張新月， 蔡鑫鵬， 李曌， 丁頁， 趙修青， 卞少偉

(1.天津市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，天津 300191;2.天津天濱瑞成環(huán)境技術(shù)工程有限公司， 天津 300191;3.中國環(huán)境監(jiān)測總站，北京，100012)

天津子牙河自靜海區(qū)第六堡至市區(qū)海河三岔河口，約30 km，流經(jīng)天津市靜海區(qū)、西青區(qū)、北辰區(qū)、河北區(qū)和紅橋區(qū)，最終與北運河、南運河相匯入海河。近幾年，天津子牙河受農(nóng)業(yè)面源、生活污水和市政排水管網(wǎng)雨污合流等多方面的影響，污染較為嚴重。趙永志等[1]調(diào)查結(jié)果顯示天津子牙河總體水質(zhì)為劣Ⅴ類水體。水體營養(yǎng)鹽濃度的升高對水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況影響，已成為研究熱點，采用浮游植物監(jiān)測調(diào)查對河流健康狀況進行評價成為一種趨勢。

水體營養(yǎng)鹽濃度的升高會導(dǎo)致浮游植物數(shù)量大量增殖，造成河流水華爆發(fā)現(xiàn)象頻發(fā)，水華的爆發(fā)會使水生態(tài)系統(tǒng)健康面臨嚴重威脅，生態(tài)服務(wù)價值喪失。王捷等[2-5]調(diào)查發(fā)現(xiàn)汾河太原河段裸藻水華、天津海河干流藍藻水華。本研究按照《河流水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測與評價技術(shù)指南》點位設(shè)置方法，選取了天津子牙河4個采樣點開展冬季(1月)、春季(5月)、夏季(8月)、秋季(11月)水質(zhì)和浮游植物采樣調(diào)查，通過分析水環(huán)境質(zhì)量狀況、浮游植物生物學(xué)評價以及浮游植物群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子間關(guān)系，對天津子牙河開展水生態(tài)環(huán)境狀況評價工作，為今后天津子牙河水生態(tài)環(huán)境保護、治理與修復(fù)提供基礎(chǔ)資料和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 浮游植物樣品采集與分析

根據(jù)天津子牙河的季節(jié)特點和藻類成長特點，在2020年1月、5月、8月、11月分別進行了采樣，均布設(shè)4個采樣點。采樣具體位置(見圖1)，pH和溶解氧采用儀器現(xiàn)場測定，水質(zhì)樣品的采樣、分裝、固定參照《地表水和污水監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[6]，水質(zhì)氨氮、總磷和化學(xué)需氧量等實驗分析參照相關(guān)標(biāo)準規(guī)范[7-10]，浮游植物采樣工具主要為有機玻璃采水器和25號浮游生物網(wǎng)，定性樣品用25號的浮游生物網(wǎng)(網(wǎng)孔直徑0.064 mm)在水體下0.5 m處“∞”字形拖取3～5 min；定量樣品用有機玻璃采水器在水體下0.5 m處，采取1 L水樣。采集后的定性和定量的樣品用魯哥試劑進行固定及保存，實驗室內(nèi)Olympus BX51顯微鏡下進行浮游植物種類鑒定和個體計數(shù)[11]，標(biāo)準化計算參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第四版)(增補版)[12]。

圖1 采樣點位分布Figure 1 Distribution of sampling sites in Ziya River

1.2 數(shù)據(jù)處理

多樣性指數(shù)包括優(yōu)勢度(Y)、Shannon-Wiener指數(shù)(H′)、Pielou均勻度指數(shù)(J′)、Margalef豐富度指數(shù)(D)，計算公式如下[13-16]：

式中ni為第i種的數(shù)量，N為采集樣品中的所有種類總個體數(shù)；S為采集樣品中的種類總數(shù)；fi為該種在各樣品中出現(xiàn)的頻率，Y≥0.02為優(yōu)勢種。本文使用Excel 軟件進行數(shù)據(jù)庫建設(shè)和統(tǒng)計、處理，統(tǒng)計圖片的繪制，利用SPSS 18.0對浮游植物數(shù)據(jù)與環(huán)境數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 浮游植物的種類組成和優(yōu)勢種

2020年1月、5月、8月、11月，對天津子牙河浮游植物調(diào)查，共發(fā)現(xiàn)浮游植物7門43種屬。其中：硅藻門和藍藻門均為11種屬，各占總物種數(shù)的25.6%；綠藻門16種屬，占37.2%；金藻門2種屬，占4.7%；甲藻門、隱藻門和裸藻門各1種屬，均占2.3%。

冬季(1月)浮游植物優(yōu)勢種共2種屬(具體種類見表1)，均為硅藻，細胞密度分別為4.06×107個/L和18.5×107個/L；春季(5月)浮游植物優(yōu)勢種共7種屬，以硅藻為主，細胞密度變化在0.84×107～6.84×107個/L之間；夏季(8月)浮游植物優(yōu)勢種共8種屬，以藍藻為主，細胞密度變化在1.74×107～12.8×107個/L之間；秋季(11月)浮游植物優(yōu)勢種共4種屬，以硅藻為主，細胞密度變化在1.77×107～42.5×107個/L之間(見表1)。

表1 天津子牙河浮游植物優(yōu)勢種及密度Table 1 Dominant Species and Density of Phytoplankton in Ziya River

2.2 浮游植物的數(shù)量變化特征

天津子牙河浮游植物數(shù)量分布特征顯示(見圖2)，2020年各采樣點浮游植物細胞密度在5.86×107～40.5×107個/L之間，除2#采樣點浮游植物密度峰值出現(xiàn)在夏季外，其余采樣點位浮游植物密度峰值均出現(xiàn)在秋季，其中3#采樣點秋季浮游植物數(shù)量為全年最大值。從表2中可以看出，天津子牙河浮游植物群落數(shù)量占比呈現(xiàn)硅藻-藍藻相對占據(jù)絕對優(yōu)勢。

圖2 天津子牙河浮游植物密度變化Figure 2 The temporal-spatial variation of phytoplankton density at each sampling site in Ziya River

根據(jù)藻密度評價的水華程度分級標(biāo)準[17]：藻類數(shù)量<2.0×106個/L，無水華；2.0×106個/L≤藻類數(shù)量<1.0×107個/L，無明顯水華；1.0×107個/L≤藻類數(shù)量<5.0×107個/L，輕度水華；5.0×107個/L≤藻類數(shù)量<1.0×108個/L，中度水華；藻類數(shù)量≥1.0×108個/L，重度水華。春季1#和4#采樣點、夏季4#采樣點均達到輕度水華標(biāo)準；冬季1#、2#、4#采樣點，春季2#、3#采樣點，秋季4#采樣點均達到中度水華標(biāo)準；冬季3#采樣點、夏季和秋季的1#、2#、3#采樣點均達到重度水華標(biāo)準；由此可見，天津子牙河水體富營養(yǎng)狀況較為嚴重。

表2 天津子牙河浮游植物不同季節(jié)主要門類 占比情況(單位：%)Table 2 Proportion of dominant phytoplankton classes across four seasons in Ziya River (Unit:%)

續(xù)表

2.3 水質(zhì)與生物評價狀況

根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法(試行)》中“當(dāng)河流、流域(水系)的斷面總數(shù)少于5個時，計算河流、流域(水系)所有斷面各評價指標(biāo)濃度算術(shù)平均值，然后水質(zhì)類別評價采用單因子評價法方法”，對天津子牙河進行水質(zhì)狀況評價：冬季(1月)天津子牙河整體水質(zhì)類別為Ⅳ類，水質(zhì)狀況為輕度污染；春季(5月)天津子牙河整體水質(zhì)類別為Ⅲ類，水質(zhì)狀況為良好；夏季(8月)天津子牙河整體水質(zhì)類別為Ⅴ類，水質(zhì)狀況為中度污染；秋季(11月)天津子牙河整體水質(zhì)類別為Ⅳ類，水質(zhì)狀況為輕度污染。表3可知，各季節(jié)主要定級因子均為化學(xué)需氧量，各季度濃度均值分別為25 mg/L、15 mg/L、31 mg/L、25 mg/L，與2008年馬仁宏等[18]在天津子牙河調(diào)查的水質(zhì)評價結(jié)果相比，天津子牙河整體水質(zhì)狀況有明顯改善。根據(jù)相關(guān)生物指數(shù)評價標(biāo)準[15]，對天津子牙河進行水生態(tài)狀況綜合評價，冬季(1月)和秋季(11月)天津子牙河均達到中污染-重污染水平；春季(5月)和夏季(8月)天津子牙河均達到輕污染-重污染水平(見表4)。

表3 天津子牙河水質(zhì)變化情況Table 3 The environmental factors of different seasons in Ziya River

表4 天津子牙河浮游植物多樣性指數(shù)變化情況Table 4 Phytoplankton diversity index of different seasons in Ziya River

2.4 浮游植物群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子關(guān)系

Pearson線性分析表明，天津子牙河浮游植物密度數(shù)量與高錳酸鹽指數(shù)呈極顯著正相關(guān)，與化學(xué)需氧量呈顯著正相關(guān)，Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)均與氨氮呈顯著負相關(guān)。由此可知，影響天津子牙河浮游植物群落結(jié)構(gòu)的主要環(huán)境因子為高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量和氨氮(見表5)。

表5 浮游植物密度、多樣性指數(shù)與環(huán)境因子的相關(guān)性Table 5 The correlation between community structure of phytoplankton and environmental factors

3 討論

研究對天津子牙河浮游植物群落結(jié)構(gòu)調(diào)查結(jié)果與王婧娜等[19]2015年天津子牙河楊柳青西合閘段的調(diào)查結(jié)果基本一致，表明天津子牙河已達到輕-重度水華程度。生物多樣性指數(shù)常作為一個區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況的客觀指標(biāo)而被廣泛應(yīng)用[20]，水質(zhì)理化指標(biāo)評價具有瞬時性，不能全面地反映河流健康狀況，因此，研究將生物多樣性指數(shù)與水質(zhì)理化評價兩種方法結(jié)合起來進行綜合評價，得到的水生態(tài)狀況結(jié)果更加可信和全面。

浮游植物群落結(jié)構(gòu)受環(huán)境因素的綜合影響，不同水體的環(huán)境因素對浮游植物群落結(jié)構(gòu)的影響存在差異。李喆等[21]對松花江哈爾濱段的研究表明水溫、CODMn和TP是影響浮游植物群落的主要環(huán)境因子；巴桑[22]等對拉薩河下游春、夏季的研究表明總磷和總氮是影響浮游植物群落的主要環(huán)境因子；天津子牙河氨氮、高錳酸鹽指數(shù)和化學(xué)需氧量是影響浮游植物群落的主要環(huán)境因子，相關(guān)研究也表明，氨氮是浮游植物可以直接吸收的元素形態(tài)[23]，營養(yǎng)鹽含量能夠影響浮游植物的群落結(jié)構(gòu)組成，同時營養(yǎng)鹽與藍藻和硅藻的耐污種類有很好的相關(guān)性[24]。在對天津子牙河的調(diào)查分析中，只針對了一年的四個季節(jié)以及水體中的部分理化因子，后續(xù)研究可以考慮開展浮游植物周年動態(tài)進行調(diào)查，還可增加其他環(huán)境因子進行全面分析，如水動力條件(水體置換等)對藻類生長繁殖、種間競爭以及營養(yǎng)物質(zhì)混合與運移的影響。

4 結(jié)論

2020年天津子牙河浮游植物調(diào)查共發(fā)現(xiàn)到7門43種屬，全年浮游植物的細胞密度范圍在5.86×107～40.5×107個/L之間，與歷史數(shù)據(jù)對比，水華分級、種類和密度等結(jié)果基本一致；根據(jù)水華分級標(biāo)準，天津子牙河處于輕度-重度水華水平；天津子牙河種類群落呈現(xiàn)硅藻-藍藻相對占據(jù)絕對優(yōu)勢；水質(zhì)理化和生物指數(shù)評價結(jié)果，均表明天津子牙河水質(zhì)受到一定程度的污染，與歷史水質(zhì)評價結(jié)果相比有所改善。