大清河水系浮游植物多樣性分析及評(píng)價(jià)

陳佳林，余海軍，王茜

大清河水系浮游植物多樣性分析及評(píng)價(jià)

陳佳林，余海軍，王茜通信作者

（天津農(nóng)學(xué)院水產(chǎn)科學(xué)學(xué)院，天津 300392）

對(duì)大清河水系2018年5月和8月的浮游植物多樣性進(jìn)行了監(jiān)測(cè)分析，結(jié)果表明大清河水系水體中共有浮游植物5門(mén)58種，物種較豐富。其中種數(shù)最多的為綠藻門(mén)22種，占總種數(shù)的37.93%；最少的為金藻門(mén)1種，占比為1.72%；藻細(xì)胞密度最大的為硅藻門(mén)6 004.33×106個(gè)/L，占總藻細(xì)胞密度的59.69%，最小的為金藻門(mén)3.76×106個(gè)/L，占比為0.04%；優(yōu)勢(shì)種為銅綠微囊藻（）、尖針桿藻（）、四角十字藻（）、二形柵藻（）、小席藻（）、尺骨針桿藻（）、螺旋弓形藻（）；浮游植物細(xì)胞密度時(shí)間、空間分布不均，變化較大。利用Shannon-Wiener 指數(shù)、Pielou指數(shù)和Margalef指數(shù)計(jì)算大清河水系浮游植物多樣性指數(shù)，綜合評(píng)價(jià)其水質(zhì)為中度污染。

大清河水系；浮游植物；多樣性分析

大清河系地處海河流域中部，東經(jīng)113°39′～117°34′，北緯38°10′～40°102′之間，它西起太行山，東臨渤海灣，北臨永定河，南界子牙河，河系跨山西、河北、北京、天津4省市，總面積43 060 km2。大清河發(fā)源于太行山東麓，分為南北兩支，北支為白溝河水系，主要支流有南、北拒馬河、小清河、琉璃河、中易水、北易水等。南支為趙王河水系，主要支流有瀑河、漕河、府河、唐河、潴龍河等，均匯入白洋淀[1]。大清河水系在冀中平原乃至海河流域都有著舉足輕重的地位，對(duì)華北地區(qū)的生態(tài)平衡和氣候調(diào)節(jié)起到關(guān)鍵作用[2]。

浮游植物是水域生態(tài)系統(tǒng)中最重要的初級(jí)生產(chǎn)者，是水中溶解氧的主要供應(yīng)者，是水域生態(tài)系統(tǒng)中食物網(wǎng)的啟動(dòng)者，在水域生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)、物質(zhì)循環(huán)和信息傳遞中起著至關(guān)重要的作用。浮游生物對(duì)水體的營(yíng)養(yǎng)狀況有一定的指示作用，具有常規(guī)理化參數(shù)所不具有的綜合性、長(zhǎng)期性和靈敏性，被廣泛應(yīng)用于水質(zhì)的生物學(xué)評(píng)價(jià)[3]。

1 材料與方法

1.1 采樣時(shí)間與地點(diǎn)

分別于2018年5月和8月對(duì)大清河水系進(jìn)行2次采樣，共設(shè)25個(gè)采樣點(diǎn)，見(jiàn)表1。

表1 大清河水系采樣點(diǎn)位表

1.2 樣品的采集與處理

浮游植物定性樣品用25號(hào)浮游生物網(wǎng)（200目），在水下0.15 m處作“∞”字型拖曳3 min，入樣品瓶后加3 mL福爾馬林固定，保存于100 mL標(biāo)本瓶中帶回分析；浮游植物定量樣品則取1 L水樣于樣品瓶中，加15 mL魯哥氏液固定，帶回實(shí)驗(yàn)室充分靜置24 h后濃縮至50 mL，然后在顯微鏡下進(jìn)行種類鑒定和計(jì)數(shù)[4-5]。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

本文采用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)（）、Margalef豐富度指數(shù)（）和Pielou均勻度指數(shù)（）來(lái)描述大清河水系的浮游植物群落結(jié)構(gòu)和多樣性特征，計(jì)算公式如下：

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)（）：

Margalef物種豐富度指數(shù)（）：

—浮游植物種類的總數(shù)目；

P—第種個(gè)體數(shù)占總個(gè)體數(shù)的比例；

—所有個(gè)體的總數(shù)[6]。

2 結(jié)果與分析

2.1 浮游植物群落結(jié)構(gòu)組成

本次研究共鑒定出浮游植物5門(mén)58種，其中綠藻門(mén)種數(shù)最多，為22種，占總種數(shù)的37.93%；硅藻門(mén)次之，為18種，占比為31.03%；藍(lán)藻門(mén)13種，占比為22.41%；裸藻門(mén)4種，占比為6.90%；金藻門(mén)1種，占比為1.72%。各采樣點(diǎn)浮游植物種類組成和分布分別見(jiàn)圖1和表2、表3。從圖1和表2、表3看出，藍(lán)藻門(mén)、硅藻門(mén)和綠藻門(mén)是主要類群，優(yōu)勢(shì)種為銅綠微囊藻、尖針桿藻、四角十字藻、二形柵藻、小席藻、尺骨針桿藻、螺旋弓形藻。浮游植物細(xì)胞密度時(shí)間、空間分布不均，變化較大。

圖1 大清河水系浮游植物種類組成

表2 大清河5月浮游植物種類分布

注：“＋”表示檢出，下同

表3 大清河8月浮游植物種類分布

2.2 浮游植物的細(xì)胞密度變化

大清河水系水體中的藻細(xì)胞密度范圍為16.67×106個(gè)/L～297.05×106個(gè)/L，平均密度為111.33×106個(gè)/L。其中硅藻門(mén)的藻細(xì)胞密度最大，達(dá)6 004.33×106個(gè)/L，占總藻細(xì)胞密度的59.69 %，其次分別為藍(lán)藻門(mén)3 787.06×106個(gè)/L，占37.65 %，綠藻門(mén)244.37×106個(gè)/L，占2.43 %，裸藻門(mén)19.32×106個(gè)/L，占0.19 %，金藻門(mén)3.76×106個(gè)/L，占0.04 %。

5月水體中的細(xì)胞密度范圍為16.67×106個(gè)/L～127.21×106個(gè)/L，平均密度為42.98×106個(gè)/L，其中藻細(xì)胞密度最大的是3號(hào)點(diǎn)（郝家鋪），最少的是10號(hào)點(diǎn)（中唐梅）；8月水體中的細(xì)胞密度范圍為95.04×106個(gè)/L～297.05×106個(gè)/L，平均密度為179.69×106個(gè)/L，細(xì)胞密度最大的是18號(hào)點(diǎn)（安新橋），最少的點(diǎn)是7號(hào)（松山）。據(jù)國(guó)內(nèi)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[7]（浮游植物密度＜30萬(wàn)個(gè)/L為貧營(yíng)養(yǎng)水平，（30～100）萬(wàn)個(gè)/L為中營(yíng)養(yǎng)水平，＞100萬(wàn)個(gè)/L為富營(yíng)養(yǎng)水平），由圖2可知大清河流域2018 年5 月和8 月浮游植物的平均密度均大于100萬(wàn)個(gè)/L，整體屬于富營(yíng)養(yǎng)水平。

圖2 大清河水系5月和8月各采樣點(diǎn)浮游植物藻細(xì)胞密度

2.3 生物多樣性分析

2.3.1 多樣性、豐富度和均勻度

大清河水系各采樣點(diǎn)的浮游植物通過(guò)Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)和豐富度指數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。Shannon-Wiener（）多樣性指數(shù)一般用來(lái)描述種的個(gè)體出現(xiàn)的紊亂和不確定性，該指數(shù)值越高，表明多樣性越高。計(jì)算結(jié)果顯示，5月的范圍為0.15～1.97，平均值為0.99，最大值出現(xiàn)在17號(hào)點(diǎn)（萬(wàn)家碼頭），最小值出現(xiàn)在3號(hào)點(diǎn)（郝家鋪）；8月的范圍為0.07～1.66，平均值為0.88，最大值出現(xiàn)在15號(hào)點(diǎn)（南堤路），最小值出現(xiàn)在10號(hào)點(diǎn)（中唐梅）。Pielou（）均勻度指數(shù)是群落的實(shí)測(cè)多樣性與最大多樣性的比率，變動(dòng)范圍在0～1之間，比率越高，多樣性越高，用它來(lái)評(píng)價(jià)生物多樣性水平更為直觀。計(jì)算結(jié)果顯示，5月的范圍在0.07～0.79，平均值為0.38；8月的范圍在0.04～0.69，平均值為0.37。Margalef（）豐富度指數(shù)是描述群落或生境中物種數(shù)目的多寡，其值越大，多樣性則越高。5月值范圍變動(dòng)在1.44～5.51，平均值為3.42，最大值出現(xiàn)在22號(hào)點(diǎn)（圈頭），最小值出現(xiàn)在3號(hào)點(diǎn)（郝家鋪）；8月值范圍變動(dòng)在1.00～3.33，平均值為2.38，最大值出現(xiàn)在7號(hào)點(diǎn)（松山），最小值出現(xiàn)在10號(hào)點(diǎn)（中唐梅）。綜合上述多樣性指數(shù)得出，大清河水系浮游植物多樣性較差。

2.3.2 浮游植物的生物多樣性對(duì)水質(zhì)的評(píng)價(jià)

近年來(lái)，多樣性指數(shù)常常被用作監(jiān)測(cè)環(huán)境污染的評(píng)價(jià)指標(biāo)[8]，多樣性指數(shù)對(duì)水質(zhì)評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表4。

表4 多樣性指數(shù)對(duì)水質(zhì)評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)[8]

多樣性指數(shù)對(duì)水質(zhì)評(píng)價(jià)的指標(biāo)一般認(rèn)為，浮游植物物種的生物多樣性高時(shí)水質(zhì)較好。根據(jù)5月和8月大清河水系Shannon-Weiner多樣性指數(shù)、Margalef豐富度指數(shù)所反映的特征對(duì)大清河水系水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)的初步結(jié)果見(jiàn)圖3和圖4，5月Margalef指數(shù)浮動(dòng)在3左右，表明水體的水質(zhì)介于中度污染和清潔之間，Shannon-Weiner多樣性指數(shù)浮動(dòng)在1左右，表明水體水質(zhì)介于中度污染和重度污染之間；8月Margalef指數(shù)浮動(dòng)在2.3左右，表明水體的水質(zhì)趨向介于中度污染和輕度污染之間，Shannon-Weiner多樣性指數(shù)浮動(dòng)在1左右，表明水體水質(zhì)介于中度污染和重度污染之間。綜合上述，可初步認(rèn)為該流域水體全年的水質(zhì)介于重度污染和輕度污染之間，部分點(diǎn)位水質(zhì)較好，物種豐富度較高，而局部地域點(diǎn)位的物種豐富度較低，水質(zhì)較差，與取樣點(diǎn)受人類干擾程度及污染程度強(qiáng)弱有明顯關(guān)系。

圖3 大清河水系5月各采樣點(diǎn)浮游植物多樣性指數(shù)

圖4 大清河水系8月各采樣點(diǎn)浮游植物多樣性指數(shù)

3 討論

2018年5月和8月大清河水系水體中共鑒定出浮游植物5門(mén)58種，物種較為豐富，藍(lán)藻門(mén)和硅藻門(mén)是主要類群。其中25個(gè)采樣點(diǎn)中5月和8月的優(yōu)勢(shì)種均為銅綠微囊藻，而銅綠微囊藻是引起我國(guó)淺水河流湖泊“水華”的主要藻種[9]。藍(lán)藻“水華”爆發(fā)是水體富營(yíng)養(yǎng)化常見(jiàn)的特征之一[10]?！八A”爆發(fā)通常造成水體透明度下降，溶解氧含量和生物多樣性降低，銅綠微囊藻還會(huì)分泌藻毒素，嚴(yán)重破壞水域生態(tài)系統(tǒng)平衡，直接影響工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生活用水的質(zhì)量，從而威脅水體周?chē)鷳B(tài)環(huán)境安全及社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展[11]。WALLACE等[12]發(fā)現(xiàn)微囊藻水華爆發(fā)時(shí)，大量微囊藻以群體狀態(tài)漂浮在水體表層，致使其他浮游植物無(wú)法進(jìn)行光合作用而死；王奕玲等[13]指出對(duì)蝦養(yǎng)殖生產(chǎn)過(guò)程中，藻結(jié)構(gòu)以微囊藻為優(yōu)勢(shì)種時(shí)，會(huì)造成對(duì)蝦大量發(fā)病死亡；謝欽銘等[14]在探討微囊藻對(duì)輪蟲(chóng)種群生長(zhǎng)的影響中發(fā)現(xiàn)，高濃度銅綠微囊藻（1.0×106cells/mL）會(huì)導(dǎo)致輪蟲(chóng)死亡；曹煜成等[15]研究發(fā)現(xiàn)，微囊藻細(xì)胞可導(dǎo)致對(duì)蝦急性中毒死亡。本次采樣調(diào)查中，5月和8月檢測(cè)出銅綠微囊藻密度最高的樣點(diǎn)均為3號(hào)點(diǎn)（郝家鋪），該樣點(diǎn)靠近人類集聚區(qū)，生活污水等可能未經(jīng)處理或處理不徹底排放，導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化，適宜微囊藻生長(zhǎng)，從而成為優(yōu)勢(shì)種。本次調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大清河水系2018年水體富營(yíng)養(yǎng)化水平較高，相關(guān)部門(mén)應(yīng)加強(qiáng)大清河水系水環(huán)境的治理和污水排放的監(jiān)管力度，逐漸改善該水系的種群結(jié)構(gòu)，恢復(fù)生態(tài)平衡。

一般認(rèn)為，浮游植物物種的生物多樣性高時(shí)，水質(zhì)較好[8]。從本研究的結(jié)果看，以Margalef指數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)的結(jié)果為大清河水系的水質(zhì)介于中度污染和清潔之間，物種豐富度相對(duì)較高；而以Shannon-Weiner指數(shù)對(duì)其評(píng)價(jià)，結(jié)果介于重度污染和中度污染之間，生物多樣性相對(duì)較低。究其原因，Margalef指數(shù)僅考慮群落的物種數(shù)量和總體密度，而忽略了個(gè)體數(shù)在各種種間的分配狀況[16]。而在Shannon-Weiner指數(shù)中，包含著種數(shù)和各種間個(gè)體分配均勻性兩個(gè)成分，各種之間，個(gè)體分配越均勻，值就越大。如果每一個(gè)體均屬于不同的種，多樣性指數(shù)就最大；如果每一個(gè)體都屬于同一種，則多樣性指數(shù)就最小。本次調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，各采樣點(diǎn)中浮游植物種數(shù)雖多，但個(gè)體密度分布不均，所以計(jì)算出的Shannon-Weiner指數(shù)數(shù)值偏小，這與王珊等[16]、劉存等[17]和方慷[18]的研究結(jié)果一致。另外，河道改造、植被種植、營(yíng)養(yǎng)鹽輸入等一系列人為活動(dòng)也會(huì)使浮游植物多樣性降低，從而導(dǎo)致利用生物指數(shù)評(píng)價(jià)水質(zhì)的結(jié)果偏低[18]。饒欽止等[19]認(rèn)為用于評(píng)價(jià)水質(zhì)的指標(biāo)多適用于天然水體，一般不適用于人為富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的水體。可見(jiàn)對(duì)于人類聚集區(qū)附近水體營(yíng)養(yǎng)狀況的評(píng)價(jià)不能簡(jiǎn)單地使用生物指標(biāo)。因此，用生物多樣性指數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)水質(zhì)仍存在一定的局限性[20-22]，有待在今后的研究中進(jìn)一步深入探討。

[1] 周辰. 新中國(guó)時(shí)期保定地區(qū)大清河水系治理研究（1949-1979）[D]. 保定：河北大學(xué)，2016.

[2] 王秀蘭，張蕓. 大清河水系水環(huán)境狀況及其防治措施[J].水資源保護(hù)，2000（2）：33-35.

[3] 武丹，梅鵬蔚，王斌，等. 海河干流浮游植物調(diào)查及環(huán)境影響因子研究[J]. 環(huán)境科學(xué)與管理，2015（2）：145-148.

[4] 國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局和廢水監(jiān)測(cè)分析方法編委會(huì). 水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法[M]. 4版. 北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2002.

[5] 胡鴻鈞，李堯英，魏印心，等. 中國(guó)淡水藻類[M]. 上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1980.

[6] 王云龍，袁騏，沈新強(qiáng). 長(zhǎng)江口及鄰近水域春季浮游植物的生態(tài)特征[J]. 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)，2005（3）：300-306.

[7] 沈韞芬，章寧涉，龔循矩. 微型生物監(jiān)測(cè)技術(shù)[M]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1990.

[8] 劉淑海，孫振中. 長(zhǎng)江入海段（南支）浮游植物區(qū)系分布調(diào)查[J]. 水產(chǎn)科技情報(bào)，2002，30（4）：157-160.

[9] 胡小貞，馬祖友，易文利，等. 4種不同培養(yǎng)基下銅綠微囊藻和四尾柵藻生長(zhǎng)比較[J]. 環(huán)境科學(xué)研究，2004，17（s1）：55-57.

[10] 孫小靜，秦伯強(qiáng)，朱廣偉. 藍(lán)藻死亡分解過(guò)程中膠體態(tài)磷、氮、有機(jī)碳的釋放[J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2007，27（3）：341-345.

[11] ANDERSON D M，BURKHOLDER J M，COCHLAN W P，et al. Harmful algal blooms and eutrophication：Examining linkages from selected coastal regions of the United States[J]. Harmful Algae，2008，8（1）：0-53.

[12] WALLACE B B，BAILEY M C，HAMILTON D P. Simulation of vertical position of buoyancy regulatingin a shallow eutrophic lake[J]. Aquatic Sciences，2000，62（4）：320-333.

[13] 王奕玲，李卓佳，張家松，等. 高位池養(yǎng)殖過(guò)程凡納濱對(duì)蝦攜帶WSSV情況的動(dòng)態(tài)變化[J]. 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)，2012，19（2）：301-309.

[14] 謝欽銘，駱和東，魏施，等. 銅綠微囊藻對(duì)褶皺臂尾輪蟲(chóng)種群生長(zhǎng)的影響[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016（35）：11-13.

[15] 曹煜成，徐煜，黃小帥. 銅綠微囊藻對(duì)WSSV潛伏感染對(duì)蝦的致死效應(yīng)[J]. 南方農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2018，49（8）：1648-1653.

[16] 王珊，于明，劉全儒，等. 東江干流浮游植物的物種組成及多樣性分析[J]. 資源科學(xué)，2013，35（3）：473-480.

[17] 劉存，周緒申，石美，等. 衡水湖浮游植物多樣性分析及評(píng)價(jià)[J]. 人民珠江，2018，39（10）：128-134.

[18] 方慷. 大清河水系保定段城市河道浮游植物群落結(jié)構(gòu)及水質(zhì)評(píng)價(jià)[J]. 水生態(tài)學(xué)雜志，2013，34（3）：25-31.

[19] 饒欽止，章宗涉. 武漢東湖浮游植物的演變（1956- 1975年）和富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題[J]. 水生生物學(xué)報(bào)，1980，7（1）：1-17.

[20] DANILOV R，EKELUND N G A. The efficiency of seven diversity and one similarity indices based on phytoplankton data for assessing the level of eutrophication in lakes in central Sweden[J]. The Science of Total Environment，1999，234：15-23.

[21] 王朝暉，陳菊芳. 肇慶星湖浮游植物狀況及其富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)[J]. 武漢植物學(xué)研究，2000，18（5）：405-411.

[22] 杜桂森，王建廳. 密云水庫(kù)的浮游植物群落結(jié)構(gòu)與密度[J]. 植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2001，25（4）：501-504.

Analysis and evaluation of phytoplankton diversity in Daqinghe basin

Chen Jialin, Yu Haijun, Wang QianCorresponding Author

（College of Fisheries, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300392, China）

The phytoplankton diversity of Daqinghe basin was analyzed in May and August in 2018. The results showed that there were a total of 58 species and 5 phyla in Daqinghe basin, indicating a high diversity of species. Among them, chlorophyceae were the main phytoplankton groups. There were 22 species of chlorophyte in the mainstream, accounting for 37.93% of the total phytoplankton species. The minority were chrysophyta accounting for 1.72%. Bacillariophyta had the maximum cell density of 6 004.33×106cell/L, accounting for 59.69% of the total cell density, while the chrysophyta were 3.76×106cell/L, accounting for 0.04%. The universal dominant species in the river were,,,s,,and. The cell density of phytoplankton hadunevenly spatial and temporal distribution. This paper used the Shannon-Wiener index, Pielou index and Margalef index to calculate the phytoplankton diversity of Daqinghe basin, indicating that the water quality in the Daqinghe basin was moderately polluted.

Daqinghe basin; phytoplankton; biodiversity

1008-5394（2020）04-0049-07

10.19640/j.cnki.jtau.2020.04.010

X824

A

2019-06-27

國(guó)家自然科學(xué)基金（31672264）

陳佳林（1993—），男，碩士在讀，主要從事水生生物多樣性研究。E-mail：cjl550594951@163.com。

王茜（1971—），女，副教授，博士，主要從事水生動(dòng)物及昆蟲(chóng)分子系統(tǒng)學(xué)研究。E-mail：wqgt1999@163.com。

責(zé)任編輯：張愛(ài)婷