忻州市秋季浮游植物多樣性分析及評價

劉 帥，趙燕楚，黃艷鳳，張鄧壯，石雅峰

（生態環境部海河流域北海海域生態環境監督管理局生態環境監測與科學研究中心，天津 300170）

浮游植物是淡水生態系統中重要的初級生產者，在淡水生態系統的能量流動、物質循環和信息傳遞中起著至關重要的作用［1-3］。浮游植物的種類和生長組成、數量的分布以及生物量等都是影響浮游植物群落結構的重要因素［4，5］，也是決定和評價水體生長和富營養化程度的關鍵測量指標，其生長種類和生長組成及分布的變化都對環境的變化有明確的指示意義［6-8］。同時環境條件的改變直接或間接地影響到浮游植物的群落組成，由于存在地域和水利類型差異，不同水體的浮游植物種類具有不同的特征，作為水體中的初級生產者，浮游植物的群落結構及其動態與環境因子和營養狀態密切相關［9，10］。

忻州市位于山西省，北倚內長城，與大同市、朔州市、內蒙古自治區為界，西臨黃河，與陜西省、內蒙古自治區相望，東傍太行山，與河北省接壤，南抵石嶺關，與太原市、陽泉市、呂梁市毗鄰。忻州市介于東經110°53′3″—113°58′0″、北緯38°6′5″—39°40′0″，南北長約170 km，東西寬約245 km，總面積2.515 萬km2，占山西省總面積的1/6，面積居山西省第一位［11］。忻州市河流大多屬汾河水系，主要有黃河、汾河及滹沱河（海河支流）等。黃河自老牛灣進入晉陜大峽谷，流經忻州180 km；汾河源自管涔山，河道寬度300～770 m，平均360 m，終年不凍；滹沱河發源于五臺山，在市境全長260 km［12］。

近年來，隨著社會經濟的發展，忻州市管轄內的水資源環境日益惡劣［13］。對于其管轄內重點河流和水庫的浮游植物未見系統研究。本研究通過對忻州市境內的12 個水庫和14 個重點河流進行生物采樣調查，并對其生物多樣性進行評價，可為忻州市水生態狀況提供基礎數據，也可為河流和水庫的環境演變分析以及生態修復提供必要的參考數據。

1 研究方法

1.1 采樣時間與地點

結合忻州市河流水文特征和生境狀況，在汾河、嵐漪河、偏關河、朱家川河、黃河、縣川河、滹沱河、牧馬河、清水河、桑干河共10 條主要河流上布設點位。點位布設以國控斷面為主，上下游河段點位作為補充，共22 個監測點（圖1、表1）。

表1 調查點信息

圖1 忻州市采樣點分布

1.1.1 河流點位布設 參考國家生態監測辦法在忻州市行政區域內共布設14 個采樣點位。以調查點位為中心，以上下游各500 m（調查河段總長1 km）范圍為采樣調查區域。

1.1.2 水庫點位布設 結合水庫面積大小、水文特征及水環境質量狀況，以孤山、下茹越、觀上、神山、米家寨、雙乳山和唐家灣7 座中型水庫及靜樂汾河國家濕地公園為重點開展水生態環境調查，共設置8 個監測點。

1.2 浮游植物樣品采集及處理

浮游植物定量樣本采集用1 L 樣品瓶采集，然后立即加入15 mL 魯哥氏液固定，定性樣本采用25號浮游生物網（200 目）采集，加福爾馬林固定［14］，采樣方法嚴格按照《水和廢水監測分析方法》［15］（第四版，增補版）執行。在實驗室采用ZEISS Scope A1 型顯微鏡對樣品進行鏡檢，種類鑒定參照《中國淡水藻類——系統、分類及生態》［16］，定量樣本需要在分液漏斗中靜置24 h，體積最終濃縮到30 mL，計數并計算藻細胞密度。

1.3 分析方法

1.3.1 空間分布特征分析方法 應用統計軟件Primer 6 對河流和水庫的采樣點浮游植物的鑒定結果進行聚類分析。將相似程度較高的采樣點位進行歸類，分析其空間分布特征。

1.3.2 優勢種分析 優勢度反映水域中生物密度分布，通過計算不同物種在各點位的頻率，將優勢度大于或等于0.02 的物種定為優勢種［17］，計算公式如下。

式中，Y為優勢度；fi為物種i出現的頻率；ni為物種i的個體數；N為所有物種的個體數總和。

1.3.3 生物多樣性分析 浮游植物多樣性指數通過BioDiversity Pro 統計軟件進行分析，采用Shannon-Winner 多樣性指數（H′）、Margalef 豐富度指數（D）和Pielou 均勻度指數（J）對忻州市的河流和水庫點位多樣性進行評價［18-20］，計算公式如下。

式中，S為樣品中浮游植物的物種總數。

通常，生物多樣性指數的高低代表著群落結構的穩定性強弱［21］，浮游植物多樣性指數對水質評價類型的標準［22］見表2。

表2 生物多樣性指數評價污染類型標準

2 結果與分析

2.1 浮游植物群落結構狀況

忻州市內河流共檢測到浮游植物8 門111 種（表3），其中，硅藻門（Bacillariophyta）65 種，占總數的58.56%；綠藻門（Chlorophyta）22 種，占總數的19.82%；藍藻門（Cynophyta）10 種，占總數的9.01%；裸藻門（Euglenophyta）7 種，占總數的6.31%；金藻門（Chrysophyta）2 種，占總數的1.80%；甲藻門（Dinophyta）2 種，占總數的1.80%；隱藻門（Cryptophyta）2 種，占總數的1.80%；黃藻門（Xanthopyta）1 種，占總數的0.90%。河流浮游植物各類群及其占比如圖2 所示。水庫共檢測到浮游植物8 門125 種，其中，硅藻門60 種，占總數的48.00%；綠藻門36 種，占總數的28.80%；藍藻門10 種，占總數的8.00%；裸藻門9 種，占總數的7.20%；甲藻門4 種，占總數的3.20%；金藻門3 種，占總數的2.40%；隱藻門2 種，占總數的1.60%；黃藻門1 種，占總數的0.80%。水庫浮游植物各類群及其占比如圖3 所示。

表3 忻州市游植物種類組成統計

圖2 河流浮游植物的種類組成

圖3 水庫浮游植物的種類組成

2.2 浮游植物生物量和細胞密度

忻州市內河流和水庫各監測點浮游植物分布存在差異（圖4、圖5 和圖6）。河流中，各點位浮游植物種類數為11～37 種（圖4），以S12（陳家營）種類最多，S2（禹廟）最少；浮游植物的平均密度為3.299×106cells/L，S2（禹廟）密度最低，為0.009×106cells/L，S6（梵王寺）密度最高，為13.110×106cells/L（圖6）。水庫中，各點位浮游植物種類數為23～41 種，以S18（觀上水庫）種類最多，S17（神山水庫）最少（圖5）；浮游植物的平均密度為6.526×106cells/L，S19（米家寨水庫）密度最低，為0.205×106cells/L，S17（神山水庫）密度最高，為17.310×106cells/L（圖6）。總體上看，水庫采樣點的藻細胞密度高于河流采樣點，反映水庫富營養化較高，需要警惕。河流采樣點中從浮游植物平均細胞密度組成來看，藍藻門細胞密度最大，為25.125×106cells/L，占比最高，其次為硅藻門和隱藻門，細胞密度分別為13.959×106、4.020×106cells/L，其他門類細胞密度均較小，其中裸藻門密度最小，僅為0.270×106cells/L。水庫采樣點中藍藻門細胞密度最高，為34.515×106cells/L，之后依次為硅藻門、隱藻門、綠藻門、金藻門、甲藻門、裸藻門，細胞密度分別為19.465×106、8.382×106、8.193×106、1.740×106、0.638×106、0.270×106cells/L。

圖4 河流浮游植物各監測點物種數

圖5 水庫浮游植物各監測點物種數

圖6 忻州市浮游植物各監測點密度和生物量

2.3 優勢種分析

河流浮游植物優勢類群為藍藻門的類顫藻魚腥藻（Anabaena oscillarioides）、假魚腥藻（Pseudanabaenasp.）和彎形小尖頭藻（Raphidiopsis sinensia），隱藻門的卵形隱藻（Cryptomonas ovata），硅藻門的普通等片藻原變種（Diatoma vulgarevar.vulgure）和舟形藻（Navicula capitatoradiata），優勢度分別為0.052、0.129、0.020、0.048、0.041、0.071（表4）。水庫浮游植物優勢種為藍藻門的類顫藻魚腥藻、假魚腥藻，隱藻門的尖尾藍隱藻（Chroomonas acuta）、卵形隱藻、硅藻門的尖針桿藻（Synedra acus）、舟形藻，優勢度分別為0.143、0.056、0.031、0.057、0.091、0.040（表4）。

表4 忻州市不同地點浮游植物優勢種及優勢度

2.4 浮游植物多樣性分析及評價

浮游植物多樣性指數是常用的水質評價指標，水體受污染后，浮游植物群落往往出現種類減少，但某些抗性強的種類大量增長的傾向，導致多樣性指數下降，因此多樣性指數可反映水體的污染情況。本研究河流和水庫浮游植物多樣性指數特征見圖7。

圖7 不同采樣點浮游植物的多樣性指數

在河流點位中，Shannon-Winner 多樣性指數范圍在1.287～3.396，平均值為2.438，最高值位于雷家坪，最小值位于禹廟。Pielou 均勻度指數范圍在0.424～0.906，平均值為0.716，最高值位于磧塄，最低值位于梵王寺。Margalef 豐富度指數范圍在0.882～3.551，平均值為2.412，最高值位于雷家坪，最低值位于S2 禹廟。

在水庫點位中，Shannon-Winner 多樣性指數范圍在1.772～3.475，平均值為2.754，最高值位于雙乳山水庫，最小值位于唐家灣水庫。Pielou 均勻度指數范圍在0.494～0.833，平均值為0.687，最高值位于雙乳山水庫，最低值位于唐家灣水庫。Margalef 豐富度指數范圍在2.213～4.466，平均值為3.113，最高值位于靜樂汾河川國家濕地公園，最低值位于唐家灣水庫。Pielou 均勻度指數變化幅度小，表明浮游植物除個別采樣點外分布較均勻，Shannon-Winner多樣性指數與Margalef 豐富度變化趨勢較一致，且變化幅度較大。雙乳山水庫、靜樂汾河川國家濕地公園區域浮游植物物種相對豐富，具有較高的生物多樣性。

采用Shannon-Winner 多樣性指數、Margalef 豐富度指數評價各樣點水質發現，花園子、雷家坪、雙乳山水庫、靜樂汾河川國家濕地公園樣點評價結果均為清潔型；河西村、磧塄、南莊、陳家營、坪上橋、下茹越水庫、神山水庫、米家寨水庫樣點評價結果均為輕度污染型；川胡屯、梵王寺樣點評價結果均為中度污染型。唐家灣水庫樣點采用Shannon-Winner 多樣性指數評價結果為中度污染型，采用Margalef 豐富度指數評價結果為輕度污染型；關河口、孤山水庫樣點采用Shannon-Winner 多樣性指數評價結果均為清潔型，采用Margalef 豐富度指數評價結果為輕度污染型；觀上水庫樣點采用Shannon-Winner 多樣性指數評價結果為輕度污染型，采用Margalef 豐富度指數評價結果為清潔型；禹廟樣點采用Shannon-Winner 多樣性指數評價結果為中度污染型，采用Margalef 豐富度指數評價結果為重度污染型。通過多樣性指數對忻州污染類型的評價可知，多數樣點浮游植物多樣性指數評價結果一致，部分樣點評價結果存在差異。總體上看，水庫樣點水體質量優于河流，且川胡屯和禹廟點位處于中重度污染型，需要重點監測。

2.5 浮游植物群落結構MDS 分析

通過對忻州市浮游植物群落結構相似性進行MDS 分析，對比不同聚類數下的分組情況。忻州市河流浮游植物群落可劃分為4 組（圖8），組1 群落為S3（花園子）、S5（雷家坪），以硅藻門膨脹橋彎藻（Cymbella tumida）為主要類群；組2 群落為S1（關河口）、S6（梵王寺）、S7（川胡屯）、S8（河西村）、S10（代縣橋）、S11（定襄橋）、S12（陳家營）、S13（坪上橋）、S14（南莊），以藍藻門假魚腥藻為主要類群；組3 為S2（禹廟），以硅藻門尖針桿藻為主要類群；組4 為S4（磧塄）、S9（下茹越），以藍藻門類顫藻魚腥藻為主要類群。水庫浮游植物群落可劃分為2 組（圖9），組1群落為S22（靜樂汾河川國家濕地公園），以硅藻門纖細等片藻（Diatoma tenue）為主要類群；組2為S15（孤山水庫）、S16（下茹越水庫）、S17（神山水庫）、S18（觀上水庫）、S19（米家寨水庫）、S20（雙乳山水庫）、S21（唐家灣水庫），以藍藻門類顫藻魚腥藻為主要類群。

圖8 河流浮游植物群落結構MDS 分析

圖9 水庫浮游植物群落結構MDS 分析

3 討論

浮游植物是重要的水環境指示生物，不同優勢類群可以反映采樣點水體的營養程度，例如中營養型水體中硅藻為優勢類群，富營養型水體常以綠藻為優勢類群［23，24］。本研究對忻州市水體浮游植物采集和鑒定，發現硅藻門、綠藻門、藍藻門、裸藻門、金藻門、甲藻門、隱藻門、黃藻門8 個門類。其中，硅藻門種類最多，其次是綠藻門和藍藻門，利用Shannon-Wiener 多樣性指數和Margalef 豐富度指數評價忻州市水系水質，結果顯示該水系為輕度污染，與水體常規理化指標評價結果較一致。周緒申等［25］對同流域的白洋淀水系的浮游植物類群進行調查，在白洋淀水域中發現6 個門類；趙露等［26］對永定河上游流域浮游植物的調查中鑒定出浮游植物8 門226種，其中綠藻門、硅藻門、藍藻門均為種類最多的3個門類，與本次調查優勢類群的結果一致，說明浮游植物群落結構和物種多樣性分析評價忻州市水系水質具有可行性。陳佳林等［27］對忻州市滹沱河下游的大清河水系調查中發現5 門58 種浮游植物，其中綠藻門種類最多，其次是硅藻門和藍藻門，評價結果存在差異的原因一方面可能是水體富營養程度有所加強，也有可能是浮游植物群落存在季節差異。

有研究表明，應用浮游植物指數多樣性指數評價水質時應至少選用2 種以上的指數進行評價，以確保評價結果的可信度，并且浮游植物物種多樣性越高代表水質越好［28］。本研究選擇3 種多樣性指數進行分析，結果表明，以Margalef 豐富度指數和Shannon-Weiner 多樣性指數進行評價的結果基本一致，介于清潔與中度污染之間，但是部分點位評價結果存在差異，究其原因是Margalef 豐富度指數忽略各種間的個體數分配狀況，僅分析群落的總密度和物種數量［29］，而Shannon-Weiner 多樣性指數考慮的是種數和種間個體分配均勻度。本調查中發現，各采樣點浮游植物個體密度分布存在不均勻，部分位點Shannon-Weiner 多樣性指數低于Margalef 豐富度指數，與劉存等［30］的研究結果一致。本研究通過浮游植物多樣性反映水體污染狀況，結果具有較高的可信性，為忻州市水質監測與水生態環境保護政策的制定提供了重要的參考。

4 小結

1）2020 年10 月對忻州市水體浮游植物進行了分析，共發現河流中浮游植物8 門111 種，物種多樣性較高；水庫中浮游植物8 門125 種；河流和水庫樣點硅藻門細胞密度較大，所占比例最高，其次是綠藻門和藍藻門。浮游細胞密度和生物量空間分布不均，從細胞密度和生物優勢度評價，水庫樣品點位總體物種多樣性高于河流點位。

2）河流Shannon-Winner 多樣性指數范圍在1.287～3.396，而水庫Shannon-Winner 多樣性指數范圍在1.772～3.475，水庫樣點多樣性指數較高，而河流多樣性指數較低，表明忻州市水庫樣點污染程度較輕。結合Margalef 指數評價忻州市水體污染狀況，結果表明河流和水庫樣點以輕度污染型和中度污染型水體為主，但是禹廟樣點評價為重度污染型，污染較為嚴重，相關部門需要重點關注該點位的污水排放，加強環境監管力度，改善該水系群落結構，恢復生態平衡。

3）基于浮游植物群落結構的相似特征，河流采樣點可劃分為4 個類型區域，組1 群落以硅藻門膨脹橋彎藻為代表物種；組2 以藍藻門假魚腥藻為代表物種；組3 以硅藻門尖針桿藻為代表物種；組4 以藍藻門類顫藻魚腥藻為代表物種。河流出現明顯的不同優勢種的組間群落，組1 和組4 采樣點位于人工修復河流段，組2 采樣點集中在山區和遠離城鎮的郊區，組3 采樣點位于礦區的下游。水庫浮游植物群落可劃分為2 組，以硅藻門纖細等片藻為主要類群的組1；以藍藻門類顫藻魚腥藻為主要類群的組2。水庫出現2 組不同的優勢種群，源于采集的水庫樣品取自汾河和滹沱河不同的河系。