春季小清河流域浮游植物功能群與水環(huán)境因子的關系

相華，郭偉，竇冰，殷旭旺，王博涵

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

在水生生物群落的研究中，浮游植物群落一直是研究的主要對象之一[1,2]。浮游植物群落的物種數量、物種豐度、優(yōu)勢度和多樣性指數等結構特征經常作為評價水生態(tài)系統的指標之一[3]，這些年來，早已經被廣泛的應用于不用國家、不同城市、不同環(huán)境的水生態(tài)系統狀況的評價之中[4-6]。

浮游植物功能群的研究方法考慮到了浮游植物群落差異性的不同，根據不同種類的浮游植物群落對不同環(huán)境因子的限制、個體大小、空間分布的不同及對不同環(huán)境的適應性的不同等多個因素進行劃分[7,8]。浮游植物功能群的劃分是進一步分析了浮游植物的群落結構特點與其適宜生活的水環(huán)境的特征，包括：水層、水深、營養(yǎng)化等多個因素。功能群的劃分跟以往研究的群落形態(tài)的劃分方法不同。功能群的劃分可以更加準確、明了地顯現出不用浮游植物類群與不同水環(huán)境因子的關聯性。目前為止，浮游植物功能群對水生態(tài)學的研究及環(huán)境評價已經有了十分廣泛的應用和研究[9-13]。

小清河流域是貫穿山東省多個城市的主要流域之一，而其中的黃河流域是山東的渤海水系河流，他起源于濟南的泉水群。小清河東流經的地域包括濟南槐蔭區(qū)、天橋區(qū)、歷城區(qū)、章丘區(qū)，濱州市的鄒平、高青、桓臺、博興等縣區(qū)，濰坊市的青州市至壽光市的羊角溝匯入渤海，全長共233 km，是一條防洪除澇、灌溉的綜合利用河道。

近年來，小清河流域水的生態(tài)環(huán)境受到了很大的影響及破壞。本次研究，以小清河流域流經濟南的部分水體作為主要研究對象，分析了2018 年和2019 年小清河流域的浮游植物的空間特征，以期找出影響功能群的主要的水環(huán)境因子，并為小清河流域的環(huán)境保護和治理提供基本數據支持。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域劃定及采樣點的設置

小清河流域的地理、地貌特征比較復雜，為了更好研究小清河流域中浮游植物群落結構的空間差異，根據兩個季節(jié)中共同采集的點位、濟南市水環(huán)境監(jiān)測的點位及各縣、區(qū)的主要水資源等多個因素，共設置了9 個具有代表性的采樣點（圖1）。本次采樣點位多流經市區(qū)，河流的支流較短，水土流失比較嚴重，水中泥沙含量較大，底質主要為基石。

圖1 小清河流域采樣點分布Fig.1 The sampling sites distribution in Xiaoqing River Basin

1.2 浮游植物樣品采集、鑒定及水體環(huán)境因子測定

參照其他人員的采樣方式，在每一個采樣點采集2 L 的水樣，用魯哥氏液固定。水樣送回實驗室后，將樣品靜置48 h 后，用虹吸法將水樣濃縮至100 mL，在顯微鏡下鑒定物種，記錄和整理數據[14-17]。

按照殷旭旺、王博涵等[17,18]的采樣方法測定透明度、渾濁度、水溫等水環(huán)境因子。采集的2 L 水樣，用低溫保存，在48 h 內送回實驗室。按照標準方法[17,18]測定總氮、硝酸態(tài)氮、氨氮含量等多個水環(huán)境因子。

1.3 浮游植物功能群的劃分

結合Reynolds、閔文武和王博涵等[9-12,19,20]對浮游植物功能群劃分的標準方法，對小清河流域浮游植物群落進行功能群的劃分。根據浮游植物群落的特點、自身特性、生活環(huán)境等不同因素，共劃分出16類浮游植物功能群（表1）。

表1 清河流域浮游植物功能群組成Tab.1 Functional group composition of phytoplankton in Xiaoqing River Basin

1.4 數據統計及分析方法

計算浮游植物多樣性指數及優(yōu)勢種。

香農威納指數（H'）：H'=－Σ（ni/N）×log2（ni/N）

均勻度指數（J）：J=H'/lns

浮游植物群落優(yōu)勢種的確定[13,18-20]：

Y=（ni/N）×fi。

群落及環(huán)境因子數據的相關性分析采用SPSS 19.0 進行分析，群落特征值分析及功能群特征值分析采用Excel 2016 分析、Biodiversity pro 2.0 計算浮游植物群落的香農威納指數，Canoco 4.5 進行環(huán)境因子的主成成分分析（PCA）和選出的水環(huán)境因子和浮游植物功能群的典范對應分析（CCA）的制圖，在Arc Map 10.2 上制作小清河流域圖[18-20]。

2 結果與分析

2.1 浮游植物群落結構及其功能群的劃分

2.1.1 浮游植物物種組成及其群落結構

本次調查中，小清河流域在2018 年和2019 年中分別鑒定出32 和54 種浮游植物。2018 年小清河流域共鑒定出硅藻門13 種，綠藻門8 種，其他物種門類相對較少，分別是：藍藻門5 種、裸藻門3 種、隱藻門2 種和甲藻門1 種。2019 年小清河流域共鑒定出硅藻門24 種，綠藻門19 種，其他物種門類相對較少，分別是：裸、隱藻各3 種、藍藻門2 種、甲、黃、金藻門各1 種。2018 年小清河流域藍藻門密度占比較大，占總密度的89.30%，其他門類密度較少，綠藻門占總密度的7.22%，硅藻門2.69%，裸藻門0.35%，隱藻門0.31%，甲藻門0.12%。2019 年小清河流域浮游植物門類密度與2018 年有所不同，硅藻門密度占比較大，占總密度的60.22%，其他門類密度較少，綠藻門占21.85%，隱藻門16.41%，裸藻門1.00%，裸藻門0.41%，甲藻門、黃藻門和金藻門占比最少（圖2）。

圖2 不同年份小清河流域浮游植物群落的種類組成及其所占比例Fig.2 Species number and percentage of phytoplankton in Xiaoqing River Basin in different years

2018 年春季浮游植物的優(yōu)勢種有3 種，以綠藻門和藍藻門為主，分別為四尾柵藻（Scenedesmus quadricauda）（Y=0.026）、優(yōu)美平列藻（Merismopedia elegans）（Y=0.206）和銀灰平裂藻（M.glauca）（Y=0.587）；2019 年的優(yōu)勢種共有4 種，以硅藻門和綠藻門為主，分別為尖針桿藻（Synedra acus）（Y=0.076）、具星小環(huán)藻（Cyclotella stelligera Cl.et Grun.）（Y=0.047）、弧形短縫藻（Eunotia arcus）（Y=0.028）和小球藻（Chlorella vulgaris Beijerinck）（Y=0.047）。兩年中，浮游植物群落優(yōu)勢種無顯著相關性（P>0.05）。

2018 年，全流域各采樣點浮游植物物種數平均值為7.11 種；全流域各采樣點浮游植物物種密度平均值為7.06×107cell/L；香農威納指數的變化范圍是2.32～3.32，平均值為2.78；均勻度指數變化范圍為0.63～0.90，平均值為0.75。2019 年，全流域各采樣點浮游植物物種數平均值為15.33 種；全流域浮游植物物種密度平均值為1.42×107cell/L；香農威納指數的變化范圍是0.86～3.18，平均值為2.27；均勻度指數變化范圍為0.27～0.93，平均值為0.59（表3）。2018 和2019 年浮游植物物種數、物種密度、均勻度指數、香農威納指數差異均不顯著（P>0.05）。

表3 不同年份小清河流域浮游植物群落的群落特征數值Tab.3 Community characteristic value of phytoplankton in Xiaoqing River Basin in different years

2.1.2 浮游植物功能群的劃分及研究

本次研究中，共劃分為16 類功能群（表1），其中，2018 年共劃分出9 類功能群，分別為：P、MP、Lo、D、C、W1、Y、X1 和J。2019 年共劃分出16 類功能群，分別為：B、P、MP、Lo、D、A、C、W1、Y、X1、X2、J、T、F、N 和E。P、MP、Lo、D、C、W1、Y、X1、J，這9 類是兩個年份中共同出現的功能群，2019 年特有的功能群有：B、X2、T、F、N、E 和A。

就功能群各類的數目而言，2018 和2019 年均以MP 和J 數目較多，但功能群密度卻不相同。單看功能群物種數：2018 年中，MP 數目最高，為9 種，J為6 種，其他功能群數量相對較少，Lo 為4 種，P、W1 和Y 為3 種，X1 為2 種，C 和D 數目最少，僅為1 種。2019 年J 數目最高，為13 種，其次為MP，為12 種，D 為8 種，Y 為4 種，W1 和P 為3 種，X1 為2 種，其他為1 種。單看功能群物種密度，兩年差異性較大，2018 年Lo 密度占有絕大優(yōu)勢，占總密度的88.72%，其次為J 類，占總密度的6.01%，其他功能群密度均相對較少；2019 年中，MP 和D 類密度相對較多，分別占總密度的24.57%和23.31%，其次為Y和X1，占總密度的16.46%和15.67%，其他功能群密度相對較少（圖3）。浮游植物功能群的數目和密度在2018 年和2019 年均無顯著相關性（P>0.05）。

圖3 不同年份小清河流域浮游植物功能群各類數目和密度Fig.3 The number and density of phytoplankton functional groups in Xiaoqing River Basin between 2018 and 2019

2.2 浮游植物功能群與水環(huán)境因子的相關性

2.2.1 小清河流域內水環(huán)境因子特征

2018 年和2019 年小清河流域測定出的水環(huán)境因子中，氯化物表現出較顯著的時間差異（P<0.01），其他16 個水環(huán)境因子均無顯著差異性（P>0.05）。這兩年春季整體水溫均在25℃左右，水體溫度較高，pH 平均分別為8.28 和8.47，水體呈弱堿性，2018年中，水中氯化物、氨氮、亞硝酸鹽氮、高錳酸鹽指數和氟化物的含量高于2019 年，其他水環(huán)境因子水中含量均低于2019 年（表4）。

表4 2018 和2019 年春季小清河流域水環(huán)境因子比較（平均值±標準差）Tab.4 Comparison of environment factors（Mean± SD）in Xiaoqing River Basin in spring of 2018 and 2019

2.2.2 浮游植物功能群與水環(huán)境因子的相關性

水環(huán)境因子主成分分析結果表明（圖4）：2018年，通過數據分析，找出兩主軸變化分數較大的5種水環(huán)境因子，分別為pH、氯化物、溶解氧、總氮和硝酸鹽氮；2019 年，通過數據分析，找出兩主軸變化分數較大的5 種水環(huán)境因子分別為電導率、氯化物、硫酸鹽、總氮和硝酸鹽氮。氯化物、總氮和硝酸鹽氮是2018 年和2019 年選出相同的水環(huán)境因子。

圖4 小清河流域不同年份水環(huán)境因子主成分分析（PCA）Fig.4 Principal component analysis of water environmental factors in Xiaoqing River Basin

2018 年和2019 年浮游植物功能群和選出的水體環(huán)境因子的CCA 分析結果（圖5）顯示：2018 年，溶解氧在軸1 上對浮游植物功能群的影響最大，對軸1 呈負相關性，并且主要影響LO功能群；pH 主要對軸1 浮游植物功能群的影響最大，呈負相關性?？偟拖跛猁}氮對軸1 的影響較大，呈正相關性，主要影響D、C、J 和P 類功能群。2019 年，總氮對浮游植物功能群的影響最大，主要影響B(tài)、D、C、J 和MP 類功能群。氯化物和電導率對軸1 呈負相關性，主要影響X1 和B 類功能群。

圖5 小清河流域不同年份浮游植物與環(huán)境因子CCA 分析Fig.5 Canonical correspondence analysis of species-environmental relationship in Xiaoqing River Basin between 2018 and 2019

2.3 浮游植物群落水生態(tài)健康評價

近些年來都用浮游植物的香農威納指數來評價水生態(tài)環(huán)境的健康，這也是最常用的評價水生態(tài)系統的方法之一。此類方法與其他水生生物群落評價方法一致（表5）。從浮游植物評價結果看，本次研究中，2018 年和2019 年采集到的浮游植物群落的香農威納指數平均值分別為2.78 和2.27，均勻度指數平均值分別為0.75 和0.59。單從浮游植物群落多樣性指數的角度來看，2018 年和2019 年小清河流域水體質量一般[1,2,16,17]。

表5 基于浮游植物多樣性指數的小清河流域水生態(tài)健康標準Tab.5 Ecological health of water in Xiaoqing River Basin according to diversity index of phytoplankton

3 討論

3.1 小清河流域浮游植物功能群及其群落結構特征

調查結果表明，小清河流域浮游植物群落結構有一定的空間和時間差異，2018 年物種數為32 種，物種數以硅藻門為主，密度以藍藻門為主，優(yōu)勢種為優(yōu)美平列藻、銀灰平裂藻和四尾柵藻，藍藻密度占絕對優(yōu)勢。這主要是由于本次鑒定出的平裂藻細胞數量較多。濟南春季水溫已達到25℃左右，十分適合平裂藻的生長和繁殖。據監(jiān)測，2018 年水中氮、磷等多項水環(huán)境因子含量同樣相對較高，特別適合藍藻門的物種快速繁殖，其密度占主導優(yōu)勢，其他物種密度相對較少。相比2018 年，2019 年物種數要高很多，共鑒定出54 種，物種數和密度均以硅藻門為主，優(yōu)勢種為小球藻、尖針桿藻、具星小環(huán)藻和弧形短縫藻，優(yōu)勢種中硅藻門也占絕對優(yōu)勢。2019 年小清河流域的水量比2018 年少，而硅藻門類物種大多喜歡生活在活水體的淺水環(huán)境中，這種環(huán)境適合硅藻門的生長和繁殖[21]。許多研究已經證明了浮游植物群落的多樣性指數能在某種程度上評價水生態(tài)系統的健康情況[22,23]。本次調查中，兩年中小清河流域浮游植物香農威納指數平均值均在2～3 之間，均勻度指數平均值0.5～0.8 之間。兩年中這兩個指數平均值均較低，根據評價水質標準來看[24]，小清河流域水體質量一般，水體呈中度污染。

2018 和2019 年小清河流域共劃分出16 類浮游植物功能群，2018 年MP 和J 類物種數最高，Lo類密度最高，2019 年J 和MP 類物種數較高，MP 和D 類密度較高。鑒定出的MP 類的物種主要在淺水的環(huán)境中，這類功能群喜歡生活在不穩(wěn)定的水體中。小清河流域的水流量歷年來都比較少，這一特點則剛好適合這類功能群藻種的生長、繁殖和生活，很多硅藻門的物種也都屬于MP 這一類功能群。硅藻門在這兩年的物種數均比較高，這也是MP 類的物種在這兩年中物種數均較高的原因。J 類功能群適宜生活在富營養(yǎng)的水體中，這兩年中J 類的物種數都很高，測定的水環(huán)境因子中氮、磷、高錳酸鉀指數等多個水環(huán)境因子含量均過高，水體富營養(yǎng)化比較嚴重，特別適合J 類的生長。J 類主要以綠藻門為主，水中綠藻門的常見物種也比較多，故兩年中J類的物種數都比較高。本次野外調查為春季，測定水體水溫已達到25℃，陽光充足，這樣良好的環(huán)境會導致喜歡陽光的D 類功能群大量出現。尖針桿藻、針形菱形藻等藻類屬于D 類功能群，尖針桿藻又是2019 年樣品中的優(yōu)勢種，這也是2019 年D 類功能群密度占比高于2018 年的原因之一。2018 年中Lo 類功能群密度占絕對優(yōu)勢，Lo 對各類水體的適應性十分廣泛，各類水體均能很好生活。Lo 代表的物種為色球藻和平裂藻，2018 年優(yōu)美平列藻、銀灰平裂藻為優(yōu)勢種，其細胞數量遠遠高于其他物種，并在2018 年中占絕對優(yōu)勢。鑒定出的B、C、E、F、J、P、N、X1、X2 和W1 等功能群都喜歡生活在富營養(yǎng)化的水體中，這一點也說明了小清河流域部分水體呈現出富營養(yǎng)化的狀態(tài)[9-12,19,20]。

3.2 浮游植物功能群與水環(huán)境因子的關系

綜合考慮后，運用浮游植物功能群與水環(huán)境因子進行典范對應分析更具有說服力。浮游植物功能群與環(huán)境因子CCA 結果表明，2018 年，溶解氧含量是影響小清河流域浮游植物功能群的主要環(huán)境因子。溶解氧含量與浮游植物功能群呈負相關性，并顯著影響LO。pH 與浮游植物功能群呈負相關性。溶解氧一直以來都是影響浮游植物群落生長繁殖的必不可少的重要指標。溶解氧含量直接影響浮游植物群落的自身狀況，水中的含量如果較低，很可能導致浮游植物群落大量死亡[25,26]。小清河流域水體透明度較低，渾濁度較高，水體較為渾濁，嚴重影響了水中的光合作用[27]?？偟拖跛猁}氮對軸1 的影響較大，主要影響D、C、J 和P 類功能群。氮含量一直都是衡量水生態(tài)環(huán)境受到營養(yǎng)物污染程度的十分重要指標[19,20,28]，水中氮含量較高，C、D、J 和P 等功能類群大量迅速繁殖，群落密度增加。與2018 年相同，2019 年，氮含量對浮游植物功能群的影響最大，主要影響B(tài)、D、C、J 和MP 類功能群。硝酸態(tài)氮含量對D、Lo、T 和A 功能群也有一定的影響。水中氯化物的含量在一定程度上也會影響浮游植物群落的生活，含量較高也會導致浮游植物群落的死亡。電導率主要影響水中陰陽離子和懸浮物的含量，對浮游植物群落有一定影響。2019 年中，氯化物和電導率主要影響X1 和B 類功能群。小清河流域受到的人為影響，農業(yè)和工業(yè)開采的影響都較為嚴重，對整個流域的水生態(tài)系統影響較為嚴重。氮及其他元素含量的變化，對浮游植物的生長繁殖有很直接的影響，2018 年和2019 年中，水中檢測出的氮含量相對較高，且對很多浮游植物類群有顯著影響[29-32]。整體看來，不同季節(jié)中，影響浮游植物群落功能群的驅動因子不同，影響浮游植物功能群的驅動因子也各不相同。

根據本次調查結果，建議加強防治小清河流域點源和面源的污染。在農業(yè)生產中，建立合理的氮、磷施肥體系。加強山區(qū)水土保持的管理，減少水土流失。在工業(yè)生產中，加強工廠污染的治理。針對化工等企業(yè)廢水、廢氣的排放導致的水體自凈能力減弱，應加強的環(huán)境保護意識，同時應增加對污水治理的投入性建設，改善污水處理設備，實現排污達標。逐步減輕廢水、污水、廢氣等排放對小清河流域的危害。