汉石桥湿地春季浮游植物群落结构及水质评价

张勇 闫飞 董雪 蔡春轶* 许亚明 杨燕 崔世锋 李文 季世琛

(1 北京市顺义区汉石桥湿地自然保护区管理办公室 北京 101309；2 北京圣海林生态环境科技股份有限公司 北京 100083）

浮游植物是水中初级生产者的重要组成部分，参与水生态系统的物质循环与能量流动，对维持水生态系统平衡具有重要作用（孙育平, 2010）。浮游植物生长、繁殖与环境因素密切相关，其群落结构的改变能够反映水生态系统的变化，许多种类常被作为水环境监测的指示物种（Coste, 1991； Prygiel, 1991），在水体富营养化评价、水生态研究、水污染防治中的应用十分广泛（Zhang et al, 2011； 高彩凤等, 2012）。近年来关于汉石桥湿地中浮游植物群落结构及水质状况鲜有报道，本研究以汉石桥湿地南部核心区为研究对象，探讨春季浮游植物群落结构特征及其与环境因子的关系，并利用多种浮游植物生物学指标评价水质，以期为汉石桥湿地日常管理及水体富营养化防控提供科学依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

汉石桥湿地位于北京市顺义区杨镇西南，是潮白河水系箭杆河支流蔡家河下游的一座芦苇沼泽类型的原生湿地。湿地规划面积19 km2，实际控制面积5.73 km2，分为核心区、实验区与恢复区。湿地内四季分明，年降水量603mm，多集中于夏季。研究区域位于核心区南部，面积约0.29 km2，日常水体流动性差，水深常年小于1.2m，范围内共设置5 个采样站点（1#～5#），各采样站点位置如图1 所示。

1.2 研究方法

1.2.1 样品采集与检测 于2019年3 月、4 月、5 月各进行1 次调查，浮游植物样品采集参照《淡水生物资源调查技术规范》（DB43/T 432-2009）进行，在显微镜下进行种类鉴定及计数。水体酸碱度（pH）、电导率（EC）、透明度（SD）、溶解氧（DO）、水温（WT）、叶绿素a（Chl-a）、总氮（TN）、总磷（TP）、化学需氧量（COD）等理化指标的检测参照《水和废水监测分析方法》（第四版）进行。

1.2.2 浮游植物生物学指标计算 浮游植物密度（N｀）、生物量（B）、Shannon-Wiener 多样性指数（H｀）、Pielou 均匀度指数（J｀），优势度（Y）及Margalef 丰富度指数（D）等指标计算方法如下所示（汪梦琪等, 2018； 傅明珠等, 2014）：

式中，N｀：浮游植物密度（个/L），Cs：浮游植物计数框面积（mm2），V：1 L 样品浓缩后的体积（mL），Pn：某一种类的个数（个），Fs：显微镜视野面积（mm2），Fn：观察视野数（个），μ：浮游植物计数框体积（mL）；B：浮游植物生物量，aw：浮游植物的平均湿重；Y：密度优势度，ni：第i 种个体数，N：总个体数，fi：第i 种在各采样点出现频率；H｀：Shannon-Wiener 多样性指数，Pi：第i个种占总数比例；J：Pielou 均匀度指数，S：总物种数；D：Margalef 物种丰富度指数。

表1 N｀,B 和Chl-a 评价水体富营养化标准Table 1 Criteria for evaluating eutrophication on N', B and Chl-a

图1 采样站点分布Fig.1 Sampling site

1.2.3 数据分析方法 使用Canoco for windows 4.5 进行浮游植物数据与环境因子的典范对应分析（CCA）。利用多种浮游植物生物学指标评价水质状况，其中浮游植物密度（N｀）、生物量（B）及叶绿素a（Chl-a）的评价标准如表1 所示，生物多样指标性评价标准如下（吉正元等, 2019； 况琪军等, 2005）：

(1) Shannon-Wiener 多样性指数（N｀）：指数值＞3（轻度污染或无污染）；2～3（β-中度污染）；1～2（α-中度污染）；＜1（重度污染）。

(2) Pielou 均匀度指数（J）：指数值0.5～0.8（轻度污染或无污染）；0.3～0.5（中污染）；0～0.3（重污染）。

(3) Margalef 物种丰富度指数（D）：指数值＞4（清洁型 ）；3～4（寡污型）；2～3（β-中污型）；1～2（α-中污型）；0～1（多污型）。

2 结果与分析

2.1 浮游植物群落结构

2.1.1 种类组成及优势种 本次调查共发现浮游植物7 门44 属71 种，其中绿藻门26 种，占总数的36.62%，硅藻门21 种，占总数的29.58%，裸藻门9种，占总数的12.68%，蓝藻门5 种，占总数的7.04%，金藻门与隐藻门各4 种，均占总数的5.63%，甲藻门2 种，占总数的2.82%。3 月浮游植物发现28 种，4 月41 种，5 月60 种，浮游植物种类组成见图2。以每月至少在4 个采样站点出现，且密度优势度大于0.02 的浮游植物作为常见优势种（表2），针晶蓝纤维藻Dactylococcopsis rhaphidioides 是春季连续存在的优势种。

图2 浮游植物种类组成Fig.2 Species composition of Phytoplankton

2.1.2 密度及生物量 如图3 所示，调查期间浮游植物密度为1.14×106～23.33×106个/L，平均密度为8.99×106个/L，3 月浮游植物平均密度为2.48×106个/L，4 月 为14.03×106个/L，5 月 为9.22×106个/L。4 月金藻门的平均密度最大，达6.98×106个/L。浮游植物生物量为0.64～22.80mg/L，平均生物量为5.64mg/L，3 月浮游植物平均生物量为1.97mg/L，4 月为10.63mg/L，5 月为4.31mg/L。4 月平均生物量较大的类群是金藻门与裸藻门，金藻门平均生物量达2.75mg/L，裸藻门平均生物量达2.67mg/L。

表2 常见优势种及优势度Table 2 Common dominant species and dominance degree

表3 环境因子检测结果Table 3 Detection results of environmental factors

图3 浮游植物密度及生物量时间变化Fig.3 Time variation of phytoplankton density and biomass

2.1.3 CCA 分析结果 用常见优势种的密度与环境因子进行CCA 分析（表3），浮游植物种类及代码见表4。CCA 分析统计信息如表5 所示，排序轴1与排序轴2 的特征值分别为0.844 与0.524，物种环境相关系数分别为0.981、0.972，表明浮游植物数据与环境因子之间关系密切。前两轴累计解释了69.1%的物种变化信息和81.1%的物种-环境变化信息。从图4 可以看出，影响汉石桥湿地南部核心区春季浮游植物常见优势种分布的主要环境因子包括DO、EC、WT、TN、TP、COD，受环境因子影响常见优势种分布可分为4 类，第一类包括锥形拟金杯藻、分歧锥囊藻，与DO 呈正相关性，与SD 相关性较小；第二类为针晶蓝纤维藻，与DO、TN、TP 呈正相关性；第三类包括变形单鞭金藻和卵形隐藻，与TN、TP、EC 呈正相关性；第四类包括尖尾蓝隐藻、普通小球藻、双对栅藻、四足十字藻及蹄形藻，与水温、COD 呈正相关性，与SD 相关性较小。

表4 浮游植物种类及代码Table 4 Species and codes of phytoplankton

图4 浮游植物与环境因子CCA 排序图Fig.4 CCA biplot of phytoplankton and environmental factors

表5 浮游植物群落CCA 分析统计信息Table 5 Summary statistics of CCA performed on phytoplankton

2.2 浮游植物多样性及水质评价

以H｀×J 评价浮游植物多样性程度，按所得数值大小分为：差（＜0.6）、一般（0.6～1.5）、较好（1.6～2.5）、丰富（3.6～3.5）、非常丰富（＞3.5）（陈清潮等, 1994），综合来看H｀×J 均值为2.41，表明春季浮游植物多样性较好。以多种浮游植物生物学指标评价汉石桥湿地水体营养状况（表6），可以看出汉石桥湿地南部核心区春季水体处于贫-中营养状态，有轻度污染。

表6 水质富营养状况评价Table 6 Evaluation results of water eutrophication

3 讨论

3.1 浮游植物群落结构特征

春季3-5 月，硅藻门所占比例为16%～23%，呈先上升后下降的趋势，出现这种现象的原因与4 月多场降雨有关，小环藻属、针杆藻属等种类的生物量与降雨量呈显著正相关关系（孙祥等, 2018），雨水较少时,其数量相对稳定。金藻门所占比例为12%～27%，呈持续下降趋势，金藻门适宜生活在透明度大、水温低、有机质少的清澈水体中，一般在早春季节大量出现（Elizabeth, 2016）。裸藻门所占比例为6%～11%，呈先上升后下降趋势，裸藻多生长在相对静止的水体中，且对温度变化敏感（刘国祥, 2009），3 月温度回升，适宜裸藻生长，但4 月有多场降雨，频繁的气温变化导致裸藻种类数有所下降。绿藻门所占比例为23%～40%，呈持续上升趋势，多数研究表明绿藻门是水体中常见优势类群（蓝天, 2014； 安睿, 2016）。蓝藻门、隐藻门、甲藻门所占比例很小，与同类型研究结果类似（褚一凡等, 2019； 俞秋佳, 2014）。春季持续出现的优势种为蓝藻门的针晶蓝纤维藻，蓝藻门适应性强，具有极强的光吸收、耐受能力及能量利用效率，在青草沙水库（刘歆璞等, 2015）、宁夏沙湖（邱小琮等, 2011）等水体中也曾作为春季或常年优势种出现。

3.2 浮游植物群落结构与环境因子的关系

浮游植物群落结构是环境因子综合作用的结果，(DO)溶解氧参与浮游植物代谢过程，通常与水温呈负相关性（曾春芳等, 2010），研究中锥形拟金杯藻及分歧锥囊藻分布与DO 呈正相关性，同前文中提到金藻门在初春低温水体中大量生长的特性相符。电导率(EC)代表水体中离子含量水平，多数水体中EC 的升高与氮、磷营养盐含量增多有关，TN 与TP往往是影响水体浮游植物群落结构的主要环境因子(于洪贤等, 2014)，研究中变形单鞭金藻与卵形隐藻的分布与EC、TN、TP 呈正相关，同类型研究中关于隐藻的分布特征的描述与本结果相似（徐彩萍, 2013），而变形单鞭金藻并未表现出与锥形拟金杯藻及分歧锥囊藻相同的分布规律，这一结果是否具有普遍性需进一步研究。研究中普通小球藻、双对栅藻、四足十字藻与蹄形藻等绿藻门种类与水温、COD 呈显著正相关，符合绿藻门的生长特性。图3中针晶蓝纤维藻的位置比其它种类更接近原点，表明针晶蓝纤维藻对环境因子依赖性低、适应性更强，是前文中所述针晶蓝纤维藻是春季持续存在的优势种这一结果的有力佐证。

3.3 水质评价

利用多种浮游植物生物学指标共同评价水质状况以保障结果真实可靠，调查区域水体处于贫-中营养状态，受到轻度污染，前文中提到南部核心区水体类型为绿藻-硅藻型水体，而此类水体一般为中营养状态（王晓清等, 2013），水质评价结果与浮游植物群落结构研究结果基本吻合。北部核心区水体是南部核心区的主要补水来源，2007年3-11月北部核心区水体属于绿藻-蓝藻型水体，优势种主要为颤藻、裸藻、针杆藻与微囊藻（黄小波等, 2009）。2011年6 月汉石桥湿地水体属于绿藻-硅藻型水体，优势种为绿微囊藻、水华微囊藻和小球藻（刘盼等, 2013）。2013年4-10 月南部核心区春季浮游植物优势种为隐藻、绿藻及硅藻（武士蓉等, 2015）。与以前的调查结果相比，本次调查中有贫营养指示类群金藻门种类出现，且蓝藻门优势种由以前的颤藻属、微囊藻属等耐污种类转变为蓝纤维藻属，绿藻门优势种数量也逐渐增多，说明南部核心区水质较往年有所提升。

4 结论

汉石桥湿地南部核心区在春季共发现浮游植物7 门44 属71 种，属于绿藻-硅藻型水体，针晶蓝纤维藻是春季持续存在的优势种。春季浮游植物平均密度为8.99×106个/L，平均生物量为5.64mg/L，Shannon - Wiener 多样性指数平均值为3.09，Pielou 均匀度指数平均值为0.78，Margalef 丰富度指数平均值为3.60，表明春季浮游植物多样性较好，群落中物种种类丰富且分布均匀。CCA 分析结果表明，溶解氧、电导率、水温、总氮、总磷、COD等是影响浮游植物群落结构的主要环境因子。

以浮游植物密度、生物量、叶绿素a、Shannon-Wiener 多样性指数、Pielou 均匀度指数、Margalef丰富度指数共同评价水质状况，结果表明水体处于贫-中营养状态，受到轻度污染，与以前的调查结果相比，水质状况有进一步的提升。