濟南地區夏季浮游植物群落結構與環境因子的關系

商書芹，郭偉，朱中竹，王博涵，賈麗，劉鵬

（1.濟南市水文局，山東 濟南 250014；2.大連海洋大學水產與生命學院，遼寧省水生生物學重點實驗室，遼寧 大連 116023；）

濟南地區夏季浮游植物群落結構與環境因子的關系

商書芹1，郭偉1，朱中竹1，王博涵2，賈麗1，劉鵬1

（1.濟南市水文局，山東 濟南 250014；2.大連海洋大學水產與生命學院，遼寧省水生生物學重點實驗室，遼寧 大連 116023；）

2014年和2015年夏季（8月）在濟南市區及周邊縣城選擇具有代表性的24個采樣點，野外調查濟南地區夏季浮游植物群落結構特征。結果表明：共鑒定出浮游植物6門113種，其中2014年6門89種，密度以藍藻門為主，平均密度為2.17×106cells/L；2015年游植物共6門85種，密度以藍藻門為主，平均密度為2.83×106cells/L。2014年浮游植物香農威納指數平均值為2.49，均勻度指數平均值為0.57，2015年浮游植物香農威納指數平均值為2.37，均勻度指數平均值為0.60。典范對應分析結果顯示：pH和電導率分別是2014和2015年影響浮游植物群落的主要環境因子。綜合分析認為，濟南地區水體呈中度污染。

濟南；浮游植物；環境因子

浮游植物是河流生態系統中重要的初級生產者[1,2]，對維持河流生態系統的平衡起著十分重要的作用。浮游植物對河流生態系統的能量流動和物質循環起著同樣重要的作用[3,4]。浮游植物群落結構與環境因子之間有著十分密切的聯系，浮游植物的種類、密度、生物量及多樣性指數等群落結構特征是評價水體質量的重要標準[5,6]。浮游植物對環境變化十分敏感，在水體環境監測中起著同樣重要的作用[7,8]。近年來，人們廣泛應用浮游植物群落結構評價不同河流生態系統的生態狀況[9,10]。

近年來，人類活動對濟南地區生態環境的影響十分明顯，有關濟南地區水生生物群落的調查研究已有報道，而對濟南地區浮游植物群落結構及其與水環境的關系研究較少。因此，本研究分析了2014年與2015年夏季濟南地區浮游植物的空間分布特征及其與水環境因子之間的關系，應用浮游植物群落多樣性指數評價水質狀況，以期為濟南地區河流生態環境的保護與治理提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 采樣點設置及樣品采集與處理

濟南是山東省省會，也是全國首個水生態文明建設試點城市，以泉水聞名于世，是全省政治、經濟、文化、科技、教育和金融中心，素有“泉城”之美譽。濟南地形可分為三帶：北部臨黃帶，中部山前平原帶，南部丘陵山區帶。境內主要山峰有長城嶺、跑馬嶺、梯子山、黑牛寨等。山地丘陵3 000多km2，平原5 000km2。最高海拔1 108.4m，最低海拔5m，南北高差1 100多m。濟南位處山東省中心地帶，在魯中南、低山丘陵與魯西北沖積平原之間為一平緩的單斜構造，高差達500多m，地勢呈現南高北低，利于地表水和地下水向城區匯集。

濟南南部山區多為農業用地，水流緩慢，部分地區有泥沙淤積，中部多為城鎮河道，水流速度慢，底質多為砂石底，北部支流短，水流速較快，泥沙較少。2014年和2015年夏季（8月）對濟南地區進行采樣調查。根據濟南地區地理特征、水質狀況及污染源分布狀況，在濟南市區及周邊縣城選擇具有代表性的24個采樣點位（圖1和表1）。在各采樣點距水面1/2水深處取水樣2L，加10mL魯哥試液固定，實驗室靜置48h，濃縮至100mL，取0.1mL于浮游植物計數框內，在400倍顯微鏡（OLYMPUS）下進行浮游植物物種鑒定和計數[11]，物種鑒定參照相關文獻[12-14]。采取現場測定和實驗室測定相結合的方式測定水體理化指標。

圖1 濟南采樣點位分布圖Fig.1 The sampling sites in Jinan Region

表1 濟南地區采樣點位分布Tab.1 The sampling sites in Jinan Region

1.2 水體理化性質的測定

測定各采樣點位水體的pH、渾濁度（SS）、水溫（T）、電導率（Cond）、溶解氧（DO）含量；各點位采集2L水樣，低溫保存，48h內送回實驗室根據標準方法測定鈣離子（Ca2+）、硬度（TD）、氨氮（NH3-N）、氯離子（Cl-）、堿度（ALK）、總氮（TN）、和高錳酸鉀指數（CODMn）[15]。

1.3 數據分析和處理

計算香農威納指數（H'）、均勻度指數（J）來研究浮游植物多樣性。

式中：S為浮游植物的種類數；N為浮游植物的總密度，ni為第i種的密度，fi為第i種出現的頻率。

采用獨立樣本t檢驗分析2014年及2015年夏季環境因子的相關性以及與浮游植物群落之間的相關性。各采樣點位篩選出的水環境因子和浮游植物群落數據在Canoco4.5軟件上進行典范對應分析（Canonical correspondence analysis，CCA）。

應用浮游植物密度進行CCA分析時，先進行除趨勢對應分析（Detrended correspondence analysis，DCA），得出物種的單峰響應值（梯度SD），SD＞2，即可進行CCA分析，否則采用冗余度分析（Redundancy analysis，RDA），并對數據進行999次蒙特卡洛置換檢驗（Monte Carlopermutation test），以判定顯著影響浮游植物群落空間分布特征的環境因子。在進行CCA分析前，除pH外，所有水體環境數據和浮游植物密度數據均進行對數轉換［log（x+1）］[16]。

應用箱體圖判別兩年中浮游植物群落物種數、密度、生物量、香農維納指數、均勻度指數的差異性，在SPSS16.0上進行數據相關性分析。Origin7.5上完成箱型圖分析，應用Biodiversity Profession 2.0計算香農維納指數和均勻度指數，在Canoco4.5上進行PCA和CCA分析，濟南采樣點位圖在ArcMap 9.3上完成。

2 結果及分析

2.1 浮游植物群落結構組成

2014 年和2015年夏季在濟南地區水體中共鑒定出浮游植物6門113種，其中2014年6門89種，硅藻門種類最多，為42種，其次為綠藻門和藍藻門，分別為26種與12種；2015年6門85種，硅藻門種類最多，為39種，其次為綠藻門和藍藻門，分別為24種和14種（圖2）。2014年藍藻門密度較高，占浮游植物總密度的85.82%，其次為綠藻門和硅藻門，分別占浮游植物總密度的8.28%和4.88%；2015年藍藻門密度最高，占浮游植物總密度的69.95%，其次為綠藻門和硅藻門，分別占浮游植物總密度的17.70%和11.59%。兩年中，裸藻門、隱藻門和甲藻門密度均相對較少（表2）。

圖2 不同年份浮游植物物種數量比較Fig.2 The number of phytoplankton in different years

表2 不同年份浮游植物密度所占比例Tab.2 Density percentage of phytoplankton in different years

2.2 浮游植物群落結構特征及多樣性分析

2014 年鑒定出的浮游植物物種數平均值為21種，高于2015年的15種，2014年J3點物種數最高，為40種，2015年物種數最高點位同樣是J3點，為24種。2014年浮游植物平均密度為2.17×106cells/L，低于2015年平均密度2.83×106cells/L。2014年浮游植物密度最高點位于J22營字閘，其他采樣點密度相對較少，2015年密度最高點位于J10釣魚臺水庫，中南部地區多數采樣點密度高于其他點位；2014年浮游植物生物量平均值為16.67mg/L，低于2015年的46.36mg/L，2014年生物量最高點位位于J22營字閘，2015年生物量最高點位位于J4臥虎山水庫，且中南部地區生物量較高于其他地區；2014年浮游植物香農威納指數平均值為2.49，高于2015年香農威納指數平均值為2.37；2014年浮游植物均勻度指數平均值為0.57，低于2015年浮游植物均勻度指數平均值為0.60（圖3）。

2014 年和2015年夏季濟南地區浮游植物群落結構特征的相關性分析表明：2014年和2015年浮游植物物種數無相關性（P＞0.05）；浮游植物密度和生物量亦無相關性（P＞0.05）；浮游植物香農維納指數及均勻度指數無相關性（P＞0.05），說明2014年與2015年夏季浮游植物群落結構存在時間差異性（圖3）。

2.3 浮游植物群落結構特征與環境因子關系

2014 年與2015年濟南地區夏季采樣點水體理化因子無顯著差異性（P＜0.05）。夏季水溫較高，均在24℃以上，水體呈弱堿性，pH7.95～8.19。2014年SS、ALK、DO、TN含量高于2015年，T、pH、Cond、Ca2+、和TP均低于2015年（表3）。

圖3 不同年份浮游植物群落結構特征Fig.3 Community structure of phytoplankton in Jinan River Basins in summer in 2014 and 2015

圖4 濟南地區2014年和2015年浮游植物群落結構特征的比較分析Fig.4 Comparison of community structure of phytoplankton in Jinan River Basins in summer in 2014 and 2015

表3 濟南地區2014年和2015年水環境因子比較（平均值±標準差）Tab.3 Comparison of different years environment factors between 2014 and 2015（Mean±SD）

對濟南地區2014年和2015年夏季水文環境因子進行主成分分析（PCA），2014年篩選出兩主軸變化分數大于0.7的5個環境因子為SS、pH、Ca2+、TD和Cond；2015年篩選出兩主軸變化分數大于0.7的5個環境因子為Cond、TP、SS、TN和TD（圖5）。

浮游植物密度和環境因子DCA分析結果顯示呈單峰模型，選擇浮游植物豐度和環境因子分析結果（圖6）做CCA分析。2014年，pH是主要影響浮游植物群落結構的環境因子，對第二軸有顯著影響，與浮游植物群落結構呈正相關性（P＜0.05），Cond和Ca2+分別與第一軸和第二軸呈負相關性（P＜0.05）；2015年Cond和TD是主要影響浮游植物群落結構的環境因子，Cond對第一軸有顯著影響，Cond和TD對浮游植物群落結構呈正相關性（P＜0.05）。

圖5 濟南地區不同年份水文環境因子主成分分析（PCA）Fig.5 Principal component analysis of hydrological environmental factors in Jinan Region indifferent years

圖6 濟南地區不同年份浮游植物群落典范對應性分析（CCA）Fig.6 Canonical correspondence analysis between phytoplankton and hydrological environmental factors in Jinan River Basin in different years

3 討論

本次調查中，2014年及2015年夏季在濟南地區共鑒定出6門113種浮游植物，硅藻門占絕對優勢，其次為綠藻門和藍藻門；從各物種密度來看，2014年和2015年的主要物種為藍藻門，密度分別占浮游植物總密度的85.82%和69.59%，其次為綠藻門和硅藻門，藍藻門種類相比硅藻門較少，但是密度較高，這可能是夏季水溫升高，藍藻水華爆發所致[17]。夏季營養、水溫、光照等條件充足，適合浮游植物生長繁殖。

研究表明，浮游植物多樣性指數是判斷群落重要性的基礎[18-20]，在一定程度上可以鑒定水質狀況。2014年與2015年夏季濟南地區水中浮游植物香農威納指數平均為2.49和2.37，且兩年中大多數采樣點位香農威納指數均在1～3之間。2014年香農威納指數值在0～1之間有2個采樣點、1～3之間有13個采樣點，＞3有9個采樣點。2015年中香農威納指數值在0～1之間有1個采樣點，1～3之間有21個采樣點，＞3有3個采樣點。香農威納指數（H'）值[9,1 8-2 0]在0～1為重度污染，1～3為中度污染，＞3為輕度或無污染。綜合分析認為：2014年與2015年夏季濟南地區水體呈中度污染。

在本研究中，浮游植物群落與測定的環境因子的相關性分析顯示，透明度和電導率對這兩年的浮游植物群落結構都有影響。2014年浮游植物群落主要受pH和鈣離子的影響。水體酸堿度變化對浮游植物生活和分布起到一定作用[21]。2014年水體pH略低于2015年，偏堿性，很多喜歡微堿性水體的藻屬都受到pH變化的影響。2015年浮游植物群落結構主要受到電導率和總硬度影響，電導率可以反映出水體中離子的濃度含量，即可以反映出水體的營養狀況，很多藻屬都與電導率相關性較大，電導率對藻類分布起到一定影響。水體硬度的改變使水體中酸堿度發生變化，對浮游植物群落分布起到一定作用。

濟南以泉水聞名于世，然而，由于降水量的減少及泉域地下水無限制的開采，導致地下水的采補失衡，地下水位不斷下降，泉群噴涌量逐漸減少，最終導致斷流。泉群斷流不但造成泉水景觀嚴重萎縮，使泉城特色大打折扣，護城河及大明湖無新鮮水補充，水體污染嚴重，湖體及水體自然景觀功能嚴重下降，而且還造成泉水文化的缺失，破壞了泉城歷史文化的繼承和系統性。泉水是濟南的靈魂和靈氣，河流水系是城市的重要基礎設施和生態環境的控制性要素，改善河流水系生態環境健康，維持水生態系統良性循環，是維持濟南靈魂和靈氣的根本所在，也是濟南市長期可持續發展的基礎。

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Relationship Between Phytoplankton Community Structure and Environmental Factors in Jinan River Region in Summer

SHANG Shu-qin1,GUO Wei1,ZHU Zhong-zhu1,WANG Bo-han2,JIA Li1,LIU Peng1
（1.Jinan Hydrographic Office,.Jinan 25001，China；2.Liaoning Provincial Key Laboratory for Hydrobiology, College of Fisheries and Life Science,Dalian Ocean University,Dalian 116023,China）

The community structure and e spatial and temporal distribution of phytoplankton were surveyed 24 sampling sites in Jinan River Region in August of 2014 and 2015 to show the relationship between the community structure of phytoplankton and the associated environmental factors,based on Shannon-Weiner index,Pielou index of phytoplankton and Canonical correspondence analysis．Eighty-nine phytoplankton species were found in 2014 and 85 phytoplankton species in 2015，with averagephytoplankton density of 2.17×106～2.83×106cells/L,Shannon-Wiener index of 2.49～2.37 and Pielou index of 0.57～0.60 during the 2014 and 2015.Canonical correspondence analysis revealed that phytoplankton community structure was heavily determined by pH in 2014.On the contrary,electronic conductivity was the main environmental factors limitation of phytoplankton community structure in 2015.In conclusion,the water in Jinan River was found to be moderately polluted.

Jinan River Region;phytoplankton;environmental factors

S932.7

A

2016-07-01

山東省水利廳、山東省財政廳“水生態文明試點科技支撐計劃”（SSTWMZCJH-SD02）；濟南市水生態時空變異驅動機制及自動監測模式項目.

商書芹（1978-），女，博士研究生，從事水環境監測研究，E-mail:shangshuqin80@mail.sdu.edu.cn

1005-3832（2017）01-0046-06