大运河（沧州段）浮游植物群落特征与水体营养状况分析

王君，陈新，李末，张亚楠，蒋照宏

（沧州师范学院生命科学学院，河北 沧州 061001）

近年来，随着我国社会的迅速发展，人类活动严重影响了河流生态系统，城市化、工业化、土地利用方式的转变以及水利工程建设等诸多问题，改变了当前我国大部分城市河道的水文状况、径流量，严重影响了河道形态、河流流态及水沙关系，导致我国生境上、下游间发生变化，城市固有的生态均衡体系也遭受破坏，河流生态系统退化，水体富营养化程度加剧，生物资源多样性减少等，河流生境健康遭遇严峻的挑战[1-3]。因此，河流生态问题成为当前世界生态学研究的关键内容。

沧州段大运河南起吴桥县，北至青县，河道全长215 km，是京杭大运河流经最长的一个城市，市区内河道蜿蜒曲折极具特色，呈现出“三弯抵一闸”的古老河道格局。运河有着悠久的文化底蕴，带动了周边城镇工农业和经济发展，对城镇建设也有着重要影响[4]。浮游植物作为我国水环境生态系统的重要构成部分，是实现水体能源流动与物质循环的重要一环，其中的生物资源多种多样，分布宽泛，不仅直接影响水体中其他微生物的形态及其分布，对人类的生存与活动也具有重要意义。浮游植物对水环境变化反应敏感，在不同水质的各水体中，浮游植物的种类、数目及其群落的分布各具不同特征与规律。因此深入研究浮游植物群落结构的变化特点，可综合评价水体营养状况，为其水体环境治理提供理论依据。

在人与自然和谐相处的现代生活中，关于河流生态系统的研究倍受社会的广泛关注。近年来，大运河的水体污染状况日益加剧，河流生态系统受到了严重的损害，承受的压力逐渐增大，水资源流失、水体污染和水体的富营养化等问题时常出现[5-7]。而水资源和水环境的修复工作要从整个河流生态系统的角度入手，更要注重河流生态系统现存问题[8]。近年来，沧州工业化和城市化的迅速发展，工业废水、农业废水和生活污水的不合理排放，使大运河沧州段水体污染加剧，水环境急剧恶化，影响了城镇的发展。本研究对沧州段大运河自上游到下游按河流走向依次选取7 个具有代表性的监测断面，在不同时间段分析和监测了水体浮游植物群落结构特征及其主要水环境因子，运用生物学指标和水环境指标综合评估了水质污染等级，最后通过Pearson相关性分析进一步探讨浮游植物群落结构与环境因子之间的关系，为大运河（沧州段）浮游植物群落分布特征的研究、评估大运河沧州段的水质状况及水体污染治理与大运河生态修复提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

根据大运河沧州段的实际环境情况与水文特征，选取7 个有代表性的采样断面：S1（桑园桥）、S2（连镇桥）、S3（运河桥）、S4（代庄闸）、S5（三姓村桥）、S6（建设路）和S7（青县桥）（图1）。这7 个断面都处于沧州段大运河的主流河道上。

图1 采样点分布Fig.1 The sampling site

1.2 样品的采集

2020 年春季（4 月）、夏季（6 月）、秋季（9 月）在沧州段大运河各采样点采集水样。

1.2.1 浮游植物样品的采集[9,10]

在不同时间段，用25#浮游生物网在各采样点水面下0.5 m 左右呈“∞”状匀速拖行数分钟，定性采集浮游植物样品，采集后立刻加入4%的甲醛溶液现场固定。定量样品使用1 L 的有机玻璃采水器采集，采集后现场加入1.5%的鲁哥试液进行固定。浮游植物样品带回实验室静置48 h，浓缩至30 mL，采用0.1 mL 的计数框，在400 倍显微镜（OLYMPUS）下鉴定浮游植物物种。每个样品计数两次。用于分析浮游植物群落结构组成、密度、优势种及物种多样性等。

1.2.2 大运河沧州段水样的采集[11,12]

在春季，夏季，秋季分别对7 个采样断面用多参数水质分析仪现场测定pH、水温（T）、溶解氧（DO），用塞氏盘测定水体透明度。使用2 L 有机玻璃采水器分别采集上、中、下三层水样混匀后取1 L水样，加入2 mL 氯仿固定，用于测定总氮（TN）、总磷（TP）含量；取500 mL 水样，加入1 mL 浓硫酸固定，用于测定高锰酸盐指数（CODMn）；取上层水样500 mL，用滤膜（0.5 μg）抽滤，避光保存，用于测定叶绿素a（Chla）含量。剩余水样低温保存至水样瓶中，48 h 内送回实验室。

1.3 大运河沧州段浮游植物调查分析

1.3.1 浮游植物优势度

运用Mc-Naughton 优势度指数（Y）计算出大运河沧州段浮游植物的优势度[13,14]。

优势度计算公式为：Y=（ni/N）×fi。公式中：ni，浮游植物第i 种类的个体数目；fi，浮游植物第i 种类在采样点中出现的频率；N，采样点中浮游植物所有个体的总数；如果Y>0.02，则该种类为这个采样点中的优势种。

1.3.2 浮游植物多样性分析

运用Shannon-Wiener 多样性指数（H），Pielou均匀度指数（J）和Margalef 丰富度指数（d）分析沧州段大运河浮游植物群落的结构特征，综合评价水体的污染等级[15,16]，各多样性指数的计算公式及评价标准[17]见表1。

表1 群落特征指数及评价标准Tab.1 Community characteristic index and evaluation criteria

1.3.2 大运河沧州段水体理化指标的测定

美国科学家卡尔森于1997 年提出了卡尔森指数（Carlson Tropic State Index，TSI），但因其评判水体的富营养化只以DO 为基准，存在片面性和单一性。日本科学家相崎守弘等提出了修正的营养状态指数，即以Chla 浓度和其他水体理化指标为基准的营养状态指数TSIM[18,19]。评价指标为：TSIM<37，为贫营养；TSIM 在38～53 之间为中营养；TSIM>53 为富营养。

修正的卡尔森营养状况指数计算方法如下：

总氮（TN）的测定：TSIM（TN）=10×[2.46+（3.93+1.35×InTN）]/In2.5。

总磷（TP）的测定：TSIM（TP）=10×[2.46+（6.71+1.15×InTP）]/In2.5。

叶绿素a 含量的测定：TSIM（ChIa）=10×[2.46+InChIa]/In2.5。

悬浮物的测定：TSIM（SS）=10×[1.12+1.04×InSS]/In2.5。

高锰酸钾指数的测定：TSIM（CODMn）=10×[0.11＋2.66×In CODcr）]/In2.5。

1.4 数据处理

利用Origin 2021、Excel 2019 软件绘图及数据分析，并运用SPASS 25.0 统计分析软件对浮游植物与环境因子进行Pearson 相关性分析，探讨环境因子与浮游植物的相关性。

2 结果与分析

2.1 大运河沧州段浮游植物群落结构特征

2.1.1 大运河沧州段浮游植物群落组成

2020 年春季、夏季与秋季在大运河（沧州段）共监测出浮游植物8 门85 种，其中绿藻门（Chlorophyta）30 种、蓝藻门（Cyanophyta）15 种、硅藻门（Bacillariophyta）12 种、裸藻门（Euglena）10 种、隐藻门（Pyrrophyta）7 种、甲藻门（Pyrrophyta）6 种、金藻门（Chrysophyta）4 种、黄藻门（Xanthophyta）1 种。绿藻门、蓝藻门和硅藻门种类数最多，分别占总种数的35.3%、17.6%和14.1%（图2、表2）。

图2 大运河沧州段浮游植物种类组成Fig.2 Species composition of phytoplankton in Cangzhou section of Grand Canal

表2 大运河沧州段浮游植物Tab.2 Phytoplankton in Cangzhou section of Grand Canal

2020 年春季共监测浮游植物7 门49 种。其中绿藻门最多，为16 种，占总种数的32.7%；硅藻门和蓝藻门次之，分别为11 种和10 种，占总种数的22.4%和20.4%；裸藻门和甲藻门种类较少，为5 种和4 种，占总种数的10.2%和8.2%；隐藻门和金藻门最少，分别为2 种和1 种，仅占总种数的4.1%和2.0%（图3）。

图3 大运河沧州段春季浮游植物组成Fig.3 Composition of phytoplankton in Cangzhou section of Grand Canal in spring

续表1

2020 年夏季共监测浮游植物7 门54 种。其中绿藻门较多，为18 种，占总种数的33.3%；其次是蓝藻门和硅藻门，均为9 种，均占总数的16.7%；裸藻门与甲藻门种数较少，分别为7 种和5 种，占总数13%和9.2%；隐藻门与金藻门最少，分别为4 种和2 种，占总数的7.4%和3.7%（图4）。

图4 大运河沧州段夏季浮游植物组成Fig.4 Composition of phytoplankton in Cangzhou setion of Grand Canal in summer

2020 年秋季共监测到浮游植物种类8 门76种。绿藻门的种数最多，为26 种，占总数的34.2%；蓝藻门、硅藻门和裸藻门较多，分别为15 种、11 种和9 种，占总种数的19.7%、14.5 和11.8%；隐藻门和甲藻门种类较少，为7 种和5 种，仅占总数的9.2%和6.6%；金藻门和黄藻门最少，分别为2 种和1 种，占总种数的2.6%和1.3%（图5）。

春季和夏季分别监测出7 门浮游植物，秋季共监测出8 门浮游植物，秋季多检出黄藻门。秋季浮游植物种类明显比春夏季更加丰富，三季中均为绿藻门的种数最多，绿藻门和蓝藻门的种类在秋季明显增多，其他门类的种数由春季到秋季都有所增长（图3～图5）。

图5 大运河沧州段秋季浮游植物组成Fig.5 Composition of phytoplankton in Cangzhou setion of Grand Canal in autumn

2.1.2 大运河沧州段浮游植物密度

监测期间大运河（沧州段）春夏秋三季的浮游植物平均密度为2.49×108cells/L，其中蓝藻门、硅藻门、绿藻门、金藻门密度较大，蓝藻门密度为9.74×107cells/L，占总密度的39.19%；硅藻门密度为6.05×107cells/L，占总密度的24.35%；绿藻门4.26×107cells/L，占总密度的17.12%；金藻门为3.51×107cells/L，占总密度的14.11%。甲藻门、隐藻门、裸藻门的浮游植物密度较小，其中甲藻门密度为2.65×106cells/L，占总密度的1.07%；隐藻门密度为8.10×106cells/L，占总密度的3.26%；裸藻门为2.24×106cells/L，占总密度的0.9%。黄藻门密度最小为1.01×104cells/L 占总密度的0.004%（表3）。

表3 大运河（沧州段）浮游植物群落密度组成Tab.3 Phytoplankton community density composition in Cangzhou section of Grand Canal

监测期间不同季节浮游植物密度的组成如图6所示。大运河（沧州段）春季的浮游植物总密度为1.70×108cells/L，其中蓝藻门的浮游植物密度最大为6.10×107cells/L，占总密度的35.88%。其次是硅藻门和绿藻门，硅藻门为5.43×107cells/L，占总密度的31.99%；绿藻门为4.86×107cells/L，占总密度的28.58%。裸藻门、隐藻门、甲藻门密度较小，其中裸藻门为2.10×106cells/L，占总密度的1.24%；隐藻门为1.77×106cells/L，占总密度的1.04%；甲藻门密度为1.10×106cells/L，占总密度的0.65%；。金藻门密度最小为6.31×104cells/L，占总密度的0.04%。

图6 大运河沧州段不同季节浮游植物密度变化Fig.6 Seasonal density changes of phytoplankton in Cangzhou section of Grand Canal in different seasons

大运河（沧州段）夏季的浮游植物总密度为4.93×108cells/L，其中蓝藻门的密度最大为2.49×108cells/L，占总密度的50.5%。硅藻门、绿藻门密度较大，其中硅藻门密度为1.19×108cells/L，占总密度的24.17%；绿藻门密度为1.09×108cells/L，占总密度的22.03%。甲藻门、隐藻门、裸藻门的密度较小，其中甲藻门密度为6.64×106cells/L，占总密度的1.35%；隐藻门密度为7.95×106cells/L，占总密度的1.61%；裸藻门密度为1.60×106cells/L，占总密度的0.32%。金藻门密度最小为9.29×104cells/L，占总密度的0.019%。

秋季浮游植物总密度为2.53×108cells/L，金藻门密度最大，为1.05×108cells/L，占总密度的41.62%。硅藻门、蓝藻门、绿藻门、隐藻门的密度较大，其中硅藻门密度为6.24×107cells/L，占总密度的24.70%；蓝藻门密度为4.32×107cells/L，占总密度的17.11%；绿藻门密度为1.9×107cells/L，占总密度的7.53%；隐藻门密度为1.64×107cells/L，占总密度的6.48%。裸藻门与甲藻门的密度较小，其中裸藻门密度为5.13×106cells/L，占总密度的2.03%；甲藻门密度为1.31×106cells/L，占总密度的0.52%。黄藻门密度最小，为3.06×104cells/L，占总密度的0.01%。

总的来说，春夏秋三季的浮游植物密度有着明显变化。夏季浮游植物密度比春、秋季大，其中春季和夏季浮游植物群落主要由蓝藻、绿藻、硅藻组成，秋季浮游植物群落主要由金藻、硅藻、蓝藻组成。分析发现，秋季硅藻和金藻明显占比更大，说明这两种藻类适宜在秋季生长，而绿藻和蓝藻适宜在夏季天气炎热的条件下生长。

2.1.3 浮游植物的优势种分析

大运河（沧州段）浮游植物优势度>0.02 的优势种共有4 门6 种：硅藻门2 种、蓝藻门2 种、绿藻门1 种、金藻门1 种。硅藻门中新月筒柱藻和小环藻的出现频率最高，三个季节同时存在。浮游植物在不同季节的优势度存在明显的区别。春季共监测优势种3 门4 种，硅藻门的新月筒柱藻为主要优势种，优势度为0.239；夏季共监测优势种3 门5 种，其中，蓝藻门的颤藻为主要优势种，优势度为0.295；而秋季共监测优势种2 门3 种，其中金藻门的棕囊藻为主要优势种，其优势度为0.416（表4）。

表4 大运河（沧州段）春夏秋三季浮游植物优势度Tab.4 Dominance of phytoplankton in Cangzhou section of Grand Canal in spring,summer and autumn

通过分析发现浮游植物优势种在春夏秋三季具有明显的变化规律，蓝藻门的颤藻和栅藻与绿藻门的小球藻为春夏两季的优势种；硅藻门的新月筒柱藻在春夏秋三季均为优势种；秋季最主要优势种是金藻门的棕囊藻，其次是硅藻门的小环藻。颤藻、栅藻、小环藻都是富营养水体中常见的优势种[20,21]，小球藻为水体严重污染指示物[22]，棕囊藻为有毒藻类，新月筒柱藻为有害藻类。由优势种可知，大运河（沧州段）的大部分水体受到了一定程度的污染。

2.1.4 浮游植物的多样性研究

2.1.4.1 浮游植物Shannon-Wiener 多样性指数

监测期间内大运河沧州段7 个监测断面的浮游植物群落Shannon-Wiener 多样性指数为0.29～2.93。秋季多样性指数明显高于春季，春季高于夏季；春季多样性指数最高的采样点是桑园桥1.78，最低的采样点是建设路0.76；夏季多样性指数最高的采样点是青县桥为1.65，最低的采样点是建设路为0.59；秋季多样性指数最高的采样点是在青县桥为2.93，最低的采样点是连镇桥1.56（图7）。

图7 浮游植物Shannon-Wiener 多样性指数Fig.7 Shannon-Wiener diversity index of phytoplankton

2.1.4.2 浮游植物Pielou 均匀度指数

在监测期间内大运河沧州段7 个监测断面的浮游植物群落Pielou 均匀度指数为0.23～0.80。秋季Pielou 均匀度指数明显高于夏季，夏季高于春季；春季均匀度指数最高的采样点是青县桥0.76，最低的采样点是建设路0.26；夏季均匀度指数最高的采样地点是青县桥为0.68，最低的采样地点是建设路为0.23。秋季均匀度指数最高的采样地点是青县桥为0.80，最低的采样地点是连镇桥为0.44（图8）。

图8 浮游植物Pielou 均匀度指数Fig.8 Pielou evenness index of phytoplankton

2.1.4.3 浮游植物Margalef 物种丰富度指数

在监测期间内，大运河沧州段7 个监测断面的浮游植物群落Margalef 物种丰富度指数为0.53～2.30。秋季Margalef 物种丰富度指数明显高于春夏季，春季均匀度指数最高的采样地点是代庄闸为1.55，最低的采样地点是建设路为0.53；夏季均匀度指数最高的采样地点是三姓村桥为1.24，最低的采样地点是建设路为0.68。秋季均匀度指数最高的采样地点是青县桥为2.30，最低的采样地点是运河桥为1.14（图9）。

图9 浮游植物Margalef 物种丰富度指数Fig.9 Margalef species richness indes of phytoplankton

2.1.4.4 浮游植物多样性指数分析

监测期间Shannon-Wiener 多样性指数春季为1.84，夏季为1.77，污染等级均为α-中污染；秋季为2.36，污染等级为β-中污染。Pielou 均匀度指数春季为0.57，为轻污染，夏季为0.44，为中污染；秋季为0.54，为轻污染。Margalef 物种丰富度指数春季为2.86，夏季为2.64，污染等级均为β-中污染；秋季为3.87，为无污染。秋季各项多样性指标污染等级低于春夏，大运河沧州段的污染等级为中度污染（表5）。

表5 不同季节大运河（沧州段）浮游植物群落多样性指数Tab.5 Diversity index of phytoplankton community in the Grand Canal（Cangzhou section）in different seasons

2.2 大运河沧州段水体营养状况分析

2.2.1 大运河沧州段水体环境特征

监测期间，沧州段大运河不同季节采样点的水环境因子数值如表6 所示。由表7 可知，沧州段大运河夏季水温平均值最高为26.52℃，春季水温平均值最低为7.77℃；春、夏、秋三季的pH 平均值分别为7.82、8.43 和8.25，水体均呈现弱碱性；水体透明度夏季最高，为4.52，秋季最低，2.76。春季水体中总氮（2.34 mg/L）、总磷（0.22 mg/L）、叶绿素a（1.41 mg/L）平均值最高，氨氮（0.25 mg/L）平均值最低；夏季水体悬浮物（51.70g）、氨氮（0.93 mg/L）、硝态氮（1.61 mg/L）和高锰酸钾（23.76 mg/L）平均值最高，溶解氧（4.62 mg/L）平均值最低；秋季溶解氧含量（7.89 mg/L）平均值最高，悬浮物（14.80 g）、硝态氮（0.88 mg/L）、总氮（1.41 mg/L）、总磷（0.04 mg/L）、叶绿素a（0.53 mg/L）和高锰酸钾（7.30 mg/L）平均值最低。三个季节中各项水环境因子的数值差异明显。

表6 大运河（沧州段）不同季节水环境因子的数值Tab.6 Values of water environmental factors in the Grand Canal（Cangzhou section）at different seasons

表7 大运河（沧州段）不同季节水环境因子平均值的比较Tab.7 Comparison of the average values of water environmental factors in the Grand Canal（Cangzhou section）at different seasons

2.2.2 大运河沧州段水体富营养化程度

春夏两季的TSIM平均值分别为68.16 和64.85，均为富营养型水体。秋天的TSIM平均值为51.4，为中营养型水体。由于季节原因秋季水体为中营养型水体，但整体分析大运河（沧州段）的水体营养化程度污染较严重（表8）。

表8 不同季节各项指标的修正的卡尔森营养状况指数Tab.8 The revised Carlson nutritional status index of each index in different seasons

2.2.3 浮游植物群落多样性与水环境因子的相关性分析

通过对沧州段大运河浮游植物群落多样性指标与水环境因子进行Pearson 相关性分析，如表9所示，浮游植物群落Shannon-Wiener 多样性指数在春季与总氮（TN）、叶绿素a（Chla）表现为极显著正相关（P<0.01），Pielou 均匀度指数与总氮（TN）、叶绿素a（Chla）表现为显著正相关（P<0.05）；浮游植物群落Shannon-Wiener 多样性指数在夏季与硝态氮（NO3-N）浓度表现为显著正相关（P<0.05）；Pielou 均匀度指数与温度（T）表现为显著负相关（P<0.05），与硝态氮（NO3-N）浓度表现为显著正相关（P<0.05）；Margalef 物种丰富度指数与溶解氧（DO）浓度表现为显著负相关（P<0.05）。浮游植物群落Shannon-Wiener 多样性指数在秋季与总磷（TP）浓度表现为极显著负相关（P<0.01）；Pielou 均匀度指数与总磷（TP）浓度表现为显著负相关（P<0.05）；Margalef物种丰富度指数与溶解氧浓度（DO）、总氮（TN）表现为极显著负相关（P<0.01），与叶绿素a（Chla）浓度表现为显著正相关（P<0.05）。结果表明，浮游植物群落多样性指数与叶绿素a（Chla）、总氮（TN）的相关性最大，均为3 次显著相关，与硝态氮、总磷、溶解氧浓度为2 次显著相关，与温度为1 次显著相关。

表9 浮游植物群落多样性指标与水环境因子的相关性Tab.9 Correlation between phytoplankton community diversity indicators and water environmental factors

3 结论

大运河沧州段共监测浮游植物8 门85 种。春夏季浮游植物种类明显少于秋季，在三个季节中绿藻门的种数均为最多，秋季绿藻门、蓝藻门的种类数增幅明显。春季和夏季浮游植物群落主要以绿藻、硅藻和蓝藻为主，秋季主要以金藻、硅藻、蓝藻为主。新月筒柱藻、小球藻、颤藻和栅藻为春季优势种，小环藻、小球藻、颤藻、栅藻、新月筒柱藻为夏季优势种，小环藻、新月筒柱藻、棕囊藻为秋季优势种。小环藻、颤藻、栅藻是富营养水体种常见的优势种，小球藻为水体严重污染指示物，棕囊藻为有毒藻类，新月筒柱藻为有害藻类。监测期间Shannon-Wiener 多样性指数、Pielou 均匀度指数和Margalef 丰富度指数对不同季节沧州段大运河浮游植物群落的结构特征的分析和水体污染等级综合评价结果表明，秋季污染等级低于夏季和春季，为中度污染，说明大运河（沧州段）水体呈现一定程度的污染，季节变化影响污染等级。

对大运河沧州段不同季节各项水环境因子指标的监测表明，三个季节中各项水环境因子的数值具有明显差异。运用修正的卡尔森营养状况指数TSIM分析表明，沧州段大运河水体富春季和夏季的TSIM平均值分别为68.16 和64.85，均为富营养型水体，秋季TSIM 平均值为51.4 为中营养型水体。秋季水体为中营养型，但整体上大运河（沧州段）的水体营养化程度较严重。

对浮游植物群落多样性指标与水环境因子的Pearson 相关性分析表明，大运河沧州段浮游植物多样性指数与叶绿素a（Chla）、总氮（TN）、硝态氮（NO3-N）、总磷（TP）、溶解氧（DO）含量的相关性最为密切，与温度（T）也具有一定的相关性。