北運河水系浮游植物功能群與水體環(huán)境因子的關系

王汨，楊柏賀，馬思琦，殷旭旺，徐宗學

（1.大連海洋大學水產(chǎn)與生命學院，遼寧省水生生物學重點實驗室，遼寧 大連 116023；2.北京師范大學水科學研究院，北京 100875）

浮游植物個體較小，壽命短，時代周期短，繁殖旺盛[1,2]，是河流生態(tài)系統(tǒng)中的初級生產(chǎn)者，在河流生態(tài)系統(tǒng)和功能中起不可代替的作用[3-7]。浮游植物群落的特征包括：優(yōu)勢種、密度、豐度、香濃維納指數(shù)和均勻度指數(shù)等能準確反映出人類活動對河流生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境短期的影響，常被作為衡量河流生態(tài)系統(tǒng)變化的重要指標[8,9]。根據(jù)浮游植物群落的功能性特征（如形態(tài)學特征和生態(tài)學特征），把在相同或相似環(huán)境下生活的浮游植物類群分為一類功能群[10-12]。功能群分析在河流生態(tài)學中有重要的意義[13-16]。

本研究通過調(diào)查分析2015年春、夏和秋3 季北京地區(qū)節(jié)北運河水系浮游植物群落特征和功能群的分布，研究影響北運河水系浮游植物功能群的主要環(huán)境因子，并利用香濃維納指數(shù)和環(huán)境因子等評價春、夏和秋季北運河水系的水質(zhì)狀況，以期為北運河水系水體的研究和保護提供可靠的根據(jù)。

1 材料及方法

1.1 采樣點為設置

北京是擁有文化遺產(chǎn)數(shù)量最多的城市之一，千百年來孕育了長城、頤和園等很多名勝古跡。北京夏季溫度較高且多雨，春季和秋季時間較短。北運河是流經(jīng)北京市東郊和天津市的海河支流。北運河水系是北京地區(qū)最為重要的排水系統(tǒng)，每年的徑流量主要由雨水組成，河流流經(jīng)朝陽區(qū)、海淀區(qū)、豐臺區(qū)和大興區(qū)等10 個區(qū)，沿途經(jīng)過溫榆河、通惠河和涼水河等多條河流，最終流入海河。根據(jù)北京地區(qū)北運河水系流經(jīng)區(qū)域、北京的自然地理外貌和北京水文管理的報告，共設置19 個采樣點位（圖1）。

1.2 浮游植物采集、鑒定及水環(huán)境因子的測定

北京地區(qū)北運河水系各采樣點在距水面50mL深處取2L 水樣，滴入15mL 的魯哥試液來固定采集的浮游植物樣品，將采集后的樣品送回實驗室，讓樣品靜置48h 之后，把采集的水樣濃縮到100mL后，鑒定并計數(shù)[17-19]。

檢測的水環(huán)境因子參數(shù)包括：水溫（T）、溶解氧（DO）、pH、葉綠素a（Chl.a）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、總磷（TP）、氟化物（F-）、氨氮（NH4+）和總氮（TN）[20]。

1.3 浮游植物功能群劃分以及數(shù)據(jù)分析

計算北運河水系春、夏和秋季浮游植物群落物種數(shù)量、密度、香濃維納指數(shù)（H'）和均勻度指數(shù)（J）[8,9]。

表1 北京地區(qū)北運河水系浮游植物功能群組成[9-16]Tab.1 Functional group composition in North Canal in Beijing

依Reynolds、Padisák 和王博涵等[9-16]的標準來劃分對浮游植物的功能群（表1）。

在SPSS17.0 上進行相關性分析，Origin 7.0 上完成箱型圖分析，在Excel 2007 上制作春、夏和秋季浮游植物群落特征及浮游植物功能群特征；在Biodiversity Profession2.0 上計算浮游植物群落的香濃維納指數(shù)和均勻度指數(shù)，運用Canoco 4.5 進行PCA 和CCA 的分析，采樣圖的制作在Arc Map 10.3上進行[8,9]。

2 結(jié)果與分析

2.1 北運河水系浮游植物群落結(jié)構(gòu)及功能群劃分

2.1.1 北運河水系浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征

在北運河水系中鑒定出8 門浮游植物103 種，其中春季浮游植物物種數(shù)最高，為96 種，夏季為80種，秋季最少，為66 種。春季，綠藻門物種數(shù)量最高，為41 種，占浮游植物物種總數(shù)的42.71%，其次為硅藻門，物種數(shù)為27 種，占浮游植物物種總數(shù)的28.13%；藍藻門密度最高，占浮游植物總密度的75.75%，其次為綠藻門，占浮游植物總密度的15.41%。夏季，綠藻門物種數(shù)量最高，為35 種，占浮游植物物種總數(shù)的43.75%，其次為硅藻門，物種數(shù)為27 種，占浮游植物物種總數(shù)的33.75%；藍藻門密度最高，占浮游植物總密度的62.25%，其次為綠藻門，占浮游植物總密度的18.93%。秋季，綠藻門物種數(shù)量最高，為34 種，占浮游植物物種總數(shù)的51.52%，其次為硅藻門，物種數(shù)為16 種，占浮游植物物種總數(shù)的24.24%；綠藻門密度最高，占浮游植物總密度的31.28%，其次為硅藻門，占浮游植物總密度的25.51%（圖2）。春、夏和秋季3 個浮游植物群落物種數(shù)和密度間無顯著相關性（P＞0.05）。

春季北運河水系浮游植物物種數(shù)平均值最高，為22.53 種，物種數(shù)最高的點位在B9；秋季的物種數(shù)平均值最低，為15.31 種；春季浮游植物密度平均值最高，秋季浮游植物密度平均值最低；春季浮游植物香濃維納指數(shù)平均值是最高的，秋季的浮游植物群落的香濃維納指數(shù)平均值是最低，春季浮游植物群落的均勻度指數(shù)平均值是最高，秋季浮游植物群落的均勻度指數(shù)平均值是最低的（圖3）。

2.1.2 北運河水系浮游植物功能群特征分析

北運河水系的浮游植物可分為19 類功能群（表1）。秋季共17 類功能群，春季和夏季各15 類功能群，A 類是夏季特有的浮游植物功能群，E 是春季和秋季特有的浮游植物功能群，W2 和TB 類是夏季和秋季特有的浮游植物功能群。圖4 比較了北運河水系各季節(jié)浮游植物功能群各類的數(shù)目和功能群密度〔ln（x+1）轉(zhuǎn)換〕。春季J 數(shù)目是最多的，一共是30 種，其次為MP 類，共20 種；夏季MP 數(shù)目最多，為22 種，其次為J，19 種；秋季J 數(shù)目最多，為23種，其次為MP，10 種。從物種密度來看，春季密度最高的為S2，為4.13，其次為MP，為3.74；夏季密度最高的為Lo，為3.77，其次為MP，為3.68；秋季密度最高的為MP，為3.49，其次為J，為3.18（圖4）。春、夏和秋季功能群數(shù)量與密度之間無顯著相關性（P＞0.05）。

2.2 浮游植物功能群與水環(huán)境因子關系

北運河水系夏季的水溫是最高的，秋季平均水溫最低；水體平均pH 分別為7.97、7.89 和7.84，均呈弱堿性，春季TN、TP、Chl.a 和CODMn平均質(zhì)量濃度最高，DO 平均質(zhì)量濃度最低；夏季F-、NH4+、Chl.a平均質(zhì)量濃度最高，TN 平均質(zhì)量濃度最低；秋季DO 平均質(zhì)量濃度最高，F(xiàn)-、NH4+、CODMn、TN 和Chl.a平均質(zhì)量濃度最低（表2）。

三個季節(jié)水環(huán)境因子主成份分析（PCA）結(jié)果表明，春季篩選出對兩軸影響最大的主要水環(huán)境因子為T、pH、TN 和TP；夏季影響最大的主要水環(huán)境因子為TN、CODMn、DO 和TP；秋季影響最大的主要水環(huán)境因子為TN、DO、TP 和CODMn（圖5）。

表2 北運河水系水環(huán)境因子的比較（±s）Tab.2 The environment factors in North Canal in different seasons

表2 北運河水系水環(huán)境因子的比較（±s）Tab.2 The environment factors in North Canal in different seasons

北運河水系不同季節(jié)浮游植物功能群與環(huán)境因子的典范對應分析表明：春季，主要影響浮游植物群落結(jié)構(gòu)的水環(huán)境因子是TP（P=0.01，F(xiàn)=2.26），TP 主要影響的是第2 軸，其與第2 軸呈正相關性，T和pH 對第2 軸有一定影響，與第2 軸呈正相關性。TN 對第1 軸有一定影響，與第1 軸呈正相關性；夏季，北運河水系主要影響浮游植物群落結(jié)構(gòu)的水環(huán)境因子是TP（P=0.01，F(xiàn)=2.45）和TN（P=0.03，F(xiàn)=1.87），TP 和TN 對第1 軸影響較大，與第1 軸呈正相關性；秋季，影響北運河水系浮游植物群落結(jié)構(gòu)的主要水環(huán)境因子是CODMn（P=0.01，F(xiàn)=2.38） 和TP（P=0.04，F(xiàn)=1.96），DO 對第2 軸有一定影響，與第2軸呈負相關性（圖6）。

3 討論

本次野外調(diào)查中共鑒定出浮游植物8 門101種，春季物種數(shù)平均值最高，秋季物種數(shù)平均值最低，3 個季節(jié)中，綠藻門物種數(shù)最多，硅藻門次之，其他門類物種數(shù)較少。就密度而言，春季平均密度高于夏季和秋季，春季和夏季藍藻門最高，秋季綠藻門密度最高，這是由于春夏季隨著溫度升高，有絲的藍藻門大量繁殖，使其細胞密度增加[21]。

北運河水系春、夏季和秋季浮游植物群落的香濃維納指數(shù)平均值分別為1.32、1.22 和1.14，均勻度指數(shù)平均值分別為0.85、0.82 和0.77，僅依據(jù)浮游植物群落香濃維納指數(shù)評價水質(zhì)標準[24]，春、夏和秋季3 個季節(jié)香濃維納指數(shù)值為1～2，北京北運河水系呈中度污染[22,23]。

北運河水系共劃分出19 類浮游植物功能群，秋季功能群物種數(shù)最高，春季和秋季J 類物種數(shù)最多，夏季MP 類物種數(shù)最多，3 個季節(jié)中J 類和MP類物種數(shù)占比均較大。大部分J 類是綠藻門物種，主要喜歡生長在富營養(yǎng)化水體中，在城市水體中，綠藻門物種本身較多[25,26]，如柵藻屬、十字藻屬等，增加了J 類的物種數(shù)量。就密度而言，春季S2 類密度最高，夏季Lo 類密度最高，秋季MP 類密度最高，春季溫度升高，使S2 類的鈍頂螺旋藻生長迅速，細胞數(shù)量增加，密度相繼增加[9-12]。色球藻和平裂藻適應水體的能力較強，生長和繁殖速度較快，細胞數(shù)量更加龐大，導致夏季Lo 類密度最高。3 個季節(jié)中MP 類密度均較高，占有一定優(yōu)勢，這是因為北運河水系的水體環(huán)境適合該類藻種的生長繁殖，而大多數(shù)硅藻門的種類以及藍藻門的顫藻類和小席藻都屬于這一功能群，細胞數(shù)較多，所以MP 在每個季節(jié)中密度均較大，優(yōu)勢明顯[9-12]。3 個季節(jié)中，A 類是夏季特有的浮游植物功能群，主要以粗刺藻屬為主，喜歡生活在清潔的水體中，對水深和pH 都有一定要求，春季只有B18 點出現(xiàn)A 類，說明此點位水環(huán)境相對較好。E 是春季和秋季特有的浮游植物功能群，代表物種為分歧錐囊藻，喜歡生活在富營養(yǎng)化的淺水中，說明春季和秋季部分點位水體已呈富營養(yǎng)化。W2 和TB 類是夏季和秋季特有的浮游植物功能群。W2 代表物種囊裸藻喜歡生活在中富營養(yǎng)化水體，TB 代表物種變異直鏈藻一般生活在水流速過快的水體，夏季北運河水系水流速比春季和秋季緩慢，可能是沒有出現(xiàn)TB 的原因。就浮游植物功能群來看，不同季節(jié)的浮游植物功能群組成不同，且3個季節(jié)水體均呈富營養(yǎng)化。

總磷對北京地區(qū)北運河水系各季節(jié)浮游植物功能群都有一定影響?？偭资撬锷L繁殖中不可缺少的營養(yǎng)物質(zhì)[25-27]，是春季影響北運河水系浮游植物功能群的主要環(huán)境因子，主要影響E 和W2，并與其正相關，對MP 和J 類呈負相關。夏季主要影響北運河水系浮游植物功能群的環(huán)境因子是總磷和總氮[28-30]，夏季總氮對C 和X2 類功能群有一定影響，總磷則對MP 類功能群有影響。高錳酸鉀指數(shù)也是水文環(huán)境監(jiān)測中的重要指標，秋季北運河水系高錳酸鉀質(zhì)量濃度平均值為4.42mg/L，已經(jīng)超過了國家指標。高錳酸鉀指數(shù)和總磷是主要影響秋季浮游植物功能群的環(huán)境因子；高錳酸鉀指數(shù)對C有一定影響，并與其呈正相關，總磷對W2 有一定影響，并與其呈正相關。

本次調(diào)查研究表明，北運河水系受人為干擾較為嚴重，工業(yè)污水的排放也對水質(zhì)也有很大的影響，政府應該積極保護水源，嚴禁在水源地和水源補給區(qū)砍伐森林、硬化路面，嚴禁有害廢水和生活污水等，鼓勵市民節(jié)約用水，提高水量的利用率。要不斷完善水資源保護利用的法律、法規(guī)，嚴格執(zhí)法。