珠江典型河段浮游植物群落結構特征及其對水質的指示作用

陳亮東，詹建坡，王 慶

1.廣州市農業機械化技術推廣站，廣東 廣州 510220

2.暨南大學 生態學系/人與自然生命共同體實驗室，廣東 廣州 510632

3.南方海洋科學與工程廣東省實驗室 (珠海)，廣東 珠海 519000

河流作為生態系統的重要組成部分，是陸地與海洋生態系統物質傳遞、能量流動和信息傳遞的樞紐，并在保持水生態系統多樣性方面具有重要意義[1]。近年來，由于經濟發展、水利設施建設和人類對水資源的過度利用，導致河流生態系統退化。河流生態系統保護和修復日益成為人們關注的熱點，對河流進行科學有效的評價是河流保護的重要前提。浮游植物作為河流生態系統的初級生產者，其動態變化關系到漁業資源和水生態系統的穩定[2]，且其對水環境變化響應快速，比水生植物、魚類和無脊椎動物等生物種類對水質的指示作用更靈敏[3]。Garmendia 等[4]嘗試用浮游植物對江河水體富營養化等進行評價，越來越多國外研究將浮游植物引入水生態健康評價和預警指示[5-8]。伴隨我國河流健康管理從水環境管理日益提升到水生態系統健康管理，浮游藻類特征評價作為水生態健康評價的重要指標得到良好應用[9]。對漢江下游基于浮游植物的江河水質評價呈中污染狀態[10]，對淮河干流及主要支流的浮游植物生物指數評級和水質評價的對比研究同樣表明，基于浮游生物多樣性的評價和水質監測結果均為中污染水平，具有較好的互驗性[11]，均表明該評價方法的有效性，但其在珠江流域的應用較少。

珠江含北江、東江和西江三大水系，作為我國徑流量第二大河流，流經珠三角經濟發達、人口密集的區域，由此面臨生活污水、工業污染、農業面源污染等產生的水環境污染等形勢更嚴峻[12]。以往的研究主要關注水質理化環境、水文等，涉及該水域上游及河口浮游生物的系統調查報道較少，全河段的系統調查僅有20 世紀80 年代和2008 年水生生物資源本底調查[13]。本研究選取珠江流域受水利建設、農業生產、大規模城市污水排放等人類活動影響的北江流溪河河段和珠江河口等河段，研究其枯水期、豐水期和平水期群落特征，并利用生物多樣性等指標評價水質現狀，以期為珠江水污染防治和水生態恢復提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 站點布設和樣品采集

根據珠江水動力學特點，選取北江流溪河、東江北干流段和珠江河口段3 個典型河段。站點設置如圖1 所示：S1 為北江流溪河街口段、S2 為北江流溪河石角段、S3 為增江北干流河段、S4 為珠江河口蓮花山段、S5 為珠江河口大虎島段。上述河段不僅是重要的漁業資源水域，也具備水域代表性：北江流溪河 (S1 和S2) 為北江水系重要支流，地處超大城市廣州主城區上游，受大城市排污環境壓力相對較??；東江北干流段 (S3) 流經粵東主要農業種植區，受農業面源污染較大；珠江河口段(S4 和S5) 位于北江、西江和東江三江交匯段，同時受地表徑流和海水混合交替影響。

圖1 珠江水域采樣點分布Fig.1 Sampling stations in Pearl River

分別在2021 年3 月 (枯水期)、7 月 (豐水期)和11 月 (平水期) 進行樣品采集?，F場用水質儀、SM-5A 測深儀測定鹽度和水深。在每個站點分別采集浮游植物定性和定量樣品，浮游植物樣品的固定和鑒定計數均參照《水和廢水監測分析方法 第四版增補版》[14]相關規范進行，定性樣品用25 號浮游生物網來回多次拖網采集后，濃縮至100 mL聚乙烯瓶，用5% (體積分數) 的甲醛固定。定量樣品用5 L 有機玻璃采水器采集表、底層水樣充分混合，取1 L 水樣加15 mL 魯戈氏液，靜置48 h 后虹吸上清液濃縮至30 mL 待檢。樣品計數時充分混勻后移液槍量取0.1 mL 在浮游植物計數框，同一樣品2 次計數均值控制在15% 以內視為有效數據。種類鑒定參考書目[15-17]。浮游植物生物量參照Hillebrand 等體積法計算幾何近似值[18-19]。

1.2 數據處理和分析

根據浮游植物數據，分別計算Shannon-Wiener 多樣性指數 (H')、Pielou 均勻度指數 (J')、優勢度 (Y) 和Margalef 豐富度指數 (D)，計算公式分別如下：

式中：ni為第i種的個體數量；N為某站位總生物數量；S為某站位出現生物總種數；fi為第i種在各站位中出現頻率。

物種多樣性判定依照Shannon-Wiener 多樣性指數值H'，介于1.6～2.5 和2.6～3.5 分別表示較好和豐富水平[20]。藻類密度≤5.0×105個·L-1和5.0×105～1.0×106個·L-1分別表示貧營養和貧-中營養水平[20]?；诙鄻有灾笖档乃|評價標準參見表1[11]。

表1 基于浮游植物多樣性指數的評價標準Table 1 Evaluation criteria based on indexes of phytoplankton diversity

1.3 統計分析

使用IBM SPSS Statistics 23 軟件對數據進行統計分析，用Origin 18 軟件繪圖。

2 結果

2.1 浮游植物組成和分布特征

調查共鑒定出浮游植物8 大門類1 8 7 種(圖2)，包括硅藻門、綠藻門、藍藻門、裸藻門、隱藻門、金藻門、甲藻門和黃藻門。3 月枯水期共鑒定出浮游植物117 種，其中硅藻門63 種，占53.85%；綠藻門38 種，占32.48%；藍藻門和裸藻門等其他藻類15 種。上游河段S1、S2 和S3 站點以綠藻和硅藻種類為主，分別占83%、70% 和9 3%。河口段S 4 和S 5 以硅藻為主，分別占63%和82%。

圖2 珠江各河段浮游植物物種組成Fig.2 Phytoplankton species composition at each station of Pearl River

7 月豐水期共鑒定出浮游植物98 種，其中綠藻門4 1 種，占4 1.8 4%；藍藻門2 6 種，占26.53%；硅藻門22 種，占22.45%；裸藻門、甲藻門、隱藻門分別為5、2 和2 種。上游S1 和S2 以綠藻為主，分別占50% 和43%；河口段S4 和S5 以綠藻和硅藻為主，分別占83%和78%。

11 月平水期共鑒定出浮游植物77 種；其中以硅藻門為主，有3 1 種，占4 0.2 6%；綠藻門28 種，占36.36%；藍藻門13 種，占16.88%；裸藻門、隱藻門和甲藻門分別為2、2 和1 種。上游S1、S2 和S3 以綠藻和硅藻為主，種類數分別占78%、82%和73%；下游S4 和S5 硅藻占比最大，分別為52%和64%。

種類數量季節分布表現為枯水期>豐水期>平水期，空間上呈現北江流溪河河段 (S1 和S2)>東江北干流河段 (S3)>珠江河口段 (S4 和S5)。

2.2 優勢種及時空分布

不同河段優勢種差異明顯，北江流溪河段全年以藍藻和綠藻種類為優勢種，東江北干流河段枯水期以顆粒直鏈藻 (Melosiragranulata) 和嚙蝕隱藻(Cryptomonaserosa) 為主要優勢種。珠江河口段全年以硅藻如顆粒直鏈藻、顆粒直鏈藻極狹變種(M.granulatavar.angustissima) 和模糊直鏈藻(M.ambigua) 為主要優勢種，且在豐水期和平水期還出現細小平裂藻 (Merismopediatenuissima) 、湖生偽魚腥藻 (Pseudanabaenalimnetica) 和魚腥藻屬(Anabaenasp.) 等藍藻為共同優勢種 (表2) 。

表2 珠江浮游植物優勢種組成 (優勢度Y>0.02) 及分布Table 2 Composition and distribution of dominant species (Dominance Y>0.02) of phytoplankton in Pearl River

2.3 浮游植物密度時空分布特征

各站點浮游植物密度時空差異較大，介于1.2×105～1.8×107個·L-1(圖3)。從季節來看，3 月枯水期細胞密度介于1.2×105～3.0×106個·L-1，7 月豐水期介于9.3×105～1.8×107個·L-1，11 月平水期介于2.6×105～6.1×105個·L-1，最低點和最高點均出現在S2 和S3，其中S2 在7 月藍藻密度達到輕微水華水平 (1.2×107個·L-1)；細胞密度均值豐水期>枯水期>平水期，分別為7.2×106、8.6×105和4.0×105個·L-1，差異顯著 (P<0.05)。從空間分布來看，各河段細胞密度平均值介于5.6×105～6.4×106個·L-1，平均密度為2.8×106個·L-1，呈現北江流溪河段 (S1 和S2)>珠江口河口段 (S4 和S5)>東江北干流段 (S3)。

圖3 珠江各站點浮游植物密度與生物量變化Fig.3 Abundance and biomass of phytoplankton at each station of Pearl River

同河段浮游植物群落結構差別較大，且同一河段隨季節變化也呈現不同動態變化 (圖4)。北江流溪河河段 (S1 和S2) 全年為綠藻-藍藻型，S2 在3、7 和11 月綠藻密度占比分別為57%、33% 和23%，藍藻分別為12%、64%和45%，呈現綠藻密度占比下降，藍藻占比先上升后回落的趨勢；東江北干流河段 (S3) 由硅藻到硅藻-藍藻型轉變；珠江河口段 (S4 和S5) 全年由硅藻型到硅藻-藍藻型轉變，S5 在3、7 和11 月硅藻密度分別為80%、38% 和60%，藍藻分別為7%、57% 和31%，呈現硅藻占比先下降后回升趨勢，藍藻則反之。

圖4 珠江各站點浮游植物密度與生物量相對組成Fig.4 Relative contribution of phytoplankton abundance and biomass at each station of Pearl River

相關分析顯示：藻類豐度和藍藻豐度、甲藻豐度極顯著正相關 (P<0.01,r=0.911 和r=0.854)，且甲藻豐度和藍藻豐度極顯著正相關 (P<0.01,r=0.759)，甲藻豐度和綠藻豐度顯著正相關 (P<0.05,r=0.637)；硅藻種數和藍藻豐度、硅藻豐度負相關(P<0.01,r=-0.707 和r=-0.795)。

生物量范圍為0.166 1～10.276 mg·L-1，均值為2.103 1 mg·L-1(圖3)。從季節分布來看，生物量均值豐水期>枯水期>平水期，分別為4.674 5、1.235 4和0.569 8 mg·L-1。從空間分布來看，呈現北江流溪河段 (S1 和S2)>珠江口河口段 (S4 和S5)>東江北干流段 (S3)，整體趨勢和密度呈現類似的時空分布格局。

北江流溪河段生物量 (S1 和S2) 以綠藻為主，占比為34%～68%，硅藻次之。珠江口河口段(S4 和S5) 以硅藻為主，占比高于54% (圖4)。

2.4 基于浮游植物的水質評價

H'介于1.58～3.05，平均值2.43 (圖5)。從水域分布來看H'，北江流溪河河段 (2.60)>東江北干流河段 (2.45)>珠江河口段 (2.26)；基于H'進行生物多樣性評價顯示，北江流溪河河段多樣性為弱豐富水平，東江北干流河段和珠江河口段為較好水平。根據藻類密度，北江流溪河河段水質等級為貧-中營養，東江北干流河段和珠江河口水質等級為貧營養至貧-中營養 (表3)。

表3 基于浮游植物的珠江水質評價Table 3 Water quality assessment based on phytoplankton in Pearl River

圖5 珠江各河段生物指數及基于生物多樣性指數的水質評價Fig.5 Biological indices and water quality assessment based on biodiversity indices at each station of Pearl River

基于H'水質評價顯示除3 和11 月個別站點外，整體水質為β-中污染水平；基于J'的水質評價顯示為輕污染水平；基于D水質評價，除3 月個別站點為β-中污染水平外，整體水質為α-中污染水平。

3 討論

3.1 珠江典型河段浮游植物種類組成

本次調查顯示珠江水域北江流溪河、東江北干流和珠江河口3 個不同河段浮游植物種類組成豐富，以硅藻和綠藻為主要類群，藍藻和裸藻等其他附屬藻類次之，與珠江口河網2012 年的調查結果類似[12]，也符合國外大型河流水域的浮游植物分布模式[21-23]，呈上游北江流溪河段、東江北干流段高于珠江河口段的趨勢。北江流溪河和東江北干流為四尾柵藻 (S.quadricauda) 和被甲柵藻博格變種雙尾變型 (S.armatusvar.boglariensisf.bicaudatus)為主的淡水種，可能與北江流溪河河段位于淡水區間，水體穩定免受海水潮汐沖擊帶來的鹽度等波動有關，浮游植物群落結構更穩定?，F場鹽度監測顯示蓮花山水道至大虎島段為咸淡水交匯區，地表徑流的沖刷作用影響了浮游生物穩定性[24]，疊加河口潮汐作用，種類更替頻繁，導致種類數相對上游流溪河河段較少。此外，珠江河口蓮花山至大虎島河段調查發現，豐水期種類數較2015 年對該水域的調查[25]種類增多，平水期種類基本持平，且硅藻占比較2015 年調查結果呈明顯上升趨勢。

3.2 珠江典型河段浮游植物優勢種特征

珠江水域各河段浮游植物呈現以少數優勢種為主，伴生大量其他零星分布種的特征，符合浮游植物結構的一般特征[26]。不同河段浮游植物結構呈現不同特征，優勢種也隨著河段和季節不同差異較大。北江流溪河河段由枯水期的綠藻-硅藻型演變為豐水期的藍藻-綠藻型，與珠江西江河段的調查呈類似的群落結構特征[27]。主要影響因素可能有：鹽度和水體流動性是影響浮游植物群落的重要環境因子，四尾柵藻和被甲柵藻博格變種雙尾變型等綠藻在流動性低的淡水水體中占優，而硅藻由于硅質硬殼在流動水體競爭中成為優勢種。此外，藻類最適生長溫度也存在差異，25～35 ℃最適合細小平裂藻和螺旋魚腥藻等藍藻生長。上游北江流溪河河段這種由豐水期藍藻型到枯水期綠藻型的季節性演變模式，和2007 年趙俊等[13]對該流域的調查趨勢類似。東江北干流段呈現硅藻-藍藻型特征，全年以顆粒直鏈藻和嚙蝕隱藻富營養化藻為優勢種。和以往夏季對該河段調查研究以隱藻屬、顫藻屬、直鏈藻屬等富營養化指示種為優勢種的結果類似[28-29]。

珠江河口蓮花山至大虎島河段浮游植物群落結構呈現明顯的季節特征，全年以顆粒直鏈藻等硅藻為主要優勢種，且在豐水期優勢度更大?？赡茉撛鍖χ榻谶m應性更好，珠江口水域水溫適宜、必要的水體擾動為顆粒直鏈藻提供了良好的生長環境，且該藻對咸淡水有較好的適應性[30]，面對富營養化水體中浮游植物對光照的激烈競爭[31]，顆粒直鏈藻細胞富含葉綠素[32]，對低光強水體具有良好的耐受性，促使該種類成為該水域全年本底優勢種。

珠江口河段浮游植物按群落結構特征可分為河口類、近岸類等類群[33]。由于珠江口徑流和海水潮汐交互影響，營養鹽豐富，鹽度跨度和波動較大，有利于不同類群浮游藻類繁殖生長，以致種類跨度較大：枯水期以顆粒直鏈藻等廣溫廣鹽種為主，演變為豐水期以顆粒直鏈藻、細小平裂藻和湖生偽魚腥藻屬等廣溫廣鹽種及淡水種為主，這種淡水種和河口種交替演化模式，不僅與河口水域不同季節的溫鹽環境相適應，也基本符合藻類分布PEG (Plankton ecology group) 模型，即冬春季硅藻占優，夏季藍藻、綠藻占優，隨后硅藻優勢度占比上升[34]。

此外，參考有關藻類指示性的判斷標準[35]，作為富營養化指示種的四尾柵藻、被甲柵藻博格變種雙尾變型、細小平裂藻和湖生偽魚腥藻屬為被調查河段優勢種，上述藻經常在相對靜止封閉的湖庫和養殖池塘出現[36]，在河流調查中報道較少，表明所調查珠江水域均存在富營養化趨勢。這與此次調查河段毗鄰的萬頃沙河網水系的假魚腥藻、顫藻和小球藻等富營養化種為優勢種[37]相互印證，還說明該水域富營養化藻類分布有擴大趨勢。

3.3 珠江典型河段浮游植物密度、生物量分布和藍藻水華

藻類密度和生物量呈豐水期>平水期>枯水期的季節分布特征，即豐水期藻類豐度和生物量最高。珠江地處亞熱帶，受季節影響水溫冬暖夏熱，且豐水期匯集大量營養鹽和上游藻種，為藍綠藻等爆發提供條件。調查的珠江典型河段和該流域不同河段調查結果橫向比較，浮游植物豐度為2.8×106個·L-1，明顯低于珠江口水域萬頃沙河網水系[37]，相較于國內其他江河流域的調查報道[29]，浮游植物密度處于較高水平。

流溪河街口段在豐水期不僅藍藻和隱藻種類多，藍藻密度更是達到1.2×107個·L-1，按DB 44/T 2261—2020《水華程度分級與監測技術規程》，達到藍藻輕度水華標準，在富營養化情況下藍藻水華易產生藍藻毒素而潛在危害水質和水生生物安全[38-39]。相對于國內河流關于水華的報道[40-41]，珠江水系北江流溪河段罕見水華的相關報道，需進一步關注水華爆發風險。湖庫水華主要限制因子多為營養鹽、溫度和光照，而河流水華主要和水文情勢密切相關[41]。羅曉佼等[42]對三峽庫區澎溪河河段水華發生機制的探討發現，水流緩慢和水溫垂直分層是江河藍藻水華產生的必要條件[43]。本次水華發生在李溪壩上側，上游有14 座小型水電站、9 座攔河壩，水流經多次截留致水體滯留時間長，豐水期豐富的氮 (N)、磷 (P) 營養鹽尤其是磷鹽的提升[44]，疊加28～30 ℃藍藻適宜的水溫[38]，為藍藻水華爆發提供了條件，詳細機制需進一步研究。建議北江上游李溪壩等受人工壩攔截水面增加開閘放水頻次，減少水體滯留時間，降低水華發生風險。

3.4 浮游植物多樣性及水質評價

全年調查周期內，珠江水域從上游河段到珠江口河口，無論浮游植物種類數，還是H'值均呈現上游向下游遞減的格局。對珠江河段多年水質監測數據表明上游淡水河段鹽度穩定，且上游河段N、P 等營養鹽濃度明顯低于下游[29,44]。北江上游流溪河段地處特大型城市廣州主城區上游，受人類活動和水體資源利用等人為擾動較少，水質更好，浮游植物結構更穩定，生物多樣性更高?；贖'水質評價顯示調查河段整體為β-中污染，基于J'的水質評價顯示為輕污染，基于D水質評價整體為α-中污染。且水域全年優勢種以細小平裂藻、螺旋魚腥藻和顫藻屬等富營養化指示種為主，綜上表明該河段水質整體處于輕污染-中污染水平，和該流域的水質監測結果相互印證[29,44]，表明該流域水質狀況一般，河流環境受到污染，河流生態系統較為脆弱，受調查珠江河段水質仍受污染，需進一步治理改善。

和國內其他河流的浮游植物結構對比發現(表4)，所調查的珠江水域河段浮游植物種數和密度均處于中等水平，對應的水質評價為輕度到α-中污染。結合廣東省生態環境廳公布的2021 年4、7 和10 月底河口近海水質數據[45](和本文S4 和S5 站點監測時間和空間基本吻合)，水質監測顯示為劣四類水 (6 項檢測指標按照GB 3097—1997《海水水質標準》，無機氮、活性磷酸鹽、pH 等超標)；參照廣東省環境廳公布的江河月度水質數據[46]，按GB 3838—2002《地表水環境質量標準》，珠江河口大虎島段 (S5) 因溶解氧超標水質介于III—V 類水，說明無論按照海水或淡水水質標準，可判定該河段為中污染狀態，亦說明生物指數評價結果和水質理化指標較一致，表明不同評價方法間具有一定的互驗性[11]。該結果和國內淮河干流及主要支流的藻類生物指數評級和水質評價結果類似，說明對被調查珠江河段的基于浮游植物生物指數評價指標具有一定的可行性和穩定性，可擴展到本流域其他河段的應用評估以進一步建立評價數據庫和構建評價體系。

表4 基于浮游植物群落結構的河流水質評價Table 4 Water quality assessment of rivers based on phytoplankton community structure

此外，說明珠江水域河段水質狀況仍需進一步改善，建議繼續按照流域治理規劃開展水污染治理專項、貫徹落實河 (湖) 長制、加強防治工農業水污染以及珠三角典型水體綜合治理方面繼續發力。建議采取以下措施：1) 拓展污水處理設施。完善污水處理設施和使用效率，減少廢水排放；2) 加強工業、農業等污染治理。嚴格控制工業廢水排放和農業面源污染，在河流流域發展綠色循環農業模式，控制化肥使用，減少對水體的污染；3) 加強生態修復治理。加強河流管理，在流經城市人口密集區域的支流河涌實施水生態修復工程。通過合理維持魚類、底棲生物和高等水生植物等生物類群，改善河流水環境，提升河道自凈能力和系統穩定性，持續改善珠江水質。

4 小結

1) 枯水期、豐水期和平水期在珠江水域分別發現浮游植物117、98 和77 種，全年187 種，隸屬8 大門類，種類分布隨季節變化較大。

2) 浮游植物優勢種呈現不同時空特征，北江流溪河段呈綠藻型到綠藻-藍藻型演變，東江北干流河段呈硅藻到硅藻-藍藻型演變，珠江河口段呈硅藻型到硅藻-藍藻型演變，直鏈藻及其變種為主要優勢種。四尾柵藻、細小平裂藻、湖生偽魚腥藻和魚腥藻屬等富營養指示種為優勢種，在豐水期該河段有富營養化及藍藻化趨勢。

3) 浮游植物豐度呈上游到下游河口下降趨勢，藻類細胞密度介于5.6×105～6.4×106個·L-1，生物量介于0.166 1～10.276 mg·L-1。從河段來看，北江流溪河河段浮游植物密度和生物量最高，珠江河口段次之，東江北干流河段最低。且北江流溪河石角段在豐水期藍藻密度達輕微水華水平，需關注潛在藍藻水華風險并探明其發生機制。

(4)H'、J'和D分別介于1.58～3.05、0.51～0.84和1.60～3.42?；贖'、J'和D評價顯示，珠江3個典型河段水質介于輕度污染到α-中污染，表明珠江河段水質仍受到污染。