北運河水系浮游植物功能群與水體環境因子的關系

王汨，楊柏賀，馬思琦，殷旭旺，徐宗學

（1.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；2.北京師范大學水科學研究院，北京 100875）

浮游植物個體較小，壽命短，時代周期短，繁殖旺盛[1,2]，是河流生態系統中的初級生產者，在河流生態系統和功能中起不可代替的作用[3-7]。浮游植物群落的特征包括：優勢種、密度、豐度、香濃維納指數和均勻度指數等能準確反映出人類活動對河流生態系統環境短期的影響，常被作為衡量河流生態系統變化的重要指標[8,9]。根據浮游植物群落的功能性特征（如形態學特征和生態學特征），把在相同或相似環境下生活的浮游植物類群分為一類功能群[10-12]。功能群分析在河流生態學中有重要的意義[13-16]。

本研究通過調查分析2015年春、夏和秋3 季北京地區節北運河水系浮游植物群落特征和功能群的分布，研究影響北運河水系浮游植物功能群的主要環境因子，并利用香濃維納指數和環境因子等評價春、夏和秋季北運河水系的水質狀況，以期為北運河水系水體的研究和保護提供可靠的根據。

1 材料及方法

1.1 采樣點為設置

北京是擁有文化遺產數量最多的城市之一，千百年來孕育了長城、頤和園等很多名勝古跡。北京夏季溫度較高且多雨，春季和秋季時間較短。北運河是流經北京市東郊和天津市的海河支流。北運河水系是北京地區最為重要的排水系統，每年的徑流量主要由雨水組成，河流流經朝陽區、海淀區、豐臺區和大興區等10 個區，沿途經過溫榆河、通惠河和涼水河等多條河流，最終流入海河。根據北京地區北運河水系流經區域、北京的自然地理外貌和北京水文管理的報告，共設置19 個采樣點位（圖1）。

1.2 浮游植物采集、鑒定及水環境因子的測定

北京地區北運河水系各采樣點在距水面50mL深處取2L 水樣，滴入15mL 的魯哥試液來固定采集的浮游植物樣品，將采集后的樣品送回實驗室，讓樣品靜置48h 之后，把采集的水樣濃縮到100mL后，鑒定并計數[17-19]。

檢測的水環境因子參數包括：水溫（T）、溶解氧（DO）、pH、葉綠素a（Chl.a）、高錳酸鹽指數（CODMn）、總磷（TP）、氟化物（F-）、氨氮（NH4+）和總氮（TN）[20]。

1.3 浮游植物功能群劃分以及數據分析

計算北運河水系春、夏和秋季浮游植物群落物種數量、密度、香濃維納指數（H'）和均勻度指數（J）[8,9]。

表1 北京地區北運河水系浮游植物功能群組成[9-16]Tab.1 Functional group composition in North Canal in Beijing

依Reynolds、Padisák 和王博涵等[9-16]的標準來劃分對浮游植物的功能群（表1）。

在SPSS17.0 上進行相關性分析，Origin 7.0 上完成箱型圖分析，在Excel 2007 上制作春、夏和秋季浮游植物群落特征及浮游植物功能群特征；在Biodiversity Profession2.0 上計算浮游植物群落的香濃維納指數和均勻度指數，運用Canoco 4.5 進行PCA 和CCA 的分析，采樣圖的制作在Arc Map 10.3上進行[8,9]。

2 結果與分析

2.1 北運河水系浮游植物群落結構及功能群劃分

2.1.1 北運河水系浮游植物群落結構特征

在北運河水系中鑒定出8 門浮游植物103 種，其中春季浮游植物物種數最高，為96 種，夏季為80種，秋季最少，為66 種。春季，綠藻門物種數量最高，為41 種，占浮游植物物種總數的42.71%，其次為硅藻門，物種數為27 種，占浮游植物物種總數的28.13%；藍藻門密度最高，占浮游植物總密度的75.75%，其次為綠藻門，占浮游植物總密度的15.41%。夏季，綠藻門物種數量最高，為35 種，占浮游植物物種總數的43.75%，其次為硅藻門，物種數為27 種，占浮游植物物種總數的33.75%；藍藻門密度最高，占浮游植物總密度的62.25%，其次為綠藻門，占浮游植物總密度的18.93%。秋季，綠藻門物種數量最高，為34 種，占浮游植物物種總數的51.52%，其次為硅藻門，物種數為16 種，占浮游植物物種總數的24.24%；綠藻門密度最高，占浮游植物總密度的31.28%，其次為硅藻門，占浮游植物總密度的25.51%（圖2）。春、夏和秋季3 個浮游植物群落物種數和密度間無顯著相關性（P＞0.05）。

春季北運河水系浮游植物物種數平均值最高，為22.53 種，物種數最高的點位在B9；秋季的物種數平均值最低，為15.31 種；春季浮游植物密度平均值最高，秋季浮游植物密度平均值最低；春季浮游植物香濃維納指數平均值是最高的，秋季的浮游植物群落的香濃維納指數平均值是最低，春季浮游植物群落的均勻度指數平均值是最高，秋季浮游植物群落的均勻度指數平均值是最低的（圖3）。

2.1.2 北運河水系浮游植物功能群特征分析

北運河水系的浮游植物可分為19 類功能群（表1）。秋季共17 類功能群，春季和夏季各15 類功能群，A 類是夏季特有的浮游植物功能群，E 是春季和秋季特有的浮游植物功能群，W2 和TB 類是夏季和秋季特有的浮游植物功能群。圖4 比較了北運河水系各季節浮游植物功能群各類的數目和功能群密度〔ln（x+1）轉換〕。春季J 數目是最多的，一共是30 種，其次為MP 類，共20 種；夏季MP 數目最多，為22 種，其次為J，19 種；秋季J 數目最多，為23種，其次為MP，10 種。從物種密度來看，春季密度最高的為S2，為4.13，其次為MP，為3.74；夏季密度最高的為Lo，為3.77，其次為MP，為3.68；秋季密度最高的為MP，為3.49，其次為J，為3.18（圖4）。春、夏和秋季功能群數量與密度之間無顯著相關性（P＞0.05）。

2.2 浮游植物功能群與水環境因子關系

北運河水系夏季的水溫是最高的，秋季平均水溫最低；水體平均pH 分別為7.97、7.89 和7.84，均呈弱堿性，春季TN、TP、Chl.a 和CODMn平均質量濃度最高，DO 平均質量濃度最低；夏季F-、NH4+、Chl.a平均質量濃度最高，TN 平均質量濃度最低；秋季DO 平均質量濃度最高，F-、NH4+、CODMn、TN 和Chl.a平均質量濃度最低（表2）。

三個季節水環境因子主成份分析（PCA）結果表明，春季篩選出對兩軸影響最大的主要水環境因子為T、pH、TN 和TP；夏季影響最大的主要水環境因子為TN、CODMn、DO 和TP；秋季影響最大的主要水環境因子為TN、DO、TP 和CODMn（圖5）。

表2 北運河水系水環境因子的比較（±s）Tab.2 The environment factors in North Canal in different seasons

表2 北運河水系水環境因子的比較（±s）Tab.2 The environment factors in North Canal in different seasons

北運河水系不同季節浮游植物功能群與環境因子的典范對應分析表明：春季，主要影響浮游植物群落結構的水環境因子是TP（P=0.01，F=2.26），TP 主要影響的是第2 軸，其與第2 軸呈正相關性，T和pH 對第2 軸有一定影響，與第2 軸呈正相關性。TN 對第1 軸有一定影響，與第1 軸呈正相關性；夏季，北運河水系主要影響浮游植物群落結構的水環境因子是TP（P=0.01，F=2.45）和TN（P=0.03，F=1.87），TP 和TN 對第1 軸影響較大，與第1 軸呈正相關性；秋季，影響北運河水系浮游植物群落結構的主要水環境因子是CODMn（P=0.01，F=2.38） 和TP（P=0.04，F=1.96），DO 對第2 軸有一定影響，與第2軸呈負相關性（圖6）。

3 討論

本次野外調查中共鑒定出浮游植物8 門101種，春季物種數平均值最高，秋季物種數平均值最低，3 個季節中，綠藻門物種數最多，硅藻門次之，其他門類物種數較少。就密度而言，春季平均密度高于夏季和秋季，春季和夏季藍藻門最高，秋季綠藻門密度最高，這是由于春夏季隨著溫度升高，有絲的藍藻門大量繁殖，使其細胞密度增加[21]。

北運河水系春、夏季和秋季浮游植物群落的香濃維納指數平均值分別為1.32、1.22 和1.14，均勻度指數平均值分別為0.85、0.82 和0.77，僅依據浮游植物群落香濃維納指數評價水質標準[24]，春、夏和秋季3 個季節香濃維納指數值為1～2，北京北運河水系呈中度污染[22,23]。

北運河水系共劃分出19 類浮游植物功能群，秋季功能群物種數最高，春季和秋季J 類物種數最多，夏季MP 類物種數最多，3 個季節中J 類和MP類物種數占比均較大。大部分J 類是綠藻門物種，主要喜歡生長在富營養化水體中，在城市水體中，綠藻門物種本身較多[25,26]，如柵藻屬、十字藻屬等，增加了J 類的物種數量。就密度而言，春季S2 類密度最高，夏季Lo 類密度最高，秋季MP 類密度最高，春季溫度升高，使S2 類的鈍頂螺旋藻生長迅速，細胞數量增加，密度相繼增加[9-12]。色球藻和平裂藻適應水體的能力較強，生長和繁殖速度較快，細胞數量更加龐大，導致夏季Lo 類密度最高。3 個季節中MP 類密度均較高，占有一定優勢，這是因為北運河水系的水體環境適合該類藻種的生長繁殖，而大多數硅藻門的種類以及藍藻門的顫藻類和小席藻都屬于這一功能群，細胞數較多，所以MP 在每個季節中密度均較大，優勢明顯[9-12]。3 個季節中，A 類是夏季特有的浮游植物功能群，主要以粗刺藻屬為主，喜歡生活在清潔的水體中，對水深和pH 都有一定要求，春季只有B18 點出現A 類，說明此點位水環境相對較好。E 是春季和秋季特有的浮游植物功能群，代表物種為分歧錐囊藻，喜歡生活在富營養化的淺水中，說明春季和秋季部分點位水體已呈富營養化。W2 和TB 類是夏季和秋季特有的浮游植物功能群。W2 代表物種囊裸藻喜歡生活在中富營養化水體，TB 代表物種變異直鏈藻一般生活在水流速過快的水體，夏季北運河水系水流速比春季和秋季緩慢，可能是沒有出現TB 的原因。就浮游植物功能群來看，不同季節的浮游植物功能群組成不同，且3個季節水體均呈富營養化。

總磷對北京地區北運河水系各季節浮游植物功能群都有一定影響。總磷是水生生物生長繁殖中不可缺少的營養物質[25-27]，是春季影響北運河水系浮游植物功能群的主要環境因子，主要影響E 和W2，并與其正相關，對MP 和J 類呈負相關。夏季主要影響北運河水系浮游植物功能群的環境因子是總磷和總氮[28-30]，夏季總氮對C 和X2 類功能群有一定影響，總磷則對MP 類功能群有影響。高錳酸鉀指數也是水文環境監測中的重要指標，秋季北運河水系高錳酸鉀質量濃度平均值為4.42mg/L，已經超過了國家指標。高錳酸鉀指數和總磷是主要影響秋季浮游植物功能群的環境因子；高錳酸鉀指數對C有一定影響，并與其呈正相關，總磷對W2 有一定影響，并與其呈正相關。

本次調查研究表明，北運河水系受人為干擾較為嚴重，工業污水的排放也對水質也有很大的影響，政府應該積極保護水源，嚴禁在水源地和水源補給區砍伐森林、硬化路面，嚴禁有害廢水和生活污水等，鼓勵市民節約用水，提高水量的利用率。要不斷完善水資源保護利用的法律、法規，嚴格執法。