度较高的流域(白荡湖、枫沙湖、陈瑶湖、菜子湖),Ⅱ类主要是水闸分布密度较低的流域(顺安河、黄浒河)。依据空间聚类分析结果统计浮游生物的群落指标,结果显示:在水闸分布密度较高的河湖(Ⅰ类),浮游植物密度和生物量明显大于Ⅱ类区域,但浮游植物多样性小于Ⅱ类区域;浮游动物密度和多样性,均是Ⅰ类区域高于Ⅱ类区域,但生物量Ⅱ类区域高(表2)。

3、讨论

1)浮游生物群落结构特征

已有文献表明,在2010年对铜陵主要河流的浮游植物群落结构调查中,共鉴定出浮游植物8门96属203种;2007年菜子湖鉴定出浮游植物物种数有340种,2010年共鉴定出浮游植物8门110属285种,显著高于本研究的调查结果,浮游植物物种种数有明显下降。本次调查结果与2007,2010年相差较大,一方面是由于调查区域和季节存在差异;另一方面是由于人类活动的影响,导致浮游生物种类组成及多样性在时空分布上出现较大变化。研究中通常使用生物多样性指数评价水体浮游生物群落现状及水质状况,H′越高表明水质越好,反之,表明浮游生物群落结构简单,稳定性下降。结果显示,从浮游植物多样性来看,铜陵市河湖整体水质处于轻污染;从浮游动物多样性结果来看,铜陵市河湖水质以中污染为主,王春光等调查发现顺安河流域河流65.22%为中度污染,与本研究结果吻合。

本研究显示,水闸密度高的区域,浮游植物的密度和生物量均高。水闸密度较高的区域,水体更新依赖于水闸的开启,相比自然状态河流,水闸密度高的河流水的滞留时间长,静止或弱紊动水体更适合蓝藻门和绿藻门的生长,容易造成藻类的聚集爆发,因此密度和生物量均高于低水闸密度区域。本研究中水闸密度高的区域浮游动物的平均密度高,以轮虫为主,Saunders等研究也表明河水滞留时间越长,浮游动物的平均密度越大;水闸密度低的区域平均生物量高于水闸密度高的区域,与枝角类和桡足类平均生物量高于轮虫类有关。

2)浮游生物群落与环境因子之间的关系

调查显示,环境因子随空间变化显著。黄浒河TN和TP平均浓度高于其他河湖,表明其受农药化肥的施用影响较大。顺安河EC值显著高于其他河湖,这是由于顺安河流域长期从事矿山开采活动,受采矿活动的影响,大量含离子的废水排入河流,对顺安河水质造成污染。pH的平均值除枫沙湖外,其余河湖均高于8,呈弱碱性,这可能是由于铜陵市水体光合作用强烈,导致湖中可利用CO2量减少。枫沙湖和白荡湖COD浓度高于其他河湖,说明其受有机污染影响较大。

影响铜陵市河湖浮游生物群落结构的环境因子主要为WT、DO、TP、COD。不同河湖中影响浮游生物群落结构的环境因子存在一定差异,水温对浮游植物的生长和群落分布的影响已有大量研究发现水温升高可以促进蓝藻生长,而绿藻和硅藻更适合在较低温度下生存。铜陵市丰水期浮游植物物种密度最大,平水期生物量最大,因为丰水期温度高,适宜蓝藻门浮游植物大量繁殖,虽然蓝藻门密度大,但由于蓝藻门浮游植物单个细胞质量较小,因而蓝藻门生物量较小;枯水期水温不适宜浮游植物的繁殖和生长;平水期温度回升,但由于明显低于丰水期,蓝藻门植物较丰水期要少,但有利于硅藻门浮游植物生长,硅藻门单个细胞质量较大,硅藻门生物量迅速增加。本研究中平水期浮游动物的密度、生物量均高于丰、枯水期,一方面平水期浮游动物密度显著增加且轮虫最为显著,这可能与轮虫类的生殖方式为孤雌生殖有关,该生殖方式具有高繁殖率和短繁殖时间的特点,可在较短时间内使得轮虫达到很高密度,并且快速适应河流水文条件和水环境的改变;另一方面高温不利于桡足类浮游动物生长。随着城市化进程的加快,城市河流水温呈上升趋势,由此对水生态系统带来了一系列负面影响,在城市河流水环境中应当重点关注。营养盐是浮游生物生长的重要物质基础,其不足或过量均会影响浮游生物生长。本研究中TP与浮游动物密度呈正相关,而与多样性呈负相关,铜陵市耕地面积大,磷肥等随降雨径流进入河湖,导致TP营养盐丰富,为浮游动物繁殖提供了物质基础,因此浮游动物密度较高,但由于种类较少,因此生物多样性较低。DO对于浮游生物群落结构的变化有着重要影响,在一定范围内,水中DO充足,可以促进浮游生物生长,同时,随着浮游生物的繁殖,导致水中DO含量降低。有研究表明,浮游生物的密度及生物量与DO呈显著正相关,但也存在呈显著负相关的情况。

3)对城市河湖湿地修复的启示

城市河湖水闸的建设对城市河湖湿地中浮游生物群落结构有重要影响。胡俊等通过对建有多级节制闸的沙颍河的浮游植物群落的研究发现,闸坝阻隔使得群落结构组成从以硅藻为主的河流群落特征转变为以蓝藻、隐藻为主的湖泊群落特征。河流修建闸坝后,水体流速降低,形成相对缓流或静止水体,有利于蓝藻的繁殖,同时丰水期大量的降雨径流冲刷陆域累积的营养盐进入河湖湿地,弱水动力调节促使大量营养物质沉积,为绿藻门和蓝藻门繁殖进一步提供了良好的条件,导致陈瑶湖出现较大的浮游植物生物量和密度。未来河湖湿地修复研究中可以优化布设城市水闸,合理调度水闸以减轻人为活动对河湖湿地浮游生物自然生境的影响。

4、结论

1)铜陵市河湖在不同季节浮游植物共发现7门60属102种,主要是蓝藻门和硅藻门。基于浮游植物生物多样性指数的评价结果表明铜陵市河湖总体处于轻污染;浮游动物共发现3门21属32种,轮虫占优势,基于浮游动物生物多样性指数的评价结果表明铜陵市河湖总体处于中污染。

2)通过Pearson相关性分析发现,影响铜陵市河湖浮游生物群落时空分布变化的主要环境因子有WT、DO、TP。对主要环境因子的识别有利于更好地保护城市河湖湿地水环境和水生态健康。

3)水闸的分布对城市河湖湿地中浮游生物群落结构具有重要影响,高密度的水闸分布影响河湖的自然连通,浮游生物密度较高。从城市河湖湿地长期保护和生态修复的角度考虑,在保障防洪排涝的条件下适当调节闸门的开启频率,能有效减少有害藻类的聚集爆发。

 

 


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