北京永定河干流浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征及其水質(zhì)評(píng)價(jià)

潘立峰，趙 文，陳既元，魏 杰，李 博，季世琛，王天宇

（1．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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116023；2.北京市水生野生動(dòng)植物救護(hù)中心，北京 102100）

浮游植物（Phytoplankton）是一種生態(tài)學(xué)概念，一般指在水中行浮游生活的藻類(lèi)植物總稱(chēng)[1]，它們個(gè)體小、細(xì)胞結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生命周期短，繁殖速度快[2]，是許多水生動(dòng)物直接或間接的天然優(yōu)質(zhì)餌料[3]。浮游植物在水域生態(tài)系統(tǒng)中起著非常重要的作用，它們大多是初級(jí)生產(chǎn)者和各食物鏈的基本要素，起著維持水域生態(tài)平衡的作用[4]。此外，由于浮游植物的種類(lèi)復(fù)雜多樣[5]，不同的門(mén)類(lèi)或種類(lèi)的浮游植物對(duì)于不同的水環(huán)境水體水質(zhì)的適應(yīng)能力也不同，所以浮游植物也同樣是水質(zhì)的重要指示生物[6]。因此其群落結(jié)構(gòu)特征也是評(píng)價(jià)水體營(yíng)養(yǎng)化程度與生物生產(chǎn)力的重要指標(biāo)[7]，開(kāi)展群落結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)對(duì)管控水生態(tài)安全具有重要意義[8]。

永定河是北京的五大水系之一，是海河流域五大水系中最龐大的一支，是北京西部重要的水源涵養(yǎng)區(qū)和生態(tài)屏障，被譽(yù)為北京的母親河，也是北京市中最大水系[9]。永定河流域面積達(dá)到3 168km2，占全市面積的18.9%，河床的最寬處為5 000m[10]。浮游植物的種類(lèi)組成、群落結(jié)構(gòu)和豐富度的變化，會(huì)直接影響水體水質(zhì)、系統(tǒng)中的能量流、物質(zhì)流和生物資源的變動(dòng)[11-12]。本文報(bào)道北京永定河干流上門(mén)城湖、蓮石湖、曉月湖和宛平湖4個(gè)湖泊浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征，旨在為評(píng)價(jià)該河流污染狀況、保護(hù)和開(kāi)發(fā)利用生物多樣性提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 采樣時(shí)間與采樣地點(diǎn)

于2017年的6月、9月與2018年6月、9月對(duì)北京永定河干流上4個(gè)湖泊即門(mén)城湖、蓮石湖，曉月湖和宛平湖進(jìn)行設(shè)點(diǎn)采樣，樣站設(shè)置見(jiàn)圖1。

圖1 永定河采樣樣站設(shè)置示意圖

1.2 樣品的采集與測(cè)定

浮游植物的采集和定性參考文獻(xiàn)[13-16]進(jìn)行，定量分析參照《水生生物學(xué)》（第2版）[16]提供的方法。

1.3 水樣的測(cè)定

1.3.1 水體理化因子的測(cè)定方法

在采樣現(xiàn)場(chǎng)同步測(cè)定水溫、水深、pH與透明度，并且采取水樣帶回實(shí)驗(yàn)室完成其他理化因子的測(cè)定。水溫:水溫計(jì)法，透明度：Secchi盤(pán)法，酸堿度：梅特勒-托利多便攜式pH計(jì)法，化學(xué)需氧量（COD）：酸性高錳酸鉀法，溶氧（DO）：密爾沃基MW600便攜式溶氧儀測(cè)定，總氮（TN）：過(guò)硫酸鉀氧化—紫外分光光度法，總磷（TP）：鉬銻抗分光光度法，氨氮（NH4-N）：納氏試劑光度法，亞硝酸氮（NO2-N）：N-（1-奈基）-乙二胺光度法，硝酸氮（NO3-N）：紫外分光光度法，活性磷（PO4-P、P2O5）：鉬銻抗分光光度法，堿度（HCO3-、CO32-）:酸堿滴定法，氯離子（Cl-）：硝酸銀滴定法，硫酸根離子（SO42-）：EDTA容量滴定法，硬度（Ca2+、Mg2+）：EDTA絡(luò)合滴定法（二步滴定），鉀離子（K+）：四苯硼鈉容量滴定法，鈉離子（Na+）：差減法。

1.3.2 葉綠素a含量的測(cè)定

對(duì)于永定河水樣中的葉綠素a含量采用分光光度法測(cè)定[17]。公式如下：

ρchl-a是樣品中葉綠素a的含量（μg/L）；V0是樣品提取液的體積（ml）；V是樣品的實(shí)際用量（L）；L是測(cè)定池的光程（cm）。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

對(duì)于分析和評(píng)價(jià)永定河水系的生物多樣性研究，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel軟件進(jìn)行處理，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[18-19]，浮游生物的多樣性指數(shù)多采用Shannon-Wiener指數(shù)（H′）、Pielou均勻性指數(shù)（J）以及優(yōu)勢(shì)種利用優(yōu)勢(shì)度（Y）進(jìn)行確定。

浮游生物優(yōu)勢(shì)度（Y）用下式計(jì)算：

式中：ni為第i種的個(gè)體數(shù)，N為所有種類(lèi)的的總個(gè)體數(shù)，fi為第i種的出現(xiàn)頻率。以Y＞0.02的種類(lèi)為優(yōu)勢(shì)種，當(dāng)優(yōu)勢(shì)度Y＞0.3時(shí)，認(rèn)為物種多樣性較好。數(shù)據(jù)分析采用SPSS軟件進(jìn)行。使用Excel軟件對(duì)水體指標(biāo)以及浮游生物參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，并制表繪圖。使用CANOCO進(jìn)行典范對(duì)應(yīng)分析（CCA）探討浮游生物與環(huán)境因子之間的相關(guān)性。

1.5 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)采用地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 3838-2002）進(jìn)行評(píng)價(jià)，營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)利用葉綠素a、總磷、透明度計(jì)算用加權(quán)綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI（Σ），計(jì)算公式為：

式中：TLI（∑）表示加權(quán)綜合營(yíng)養(yǎng)態(tài)指數(shù)；Wj表示第j種參數(shù)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重；TLI（j）表示第j種參數(shù)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。營(yíng)養(yǎng)等級(jí)及評(píng)分值如表1所示。

表1 水質(zhì)類(lèi)別與評(píng)分值對(duì)應(yīng)表

根據(jù)文獻(xiàn)[20]，當(dāng)浮游植物的多樣性指數(shù)H′＞3時(shí)，水質(zhì)類(lèi)型為清潔-寡污型；當(dāng)H′在1—3之間，水質(zhì)為β-中污型；當(dāng)H′為在0—1之間，水質(zhì)為α-中污型。當(dāng)浮游植物的均勻性指數(shù)J在0.8—1之間，水質(zhì)為清潔型；當(dāng)J在0.5—0.8之間，水質(zhì)為清潔-寡污型；當(dāng)J在0.3—0.5之間，水質(zhì)為β-中污型；當(dāng)J在0—0.3之間，水質(zhì)為α-中污型。

2 結(jié)果與分析

2.1 永定河的水體理化因子

調(diào)查期間，永定河各湖環(huán)境因子的測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2。表2顯示，各湖的氨氮含量均小于0.50，可見(jiàn)該水體氨氮含量處于正常范圍；門(mén)城湖與曉月湖總磷含量在9月時(shí)突然升高，可能是由于水流交匯產(chǎn)生的積聚情況，再結(jié)合該取樣點(diǎn)藻類(lèi)的大量生長(zhǎng)，可大致判斷為藍(lán)藻門(mén)浮游植物對(duì)水質(zhì)造成了一定程度的影響。

表2 永定河水體理化因子及其季節(jié)變化

2.2 水體綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)和營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)等級(jí)

由表3可知，永定河整體水系為輕度富營(yíng)養(yǎng)化，其中門(mén)城湖，曉月湖，宛平湖的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)等級(jí)都是輕度富營(yíng)養(yǎng)化，而蓮石湖營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)等級(jí)為中營(yíng)養(yǎng)。

表3 永定河綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)和營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)等級(jí)

2.3 浮游植物群落

2.3.1 浮游植物的種類(lèi)組成及分布

調(diào)查期間共發(fā)現(xiàn)永定河浮游植物共有8門(mén)149種（見(jiàn)附表1），其中藍(lán)藻門(mén)35種，硅藻門(mén)29種，黃藻門(mén)4種，金藻門(mén)2種，裸藻門(mén)5種，隱藻門(mén)和甲藻門(mén)各3種，綠藻門(mén)68種?？梢?jiàn)永定河綠藻門(mén)的種類(lèi)最多，其次是藍(lán)藻門(mén)和硅藻門(mén)，其他類(lèi)群種類(lèi)較少。總體看來(lái)，四次采樣綠藻門(mén)種類(lèi)一直最多（圖3），尤其是2018年6月時(shí)，共發(fā)現(xiàn)綠藻門(mén)浮游植物32種，但與2017年6月對(duì)比其所占比例降低，因?yàn)榇舜尾蓸舆€發(fā)現(xiàn)了2017年6月未發(fā)現(xiàn)的甲藻門(mén)與隱藻門(mén)浮游植物，隨時(shí)間的推移，永定河中浮游植物種類(lèi)逐漸增加，但依然是以綠藻門(mén)，藍(lán)藻門(mén)以及硅藻門(mén)浮游植物為主，種類(lèi)較多，較為穩(wěn)定。

圖2 永定河各湖浮游植物種數(shù)的百分組成

圖3 永定河全河浮游植物種數(shù)百分組成的時(shí)間變化

2.3.2 浮游植物優(yōu)勢(shì)種

根據(jù)浮游生物的密度計(jì)算出永定河浮游植物的優(yōu)勢(shì)度，其優(yōu)勢(shì)度Y＞0.02的種類(lèi)為優(yōu)勢(shì)種[21]，永定河共檢測(cè)出浮游植物優(yōu)勢(shì)種65種，其中藍(lán)藻門(mén)25種，主要有卷曲魚(yú)腥藻Anabaena circinalis、水華束絲藻Aphanizomenon flos-aquqe、細(xì)小隱球藻Aphanocapsa elachista、小型色球藻Chroococcus minor、小細(xì)鞘絲藻Leptolyngbra tenue、銀灰平裂藻Merismopedia glauca、點(diǎn)狀平裂藻Merismopedia punctata、微小平裂藻Merismopedia tenuissima、水華微囊藻Microcystis flos-aquae、中華尖頭藻Raphidiopsis sinensia、湖泊浮鞘絲藻Planktolyngbya limnetica等；硅藻門(mén)11種，主要有扁圓卵形藻Cocconeis placentula、 梅尼小環(huán)藻Cyclotella meneghiniana、尖脆桿藻Fragilaria acus、簡(jiǎn)單舟形藻Navicula simplex、谷皮菱形藻Nitzschia palea等；黃藻門(mén)1種，即近緣黃絲藻Heterotrichales affine；隱藻門(mén)3種，即尖尾藍(lán)隱藻Chroomonas acuta、卵形隱藻Cryptomonas ovata和嚙蝕隱藻C.erosa；甲藻門(mén)1種，即挨爾擬多甲藻Peridiniopsis elpatiewskyi；綠藻門(mén)24種，主要有微小四角藻Tetraedron minimum、蛋白核小球藻Chlorella pyrenoidosa、普通小球藻C.vulgaris、蹄形藻Kirchneriella lunaris、四尾柵藻Scenedesmus quadricauda等。

2.3.3 浮游植物生物量

根據(jù)浮游植物的密度計(jì)算出浮游植物的生物量（見(jiàn)圖4），由圖4可見(jiàn)，永定河4湖浮游植物總平均生物量為10.64mg/L。永定河2017年6月浮游植物總生物量為22.56mg/L，9月浮游植物總生物量為30.29mg/L，2018年6月浮游植物總生物量為23.12mg/L，9月浮游植物總生物量為22.56mg/L。調(diào)查期間門(mén)城湖的總生物量為75.79mg/L，蓮石湖的總生物量為19.98mg/L，曉月湖的總生物量為19.98mg/L，宛平湖的總生物量為40.65 mg/L。

圖4 永定河各湖浮游植物生物量的時(shí)空變化

在2017年6月門(mén)城湖藍(lán)藻門(mén)的生物量最大，但9月時(shí)硅藻門(mén)的生物量大幅度增加，與藍(lán)藻門(mén)基本持平；而2018年9月時(shí)，硅藻門(mén)的生物量大幅度下降，而綠藻門(mén)的生物量處于采樣期間內(nèi)的最高值，綠藻門(mén)的生物量下降明顯，同年9月曉月湖硅藻門(mén)生物量相較于6月穩(wěn)定增長(zhǎng)，宛平湖兩年的6月藍(lán)藻數(shù)量都很少，但在9月數(shù)量劇增，成為占比最大的門(mén)類(lèi)，蓮石湖總生物量在永定河水系中占比最少。永定河兩年共4次采樣調(diào)查中發(fā)現(xiàn)（圖6），2017年9月綠藻門(mén)生物量有明顯的下降，而藍(lán)藻卻大量增多。

圖5 永定河各湖浮游植物生物量的百分組成

圖6 永定河全河浮游植物生物量的百分組成

2.3.4 浮游植物密度

永定河浮游植物密度見(jiàn)圖7，百分組成見(jiàn)圖8，永定河浮游植物的平均密度為18.42×106個(gè)/L，永定河2017年6月浮游植物總密度為78.35×106個(gè)/L，9月浮游植物總密度為57.36×106個(gè)/L，2018年6月浮游植物總密度為46.9×106個(gè)/L，9月浮游植物總密度為112.26×106個(gè)/L。調(diào)查期間門(mén)城湖的總密度為102.73×106個(gè)/L，蓮石湖的總密度為28.13×106個(gè)/L，曉月湖的總密度為60.76×106個(gè)/L，宛平湖的總密度為99.23×106個(gè)/L。其中藍(lán)藻門(mén)最多，占比為64%，綠藻門(mén)次之，占比為27%，硅藻門(mén)占比為6%，甲藻門(mén)占比為1%，黃藻門(mén)占比為1%，裸藻門(mén)占比為1%，隱藻門(mén)占比為1%。藍(lán)藻的密度最大，占比甚至超過(guò)一半。

圖7 永定河各湖浮游植物密度的時(shí)空分布

圖8 永定河浮游植物密度的百分組成

2.3.5 浮游植物多樣性與均勻度指數(shù)

永定河浮游植物多樣性指數(shù)總結(jié)于圖9。圖9顯示，永定河4湖浮游植物多樣性指數(shù)平均值為3.32。 永 定 河2017年6月 為2.91，9月 為2.56，2018年6月為4.25，9月為3.55。調(diào)查期間門(mén)城湖、蓮石湖、曉月湖和宛平湖的浮游植物多樣性指數(shù)分別為3.88、2.98、3.72和2.68。

圖9 永定河各湖浮游植物多樣性指數(shù)的時(shí)空分布

永定河4湖浮游植物均勻性指數(shù)平均值為0.68。 永 定 河2017年6月 為0.62，9月 為0.56，2018年6月為0.83，9月為0.71。調(diào)查期間門(mén)城湖、蓮石湖、曉月湖和宛平湖的浮游植物均勻性指數(shù)分別為0.76、0.66、0.73和0.57。

2.3.6 浮游植物與環(huán)境因子間的典范對(duì)應(yīng)分析

2017—2018年永定河的浮游植物與水體理化數(shù)據(jù)進(jìn)行典范對(duì)應(yīng)分析（CCA），并通過(guò)分析找出影響永定河浮游植物的關(guān)鍵環(huán)境驅(qū)動(dòng)因子。其中浮游植物密度（D）和與NH4-N，Chl-a,TP顯著相關(guān)，生物量（B）與環(huán)境無(wú)顯著相關(guān)，多樣性指數(shù)（H）和均勻度指數(shù)（J）均與溫度（T）和SD顯著相關(guān)。

3 討論

3.1 永定河水體理化特征

由永定河水體理化數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)值可知，各采樣點(diǎn)的氨氮含量均小于0.5，可得出該水體氨氮含量處于正常范圍；門(mén)城湖與曉月湖兩取樣點(diǎn)的總磷含量在9月時(shí)突然升高，可能是由于水流交匯產(chǎn)生的積聚情況，再結(jié)合該取樣點(diǎn)藻類(lèi)的大量生長(zhǎng)，可大致判斷為藍(lán)藻門(mén)浮游植物對(duì)水質(zhì)造成了一定程度的影響。浮游植物的生長(zhǎng)需要氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽類(lèi)的供給，其中以磷和氮最為重要，常常成為浮游植物生長(zhǎng)的限制性營(yíng)養(yǎng)元素，通常來(lái)說(shuō)磷是淡水水域中浮游植物生長(zhǎng)的限制因子，氮是海洋中浮游植物生長(zhǎng)的限制因子。大量的研究表明，氮、磷濃度的絕對(duì)數(shù)量、濃度及相對(duì)比例與浮游植物的增殖具有密切關(guān)系，當(dāng)水庫(kù)中的總氮和總磷濃度的比值在10—15時(shí)，最適宜于浮游植物的增長(zhǎng)繁殖[24-25]。

圖10 永定河各湖浮游植物均勻度指數(shù)的時(shí)空分布

圖11 永定河全河浮游植物的多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)的時(shí)間變化

圖12 永定河浮游植物與環(huán)境因子的CCA分析

3.2 永定河浮游植物的群落結(jié)構(gòu)

總體來(lái)說(shuō)，永定河水系中浮游植物的種類(lèi)較多，基本集中于藍(lán)藻門(mén)、硅藻門(mén)和綠藻門(mén),浮游植物密度隨季節(jié)變化，呈明顯變化趨勢(shì)，夏季密度值高于春、秋季，其主要影響因素為水溫較高、營(yíng)養(yǎng)鹽含量、降水量。浮游植物密度空間分布無(wú)明顯差異，再根據(jù)永定河水系的生物多樣性以及均勻度指數(shù)，通過(guò)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)判定出了該水系的水質(zhì)，這對(duì)該水體的環(huán)境保護(hù)以及水質(zhì)調(diào)節(jié)和生物修復(fù)等提供了參考，具有重大意義。

永定河浮游植物群落主要種類(lèi)組成顯示為藍(lán)藻-硅藻型，這個(gè)結(jié)果也與其他北方河流的研究結(jié)果（表4）基本上一致[26-30]。永定河浮游植物密度以藍(lán)藻門(mén)占比最多，這一結(jié)果與季世琛等（2018）在2021年對(duì)碧流河的研究結(jié)果相一致[26]，從種類(lèi)數(shù)上來(lái)看，大于野鴨湖[28]，與太平湖相近[24]，遠(yuǎn)小于白石水庫(kù)[27]和太子河[30]，密度上遠(yuǎn)大于太平湖[29]和太子河[30]，略大于白石水庫(kù)[27]，遠(yuǎn)小于野鴨湖[28]。 生物量遠(yuǎn)大于太平湖[29]，與白石水庫(kù)相近[22]，多樣性指數(shù)大于野鴨湖，太平湖和白石水庫(kù)[27-29]，小于太子河[30]，密度從整體上看變化規(guī)律是秋季大于夏季，永定河的生物量從整體上看是秋季大于夏季。永定河中浮游植物的優(yōu)勢(shì)種主要是卷曲魚(yú)腥藻、普通小球藻。表明水體有部分污染。

表4 永定河浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征與其他水體的比較

3.3 永定河水體污染程度

根據(jù)多樣性指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，門(mén)城湖平均香農(nóng)-維納指數(shù)為3.88，門(mén)城湖水質(zhì)為清潔-寡污型，蓮石湖平均香農(nóng)-維納指數(shù)為2.98，蓮石湖水質(zhì)為清潔-寡污型，曉月湖平均香農(nóng)-維納指數(shù)為3.72，曉月湖水質(zhì)為清潔-寡污型，宛平湖平均香農(nóng)-維納指數(shù)為2.68，宛平湖水質(zhì)為β-中污型，永定河水系的浮游植物的香農(nóng)-維納指數(shù)均大于2，根據(jù)多樣性指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，永定河水系的整體水質(zhì)是β-中污型，除宛平湖外水質(zhì)都是清潔-寡污型，表明宛平湖污染較為嚴(yán)重。

永定河浮游植物的均勻度指數(shù)均大于0.5，根據(jù)均勻度指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，永定河水系的水質(zhì)為清潔-寡污型。

根據(jù)加權(quán)綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，永定河整體為輕度富營(yíng)養(yǎng)化，而蓮石湖營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)等級(jí)為中營(yíng)養(yǎng)，與上述結(jié)果一致。

4 結(jié)論

2017—2018年調(diào)查期間，永定河浮游植物共檢出8門(mén)149種，其中綠藻門(mén)種類(lèi)最多，藍(lán)藻門(mén)與硅藻門(mén)次之；全河浮游植物密度為18.42×106ind/L，藍(lán)藻門(mén)的密度最大，其密度甚至超過(guò)了總體密度的一半，綠藻門(mén)和硅藻門(mén)的密度次于藍(lán)藻門(mén)。此外，藍(lán)藻門(mén)、綠藻門(mén)與硅藻門(mén)為優(yōu)勢(shì)種群，其代表優(yōu)勢(shì)種有卷曲魚(yú)腥藻、細(xì)小隱球藻、湖泊浮鞘絲藻、銀灰平裂藻、微小平裂藻、單生卵囊藻、小細(xì)鞘絲藻和近緣黃絲藻等，其優(yōu)勢(shì)種變化并不明顯；全河浮游植物生物量平均值為10.64mg/L，以綠藻門(mén)占優(yōu)勢(shì)，藍(lán)藻門(mén)與硅藻門(mén)次之。密度和種類(lèi)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果基本一致。浮游植物的香農(nóng)維納指數(shù)均處于2.00以上，屬于β-中污型水體；均勻度指數(shù)均處于0.50以上，屬于清潔-寡污型水體。綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI（∑）為54.2，屬于輕度污染。