高碑店湖浮游植物群落結構動態特征與水環境因子關系

陳曉江 李興 杜桂森 劉波

摘要 北京市通惠河高碑店湖是再生水補水的景觀湖。為研究補給再生水后景觀水體浮游植物群落結構特征，于2018年5—11月間，對高碑店湖浮游植物進行逐季度調查研究。在采集浮游植物水樣的同時，進行了水溫、總氮、總磷等水質因子的監測，并運用典范對應分析（CCA）方法分析了浮游植物群落結構季節動態及其與環境因子的關系。結果表明，調查到浮游植物6門49屬95種（含變種），主要優勢種春季為銅綠微囊藻（Microcystis aeruginosa）和空球藻（Eudorina elegans），夏季為雜球藻（Pleodorina californica）、弱細顫藻（Oscillatoria tenuis）、顆粒直鏈藻最窄變種（Melosira granulata var. angustissima），秋季為梅尼小環藻（Cyclotella meneghiniana）、四尾柵藻（Scenedesmus quadricauda）、單角盤星藻具孔變種（Pediastrum simplex var. duodenarium）、微芒藻（Micractinium pusillum），優勢種季節變化明顯;春季浮游植物密度高于夏季和秋季，其值為5.51×108 cells/L，物種多樣性指數春季>夏季>秋季，最高值為3.88，物種豐富度指數秋季>春季>夏季，最高值為1.92;CCA分析結果說明對浮游植物群落結構具有影響的主要水環境因子為WT（水溫）、SD（透明度）、BOD5（生化需氧量）和TP（總磷）。

關鍵詞 浮游植物;群落結構;富營養化;環境因子;CCA分析

中圖分類號 Q 178? 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2021）23-0060-07

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.23.018

Relationship between Dynamic Characteristics of Phytoplankton Community Structure and Water Environmental Factors in Gaobeidian Lake

CHEN Xiao-jiang1，LI Xing2，DU Gui-sen3 et al

（1.Department of Biology， Xinzhou Teachers University， Xinzhou， Shanxi 034000;2. Inner Mongolia Engineering Research Center of Water-saving Agriculture， Inner Mongolia Normal University， Hohhot， Inner Mongolia 010022;3.Capital Normal University， Beijing 100048）

Abstract Gaobeidian Lake of Tonghui River in Beijing is a landscape lake with reclaimed water. In order to study the characteristics of the phytoplankton community structure in the landscape water body after replenishing the reclaimed water， a quarterly survey and research on the phytoplankton in Gaobeidian Lake was carried out from May to November 2018.While collecting phytoplankton water samples， the water quality factors such as water temperature， total nitrogen and total phosphorus were monitored， and the seasonal dynamics of phytoplankton community structure and its relationship with environmental factors were analyzed by canonical correspondence analysis （CCA）.The results showed that 95 species （including variants） of 49 genera and 6 phytoplanktons were observed. The results showed that 95 species （including variants） of 49 genera and 6 phytoplankton species were investigated. Dominant species displayed obvious variation with season. The main dominant species were Microcystis aeruginosa，Eudorina elegans in spring， and Pleodorina californica，Oscillatoria tenuis，Melosira granulata var. angustissima in summer， and Cyclotella meneghiniana，Scenedesmus quadricauda，Pediastrum simplex var. duodenarium，Micractinium pusillum in autumn.The phytoplankton density in spring was higher than that in summer and autumn， the value was 5.51×108cells/L， the species diversity index was spring > summer > autumn， the highest value was 3.88， and the species richness index was autumn > spring > summer， the highest value was 1.92. The results of canonical correspondence analysis indicated that the main water environmental factors influencing the structure of phytoplankton community were water temperature， transparency， BOD5 （biochemical oxygen demand） and TP （total phosphorus）.

Key words Phytoplankton;Community structure;Eutrophication;Environmental factors;CCA analysis

基金項目 內蒙古自治區自然科學基金項目（2020LH02008）;博士科研啟動項目（047/00000415）;忻州師范學院基金項目（047/00000443）。

作者簡介 陳曉江（1974—），男，山西大同人，講師，博士，主要從事植被生態學、水環境監測研究。通信作者，副教授，博士，主要從事水資源管理研究。

收稿日期 2021-03-03;修回日期 2021-04-02

環境監測方法由常規的物理化學指標監測轉向更加科學的生態監測，以更加實時有效地掌握環境生態健康狀況[1]。浮游植物是水域生態系統中重要組成部分，是重要的生產者，且多數為單細胞生物，對水環境變化非常敏感，加強對水體中浮游植物群落結構及其時空變化動態的研究，同時結合水質理化指標，能夠全面反映水生態環境的健康情況。目前利用浮游植物密度、生物量、群落結構及其變化的監測方法，已經廣泛應用于評價和監測水生態環境狀況，以及研究與治理水體的富營養化領域[2-3]。

為了解決城市水資源短缺和污水量日增的難題，開發利用中水作為第二水資源，用于城市綠化帶灌溉和公園湖泊水量補充，一方面節省了水資源，另一方面有效降低了污水量的增加。北京市通惠河高碑店湖段的水體來源于高碑店污水處理廠輸出的中水，除部分用于農業灌溉，其余主要用于城市公園湖泊水量補充，如龍潭湖、陶然亭湖和紅領巾湖等[4]，城市所產生的污水經處理后得到了充分利用。但是中水水體中氨氮、總磷和總氮水質標準值超過了地表水和景觀水體IV類標準的3.3倍、5倍和10倍[5]，為了科學評估中水對城市環境的影響，通過監測高碑店湖水體中的浮游植物群落結構與環境因子的關系，以期為城市生活及工業廢水處理后應用于補充景觀水體所形成的生境健康狀況研究提供數據支持，以便更好地保護人類賴以生存的水環境。

1 材料與方法

1.1 研究區域采樣點設置 高碑店湖位于北京東郊（116°31.246′E，39°54.447′N），是通惠河從高碑店閘到四惠鐵路橋之間的部分，長約1 km，湖面積約1.5 hm2。高碑店湖水深1～5 m，湖寬55～200 m，容量約27萬m3。高碑店污水處理廠的二級出水是高碑店湖補水的主要來源，雨季有少量地表徑流流入[4-5]。2018年5—11月在高碑店污水處理廠輸出中水形成的小型湖泊水體高碑店湖設置了采樣點（圖1），進行生態監測。

1.2 水質監測理化參數 在采樣點采樣的同時，對11項水體水質理化參數指標進行了監測，即：水溫（WT）、透明度（SD）、浮游藻類、pH、溶解氧（DO）、化學需氧量（CODCr）、總氮（TN）、氨氮（NH4-N）、總磷（TP）、葉綠素a（Chla）和電導率（con），取樣過程中，同步對水體物理感官性狀進行監測記錄。

1.3 監測周期與頻次 2018年5—11月，在湖區入水口、湖中心和出水口共設置3個采樣點，進行了3次逐季度實地調查，并同步進行浮游植物和水質理化指標取樣，浮游植物水樣在實驗室分別進行定性、定量測定。

1.4 樣品采集、保存及鑒定 定性分析水樣用25號浮游生物網在水面下做“∞”形反復拖曳3～5 min，速度20～30 cm/s，然后將網提起抖動濾水，輕輕打開網頭，將液體倒入貼有標簽的樣品瓶中，加入甲醛固定后進行浮游植物種類鑒定。定量分析水樣用有機玻璃采水器于水面下0.5 m處取1 000 mL，加入15 mL魯哥氏液固定，靜置24 h以上吸去上清液，濃縮至30 mL。顯微鏡計數時，充分搖勻樣品，用移液槍吸取0.1 mL滴入計數框內，在10×40倍下用視野法計數各種（屬）的細胞數和個體數，計數10個視野，使所得細胞數在30以上，發現新的藻類均補記入定性統計。

1.5 數據分析 應用Excel 2016、Canoco 4.5、SPSS 13.0軟件對數據進行統計和分析。

1.5.1 優勢度。優勢種根據浮游植物物種的出現頻率和相對數量來確定，以優勢度來表示，當優勢度大于0.02時，定為優勢種[6]。優勢度計算公式為y=fi×Pi，其中fi為第i種出現的頻率，Pi為第i種個體數量在總個體數量中的比例[7]。

1.5.2 多樣性指數計算。

Margalef豐富度指數[8]：d=s-1log2N

Shannon-Wiener多樣性指數[9]：H’=-si=1Pilog2Pi

Pielou均勻度指數[10]：J=Hlog2N

式中，s為總種數，N為所有種個體總數，Pi第i種個體數量在總個體數量中的比例;H為多樣性指數。采用3個指數從不同方面對高碑店湖水體中浮游植物多樣性進行分析，可以避免一種計算方法出現的偏差。

1.5.3 水體綜合營養指數計算。水體綜合營養指數通過修正的卡森指數法（TSIm）計算[11]，即以葉綠素 a（Chla）濃度為基準的營養狀態指數，選取水質理化參數TN、TP、CODmn、SD和Chla，計算出每個營養狀態指數，取平均值為綜合營養狀態指數。根據營養狀態指數值對水體營養狀態進行分級：TSIm<30為貧營養級;30≤TSIm≤50 為中營養級;50

卡森指數的計算公式為：

TSIm（SD）=10×[2.46+（3.96-1.53×lnSD）/ln2.5]

TSIm（Chla）=10×（2.46+lnChla/ln2.5）

TSIm（TP）=10×[2.46+（6.71+1.15×lnTP）/ln2.5]

TSIm（TN）=10×[2.46+（3.93+1.35×lnTN）/ln2.5]

TSIm（CODMn）=10×[2.46+（1.50+1.36×lnCOD）/ln2.5]

綜合TSIm=[ TSIm（SD）+TSIm（Chla）+TSIm（TP）+TSIm（TN）+TSIm（CODMn）]/5

2 結果與分析

2.1 水質參數與水體綜合營養指數 由表1可得出，高碑店湖春季、夏季和秋季的水質理化參數均值具有明顯不同，顯示為春季NH4-N、COD最高，WT、pH、DO、Chla最低;夏季WT、pH、BOD5、TP、SD最高，COD最低;秋季DO、TN、Chla最高，NH4-N、BOD5、SD最低。

由表2可知，高碑店湖春季、夏季和秋季的綜合營養狀態指數分別為76.6、79.2和80.6，春季和夏季為重度富營養，秋季為嚴重富營養狀態，秋季TN和Chla濃度高于春季和夏季。

2.2 浮游植物群落結構及其季節動態

2.2.1 浮游植物種類組成。統計調查周期內數據，共鑒定出浮游植物6門49屬95種（含變種），高碑店湖以綠藻（Chlorophytes）和藍藻（Cyanobacteria）種類數最多，其中綠藻門共有24屬45種，占種類數的47.5%;藍藻門共9屬25種，占26.3%;硅藻門（Bacillariophytes）共9屬18種，占18.9%;裸藻門（Euglenophytes）共5屬5種，占5.3%;隱藻門（Cryptophyta）和甲藻門（Pyrrophyta）均為1屬1種，各占總種類數的1.1%（圖2）。

2.2.2 浮游植物群落組成及優勢種季節動態。高碑店湖水體中不同季節浮游植物種類數量差異較明顯，其種類數量依次為春季>夏季>秋季，其中春季種類數量最多（達81種），占鑒定出總種數的85.26%。高碑店湖水體由污水處理廠排

出的中水構成，其水體中富含氮、磷營養鹽，在調查中發現該區域水體中浮游植物群落組成主要以耐污種屬如顫藻屬、微囊藻屬、平裂藻屬、盤星藻屬為主，這些藻屬多生長于含豐富有機質的水體，不同季節高碑店湖浮游植物種類組成見表3。

高碑店湖水體浮游植物3個季節以綠藻、藍藻、硅藻為優勢門類，在不同季節中優勢種組成明顯不同。在春、夏、秋3個季節中，其主要優勢種屬春季為銅綠微囊藻（Microcystis aeruginosa）和空球藻（Eudorina elegans），夏季為雜球藻（Pleodorina californica）、弱細顫藻（Oscillatoria tenuis）、顆粒直鏈藻最窄變種（Melosira granulata var. angustissima），秋季為梅尼小環藻（Cyclotella meneghiniana）、四尾柵藻（Scenedesmus quadricauda）、單角盤星藻具孔變種（Pediastrum simplex var. duodenarium）、微芒藻（Micractinium pusillum），優勢種季節性變化明顯。

2.2.3 浮游植物密度及生物多樣性指數季節動態。高碑店湖水體流速緩慢，水溫較高，特別是在夏季，取樣時實時所測水溫為40 ℃。由于溫度變化，在不同季節中浮游植物豐度與生物量具有明顯差異。夏季浮游植物密度為春季的4.66%，秋季浮游植物密度為春季的1.71%（表4）。

高碑店湖水來源于高碑店污水處理廠，水體中氮、磷含量較高，浮游植物種類多為耐污染種類，溫度、光照條件適宜時，其浮游植物具有較高的物種多樣性指數值。從一般生物學意義上分析，生物多樣性指數值越大，表明群落結構越復雜，生態系統穩定性相對越好，對外因干擾的緩沖能力較強;而如果水體受到污染，污染敏感型種類會減少甚至消失，此時群落結構趨向簡單，多樣性指數則下降。

高碑店湖水體中浮游植物的多樣性指數如圖3所示。在春季和夏季，水體中浮游植物的豐富度指數相近，分別為1.21和1.15，秋季豐富度指數為1.92，高于春季和夏季;物種多樣性指數春季最高（3.88），秋季最低（3.03）;均勻度指數在春、夏、秋3個季節，指數值相近，分別為0.25、0.31、0.31。高碑店湖水為污水處理廠排出的中水組成，水體含有較高濃度的氮磷營養鹽，適宜藻類生長。

2.3 水環境因子對浮游植物群落結構的影響 根據CCA法分析結果，其第一和第二排序軸的特征值為0.739和0.519，排序軸的物種解釋率為58.7%，從CCA分析圖中（圖4）可以看出，對浮游植物群落結構影響最強的水環境因子為WT、SD、BOD5、TP。水體中其他理化因子對特定浮游植物種類有較強影響，其中水環境因子pH主要影響的種類有為首螺旋藻、不整齊藍纖維藻、簡單舟形藻和梅尼小環藻;DO主要影響的種類有星芒小環藻、嚙蝕隱藻、小空星藻、綠色顫藻、狹形纖維藻、類顫藻魚腥藻、膠帶藻、雙對柵藻、湖生卵囊藻和直角十字藻;NH4-N主要影響的種類有實球藻、浮球藻、銅綠微囊藻、疏刺多芒藻、雙頭舟形藻、小球藻、多芒藻、膠網藻、優美平裂藻和斜生柵藻。

3 討論

3.1 水質理化因子對浮游植物群落結構的影響 浮游植物是水體中的主要生產者，是水生態系統結構的基礎[12]。補給再生水后的小型湖泊，富含浮游植物生長所需的氮磷營養鹽，同時水域敞開，較易富集降水形成的地表徑流和日常生活廢水等攜入的外源性營養物質，而且其湖水較淺，湖面開闊，風力攪動作用較大，使沉積物再懸浮率較高，給浮游植物生長繁殖提供了豐富的營養[13]。高碑店湖的浮游植物組成特征是以藍—綠—硅藻為主，這與其湖水營養鹽濃度較高密切相關。浮游植物的種類組成、數量變化、優勢種演替受諸多水環境因子影響，如溫度、pH、透明度、營養鹽、捕食作用等，環境與營養條件不同時，浮游植物的群落結構具有差異性[14]。對高碑店湖水體中浮游植物群落結構以及水環境因子的研究發現，WT、SD、BOD5、TP是影響浮游植物群落結構季節動態的主要因子。高碑店湖水體來源主要是高碑店污水處理廠排出的中水，水溫變化幅度較大，在夏季水溫最高時達41.9 ℃，較高的水溫限制了浮游植物生長，所以在夏季浮游植物密度為2.57×107 cells/L，僅為春季浮游植物密度的4.66%。

透明度是揭示水質的重要指標，透明度影響光照，對水體中浮游植物的群落結構具有重要影響[15]。在營養鹽豐富的高碑店湖水體中，光照是否充分就成了浮游植物生長的限制因子。在該次調查研究中，通過CCA分析，受水環境因子SD影響較強的種類有大螺旋藻、針形纖維藻、弱細顫藻、交錯絲藻、間斷羽紋藻、針形纖維藻、粗刺四棘藻、束縛色球藻、雜球藻;有研究證實，水體中總磷濃度是浮游植物生長的限制因子[16-17]，在高碑店湖水體中，受水環境因子總磷濃度影響最強的是裸藻類。

3.2 水環境中生物因子對浮游植物群落結構的影響 浮游植物是水生態系統中重要的生產者，是食物鏈的第一營養級，其群落結構的變化受水體中浮游動物、浮游食性魚類和昆蟲類的調控[17-18]。在研究調查高碑店湖水體浮游植物密度時，春季密度較高，是夏季浮游植物密度的21.4倍，是秋季浮游植物密度的58.4倍，其中浮游植物密度與浮游動物產生的捕食壓力有關，浮游植物作為浮游動物的食物來源，其密度和種群結構的變化必然導致浮游動物的群落結構和密度的變化。通常春季，水體中的浮游植物現存量呈上升趨勢[19]，內稟增長率高的輪蟲類和個體發育時間較長的枝角類、橈足類種群密度隨之有較大幅度的提高，其密度在夏季達到峰值[20]，增加的攝食壓力，導致浮游植物密度呈明顯下降趨勢。有水草的水體通常透明度較大，浮游植物生物量較低[21]，關于水生植物對浮游植物的相克作用及其機理已有研究報道[22]。Jones[23]通過用葉綠素 a 測定的浮游植物生物量，得出浮游植物生物量與水生植物密度呈負相關。況琪軍等[24]利用人工模擬生態系統，研究了水生植物與藻類相關性，其結果顯示鳳眼蓮、水花生、水浮蓮和浮萍對浮游植物呈明顯抑制作用，其中鳳眼蓮根系胞外產物對浮游植物具有明顯抑制作用。有研究報道，水生植物對藻類的總種數無明顯影響，但對浮游植物細胞密度和生物量的影響很大，二者總體上呈負相關性。高碑店湖水體中秋季有大量沮草、篦齒眼子菜、浮萍生長，它們與浮游植物爭奪養分和陽光，抑制浮游植物生長，導致秋季浮游植物密度低于春季和夏季，僅為春季浮游植物密度的1.71%。

4 結論

調查中，從高碑店湖水體共鑒定出浮游植物6門49屬95種（含變種），水體中浮游植物群落結構不同季節具有不同特征。水體按浮游植物種類豐度與生物量依次為春、夏、秋。春季和夏季以藍藻、綠藻為優勢門類，秋季以藍藻、綠藻、硅藻為優勢門類。通過綜合營養指數值計算分析，高碑店湖春季和夏季為重度富營養狀態，秋季為嚴重富營養狀態，秋季TN和Chla濃度高于春季和夏季。影響高碑店湖浮游植物群落結構季節動態的主要水環境因子為溫度、透明度、生化需氧量、總磷，同時受水環境生物因子的影響。

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