東平湖與大汶河浮游植物群落結構季節變化及水質評價

段萍萍，陳明帥，宋寧寧，王鑫，張艷

（1.青島農業大學資源與環境學院，山東 青島 266109;2.青島大學環境科學與工程學院，山東 青島 266071；3.青島農業大學海洋科學與工程學院，山東 青島 266109）

浮游植物是水體中營浮游生活的微小植物和水域生態系統的初級生產者，其種類組成、群落結構和數量等變化是反映生態系統功能的重要指標[1,2]。浮游植物個體小、生活周期短、繁殖快，易受水溫、營養鹽、溶解氧和pH 等環境因子的影響，環境變化時其密度、生物量與多樣性也會發生變動[3]。不同的氣候區浮游植物群落組成不同，可在短時間內對環境變化做出響應，其變化結果反映了環境的綜合變化[4]，尤其是其種類和數量變化與水體的營養狀態密切相關[5]。以浮游植物群落結構的變化作為重要指標來評價水體質量[6,7]在水體生物學監測及評價中有重要作用[8]。

東平湖（35°30′～36°20′N，116°34′～117°2l′E）位于山東省泰安市東平縣西部，東連大汶河，西近京杭運河，北通黃河，是山東省第二大淡水湖泊和南水北調東線工程上最北的調蓄湖泊，其水質優劣直接影響受水地區的用水安全。大汶河是黃河下游在山東境內最大的支流，流經東平湖注入黃河，也是東平湖的唯一匯入河流，流域面積占東平湖總流域面積的94.1%，其水質直接影響到東平湖湖區水質。近十幾年來，有較多研究圍繞東平湖與大汶河水質展開[9-11]，亦有一些東平湖浮游植物的研究報道[12,13]，但調查時間距今已久，尚無有關大汶河浮游植物的研究報道[14,15]。本研究通過對東平湖與大汶河2019 年4 個季節10 個樣點的野外調查，探討了浮游植物群落結構季節變化及其與環境因子的關系，評估了東平湖與大汶河的浮游植物多樣性及水質基本情況，為東平湖流域水環境保護和南水北調輸水水質安全提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 采樣時間及樣點布設

為準確、客觀地反映東平湖水域浮游植物的特征，根據東平湖與大汶河的地域分布，在東平湖入湖口區、湖心區、出湖口區、近岸帶區選取了4 個采樣點（DPH01、DPH05、DPH07、和DPH09），在大汶河干流選取了6 個采樣點（DWH01、DWH04、DWH06、DWH09、DWH10、DWH12）（圖1），于2019 年3 月、6 月、9 月和12 月進行4 個季節的野外采樣。

圖1 東平湖與大汶河浮游植物采樣站位圖Fig.1 Phytoplankton sampling sites in the waters of Dongping Lake and Dawen River

1.2 環境因子的測定

樣品采集的同時現場測定并記錄各個采樣點的經緯度、氣溫、水溫、溶解氧和水深等指標，pH、總磷、氟離子、總氮、氨氮、COD 指標等回實驗室測定（表1）。測定方法參照《湖泊生態調查觀測與分析》[16]。

表1 主要理化指標及測定方法Tab.1 Water quality indicators and measurement methods

1.3 浮游植物的采集與處理

用采水器在每個采樣點采集1 L 水樣，采集2次，加入魯哥氏液固定，帶回實驗室，靜置沉淀48 h，濃縮定容至50 mL。

將濃縮后的樣品充分搖勻后用移液器吸取0.1 mL,注入浮游植物計數框內，用目鏡視野法在400～600 倍顯微鏡下計數。每個樣品至少計數2 片，每片計數50～100 個視野。同一個樣品，兩次結果與平均值之差不大于±5%，即視為有效結果，取其平均值。浮游植物生物量（濕重）通過體積換算法間接獲得。浮游植物物種鑒定主要參照《中國淡水藻類——系統、分類及生態》[17]。

1.4 浮游植物群落特征指數研究方法

采用Shannon-Wiener 指數（H），Pielou 均勻度指數（J）及Margalef 物種豐度指數（D）分析浮游植物群落的物種多樣性指數，采用優勢度指數分析優勢種，計算公式如下：

式中，Pi為群落中某種浮游植物的個體數占浮游植物總個體數的比例；N 為全部物種的總個體數，Ni為群落中第i 種的個數；Y 為優勢度指數，fi為第i 種在所有樣點出現的頻率。

1.5 浮游植物群落特征指數評價標準

Shannon-Wiener 指數（H），Pielou 均勻度指數（J）及Margalef 物種豐度指數（D）三種指數的評價標準如表2。

表2 Shannon -Wiener 指數、Pielou 指數和Margalef 指數的評價標準Tab.2 Evaluation criteria for the Shannon-Wiener,Pielou and Margalef indices

1.6 數據分析方法

使用Excel 進行數據計算與處理，利用統計分析軟件SPSS 26.0 進行浮游植物群落指標與環境因子彼此間的Pearson 相關性研究，并利用Canono5.0軟件進行除趨勢對應分析（DCA）和冗余分析（RDA），其中繪圖采用軟件Origin 2018。

2 結果與分析

2.1 東平湖與大汶河水體理化因子狀況分析

2019 年4 個時期東平湖與大汶河研究區域水體水質指標數據見表3。參照地表水環境質量標準（GB3838-2002）[18]Ⅲ類水質對比發現，除了3 月份的總氮含量超標，其余指標平均值均未超出Ⅲ類水的水質標準。總磷、COD、總氮、氨氮的標準差較大，表明這4 項指標空間分布變異性較大。pH 最低值出現在6 月為7.89，最高值出現在12 月為8.46，說明調查區域內水體水質整體呈弱堿性。

表3 2019 年東平湖與大汶河研究區域水質理化參數Tab.3 Water quality physical and chemical parameters in Dongping Lake and Dawen River in 2019

2.2 浮游植物種類組成與優勢種

本次東平湖與大汶河浮游植物調查的樣品中共檢出8 門123 種，包括藍藻門、綠藻門、硅藻門、隱藻門、裸藻門、金藻門、甲藻門和黃藻門。其中綠藻門的種類最多，有47 種，占總種類數的38.21%；其次是硅藻門38 種，占30.89%；藍藻門有20 種，占16.26%；其余金藻門、甲藻門、裸藻門和黃藻門四者比例都較小，共占總種類數的13.01%；隱藻門最少，只有2 種，占1.63%。東平湖和大汶河浮游植物種類組成中以綠藻門為主，其次為硅藻，兩者占總種類數的比例高達69.10%。

優勢種的判定采用優勢度評價法，其中優勢度值（Y）大于0.02 的物種為優勢種。由表4 可見，2019 年東平湖與大汶河浮游植物優勢種共有22種，優勢度值變化范圍為0.020～0.477。優勢種以綠藻門種類最多，為8 種，是優勢相對明顯的門類，其次為硅藻和藍藻門種類，分別為7 種和5 種，而裸藻門和黃藻門較少，均為1 種。浮游植物優勢種的季節變化主要表現在：3 月優勢種主要是綠藻門、硅藻門和黃藻門種類，其中小球藻Chlorella vulgaris的優勢度最高；6 月小球藻的優勢度明顯降于3 月，硅藻門的優勢種類數減少，藍藻門的優勢種出現；9月藍藻門的優勢種類數和優勢度持續增加，綠藻門小球藻的優勢度繼續下降；12 月綠藻門和硅藻門優勢種的優勢度較9 月明顯增加，藍藻門優勢種類湖區內為優勢度減少，大汶河種類數目減少。總體來看，東平湖與大汶河的浮游植物優勢種類組成的季節變化大體一致，春季和冬季的優勢種以綠藻和硅藻為主，夏季與秋季的優勢種以綠藻和藍藻為主。

表4 2019 年東平湖與大汶河浮游植物優勢種Tab.4 Phytoplankton dominant species in Dongping Lake and Dawen River in 2019

2.3 浮游植物細胞豐度

調查期間，東平湖與大汶河研究區域綠藻類群的相對豐度為42.04%，為最優勢門類，藍藻與硅藻類群相對豐度分別為34.01%和18.47%，而金藻、黃藻類群的相對細胞豐度為2.11%與1.61%，甲藻、隱藻和裸藻類群所占比例較低，分別為0.71%、0.47%和0.58%。以上結果表明，綠藻類群為東平湖浮游植物細胞豐度的主體，其次為藍藻和硅藻類群。

各采樣點浮游植物的細胞豐度總范圍為1.634×106～5.652×106cells·L-1，平均為4.284×106cells·L-1。由圖2 看出，東平湖DPH01 采樣點的總細胞豐度最高，為5.652×106cells·L-1，大汶河DWH06采樣點的總細胞豐度最低，為1.634×106cells·L-1。東平湖湖區內四個采樣點（DPH01、DPH05、DPH07和DPH09）的總細胞豐度平均值為4.540×106cells·L-1，大汶河六個采樣點（DWH01、DWH04、DWH06、DWH09、DWH10 和DWH12）的總細胞豐度的平均值則為4.113×106cells·L-1，東平湖浮游植物的平均總細胞豐度略高于大汶河，可能由于東平湖采樣點附近的村莊將生活污水排入湖泊，導致湖泊營養富集，使得東平湖采樣點處的浮游植物平均密度較高。

圖2 東平湖與大汶河不同采樣點浮游植物細胞豐度及各類群豐度占比Fig.2 Cell abundance and taxa ratios of phytoplankton in different sampling sites in Dongping Lake and Dawen River

不同門類的浮游植物豐度比具有鮮明的季節變化。調查期間，三個主要門類表現為：綠藻門的細胞豐度占比均比其他門類高，其中3 月達最高，為58.89%，9 月最低，為33.78%；硅藻門在12 月占比最高，為29.94%；藍藻門則在9 月占比最高，為39.62%（表5）。東平湖水溫具有明顯的季節性，秋季的平均水溫最高，湖水溫度及其他水質狀況適宜藍藻類群的繁殖，細胞豐度占比在一年之中達到最高；硅藻適宜生長的環境溫度較低，因此在低溫環境中更具競爭優勢。

表5 東平湖與大汶河不同季節浮游植物細胞豐度比/（%）Tab.5 Cell abundance ratios of different phytoplankton phyla in Dongping Lake and Dawen River in different seasons

綜上所述，調查期間東平湖與大汶河浮游植物的季節演替模式為：春季是綠藻-硅藻型，夏秋是綠藻-藍藻-硅藻型，冬季是綠藻-硅藻-藍藻型。浮游植物細胞豐度的季節變化與優勢種組成的變化特點相一致。

2.4 浮游植物生物量分析

調查期間，采樣點浮游植物總生物量范圍為8.54～48.35 mg·L-1，平均為23.67 mg·L-1。不同采樣點浮游植物各類群生物量（圖3）顯示，大汶河DWH10 采樣點總生物量最低，為8.54 mg·L-1，大汶河DWH06 采樣點最高，為48.35 mg·L-1。采樣點生物量以硅藻、藍藻和綠藻類群為主，其中硅藻類群所占比例在各采樣點平均為35.92%，硅藻類群的豐度較綠藻和藍藻小，但生物量卻為主體，主要是硅藻類群的體積和平均濕重較大；藍藻類群所占比例在各采樣點平均值為32.70%；而綠藻類群在各采樣點占生物量比例平均值為15.51%。其余金藻、裸藻、甲藻、隱藻和黃藻類群的生物量所占比例較低，分別為7.03%、3.77%、2.79%、1.24%和1.05%。

圖3 東平湖與大汶河不同采樣點浮游植物生物量及各類群生物量占比Fig.3 Biomass and taxa ratios of phytoplankton in different sampling sites in Dongping Lake and Dawen River

金藻類群在10 個采樣點的生物量占比較低，但在東平湖湖區內采樣點DPH01 的生物量占比較高，為38.02%，結合圖2 中金藻類群細胞豐度占比僅為6.10%。由此可看出，在采樣點DPH01 的金藻類群雖然豐度低，但是平均濕重較高。

2.5 浮游植物物種多樣性指數及水質生物學評價

各采樣點間三種多樣性指數存在差異（圖4）。其中，物種豐富度指數D 值的計算結果范圍在1.313～4.932，均值為3.189，參照豐富度指數水質評價標準，可判定研究區域水體水質介于清潔型與中度污染之間；多樣性指數H 值范圍在0.893～2.794之間，均值為2.093，參照多樣性指數水質評價標準，可判定研究區域水體水質為β-中污型；而均勻度指數J 值范圍在0.388～0.863 之間，均值為0.734，參照均勻度指數評價標準，判定結果為研究區域水體水質介于清潔-寡污型與β-中污型之間。以上三種指數均在東平湖DPH01 采樣點波動范圍較大，在DPH09 采樣點波動范圍較小，較穩定。綜上Margalef物種豐度指數（D）、Shannon-Wiener 指數（H）及Pielou 均勻度指數（J）三種多樣性指數對東平湖與大汶河水質的判定結果有所差異。

圖4 東平湖與大汶河浮游植物各采樣點三種多樣性指數Fig.4 Three diversity indices of phytoplankton at each sampling site in Dongping Lake and Dawen River

2.6 浮游植物與環境因子的關系

除趨勢對應分析（DCA）結果顯示（圖5），2019年3 月東平湖的各采樣點基本聚為一組，同樣2019年6 月、9 月、12 月的各采樣點都分別聚為一組。運用DCA 分析檢驗其第一軸的梯度長為2.9，因此選擇冗余分析（RDA）分析進行約束性排序。

圖5 基于物種豐度的DCA 排序圖（如：3DWH01 表示3 月份的采樣點DWH01）Fig.5 DCA ordination plots based on species abundance（e.g.3DWH01 represents the March sampling site DWH01）

通過蒙特卡羅檢驗（Monte Carlopermutation test）排除貢獻小的因子，最后得出總氮（TN）、總磷（TP）和氟離子（F-）為顯著影響東平湖浮游植物分布的環境因子（P＜0.05）（圖6）。其中，TN 與浮游植物群落結構的相關性最強（r=0.85）。圖6 中為了方便觀察，將沒有通過蒙特卡羅檢驗的化學需氧量（COD）和氨氮也放入RDA 分析中進行RDA 排序。

圖6 采樣點-環境相互關系RDA 排序圖（如：3DWH01 表示3 月份的采樣點DWH01）Fig.6 RDA ranking diagram of sampling site -environment interrelationship（e.g.3DWH01 represents the March sampling site DWH01）

篩選的各環境因子對RDA 各軸的貢獻存在顯著差異（P＜0.05）（表6），其中，TN、TP 與第一軸呈顯著正相關（r=0.85，r=0.71），而F-與第一軸則呈顯著負相關（r=-0.64）。2019 年12 月的所有樣點和9月的個別樣點的浮游植物群落結構主要與F-有較強的相關性，3 月和6 月的個別樣點的浮游植物群落結構主要與TP 有較強的相關性以及與TN 有一定的相關性（圖6）。RDA 分析結果表明，與浮游植物群落結構相關性較強的環境因子在各采樣點不同，且各采樣點在RDA 第一軸和第二軸分化較好。

表6 RDA 分析結果Tab.6 RDA analysis

3 討論

3.1 浮游植物群落結構特征分析

不同水域生態系統浮游植物的群體分布特征隨地域和水體類型而異[19,20]，不同時期的浮游植物種類組成也有所不同。本調查結果顯示，在東平湖與大汶河研究區域內浮游植物群落組成中綠藻類群的物種數量占優勢，硅藻和藍藻類群其次，綠藻和硅藻類群共占物種數量的69.10%。研究區域2019 年四個時期的優勢種共有23 種，其中綠藻門種類最多，為8 種，其次硅藻類群物種為7 種。在2013 年南水北調運行初期，東平湖浮游植物種類以綠藻門為主，其次為裸藻門和硅藻門[13]，對比2017年東平湖浮游植物種類組成，綠藻門依舊占據優勢，而硅藻門卻成為數量最多的門類[21]。在更早的1994 年東平湖浮游植物種類組成依然是綠藻門最多，硅藻門和藍藻門其次[22]。而在本研究中，綠藻和硅藻類群種類占優，藍藻種類也有所增加。總體來看，東平湖浮游植物種類組成在2017 年以后以綠藻和硅藻種類為主，這不僅反映在物種組成結構上，也反映在各類群之間構成結構的空間特征上，這與國內外湖泊浮游植物的群落構成模式大體吻合[23-25]。

在自然水體中，浮游植物的群落組成結構具有空間和時間差異性。東平湖與大汶河研究區域的浮游植物種類與細胞豐度的樣點特異性（空間差異性）較為明顯，綠藻、硅藻和藍藻類群是廣布種，在東平湖與大汶河研究區域的10 個采樣點的出現頻率都較高；甲藻、隱藻類群雖然出現頻率較低，但在東平湖湖區內的所有采樣點都出現過，而只在大汶河的個別樣點出現過，說明東平湖和大汶河的水環境存在一定的差異；其中黃藻和金藻類群僅出現在個別月份或個別樣點，這些樣點水體透明度值較高，這符合黃藻和金藻類群適宜光照強、水體環境清潔的生態規律特征[26]。水域生態系統中浮游植物的生長發育及其群落的分布受水環境溫度的重要影響[27,28]，而東平湖與大汶河浮游植物的物種種類和細胞豐度也存在一定季節差異性。與藍藻和綠藻相比，硅藻生長的適宜溫度更低[29]，在溫度較低的春季和冬季，硅藻更具競爭優勢，硅藻類群的細胞豐度較高；藍藻類群對水體波動具有較強的適應性，可以快速從水體中吸收有助于自身生長發育的養分使細胞豐度達到較高的值，典型藍藻的溫度適應范圍比綠藻更寬，對高溫的耐受力也更強[30,31]，藍藻能在40 ℃的較高水溫下生長，在6 月、9 月藍藻類群的細胞豐度都較高，尤其是在溫度最高的夏末秋初[32,33]；綠藻與藍藻雖都喜好高溫[34]，但綠藻適宜生長的溫度較藍藻要低，細胞豐度在4 個時期均占比最高，成為東平湖細胞豐度的主體。

本研究中，以綠藻類群為主體，細胞豐度占比為42.04%，藍藻和硅藻類群其次，其豐度占比分別占34.01%和18.47%。浮游植物生物量主體以硅藻和藍藻類群為主，采樣點平均生物量分別為35.92%、32.70%，其中硅藻類群的細胞體積和平均濕重大、則生物量大，硅藻適宜在有機質含量高的水體中生長。

3.2 浮游植物群落與環境因子的關系

大量研究表明，處在不同水體中的浮游植物群落結構表現出不同的特征，演替規律是大部分環境因子在時間和空間上彼此影響的結果，而且浮游植物功能群的演替與浮游植物的生長策略密切相關，可以進一步探索浮游植物演替過程中與環境因子之間的內在關系[35,36]。不同環境因子與浮游植物多樣性指標之間的相關性有所不同[37]。

本研究中，DCA 分析結果將東平湖的采樣點分成明顯的四個組。按照采樣的四個月每個月的采樣點分別聚集在一起，表明浮游植物群落在相同時間下各個采樣點的適應性相似（圖5）。而RDA 分析結果表明，各月各采樣點的浮游植物群落與不同的環境因子有相關性。氮磷是影響浮游植物群落結構的關鍵因子。氮磷濃度的增加使綠藻類群占優勢[38,39]，促進綠藻類群的生長。3 月和6 月個別樣點的浮游植物群落結構與TP 有較強的相關性以及與TN 有一定的相關性，且在3 月、6 月綠藻類群的細胞豐度較其他門類的浮游植物要高更多；而9 月和12 月浮游植物與氟離子有很強的正相關性（圖6）。9 月綠藻、藍藻類群細胞豐度較高（表6）。是否表明氟離子在一定濃度范圍內會對綠藻和藍藻類群的生長繁殖起促進作用[40]，有待進一步探討研究。

3.3 浮游植物群落多樣性與水質評價

在運用不同多樣性指數評價浮游植物群落結構與解釋群落結構差異原因的研究中，生物多樣性作為衡量一個區域生物資源豐富程度的客觀指標而被廣泛應用。本研究用Margalef 物種豐富度指數（D）、Shannon-Wiener 物種多樣性指數（H）和Pielou均勻度指數（J）三個指標，均可以較好地反映東平湖浮游植物群落的物種復雜程度、分散程度及種間個體分布均勻程度。本研究結果表明，東平湖浮游植物的物種豐富度指數（D）和物種多樣性指數（H）結果較高，均值分別為3.189、2.093，說明東平湖浮游植物群落的物種豐富度較高，群落結構相對復雜。而浮游植物的均勻度指數（J）值較低，均值為0.734，則說明了浮游植物個體及種間分布的均勻程度較低。三種指標的對比可以看出，東平湖與大汶河浮游植物的群落結構相對穩定，不易受到外界環境條件改變和內部種群演變的干擾。

浮游植物對水體環境變化較敏感，其群落結構特征具有一定的空間和時間變化性[41]，而不同的多樣性指數用來作為判定湖泊營養化程度的水質指標，結果會有所差異[42,43]。本研究選用的三種物種指標分析東平湖與大汶河水質情況，其結果亦有所差異。Marglef 豐富度指數評價結果為研究區域水體水質介于清潔型與中度污染之間；Shannon-Wiener 物種多樣性指數評價結果為β-中污型；Pielou 均勻度指數評價結果為水質介于清潔-寡污型與β-中污型之間。

水體、地域環境、采樣方法、鑒定過程等各因素會影響多樣性指數評價，不同指標的評價結果有差異是正常的。通常需要綜合多種評價方法得出最終結果。東平湖與大汶河水體理化指標顯示，溶解氧與氨氮濃度分別為6.22～12.94 mg·L-1、0.042～0.300 mg·L-1，均屬Ⅰ～Ⅱ類水水質標準；總磷濃度為0.004～0.041 mg·L-1，介于Ⅰ～Ⅲ類之間；氟離子濃度為0.026～0.703 mg·L-1，屬Ⅰ類標準；COD 濃度為12.39～22.83 mg·L-1，介于Ⅰ～Ⅳ類標準；總氮濃度為0.254～1.642 mg·L-1，介于Ⅱ～Ⅴ類標準，其中3 月總氮濃度平均值最高，為1.192 mg·L-1，屬Ⅳ類標準。浮游植物密度將水體劃分為貧營養型（＜106個·L-1）與富營養型（＞106個·L-1）[44]。以此標準看，東平湖的平均值為4.540×106cells·L-1，大汶河的平均值為4.113×106cells·L-1，均屬于富營養型水體。但相比前人2017 對年東平湖的TN 和TP 濃度研究成果，2019 年東平湖的氮磷及COD 濃度下降趨勢明顯，說明東平湖的水環境逐步得到改善。從優勢物種組成來看，一般而言，硅藻型的浮游植物群落結構類型可以作為典型指標來判定污染程度較輕的水體，而藍-綠藻型則可以用來指示典型的較高營養化水體。本研究表明，東平湖與大汶河浮游植物優勢種以綠藻類群為主，其中作為中污染指示種的小球藻在調查的4 個時期均為優勢種，尤其是3 月優勢度最高，東平湖高達0.477，大汶河為0.302，說明東平湖與大汶河水質營養化程度較高。綜合以上結果，2019 年東平湖與大汶河研究區水體處于中營養到富營養水平。