大運河（滄州段）浮游植物群落特征與水體營養狀況分析

王君，陳新，李末，張亞楠，蔣照宏

（滄州師范學院生命科學學院，河北 滄州 061001）

近年來，隨著我國社會的迅速發展，人類活動嚴重影響了河流生態系統，城市化、工業化、土地利用方式的轉變以及水利工程建設等諸多問題，改變了當前我國大部分城市河道的水文狀況、徑流量，嚴重影響了河道形態、河流流態及水沙關系，導致我國生境上、下游間發生變化，城市固有的生態均衡體系也遭受破壞，河流生態系統退化，水體富營養化程度加劇，生物資源多樣性減少等，河流生境健康遭遇嚴峻的挑戰[1-3]。因此，河流生態問題成為當前世界生態學研究的關鍵內容。

滄州段大運河南起吳橋縣，北至青縣，河道全長215 km，是京杭大運河流經最長的一個城市，市區內河道蜿蜒曲折極具特色，呈現出“三彎抵一閘”的古老河道格局。運河有著悠久的文化底蘊，帶動了周邊城鎮工農業和經濟發展，對城鎮建設也有著重要影響[4]。浮游植物作為我國水環境生態系統的重要構成部分，是實現水體能源流動與物質循環的重要一環，其中的生物資源多種多樣，分布寬泛，不僅直接影響水體中其他微生物的形態及其分布，對人類的生存與活動也具有重要意義。浮游植物對水環境變化反應敏感，在不同水質的各水體中，浮游植物的種類、數目及其群落的分布各具不同特征與規律。因此深入研究浮游植物群落結構的變化特點，可綜合評價水體營養狀況，為其水體環境治理提供理論依據。

在人與自然和諧相處的現代生活中，關于河流生態系統的研究倍受社會的廣泛關注。近年來，大運河的水體污染狀況日益加劇，河流生態系統受到了嚴重的損害，承受的壓力逐漸增大，水資源流失、水體污染和水體的富營養化等問題時常出現[5-7]。而水資源和水環境的修復工作要從整個河流生態系統的角度入手，更要注重河流生態系統現存問題[8]。近年來，滄州工業化和城市化的迅速發展，工業廢水、農業廢水和生活污水的不合理排放，使大運河滄州段水體污染加劇，水環境急劇惡化，影響了城鎮的發展。本研究對滄州段大運河自上游到下游按河流走向依次選取7 個具有代表性的監測斷面，在不同時間段分析和監測了水體浮游植物群落結構特征及其主要水環境因子，運用生物學指標和水環境指標綜合評估了水質污染等級，最后通過Pearson相關性分析進一步探討浮游植物群落結構與環境因子之間的關系，為大運河（滄州段）浮游植物群落分布特征的研究、評估大運河滄州段的水質狀況及水體污染治理與大運河生態修復提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

根據大運河滄州段的實際環境情況與水文特征，選取7 個有代表性的采樣斷面：S1（桑園橋）、S2（連鎮橋）、S3（運河橋）、S4（代莊閘）、S5（三姓村橋）、S6（建設路）和S7（青縣橋）（圖1）。這7 個斷面都處于滄州段大運河的主流河道上。

圖1 采樣點分布Fig.1 The sampling site

1.2 樣品的采集

2020 年春季（4 月）、夏季（6 月）、秋季（9 月）在滄州段大運河各采樣點采集水樣。

1.2.1 浮游植物樣品的采集[9,10]

在不同時間段，用25#浮游生物網在各采樣點水面下0.5 m 左右呈“∞”狀勻速拖行數分鐘，定性采集浮游植物樣品，采集后立刻加入4%的甲醛溶液現場固定。定量樣品使用1 L 的有機玻璃采水器采集，采集后現場加入1.5%的魯哥試液進行固定。浮游植物樣品帶回實驗室靜置48 h，濃縮至30 mL，采用0.1 mL 的計數框，在400 倍顯微鏡（OLYMPUS）下鑒定浮游植物物種。每個樣品計數兩次。用于分析浮游植物群落結構組成、密度、優勢種及物種多樣性等。

1.2.2 大運河滄州段水樣的采集[11,12]

在春季，夏季，秋季分別對7 個采樣斷面用多參數水質分析儀現場測定pH、水溫（T）、溶解氧（DO），用塞氏盤測定水體透明度。使用2 L 有機玻璃采水器分別采集上、中、下三層水樣混勻后取1 L水樣，加入2 mL 氯仿固定，用于測定總氮（TN）、總磷（TP）含量；取500 mL 水樣，加入1 mL 濃硫酸固定，用于測定高錳酸鹽指數（CODMn）；取上層水樣500 mL，用濾膜（0.5 μg）抽濾，避光保存，用于測定葉綠素a（Chla）含量。剩余水樣低溫保存至水樣瓶中，48 h 內送回實驗室。

1.3 大運河滄州段浮游植物調查分析

1.3.1 浮游植物優勢度

運用Mc-Naughton 優勢度指數（Y）計算出大運河滄州段浮游植物的優勢度[13,14]。

優勢度計算公式為：Y=（ni/N）×fi。公式中：ni，浮游植物第i 種類的個體數目；fi，浮游植物第i 種類在采樣點中出現的頻率；N，采樣點中浮游植物所有個體的總數；如果Y>0.02，則該種類為這個采樣點中的優勢種。

1.3.2 浮游植物多樣性分析

運用Shannon-Wiener 多樣性指數（H），Pielou均勻度指數（J）和Margalef 豐富度指數（d）分析滄州段大運河浮游植物群落的結構特征，綜合評價水體的污染等級[15,16]，各多樣性指數的計算公式及評價標準[17]見表1。

表1 群落特征指數及評價標準Tab.1 Community characteristic index and evaluation criteria

1.3.2 大運河滄州段水體理化指標的測定

美國科學家卡爾森于1997 年提出了卡爾森指數（Carlson Tropic State Index，TSI），但因其評判水體的富營養化只以DO 為基準，存在片面性和單一性。日本科學家相崎守弘等提出了修正的營養狀態指數，即以Chla 濃度和其他水體理化指標為基準的營養狀態指數TSIM[18,19]。評價指標為：TSIM<37，為貧營養；TSIM 在38～53 之間為中營養；TSIM>53 為富營養。

修正的卡爾森營養狀況指數計算方法如下：

總氮（TN）的測定：TSIM（TN）=10×[2.46+（3.93+1.35×InTN）]/In2.5。

總磷（TP）的測定：TSIM（TP）=10×[2.46+（6.71+1.15×InTP）]/In2.5。

葉綠素a 含量的測定：TSIM（ChIa）=10×[2.46+InChIa]/In2.5。

懸浮物的測定：TSIM（SS）=10×[1.12+1.04×InSS]/In2.5。

高錳酸鉀指數的測定：TSIM（CODMn）=10×[0.11＋2.66×In CODcr）]/In2.5。

1.4 數據處理

利用Origin 2021、Excel 2019 軟件繪圖及數據分析，并運用SPASS 25.0 統計分析軟件對浮游植物與環境因子進行Pearson 相關性分析，探討環境因子與浮游植物的相關性。

2 結果與分析

2.1 大運河滄州段浮游植物群落結構特征

2.1.1 大運河滄州段浮游植物群落組成

2020 年春季、夏季與秋季在大運河（滄州段）共監測出浮游植物8 門85 種，其中綠藻門（Chlorophyta）30 種、藍藻門（Cyanophyta）15 種、硅藻門（Bacillariophyta）12 種、裸藻門（Euglena）10 種、隱藻門（Pyrrophyta）7 種、甲藻門（Pyrrophyta）6 種、金藻門（Chrysophyta）4 種、黃藻門（Xanthophyta）1 種。綠藻門、藍藻門和硅藻門種類數最多，分別占總種數的35.3%、17.6%和14.1%（圖2、表2）。

圖2 大運河滄州段浮游植物種類組成Fig.2 Species composition of phytoplankton in Cangzhou section of Grand Canal

表2 大運河滄州段浮游植物Tab.2 Phytoplankton in Cangzhou section of Grand Canal

2020 年春季共監測浮游植物7 門49 種。其中綠藻門最多，為16 種，占總種數的32.7%；硅藻門和藍藻門次之，分別為11 種和10 種，占總種數的22.4%和20.4%；裸藻門和甲藻門種類較少，為5 種和4 種，占總種數的10.2%和8.2%；隱藻門和金藻門最少，分別為2 種和1 種，僅占總種數的4.1%和2.0%（圖3）。

圖3 大運河滄州段春季浮游植物組成Fig.3 Composition of phytoplankton in Cangzhou section of Grand Canal in spring

續表1

2020 年夏季共監測浮游植物7 門54 種。其中綠藻門較多，為18 種，占總種數的33.3%；其次是藍藻門和硅藻門，均為9 種，均占總數的16.7%；裸藻門與甲藻門種數較少，分別為7 種和5 種，占總數13%和9.2%；隱藻門與金藻門最少，分別為4 種和2 種，占總數的7.4%和3.7%（圖4）。

圖4 大運河滄州段夏季浮游植物組成Fig.4 Composition of phytoplankton in Cangzhou setion of Grand Canal in summer

2020 年秋季共監測到浮游植物種類8 門76種。綠藻門的種數最多，為26 種，占總數的34.2%；藍藻門、硅藻門和裸藻門較多，分別為15 種、11 種和9 種，占總種數的19.7%、14.5 和11.8%；隱藻門和甲藻門種類較少，為7 種和5 種，僅占總數的9.2%和6.6%；金藻門和黃藻門最少，分別為2 種和1 種，占總種數的2.6%和1.3%（圖5）。

春季和夏季分別監測出7 門浮游植物，秋季共監測出8 門浮游植物，秋季多檢出黃藻門。秋季浮游植物種類明顯比春夏季更加豐富，三季中均為綠藻門的種數最多，綠藻門和藍藻門的種類在秋季明顯增多，其他門類的種數由春季到秋季都有所增長（圖3～圖5）。

圖5 大運河滄州段秋季浮游植物組成Fig.5 Composition of phytoplankton in Cangzhou setion of Grand Canal in autumn

2.1.2 大運河滄州段浮游植物密度

監測期間大運河（滄州段）春夏秋三季的浮游植物平均密度為2.49×108cells/L，其中藍藻門、硅藻門、綠藻門、金藻門密度較大，藍藻門密度為9.74×107cells/L，占總密度的39.19%；硅藻門密度為6.05×107cells/L，占總密度的24.35%；綠藻門4.26×107cells/L，占總密度的17.12%；金藻門為3.51×107cells/L，占總密度的14.11%。甲藻門、隱藻門、裸藻門的浮游植物密度較小，其中甲藻門密度為2.65×106cells/L，占總密度的1.07%；隱藻門密度為8.10×106cells/L，占總密度的3.26%；裸藻門為2.24×106cells/L，占總密度的0.9%。黃藻門密度最小為1.01×104cells/L 占總密度的0.004%（表3）。

表3 大運河（滄州段）浮游植物群落密度組成Tab.3 Phytoplankton community density composition in Cangzhou section of Grand Canal

監測期間不同季節浮游植物密度的組成如圖6所示。大運河（滄州段）春季的浮游植物總密度為1.70×108cells/L，其中藍藻門的浮游植物密度最大為6.10×107cells/L，占總密度的35.88%。其次是硅藻門和綠藻門，硅藻門為5.43×107cells/L，占總密度的31.99%；綠藻門為4.86×107cells/L，占總密度的28.58%。裸藻門、隱藻門、甲藻門密度較小，其中裸藻門為2.10×106cells/L，占總密度的1.24%；隱藻門為1.77×106cells/L，占總密度的1.04%；甲藻門密度為1.10×106cells/L，占總密度的0.65%；。金藻門密度最小為6.31×104cells/L，占總密度的0.04%。

圖6 大運河滄州段不同季節浮游植物密度變化Fig.6 Seasonal density changes of phytoplankton in Cangzhou section of Grand Canal in different seasons

大運河（滄州段）夏季的浮游植物總密度為4.93×108cells/L，其中藍藻門的密度最大為2.49×108cells/L，占總密度的50.5%。硅藻門、綠藻門密度較大，其中硅藻門密度為1.19×108cells/L，占總密度的24.17%；綠藻門密度為1.09×108cells/L，占總密度的22.03%。甲藻門、隱藻門、裸藻門的密度較小，其中甲藻門密度為6.64×106cells/L，占總密度的1.35%；隱藻門密度為7.95×106cells/L，占總密度的1.61%；裸藻門密度為1.60×106cells/L，占總密度的0.32%。金藻門密度最小為9.29×104cells/L，占總密度的0.019%。

秋季浮游植物總密度為2.53×108cells/L，金藻門密度最大，為1.05×108cells/L，占總密度的41.62%。硅藻門、藍藻門、綠藻門、隱藻門的密度較大，其中硅藻門密度為6.24×107cells/L，占總密度的24.70%；藍藻門密度為4.32×107cells/L，占總密度的17.11%；綠藻門密度為1.9×107cells/L，占總密度的7.53%；隱藻門密度為1.64×107cells/L，占總密度的6.48%。裸藻門與甲藻門的密度較小，其中裸藻門密度為5.13×106cells/L，占總密度的2.03%；甲藻門密度為1.31×106cells/L，占總密度的0.52%。黃藻門密度最小，為3.06×104cells/L，占總密度的0.01%。

總的來說，春夏秋三季的浮游植物密度有著明顯變化。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藍藻、綠藻、硅藻組成，秋季浮游植物群落主要由金藻、硅藻、藍藻組成。分析發現，秋季硅藻和金藻明顯占比更大，說明這兩種藻類適宜在秋季生長，而綠藻和藍藻適宜在夏季天氣炎熱的條件下生長。

2.1.3 浮游植物的優勢種分析

大運河（滄州段）浮游植物優勢度>0.02 的優勢種共有4 門6 種：硅藻門2 種、藍藻門2 種、綠藻門1 種、金藻門1 種。硅藻門中新月筒柱藻和小環藻的出現頻率最高，三個季節同時存在。浮游植物在不同季節的優勢度存在明顯的區別。春季共監測優勢種3 門4 種，硅藻門的新月筒柱藻為主要優勢種，優勢度為0.239；夏季共監測優勢種3 門5 種，其中，藍藻門的顫藻為主要優勢種，優勢度為0.295；而秋季共監測優勢種2 門3 種，其中金藻門的棕囊藻為主要優勢種，其優勢度為0.416（表4）。

表4 大運河（滄州段）春夏秋三季浮游植物優勢度Tab.4 Dominance of phytoplankton in Cangzhou section of Grand Canal in spring,summer and autumn

通過分析發現浮游植物優勢種在春夏秋三季具有明顯的變化規律，藍藻門的顫藻和柵藻與綠藻門的小球藻為春夏兩季的優勢種；硅藻門的新月筒柱藻在春夏秋三季均為優勢種；秋季最主要優勢種是金藻門的棕囊藻，其次是硅藻門的小環藻。顫藻、柵藻、小環藻都是富營養水體中常見的優勢種[20,21]，小球藻為水體嚴重污染指示物[22]，棕囊藻為有毒藻類，新月筒柱藻為有害藻類。由優勢種可知，大運河（滄州段）的大部分水體受到了一定程度的污染。

2.1.4 浮游植物的多樣性研究

2.1.4.1 浮游植物Shannon-Wiener 多樣性指數

監測期間內大運河滄州段7 個監測斷面的浮游植物群落Shannon-Wiener 多樣性指數為0.29～2.93。秋季多樣性指數明顯高于春季，春季高于夏季；春季多樣性指數最高的采樣點是桑園橋1.78，最低的采樣點是建設路0.76；夏季多樣性指數最高的采樣點是青縣橋為1.65，最低的采樣點是建設路為0.59；秋季多樣性指數最高的采樣點是在青縣橋為2.93，最低的采樣點是連鎮橋1.56（圖7）。

圖7 浮游植物Shannon-Wiener 多樣性指數Fig.7 Shannon-Wiener diversity index of phytoplankton

2.1.4.2 浮游植物Pielou 均勻度指數

在監測期間內大運河滄州段7 個監測斷面的浮游植物群落Pielou 均勻度指數為0.23～0.80。秋季Pielou 均勻度指數明顯高于夏季，夏季高于春季；春季均勻度指數最高的采樣點是青縣橋0.76，最低的采樣點是建設路0.26；夏季均勻度指數最高的采樣地點是青縣橋為0.68，最低的采樣地點是建設路為0.23。秋季均勻度指數最高的采樣地點是青縣橋為0.80，最低的采樣地點是連鎮橋為0.44（圖8）。

圖8 浮游植物Pielou 均勻度指數Fig.8 Pielou evenness index of phytoplankton

2.1.4.3 浮游植物Margalef 物種豐富度指數

在監測期間內，大運河滄州段7 個監測斷面的浮游植物群落Margalef 物種豐富度指數為0.53～2.30。秋季Margalef 物種豐富度指數明顯高于春夏季，春季均勻度指數最高的采樣地點是代莊閘為1.55，最低的采樣地點是建設路為0.53；夏季均勻度指數最高的采樣地點是三姓村橋為1.24，最低的采樣地點是建設路為0.68。秋季均勻度指數最高的采樣地點是青縣橋為2.30，最低的采樣地點是運河橋為1.14（圖9）。

圖9 浮游植物Margalef 物種豐富度指數Fig.9 Margalef species richness indes of phytoplankton

2.1.4.4 浮游植物多樣性指數分析

監測期間Shannon-Wiener 多樣性指數春季為1.84，夏季為1.77，污染等級均為α-中污染；秋季為2.36，污染等級為β-中污染。Pielou 均勻度指數春季為0.57，為輕污染，夏季為0.44，為中污染；秋季為0.54，為輕污染。Margalef 物種豐富度指數春季為2.86，夏季為2.64，污染等級均為β-中污染；秋季為3.87，為無污染。秋季各項多樣性指標污染等級低于春夏，大運河滄州段的污染等級為中度污染（表5）。

表5 不同季節大運河（滄州段）浮游植物群落多樣性指數Tab.5 Diversity index of phytoplankton community in the Grand Canal（Cangzhou section）in different seasons

2.2 大運河滄州段水體營養狀況分析

2.2.1 大運河滄州段水體環境特征

監測期間，滄州段大運河不同季節采樣點的水環境因子數值如表6 所示。由表7 可知，滄州段大運河夏季水溫平均值最高為26.52℃，春季水溫平均值最低為7.77℃；春、夏、秋三季的pH 平均值分別為7.82、8.43 和8.25，水體均呈現弱堿性；水體透明度夏季最高，為4.52，秋季最低，2.76。春季水體中總氮（2.34 mg/L）、總磷（0.22 mg/L）、葉綠素a（1.41 mg/L）平均值最高，氨氮（0.25 mg/L）平均值最低；夏季水體懸浮物（51.70g）、氨氮（0.93 mg/L）、硝態氮（1.61 mg/L）和高錳酸鉀（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，懸浮物（14.80 g）、硝態氮（0.88 mg/L）、總氮（1.41 mg/L）、總磷（0.04 mg/L）、葉綠素a（0.53 mg/L）和高錳酸鉀（7.30 mg/L）平均值最低。三個季節中各項水環境因子的數值差異明顯。

表6 大運河（滄州段）不同季節水環境因子的數值Tab.6 Values of water environmental factors in the Grand Canal（Cangzhou section）at different seasons

表7 大運河（滄州段）不同季節水環境因子平均值的比較Tab.7 Comparison of the average values of water environmental factors in the Grand Canal（Cangzhou section）at different seasons

2.2.2 大運河滄州段水體富營養化程度

春夏兩季的TSIM平均值分別為68.16 和64.85，均為富營養型水體。秋天的TSIM平均值為51.4，為中營養型水體。由于季節原因秋季水體為中營養型水體，但整體分析大運河（滄州段）的水體營養化程度污染較嚴重（表8）。

表8 不同季節各項指標的修正的卡爾森營養狀況指數Tab.8 The revised Carlson nutritional status index of each index in different seasons

2.2.3 浮游植物群落多樣性與水環境因子的相關性分析

通過對滄州段大運河浮游植物群落多樣性指標與水環境因子進行Pearson 相關性分析，如表9所示，浮游植物群落Shannon-Wiener 多樣性指數在春季與總氮（TN）、葉綠素a（Chla）表現為極顯著正相關（P<0.01），Pielou 均勻度指數與總氮（TN）、葉綠素a（Chla）表現為顯著正相關（P<0.05）；浮游植物群落Shannon-Wiener 多樣性指數在夏季與硝態氮（NO3-N）濃度表現為顯著正相關（P<0.05）；Pielou 均勻度指數與溫度（T）表現為顯著負相關（P<0.05），與硝態氮（NO3-N）濃度表現為顯著正相關（P<0.05）；Margalef 物種豐富度指數與溶解氧（DO）濃度表現為顯著負相關（P<0.05）。浮游植物群落Shannon-Wiener 多樣性指數在秋季與總磷（TP）濃度表現為極顯著負相關（P<0.01）；Pielou 均勻度指數與總磷（TP）濃度表現為顯著負相關（P<0.05）；Margalef物種豐富度指數與溶解氧濃度（DO）、總氮（TN）表現為極顯著負相關（P<0.01），與葉綠素a（Chla）濃度表現為顯著正相關（P<0.05）。結果表明，浮游植物群落多樣性指數與葉綠素a（Chla）、總氮（TN）的相關性最大，均為3 次顯著相關，與硝態氮、總磷、溶解氧濃度為2 次顯著相關，與溫度為1 次顯著相關。

表9 浮游植物群落多樣性指標與水環境因子的相關性Tab.9 Correlation between phytoplankton community diversity indicators and water environmental factors

3 結論

大運河滄州段共監測浮游植物8 門85 種。春夏季浮游植物種類明顯少于秋季，在三個季節中綠藻門的種數均為最多，秋季綠藻門、藍藻門的種類數增幅明顯。春季和夏季浮游植物群落主要以綠藻、硅藻和藍藻為主，秋季主要以金藻、硅藻、藍藻為主。新月筒柱藻、小球藻、顫藻和柵藻為春季優勢種，小環藻、小球藻、顫藻、柵藻、新月筒柱藻為夏季優勢種，小環藻、新月筒柱藻、棕囊藻為秋季優勢種。小環藻、顫藻、柵藻是富營養水體種常見的優勢種，小球藻為水體嚴重污染指示物，棕囊藻為有毒藻類，新月筒柱藻為有害藻類。監測期間Shannon-Wiener 多樣性指數、Pielou 均勻度指數和Margalef 豐富度指數對不同季節滄州段大運河浮游植物群落的結構特征的分析和水體污染等級綜合評價結果表明，秋季污染等級低于夏季和春季，為中度污染，說明大運河（滄州段）水體呈現一定程度的污染，季節變化影響污染等級。

對大運河滄州段不同季節各項水環境因子指標的監測表明，三個季節中各項水環境因子的數值具有明顯差異。運用修正的卡爾森營養狀況指數TSIM分析表明，滄州段大運河水體富春季和夏季的TSIM平均值分別為68.16 和64.85，均為富營養型水體，秋季TSIM 平均值為51.4 為中營養型水體。秋季水體為中營養型，但整體上大運河（滄州段）的水體營養化程度較嚴重。

對浮游植物群落多樣性指標與水環境因子的Pearson 相關性分析表明，大運河滄州段浮游植物多樣性指數與葉綠素a（Chla）、總氮（TN）、硝態氮（NO3-N）、總磷（TP）、溶解氧（DO）含量的相關性最為密切，與溫度（T）也具有一定的相關性。