濟南地區(qū)夏季浮游植物群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子的關(guān)系

商書芹，郭偉，朱中竹，王博涵，賈麗，劉鵬

（1.濟南市水文局，山東 濟南 250014；2.大連海洋大學(xué)水產(chǎn)與生命學(xué)院，遼寧省水生生物學(xué)重點實驗室，遼寧 大連 116023；）

濟南地區(qū)夏季浮游植物群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子的關(guān)系

商書芹1，郭偉1，朱中竹1，王博涵2，賈麗1，劉鵬1

（1.濟南市水文局，山東 濟南 250014；2.大連海洋大學(xué)水產(chǎn)與生命學(xué)院，遼寧省水生生物學(xué)重點實驗室，遼寧 大連 116023；）

2014年和2015年夏季（8月）在濟南市區(qū)及周邊縣城選擇具有代表性的24個采樣點，野外調(diào)查濟南地區(qū)夏季浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征。結(jié)果表明：共鑒定出浮游植物6門113種，其中2014年6門89種，密度以藍(lán)藻門為主，平均密度為2.17×106cells/L；2015年游植物共6門85種，密度以藍(lán)藻門為主，平均密度為2.83×106cells/L。2014年浮游植物香農(nóng)威納指數(shù)平均值為2.49，均勻度指數(shù)平均值為0.57，2015年浮游植物香農(nóng)威納指數(shù)平均值為2.37，均勻度指數(shù)平均值為0.60。典范對應(yīng)分析結(jié)果顯示：pH和電導(dǎo)率分別是2014和2015年影響浮游植物群落的主要環(huán)境因子。綜合分析認(rèn)為，濟南地區(qū)水體呈中度污染。

濟南；浮游植物；環(huán)境因子

浮游植物是河流生態(tài)系統(tǒng)中重要的初級生產(chǎn)者[1,2]，對維持河流生態(tài)系統(tǒng)的平衡起著十分重要的作用。浮游植物對河流生態(tài)系統(tǒng)的能量流動和物質(zhì)循環(huán)起著同樣重要的作用[3,4]。浮游植物群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子之間有著十分密切的聯(lián)系，浮游植物的種類、密度、生物量及多樣性指數(shù)等群落結(jié)構(gòu)特征是評價水體質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)[5,6]。浮游植物對環(huán)境變化十分敏感，在水體環(huán)境監(jiān)測中起著同樣重要的作用[7,8]。近年來，人們廣泛應(yīng)用浮游植物群落結(jié)構(gòu)評價不同河流生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)狀況[9,10]。

近年來，人類活動對濟南地區(qū)生態(tài)環(huán)境的影響十分明顯，有關(guān)濟南地區(qū)水生生物群落的調(diào)查研究已有報道，而對濟南地區(qū)浮游植物群落結(jié)構(gòu)及其與水環(huán)境的關(guān)系研究較少。因此，本研究分析了2014年與2015年夏季濟南地區(qū)浮游植物的空間分布特征及其與水環(huán)境因子之間的關(guān)系，應(yīng)用浮游植物群落多樣性指數(shù)評價水質(zhì)狀況，以期為濟南地區(qū)河流生態(tài)環(huán)境的保護與治理提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 采樣點設(shè)置及樣品采集與處理

濟南是山東省省會，也是全國首個水生態(tài)文明建設(shè)試點城市，以泉水聞名于世，是全省政治、經(jīng)濟、文化、科技、教育和金融中心，素有“泉城”之美譽。濟南地形可分為三帶：北部臨黃帶，中部山前平原帶，南部丘陵山區(qū)帶。境內(nèi)主要山峰有長城嶺、跑馬嶺、梯子山、黑牛寨等。山地丘陵3 000多km2，平原5 000km2。最高海拔1 108.4m，最低海拔5m，南北高差1 100多m。濟南位處山東省中心地帶，在魯中南、低山丘陵與魯西北沖積平原之間為一平緩的單斜構(gòu)造，高差達(dá)500多m，地勢呈現(xiàn)南高北低，利于地表水和地下水向城區(qū)匯集。

濟南南部山區(qū)多為農(nóng)業(yè)用地，水流緩慢，部分地區(qū)有泥沙淤積，中部多為城鎮(zhèn)河道，水流速度慢，底質(zhì)多為砂石底，北部支流短，水流速較快，泥沙較少。2014年和2015年夏季（8月）對濟南地區(qū)進(jìn)行采樣調(diào)查。根據(jù)濟南地區(qū)地理特征、水質(zhì)狀況及污染源分布狀況，在濟南市區(qū)及周邊縣城選擇具有代表性的24個采樣點位（圖1和表1）。在各采樣點距水面1/2水深處取水樣2L，加10mL魯哥試液固定，實驗室靜置48h，濃縮至100mL，取0.1mL于浮游植物計數(shù)框內(nèi)，在400倍顯微鏡（OLYMPUS）下進(jìn)行浮游植物物種鑒定和計數(shù)[11]，物種鑒定參照相關(guān)文獻(xiàn)[12-14]。采取現(xiàn)場測定和實驗室測定相結(jié)合的方式測定水體理化指標(biāo)。

圖1 濟南采樣點位分布圖Fig.1 The sampling sites in Jinan Region

表1 濟南地區(qū)采樣點位分布Tab.1 The sampling sites in Jinan Region

1.2 水體理化性質(zhì)的測定

測定各采樣點位水體的pH、渾濁度（SS）、水溫（T）、電導(dǎo)率（Cond）、溶解氧（DO）含量；各點位采集2L水樣，低溫保存，48h內(nèi)送回實驗室根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方法測定鈣離子（Ca2+）、硬度（TD）、氨氮（NH3-N）、氯離子（Cl-）、堿度（ALK）、總氮（TN）、和高錳酸鉀指數(shù)（CODMn）[15]。

1.3 數(shù)據(jù)分析和處理

計算香農(nóng)威納指數(shù)（H'）、均勻度指數(shù)（J）來研究浮游植物多樣性。

式中：S為浮游植物的種類數(shù)；N為浮游植物的總密度，ni為第i種的密度，fi為第i種出現(xiàn)的頻率。

采用獨立樣本t檢驗分析2014年及2015年夏季環(huán)境因子的相關(guān)性以及與浮游植物群落之間的相關(guān)性。各采樣點位篩選出的水環(huán)境因子和浮游植物群落數(shù)據(jù)在Canoco4.5軟件上進(jìn)行典范對應(yīng)分析（Canonical correspondence analysis，CCA）。

應(yīng)用浮游植物密度進(jìn)行CCA分析時，先進(jìn)行除趨勢對應(yīng)分析（Detrended correspondence analysis，DCA），得出物種的單峰響應(yīng)值（梯度SD），SD＞2，即可進(jìn)行CCA分析，否則采用冗余度分析（Redundancy analysis，RDA），并對數(shù)據(jù)進(jìn)行999次蒙特卡洛置換檢驗（Monte Carlopermutation test），以判定顯著影響浮游植物群落空間分布特征的環(huán)境因子。在進(jìn)行CCA分析前，除pH外，所有水體環(huán)境數(shù)據(jù)和浮游植物密度數(shù)據(jù)均進(jìn)行對數(shù)轉(zhuǎn)換［log（x+1）］[16]。

應(yīng)用箱體圖判別兩年中浮游植物群落物種數(shù)、密度、生物量、香農(nóng)維納指數(shù)、均勻度指數(shù)的差異性，在SPSS16.0上進(jìn)行數(shù)據(jù)相關(guān)性分析。Origin7.5上完成箱型圖分析，應(yīng)用Biodiversity Profession 2.0計算香農(nóng)維納指數(shù)和均勻度指數(shù)，在Canoco4.5上進(jìn)行PCA和CCA分析，濟南采樣點位圖在ArcMap 9.3上完成。

2 結(jié)果及分析

2.1 浮游植物群落結(jié)構(gòu)組成

2014 年和2015年夏季在濟南地區(qū)水體中共鑒定出浮游植物6門113種，其中2014年6門89種，硅藻門種類最多，為42種，其次為綠藻門和藍(lán)藻門，分別為26種與12種；2015年6門85種，硅藻門種類最多，為39種，其次為綠藻門和藍(lán)藻門，分別為24種和14種（圖2）。2014年藍(lán)藻門密度較高，占浮游植物總密度的85.82%，其次為綠藻門和硅藻門，分別占浮游植物總密度的8.28%和4.88%；2015年藍(lán)藻門密度最高，占浮游植物總密度的69.95%，其次為綠藻門和硅藻門，分別占浮游植物總密度的17.70%和11.59%。兩年中，裸藻門、隱藻門和甲藻門密度均相對較少（表2）。

圖2 不同年份浮游植物物種數(shù)量比較Fig.2 The number of phytoplankton in different years

表2 不同年份浮游植物密度所占比例Tab.2 Density percentage of phytoplankton in different years

2.2 浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征及多樣性分析

2014 年鑒定出的浮游植物物種數(shù)平均值為21種，高于2015年的15種，2014年J3點物種數(shù)最高，為40種，2015年物種數(shù)最高點位同樣是J3點，為24種。2014年浮游植物平均密度為2.17×106cells/L，低于2015年平均密度2.83×106cells/L。2014年浮游植物密度最高點位于J22營字閘，其他采樣點密度相對較少，2015年密度最高點位于J10釣魚臺水庫，中南部地區(qū)多數(shù)采樣點密度高于其他點位；2014年浮游植物生物量平均值為16.67mg/L，低于2015年的46.36mg/L，2014年生物量最高點位位于J22營字閘，2015年生物量最高點位位于J4臥虎山水庫，且中南部地區(qū)生物量較高于其他地區(qū)；2014年浮游植物香農(nóng)威納指數(shù)平均值為2.49，高于2015年香農(nóng)威納指數(shù)平均值為2.37；2014年浮游植物均勻度指數(shù)平均值為0.57，低于2015年浮游植物均勻度指數(shù)平均值為0.60（圖3）。

2014 年和2015年夏季濟南地區(qū)浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征的相關(guān)性分析表明：2014年和2015年浮游植物物種數(shù)無相關(guān)性（P＞0.05）；浮游植物密度和生物量亦無相關(guān)性（P＞0.05）；浮游植物香農(nóng)維納指數(shù)及均勻度指數(shù)無相關(guān)性（P＞0.05），說明2014年與2015年夏季浮游植物群落結(jié)構(gòu)存在時間差異性（圖3）。

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

2014 年與2015年濟南地區(qū)夏季采樣點水體理化因子無顯著差異性（P＜0.05）。夏季水溫較高，均在24℃以上，水體呈弱堿性，pH7.95～8.19。2014年SS、ALK、DO、TN含量高于2015年，T、pH、Cond、Ca2+、和TP均低于2015年（表3）。

圖3 不同年份浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征Fig.3 Community structure of phytoplankton in Jinan River Basins in summer in 2014 and 2015

圖4 濟南地區(qū)2014年和2015年浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征的比較分析Fig.4 Comparison of community structure of phytoplankton in Jinan River Basins in summer in 2014 and 2015

表3 濟南地區(qū)2014年和2015年水環(huán)境因子比較（平均值±標(biāo)準(zhǔn)差）Tab.3 Comparison of different years environment factors between 2014 and 2015（Mean±SD）

對濟南地區(qū)2014年和2015年夏季水文環(huán)境因子進(jìn)行主成分分析（PCA），2014年篩選出兩主軸變化分?jǐn)?shù)大于0.7的5個環(huán)境因子為SS、pH、Ca2+、TD和Cond；2015年篩選出兩主軸變化分?jǐn)?shù)大于0.7的5個環(huán)境因子為Cond、TP、SS、TN和TD（圖5）。

浮游植物密度和環(huán)境因子DCA分析結(jié)果顯示呈單峰模型，選擇浮游植物豐度和環(huán)境因子分析結(jié)果（圖6）做CCA分析。2014年，pH是主要影響浮游植物群落結(jié)構(gòu)的環(huán)境因子，對第二軸有顯著影響，與浮游植物群落結(jié)構(gòu)呈正相關(guān)性（P＜0.05），Cond和Ca2+分別與第一軸和第二軸呈負(fù)相關(guān)性（P＜0.05）；2015年Cond和TD是主要影響浮游植物群落結(jié)構(gòu)的環(huán)境因子，Cond對第一軸有顯著影響，Cond和TD對浮游植物群落結(jié)構(gòu)呈正相關(guān)性（P＜0.05）。

圖5 濟南地區(qū)不同年份水文環(huán)境因子主成分分析（PCA）Fig.5 Principal component analysis of hydrological environmental factors in Jinan Region indifferent years

圖6 濟南地區(qū)不同年份浮游植物群落典范對應(yīng)性分析（CCA）Fig.6 Canonical correspondence analysis between phytoplankton and hydrological environmental factors in Jinan River Basin in different years

3 討論

本次調(diào)查中，2014年及2015年夏季在濟南地區(qū)共鑒定出6門113種浮游植物，硅藻門占絕對優(yōu)勢，其次為綠藻門和藍(lán)藻門；從各物種密度來看，2014年和2015年的主要物種為藍(lán)藻門，密度分別占浮游植物總密度的85.82%和69.59%，其次為綠藻門和硅藻門，藍(lán)藻門種類相比硅藻門較少，但是密度較高，這可能是夏季水溫升高，藍(lán)藻水華爆發(fā)所致[17]。夏季營養(yǎng)、水溫、光照等條件充足，適合浮游植物生長繁殖。

研究表明，浮游植物多樣性指數(shù)是判斷群落重要性的基礎(chǔ)[18-20]，在一定程度上可以鑒定水質(zhì)狀況。2014年與2015年夏季濟南地區(qū)水中浮游植物香農(nóng)威納指數(shù)平均為2.49和2.37，且兩年中大多數(shù)采樣點位香農(nóng)威納指數(shù)均在1～3之間。2014年香農(nóng)威納指數(shù)值在0～1之間有2個采樣點、1～3之間有13個采樣點，＞3有9個采樣點。2015年中香農(nóng)威納指數(shù)值在0～1之間有1個采樣點，1～3之間有21個采樣點，＞3有3個采樣點。香農(nóng)威納指數(shù)（H'）值[9,1 8-2 0]在0～1為重度污染，1～3為中度污染，＞3為輕度或無污染。綜合分析認(rèn)為：2014年與2015年夏季濟南地區(qū)水體呈中度污染。

在本研究中，浮游植物群落與測定的環(huán)境因子的相關(guān)性分析顯示，透明度和電導(dǎo)率對這兩年的浮游植物群落結(jié)構(gòu)都有影響。2014年浮游植物群落主要受pH和鈣離子的影響。水體酸堿度變化對浮游植物生活和分布起到一定作用[21]。2014年水體pH略低于2015年，偏堿性，很多喜歡微堿性水體的藻屬都受到pH變化的影響。2015年浮游植物群落結(jié)構(gòu)主要受到電導(dǎo)率和總硬度影響，電導(dǎo)率可以反映出水體中離子的濃度含量，即可以反映出水體的營養(yǎng)狀況，很多藻屬都與電導(dǎo)率相關(guān)性較大，電導(dǎo)率對藻類分布起到一定影響。水體硬度的改變使水體中酸堿度發(fā)生變化，對浮游植物群落分布起到一定作用。

濟南以泉水聞名于世，然而，由于降水量的減少及泉域地下水無限制的開采，導(dǎo)致地下水的采補失衡，地下水位不斷下降，泉群噴涌量逐漸減少，最終導(dǎo)致斷流。泉群斷流不但造成泉水景觀嚴(yán)重萎縮，使泉城特色大打折扣，護城河及大明湖無新鮮水補充，水體污染嚴(yán)重，湖體及水體自然景觀功能嚴(yán)重下降，而且還造成泉水文化的缺失，破壞了泉城歷史文化的繼承和系統(tǒng)性。泉水是濟南的靈魂和靈氣，河流水系是城市的重要基礎(chǔ)設(shè)施和生態(tài)環(huán)境的控制性要素，改善河流水系生態(tài)環(huán)境健康，維持水生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)，是維持濟南靈魂和靈氣的根本所在，也是濟南市長期可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。

［1］楊浩,曾波,孫曉燕,等.蓄水對三峽庫區(qū)重慶段長江干流浮游植物群落結(jié)構(gòu)的影響［J］.水生生物學(xué)報,2012,36（4）:715-723.

［2］熊金林.不同營養(yǎng)水平湖泊浮游植物和底棲動物群落結(jié)構(gòu)多樣性的研究［M］.貴陽:貴州師范大學(xué),2006.

［3］樂鳳鳳,孫軍,寧修仁,等.2007年夏季中國南海北部的浮游植物［J］.海洋與湖沼,2006,37（3）:48-58.

［4］雷平安,施之新,魏印心.武漢東湖浮游藻類物種多樣性的研究［J］.水生生物學(xué)報,2003,27（2）:179-184.

［5］柯志興,黃良民,譚燁輝,等.2007年夏季南海北部浮游植物的物種組成及豐富度分布［J］.熱帶海洋學(xué)報,2011, 30（1）:131-143.

［6］SakamotoM.Primaryproduction byphytoplankton community in some Japanese lake and its dependence on lake depth［J］.Archivfur Hgdrobiologie,1996,62:1-28.

［7］Becker V,Huszar V L M and Crossetti L O.Responses of hytoplankton functional groups to the mixing regime in a deep subtropicalreservoir［J］.Hydrobiologia,2009,628（1）: 137-151.

［8］Crossetti L O and Bicudo C E M.Phytoplankton as a monitoring tool in a tropical urban shallow reservoir（Gar as Pond）:the assemblage indexapplication［J］.Hydrobiologia, 2008,610:16-173.

［9］劉霞,杜桂森,張會,等.密云水庫的浮游植物及水體富營養(yǎng)程度［J］.環(huán)境科學(xué)研究,2003,16（1）:27-29.

［10］趙文.中國北方內(nèi)陸鹽水的浮游植物［J］.大連水產(chǎn)學(xué)院學(xué)報,1992,7（2-3）:49-64．

［11］王驥,王建.浮游植物的采集,計數(shù)與定量方法［J］.水庫漁業(yè),1982（4）:58-63.

［12］胡鴻鈞,李堯英,魏印心,等.中國淡水藻類［M］.上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,1980.

［13］韓茂森,束蘊芳.中國淡水生物圖譜［M］.北京:海洋出版社,1995．

［14］黃祥飛,陳偉民,蔡啟銘.湖泊生態(tài)調(diào)查觀測與分析［M］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2000:72-79.

［15］國家環(huán)境保護總局.水和廢水監(jiān)測分析方法（第四版）［M］.北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,2002.

［16］白海峰,趙乃錫,殷旭旺,等.渭河流域浮游動物的群落結(jié)構(gòu)及其與環(huán)境因子的關(guān)系［J］.大連海洋大學(xué)學(xué)報, 2014,29（3）:260-266.

［17］胡菊香,吳生桂,陳金生,等.巢湖富營養(yǎng)化對輪蟲的影響研究［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2007,30（12）:16-18．

［18］Brendonck L,Maes J,Rommens W,et al.The impact of water hyacinth（Eichhornia crassipes）in a eutrophic impoundment（Lake Chivero,Zimbabwe）.II.Species diversity［J］.Arch Hydrobiol,2003,158:389-405.

［19］況琪軍,馬沛明,胡征宇,等.湖泊富營養(yǎng)化的藻類生物學(xué)評價與治理研究進(jìn)展［J］.安全與環(huán)境學(xué)報,2005,5（2）:87-91.

［20］胡方凡,王毛蘭,周文斌.袁河浮游藻類群落結(jié)構(gòu)與水質(zhì)評價［J］.水生態(tài)學(xué)雜志,2011,32（1）:27-33.

［21］許海,劉兆普,袁蘭,等.pH對幾種淡水藻類生長的影響［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2009,32（1）:27-30.

Relationship Between Phytoplankton Community Structure and Environmental Factors in Jinan River Region in Summer

SHANG Shu-qin1,GUO Wei1,ZHU Zhong-zhu1,WANG Bo-han2,JIA Li1,LIU Peng1
（1.Jinan Hydrographic Office,.Jinan 25001，China；2.Liaoning Provincial Key Laboratory for Hydrobiology, College of Fisheries and Life Science,Dalian Ocean University,Dalian 116023,China）

The community structure and e spatial and temporal distribution of phytoplankton were surveyed 24 sampling sites in Jinan River Region in August of 2014 and 2015 to show the relationship between the community structure of phytoplankton and the associated environmental factors,based on Shannon-Weiner index,Pielou index of phytoplankton and Canonical correspondence analysis．Eighty-nine phytoplankton species were found in 2014 and 85 phytoplankton species in 2015，with averagephytoplankton density of 2.17×106～2.83×106cells/L,Shannon-Wiener index of 2.49～2.37 and Pielou index of 0.57～0.60 during the 2014 and 2015.Canonical correspondence analysis revealed that phytoplankton community structure was heavily determined by pH in 2014.On the contrary,electronic conductivity was the main environmental factors limitation of phytoplankton community structure in 2015.In conclusion,the water in Jinan River was found to be moderately polluted.

Jinan River Region;phytoplankton;environmental factors

S932.7

A

2016-07-01

山東省水利廳、山東省財政廳“水生態(tài)文明試點科技支撐計劃”（SSTWMZCJH-SD02）；濟南市水生態(tài)時空變異驅(qū)動機制及自動監(jiān)測模式項目.

商書芹（1978-），女，博士研究生，從事水環(huán)境監(jiān)測研究，E-mail:shangshuqin80@mail.sdu.edu.cn

1005-3832（2017）01-0046-06