春季石家庄市水体浮游植物群落结构调查与分析

闫路娜 王艳 沈洪艳 张宇 周园

摘要：为探索春季石家庄市水体浮游植物群落组成与结构特点，及其主要环境影响因素，对水体中浮游植物的种类组成、细胞密度、环境因子等指标进行了调查，分析了其物种优势度、多样性指数，并对各水体的浮游植物组成与环境因子进行了聚类分析和相关性分析。结果发现：在春季的石家庄市水体中，共检出浮游植物7门47属76种，以绿藻门种类最多，约占总数的39.47%，其次为硅藻和蓝藻，裸藻、金藻、黄藻和甲藻种类很少且仅在个别采样点位出现。水体中硅藻细胞密度最高，平均为1.0×107cells/L，占丰度组成的61.84%，其次为绿藻和蓝藻。值得注意的是，岗南水库是所有水体中仅有的金藻丰富型水体，它的金藻细胞密度高达4.5×106cells/L。物种优势度分析和多样性指数分析显示，石家庄市水体中以中度富营养型指示藻类为优势类群，基本处于中度污染水平;水体聚类分析表明，石家庄市水体的浮游植物组成受整体水环境因素影响不明显;而单环境因子数据及其与浮游植物的相关性分析表明，石家庄市水质酸化严重（pH值低于6.0），除科大牧星湖和岗南水库外，多数水体处于劣V类水平，主要超标物为pH值、总磷、总氮和COD，而这可能是导致蓝藻、绿藻等耐污性种类大量繁殖的主要因素。因此，对石家庄市水体中浮游植物群落组成与结构变化的生物学监测，是进行石家庄市地表水水质监测及生态保护的重要途径。

关键词：水域生态学;石家庄;浮游植物;群落结构;聚类分析;相关性分析

中图分类号：X173;Q89文献标志码：A

doi：10.7535/hbgykj.2019yx03010

文章编号：1008-1534（2019）03-0206-09

浮游植物主要是指各种藻类，它们多以单细胞、群体或丝状体的形式呈现，是水域生态系统的重要组成部分。它不仅是水生态系统中的初级生产者[1]，更是整个水生态系统中物质循环及能量流动的基础[2]。浮游植物的组成和结构特征与水中的环境因子（如温度、光照、pH值、矿物质等）之间关系密切，能够对水体营养状况的变化迅速作出响应，因此，在国内外被广泛应用于水质监测及水域生态环境污染评价[3-6]。目前，对浮游植物与环境的关系研究大多集中于单一水体，如水库[7-8]、湖泊[9-10]、河流[11-13]及湿地[14]等，而在同一地区的不同水体之间的对比研究相对较少[15-16]，有关石家庄市区域水体中浮游植物群落结构的调查研究还尚未见报道。

石家庄市地处太行山脉东麓山西地臺和渤海凹陷过渡区，海河流域下游，属于温带大陆性季风气候，有滹沱河和洨河流经城区，境内较大的河流还有冶河、槐河、大沙河、磁河等，总长约1536.4km，天然湖泊有蟠龙湖、龙凤湖等，总面积为10.62km2，天然湿地主要分布在岗南水库和黄壁庄水库之间，总面积约5.80km2[17-18]。近年来，由于气候变化，特别是人类活动的影响，石家庄市的水环境状况日趋严峻[19]，出现了地表河流大规模断流，天然湖泊、湿地大面积萎缩，基本处于“有河皆涸，有水皆污”的状态，尤其是城区内水生态系统主要靠人工定期补水而得以维系。本研究通过调查不同水体中春季浮游植物的种类组成及分布情况，研究浮游植物的群落结构与水质环境之间的关系，从而深入了解目前石家庄市城区附近水体的春季营养状况，以期为城市地表水体的生态保护及管理政策的制定提供参考。

1材料与方法

1.1采样点的布设

根据石家庄市水体状况，在2016年4—5月期间，选取了8处具有代表性的典型水体作为研究对象，并设置了9个采样点。它们分别为石家庄市城市景观湖泊（河北科技大学牧星湖（以下简称科大牧星湖）、长安公园、水上公园），景观径流（民心河上、下游，以下称民心河西、民心河东），半自然河流湿地（汊河湿地、洨河湿地），天然湖泊（蟠龙湖），饮用水水源地（岗南水库）等，具体如图1所示。

1.2样品采集与处理

浮游植物的样品采集、种类鉴定及数量统计参考文献[1—2，20]进行。浮游植物定性采样借助25号浮游生物网在水深0.5m处作“∞”字采样3～5min，捞取藻样并加适量鲁哥氏液固定;定量样品取断面混合水样500mL，鲁哥氏液固定，沉淀48h，浓缩至30mL，用25×16规格的血球计数板，在40倍的显微镜下依目镜视野法计数80小格水体中所含的藻类细胞总数，然后按式

1.5聚类分析与相关性分析

基于各水体的浮游植物种类组成和环境因子数据，利用SPSS22.0统计软件，以水体间的欧式几何距离为统计量，选择组间连接方法进行了系统聚类分析（HierarchicalClusterAnalysis），以分别探讨石家庄市水体在浮游植物种类组成和在水体环境上的相似程度。

同时，利用SPSS22.0统计软件，对水样中的浮游植物种类分布与环境因子进行了Pearson相关系数分析，以探索各环境因子对不同浮游植物繁殖和生长的影响。重复取样结果，以Bootstrap=1000为基础，显著性水平（双尾）

P<0.05为相关显著，P<0.01为相关极显著。

2结果与分析

2.1浮游植物种类组成与分布

本研究在调查区域检出浮游植物共计7门34属76种（含未定名种）。其中绿藻门检出种类最多，为30种，占总数的39.47%，其次为蓝藻门和硅藻门，均为15种，各占19.74%，此三者种类总和占本区域调查总数的78.95%。此外，检出裸藻门7种，占9.21%;金藻门4种，占5.26%;黄藻门3种，占3.95%;甲藻门2种，占2.63%。各采样点浮游植物种类组成分布如表1所示。

由表1可知，石家庄市水体中浮游植物主要为绿藻（24.00%～53.13%）、硅藻（25.00%～42.11%）和蓝藻（8.70%～26.32%），其次为裸藻（0～12.00%），而金藻、黄藻和甲藻只在部分采样点检测到。其中水上公园采样点的浮游植物种类最多，为40种;汊河湿地和民心河西的浮游植物相对较少，均为19种;其余采样点种类介于二者之间。

2.2浮游植物的细胞密度

浮游植物的细胞密度是水生态系统功能和水质评价的重要参数之一[13]。调查结果显示，石家庄市周边水体中浮游植物平均细胞密度为1.62×107cells/L。其中汊河湿地采样点浮游植物细胞密度最高，达3.15×107cells/L;其次为蟠龙湖，细胞密度为2.85×107cells/L;然后依次为世纪公园（2.25×107cells/L）、洨河湿地（1.65×107cells/L）、水上公园（1.35×107cells/L），长安公园、民心河西和岗南水库均为（9.00×106cells/L），浮游植物细胞密度最低的是科大牧星湖，为6.00×106cells/L。从浮游植物种类丰度组成上来看，石家庄市水体中硅藻细胞密度最高，平均为1.0×107cells/L，占总细胞密度组成的61.84%;其次为绿藻，平均细胞密度为3.83×106cells/L，占总量的23.71%;而后为蓝藻，平均细胞密度为1.5×106cells/L，占9.28%。各采样点浮游植物的丰度如图2所示，其中科大牧星湖和蟠龙湖，硅藻丰度占比均高达90%以上，为硅藻极丰富水体;民心河东、汊河湿地和洨河湿地，硅藻丰度占比在65%以上，为硅藻丰富水体。而水上公园和民心河西，绿藻丰度占比均为67%，为绿藻丰富水体;长安公园蓝藻丰度最高，为50%;其次水上公园和民心河西蓝藻丰度均占33%。值得注意的是金藻门植物仅在岗南水库中检出，而其丰度高达50%，是所有水体中仅有的金藻丰富型水体。

2.3浮游植物的优势种

从浮游植物出现的频率和数量上来看，科大牧星湖采样点浮游植物种类分布较为均匀，未发现极优势类群;长安公园、民心河西和汊河湿地采样点具有单一优势类群，其余各采样点优势种均在2种以上。各水体的浮游植物优势类群（Y>0.02）如表2所示，作为中富营养型指示生物（α-β）硅藻门的舟形藻（Naviculasp.）在各采样点中检出最多，如水上公园、洨河湿地、蟠龙湖和岗南水库;硅藻门的针杆藻（Synedrasp.，中富营养型指示生物）作为优势种在长安公园、汊河湿地和蟠龙湖均有发现;蓝藻门的颤藻（Oscillatoriasp.，富营养型指示生物）作为优势种大量检出于民心河西和民心河东;绿藻门的多芒藻（Golenkiniasp.，中营养型指示生物）作为优势种在水上公园和民心河东均有发现;其余藻类如绿藻门的丝藻（Ulothrixsp.，中富营养型指示生物）等仅在个别水体中出现，说明各水体浮游植物的群落结构有所不同。

总的来看，石家庄市各水体基本处于中富营养状态，其中民心河流域富营养化最为严重，有从中富营养状态向富营养状态转化的趋势。相比而言，岗南水库检出了贫营养型指示生物金藻门锥囊藻（Dinobryonsp.）优势种，表明其水体较为清洁;但由于绿藻门的鼓藻（Cosmariumsp.）和硅藻门的舟形藻等中富营养型指示生物的出现，反映出其水质有逐步恶化的趋势。

2.4浮游植物群落物种多样性分析

有研究发现，水体中浮游植物的多样性指数是评价水体营养化程度的重要指标，通常浮游植物的多样性指数越高，水体越清洁;反之，说明水体污染越严重[8，14]。参考文献[15]的评价标准，本研究对各水体浮游植物的物种多样性指数进行分析，结果发现，石家庄市周边水体浮游植物的Shannon-Weaver多样性指数（H）在1.08～1.57dit，为α-中度污染水平;Pielou均匀度指数（J）在0.36～0.49之间，属β-中度污染水平;Margalef丰富度指数（d）在4.16～9.01之間，属于清洁-轻度污染水平。根据各水体的浮游植物多样性指数及相应评价等级（见表3），说明目前石家庄市各水体基本处于中度污染水平。

2.5水质理化指标检测

石家庄市各水体环境因子数据测定值如表4所示。总体来看，石家庄市水体的溶解氧（DO）质量浓度较高，在9.92～24.57mg/L，符合《地表水环境质量标准》（GB3838—2002）[20]的Ⅰ类水标准;水体氨氮质量浓度较低（0～0.42mg/L），平均为0.24mg/L，符合Ⅱ类地表水标准;但水体平均pH值为5.93，除民心河和科大牧星湖外，都处于超标状态;在总磷含量上，石家庄市水体总磷质量浓度平均为1.40mg/L，远高于Ⅴ类水的国家标准（0.4mg/L），尤以民心河西总磷质量浓度最高，达6.10mg/L，是Ⅴ类水国家标准的15.25倍;石家庄市水体的总氮质量浓度平均为5.12mg/L，其中除科大牧星湖、汊河湿地和蟠龙湖外，其余水体都高于Ⅴ类水的国家标准（2mg/L），而民心河西和洨河湿地的总氮超标严重。在化学需氧量（COD）上，除民心河东和水上公园超Ⅴ类水标准外，石家庄市其他水体多符合Ⅲ类水标准（ρ（COD）<30mg/L）;水体的五日生化需氧量（BOD5）平均为7.00mg/L，表明整体处于Ⅴ类水水平，但不同采样点之间数值差异较大，其中岗南水库BOD5最低，为1.65mg/L，符合Ⅰ类水标准，水上公园符合Ⅲ类水标准，民心河西、蟠龙湖、科大牧星湖和洨河湿地符合Ⅳ类水标准，长安公园和汊河湿地符合Ⅴ类水标准，而民心河东则处于劣Ⅴ类水水平。

2.6石家庄市水体相似度的聚类分析

根据各采样点浮游植物的种类组成分布情况（见表1），利用SPSS22.0软件对各采样点进行了系统聚类分析，结果如图3所示。石家庄市各水体在浮游植物组成上，大体由4个分支构成：汊河湿地与岗南水库构成了石家庄市北部分支;水上公园、民心河西、长安公园和洨河湿地构成了石家庄市中西部分支;民心河东和蟠龙湖构成了石家庄市南部分支;此外，科大牧星湖浮游植物的种类组成较为独特，自成一支。

同时，根据环境因子数据（见表4），对石家庄市各水体的水质指标进行了聚类分析，结果如图4所示。石家庄市各水体环境中科大牧星湖与蟠龙湖和汊河湿地最为相似，其次与岗南水库类似，此四者构成第一个分支;长安公园和洨河湿地水质较为类似，构成另一个分支，而水上公园介于第一、第二分支间，与第一分支更为接近些;民心河东和民心河西与其他采样点聚类明显不同，显示其水环境与其他水体存在明显差异。这几个分支的形成，可能与石家庄市各水体的污染程度有关。

通过对图3和图4进行比对发现，石家庄市各水体在浮游植物的种类组成与水质指标聚类分析中所在位置明显不同，这似乎暗示春季水体浮游植物的生长和种类组成，受pH值、化学需氧量（COD）、氨氮、总磷、总氮等指标构成的整体水环境影响不大，而浮游植物的种类组成很可能与某个水质指标或环境小气候有关，其原因还有待于进一步分析。

2.7浮游植物群落组成与环境因子相关性分析

为探讨水体中浮游植物群落组成与各环境因子之间的关系，本研究基于SPSS22.0软件进行了多元Pearson相关性分析，结果如表5所示。

蓝藻的种类繁茂与环境中的低pH值和高总氮含量呈现一定的相关性。而绿藻种类数与DO，COD，BOD5和氨氮、总磷、总氮等6种水质指标都呈现一定的正相关趋势，尤其是与COD相关极显著（P<0.01），与DO和BOD5也已接近显著性水平。硅藻的种数与环境COD和氨氮也具有一定的正相关性，但与水体的DO和BOD5、总磷、总氮、pH值呈现一定的负相关性。对金藻而言，环境的高水平的DO，COD，BOD5和总磷、总氮、pH值都似乎不利于其生存，而氨氮含量则影响不大。黄藻和甲藻情况类似，除COD外，与水体的DO和BOD5、氨氮、总磷、pH值等指标呈现一定的负相关性。裸藻的种数与水体的DO，COD，BOD5和氨氮、总磷、总氮、pH值等7種水质指标都呈现一定的正相关趋势，尤其是在COD和氨氮含量上均呈现显著正相关性（P<0.05）。

总体来看，水体中酸环境（pH值低于6.0）有利于各种藻类的生存繁衍;COD和氨氮含量增加对蓝藻、绿藻、硅藻和裸藻生长有利;而高水平的DO和BOD5、总磷、总氮含量则不利于硅藻、金藻、黄藻和甲藻的生存。

3讨论

3.1石家庄市水体浮游植物的群落组成与结构分析评价

浮游植物的种类组成、污染指示种细胞密度、群落结构及多样性指数都是进行水生态系统功能和水质评价的重要参数。参考况琪军等[13]对水体指示性浮游植物的分类描述，以及郑琳琳等[22]的指示性浮游植物群落划分污染等级标准：蓝藻门为极优势类群（占70%以上）且耐污种大量出现为多污带;蓝藻门为优势类群（约占60%）且种类较多的为α-中污带;硅藻门及绿藻门为优势类群（各约占30%）的为β-中污带;硅藻门为优势类群（占60%以上）为寡污带。根据前文石家庄市水体浮游植物的群落组成与结构分析（分别见表2、表3、表4和图2），可以发现，在春季绿藻门（35.97%）和硅藻门（33.11%）种类丰富，但Shannon-Weaver多样性指数较低（1.08dit<H<1.57dit），表明石家庄市水体应处于中度污染水平。其中科大牧星湖、岗南水库、汊河湿地、蟠龙湖等采样点污染相对较轻，而民心河流域和洨河湿地由于蓝藻门和绿藻门为优势类群（约占65%）且密度较大，说明其水体中浮游植物种类组成较为单一，群落结构稳定性较差，污染较为严重。由于水环境的持续恶化必然会导致藻类群落的逆行演替，在群落组成上表现为洁净种→抗污种→耐污种→无物种的不断蜕变。因此，关注水体中浮游植物群落组成与结构的变化，是进行水质监测和环境保护的重要途径。

3.2影响水体浮游植物的群落组成的环境因子

有研究表明，水体的理化指标可以影响浮游植物的种类、组成和数量变化[3，5]。笔者通过对石家庄市各水体的浮游植物群落特征和环境特征的聚类分析，发现春季各水体浮游植物群落结构受环境因子影响程度不同，并未呈现出相似的聚类趋势。因此推测，环境因子在浮游植物的生长过程中可能具有非等价性，某种藻类的种群爆发很可能与个别生态因子（主导因子）的变化有关，而与多指标构成的整体水体环境关系不明显，这还有待于进一步证实。

代龚圆等[10]研究表明，硅藻一般适应于低温环境，易于在冬春季节占据生长优势，而蓝藻和绿藻则更适于生活在温度较高的夏季[15]，这与本次石家庄市水体春季浮游植物的群落组成调查结果一致。

水体pH值是影响浮游植物生长和分布的重要因素[6-7]。胡鸿钧等[2]报道，与硅藻相比，蓝藻更适宜pH值较高的水体。这与本研究中民心河流域颤藻大量繁殖的结果相吻合。

沈会涛等[9]研究报道，绿藻中的鼓藻和裸藻中具尾裸藻与COD有很大的正相关;而柴毅等[4]对长湖浮游植物群落组成研究后指出，绿藻的生长与COD呈正相关;这些均与本研究的结果完全相同。

氮、磷营养盐被认为是浮游植物生长的重要影响因子，它们通过协同作用共同影响浮游植物的生长[5，16]。JACOBY等[27]研究表明，低水平的氮磷比有利于蓝藻水华的爆发。本次水体理化指标调查结果发现，石家庄市各水体的总磷含量严重超标，氮磷比均小于10，蓝藻密度与总氮呈一定的正相关关系，而与总磷含量呈一定的负相关性，这与前人的研究结果基本一致[4-5]。

有研究表明，蓝、绿藻一般生活在富营养化的水体，而硅藻生活在中度污染水体，金藻则生活于贫营养化水体[3-4]。ORTEGA-MAYAGOITIA等[28]研究认为，金藻减少乃至消失表明水体受到有机污染。在本研究中，除岗南水库外，各采样点均未检出金藻，这与水体中总磷、总氮等有机污染物含量超标严重的现状高度吻合。

4结语

1）石家庄市附近水体中初步鉴定有浮游植物7门47属76种，其中绿藻、硅藻和蓝藻种类丰富，为其优势类群，裸藻、黄藻、金藻、甲藻等很少检出，表明水体中浮游植物种类组成较为单一，结构稳定性较差。

2）水体中浮游植物的平均细胞密度为1.62×107cells/L，其中硅藻、绿藻和蓝藻密度在各水体中普遍占据优势。值得注意的是，岗南水库中金藻门锥囊藻属的细胞密度高达4.5×106cells/L，是所有水体中仅有的金藻丰富型水体。

3）水体中浮游植物的优势度和物种多样性分析表明，各水体中浮游植物的优势类群稍有不同，多以中富营养型指示藻类为主，Shannon-Weaver多样性指数较低（1.08dit<H<1.57dit），这表明石家庄市各水体基本处于中富营养化状态，其中民心河流域富营养化最为严重，有从中富营养状态向富营养状态转化的趋势。岗南水库检出了贫营养型指示生物金藻门锥囊藻，表明其水体相对较为清洁，但其水质也有逐步恶化的趋势。

4）水体的浮游植物群落组成与环境指标的聚类分析和相关性分析表明，水体浮游植物的种类组成，受pH值、化学需氧量、氨氮、总磷、总氮等指标构成的整体水环境影响不大，而很可能与某个主导环境因子的变化有关。同时，石家庄市春季水体酸化严重（pH值<6.0），除科大牧星湖和岗南水库外，多数水体处于劣V类水平，主要超标物为pH值、总磷、总氮和COD，而这些物质可能是促进水体中耐污性藻类蓝藻、绿藻大面积爆发的主要因素。

如上所述，对春季石家庄市水体的浮游植物初步调查的结果表明，石家庄市水体在春季水质状况情况不容乐观。城市景观用水，除科大牧星湖外，皆处于中度-重度污染状态;天然湖泊、水库和流域内河流湿地，水质也呈现轻度—中度污染趋势。从各项指标来看，民心河流域污染最为严重，一方面可能与春季少雨干旱的气候有关，另一方面更可能是由于沿岸企业和居民的人为污染。因此，有效减少水体沿岸的人为污染，同时加强对石家庄市典型水体的重要生物指标和理化指标进行长期连续监测，并通过定向引入动物、植物和微生物品种对已污染水体进行生态修复，不仅可避免和改变石家庄市水体“有河皆涸，有水皆污”的现状，而且也是促进石家庄市水体生态系统健康和可持续发展的重要手段。

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