忻州市秋季浮游植物多樣性分析及評價

劉 帥，趙燕楚，黃艷鳳，張鄧壯，石雅峰

（生態(tài)環(huán)境部海河流域北海海域生態(tài)環(huán)境監(jiān)督管理局生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與科學研究中心，天津 300170）

浮游植物是淡水生態(tài)系統(tǒng)中重要的初級生產(chǎn)者，在淡水生態(tài)系統(tǒng)的能量流動、物質(zhì)循環(huán)和信息傳遞中起著至關重要的作用［1-3］。浮游植物的種類和生長組成、數(shù)量的分布以及生物量等都是影響浮游植物群落結(jié)構(gòu)的重要因素［4，5］，也是決定和評價水體生長和富營養(yǎng)化程度的關鍵測量指標，其生長種類和生長組成及分布的變化都對環(huán)境的變化有明確的指示意義［6-8］。同時環(huán)境條件的改變直接或間接地影響到浮游植物的群落組成，由于存在地域和水利類型差異，不同水體的浮游植物種類具有不同的特征，作為水體中的初級生產(chǎn)者，浮游植物的群落結(jié)構(gòu)及其動態(tài)與環(huán)境因子和營養(yǎng)狀態(tài)密切相關［9，10］。

忻州市位于山西省，北倚內(nèi)長城，與大同市、朔州市、內(nèi)蒙古自治區(qū)為界，西臨黃河，與陜西省、內(nèi)蒙古自治區(qū)相望，東傍太行山，與河北省接壤，南抵石嶺關，與太原市、陽泉市、呂梁市毗鄰。忻州市介于東經(jīng)110°53′3″—113°58′0″、北緯38°6′5″—39°40′0″，南北長約170 km，東西寬約245 km，總面積2.515 萬km2，占山西省總面積的1/6，面積居山西省第一位［11］。忻州市河流大多屬汾河水系，主要有黃河、汾河及滹沱河（海河支流）等。黃河自老牛灣進入晉陜大峽谷，流經(jīng)忻州180 km；汾河源自管涔山，河道寬度300～770 m，平均360 m，終年不凍；滹沱河發(fā)源于五臺山，在市境全長260 km［12］。

近年來，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，忻州市管轄內(nèi)的水資源環(huán)境日益惡劣［13］。對于其管轄內(nèi)重點河流和水庫的浮游植物未見系統(tǒng)研究。本研究通過對忻州市境內(nèi)的12 個水庫和14 個重點河流進行生物采樣調(diào)查，并對其生物多樣性進行評價，可為忻州市水生態(tài)狀況提供基礎數(shù)據(jù)，也可為河流和水庫的環(huán)境演變分析以及生態(tài)修復提供必要的參考數(shù)據(jù)。

1 研究方法

1.1 采樣時間與地點

結(jié)合忻州市河流水文特征和生境狀況，在汾河、嵐漪河、偏關河、朱家川河、黃河、縣川河、滹沱河、牧馬河、清水河、桑干河共10 條主要河流上布設點位。點位布設以國控斷面為主，上下游河段點位作為補充，共22 個監(jiān)測點（圖1、表1）。

表1 調(diào)查點信息

圖1 忻州市采樣點分布

1.1.1 河流點位布設 參考國家生態(tài)監(jiān)測辦法在忻州市行政區(qū)域內(nèi)共布設14 個采樣點位。以調(diào)查點位為中心，以上下游各500 m（調(diào)查河段總長1 km）范圍為采樣調(diào)查區(qū)域。

1.1.2 水庫點位布設 結(jié)合水庫面積大小、水文特征及水環(huán)境質(zhì)量狀況，以孤山、下茹越、觀上、神山、米家寨、雙乳山和唐家灣7 座中型水庫及靜樂汾河國家濕地公園為重點開展水生態(tài)環(huán)境調(diào)查，共設置8 個監(jiān)測點。

1.2 浮游植物樣品采集及處理

浮游植物定量樣本采集用1 L 樣品瓶采集，然后立即加入15 mL 魯哥氏液固定，定性樣本采用25號浮游生物網(wǎng)（200 目）采集，加福爾馬林固定［14］，采樣方法嚴格按照《水和廢水監(jiān)測分析方法》［15］（第四版，增補版）執(zhí)行。在實驗室采用ZEISS Scope A1 型顯微鏡對樣品進行鏡檢，種類鑒定參照《中國淡水藻類——系統(tǒng)、分類及生態(tài)》［16］，定量樣本需要在分液漏斗中靜置24 h，體積最終濃縮到30 mL，計數(shù)并計算藻細胞密度。

1.3 分析方法

1.3.1 空間分布特征分析方法 應用統(tǒng)計軟件Primer 6 對河流和水庫的采樣點浮游植物的鑒定結(jié)果進行聚類分析。將相似程度較高的采樣點位進行歸類，分析其空間分布特征。

1.3.2 優(yōu)勢種分析 優(yōu)勢度反映水域中生物密度分布，通過計算不同物種在各點位的頻率，將優(yōu)勢度大于或等于0.02 的物種定為優(yōu)勢種［17］，計算公式如下。

式中，Y為優(yōu)勢度；fi為物種i出現(xiàn)的頻率；ni為物種i的個體數(shù)；N為所有物種的個體數(shù)總和。

1.3.3 生物多樣性分析 浮游植物多樣性指數(shù)通過BioDiversity Pro 統(tǒng)計軟件進行分析，采用Shannon-Winner 多樣性指數(shù)（H′）、Margalef 豐富度指數(shù)（D）和Pielou 均勻度指數(shù)（J）對忻州市的河流和水庫點位多樣性進行評價［18-20］，計算公式如下。

式中，S為樣品中浮游植物的物種總數(shù)。

通常，生物多樣性指數(shù)的高低代表著群落結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性強弱［21］，浮游植物多樣性指數(shù)對水質(zhì)評價類型的標準［22］見表2。

表2 生物多樣性指數(shù)評價污染類型標準

2 結(jié)果與分析

2.1 浮游植物群落結(jié)構(gòu)狀況

忻州市內(nèi)河流共檢測到浮游植物8 門111 種（表3），其中，硅藻門（Bacillariophyta）65 種，占總數(shù)的58.56%；綠藻門（Chlorophyta）22 種，占總數(shù)的19.82%；藍藻門（Cynophyta）10 種，占總數(shù)的9.01%；裸藻門（Euglenophyta）7 種，占總數(shù)的6.31%；金藻門（Chrysophyta）2 種，占總數(shù)的1.80%；甲藻門（Dinophyta）2 種，占總數(shù)的1.80%；隱藻門（Cryptophyta）2 種，占總數(shù)的1.80%；黃藻門（Xanthopyta）1 種，占總數(shù)的0.90%。河流浮游植物各類群及其占比如圖2 所示。水庫共檢測到浮游植物8 門125 種，其中，硅藻門60 種，占總數(shù)的48.00%；綠藻門36 種，占總數(shù)的28.80%；藍藻門10 種，占總數(shù)的8.00%；裸藻門9 種，占總數(shù)的7.20%；甲藻門4 種，占總數(shù)的3.20%；金藻門3 種，占總數(shù)的2.40%；隱藻門2 種，占總數(shù)的1.60%；黃藻門1 種，占總數(shù)的0.80%。水庫浮游植物各類群及其占比如圖3 所示。

表3 忻州市游植物種類組成統(tǒng)計

圖2 河流浮游植物的種類組成

圖3 水庫浮游植物的種類組成

2.2 浮游植物生物量和細胞密度

忻州市內(nèi)河流和水庫各監(jiān)測點浮游植物分布存在差異（圖4、圖5 和圖6）。河流中，各點位浮游植物種類數(shù)為11～37 種（圖4），以S12（陳家營）種類最多，S2（禹廟）最少；浮游植物的平均密度為3.299×106cells/L，S2（禹廟）密度最低，為0.009×106cells/L，S6（梵王寺）密度最高，為13.110×106cells/L（圖6）。水庫中，各點位浮游植物種類數(shù)為23～41 種，以S18（觀上水庫）種類最多，S17（神山水庫）最少（圖5）；浮游植物的平均密度為6.526×106cells/L，S19（米家寨水庫）密度最低，為0.205×106cells/L，S17（神山水庫）密度最高，為17.310×106cells/L（圖6）?？傮w上看，水庫采樣點的藻細胞密度高于河流采樣點，反映水庫富營養(yǎng)化較高，需要警惕。河流采樣點中從浮游植物平均細胞密度組成來看，藍藻門細胞密度最大，為25.125×106cells/L，占比最高，其次為硅藻門和隱藻門，細胞密度分別為13.959×106、4.020×106cells/L，其他門類細胞密度均較小，其中裸藻門密度最小，僅為0.270×106cells/L。水庫采樣點中藍藻門細胞密度最高，為34.515×106cells/L，之后依次為硅藻門、隱藻門、綠藻門、金藻門、甲藻門、裸藻門，細胞密度分別為19.465×106、8.382×106、8.193×106、1.740×106、0.638×106、0.270×106cells/L。

圖4 河流浮游植物各監(jiān)測點物種數(shù)

圖5 水庫浮游植物各監(jiān)測點物種數(shù)

圖6 忻州市浮游植物各監(jiān)測點密度和生物量

2.3 優(yōu)勢種分析

河流浮游植物優(yōu)勢類群為藍藻門的類顫藻魚腥藻（Anabaena oscillarioides）、假魚腥藻（Pseudanabaenasp.）和彎形小尖頭藻（Raphidiopsis sinensia），隱藻門的卵形隱藻（Cryptomonas ovata），硅藻門的普通等片藻原變種（Diatoma vulgarevar.vulgure）和舟形藻（Navicula capitatoradiata），優(yōu)勢度分別為0.052、0.129、0.020、0.048、0.041、0.071（表4）。水庫浮游植物優(yōu)勢種為藍藻門的類顫藻魚腥藻、假魚腥藻，隱藻門的尖尾藍隱藻（Chroomonas acuta）、卵形隱藻、硅藻門的尖針桿藻（Synedra acus）、舟形藻，優(yōu)勢度分別為0.143、0.056、0.031、0.057、0.091、0.040（表4）。

表4 忻州市不同地點浮游植物優(yōu)勢種及優(yōu)勢度

2.4 浮游植物多樣性分析及評價

浮游植物多樣性指數(shù)是常用的水質(zhì)評價指標，水體受污染后，浮游植物群落往往出現(xiàn)種類減少，但某些抗性強的種類大量增長的傾向，導致多樣性指數(shù)下降，因此多樣性指數(shù)可反映水體的污染情況。本研究河流和水庫浮游植物多樣性指數(shù)特征見圖7。

圖7 不同采樣點浮游植物的多樣性指數(shù)

在河流點位中，Shannon-Winner 多樣性指數(shù)范圍在1.287～3.396，平均值為2.438，最高值位于雷家坪，最小值位于禹廟。Pielou 均勻度指數(shù)范圍在0.424～0.906，平均值為0.716，最高值位于磧塄，最低值位于梵王寺。Margalef 豐富度指數(shù)范圍在0.882～3.551，平均值為2.412，最高值位于雷家坪，最低值位于S2 禹廟。

在水庫點位中，Shannon-Winner 多樣性指數(shù)范圍在1.772～3.475，平均值為2.754，最高值位于雙乳山水庫，最小值位于唐家灣水庫。Pielou 均勻度指數(shù)范圍在0.494～0.833，平均值為0.687，最高值位于雙乳山水庫，最低值位于唐家灣水庫。Margalef 豐富度指數(shù)范圍在2.213～4.466，平均值為3.113，最高值位于靜樂汾河川國家濕地公園，最低值位于唐家灣水庫。Pielou 均勻度指數(shù)變化幅度小，表明浮游植物除個別采樣點外分布較均勻，Shannon-Winner多樣性指數(shù)與Margalef 豐富度變化趨勢較一致，且變化幅度較大。雙乳山水庫、靜樂汾河川國家濕地公園區(qū)域浮游植物物種相對豐富，具有較高的生物多樣性。

采用Shannon-Winner 多樣性指數(shù)、Margalef 豐富度指數(shù)評價各樣點水質(zhì)發(fā)現(xiàn)，花園子、雷家坪、雙乳山水庫、靜樂汾河川國家濕地公園樣點評價結(jié)果均為清潔型；河西村、磧塄、南莊、陳家營、坪上橋、下茹越水庫、神山水庫、米家寨水庫樣點評價結(jié)果均為輕度污染型；川胡屯、梵王寺樣點評價結(jié)果均為中度污染型。唐家灣水庫樣點采用Shannon-Winner 多樣性指數(shù)評價結(jié)果為中度污染型，采用Margalef 豐富度指數(shù)評價結(jié)果為輕度污染型；關河口、孤山水庫樣點采用Shannon-Winner 多樣性指數(shù)評價結(jié)果均為清潔型，采用Margalef 豐富度指數(shù)評價結(jié)果為輕度污染型；觀上水庫樣點采用Shannon-Winner 多樣性指數(shù)評價結(jié)果為輕度污染型，采用Margalef 豐富度指數(shù)評價結(jié)果為清潔型；禹廟樣點采用Shannon-Winner 多樣性指數(shù)評價結(jié)果為中度污染型，采用Margalef 豐富度指數(shù)評價結(jié)果為重度污染型。通過多樣性指數(shù)對忻州污染類型的評價可知，多數(shù)樣點浮游植物多樣性指數(shù)評價結(jié)果一致，部分樣點評價結(jié)果存在差異。總體上看，水庫樣點水體質(zhì)量優(yōu)于河流，且川胡屯和禹廟點位處于中重度污染型，需要重點監(jiān)測。

2.5 浮游植物群落結(jié)構(gòu)MDS 分析

通過對忻州市浮游植物群落結(jié)構(gòu)相似性進行MDS 分析，對比不同聚類數(shù)下的分組情況。忻州市河流浮游植物群落可劃分為4 組（圖8），組1 群落為S3（花園子）、S5（雷家坪），以硅藻門膨脹橋彎藻（Cymbella tumida）為主要類群；組2 群落為S1（關河口）、S6（梵王寺）、S7（川胡屯）、S8（河西村）、S10（代縣橋）、S11（定襄橋）、S12（陳家營）、S13（坪上橋）、S14（南莊），以藍藻門假魚腥藻為主要類群；組3 為S2（禹廟），以硅藻門尖針桿藻為主要類群；組4 為S4（磧塄）、S9（下茹越），以藍藻門類顫藻魚腥藻為主要類群。水庫浮游植物群落可劃分為2 組（圖9），組1群落為S22（靜樂汾河川國家濕地公園），以硅藻門纖細等片藻（Diatoma tenue）為主要類群；組2為S15（孤山水庫）、S16（下茹越水庫）、S17（神山水庫）、S18（觀上水庫）、S19（米家寨水庫）、S20（雙乳山水庫）、S21（唐家灣水庫），以藍藻門類顫藻魚腥藻為主要類群。

圖8 河流浮游植物群落結(jié)構(gòu)MDS 分析

圖9 水庫浮游植物群落結(jié)構(gòu)MDS 分析

3 討論

浮游植物是重要的水環(huán)境指示生物，不同優(yōu)勢類群可以反映采樣點水體的營養(yǎng)程度，例如中營養(yǎng)型水體中硅藻為優(yōu)勢類群，富營養(yǎng)型水體常以綠藻為優(yōu)勢類群［23，24］。本研究對忻州市水體浮游植物采集和鑒定，發(fā)現(xiàn)硅藻門、綠藻門、藍藻門、裸藻門、金藻門、甲藻門、隱藻門、黃藻門8 個門類。其中，硅藻門種類最多，其次是綠藻門和藍藻門，利用Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)和Margalef 豐富度指數(shù)評價忻州市水系水質(zhì)，結(jié)果顯示該水系為輕度污染，與水體常規(guī)理化指標評價結(jié)果較一致。周緒申等［25］對同流域的白洋淀水系的浮游植物類群進行調(diào)查，在白洋淀水域中發(fā)現(xiàn)6 個門類；趙露等［26］對永定河上游流域浮游植物的調(diào)查中鑒定出浮游植物8 門226種，其中綠藻門、硅藻門、藍藻門均為種類最多的3個門類，與本次調(diào)查優(yōu)勢類群的結(jié)果一致，說明浮游植物群落結(jié)構(gòu)和物種多樣性分析評價忻州市水系水質(zhì)具有可行性。陳佳林等［27］對忻州市滹沱河下游的大清河水系調(diào)查中發(fā)現(xiàn)5 門58 種浮游植物，其中綠藻門種類最多，其次是硅藻門和藍藻門，評價結(jié)果存在差異的原因一方面可能是水體富營養(yǎng)程度有所加強，也有可能是浮游植物群落存在季節(jié)差異。

有研究表明，應用浮游植物指數(shù)多樣性指數(shù)評價水質(zhì)時應至少選用2 種以上的指數(shù)進行評價，以確保評價結(jié)果的可信度，并且浮游植物物種多樣性越高代表水質(zhì)越好［28］。本研究選擇3 種多樣性指數(shù)進行分析，結(jié)果表明，以Margalef 豐富度指數(shù)和Shannon-Weiner 多樣性指數(shù)進行評價的結(jié)果基本一致，介于清潔與中度污染之間，但是部分點位評價結(jié)果存在差異，究其原因是Margalef 豐富度指數(shù)忽略各種間的個體數(shù)分配狀況，僅分析群落的總密度和物種數(shù)量［29］，而Shannon-Weiner 多樣性指數(shù)考慮的是種數(shù)和種間個體分配均勻度。本調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，各采樣點浮游植物個體密度分布存在不均勻，部分位點Shannon-Weiner 多樣性指數(shù)低于Margalef 豐富度指數(shù)，與劉存等［30］的研究結(jié)果一致。本研究通過浮游植物多樣性反映水體污染狀況，結(jié)果具有較高的可信性，為忻州市水質(zhì)監(jiān)測與水生態(tài)環(huán)境保護政策的制定提供了重要的參考。

4 小結(jié)

1）2020 年10 月對忻州市水體浮游植物進行了分析，共發(fā)現(xiàn)河流中浮游植物8 門111 種，物種多樣性較高；水庫中浮游植物8 門125 種；河流和水庫樣點硅藻門細胞密度較大，所占比例最高，其次是綠藻門和藍藻門。浮游細胞密度和生物量空間分布不均，從細胞密度和生物優(yōu)勢度評價，水庫樣品點位總體物種多樣性高于河流點位。

2）河流Shannon-Winner 多樣性指數(shù)范圍在1.287～3.396，而水庫Shannon-Winner 多樣性指數(shù)范圍在1.772～3.475，水庫樣點多樣性指數(shù)較高，而河流多樣性指數(shù)較低，表明忻州市水庫樣點污染程度較輕。結(jié)合Margalef 指數(shù)評價忻州市水體污染狀況，結(jié)果表明河流和水庫樣點以輕度污染型和中度污染型水體為主，但是禹廟樣點評價為重度污染型，污染較為嚴重，相關部門需要重點關注該點位的污水排放，加強環(huán)境監(jiān)管力度，改善該水系群落結(jié)構(gòu)，恢復生態(tài)平衡。

3）基于浮游植物群落結(jié)構(gòu)的相似特征，河流采樣點可劃分為4 個類型區(qū)域，組1 群落以硅藻門膨脹橋彎藻為代表物種；組2 以藍藻門假魚腥藻為代表物種；組3 以硅藻門尖針桿藻為代表物種；組4 以藍藻門類顫藻魚腥藻為代表物種。河流出現(xiàn)明顯的不同優(yōu)勢種的組間群落，組1 和組4 采樣點位于人工修復河流段，組2 采樣點集中在山區(qū)和遠離城鎮(zhèn)的郊區(qū)，組3 采樣點位于礦區(qū)的下游。水庫浮游植物群落可劃分為2 組，以硅藻門纖細等片藻為主要類群的組1；以藍藻門類顫藻魚腥藻為主要類群的組2。水庫出現(xiàn)2 組不同的優(yōu)勢種群，源于采集的水庫樣品取自汾河和滹沱河不同的河系。