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基于环境因子和浮游植物的珠三角河网水质评价

李鑫 赖子尼 杨婉玲 王超

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基于环境因子和浮游植物的珠三角河网水质评价

    作者简介: 李 鑫(1992—),男,硕士研究生,从事浮游植物生态学研究。E-mail: 15093795192@163.com;
    通讯作者: 王超, Chaowang80@163.com
  • 中图分类号: X 522

Water quality evaluation of Pearl River Delta based on environmental factors and phytoplankton

    Corresponding author: Chao WANG, Chaowang80@163.com
  • CLC number: X 522

  • 摘要: 为了从常用的水质评价方法中筛选出适合珠三角河网的方法,该研究对2015年珠三角河网的水环境因子和浮游植物数据进行了初步的评价分析。运用自组织映射模型 (SOM) 从6种浮游植物评价指数中筛选出香农指数、均匀度指数、丰富度指数和生物量指数4种相似性高的指数,将上述指数和环境因子的水质评价结果进行对比分析。结果显示,基于溶解氧和氨氮的水质评价结果可以较好地反映城市周边与其他区域的空间差异,而总氮和总磷不适用于研究水域的水质等级评价;基于香农指数和生物量指数的水质评价结果可以较好地反映出城市周边与其他区域的差异,均匀度指数和丰富度指数不适用于研究水域的水质等级评价。除总氮、总磷外,其他环境因子和4种浮游植物指数的评价结果均反映为研究水域水质整体良好,城市周边站位水质略差。研究表明,溶解氧、氨氮、香农指数、生物量指数是适合研究水域水质等级评价的环境因子和浮游植物评价指数。
  • 图 1  站位布设图

    Figure 1.  Map of sampling sites

    图 2  基于浮游植物指数的SOM结果

    Figure 2.  SOM results based on phytoplankton indices

    表 1  基于不同浮游植物指数的水质等级划分标准

    Table 1.  Standard for water quality levels based on different phytoplankton indices

    多样性
    指数
    H
    水质等级
    grade
    均匀度
    指数
    J
    水质等级
    grade
    丰富度
    指数
    d
    水质等级
    grade
    辛普森
    指数
    D
    水质等级
    grade
    生物量
    biomass
    水质等级
    grade
    种群质量指数
    QG
    水质等级
    grade
    0~1 0~0.3 0~1 0~1 ≥10 <16
    1~2 0.3~0.4 1~2 1~2 7~10 16~30
    2~3 0.4~0.5 2~3 2~3 3~7 31~45
    3~4 0.5~0.8 3~6 3~6 0.1~3 46~60
    4~6 0.8~1.0 >6 >6 ≤0.1, >60
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    表 2  枯水期调查站位的理化环境特征

    Table 2.  Physical and chemical environmental characteristics of sampling sites in dry season

    采样点
    site
    pH 温度/℃
    temperature
    光照强度/lx
    light intension
    透明度/cm
    transparency
    ρ(溶解氧)/mg·L−1
    dissolved oxygen
    ρ(总磷)/mg·L−1
    total phosphorus
    ρ(总氮)/mg·L−1
    total nitrogen
    ρ(氨氮)/mg·L−1
    ammonia nitrogen
    封开 FK 7.6±0.2 17.9±1.1 344±72.9 93±1.08 7.8±0.19 0.13±0.07 1.97±0.28 0.12±0.04
    德庆 DQ 7.8±0.2 18.4±0.3 2 025±407.3 105±0.34 7.9±0.72 0.10±0.06 2.04±0.21 0.10±0.03
    肇庆 ZQ 7.6±0.3 17.9±1.0 1 955±637.5 70±1.00 8.4±0.08 0.13±0.07 2.03±0.14 0.12±0.06
    青岐 QQ 8.0±0.4 18.1±1.2 7 099±6433.1 60±1.18 7.8±0.04 0.22±0.1 2.56±0.08 0.24±0.14
    左滩 ZT 7.9±0.0 19.6±2.7 1 649±296.4 65±2.68 7.8±0.51 0.13±0.06 2.04±0.13 0.13±0.04
    外海 WH 8.4±0.3 20.2±2.9 2 729±1621.1 95±2.86 8.2±0.41 0.18±0.09 2.02±0.03 0.10±0.01
    新围 XW 7.5±0.0 19.7±0.6 3 873±1032.5 90±0.63 7.0±0.01 0.10±0.00 2.03±0.08 0.12±0.00
    小榄 XL 8.1±0.0 20.4±1.4 1 661±1544.0 93±1.35 8.5±0.50 0.07±0.02 1.83±0.01 0.09±0.03
    小塘 XT 7.8±0.1 18.1±2.0 12 897±11952.8 90±1.99 7.8±0.25 0.09±0.01 2.28±0.25 0.11±0.01
    北滘 BJ 7.6±0.2 21.6±0.3 941±815.5 70±0.31 7.5±1.23 0.28±0.08 5.03±0.91 0.07±0.01
    榄核 LH 7.8±0.3 20.0±2.1 1 413±5.9 65±2.06 7.7±0.52 0.21±0.11 2.90±0.74 0.20±0.11
    横沥 HL 7.9±0.1 20.3±2.6 523±169.4 58±2.60 7.2±0.67 0.07±0.01 1.96±0.07 0.16±0.06
    陈村 CC 7.7±0.1 20.6±1.5 1 953±342.5 50±1.52 7.5±1.11 0.26±0.14 4.47±1.65 0.28±0.18
    市桥 SQ 7.8±0.0 19.6±1.8 2 228±150.0 55±1.84 6.6±0.33 0.10±0.05 2.51±0.33 0.15±0.3
    莲花山 LHS 7.5±0.1 20.8±1.7 1 252±485.3 33±1.69 5.0±0.15 0.12±0.05 4.79±0.03 0.26±0.13
    珠江桥 ZJQ 7.3±0.0 22.3±0.8 431±231.1 20±0.78 1.0±1.1 0.49±0.10 9.04±0.58 2.02±0.06
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    表 3  丰水期调查站位的理化环境特征

    Table 3.  Physical and chemical environmental characteristics of sampling sites in wet season

    采样点
    site
    pH 温度/℃
    temperature
    光照强度/lx
    light intension
    透明度/cm
    transparency
    ρ(溶解氧)/mg·L−1
    dissolved oxygen
    ρ(总磷)/mg·L−1
    total phosphorus
    ρ(总氮)/mg·L−1
    total nitrogen
    ρ(氨氮)/mg·L−1
    ammonia nitrogen
    封开 FK 8.2±0.2 28.2±1.4 7 803±1 005.0 28±2.5 6.9±0.05 0.13±0.07 1.97±0.01 0.02±0.01
    德庆 DQ 8.2±0.1 27.0±0.5 1 512±1 163.1 23±2.5 6.9±0.05 0.10±0.06 2.04±0.02 0.02±0.01
    肇庆 ZQ 8.0±0.1 28.2±0.3 8 694±5 101.03 39±9.0 6.7±0.15 0.13±0.07 2.03±0.01 0.03±0.01
    青岐 QQ 8.0±0.0 29.1±0.3 9 167±7 897.9 30±0.0 6.1±0.60 0.22±0.1 2.56±0.01 0.03±0.01
    左滩 ZT 7.7±0.4 30.0±0.4 12 505±597.5 63±17.5 6.8±0.65 0.13±0.06 2.04±0.02 0.03±0.01
    外海 WH 8.0±0.4 29.0±0.3 9 127±8 693.0 60±20.0 6.9±0.65 0.18±0.09 2.02±0.01 0.04±0.04
    新围 XW 7.8±0.5 29.3±1.7 13 624±1 123.8 43±12.5 6.2±0.20 0.10±0.00 2.03±0.01 0.06±0.05
    小榄 XL 7.9±0.6 29.9±1.0 7 324±2 593.8 38±12.5 6.7±0.20 0.07±0.02 1.83±0.09 0.09±0.03
    小塘 XT 8.0±0.2 29.9±1.3 8 491±3 351.3 43±22.5 5.7±0.35 0.09±0.01 2.28±0.02 0.10±0.02
    北滘 BJ 7.5±0.5 29.5±1.2 5 621±3 711.3 50±5.0 6.0±0.45 0.28±0.08 5.03±0.01 0.05±0.04
    榄核 LH 7.6±0.4 28.7±1.1 9 756±4 858.8 40±10.0 6.0±0.15 0.21±0.11 2.90±0.00 0.09±0.05
    横沥 HL 7.8±0.2 28.7±1.0 7 326±4 086.3 30±0.0 6.1±0.05 0.07±0.01 1.96±0.01 0.08±0.01
    陈村 CC 7.4±0.2 29.2±8.0 4 741±2 304.1 43±17.5 5.2±0.10 0.26±0.14 4.47±0.03 0.09±0.02
    市桥 SQ 7.8±0.2 28.3±0.6 8 976±2 038.8 27±1.5 5.4±0.25 0.10±0.05 2.51±0.02 0.14±0.09
    莲花山 LHS 7.9±0.4 29.7±1.1 3 531±2 311.9 25±7.0 4.6±1.25 0.12±0.05 4.79±0.03 0.08±0.05
    珠江桥 ZJQ 7.3±0.2 29.5±0.2 2 410±1 849.9 33±12.5 2.9±2.60 0.49±0.10 9.04±0.04 1.81±0.28
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    表 4  4种环境因子的水质等级结果

    Table 4.  Water quality levels based on four environmental factors

    类群
    cluster
    指标
    index
    季节
    season
    数值/mg·L−1
    value
    等级
    grade
    类群1
    Cluster 1
    溶解氧 DO 枯水期 7.83
    丰水期 6.61
    总磷 TP 枯水期 0.14
    丰水期 0.05
    总氮 TN 枯水期 2.91 劣Ⅴ
    丰水期 1.88
    氨氮 $ {\rm{NH}}_4^ + $-N 枯水期 0.13
    丰水期 0.03
    类群2
    Cluster 2
    溶解氧 DO 枯水期 7.52
    丰水期 5.83
    总磷 TP 枯水期 0.31
    丰水期 0.15
    总氮 TN 枯水期 3.00 劣Ⅴ
    丰水期 2.02 劣Ⅴ
    氨氮 $ {\rm{NH}}_4^ + $-N 枯水期 0.15
    丰水期 0.09
    类群3
    Cluster 3
    溶解氧 DO 枯水期 5.98
    丰水期 3.75
    总磷 TP 枯水期 0.30
    丰水期 0.17
    总氮 TN 枯水期 6.91 劣Ⅴ
    丰水期 4.15 劣Ⅴ
    氨氮 $ {\rm{NH}}_4^ + $-N 枯水期 1.14
    丰水期 0.95
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    表 5  基于4种浮游植物指数的水质评价结果

    Table 5.  Water quality levels based on four phytoplankton indices

    类群
    cluster
    指数
    index
    季节
    season
    数值
    value
    等级
    grade
    类群1
    Cluster 1
    香农多样性指数 枯水期 2.77
    丰水期 3.09
    均匀度指数 枯水期 0.79
    丰水期 0.77
    丰富度指数 枯水期 3.23
    丰水期 4.41
    生物量指数 枯水期 0.16
    丰水期 0.31
    类群2
    Cluster 2
    香农多样性指数 枯水期 2.76
    丰水期 2.78
    均匀度指数 枯水期 0.71
    丰水期 0.68
    丰富度指数 枯水期 4.18
    丰水期 4.67
    生物量指数 枯水期 0.45
    丰水期 0.49
    类群3
    Cluster 3
    香农多样性指数 枯水期 1.96
    丰水期 2.47
    均匀度指数 枯水期 0.47
    丰水期 0.55
    丰富度指数 枯水期 4.81
    丰水期 6.01
    生物量指数 枯水期 5.22
    丰水期 5.23
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    表 6  珠三角河网各指标相关性矩阵

    Table 6.  Relevance matrix of indicators in Pearl River Delta network

    指数
    index
    香农指数
    H
    均匀度指数
    J
    丰富度指数
    d
    生物量指数
    biomass
    溶解氧
    DO
    总磷
    TP
    总氮
    TN
    氨氮
    $ {\rm{NH}}_4^ + $-N
    香浓指数 H 1
    均匀度指数 J 0.909** 1
    丰富度指数 d 0.385** 0.099 1
    生物量指数 biomass −0.199 −0.309* 0.346** 1
    溶解氧 DO 0.113 0.267* −0.482** −0.700** 1
    总磷 TP −0.004 −0.065 0.196 0.530** −0.287* 1
    总氮 TN −0.69 −0.165 0.316* 0.673** −0.581** 0.818** 1
    氨氮 $ {\rm{NH}}_4^ + $-N −0.080 −0.175 0.291* 0.736** −0.698** 0.609** 0.768** 1
    注:**. P<0.01 水平上极显著相关;*. P<0.05水平上显著相关 Note: **. very significant correlation (P<0.01); *. significant correlation (P<0.05)
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-01-16
  • 录用日期:  2019-05-04
  • 网络出版日期:  2019-06-05
  • 刊出日期:  2019-10-01

基于环境因子和浮游植物的珠三角河网水质评价

    作者简介:李 鑫(1992—),男,硕士研究生,从事浮游植物生态学研究。E-mail: 15093795192@163.com
    通讯作者: 王超, Chaowang80@163.com
  • 1. 中国水产科学研究院珠江水产研究所,广东 广州 510380
  • 2. 上海海洋大学水产与生命学院,上海 201306

摘要: 为了从常用的水质评价方法中筛选出适合珠三角河网的方法,该研究对2015年珠三角河网的水环境因子和浮游植物数据进行了初步的评价分析。运用自组织映射模型 (SOM) 从6种浮游植物评价指数中筛选出香农指数、均匀度指数、丰富度指数和生物量指数4种相似性高的指数,将上述指数和环境因子的水质评价结果进行对比分析。结果显示,基于溶解氧和氨氮的水质评价结果可以较好地反映城市周边与其他区域的空间差异,而总氮和总磷不适用于研究水域的水质等级评价;基于香农指数和生物量指数的水质评价结果可以较好地反映出城市周边与其他区域的差异,均匀度指数和丰富度指数不适用于研究水域的水质等级评价。除总氮、总磷外,其他环境因子和4种浮游植物指数的评价结果均反映为研究水域水质整体良好,城市周边站位水质略差。研究表明,溶解氧、氨氮、香农指数、生物量指数是适合研究水域水质等级评价的环境因子和浮游植物评价指数。

English Abstract

  • 珠江是典型的亚热带河流,全长2 400 km,径流量位居全国第二。珠江三角洲是珠江流入南海的必经之地。随着社会经济的发展,工业和生活用水排放日益加剧,导致该水域环境状况不断恶化[1-2]。目前,关于珠三角河网水质评价方面的研究通常基于环境因子。例如,基于表层水体中的化学需氧量[3]和沉积物中砷(As)的质量浓度[4]进行水环境评估、表层沉积物中有机氮和总氮的分布状况[5]以及浮游植物初级生产力的研究[6]。然而,基于浮游植物评价珠三角河网水环境质量的研究尚少,但在其他流域已有部分报道,如詹玉涛和范正华[7]通过釜溪河浮游植物群落变化进行水质评价,郭沛涌和林育真[8]通过东平湖浮游植物不同污染带的分布特征进行水质评价,彭凯等[9]通过苏北骆马湖浮游植物的群落结构变化进行水质评价。

    浮游植物是自然水体中的初级生产者和食物链的基础环节[10],因其对水环境变化非常敏感[11-12],常被用作水环境评价和预警的良好指示生物[13-14]。基于浮游植物进行水质评价始于20世纪初,德国学者首次提出利用藻类评价水质污染的方法,并根据水体污染程度进行等级划分[15]。此后,各国学者也相继提出基于浮游植物的不同水质评价方法,其中不乏将其他研究领域的方法应用到浮游植物水质评价中的。例如,Shannon和Weaver[16]提出的生物多样性指数法在浮游植物水质评价中取得了良好的效果。Pielou[17]在生物多样性指数法的基础上提出了均匀度指数法,对前者起到了补充完善作用。我国在利用微藻评价水质方面起步较晚,且主要参照国外的评价方法。20世纪70年代,我国开始对各种水体环境进行浮游植物生态学调查与水质评价。进入21世纪,水质评价方法的多样性有了极大的提高,一些方法如香农指数、物种丰富度指数等已经得到了广泛的认可和应用。然而,个别水质评价方法仍存在一定局限性。例如,硅藻指数(GI)仅适用于热带、亚热带,有明显的地域限制,而生物硅藻指数(BDI)的鉴定又太过复杂[18-20]。随着水质评价方法的增多,研究人员开始从多种评价方法中筛选出适合特定研究水域的最佳方法。例如程军明等[21]对卫河的水质评价研究中得出,香农指数法更适合该水域的水质评价;朱为菊等[22]则发现,淮河流域的水环境质量评价更适于使用浮游植物群落多样性指数。近年来,欧洲盛行的硅藻指数法开始在国内得到应用。邓培雁等[23]研究发现,东江流域的水质评价更适宜使用BDI和硅藻属指数(IDG)。薛浩等[24]研究发现,硅藻耐受指数(PTI)和BDI在梧桐河水质评价中的效果最好。

    本研究基于4种环境因子和6种浮游植物水质评价方法,对2015年珠三角河网的水环境质量状况做出初步评价分析,从中筛选出适合研究水域的评价方法,旨在为该水域的水环境保护工作提供科学依据。

    • 珠江中下游布设16个站位,覆盖了西江下游和珠三角河网水域(图1)。采样时采用GPS全球卫星定位系统进行定位。调查时间分别为2015年的3月、6月、9月和12月,其中3月和12月代表枯水季节,6月和9月代表丰水季节,每季度的采样均在一周内完成。

      图  1  站位布设图

      Figure 1.  Map of sampling sites

    • 环境因子包括水温、盐度、pH和溶解氧等,使用便携式水质分析仪(YSI6600−02,USA)进行现场测定,透明度用透明度盘测定,河宽用测距仪(Multifuction Laser Ranger Finde)测定。另取表层水(0.5 m) 500 mL,现场过滤后置入带冰块的冷藏箱中运回实验室,用水质流动注射分析仪(SKALAR,荷兰)对高锰酸盐指数和营养盐(总磷、总氮、和氨氮)进行测定。

    • 取表层水1 L于聚乙烯瓶中,立即用鲁格氏液固定,使其最终浓度为15%,每个站位采集浮游植物定量样本和定性样本各1个。水样运回实验室后,立即移入标记刻度1 000 mL玻璃量筒内,加盖静置24 h后,用管口包裹筛绢的虹吸管或吸管小心吸去上清液,如此反复多次,直至将水样浓缩至30~l00 mL。分析时取均匀样品1 mL注入Sedgewick−Rafte浮游植物计数框中,在Zeiss Axio Observer A1光学倒置显微镜下进行浮游植物的种类鉴定和计数。

    • 运用自组织映射模型(SOM),分别基于6种浮游植物指数空间分布的相似性,分析研究水域的空间分布格局。依据Vesanto提出的方法确定本文自组织图谱的输出层由20 (5×4)个神经元组成。

    • 采用香农多样性指数(Shannon−Wiener diversity index,H′)[25]、均匀度指数(Pielou evenness index,J′)[26]、丰富度指数(Margalef richness index,d)[27]、辛普森指数(Simpson diversity index,D)[28]、生物量指数(biomass index)[29]、种群质量指数(quality group species index,QG)[30] 6种水质评价方法进行水质类型评价及等级划分,计算公式如下:

      $ H' = - \sum\limits_{i = 1}^{{s}} {{P_i}\ln {P_i}} $

      $ J' = \frac{{H'}}{{\ln S}} $

      $ d = \frac{{S - 1}}{{\ln S}} $

      $ D = \displaystyle\frac{{N\left( {N - 1} \right)}}{{\displaystyle\sum\limits_{i = 1}^S {{n_i}\left( {{n_i} - 1} \right)} }} $

      $ {\rm{QG}} = \text{金藻} \times 5 + \text{带藻} \times 2 + \text{鞭毛藻} + \text{隐藻} + \text{硅藻} $

      生物量指数根据浮游植物定量样品生物量进行计算,评价标准为浮游植物生物量<0.1 mg·L−1 为清洁型;0.1~3 mg·L−1为寡污型;3~7 mg·L−1为β-中污型;7~10 mg·L−1为α-中污;>10 mg·L−1为多污型。

      上述公式中S为浮游植物种类数;Pi=ni/NN 为同一样品中所有的生物细胞总数;ni为第i种生物的细胞数,金藻等各个藻类表示每个藻类的种类数。各项指数评价标准及等级划分见表1

      多样性
      指数
      H
      水质等级
      grade
      均匀度
      指数
      J
      水质等级
      grade
      丰富度
      指数
      d
      水质等级
      grade
      辛普森
      指数
      D
      水质等级
      grade
      生物量
      biomass
      水质等级
      grade
      种群质量指数
      QG
      水质等级
      grade
      0~1 0~0.3 0~1 0~1 ≥10 <16
      1~2 0.3~0.4 1~2 1~2 7~10 16~30
      2~3 0.4~0.5 2~3 2~3 3~7 31~45
      3~4 0.5~0.8 3~6 3~6 0.1~3 46~60
      4~6 0.8~1.0 >6 >6 ≤0.1, >60

      表 1  基于不同浮游植物指数的水质等级划分标准

      Table 1.  Standard for water quality levels based on different phytoplankton indices

    • 采用IBM SPSS Statistics 22.0进行浮游植物指数与环境因子的相关性分析。

    • 2015年珠三角河网环境因子季节变化特征显示(表2表3),pH无明显季节差异,整体呈中性或弱碱性;丰水期的水下光照强度明显高于枯水期;枯水期的透明度明显高于丰水期;枯水期的溶解氧普遍高于丰水期;营养盐浓度普遍为枯水期高于丰水期。在空间分布格局上,pH未呈现明显规律,水温在枯水期的空间差异大于丰水期;水下光照强度的空间分布未呈现明显规律,主要受采样当天时间段的影响;透明度在枯水期的空间差异明显大于丰水期;溶解氧的空间分布格局基本呈现沿西江沿线站位、珠三角河网中部、广州周边递减的趋势,枯水期的空间差异大于丰水期;营养盐最大值出现在珠江桥,枯水期的空间差异明显大于丰水期。

      采样点
      site
      pH 温度/℃
      temperature
      光照强度/lx
      light intension
      透明度/cm
      transparency
      ρ(溶解氧)/mg·L−1
      dissolved oxygen
      ρ(总磷)/mg·L−1
      total phosphorus
      ρ(总氮)/mg·L−1
      total nitrogen
      ρ(氨氮)/mg·L−1
      ammonia nitrogen
      封开 FK 7.6±0.2 17.9±1.1 344±72.9 93±1.08 7.8±0.19 0.13±0.07 1.97±0.28 0.12±0.04
      德庆 DQ 7.8±0.2 18.4±0.3 2 025±407.3 105±0.34 7.9±0.72 0.10±0.06 2.04±0.21 0.10±0.03
      肇庆 ZQ 7.6±0.3 17.9±1.0 1 955±637.5 70±1.00 8.4±0.08 0.13±0.07 2.03±0.14 0.12±0.06
      青岐 QQ 8.0±0.4 18.1±1.2 7 099±6433.1 60±1.18 7.8±0.04 0.22±0.1 2.56±0.08 0.24±0.14
      左滩 ZT 7.9±0.0 19.6±2.7 1 649±296.4 65±2.68 7.8±0.51 0.13±0.06 2.04±0.13 0.13±0.04
      外海 WH 8.4±0.3 20.2±2.9 2 729±1621.1 95±2.86 8.2±0.41 0.18±0.09 2.02±0.03 0.10±0.01
      新围 XW 7.5±0.0 19.7±0.6 3 873±1032.5 90±0.63 7.0±0.01 0.10±0.00 2.03±0.08 0.12±0.00
      小榄 XL 8.1±0.0 20.4±1.4 1 661±1544.0 93±1.35 8.5±0.50 0.07±0.02 1.83±0.01 0.09±0.03
      小塘 XT 7.8±0.1 18.1±2.0 12 897±11952.8 90±1.99 7.8±0.25 0.09±0.01 2.28±0.25 0.11±0.01
      北滘 BJ 7.6±0.2 21.6±0.3 941±815.5 70±0.31 7.5±1.23 0.28±0.08 5.03±0.91 0.07±0.01
      榄核 LH 7.8±0.3 20.0±2.1 1 413±5.9 65±2.06 7.7±0.52 0.21±0.11 2.90±0.74 0.20±0.11
      横沥 HL 7.9±0.1 20.3±2.6 523±169.4 58±2.60 7.2±0.67 0.07±0.01 1.96±0.07 0.16±0.06
      陈村 CC 7.7±0.1 20.6±1.5 1 953±342.5 50±1.52 7.5±1.11 0.26±0.14 4.47±1.65 0.28±0.18
      市桥 SQ 7.8±0.0 19.6±1.8 2 228±150.0 55±1.84 6.6±0.33 0.10±0.05 2.51±0.33 0.15±0.3
      莲花山 LHS 7.5±0.1 20.8±1.7 1 252±485.3 33±1.69 5.0±0.15 0.12±0.05 4.79±0.03 0.26±0.13
      珠江桥 ZJQ 7.3±0.0 22.3±0.8 431±231.1 20±0.78 1.0±1.1 0.49±0.10 9.04±0.58 2.02±0.06

      表 2  枯水期调查站位的理化环境特征

      Table 2.  Physical and chemical environmental characteristics of sampling sites in dry season

      采样点
      site
      pH 温度/℃
      temperature
      光照强度/lx
      light intension
      透明度/cm
      transparency
      ρ(溶解氧)/mg·L−1
      dissolved oxygen
      ρ(总磷)/mg·L−1
      total phosphorus
      ρ(总氮)/mg·L−1
      total nitrogen
      ρ(氨氮)/mg·L−1
      ammonia nitrogen
      封开 FK 8.2±0.2 28.2±1.4 7 803±1 005.0 28±2.5 6.9±0.05 0.13±0.07 1.97±0.01 0.02±0.01
      德庆 DQ 8.2±0.1 27.0±0.5 1 512±1 163.1 23±2.5 6.9±0.05 0.10±0.06 2.04±0.02 0.02±0.01
      肇庆 ZQ 8.0±0.1 28.2±0.3 8 694±5 101.03 39±9.0 6.7±0.15 0.13±0.07 2.03±0.01 0.03±0.01
      青岐 QQ 8.0±0.0 29.1±0.3 9 167±7 897.9 30±0.0 6.1±0.60 0.22±0.1 2.56±0.01 0.03±0.01
      左滩 ZT 7.7±0.4 30.0±0.4 12 505±597.5 63±17.5 6.8±0.65 0.13±0.06 2.04±0.02 0.03±0.01
      外海 WH 8.0±0.4 29.0±0.3 9 127±8 693.0 60±20.0 6.9±0.65 0.18±0.09 2.02±0.01 0.04±0.04
      新围 XW 7.8±0.5 29.3±1.7 13 624±1 123.8 43±12.5 6.2±0.20 0.10±0.00 2.03±0.01 0.06±0.05
      小榄 XL 7.9±0.6 29.9±1.0 7 324±2 593.8 38±12.5 6.7±0.20 0.07±0.02 1.83±0.09 0.09±0.03
      小塘 XT 8.0±0.2 29.9±1.3 8 491±3 351.3 43±22.5 5.7±0.35 0.09±0.01 2.28±0.02 0.10±0.02
      北滘 BJ 7.5±0.5 29.5±1.2 5 621±3 711.3 50±5.0 6.0±0.45 0.28±0.08 5.03±0.01 0.05±0.04
      榄核 LH 7.6±0.4 28.7±1.1 9 756±4 858.8 40±10.0 6.0±0.15 0.21±0.11 2.90±0.00 0.09±0.05
      横沥 HL 7.8±0.2 28.7±1.0 7 326±4 086.3 30±0.0 6.1±0.05 0.07±0.01 1.96±0.01 0.08±0.01
      陈村 CC 7.4±0.2 29.2±8.0 4 741±2 304.1 43±17.5 5.2±0.10 0.26±0.14 4.47±0.03 0.09±0.02
      市桥 SQ 7.8±0.2 28.3±0.6 8 976±2 038.8 27±1.5 5.4±0.25 0.10±0.05 2.51±0.02 0.14±0.09
      莲花山 LHS 7.9±0.4 29.7±1.1 3 531±2 311.9 25±7.0 4.6±1.25 0.12±0.05 4.79±0.03 0.08±0.05
      珠江桥 ZJQ 7.3±0.2 29.5±0.2 2 410±1 849.9 33±12.5 2.9±2.60 0.49±0.10 9.04±0.04 1.81±0.28

      表 3  丰水期调查站位的理化环境特征

      Table 3.  Physical and chemical environmental characteristics of sampling sites in wet season

    • 基于6种浮游植物指数的SOM结果显示,H′、J′、d和生物量指数呈现相似的空间分布格局,分为3个类群。其中类群1代表了西江沿线站位(封开、德庆、肇庆、青岐、左滩、外海、新围),类群2代表了珠三角河网中部站点(小榄、小塘、北滘、榄核、洪沥、陈村、市桥),类群3代表了邻近广州市周边的站位(莲花山、珠江桥)。另外两个指数的结果未呈现明显的空间分布规律(图2)。

      图  2  基于浮游植物指数的SOM结果

      Figure 2.  SOM results based on phytoplankton indices

    • 参照《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002),总氮在枯水期和丰水期来的水质等级均为劣Ⅴ类(表4);从类群上来看,各类群均为Ⅴ类或劣Ⅴ类。因此,基于总氮,珠三角河网水质均超标。总磷枯水期水质略差于丰水期,枯水期和丰水期的水质等级分别为Ⅴ类和Ⅳ类;从类群上来看,3个类群的水质均超标。氨氮枯水期和丰水期的水质均为Ⅱ类水;从3个类群来看,类群1和类群2水质情况良好,均为Ⅰ类水,类群3水质最差,为Ⅳ类水。溶解氧枯水期和丰水期的水质等级均为Ⅱ类水;从类群上来看,类群1溶解氧最高,水质等级为Ⅱ类水,类群3最低,水质等级为Ⅳ类水。

      类群
      cluster
      指标
      index
      季节
      season
      数值/mg·L−1
      value
      等级
      grade
      类群1
      Cluster 1
      溶解氧 DO 枯水期 7.83
      丰水期 6.61
      总磷 TP 枯水期 0.14
      丰水期 0.05
      总氮 TN 枯水期 2.91 劣Ⅴ
      丰水期 1.88
      氨氮 $ {\rm{NH}}_4^ + $-N 枯水期 0.13
      丰水期 0.03
      类群2
      Cluster 2
      溶解氧 DO 枯水期 7.52
      丰水期 5.83
      总磷 TP 枯水期 0.31
      丰水期 0.15
      总氮 TN 枯水期 3.00 劣Ⅴ
      丰水期 2.02 劣Ⅴ
      氨氮 $ {\rm{NH}}_4^ + $-N 枯水期 0.15
      丰水期 0.09
      类群3
      Cluster 3
      溶解氧 DO 枯水期 5.98
      丰水期 3.75
      总磷 TP 枯水期 0.30
      丰水期 0.17
      总氮 TN 枯水期 6.91 劣Ⅴ
      丰水期 4.15 劣Ⅴ
      氨氮 $ {\rm{NH}}_4^ + $-N 枯水期 1.14
      丰水期 0.95

      表 4  4种环境因子的水质等级结果

      Table 4.  Water quality levels based on four environmental factors

    • 对SOM得出的3个类群的水质等级结果进行分析(表5)。总体上浮游植物指数季节性差异并不明显,但存在一定的空间差异,类群1、类群2的水质评价结果优于类群3。在不同类群上,类群3表现出一定的季节性差异,即香浓多样性指数、均匀度指数和丰度度指数在枯水期均差于丰水期,生物量指数没有表现出明显的差异性。

      类群
      cluster
      指数
      index
      季节
      season
      数值
      value
      等级
      grade
      类群1
      Cluster 1
      香农多样性指数 枯水期 2.77
      丰水期 3.09
      均匀度指数 枯水期 0.79
      丰水期 0.77
      丰富度指数 枯水期 3.23
      丰水期 4.41
      生物量指数 枯水期 0.16
      丰水期 0.31
      类群2
      Cluster 2
      香农多样性指数 枯水期 2.76
      丰水期 2.78
      均匀度指数 枯水期 0.71
      丰水期 0.68
      丰富度指数 枯水期 4.18
      丰水期 4.67
      生物量指数 枯水期 0.45
      丰水期 0.49
      类群3
      Cluster 3
      香农多样性指数 枯水期 1.96
      丰水期 2.47
      均匀度指数 枯水期 0.47
      丰水期 0.55
      丰富度指数 枯水期 4.81
      丰水期 6.01
      生物量指数 枯水期 5.22
      丰水期 5.23

      表 5  基于4种浮游植物指数的水质评价结果

      Table 5.  Water quality levels based on four phytoplankton indices

    • 将4种浮游植物指数与环境因子进行关联性分析(表6)。生物量指数与大部分指标都呈现出一定的相关性,其中与总磷、氨氮、总氮呈极显著正相关(P<0.01),与溶解氧呈极显著负相关(P<0.01)。丰富度指数与氨氮、总氮呈显著正相关(P<0.05),与溶解氧呈极显著负相关(P<0.01)。均匀度与溶解氧呈显著正相关(P<0.05),与其他理化因子的关系不显著。

      指数
      index
      香农指数
      H
      均匀度指数
      J
      丰富度指数
      d
      生物量指数
      biomass
      溶解氧
      DO
      总磷
      TP
      总氮
      TN
      氨氮
      $ {\rm{NH}}_4^ + $-N
      香浓指数 H 1
      均匀度指数 J 0.909** 1
      丰富度指数 d 0.385** 0.099 1
      生物量指数 biomass −0.199 −0.309* 0.346** 1
      溶解氧 DO 0.113 0.267* −0.482** −0.700** 1
      总磷 TP −0.004 −0.065 0.196 0.530** −0.287* 1
      总氮 TN −0.69 −0.165 0.316* 0.673** −0.581** 0.818** 1
      氨氮 $ {\rm{NH}}_4^ + $-N −0.080 −0.175 0.291* 0.736** −0.698** 0.609** 0.768** 1
      注:**. P<0.01 水平上极显著相关;*. P<0.05水平上显著相关 Note: **. very significant correlation (P<0.01); *. significant correlation (P<0.05)

      表 6  珠三角河网各指标相关性矩阵

      Table 6.  Relevance matrix of indicators in Pearl River Delta network

    • 根据环境因子的水质评价结果,总氮和总磷均为Ⅴ类或劣Ⅴ类,几乎无时空分布差异。总氮和总磷严重超标已成为我国自然水体的普遍现状[31-32]。例如我国海河流域2009年的总氮、氨氮平均含量分别超过《地表水环境质量标准》Ⅴ类限值(2 mg·L−1)的4倍和2倍以上[33]。溶解氧的评价结果显示,枯水期的水质优于丰水期,空间差异仅体现在丰水期。任岩等[34]在新疆艾比湖流域的研究也发现,溶解氧在枯水期的评价结果(I类)优于丰水期的结果(Ⅳ类)。主要由于水温是水体中溶解氧浓度的主要调节指标[35];此外,高温条件下水中的富营养化物质也会大量耗氧[36]。因此,空间差异仅出现在温度较高的丰水期。氨氮评价结果显示,时空差异仅体现在城市周边站位。氨氮污染主要来源于农业污染、快速工业化和城市化带来的工业−生活污染[37-39]。C3位于广州市周边,人口密度大,受生产、生活废水影响大,导致水体氨氮的质量浓度明显高于C1、C2。张莺[40]对长江、汉江的研究也发现,城市周边的氨氮浓度明显高于其他调查点,且枯水期最高,与本文的结果一致。

      综上,基于溶解氧和氨氮的水质评价结果可以在一定程度上反映出研究区域因人类活动差异导致的水环境质量的空间分布差异,尤其是城市周边与其他区域的差异;而基于总氮和总磷的水质评价结果则不存在水质等级的空间变化。

    • 从浮游植物指数的水质评价结果看,4个指数反映的时空差异均较小。其中,均匀度指数和丰富度指数几乎无差异,香农指数和生物量指数主要体现在城市周边站位。浮游植物指数的水质等级评价结果集中在Ⅱ类和Ⅲ类,普遍较好。水资源公报显示,西江2015年降雨量比2014年上升20.7%,比常年上升24.3%。首先,降雨量上升导致径流量增大,对水体污染物有一定稀释作用;其次,径流对浮游植物群落的扰动,也会影响浮游植物指数的变化。Descy[41]在德国莫泽尔河的研究发现,浮游植物群落结构主要与流速变化和生物相互作用有关。浮游植物多样性指数、藻类综合指数等在湖泊、水库的水质评价中应用较多,在河流评价中应用较少。与湖泊水域相比,在河流水环境评价中,这些浮游植物指数表现出了不稳定性。此外,研究人员也发现,不同浮游植物指数的应用范围有限制[42],且不同指数的稳定性差异较大[43]

      综上,均匀度和丰富度指数的评价结果因无法体现出研究水域的水质差异,不适宜用于研究水域的水质等级评价;香农指数和生物量指数的水质评价结果可以较好地反映城市周边与其他区域的差异。

    • 从浮游植物指数与环境因子的关联性看,生物量指数与现有的4个环境因子的关联性最强,而香农指数与环境因子未呈现明显相关性(表5)。以往研究表明,浮游植物种群生物量与营养盐存在紧密的关联性[44]。张婷等[45]对湖北省熊河的研究发现,香农指数呈现明显的季节变化,这主要与物理因素的影响有关。陈红等[46]对灞河水域的研究也发现,香农指数与物理因子的变化规律相同。因此,我们筛选出的适宜珠三角河网水质评价的2个浮游植物指数和2个环境因子中,仅浮游植物生物量指数与环境因子存在明显的关联性。而香农指数可能与4个环境因子之外的其他物理因素有关。

      与总氮、总磷的水质评价结果相比,浮游植物指数的评价结果明显较好,且与溶解氧和氨氮的水质评价结果较为相似。有学者认为,香农指数与水体营养水平的相关性不明显[47]。国内学者发现,一些异质性高的采集点的浮游植物香农指数较高,且与其他指数相关性很差[48],这种现象说明多样性指数与水体环境质量之间关系复杂。李喆等[49]对黑龙江中游的水质评价结果显示,溶解氧、氨氮的水质评价结果与浮游植物的非常接近,这与本文结果一致。

    • 本研究尝试从水环境质量评价的常规环境因子和浮游植物指数中筛选出适合珠三角河网水质评价的因子和指数。结果表明,环境因子中的溶解氧和氨氮及浮游植物指数中的香农指数和生物量指数的评价结果可以较好地反映城市周边与其他区域的空间差异,适用于研究水域的水质评价。本文的研究思路和结论将为其他水域的水质评价提供参考依据。今后仍需引入多年度的数据资料验证本研究的相关结论,并增加浮游植物指数的筛选范围,获取新的评价方法。

参考文献 (49)

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