北运河水系浮游植物功能群与水体环境因子的关系

王汨，杨柏贺，马思琦，殷旭旺，徐宗学

（1.大连海洋大学水产与生命学院，辽宁省水生生物学重点实验室，辽宁 大连 116023；2.北京师范大学水科学研究院，北京 100875）

浮游植物个体较小，寿命短，时代周期短，繁殖旺盛[1,2]，是河流生态系统中的初级生产者，在河流生态系统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：优势种、密度、丰度、香浓维纳指数和均匀度指数等能准确反映出人类活动对河流生态系统环境短期的影响，常被作为衡量河流生态系统变化的重要指标[8,9]。根据浮游植物群落的功能性特征（如形态学特征和生态学特征），把在相同或相似环境下生活的浮游植物类群分为一类功能群[10-12]。功能群分析在河流生态学中有重要的意义[13-16]。

本研究通过调查分析2015年春、夏和秋3 季北京地区节北运河水系浮游植物群落特征和功能群的分布，研究影响北运河水系浮游植物功能群的主要环境因子，并利用香浓维纳指数和环境因子等评价春、夏和秋季北运河水系的水质状况，以期为北运河水系水体的研究和保护提供可靠的根据。

1 材料及方法

1.1 采样点为设置

北京是拥有文化遗产数量最多的城市之一，千百年来孕育了长城、颐和园等很多名胜古迹。北京夏季温度较高且多雨，春季和秋季时间较短。北运河是流经北京市东郊和天津市的海河支流。北运河水系是北京地区最为重要的排水系统，每年的径流量主要由雨水组成，河流流经朝阳区、海淀区、丰台区和大兴区等10 个区，沿途经过温榆河、通惠河和凉水河等多条河流，最终流入海河。根据北京地区北运河水系流经区域、北京的自然地理外貌和北京水文管理的报告，共设置19 个采样点位（图1）。

1.2 浮游植物采集、鉴定及水环境因子的测定

北京地区北运河水系各采样点在距水面50mL深处取2L 水样，滴入15mL 的鲁哥试液来固定采集的浮游植物样品，将采集后的样品送回实验室，让样品静置48h 之后，把采集的水样浓缩到100mL后，鉴定并计数[17-19]。

检测的水环境因子参数包括：水温（T）、溶解氧（DO）、pH、叶绿素a（Chl.a）、高锰酸盐指数（CODMn）、总磷（TP）、氟化物（F-）、氨氮（NH4+）和总氮（TN）[20]。

1.3 浮游植物功能群划分以及数据分析

计算北运河水系春、夏和秋季浮游植物群落物种数量、密度、香浓维纳指数（H'）和均匀度指数（J）[8,9]。

表1 北京地区北运河水系浮游植物功能群组成[9-16]Tab.1 Functional group composition in North Canal in Beijing

依Reynolds、Padisák 和王博涵等[9-16]的标准来划分对浮游植物的功能群（表1）。

在SPSS17.0 上进行相关性分析，Origin 7.0 上完成箱型图分析，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 上计算浮游植物群落的香浓维纳指数和均匀度指数，运用Canoco 4.5 进行PCA 和CCA 的分析，采样图的制作在Arc Map 10.3上进行[8,9]。

2 结果与分析

2.1 北运河水系浮游植物群落结构及功能群划分

2.1.1 北运河水系浮游植物群落结构特征

在北运河水系中鉴定出8 门浮游植物103 种，其中春季浮游植物物种数最高，为96 种，夏季为80种，秋季最少，为66 种。春季，绿藻门物种数量最高，为41 种，占浮游植物物种总数的42.71%，其次为硅藻门，物种数为27 种，占浮游植物物种总数的28.13%；蓝藻门密度最高，占浮游植物总密度的75.75%，其次为绿藻门，占浮游植物总密度的15.41%。夏季，绿藻门物种数量最高，为35 种，占浮游植物物种总数的43.75%，其次为硅藻门，物种数为27 种，占浮游植物物种总数的33.75%；蓝藻门密度最高，占浮游植物总密度的62.25%，其次为绿藻门，占浮游植物总密度的18.93%。秋季，绿藻门物种数量最高，为34 种，占浮游植物物种总数的51.52%，其次为硅藻门，物种数为16 种，占浮游植物物种总数的24.24%；绿藻门密度最高，占浮游植物总密度的31.28%，其次为硅藻门，占浮游植物总密度的25.51%（图2）。春、夏和秋季3 个浮游植物群落物种数和密度间无显著相关性（P＞0.05）。

春季北运河水系浮游植物物种数平均值最高，为22.53 种，物种数最高的点位在B9；秋季的物种数平均值最低，为15.31 种；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；春季浮游植物香浓维纳指数平均值是最高的，秋季的浮游植物群落的香浓维纳指数平均值是最低，春季浮游植物群落的均匀度指数平均值是最高，秋季浮游植物群落的均匀度指数平均值是最低的（图3）。

2.1.2 北运河水系浮游植物功能群特征分析

北运河水系的浮游植物可分为19 类功能群（表1）。秋季共17 类功能群，春季和夏季各15 类功能群，A 类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 类是夏季和秋季特有的浮游植物功能群。图4 比较了北运河水系各季节浮游植物功能群各类的数目和功能群密度〔ln（x+1）转换〕。春季J 数目是最多的，一共是30 种，其次为MP 类，共20 种；夏季MP 数目最多，为22 种，其次为J，19 种；秋季J 数目最多，为23种，其次为MP，10 种。从物种密度来看，春季密度最高的为S2，为4.13，其次为MP，为3.74；夏季密度最高的为Lo，为3.77，其次为MP，为3.68；秋季密度最高的为MP，为3.49，其次为J，为3.18（图4）。春、夏和秋季功能群数量与密度之间无显著相关性（P＞0.05）。

2.2 浮游植物功能群与水环境因子关系

北运河水系夏季的水温是最高的，秋季平均水温最低；水体平均pH 分别为7.97、7.89 和7.84，均呈弱碱性，春季TN、TP、Chl.a 和CODMn平均质量浓度最高，DO 平均质量浓度最低；夏季F-、NH4+、Chl.a平均质量浓度最高，TN 平均质量浓度最低；秋季DO 平均质量浓度最高，F-、NH4+、CODMn、TN 和Chl.a平均质量浓度最低（表2）。

三个季节水环境因子主成份分析（PCA）结果表明，春季筛选出对两轴影响最大的主要水环境因子为T、pH、TN 和TP；夏季影响最大的主要水环境因子为TN、CODMn、DO 和TP；秋季影响最大的主要水环境因子为TN、DO、TP 和CODMn（图5）。

表2 北运河水系水环境因子的比较（±s）Tab.2 The environment factors in North Canal in different seasons

表2 北运河水系水环境因子的比较（±s）Tab.2 The environment factors in North Canal in different seasons

北运河水系不同季节浮游植物功能群与环境因子的典范对应分析表明：春季，主要影响浮游植物群落结构的水环境因子是TP（P=0.01，F=2.26），TP 主要影响的是第2 轴，其与第2 轴呈正相关性，T和pH 对第2 轴有一定影响，与第2 轴呈正相关性。TN 对第1 轴有一定影响，与第1 轴呈正相关性；夏季，北运河水系主要影响浮游植物群落结构的水环境因子是TP（P=0.01，F=2.45）和TN（P=0.03，F=1.87），TP 和TN 对第1 轴影响较大，与第1 轴呈正相关性；秋季，影响北运河水系浮游植物群落结构的主要水环境因子是CODMn（P=0.01，F=2.38） 和TP（P=0.04，F=1.96），DO 对第2 轴有一定影响，与第2轴呈负相关性（图6）。

3 讨论

本次野外调查中共鉴定出浮游植物8 门101种，春季物种数平均值最高，秋季物种数平均值最低，3 个季节中，绿藻门物种数最多，硅藻门次之，其他门类物种数较少。就密度而言，春季平均密度高于夏季和秋季，春季和夏季蓝藻门最高，秋季绿藻门密度最高，这是由于春夏季随着温度升高，有丝的蓝藻门大量繁殖，使其细胞密度增加[21]。

北运河水系春、夏季和秋季浮游植物群落的香浓维纳指数平均值分别为1.32、1.22 和1.14，均匀度指数平均值分别为0.85、0.82 和0.77，仅依据浮游植物群落香浓维纳指数评价水质标准[24]，春、夏和秋季3 个季节香浓维纳指数值为1～2，北京北运河水系呈中度污染[22,23]。

北运河水系共划分出19 类浮游植物功能群，秋季功能群物种数最高，春季和秋季J 类物种数最多，夏季MP 类物种数最多，3 个季节中J 类和MP类物种数占比均较大。大部分J 类是绿藻门物种，主要喜欢生长在富营养化水体中，在城市水体中，绿藻门物种本身较多[25,26]，如栅藻属、十字藻属等，增加了J 类的物种数量。就密度而言，春季S2 类密度最高，夏季Lo 类密度最高，秋季MP 类密度最高，春季温度升高，使S2 类的钝顶螺旋藻生长迅速，细胞数量增加，密度相继增加[9-12]。色球藻和平裂藻适应水体的能力较强，生长和繁殖速度较快，细胞数量更加庞大，导致夏季Lo 类密度最高。3 个季节中MP 类密度均较高，占有一定优势，这是因为北运河水系的水体环境适合该类藻种的生长繁殖，而大多数硅藻门的种类以及蓝藻门的颤藻类和小席藻都属于这一功能群，细胞数较多，所以MP 在每个季节中密度均较大，优势明显[9-12]。3 个季节中，A 类是夏季特有的浮游植物功能群，主要以粗刺藻属为主，喜欢生活在清洁的水体中，对水深和pH 都有一定要求，春季只有B18 点出现A 类，说明此点位水环境相对较好。E 是春季和秋季特有的浮游植物功能群，代表物种为分歧锥囊藻，喜欢生活在富营养化的浅水中，说明春季和秋季部分点位水体已呈富营养化。W2 和TB 类是夏季和秋季特有的浮游植物功能群。W2 代表物种囊裸藻喜欢生活在中富营养化水体，TB 代表物种变异直链藻一般生活在水流速过快的水体，夏季北运河水系水流速比春季和秋季缓慢，可能是没有出现TB 的原因。就浮游植物功能群来看，不同季节的浮游植物功能群组成不同，且3个季节水体均呈富营养化。

总磷对北京地区北运河水系各季节浮游植物功能群都有一定影响。总磷是水生生物生长繁殖中不可缺少的营养物质[25-27]，是春季影响北运河水系浮游植物功能群的主要环境因子，主要影响E 和W2，并与其正相关，对MP 和J 类呈负相关。夏季主要影响北运河水系浮游植物功能群的环境因子是总磷和总氮[28-30]，夏季总氮对C 和X2 类功能群有一定影响，总磷则对MP 类功能群有影响。高锰酸钾指数也是水文环境监测中的重要指标，秋季北运河水系高锰酸钾质量浓度平均值为4.42mg/L，已经超过了国家指标。高锰酸钾指数和总磷是主要影响秋季浮游植物功能群的环境因子；高锰酸钾指数对C有一定影响，并与其呈正相关，总磷对W2 有一定影响，并与其呈正相关。

本次调查研究表明，北运河水系受人为干扰较为严重，工业污水的排放也对水质也有很大的影响，政府应该积极保护水源，严禁在水源地和水源补给区砍伐森林、硬化路面，严禁有害废水和生活污水等，鼓励市民节约用水，提高水量的利用率。要不断完善水资源保护利用的法律、法规，严格执法。