白洋淀流域府河夏季浮游植物的群落结构及其对水质的指示

张仲伟，陈思宝，汪家鑫，熊飞，喻记新

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司 水利部长江治理与保护重点实验室，湖北 武汉 430010；2.江汉大学 生命科学学院，湖北省汉江流域特色生物资源保护开发与利用工程技术研究中心，湖北 武汉 430056)

浮游植物是水生态系统的初级生产者和生物链的基础环节[1]，对物质循环、能量流动和维持生态系统平衡具有重要作用[2].浮游植物具有分布范围广、生命周期短的特征[2]，其群落结构能对环境变化作出迅速而复杂的响应，因此可以作为评价水生态系统健康、水质、富营养化的良好指示生物[3-4], 如鱼形裸藻(Euglenapisciformis)、水华束丝藻(Aphanizomenonflosaquae)常作为富营养化水体的指示种类[5].近年来，国内外已有不少学者将浮游植物运用于河流、湖泊、水库、池塘等水体的水质评价[6-9].

白洋淀位于河北省中部，面积 366 km2，是华北地区最大的内陆淡水湖泊，是雄安新区“千年大计”的重要组成部分，对支撑区域经济社会发展、维持华北地区生态环境起着重要作用[10-11]，素有“华北明珠”、“华北地区生态环境的寒暑表”的美称.近年来，由于干旱、不合理的人类活动等原因，白洋淀湿地出现水量减少、湿地萎缩、泥沙淤积、水体污染、生物多样性减少等问题[11-13].白洋淀由143个淀泊和3 700多条沟濠组成，水源主要由唐河、府河等8条树状的河流汇入，入淀河流上游工业和生活污水、农业活动污染等是引起白洋淀水体污染的主要原因[14]，开展入淀河流的水生态环境监测和治理对维护白洋淀的生态环境十分必要.

府河是白洋淀径流量最大的供水河，属大清河系南支，由主河一亩泉河与众多主流在保定灵雨寺汇合后形成，长度超过60 km，流域面积643 km2，年径流量约 6.43×106m3，是白洋淀仅存的3条常年有水的河流之一，其水质直接影响白洋淀的水生态环境.府河贯穿整个保定市，主要接纳保定市生活污水、污水处理厂尾水、工业废水、沿线农业污水，府河入淀对白洋淀水体的影响不容忽视[15]，已有研究表明府河是对白洋淀水体富营养化影响最大的河流[15-18].近年来，相关学者对府河的水质[15, 19]、污染物及其来源[14, 16, 18, 20-21]、水生生物及水生态环境评价[19, 22-27]开展了一些研究，但鲜有关于府河浮游植物的报道，仅方慷等[22]和田艺苑等[26]研究工作中涉及府河部分河段的浮游植物群落结构，此外，张琪等[19]研究了府河的附着藻类.基于此，本研究于 2020 年夏季对府河干流5个采样断面浮游植物的种类组成、丰度和生物多样性进行了调查研究，并以此结果对府河的水质进行了评价，以期为府河和白洋淀的水生生物监测、生态环境保护与修复等提供依据.

1 材料和方法

1.1 采样点设置

根据府河形态和地形特征，共设置5个采样断面，依次为红光桥、望亭乡、膳马庙、安州闸、南刘庄，其中红光桥断面位于保定城区，其他采样断面均位于村庄附近，南刘庄断面为入淀口(图1).

图1 府河采样断面分布

1.2 样品采集与处理

采样时间为2020年7月.定性样品采集：使用25号浮游生物网在水面以下以倒8字形捞取，浓缩至标本瓶，加入鲁哥试剂进行固定后，带回实验室进行种类鉴定.定量样品采集：使用1 000 mL采水器对上、中、下水层的水体进行采集，充分混合并取 1 000 mL 水样(取样量视河水泥沙含量及浮游植物数量而定，对于泥沙量较高的水样进行泥沙分离)，加入鲁哥试剂进行固定，回实验室后沉淀96 h，用细小虹吸管吸取上层水将水样浓缩至50 mL左右后，保存待测.室内分析使用 Leica 显微镜，物种的鉴定和定量计数参照相关资料[2, 28].计数采用网格计数法，所使用网格计数框为20 mm×20 mm.

1.3 浮游植物群落分析和水质评价

采用 McNaughton 优势度(Y)分析各采样断面浮游植物的优势种组成，采用Shannon-Wiener多样性指数(H)、Margalef丰富度指数(D)、Pielou均匀度指数(J)分析浮游植物的群落多样性，按以下公式计算[2, 5]：

Y=(Ni/N)×F，

H=-∑(Ni/N)× ln(Ni/N)，

D=(S-1)/lnN，

J=H/lnS，

式中：Ni为第i种物种的数量，N为群落中物种的总数量，F为某一种类出现的频数占总采样次数的百分比，S为群落中所有物种的种类数.

按照McNaughton优势度，Y>0.02的种类为优势种，按照Shannon-Wiener多样性指数，H值<0.6、0.6～1.5、1.5～2.5、2.5～3.5和>3.5分别表示物种多样性差、一般、较好、丰富、非常丰富[29].运用浮游植物密度、生物量及多样性指数评价水体水质状况的标准分别见表1、表2[5, 30].

表1 基于浮游植物密度和生物量的水质评价标准

表2 基于浮游植物多样性指数的水质评价标准

2 结果

2.1 浮游植物种类组成及变化

研究期间，府河共检出浮游植物111种属，隶属于7门,其中绿藻门50种属，占总种属数的45.0%，硅藻门34种属，占总种属数的30.6%，蓝藻门13种属，占总种属数的11.7%，其他 4门的种属数分别为裸藻门7种属、隐藻门4种、甲藻门2种和金藻门1种.浮游植物以绿藻、硅藻和蓝藻为主，三者的种属数占总种属数的87.4%(图2).

图2 府河浮游植物种类组成

从空间分布上看，红光桥、望亭乡、膳马庙、安州闸和南刘庄的浮游植物种属数分别为58、55、56、49、62种属，各个采样断面之间的差异不大.红光桥、膳马庙、安州闸和南刘庄断面均为绿藻门种属数最多，其次为硅藻门，望亭乡则为硅藻门种属数最多，其次为绿藻门(表3).

表3 府河5个采样断面浮游植物种属数

2.2 浮游植物优势种

府河浮游植物的优势种包括微囊藻(Microcystissp.)、小环藻(Cyclotellasp.)、细小平裂藻(Merismopediaminima)、冠盘藻(Stephanodiscussp.)和集星藻(Actinastrumhantzschii)，5个种属的优势度Y值依次为0.287、0.226、0.127、0.049、0.023.就全河段而言，微囊藻、细小平裂藻密度占浮游植物总密度的20.7%，小环藻、冠盘藻密度占总密度的13.7%；5个优势种的密度占总密度的35.6%；小环藻、冠盘藻生物量占浮游植物总生物量的79.8%，5个优势种的生物量占总生物量的80.9%.

2.3 浮游植物密度与生物量

府河各个采样断面浮游植物的密度和生物量情况见表 4、图 3.府河夏季的浮游植物平均密度为13.51×106ind/L.就不同门类而言，平均密度较高的门类分别为蓝藻门、硅藻门和绿藻门，其他4个门类的平均密度较低；就不同采样断面而言，红光桥断面的密度最高，达28.14×106ind/L，其次为膳马庙和安州闸断面，密度分别为14.97×106、10.15×106ind/L.

图3 府河各采样断面浮游植物的密度(a)和生物量(b)组成

表4 府河各采样断面浮游植物的密度和生物量

各采样断面的浮游植物平均生物量为5 748.8×10-3mg/L.就不同门类而言，平均生物量最高的为硅藻门，达5 185.7×10-3mg/L，占所有门类生物量的90.2%，其次为隐藻门和绿藻门，金藻门和甲藻门的平均生物量较低；就不同采样断面而言，膳马庙断面的总生物量最高，达10 004.3×10-3mg/L，南刘庄断面的总生物量最低，为1 340.1×10-3mg/L，红光桥、望亭乡和安州闸3个采样断面的总生物量较为接近.

2.4 浮游植物群落多样性指数

府河5个采样断面的H均值为2.36，其中南刘庄和望亭乡断面的H值较高，红光桥断面明显低于其他4个采样断面，根据H值，红光桥、膳马庙、安州闸3个采样断面的浮游植物多样性等级为较高，望亭乡和南刘庄断面为丰富，府河浮游植物多样性整体等级为较高.D的均值为3.25，其中，红光桥、望亭乡、膳马庙断面的D值较接近，南刘庄断面最高，安州闸断面最低.J的均值为0.59，其中红光桥断面的J值明显低于其他4个采样断面，其他采样断面间差异不大(表5).

表5 府河各采样断面浮游植物的群落多样性指数

2.5 基于浮游植物的水质评价

根据府河5个采样断面浮游植物的H值，红光桥断面为α-中污染，其他4个断面为β-中污染，整体水质等级为β-中污染.根据D值，安州闸断面为α-中污染，其他4个采样断面为β-中污染，整体水质等级为β-中污染.根据J值，红光桥断面为β-中污染，其他4个采样断面为轻度污染，整体水质等级为轻度污染.根据浮游植物密度，红光桥、膳马庙和安州闸断面为中营养等级，望亭乡和南刘庄断面为贫-中营养等级，整体水质等级为中营养.根据浮游植物生物量，红光桥、望亭乡、安州闸断面为中-富营养等级，膳马庙断面为极富营养等级，南刘庄断面为贫-中营养等级，整体水质等级为中-富营养(表6).此外，府河浮游植物的优势种中，微囊藻、细小平裂藻、小环藻、冠盘藻是水体富营养化的指示种，集星藻是水体中营养型的指示种，表明府河为中-富营养型水体.

表6 基于浮游植物群落多样性、密度和生物量的府河水质评价

3 讨论

3.1 府河浮游植物的群落结构特征

本研究在府河5个采样断面检出浮游植物7门111种属，多于田艺苑等[26]于2019年夏季在府河检出的种属数，而明显低于方慷等[22]2012 年全年对大清河保定段城市河道7个样点检出的7门140种属.根据H值，府河浮游植物的多样性等级较高.就不同门类的物种数而言，府河绿藻门、硅藻门种属数较多，分别为 50、34种属，其次为蓝藻门 13 种属，方慷等[22]的研究结果表明大清河保定段城市河道的浮游植物也以绿藻门为主，但金藻门和隐藻门分别有24、21种，张琪等[19]和陈佳林等[31]的研究结果表明府河藻类以硅藻门为主，绿藻门次之.本研究中浮游植物种类数、各门类种属数与上述研究[19,22, 31]的差异除了与研究范围等有关，也反映了府河浮游植物随时间的演替.

从密度和生物量上看，密度占比较高的是蓝藻、硅藻和绿藻，而生物量中硅藻的占比超过90%，绿藻、蓝藻、裸藻和隐藻的占比均为1%～5%，田艺苑等[26]2019年夏季在对府河的研究中发现浮游植物的密度和生物量均以硅藻为主，与本研究较为相似，但也有一定差别.这种不同门类在密度占比和生物量占比上的不一致主要是由于硅藻质量较大，绿藻和蓝藻质量较小的原因[28]，府河优势种中微囊藻、细小平裂藻密度占浮游植物总密度的 20.7%，但仅占总生物量的 0.9%，小环藻、冠盘藻密度占总密度的13.7%，但占总生物量的 79.8%.各采样断面在种类组成、密度、生物量和多样性指数上均有一定甚至较大的差异，从上游到下游也未表现出一定的变化规律，这体现了府河各采样断面之间的生境异质性.其中，红光桥断面的浮游植物密度远高于其他采样断面，生物量也仅次于膳马庙断面，这主要由于该采样断面位于中心城区，受城市生产生活污水污染严重，其他采样断面均位于村庄或附近，生活污水排放强度低，前期研究已经表明城市污水是府河污染物的主要来源，其污染强度远大于农业面源污染[16].综合各门类的种属数、密度占比、生物量占比和优势种，可以认为府河夏季的浮游植物多样性较高，群落属于硅藻-蓝绿藻型.

3.2 府河水质生物学评价

本研究基于浮游植物的优势种、密度、生物量和3种多样性指数对府河夏季的水质和富营养化状况进行了评价.浮游植物的优势种包括微囊藻、小环藻、细小平裂藻、冠盘藻和集星藻，其中微囊藻、细小平裂藻是水体富营养化的指示种，集星藻是水体中营养型的指示种[5]，小环藻、冠盘藻是硅藻型水华的常见优势种[32].根据相关标准[5]，府河5个优势种中有4个为富营养型种类，1个为中营养型种类，府河夏季水体为中-富营养型.从浮游植物密度和生物量上看，除了在望亭乡、南刘庄断面为“贫-中营养”，基于生物量评价的膳马庙断面为极富营养，其他采样断面和府河整体评价均为中营养或中-富营养，这与张琪等[19]基于藻类叶绿素a 和方慷等[22]基于浮游植物密度的评价结果是一致的.从浮游植物的群落多样性指数评价结果看，除了个别采样断面为α-中污染，基于H和D的评价结果均为β-中污染；除了红光桥断面为β-中污染，基于J的评价结果均为轻度污染.张琪等[19]基于附着藻类的3种多样性指数的水质评价结果显示，除了少数样点为中度污染，大部分样点均为轻度污染；方慷等[22]基于浮游植物密度的H和J的评价结果几乎均为轻度-中度污染，这与本研究的结果基本一致.此外，中营养型水体一般以硅藻为主，富营养型水体以绿藻、蓝藻为主[5]，府河浮游植物的群落类型为硅藻-蓝绿藻型，显示府河的水质状况为中-富营养.除了基于J的评价结果为轻度污染，其他5种指标均显示府河为中度污染，综合上述结果，可以认为府河夏季的水质属轻-中度污染水平.

近年来，也有一些学者利用其他方法对府河的水质进行了评价.张铁坚等[23]2015 年利用浮游动物的优势种和群落多样性指数评价府河的水质，显示府河为轻度污染，且存在一定的富营养化.付显婷[24]2019 年基于府河浮游动物群落的H和D的结果显示府河水质为α-中污染至重污染水平.鲍艳磊等[27]2019 年基于府河等 4 条白洋淀的入淀河流的水文水资源、水质、底泥、生物、生境和社会服务等数据构建了河流健康评价指标体系，结果显示府河为亚健康状态.这些研究结构与本研究的评价结果是基本一致的，说明利用浮游植物评价水质的可行性，也体现了不同评价方法的差异性及府河水质的时空差异性.

3.3 府河水生态修复的对策与建议

根据本研究结果，夏季府河水质状况为轻-中度污染水平，结合前人研究，建议从以下方面开展府河水生态修复.1)控制沿河生产生活污水排放，净化污水处理厂尾水.府河主要接纳保定市生活污水、污水处理厂尾水、工业废水、沿线农业污水[15]，要完善污水和生活垃圾处理，对城区污水截流，做到雨污分流，提高污水处理率，杜绝污水直排，提倡对污水处理厂尾水净化达标后排入府河.统一管理、处置生活垃圾，严禁在河内、河边乱扔垃圾；引导农民发展生态、绿色、循环的农业模式，控制府河周边化肥、农药的投入.2)加强河流管理，实施水生态修复工程.通过河道疏通、存量垃圾清运处置、污染底泥清运治理、生态修复工程(包括合理放养和丰富鱼类、底栖动物、高等水生植物等)[5]，改善流域水环境，提升河道自净能力和系统稳定性.