漢石橋濕地春季浮游植物群落結構及水質評價

張勇 閆飛 董雪 蔡春軼* 許亞明 楊燕 崔世鋒 李文 季世琛

(1 北京市順義區漢石橋濕地自然保護區管理辦公室 北京 101309；2 北京圣海林生態環境科技股份有限公司 北京 100083）

浮游植物是水中初級生產者的重要組成部分，參與水生態系統的物質循環與能量流動，對維持水生態系統平衡具有重要作用（孫育平, 2010）。浮游植物生長、繁殖與環境因素密切相關，其群落結構的改變能夠反映水生態系統的變化，許多種類常被作為水環境監測的指示物種（Coste, 1991； Prygiel, 1991），在水體富營養化評價、水生態研究、水污染防治中的應用十分廣泛（Zhang et al, 2011； 高彩鳳等, 2012）。近年來關于漢石橋濕地中浮游植物群落結構及水質狀況鮮有報道，本研究以漢石橋濕地南部核心區為研究對象，探討春季浮游植物群落結構特征及其與環境因子的關系，并利用多種浮游植物生物學指標評價水質，以期為漢石橋濕地日常管理及水體富營養化防控提供科學依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

漢石橋濕地位于北京市順義區楊鎮西南，是潮白河水系箭桿河支流蔡家河下游的一座蘆葦沼澤類型的原生濕地。濕地規劃面積19 km2，實際控制面積5.73 km2，分為核心區、實驗區與恢復區。濕地內四季分明，年降水量603mm，多集中于夏季。研究區域位于核心區南部，面積約0.29 km2，日常水體流動性差，水深常年小于1.2m，范圍內共設置5 個采樣站點（1#～5#），各采樣站點位置如圖1 所示。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集與檢測 于2019年3 月、4 月、5 月各進行1 次調查，浮游植物樣品采集參照《淡水生物資源調查技術規范》（DB43/T 432-2009）進行，在顯微鏡下進行種類鑒定及計數。水體酸堿度（pH）、電導率（EC）、透明度（SD）、溶解氧（DO）、水溫（WT）、葉綠素a（Chl-a）、總氮（TN）、總磷（TP）、化學需氧量（COD）等理化指標的檢測參照《水和廢水監測分析方法》（第四版）進行。

1.2.2 浮游植物生物學指標計算 浮游植物密度（N｀）、生物量（B）、Shannon-Wiener 多樣性指數（H｀）、Pielou 均勻度指數（J｀），優勢度（Y）及Margalef 豐富度指數（D）等指標計算方法如下所示（汪夢琪等, 2018； 傅明珠等, 2014）：

式中，N｀：浮游植物密度（個/L），Cs：浮游植物計數框面積（mm2），V：1 L 樣品濃縮后的體積（mL），Pn：某一種類的個數（個），Fs：顯微鏡視野面積（mm2），Fn：觀察視野數（個），μ：浮游植物計數框體積（mL）；B：浮游植物生物量，aw：浮游植物的平均濕重；Y：密度優勢度，ni：第i 種個體數，N：總個體數，fi：第i 種在各采樣點出現頻率；H｀：Shannon-Wiener 多樣性指數，Pi：第i個種占總數比例；J：Pielou 均勻度指數，S：總物種數；D：Margalef 物種豐富度指數。

表1 N｀,B 和Chl-a 評價水體富營養化標準Table 1 Criteria for evaluating eutrophication on N', B and Chl-a

圖1 采樣站點分布Fig.1 Sampling site

1.2.3 數據分析方法 使用Canoco for windows 4.5 進行浮游植物數據與環境因子的典范對應分析（CCA）。利用多種浮游植物生物學指標評價水質狀況，其中浮游植物密度（N｀）、生物量（B）及葉綠素a（Chl-a）的評價標準如表1 所示，生物多樣指標性評價標準如下（吉正元等, 2019； 況琪軍等, 2005）：

(1) Shannon-Wiener 多樣性指數（N｀）：指數值＞3（輕度污染或無污染）；2～3（β-中度污染）；1～2（α-中度污染）；＜1（重度污染）。

(2) Pielou 均勻度指數（J）：指數值0.5～0.8（輕度污染或無污染）；0.3～0.5（中污染）；0～0.3（重污染）。

(3) Margalef 物種豐富度指數（D）：指數值＞4（清潔型 ）；3～4（寡污型）；2～3（β-中污型）；1～2（α-中污型）；0～1（多污型）。

2 結果與分析

2.1 浮游植物群落結構

2.1.1 種類組成及優勢種 本次調查共發現浮游植物7 門44 屬71 種，其中綠藻門26 種，占總數的36.62%，硅藻門21 種，占總數的29.58%，裸藻門9種，占總數的12.68%，藍藻門5 種，占總數的7.04%，金藻門與隱藻門各4 種，均占總數的5.63%，甲藻門2 種，占總數的2.82%。3 月浮游植物發現28 種，4 月41 種，5 月60 種，浮游植物種類組成見圖2。以每月至少在4 個采樣站點出現，且密度優勢度大于0.02 的浮游植物作為常見優勢種（表2），針晶藍纖維藻Dactylococcopsis rhaphidioides 是春季連續存在的優勢種。

圖2 浮游植物種類組成Fig.2 Species composition of Phytoplankton

2.1.2 密度及生物量 如圖3 所示，調查期間浮游植物密度為1.14×106～23.33×106個/L，平均密度為8.99×106個/L，3 月浮游植物平均密度為2.48×106個/L，4 月 為14.03×106個/L，5 月 為9.22×106個/L。4 月金藻門的平均密度最大，達6.98×106個/L。浮游植物生物量為0.64～22.80mg/L，平均生物量為5.64mg/L，3 月浮游植物平均生物量為1.97mg/L，4 月為10.63mg/L，5 月為4.31mg/L。4 月平均生物量較大的類群是金藻門與裸藻門，金藻門平均生物量達2.75mg/L，裸藻門平均生物量達2.67mg/L。

表2 常見優勢種及優勢度Table 2 Common dominant species and dominance degree

表3 環境因子檢測結果Table 3 Detection results of environmental factors

圖3 浮游植物密度及生物量時間變化Fig.3 Time variation of phytoplankton density and biomass

2.1.3 CCA 分析結果 用常見優勢種的密度與環境因子進行CCA 分析（表3），浮游植物種類及代碼見表4。CCA 分析統計信息如表5 所示，排序軸1與排序軸2 的特征值分別為0.844 與0.524，物種環境相關系數分別為0.981、0.972，表明浮游植物數據與環境因子之間關系密切。前兩軸累計解釋了69.1%的物種變化信息和81.1%的物種-環境變化信息。從圖4 可以看出，影響漢石橋濕地南部核心區春季浮游植物常見優勢種分布的主要環境因子包括DO、EC、WT、TN、TP、COD，受環境因子影響常見優勢種分布可分為4 類，第一類包括錐形擬金杯藻、分歧錐囊藻，與DO 呈正相關性，與SD 相關性較小；第二類為針晶藍纖維藻，與DO、TN、TP 呈正相關性；第三類包括變形單鞭金藻和卵形隱藻，與TN、TP、EC 呈正相關性；第四類包括尖尾藍隱藻、普通小球藻、雙對柵藻、四足十字藻及蹄形藻，與水溫、COD 呈正相關性，與SD 相關性較小。

表4 浮游植物種類及代碼Table 4 Species and codes of phytoplankton

圖4 浮游植物與環境因子CCA 排序圖Fig.4 CCA biplot of phytoplankton and environmental factors

表5 浮游植物群落CCA 分析統計信息Table 5 Summary statistics of CCA performed on phytoplankton

2.2 浮游植物多樣性及水質評價

以H｀×J 評價浮游植物多樣性程度，按所得數值大小分為：差（＜0.6）、一般（0.6～1.5）、較好（1.6～2.5）、豐富（3.6～3.5）、非常豐富（＞3.5）（陳清潮等, 1994），綜合來看H｀×J 均值為2.41，表明春季浮游植物多樣性較好。以多種浮游植物生物學指標評價漢石橋濕地水體營養狀況（表6），可以看出漢石橋濕地南部核心區春季水體處于貧-中營養狀態，有輕度污染。

表6 水質富營養狀況評價Table 6 Evaluation results of water eutrophication

3 討論

3.1 浮游植物群落結構特征

春季3-5 月，硅藻門所占比例為16%～23%，呈先上升后下降的趨勢，出現這種現象的原因與4 月多場降雨有關，小環藻屬、針桿藻屬等種類的生物量與降雨量呈顯著正相關關系（孫祥等, 2018），雨水較少時,其數量相對穩定。金藻門所占比例為12%～27%，呈持續下降趨勢，金藻門適宜生活在透明度大、水溫低、有機質少的清澈水體中，一般在早春季節大量出現（Elizabeth, 2016）。裸藻門所占比例為6%～11%，呈先上升后下降趨勢，裸藻多生長在相對靜止的水體中，且對溫度變化敏感（劉國祥, 2009），3 月溫度回升，適宜裸藻生長，但4 月有多場降雨，頻繁的氣溫變化導致裸藻種類數有所下降。綠藻門所占比例為23%～40%，呈持續上升趨勢，多數研究表明綠藻門是水體中常見優勢類群（藍天, 2014； 安睿, 2016）。藍藻門、隱藻門、甲藻門所占比例很小，與同類型研究結果類似（褚一凡等, 2019； 俞秋佳, 2014）。春季持續出現的優勢種為藍藻門的針晶藍纖維藻，藍藻門適應性強，具有極強的光吸收、耐受能力及能量利用效率，在青草沙水庫（劉歆璞等, 2015）、寧夏沙湖（邱小琮等, 2011）等水體中也曾作為春季或常年優勢種出現。

3.2 浮游植物群落結構與環境因子的關系

浮游植物群落結構是環境因子綜合作用的結果，(DO)溶解氧參與浮游植物代謝過程，通常與水溫呈負相關性（曾春芳等, 2010），研究中錐形擬金杯藻及分歧錐囊藻分布與DO 呈正相關性，同前文中提到金藻門在初春低溫水體中大量生長的特性相符。電導率(EC)代表水體中離子含量水平，多數水體中EC 的升高與氮、磷營養鹽含量增多有關，TN 與TP往往是影響水體浮游植物群落結構的主要環境因子(于洪賢等, 2014)，研究中變形單鞭金藻與卵形隱藻的分布與EC、TN、TP 呈正相關，同類型研究中關于隱藻的分布特征的描述與本結果相似（徐彩萍, 2013），而變形單鞭金藻并未表現出與錐形擬金杯藻及分歧錐囊藻相同的分布規律，這一結果是否具有普遍性需進一步研究。研究中普通小球藻、雙對柵藻、四足十字藻與蹄形藻等綠藻門種類與水溫、COD 呈顯著正相關，符合綠藻門的生長特性。圖3中針晶藍纖維藻的位置比其它種類更接近原點，表明針晶藍纖維藻對環境因子依賴性低、適應性更強，是前文中所述針晶藍纖維藻是春季持續存在的優勢種這一結果的有力佐證。

3.3 水質評價

利用多種浮游植物生物學指標共同評價水質狀況以保障結果真實可靠，調查區域水體處于貧-中營養狀態，受到輕度污染，前文中提到南部核心區水體類型為綠藻-硅藻型水體，而此類水體一般為中營養狀態（王曉清等, 2013），水質評價結果與浮游植物群落結構研究結果基本吻合。北部核心區水體是南部核心區的主要補水來源，2007年3-11月北部核心區水體屬于綠藻-藍藻型水體，優勢種主要為顫藻、裸藻、針桿藻與微囊藻（黃小波等, 2009）。2011年6 月漢石橋濕地水體屬于綠藻-硅藻型水體，優勢種為綠微囊藻、水華微囊藻和小球藻（劉盼等, 2013）。2013年4-10 月南部核心區春季浮游植物優勢種為隱藻、綠藻及硅藻（武士蓉等, 2015）。與以前的調查結果相比，本次調查中有貧營養指示類群金藻門種類出現，且藍藻門優勢種由以前的顫藻屬、微囊藻屬等耐污種類轉變為藍纖維藻屬，綠藻門優勢種數量也逐漸增多，說明南部核心區水質較往年有所提升。

4 結論

漢石橋濕地南部核心區在春季共發現浮游植物7 門44 屬71 種，屬于綠藻-硅藻型水體，針晶藍纖維藻是春季持續存在的優勢種。春季浮游植物平均密度為8.99×106個/L，平均生物量為5.64mg/L，Shannon - Wiener 多樣性指數平均值為3.09，Pielou 均勻度指數平均值為0.78，Margalef 豐富度指數平均值為3.60，表明春季浮游植物多樣性較好，群落中物種種類豐富且分布均勻。CCA 分析結果表明，溶解氧、電導率、水溫、總氮、總磷、COD等是影響浮游植物群落結構的主要環境因子。

以浮游植物密度、生物量、葉綠素a、Shannon-Wiener 多樣性指數、Pielou 均勻度指數、Margalef豐富度指數共同評價水質狀況，結果表明水體處于貧-中營養狀態，受到輕度污染，與以前的調查結果相比，水質狀況有進一步的提升。