基于附着藻类多样性和TLI的府河水质评价

张琪，苑博，周静，朱珍妮，肖国华，刘存歧

(1.河北大学 生命科学学院，河北 保定 071002；2. 河北省海洋生物资源与环境重点实验室，河北 秦皇岛 066200)

附着藻类是一种普遍生长于河流生态系统中的附着生物[1].作为水生态系统食物链中的重要的初级生产者之一，附着藻类对环境的要求低，可以在低温、低营养、低光照的环境中正常生存，具有很高的初级生产力.在浅水及河流沿岸区域，附着藻类在生态环境中占有优势，生物量远远大于浮游植物，物种数量几乎占总藻类的90%[2]，在富营养化的湿地环境中，附着藻类的生物量几乎与大型水生植物相当[3].附着藻类可以通过吸收水体中的氮磷，为自身的生长活动提供养分，同时可以降低水体中的营养盐含量，改善水体环境.因此，附着藻类的研究越来越受到关注.

研究发现，水体中的氮磷等营养盐含量与附着藻类的生物量、物种组成等有着密切的关系[4]，因此可以通过鉴定附着藻类的物种组成和优势种等来判断水体污染状况[5-6].彭艳侠等[7]研究了府河浮游植物与水体理化指标的相关性，在一定程度上体现了府河水质的变化.但对于附着藻类在府河的分布以及对水质的响应鲜见报道.

府河属大清河水系，主要有支流黄花沟、金线河汇入，是白洋淀重要的源头河流，其水质直接影响白洋淀水质的优劣.本研究调查了府河附着藻类群落结构和时空分布变化，并利用物种多样性指数和综合营养状态指数(TLI)对府河水质进行了评价，为府河和白洋淀生态修复提供了基础数据和理论支持.

1 材料与方法

1.1 采样点设置、样品采集与处理

1.1.1 采样点设置

根据府河自身特点，在府河的上、中、下游及支流依次设置10个采样点，同时在白洋淀的鲥鯸淀设置1个采样点考察府河水质对白洋淀的影响，采样点设置如表1.

表1 府河附着藻类采样点的设置Tab.1 Sampling sites of periphyton in Fuhe River

1.1.2 样品的采集与处理

2016年4月至11月，按照春季、夏季和秋季的时间设置进行水体理化指标测定，并对附着藻类样品进行采集.每个采样点选择10个标准载玻片作为人工基质，放入有机玻璃支持框制成人工附着藻类采集器，将其放置在各个采样点中，14 d后取回至实验室观察.

利用毛笔刷将采集到的载玻片正反面上的附着藻类刷到烧杯中，定容至400 mL，对其叶绿素a(Chla)进行测定；将鲁格试剂加入到50 mL的藻液中，待静置48 h后在显微镜下观察并对藻类进行物种鉴定与计数.

1.2 水体理化因子的测定

对水体中总氮(TN)、总磷(TP)和Chla进行测定，TN、TP均按照国家地表水环境质量标准方法测定，Chla通过PHYTO-PAM光合测定仪进行测定.

1.3 附着藻类的鉴定与计数

在藻液中加入鲁格试剂并摇匀静置，吸取0.1 mL的藻液置于规格为20 mm×20 mm的0.1 mL计数框中，在显微镜下鉴定并计数[1].藻类鉴定参照文献[8]和[9].

1.4 附着藻类物种多样性分析

采用Shannon-Wiener多样性指数(H′)[10]、Margalef多样性指数(M)[11]和Pielou均匀度指数(J)[12]对水质进行评价[13].

1.5 综合营养状态指数

综合营养状态指数计算公式为

TLI(∑)=∑Wj·TLI(j),

式中,TLI(∑)为综合营养状态指数；TLI(j)为第j种参数的营养状态指数；Wj为第j种参数的营养状态指数的相关权重.

以Chla作为基准参数，则第j种参数的归一化的相关权重计算公式为

式中,rij为第j种参数与基准参数Chla的相关系数；m为评价参数的个数.详细计算及分级标准见参考文献[14].

本实验利用TLI对府河的营养状况进行评价[1，14].计算公式为

TLI(Chla)=10×(2.5+1.086×ln Chla),
TLI(TP)=10×(9.436+1.624×ln TP),
TLI(TN)=10×(5.453+1.694×ln TN),

式中,Chla单位为mg/m3，TN和TP单位均为mg/L.

2 结果与分析

2.1 附着藻类物种群落组成

本次调查共鉴定出附着藻类6门，147种(属)；其中，采样点S11的附着藻类物种数最多，为87种，S4的种类最少，为70种.不同季节府河附着藻类各门类物种数量统计结果如图1所示，硅藻门、绿藻门和蓝藻门在府河的附着藻类群落结构中占有优势.由图1可知，春季、夏季和秋季水体中优势种均属硅藻门，占比分别为51.7%、43.8%和54.7%.随着季节的变化，硅藻门的占比逐渐增加；绿藻门、蓝藻门、甲藻门、裸藻门和隐藻门的占比逐渐减少.

图1 不同季节府河附着藻类物种分布Fig.1 Seasonal distribution of periphyton species in Fuhe River

2.2 附着藻类群落的多样性指数变化

如图2所示，府河附着藻类Shannon-Wiener多样性指数(H′)在春季、夏季和秋季的波动范围不大，为2.664～3.428，S7采样点秋季出现最低值，S11采样点夏季出现最高值.从时间分布来看，夏季H′值普遍高于春季和秋季，春季高于秋季.春季，最高值出现在采样点S10，最低值出现在采样点S4；夏季，最高值出现在采样点S11，最低值出现在采样点S5；秋季，最高值出现在采样点S10，最低值出现在采样点S7；全年平均最高值出现在采样点S10，最低值出现在采样点S5，全年平均H′值为2.973.按照H′评价标准可以看出，春季白洋淀入淀河段采样点S9和S10以及鲥鯸淀S11水体的H′值均大于3，属于轻污染状况，其余采样点属于中污染状况；夏季水体中采样点S1、S2、S4和S5的H′值均在2～3，属于中污染，其余采样点均大于3，属于轻污染；秋季水体中只有S10采样点的H′值大于3，属于轻污染，其余采样点均属于中污染.全年水体中H′值大于3的采样点有4个，分别为S3、S9、S10和S11，水体状况属于轻污染，其余采样点的H′值均为2～3，属于中污染；其中水质状况最好的是采样点S10，H′值为3.174；水质最差的采样点是S4，H′值为2.884.

图2 府河附着藻类Shannon-Wiener多样性指数(H′)的变化Fig.2 Variation of Shannon-Wiener diversity index (H′) of periphyton in Fuhe River

府河的附着藻类Margalef多样性指数(M)为2.173～7.747，由图3可知，春季和秋季时M值差异不大，夏季普遍高于春、秋2季，最低值出现在秋季的S7采样点，最高值出现在夏季的S11采样点.春季，最高值出现在采样点S9，最低值出现在采样点S4；夏季，最高值出现在采样点S11，最低值出现在采样点S5；秋季，最高值出现在采样点S10，最低值出现在采样点S7；全年平均最高值出现在采样点S10，最低值出现在采样点S5，全年M平均值为4.217.根据M评价标准：春季水体中除了采样点S4的M值为1～3，其余采样点M>3，属于轻污染；夏季水体中只有采样点S5水质属于中污染，其余采样点均属于轻污染；秋季水体中，S7采样点的M值为1～3，其余各采样点M>3.全年各采样点M平均值均大于3，其中最高的是S10，M=5.328，最低的为S5，M=3.304.

图3 府河附着藻类Margalef多样性指数(M)的变化Fig.3 Variation of Margalef diversity index (M) of periphyton in Fuhe River

府河流域的附着藻类Pielou均匀度指数(J)为0.292～0.554，由图4可知，春季、夏季和秋季的J整体变化差异不大，最低值出现在春季的采样点S4，最高值出现在秋季的采样点S11.春季，最高值出现在采样点S10，最低值出现在采样点S4；夏季，最高值出现在采样点S6，最低值出现在采样点S4；秋季，最高值出现在采样点S11,最低值出现在采样点S1；全年平均的J最高值出现在采样点S10，最低值出现在采样点S4，全年J平均值为0.474.根据J水质评价标准：春季水体中，S4采样点的J值最低，水质情况属于重污染，其余采样点均属于中污染；夏季水体中有4个采样点的J值位于0.3～0.5，水体属于中污染，其余采样点属于轻污染；秋季水体中S2、S9、S10和S11的J值位于0.5～0.8，属于轻污染，其余采样点属于中污染；全年水体中S10和S11的J值为0.5～0.8，属于轻污染，其余采样点属于中污染；其中最高值0.515在采样点S10，最低值0.401在采样点S4，属于中污染.

图4 府河附着藻类Pielou均匀度指数(J)的变化Fig.4 Variation of Pielou evenness index (J) of periphyton in Fuhe River

2.3 综合营养状态指数

根据府河和白洋淀的11个采样点的监测数据，选择TN、TP和Chla 3个指标作为评价因子并计算11个采样点在春、夏、秋3个季节的TLI(∑)，不同季节各采样点的评价结果及全年评价结果如表2～5.

表2 春季府河11个采样点的综合营养状态指数 (TLI)Tab.2 Comprehensive trophic level index(TLI) of 11 sampling sites in Fuhe River in spring

春季，11个采样点整体偏轻度富营养状态，其中综合营养状态指数最高的采样点为S6，营养化等级呈轻度富营养；最低的采样点为S11，营养化等级呈中营养状态.

表3 夏季府河11个采样点综合营养状态指数(TLI)Tab.3 Comprehensive trophic level index(TLI) of 11 sampling sites in Fuhe River in summer

夏季，11个采样点中有5个为中营养状态，其余均为轻度富营养状态；其中TLI最高的为S4采样点，最低的为S8采样点.

秋季，11个采样点的水质整体偏中营养状态；其中TLI最高的为S8，水体呈轻度富营养状态，最低的为S3，水体呈中营养状态.

表4 秋季府河11个采样点综合营养状态指数(TLI) Tab.4 Comprehensive trophic level index(TLI) of 11 sampling sites in Fuhe River in autumn

全年水体中，采样点S3、S7、S9、S10和S11处于中营养状态，其余采样点均处于轻度富营养状态；TLI最高的是采样点S4，最低的是S11.

表5 全年府河11个采样点综合营养状态指数 (TLI)Tab.5 Annual comprehensive trophic level index(TLI) of 11 sampling sites in Fuhe River

从府河11个采样点营养化等级评价结果可以看出，TLI最大值出现在春季的S6采样点，最小值出现在秋季的S3采样点.从时间维度上，春季和夏季水体中以轻度富营养化的水体为主，秋季水体主要以中营养程度为主.从空间维度上，采样点S3和S11的TLI普遍较低，营养程度较低，水质情况较好.

3 讨论

目前研究表明，物种多样性在一定程度上反映了水体的营养状况[15-16]，物种多样性越高，多样性指数越大，水质情况越好[15,17].从全年来看，府河附着藻类多样性指数夏季普遍高于春季和秋季，这可能是因为夏季温度较高，有利于藻类的生长，使附着藻类的物种数量增加.

通过TLI评价结果看出，全年水体中各采样点的TLI从上游到下游有降低的趋势，这和附着藻类多样性指数的趋势一致，这可能是府河从上游到下游的过程中，河流的自净能力降低了河流中的污染程度；其中采样点S6的水体营养指数较高，水体呈现轻度富营养化，由于该采样点位于村庄河流附近，村庄生活污水对水体的污染较高；同时作为3条支流的汇流点，综合了支流的营养物质，导致该采样点水体营养程度高.而采样点S11的TLI最低，水质最好，说明了白洋淀的湿地自净功能在一定程度上改善了水质.

通过对比附着藻类多样性指数和TLI评价结果，府河秋季水体质量高于春季和夏季，这和通过附着藻类多样性指数得出的部分结果稍有差异，原因可能是在TLI评价中，水体理化指标反映出了较强的时间异质性，而在附着藻类多样性鉴定和计数过程中，人为因素对结果的干扰不可忽视[8].

根据研究结果，建议在以后的府河生态规划和建设中应注意对沿河村庄附近的垃圾集中处理，减少村庄垃圾对河道的污染；建设河流生态修复工程，对保定市区的工业废水排放加强管理和惩戒力度，增强河流自净能力，提高河流生态系统修复功能.