河口可看作是淡水与海洋生物栖息地之间的生态交错区, 该区域的环境因子变化与河流和海洋均有差异, 具有自己的特殊性^[1-2]。珠江流经广州南沙区, 贯穿其中形成交错复杂的河涌, 受到珠江径流和海水的共同影响, 同时河涌周围大多为居民生活区, 受生活垃圾和污水的影响严重。

浮游植物是河口区水生生态系统的重要初级生产者, 在生态系统的物质循环与能量转换中起重要作用, 为浮游动物提供直接的食物来源^[3]。同时浮游植物已成为生物监测以及评价水质和水体营养状况的重要生物指标, 在国内外已被广泛采用^[4-5]。

珠江干流、珠江广州河段、珠江口已经有相关研究报道^[6-7], 但对珠江口城市河涌研究未有报道。本研究对珠江口南沙河涌进行为期1年的周年调查, 探讨浮游植物分布与环境因子之间的关系, 以期为城市河涌的保护和治理提供参考。

1 材料与方法 1.1 采样区域与站位布设

2016年3月至2017年2月对珠江口广州南沙河涌进行调查研究, 选取8条河涌, 设置8个采样点, 分别为2涌(S2)、6涌(S6)、8涌(S8)、12涌(S12)、14涌(S14)、16涌(S16)、19涌(S19)、21涌(S21), 依次从内陆到河口, 采样频率为每月1次, 其中2涌沿岸有施工工地, 6涌、12涌、16涌位于居民区沿岸居民较多, 8涌沿岸有餐饮店, 14涌沿岸有水产市场污水直接排入河涌, 19涌沿岸有渔人码头, 21涌与河口相连接, 涌内有渔船, 站点布设如图 1。

1.2 样品收集及处理

用有机玻璃采水器采集1 L水样, 立即加入水样量1.5%体积的鲁哥氏液固定, 沉淀48 h浓缩至30 mL, 取0.1 mL使用浮游植物计数框在显微镜下进行种类鉴定和计数。种类鉴定参照浮游植物的种类鉴定, 主要依据《中国淡水藻类——系统、分类及生态》^[8]、《藻类名词及名称》^[9]和《中国常见淡水浮游藻类图谱》^[10], 计数参考《淡水浮游生物研究方法》^[11]。水温(WT)、pH、溶解氧(DO)、盐度等指标用YSI plus型水质分析仪现场测定, 用透明度盘测定水体透明度(SD), 实验室测定总氮(TN)、总磷(TP)及叶绿素(Chl. a)^[12]。

1.3 数据分析

运用Margalef物种丰富度指数(D)、Shannon物种多样性指数(H′)、Pielou均匀度指数(J)及浮游植物优势度(Y)等参数分析浮游植物群落结构特征。将优势度Y>0.02的藻类定为优势种^[13-14]。

水体富营养化程度采用综合营养指数法^{[15, 16]}, 公式如下：

式中, TLI(∑)表示综合营养状态指数；TLI(j)代表第j种参数的营养状态指数。W_j第j种参数的营养状态指数的相关权重, 它按下述方法进行加权。

以Chl. a作为基准参数, 则第j种参数的归一化的相关权重计算公式为：

式中, r_ij为第j种参数与基准参数Chl. a的相关系数^[15]；m为评价参数的个数。

利用SPSS 21.0进行one-way ANOVA分析；利用Origin 9.0进行图形绘制；利用ArcGis 10.0进行站点绘制；利用大型多元统计软件PRIMER 5.0对浮游植物群落进行聚类分析；利用Canoco 4.5对浮游植物物种和环境数据进行冗余分析(RDA)。

2 结果 2.1 理化数据

调查期间各站点水温全年平均值在25 ℃, 最低水温在7.8 ℃, 变化范围较大, 方差分析表明各月份存在显著差异(P < 0.05)；盐度变化范围不大, 最高不超过5, 2涌到12涌盐度全年平均值在0.5以下, 14涌至21涌盐度全年均值在1以上, 方差分析表明, 2015年3月、4月和2016年2月与其余月份存在显著差异(P < 0.05)；总氮全年均值超过2 mg/L, 在14涌站点均值达到4.87 mg/L, 远超其他各站点, 全年最大值也出现在14涌, 高达13.16 mg/L, 最小值出现在19涌, 为0.9 mg/L, 方差分析表明, 2015年4月显著高于其余月份(P < 0.01)；总磷除14涌以外, 其余各站点年均值均低于0.16 mg/L, 14涌均值为0.35 mg/L, 最大值出现在14涌, 为0.94 mg/L, 方差分析表明, 2015年11月显著高于其余月份(P < 0.01)；叶绿素a波动范围较大, 最小值出现在2涌, 为1.13 μg/L, 最大值出现在14涌, 高达514.78 μg/L, 方差分析表明, 2015年4月显著高于其余月份(P < 0.01), 此时出现水华现象, 水华种为拟菱形弓形藻(Schroederia nitzschioides)(图 2)。

2.2 浮游植物种类

调查共发现浮游植物164种(属), 隶属于7门73属。其中以绿藻种类最多, 达33属79种, 占48.17%；硅藻次之, 17属41种, 占25%；裸藻和蓝藻分别为5属18种和15属23种；甲藻门、黄藻门和隐藻门各为1属1种。种类数在7月至11月最多, 10月份达到最大值98种, 3月份种类数最少, 仅有62种。从组成类群上来看, 全年都以硅藻、绿藻和蓝藻占优, 所占比例分别为, 47%—77%、19%—55%和13%—35%。

2.3 浮游植物丰度

浮游植物全年细胞丰度范围为0.10 ×10⁶ —101.34 ×10⁶个/L(图 3), 周年变化呈单峰型, 在2015年4月达到峰值。时间变化显著, 2015年4月浮游植物细胞平均丰度达到34.97 ×10⁶个/L, 各河涌范围在8.32×10⁶ —101.34 ×10⁶个/L, 14涌高达101.34 ×10⁶个/L, 此时发生拟菱形弓形藻(S. nitzschioides)水华, 随后2015年5月因强降雨浮游植物细胞丰度骤降, 2016年2月份最低, 均值为0.26 ×10⁶个/L。统计分析显示, 2015年4月份浮游植物细胞丰度显著高于其余月份(P < 0.01)。空间变化不明显, 14涌站点浮游植物细胞丰度较高, 2涌较低。Pearson相关性分析表明, 浮游植物细胞丰度与硅藻门细胞比例呈极显著负相关(r=-0.349, P < 0.01), 与蓝藻门细胞比例呈显著负相关(r=-0.244, P < 0.05), 与绿藻门细胞比例呈极显著正相关(r=0.454, P < 0.01), 绿藻门细胞比例与硅藻门(r=-0.620, P < 0.01)和蓝藻门(r=-0.705, P < 0.01)细胞比例呈极显著负相关。

优势度大于0.02的优势种共有17种, 其中硅藻门仅有3种, 绿藻门8种, 蓝藻门6种。梅尼小环藻(Cyclotella meneghiniana)、假鱼腥藻属(Pseudanabaena sp.)和小球藻(Chlorella vulgaris)作为优势种出现最多, 12次调查中出现9次, 其中小球藻从2015年5月份开始连续9个月为优势种, 四尾栅藻(Scenedesmus quadricauda)作为优势种出现8次(表 1)。

2.4 浮游植物种类多样性指数及综合营养状态指数

全年各站点Margalef物种丰富度指数范围在0.65—3.14之间, 呈现单峰型变化；Shannon物种多样性指数范围在0.63—3.30之间, 均值在2.36—2.86之间波动；Pielou均匀度指数范围在0.20—0.95, 均值在0.77—0.92之间波动(图 4)。Shannon物种多样性指数和Pielou均匀度指数显著正相关(r=0.971, P < 0.01)。

采用Chl. a、TP、TN、SD作为水体综合营养状态评价指标, 计算得到综合营养状态指数(图 4), 对调查区域水质进行富营养化评价。全年大多数月份, TLI(∑)>50表明各条河涌处于富营养状态。在4月, 除S2和S6外, 其余河涌TLI(∑)>70, 为重度富营养。

2.5 浮游植物群落聚类分析

对南沙河涌浮游植物种类丰度进行时间聚类分析, 在相似水平为0.22时, 结果明显可分为3类, 第一类为2016年1月、2月和2015年11月、12月, 第二类为2015年5月、6月、7月、8月、9月和10月, 最后一类为2015年3月和4月；空间上相似性较高, 在相似水平0.46时, 可将8个采样站点分为4类, 第一类为S14和S19, 第二类为S21、S6、S12和S16, 第三类为S2, 第四类为S8, 其中S2和S14相似性最低(图 5)。

2.6 浮游植物与环境因子的关系

以水温、总氮、透明度、溶氧、叶绿素a、pH、总磷和盐度8个环境因子, 对广州南沙河涌浮游植物主要优势种和常见种进行去趋势分析(DCA), 排序结果显示四个轴最大长度为2.179, 表明数据进一步分析应该采用基于线性模型的冗余分析(RDA)。数据分析显示, RDA排序第一轴和第二轴特征值分别为0.135和0.089, 种类和环境相关性为0.827和0.754, 表明排序轴可较好的反映浮游植物优势种和环境因子之间的关系(表 2)。环境因子与RDA分析轴之间的相关性表明, 水温、盐度和总氮显著影响物种变量分布, 叶绿素a、溶氧、pH和透明度也在一定程度上影响物种变量分布(表 3)。

3 讨论 3.1 南沙河涌浮游植物群落分布特征

由于存在地域和水体类型差异, 不同河流生态系统浮游植物群落的组成和动态存在较大差异^[17-18]。近年来对内陆河流进行研究发现^[19-21], 绿藻和硅藻作为主要优势类群, 不仅是在数量上占优势, 且种类上也有明显优势。调查珠江广州河段发现浮游植物127种, 细胞丰度在0.15 ×10⁶个/L—28.81 ×10⁶个/L, 主要以假鱼腥藻和颗粒直链藻为优势种, 存在明显的季节交替^[22]。对珠三角河网水域的调查共发现浮游植物383种^[23]。目前研究认为, 硅藻为贫营养型水体的优势种, 绿藻为中营养型水体的优势种, 而蓝藻为富营养型水体的优势种^[24]。本研究调查共发现浮游植物164种(属), 主要以绿藻和硅藻为优势种, 属绿藻-硅藻型, 多样性指数和富营养状态指数评价发现水体呈现中污-富营养的状态。珠江口南沙河涌浮游植物种类数呈现单峰模式, 在7月至11月种类数最多, 表现出高温季节高, 低温季节低的特点。对Ganges江调查发现夏季的浮游植物种类从之前的37种增加到82种, 这与夏季水温升高和高光照有直接关系^[25]。调查期间, 在2015年4月份发生绿藻门拟菱形弓形藻水华, 硅藻门梅尼小环藻是全年大多数月份的优势种。小球藻和假鱼腥藻属作为优势种, 经常出现在养殖池塘、水库、湖泊等相对封闭静止水体中^[26-29], 在河流中出现仅有个别报道^[30], 可能是由于调查河涌水体富营养化严重所致。

浮游植物细胞丰度呈现单峰型, 调查区域处于亚热带地区, 冬季水温较低不利于浮游植物繁殖, 进入春季气温迅速回升, 降雨增多, 上游带来大量藻种和营养盐, 适宜的水温促使浮游植物迅速繁殖爆发, 从而形成水华, 达到峰值。不同门类的藻类对环境的适应性是不同的, 当周围生存环境发生变化时, 能适应该生存条件的种类迅速繁殖, 成为优势类群。PEG模型中浮游植物群落的季节演替大概过程是：从冬春季的隐藻和硅藻转变为夏季的绿藻, 到夏末秋初则以蓝藻占优势；随着秋季的到来, 硅藻的重要性再次上升^[31]。本研究基本符合PEG模型, 冬季硅藻占优势, 春夏季绿藻占优势, 秋季蓝藻占优势。由于夏季时间长, 春秋季节时间短, 绿藻占优势时间久, 主导着浮游植物细胞丰度的变化。相关性分析也表明, 绿藻门细胞丰度增加可以促使细胞丰度大量增加, 而硅藻门和蓝藻门细胞丰度增幅较小。

3.2 浮游植物群落聚类分析

浮游植物时间聚类分析表现出相邻月份浮游植物群落相似性较高的现象。2015年3月和4月调查区域发生拟菱形弓形藻水华, 水华种占绝对优势, 主导着浮游植物群落结构的组成, 导致两个月浮游植物群落结构相似。2015年5月至9月, 浮游植物群落结构相似, 以梅尼小环藻、小球藻和假鱼腥藻为主要优势种, 调查区域浮游植物细胞丰度平均值为1.33 ×10⁶个/L, 且水温都在20 ℃以上(图 2), 处于波峰位置, 适合浮游植物生长。2015年11月至2016年2月, 浮游植物优势种类相似, 可能是由于温度较低, 导致浮游植物细胞丰度低, 平均值仅为0.49 ×10⁶个/L, 从而出现四个月浮游植物群落结构相似的现象。有研究报道, 水温是影响浮游植物种类组成及多样性的关键因子, 随着水温的升高, 大量浮游植物得以快速生长和繁殖, 水温降到浮游植物的最适温度以下时, 浮游植物的生长逐渐减缓直至停止生长^[32]。

由于各采样点所处的地理位置和生境不同, 因此各样点中浮游植物的种类数、组成以及细胞密度表现出一定的空间差异。有研究认为人类活动对浮游植物的数量分布特征和群落结构有重要影响^[33]。浮游植物空间聚类表明, 站点S14和S19浮游植物群落结构相似, 两站点受人为活动影响尤为严重, 站点14紧挨水产市场, 岸边停放大量渔船, 堆放大量死鱼、死虾、贝类等, 严重影响河涌水质环境, 站点S19为南沙渔人码头, 两站点环境较为相似。S6、S12、S16和S21站点人为活动较为频繁, 与S14和S19站点有所区别, 主要受生活污水排放影响。站点S2和S8处于不同环境, 相对于其他站点受污染较小, S2位于建筑工地旁, 且离河口最远, 周围未发现污染源, 站点S8虽位于小餐馆旁, 但排污口位于站点下游。其中站点S2与S14浮游植物群落相似性最低, 可能是由于水环境有较大差别。调查区域穿过城市居民区且地理位置相差不远, 河涌全年呈现出富营养化状态, 浮游植物群落结构整体上有一定的相似性。

3.3 环境因子对南沙河涌浮游植物的影响

温度、营养盐、光照强度和水动力学是影响浮游植物生长的主要环境因子, 同样也影响着浮游植物的分布^[34], 其他物理、化学和生物因子也能够通过特定的方式和过程影响水温和营养盐, 从而进一步影响浮游植物群落在水体中的分布^[35]。

RDA分析中, 与轴1呈显著相关性的是温度、溶氧、盐度和pH, 影响着轴1方向的物种变化；与轴2呈显著相关性是温度和叶绿素a, 主导着轴2方向上的物种变化(图 6)。梅尼小环藻、巨颤藻、假鱼腥藻、膨胀色球藻和四足十字藻与水温呈正相关, 其密度受水温影响较大。研究发现, 假鱼腥藻与水温呈正相关, 一般在夏秋季大量出现^[36]。梅尼小环藻、变异直链藻和颗粒直链藻极狭变种与pH呈显著相关性, 研究地区pH范围为6.63—8.50, 均值为7.94, 水体呈现碱性(图 2), 有研究报道, 硅藻门浮游植物受pH影响较大, 直链藻适合碱性环境生长^[37], 与本研究结果一致(图 6)。透明度和水温成为影响浮游植物功能群分布的关键因子^[38]。透明度会直接影响浮游植物和其他水生生物的生存, 随着透明度的增加, 丰度和生物量逐渐减小^[39]。水温与所选多数浮游植物呈正相关, 浮游植物的生长需要在一定的光照和温度下进行, 温度也是影响浮游植物生长最直接的环境因子, 不同种类的浮游植物适宜生长的温度不同。对Mahanadi江浮游植物的研究表明, 对种群影响最大的环境因子是水温, 浮游植物种类数与温度和光照强度有直接关系^[40]。河口盐度对浮游植物分布有重要影响, 是影响黄河口浮游植物空间变化的关键环境因子, 甲藻、蓝藻与绿藻群落受盐度变化的影响程度明显大于硅藻群落^[41]。拟菱形弓形藻与盐度和总氮呈显著正相关, 与温度呈正相关, 表明盐度、温度和总氮可能是其形成水华的关键因子。总氮、总磷的增加促进拟菱形弓形藻迅速生长, 同时拟菱形弓形藻大量增殖大大增加了水体中总氮和总磷的含量。叶绿素a与所选绝大多数浮游植物均呈现正相关, 表明所选浮游植物能较好反映南沙河涌浮游植物群落变化。

4 结论

(1) 珠江口广州南沙河涌全年调查期间观察到浮游植物共计164种(属), 隶属于7门73属, 主要是绿藻、硅藻和蓝藻三个门类, 属于绿藻-硅藻水体；梅尼小环藻、假鱼腥藻属和小球藻作为优势种出现最多, 12次调查中出现9次；浮游植物密度最高出现在2015年4月, 14涌密度高达101.34 ×10⁶个/L, 发生拟菱形弓形藻水华, 2016年2月份最低, 可能是水温较低的原因；浮游植物群落的季节演替基本符合PEG模型, 从冬季的硅藻, 到春夏季的绿藻, 再到秋季的蓝藻；相关性分析表明绿藻细胞丰度变化主导着浮游植物总丰度的变化。

(2) 聚类分析表明, 浮游植物时间聚类分析表现出相邻月份浮游植物群落相似性较高的现象, 可分为3类, 水温是关键因子；空间聚类分析显示, 人为活动对浮游植物的数量分布特征和群落结构有重要影响。

(3) 冗余分析显示, 叶绿素a、溶解氧、盐度、水温、总氮和pH与浮游植物群落结构关系最为密切。春季水华形成的关键因子是盐度、温度和总氮。

致谢: 罗洪添、梁迪文、武宇辉、龙艾虹和张依帮助采样和水质测定, 刘之威和陆欣鑫帮助鉴定和数据分析。特此致谢。