北京永定河干流浮游植物群落结构特征及其水质评价

潘立峰，赵 文，陈既元，魏 杰，李 博，季世琛，王天宇

（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.北京市水生野生动植物救护中心，北京 102100）

浮游植物（Phytoplankton）是一种生态学概念，一般指在水中行浮游生活的藻类植物总称[1]，它们个体小、细胞结构简单、生命周期短，繁殖速度快[2]，是许多水生动物直接或间接的天然优质饵料[3]。浮游植物在水域生态系统中起着非常重要的作用，它们大多是初级生产者和各食物链的基本要素，起着维持水域生态平衡的作用[4]。此外，由于浮游植物的种类复杂多样[5]，不同的门类或种类的浮游植物对于不同的水环境水体水质的适应能力也不同，所以浮游植物也同样是水质的重要指示生物[6]。因此其群落结构特征也是评价水体营养化程度与生物生产力的重要指标[7]，开展群落结构监测对管控水生态安全具有重要意义[8]。

永定河是北京的五大水系之一，是海河流域五大水系中最庞大的一支，是北京西部重要的水源涵养区和生态屏障，被誉为北京的母亲河，也是北京市中最大水系[9]。永定河流域面积达到3 168km2，占全市面积的18.9%，河床的最宽处为5 000m[10]。浮游植物的种类组成、群落结构和丰富度的变化，会直接影响水体水质、系统中的能量流、物质流和生物资源的变动[11-12]。本文报道北京永定河干流上门城湖、莲石湖、晓月湖和宛平湖4个湖泊浮游植物群落结构特征，旨在为评价该河流污染状况、保护和开发利用生物多样性提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 采样时间与采样地点

于2017年的6月、9月与2018年6月、9月对北京永定河干流上4个湖泊即门城湖、莲石湖，晓月湖和宛平湖进行设点采样，样站设置见图1。

图1 永定河采样样站设置示意图

1.2 样品的采集与测定

浮游植物的采集和定性参考文献[13-16]进行，定量分析参照《水生生物学》（第2版）[16]提供的方法。

1.3 水样的测定

1.3.1 水体理化因子的测定方法

在采样现场同步测定水温、水深、pH与透明度，并且采取水样带回实验室完成其他理化因子的测定。水温:水温计法，透明度：Secchi盘法，酸碱度：梅特勒-托利多便携式pH计法，化学需氧量（COD）：酸性高锰酸钾法，溶氧（DO）：密尔沃基MW600便携式溶氧仪测定，总氮（TN）：过硫酸钾氧化—紫外分光光度法，总磷（TP）：钼锑抗分光光度法，氨氮（NH4-N）：纳氏试剂光度法，亚硝酸氮（NO2-N）：N-（1-奈基）-乙二胺光度法，硝酸氮（NO3-N）：紫外分光光度法，活性磷（PO4-P、P2O5）：钼锑抗分光光度法，碱度（HCO3-、CO32-）:酸碱滴定法，氯离子（Cl-）：硝酸银滴定法，硫酸根离子（SO42-）：EDTA容量滴定法，硬度（Ca2+、Mg2+）：EDTA络合滴定法（二步滴定），钾离子（K+）：四苯硼钠容量滴定法，钠离子（Na+）：差减法。

1.3.2 叶绿素a含量的测定

对于永定河水样中的叶绿素a含量采用分光光度法测定[17]。公式如下：

ρchl-a是样品中叶绿素a的含量（μg/L）；V0是样品提取液的体积（ml）；V是样品的实际用量（L）；L是测定池的光程（cm）。

1.4 数据处理与分析

对于分析和评价永定河水系的生物多样性研究，实验数据采用Excel软件进行处理，根据相关文献[18-19]，浮游生物的多样性指数多采用Shannon-Wiener指数（H′）、Pielou均匀性指数（J）以及优势种利用优势度（Y）进行确定。

浮游生物优势度（Y）用下式计算：

式中：ni为第i种的个体数，N为所有种类的的总个体数，fi为第i种的出现频率。以Y＞0.02的种类为优势种，当优势度Y＞0.3时，认为物种多样性较好。数据分析采用SPSS软件进行。使用Excel软件对水体指标以及浮游生物参数进行计算分析，并制表绘图。使用CANOCO进行典范对应分析（CCA）探讨浮游生物与环境因子之间的相关性。

1.5 评价标准

水质评价标准采用地表水环境质量标准（GB 3838-2002）进行评价，营养状态利用叶绿素a、总磷、透明度计算用加权综合营养状态指数TLI（Σ），计算公式为：

式中：TLI（∑）表示加权综合营养态指数；Wj表示第j种参数的营养状态指数的相关权重；TLI（j）表示第j种参数的营养状态指数。营养等级及评分值如表1所示。

表1 水质类别与评分值对应表

根据文献[20]，当浮游植物的多样性指数H′＞3时，水质类型为清洁-寡污型；当H′在1—3之间，水质为β-中污型；当H′为在0—1之间，水质为α-中污型。当浮游植物的均匀性指数J在0.8—1之间，水质为清洁型；当J在0.5—0.8之间，水质为清洁-寡污型；当J在0.3—0.5之间，水质为β-中污型；当J在0—0.3之间，水质为α-中污型。

2 结果与分析

2.1 永定河的水体理化因子

调查期间，永定河各湖环境因子的测定结果见表2。表2显示，各湖的氨氮含量均小于0.50，可见该水体氨氮含量处于正常范围；门城湖与晓月湖总磷含量在9月时突然升高，可能是由于水流交汇产生的积聚情况，再结合该取样点藻类的大量生长，可大致判断为蓝藻门浮游植物对水质造成了一定程度的影响。

表2 永定河水体理化因子及其季节变化

2.2 水体综合营养状态指数和营养状态等级

由表3可知，永定河整体水系为轻度富营养化，其中门城湖，晓月湖，宛平湖的营养状态等级都是轻度富营养化，而莲石湖营养状态等级为中营养。

表3 永定河综合营养状态指数和营养状态等级

2.3 浮游植物群落

2.3.1 浮游植物的种类组成及分布

调查期间共发现永定河浮游植物共有8门149种（见附表1），其中蓝藻门35种，硅藻门29种，黄藻门4种，金藻门2种，裸藻门5种，隐藻门和甲藻门各3种，绿藻门68种。可见永定河绿藻门的种类最多，其次是蓝藻门和硅藻门，其他类群种类较少。总体看来，四次采样绿藻门种类一直最多（图3），尤其是2018年6月时，共发现绿藻门浮游植物32种，但与2017年6月对比其所占比例降低，因为此次采样还发现了2017年6月未发现的甲藻门与隐藻门浮游植物，随时间的推移，永定河中浮游植物种类逐渐增加，但依然是以绿藻门，蓝藻门以及硅藻门浮游植物为主，种类较多，较为稳定。

图2 永定河各湖浮游植物种数的百分组成

图3 永定河全河浮游植物种数百分组成的时间变化

2.3.2 浮游植物优势种

根据浮游生物的密度计算出永定河浮游植物的优势度，其优势度Y＞0.02的种类为优势种[21]，永定河共检测出浮游植物优势种65种，其中蓝藻门25种，主要有卷曲鱼腥藻Anabaena circinalis、水华束丝藻Aphanizomenon flos-aquqe、细小隐球藻Aphanocapsa elachista、小型色球藻Chroococcus minor、小细鞘丝藻Leptolyngbra tenue、银灰平裂藻Merismopedia glauca、点状平裂藻Merismopedia punctata、微小平裂藻Merismopedia tenuissima、水华微囊藻Microcystis flos-aquae、中华尖头藻Raphidiopsis sinensia、湖泊浮鞘丝藻Planktolyngbya limnetica等；硅藻门11种，主要有扁圆卵形藻Cocconeis placentula、 梅尼小环藻Cyclotella meneghiniana、尖脆杆藻Fragilaria acus、简单舟形藻Navicula simplex、谷皮菱形藻Nitzschia palea等；黄藻门1种，即近缘黄丝藻Heterotrichales affine；隐藻门3种，即尖尾蓝隐藻Chroomonas acuta、卵形隐藻Cryptomonas ovata和啮蚀隐藻C.erosa；甲藻门1种，即挨尔拟多甲藻Peridiniopsis elpatiewskyi；绿藻门24种，主要有微小四角藻Tetraedron minimum、蛋白核小球藻Chlorella pyrenoidosa、普通小球藻C.vulgaris、蹄形藻Kirchneriella lunaris、四尾栅藻Scenedesmus quadricauda等。

2.3.3 浮游植物生物量

根据浮游植物的密度计算出浮游植物的生物量（见图4），由图4可见，永定河4湖浮游植物总平均生物量为10.64mg/L。永定河2017年6月浮游植物总生物量为22.56mg/L，9月浮游植物总生物量为30.29mg/L，2018年6月浮游植物总生物量为23.12mg/L，9月浮游植物总生物量为22.56mg/L。调查期间门城湖的总生物量为75.79mg/L，莲石湖的总生物量为19.98mg/L，晓月湖的总生物量为19.98mg/L，宛平湖的总生物量为40.65 mg/L。

图4 永定河各湖浮游植物生物量的时空变化

在2017年6月门城湖蓝藻门的生物量最大，但9月时硅藻门的生物量大幅度增加，与蓝藻门基本持平；而2018年9月时，硅藻门的生物量大幅度下降，而绿藻门的生物量处于采样期间内的最高值，绿藻门的生物量下降明显，同年9月晓月湖硅藻门生物量相较于6月稳定增长，宛平湖两年的6月蓝藻数量都很少，但在9月数量剧增，成为占比最大的门类，莲石湖总生物量在永定河水系中占比最少。永定河两年共4次采样调查中发现（图6），2017年9月绿藻门生物量有明显的下降，而蓝藻却大量增多。

图5 永定河各湖浮游植物生物量的百分组成

图6 永定河全河浮游植物生物量的百分组成

2.3.4 浮游植物密度

永定河浮游植物密度见图7，百分组成见图8，永定河浮游植物的平均密度为18.42×106个/L，永定河2017年6月浮游植物总密度为78.35×106个/L，9月浮游植物总密度为57.36×106个/L，2018年6月浮游植物总密度为46.9×106个/L，9月浮游植物总密度为112.26×106个/L。调查期间门城湖的总密度为102.73×106个/L，莲石湖的总密度为28.13×106个/L，晓月湖的总密度为60.76×106个/L，宛平湖的总密度为99.23×106个/L。其中蓝藻门最多，占比为64%，绿藻门次之，占比为27%，硅藻门占比为6%，甲藻门占比为1%，黄藻门占比为1%，裸藻门占比为1%，隐藻门占比为1%。蓝藻的密度最大，占比甚至超过一半。

图7 永定河各湖浮游植物密度的时空分布

图8 永定河浮游植物密度的百分组成

2.3.5 浮游植物多样性与均匀度指数

永定河浮游植物多样性指数总结于图9。图9显示，永定河4湖浮游植物多样性指数平均值为3.32。 永 定 河2017年6月 为2.91，9月 为2.56，2018年6月为4.25，9月为3.55。调查期间门城湖、莲石湖、晓月湖和宛平湖的浮游植物多样性指数分别为3.88、2.98、3.72和2.68。

图9 永定河各湖浮游植物多样性指数的时空分布

永定河4湖浮游植物均匀性指数平均值为0.68。 永 定 河2017年6月 为0.62，9月 为0.56，2018年6月为0.83，9月为0.71。调查期间门城湖、莲石湖、晓月湖和宛平湖的浮游植物均匀性指数分别为0.76、0.66、0.73和0.57。

2.3.6 浮游植物与环境因子间的典范对应分析

2017—2018年永定河的浮游植物与水体理化数据进行典范对应分析（CCA），并通过分析找出影响永定河浮游植物的关键环境驱动因子。其中浮游植物密度（D）和与NH4-N，Chl-a,TP显著相关，生物量（B）与环境无显著相关，多样性指数（H）和均匀度指数（J）均与温度（T）和SD显著相关。

3 讨论

3.1 永定河水体理化特征

由永定河水体理化数据实测值可知，各采样点的氨氮含量均小于0.5，可得出该水体氨氮含量处于正常范围；门城湖与晓月湖两取样点的总磷含量在9月时突然升高，可能是由于水流交汇产生的积聚情况，再结合该取样点藻类的大量生长，可大致判断为蓝藻门浮游植物对水质造成了一定程度的影响。浮游植物的生长需要氮、磷等营养盐类的供给，其中以磷和氮最为重要，常常成为浮游植物生长的限制性营养元素，通常来说磷是淡水水域中浮游植物生长的限制因子，氮是海洋中浮游植物生长的限制因子。大量的研究表明，氮、磷浓度的绝对数量、浓度及相对比例与浮游植物的增殖具有密切关系，当水库中的总氮和总磷浓度的比值在10—15时，最适宜于浮游植物的增长繁殖[24-25]。

图10 永定河各湖浮游植物均匀度指数的时空分布

图11 永定河全河浮游植物的多样性指数和均匀度指数的时间变化

图12 永定河浮游植物与环境因子的CCA分析

3.2 永定河浮游植物的群落结构

总体来说，永定河水系中浮游植物的种类较多，基本集中于蓝藻门、硅藻门和绿藻门,浮游植物密度随季节变化，呈明显变化趋势，夏季密度值高于春、秋季，其主要影响因素为水温较高、营养盐含量、降水量。浮游植物密度空间分布无明显差异，再根据永定河水系的生物多样性以及均匀度指数，通过评价标准判定出了该水系的水质，这对该水体的环境保护以及水质调节和生物修复等提供了参考，具有重大意义。

永定河浮游植物群落主要种类组成显示为蓝藻-硅藻型，这个结果也与其他北方河流的研究结果（表4）基本上一致[26-30]。永定河浮游植物密度以蓝藻门占比最多，这一结果与季世琛等（2018）在2021年对碧流河的研究结果相一致[26]，从种类数上来看，大于野鸭湖[28]，与太平湖相近[24]，远小于白石水库[27]和太子河[30]，密度上远大于太平湖[29]和太子河[30]，略大于白石水库[27]，远小于野鸭湖[28]。 生物量远大于太平湖[29]，与白石水库相近[22]，多样性指数大于野鸭湖，太平湖和白石水库[27-29]，小于太子河[30]，密度从整体上看变化规律是秋季大于夏季，永定河的生物量从整体上看是秋季大于夏季。永定河中浮游植物的优势种主要是卷曲鱼腥藻、普通小球藻。表明水体有部分污染。

表4 永定河浮游植物群落结构特征与其他水体的比较

3.3 永定河水体污染程度

根据多样性指数评价标准，门城湖平均香农-维纳指数为3.88，门城湖水质为清洁-寡污型，莲石湖平均香农-维纳指数为2.98，莲石湖水质为清洁-寡污型，晓月湖平均香农-维纳指数为3.72，晓月湖水质为清洁-寡污型，宛平湖平均香农-维纳指数为2.68，宛平湖水质为β-中污型，永定河水系的浮游植物的香农-维纳指数均大于2，根据多样性指数评价标准，永定河水系的整体水质是β-中污型，除宛平湖外水质都是清洁-寡污型，表明宛平湖污染较为严重。

永定河浮游植物的均匀度指数均大于0.5，根据均匀度指数评价标准，永定河水系的水质为清洁-寡污型。

根据加权综合营养状态指数，永定河整体为轻度富营养化，而莲石湖营养状态等级为中营养，与上述结果一致。

4 结论

2017—2018年调查期间，永定河浮游植物共检出8门149种，其中绿藻门种类最多，蓝藻门与硅藻门次之；全河浮游植物密度为18.42×106ind/L，蓝藻门的密度最大，其密度甚至超过了总体密度的一半，绿藻门和硅藻门的密度次于蓝藻门。此外，蓝藻门、绿藻门与硅藻门为优势种群，其代表优势种有卷曲鱼腥藻、细小隐球藻、湖泊浮鞘丝藻、银灰平裂藻、微小平裂藻、单生卵囊藻、小细鞘丝藻和近缘黄丝藻等，其优势种变化并不明显；全河浮游植物生物量平均值为10.64mg/L，以绿藻门占优势，蓝藻门与硅藻门次之。密度和种类的统计结果基本一致。浮游植物的香农维纳指数均处于2.00以上，属于β-中污型水体；均匀度指数均处于0.50以上，属于清洁-寡污型水体。综合营养状态指数TLI（∑）为54.2，属于轻度污染。