天津子牙河浮游植物群落结构特征及水质评价

张新月， 蔡鑫鹏， 李曌， 丁页， 赵修青， 卞少伟

(1.天津市生态环境监测中心，天津 300191;2.天津天滨瑞成环境技术工程有限公司， 天津 300191;3.中国环境监测总站，北京，100012)

天津子牙河自静海区第六堡至市区海河三岔河口，约30 km，流经天津市静海区、西青区、北辰区、河北区和红桥区，最终与北运河、南运河相汇入海河。近几年，天津子牙河受农业面源、生活污水和市政排水管网雨污合流等多方面的影响，污染较为严重。赵永志等[1]调查结果显示天津子牙河总体水质为劣Ⅴ类水体。水体营养盐浓度的升高对水生态系统健康状况影响，已成为研究热点，采用浮游植物监测调查对河流健康状况进行评价成为一种趋势。

水体营养盐浓度的升高会导致浮游植物数量大量增殖，造成河流水华爆发现象频发，水华的爆发会使水生态系统健康面临严重威胁，生态服务价值丧失。王捷等[2-5]调查发现汾河太原河段裸藻水华、天津海河干流蓝藻水华。本研究按照《河流水生态环境质量监测与评价技术指南》点位设置方法，选取了天津子牙河4个采样点开展冬季(1月)、春季(5月)、夏季(8月)、秋季(11月)水质和浮游植物采样调查，通过分析水环境质量状况、浮游植物生物学评价以及浮游植物群落结构与环境因子间关系，对天津子牙河开展水生态环境状况评价工作，为今后天津子牙河水生态环境保护、治理与修复提供基础资料和技术支持。

1 材料与方法

1.1 浮游植物样品采集与分析

根据天津子牙河的季节特点和藻类成长特点，在2020年1月、5月、8月、11月分别进行了采样，均布设4个采样点。采样具体位置(见图1)，pH和溶解氧采用仪器现场测定，水质样品的采样、分装、固定参照《地表水和污水监测技术规范》[6]，水质氨氮、总磷和化学需氧量等实验分析参照相关标准规范[7-10]，浮游植物采样工具主要为有机玻璃采水器和25号浮游生物网，定性样品用25号的浮游生物网(网孔直径0.064 mm)在水体下0.5 m处“∞”字形拖取3～5 min；定量样品用有机玻璃采水器在水体下0.5 m处，采取1 L水样。采集后的定性和定量的样品用鲁哥试剂进行固定及保存，实验室内Olympus BX51显微镜下进行浮游植物种类鉴定和个体计数[11]，标准化计算参照《水和废水监测分析方法》(第四版)(增补版)[12]。

图1 采样点位分布Figure 1 Distribution of sampling sites in Ziya River

1.2 数据处理

多样性指数包括优势度(Y)、Shannon-Wiener指数(H′)、Pielou均匀度指数(J′)、Margalef丰富度指数(D)，计算公式如下[13-16]：

式中ni为第i种的数量，N为采集样品中的所有种类总个体数；S为采集样品中的种类总数；fi为该种在各样品中出现的频率，Y≥0.02为优势种。本文使用Excel 软件进行数据库建设和统计、处理，统计图片的绘制，利用SPSS 18.0对浮游植物数据与环境数据进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 浮游植物的种类组成和优势种

2020年1月、5月、8月、11月，对天津子牙河浮游植物调查，共发现浮游植物7门43种属。其中：硅藻门和蓝藻门均为11种属，各占总物种数的25.6%；绿藻门16种属，占37.2%；金藻门2种属，占4.7%；甲藻门、隐藻门和裸藻门各1种属，均占2.3%。

冬季(1月)浮游植物优势种共2种属(具体种类见表1)，均为硅藻，细胞密度分别为4.06×107个/L和18.5×107个/L；春季(5月)浮游植物优势种共7种属，以硅藻为主，细胞密度变化在0.84×107～6.84×107个/L之间；夏季(8月)浮游植物优势种共8种属，以蓝藻为主，细胞密度变化在1.74×107～12.8×107个/L之间；秋季(11月)浮游植物优势种共4种属，以硅藻为主，细胞密度变化在1.77×107～42.5×107个/L之间(见表1)。

表1 天津子牙河浮游植物优势种及密度Table 1 Dominant Species and Density of Phytoplankton in Ziya River

2.2 浮游植物的数量变化特征

天津子牙河浮游植物数量分布特征显示(见图2)，2020年各采样点浮游植物细胞密度在5.86×107～40.5×107个/L之间，除2#采样点浮游植物密度峰值出现在夏季外，其余采样点位浮游植物密度峰值均出现在秋季，其中3#采样点秋季浮游植物数量为全年最大值。从表2中可以看出，天津子牙河浮游植物群落数量占比呈现硅藻-蓝藻相对占据绝对优势。

图2 天津子牙河浮游植物密度变化Figure 2 The temporal-spatial variation of phytoplankton density at each sampling site in Ziya River

根据藻密度评价的水华程度分级标准[17]：藻类数量<2.0×106个/L，无水华；2.0×106个/L≤藻类数量<1.0×107个/L，无明显水华；1.0×107个/L≤藻类数量<5.0×107个/L，轻度水华；5.0×107个/L≤藻类数量<1.0×108个/L，中度水华；藻类数量≥1.0×108个/L，重度水华。春季1#和4#采样点、夏季4#采样点均达到轻度水华标准；冬季1#、2#、4#采样点，春季2#、3#采样点，秋季4#采样点均达到中度水华标准；冬季3#采样点、夏季和秋季的1#、2#、3#采样点均达到重度水华标准；由此可见，天津子牙河水体富营养状况较为严重。

表2 天津子牙河浮游植物不同季节主要门类 占比情况(单位：%)Table 2 Proportion of dominant phytoplankton classes across four seasons in Ziya River (Unit:%)

续表

2.3 水质与生物评价状况

根据《地表水环境质量评价办法(试行)》中“当河流、流域(水系)的断面总数少于5个时，计算河流、流域(水系)所有断面各评价指标浓度算术平均值，然后水质类别评价采用单因子评价法方法”，对天津子牙河进行水质状况评价：冬季(1月)天津子牙河整体水质类别为Ⅳ类，水质状况为轻度污染；春季(5月)天津子牙河整体水质类别为Ⅲ类，水质状况为良好；夏季(8月)天津子牙河整体水质类别为Ⅴ类，水质状况为中度污染；秋季(11月)天津子牙河整体水质类别为Ⅳ类，水质状况为轻度污染。表3可知，各季节主要定级因子均为化学需氧量，各季度浓度均值分别为25 mg/L、15 mg/L、31 mg/L、25 mg/L，与2008年马仁宏等[18]在天津子牙河调查的水质评价结果相比，天津子牙河整体水质状况有明显改善。根据相关生物指数评价标准[15]，对天津子牙河进行水生态状况综合评价，冬季(1月)和秋季(11月)天津子牙河均达到中污染-重污染水平；春季(5月)和夏季(8月)天津子牙河均达到轻污染-重污染水平(见表4)。

表3 天津子牙河水质变化情况Table 3 The environmental factors of different seasons in Ziya River

表4 天津子牙河浮游植物多样性指数变化情况Table 4 Phytoplankton diversity index of different seasons in Ziya River

2.4 浮游植物群落结构与环境因子关系

Pearson线性分析表明，天津子牙河浮游植物密度数量与高锰酸盐指数呈极显著正相关，与化学需氧量呈显著正相关，Shannon-Wiener多样性指数和Pielou均匀度指数均与氨氮呈显著负相关。由此可知，影响天津子牙河浮游植物群落结构的主要环境因子为高锰酸盐指数、化学需氧量和氨氮(见表5)。

表5 浮游植物密度、多样性指数与环境因子的相关性Table 5 The correlation between community structure of phytoplankton and environmental factors

3 讨论

研究对天津子牙河浮游植物群落结构调查结果与王婧娜等[19]2015年天津子牙河杨柳青西合闸段的调查结果基本一致，表明天津子牙河已达到轻-重度水华程度。生物多样性指数常作为一个区域生态环境状况的客观指标而被广泛应用[20]，水质理化指标评价具有瞬时性，不能全面地反映河流健康状况，因此，研究将生物多样性指数与水质理化评价两种方法结合起来进行综合评价，得到的水生态状况结果更加可信和全面。

浮游植物群落结构受环境因素的综合影响，不同水体的环境因素对浮游植物群落结构的影响存在差异。李喆等[21]对松花江哈尔滨段的研究表明水温、CODMn和TP是影响浮游植物群落的主要环境因子；巴桑[22]等对拉萨河下游春、夏季的研究表明总磷和总氮是影响浮游植物群落的主要环境因子；天津子牙河氨氮、高锰酸盐指数和化学需氧量是影响浮游植物群落的主要环境因子，相关研究也表明，氨氮是浮游植物可以直接吸收的元素形态[23]，营养盐含量能够影响浮游植物的群落结构组成，同时营养盐与蓝藻和硅藻的耐污种类有很好的相关性[24]。在对天津子牙河的调查分析中，只针对了一年的四个季节以及水体中的部分理化因子，后续研究可以考虑开展浮游植物周年动态进行调查，还可增加其他环境因子进行全面分析，如水动力条件(水体置换等)对藻类生长繁殖、种间竞争以及营养物质混合与运移的影响。

4 结论

2020年天津子牙河浮游植物调查共发现到7门43种属，全年浮游植物的细胞密度范围在5.86×107～40.5×107个/L之间，与历史数据对比，水华分级、种类和密度等结果基本一致；根据水华分级标准，天津子牙河处于轻度-重度水华水平；天津子牙河种类群落呈现硅藻-蓝藻相对占据绝对优势；水质理化和生物指数评价结果，均表明天津子牙河水质受到一定程度的污染，与历史水质评价结果相比有所改善。