白洋淀流域府河夏季浮游植物的群落結構及其對水質的指示

張仲偉，陳思寶，汪家鑫，熊飛，喻記新

(1.長江勘測規劃設計研究有限責任公司 水利部長江治理與保護重點實驗室，湖北 武漢 430010；2.江漢大學 生命科學學院，湖北省漢江流域特色生物資源保護開發與利用工程技術研究中心，湖北 武漢 430056)

浮游植物是水生態系統的初級生產者和生物鏈的基礎環節[1]，對物質循環、能量流動和維持生態系統平衡具有重要作用[2].浮游植物具有分布范圍廣、生命周期短的特征[2]，其群落結構能對環境變化作出迅速而復雜的響應，因此可以作為評價水生態系統健康、水質、富營養化的良好指示生物[3-4], 如魚形裸藻(Euglenapisciformis)、水華束絲藻(Aphanizomenonflosaquae)常作為富營養化水體的指示種類[5].近年來，國內外已有不少學者將浮游植物運用于河流、湖泊、水庫、池塘等水體的水質評價[6-9].

白洋淀位于河北省中部，面積 366 km2，是華北地區最大的內陸淡水湖泊，是雄安新區“千年大計”的重要組成部分，對支撐區域經濟社會發展、維持華北地區生態環境起著重要作用[10-11]，素有“華北明珠”、“華北地區生態環境的寒暑表”的美稱.近年來，由于干旱、不合理的人類活動等原因，白洋淀濕地出現水量減少、濕地萎縮、泥沙淤積、水體污染、生物多樣性減少等問題[11-13].白洋淀由143個淀泊和3 700多條溝濠組成，水源主要由唐河、府河等8條樹狀的河流匯入，入淀河流上游工業和生活污水、農業活動污染等是引起白洋淀水體污染的主要原因[14]，開展入淀河流的水生態環境監測和治理對維護白洋淀的生態環境十分必要.

府河是白洋淀徑流量最大的供水河，屬大清河系南支，由主河一畝泉河與眾多主流在保定靈雨寺匯合后形成，長度超過60 km，流域面積643 km2，年徑流量約 6.43×106m3，是白洋淀僅存的3條常年有水的河流之一，其水質直接影響白洋淀的水生態環境.府河貫穿整個保定市，主要接納保定市生活污水、污水處理廠尾水、工業廢水、沿線農業污水，府河入淀對白洋淀水體的影響不容忽視[15]，已有研究表明府河是對白洋淀水體富營養化影響最大的河流[15-18].近年來，相關學者對府河的水質[15, 19]、污染物及其來源[14, 16, 18, 20-21]、水生生物及水生態環境評價[19, 22-27]開展了一些研究，但鮮有關于府河浮游植物的報道，僅方慷等[22]和田藝苑等[26]研究工作中涉及府河部分河段的浮游植物群落結構，此外，張琪等[19]研究了府河的附著藻類.基于此，本研究于 2020 年夏季對府河干流5個采樣斷面浮游植物的種類組成、豐度和生物多樣性進行了調查研究，并以此結果對府河的水質進行了評價，以期為府河和白洋淀的水生生物監測、生態環境保護與修復等提供依據.

1 材料和方法

1.1 采樣點設置

根據府河形態和地形特征，共設置5個采樣斷面，依次為紅光橋、望亭鄉、膳馬廟、安州閘、南劉莊，其中紅光橋斷面位于保定城區，其他采樣斷面均位于村莊附近，南劉莊斷面為入淀口(圖1).

圖1 府河采樣斷面分布

1.2 樣品采集與處理

采樣時間為2020年7月.定性樣品采集：使用25號浮游生物網在水面以下以倒8字形撈取，濃縮至標本瓶，加入魯哥試劑進行固定后，帶回實驗室進行種類鑒定.定量樣品采集：使用1 000 mL采水器對上、中、下水層的水體進行采集，充分混合并取 1 000 mL 水樣(取樣量視河水泥沙含量及浮游植物數量而定，對于泥沙量較高的水樣進行泥沙分離)，加入魯哥試劑進行固定，回實驗室后沉淀96 h，用細小虹吸管吸取上層水將水樣濃縮至50 mL左右后，保存待測.室內分析使用 Leica 顯微鏡，物種的鑒定和定量計數參照相關資料[2, 28].計數采用網格計數法，所使用網格計數框為20 mm×20 mm.

1.3 浮游植物群落分析和水質評價

采用 McNaughton 優勢度(Y)分析各采樣斷面浮游植物的優勢種組成，采用Shannon-Wiener多樣性指數(H)、Margalef豐富度指數(D)、Pielou均勻度指數(J)分析浮游植物的群落多樣性，按以下公式計算[2, 5]：

Y=(Ni/N)×F，

H=-∑(Ni/N)× ln(Ni/N)，

D=(S-1)/lnN，

J=H/lnS，

式中：Ni為第i種物種的數量，N為群落中物種的總數量，F為某一種類出現的頻數占總采樣次數的百分比，S為群落中所有物種的種類數.

按照McNaughton優勢度，Y>0.02的種類為優勢種，按照Shannon-Wiener多樣性指數，H值<0.6、0.6～1.5、1.5～2.5、2.5～3.5和>3.5分別表示物種多樣性差、一般、較好、豐富、非常豐富[29].運用浮游植物密度、生物量及多樣性指數評價水體水質狀況的標準分別見表1、表2[5, 30].

表1 基于浮游植物密度和生物量的水質評價標準

表2 基于浮游植物多樣性指數的水質評價標準

2 結果

2.1 浮游植物種類組成及變化

研究期間，府河共檢出浮游植物111種屬，隸屬于7門,其中綠藻門50種屬，占總種屬數的45.0%，硅藻門34種屬，占總種屬數的30.6%，藍藻門13種屬，占總種屬數的11.7%，其他 4門的種屬數分別為裸藻門7種屬、隱藻門4種、甲藻門2種和金藻門1種.浮游植物以綠藻、硅藻和藍藻為主，三者的種屬數占總種屬數的87.4%(圖2).

圖2 府河浮游植物種類組成

從空間分布上看，紅光橋、望亭鄉、膳馬廟、安州閘和南劉莊的浮游植物種屬數分別為58、55、56、49、62種屬，各個采樣斷面之間的差異不大.紅光橋、膳馬廟、安州閘和南劉莊斷面均為綠藻門種屬數最多，其次為硅藻門，望亭鄉則為硅藻門種屬數最多，其次為綠藻門(表3).

表3 府河5個采樣斷面浮游植物種屬數

2.2 浮游植物優勢種

府河浮游植物的優勢種包括微囊藻(Microcystissp.)、小環藻(Cyclotellasp.)、細小平裂藻(Merismopediaminima)、冠盤藻(Stephanodiscussp.)和集星藻(Actinastrumhantzschii)，5個種屬的優勢度Y值依次為0.287、0.226、0.127、0.049、0.023.就全河段而言，微囊藻、細小平裂藻密度占浮游植物總密度的20.7%，小環藻、冠盤藻密度占總密度的13.7%；5個優勢種的密度占總密度的35.6%；小環藻、冠盤藻生物量占浮游植物總生物量的79.8%，5個優勢種的生物量占總生物量的80.9%.

2.3 浮游植物密度與生物量

府河各個采樣斷面浮游植物的密度和生物量情況見表 4、圖 3.府河夏季的浮游植物平均密度為13.51×106ind/L.就不同門類而言，平均密度較高的門類分別為藍藻門、硅藻門和綠藻門，其他4個門類的平均密度較低；就不同采樣斷面而言，紅光橋斷面的密度最高，達28.14×106ind/L，其次為膳馬廟和安州閘斷面，密度分別為14.97×106、10.15×106ind/L.

圖3 府河各采樣斷面浮游植物的密度(a)和生物量(b)組成

表4 府河各采樣斷面浮游植物的密度和生物量

各采樣斷面的浮游植物平均生物量為5 748.8×10-3mg/L.就不同門類而言，平均生物量最高的為硅藻門，達5 185.7×10-3mg/L，占所有門類生物量的90.2%，其次為隱藻門和綠藻門，金藻門和甲藻門的平均生物量較低；就不同采樣斷面而言，膳馬廟斷面的總生物量最高，達10 004.3×10-3mg/L，南劉莊斷面的總生物量最低，為1 340.1×10-3mg/L，紅光橋、望亭鄉和安州閘3個采樣斷面的總生物量較為接近.

2.4 浮游植物群落多樣性指數

府河5個采樣斷面的H均值為2.36，其中南劉莊和望亭鄉斷面的H值較高，紅光橋斷面明顯低于其他4個采樣斷面，根據H值，紅光橋、膳馬廟、安州閘3個采樣斷面的浮游植物多樣性等級為較高，望亭鄉和南劉莊斷面為豐富，府河浮游植物多樣性整體等級為較高.D的均值為3.25，其中，紅光橋、望亭鄉、膳馬廟斷面的D值較接近，南劉莊斷面最高，安州閘斷面最低.J的均值為0.59，其中紅光橋斷面的J值明顯低于其他4個采樣斷面，其他采樣斷面間差異不大(表5).

表5 府河各采樣斷面浮游植物的群落多樣性指數

2.5 基于浮游植物的水質評價

根據府河5個采樣斷面浮游植物的H值，紅光橋斷面為α-中污染，其他4個斷面為β-中污染，整體水質等級為β-中污染.根據D值，安州閘斷面為α-中污染，其他4個采樣斷面為β-中污染，整體水質等級為β-中污染.根據J值，紅光橋斷面為β-中污染，其他4個采樣斷面為輕度污染，整體水質等級為輕度污染.根據浮游植物密度，紅光橋、膳馬廟和安州閘斷面為中營養等級，望亭鄉和南劉莊斷面為貧-中營養等級，整體水質等級為中營養.根據浮游植物生物量，紅光橋、望亭鄉、安州閘斷面為中-富營養等級，膳馬廟斷面為極富營養等級，南劉莊斷面為貧-中營養等級，整體水質等級為中-富營養(表6).此外，府河浮游植物的優勢種中，微囊藻、細小平裂藻、小環藻、冠盤藻是水體富營養化的指示種，集星藻是水體中營養型的指示種，表明府河為中-富營養型水體.

表6 基于浮游植物群落多樣性、密度和生物量的府河水質評價

3 討論

3.1 府河浮游植物的群落結構特征

本研究在府河5個采樣斷面檢出浮游植物7門111種屬，多于田藝苑等[26]于2019年夏季在府河檢出的種屬數，而明顯低于方慷等[22]2012 年全年對大清河保定段城市河道7個樣點檢出的7門140種屬.根據H值，府河浮游植物的多樣性等級較高.就不同門類的物種數而言，府河綠藻門、硅藻門種屬數較多，分別為 50、34種屬，其次為藍藻門 13 種屬，方慷等[22]的研究結果表明大清河保定段城市河道的浮游植物也以綠藻門為主，但金藻門和隱藻門分別有24、21種，張琪等[19]和陳佳林等[31]的研究結果表明府河藻類以硅藻門為主，綠藻門次之.本研究中浮游植物種類數、各門類種屬數與上述研究[19,22, 31]的差異除了與研究范圍等有關，也反映了府河浮游植物隨時間的演替.

從密度和生物量上看，密度占比較高的是藍藻、硅藻和綠藻，而生物量中硅藻的占比超過90%，綠藻、藍藻、裸藻和隱藻的占比均為1%～5%，田藝苑等[26]2019年夏季在對府河的研究中發現浮游植物的密度和生物量均以硅藻為主，與本研究較為相似，但也有一定差別.這種不同門類在密度占比和生物量占比上的不一致主要是由于硅藻質量較大，綠藻和藍藻質量較小的原因[28]，府河優勢種中微囊藻、細小平裂藻密度占浮游植物總密度的 20.7%，但僅占總生物量的 0.9%，小環藻、冠盤藻密度占總密度的13.7%，但占總生物量的 79.8%.各采樣斷面在種類組成、密度、生物量和多樣性指數上均有一定甚至較大的差異，從上游到下游也未表現出一定的變化規律，這體現了府河各采樣斷面之間的生境異質性.其中，紅光橋斷面的浮游植物密度遠高于其他采樣斷面，生物量也僅次于膳馬廟斷面，這主要由于該采樣斷面位于中心城區，受城市生產生活污水污染嚴重，其他采樣斷面均位于村莊或附近，生活污水排放強度低，前期研究已經表明城市污水是府河污染物的主要來源，其污染強度遠大于農業面源污染[16].綜合各門類的種屬數、密度占比、生物量占比和優勢種，可以認為府河夏季的浮游植物多樣性較高，群落屬于硅藻-藍綠藻型.

3.2 府河水質生物學評價

本研究基于浮游植物的優勢種、密度、生物量和3種多樣性指數對府河夏季的水質和富營養化狀況進行了評價.浮游植物的優勢種包括微囊藻、小環藻、細小平裂藻、冠盤藻和集星藻，其中微囊藻、細小平裂藻是水體富營養化的指示種，集星藻是水體中營養型的指示種[5]，小環藻、冠盤藻是硅藻型水華的常見優勢種[32].根據相關標準[5]，府河5個優勢種中有4個為富營養型種類，1個為中營養型種類，府河夏季水體為中-富營養型.從浮游植物密度和生物量上看，除了在望亭鄉、南劉莊斷面為“貧-中營養”，基于生物量評價的膳馬廟斷面為極富營養，其他采樣斷面和府河整體評價均為中營養或中-富營養，這與張琪等[19]基于藻類葉綠素a 和方慷等[22]基于浮游植物密度的評價結果是一致的.從浮游植物的群落多樣性指數評價結果看，除了個別采樣斷面為α-中污染，基于H和D的評價結果均為β-中污染；除了紅光橋斷面為β-中污染，基于J的評價結果均為輕度污染.張琪等[19]基于附著藻類的3種多樣性指數的水質評價結果顯示，除了少數樣點為中度污染，大部分樣點均為輕度污染；方慷等[22]基于浮游植物密度的H和J的評價結果幾乎均為輕度-中度污染，這與本研究的結果基本一致.此外，中營養型水體一般以硅藻為主，富營養型水體以綠藻、藍藻為主[5]，府河浮游植物的群落類型為硅藻-藍綠藻型，顯示府河的水質狀況為中-富營養.除了基于J的評價結果為輕度污染，其他5種指標均顯示府河為中度污染，綜合上述結果，可以認為府河夏季的水質屬輕-中度污染水平.

近年來，也有一些學者利用其他方法對府河的水質進行了評價.張鐵堅等[23]2015 年利用浮游動物的優勢種和群落多樣性指數評價府河的水質，顯示府河為輕度污染，且存在一定的富營養化.付顯婷[24]2019 年基于府河浮游動物群落的H和D的結果顯示府河水質為α-中污染至重污染水平.鮑艷磊等[27]2019 年基于府河等 4 條白洋淀的入淀河流的水文水資源、水質、底泥、生物、生境和社會服務等數據構建了河流健康評價指標體系，結果顯示府河為亞健康狀態.這些研究結構與本研究的評價結果是基本一致的，說明利用浮游植物評價水質的可行性，也體現了不同評價方法的差異性及府河水質的時空差異性.

3.3 府河水生態修復的對策與建議

根據本研究結果，夏季府河水質狀況為輕-中度污染水平，結合前人研究，建議從以下方面開展府河水生態修復.1)控制沿河生產生活污水排放，凈化污水處理廠尾水.府河主要接納保定市生活污水、污水處理廠尾水、工業廢水、沿線農業污水[15]，要完善污水和生活垃圾處理，對城區污水截流，做到雨污分流，提高污水處理率，杜絕污水直排，提倡對污水處理廠尾水凈化達標后排入府河.統一管理、處置生活垃圾，嚴禁在河內、河邊亂扔垃圾；引導農民發展生態、綠色、循環的農業模式，控制府河周邊化肥、農藥的投入.2)加強河流管理，實施水生態修復工程.通過河道疏通、存量垃圾清運處置、污染底泥清運治理、生態修復工程(包括合理放養和豐富魚類、底棲動物、高等水生植物等)[5]，改善流域水環境，提升河道自凈能力和系統穩定性.