白洋淀湿地浮游植物多样性分析及水质评价

陈佳林，孔凡青，余海军，黄艳凤，师文惠，黄 鑫，李 兵，王 茜

（1.生态环境部海河流域北海海域生态环境监督管理局生态环境监测与科学研究中心，天津 300170；2.天津农学院水产学院/天津市水生生态及养殖重点实验室，天津 300384）

白洋淀湿地位于河北省保定市安新县，是华北地区最大的内陆淡水湖泊［1］，从北、西、南三面接纳上游唐河、府河等9 条河流［2］，主要由白洋淀正淀、马棚淀、烧车淀等大小不等的143 个淀泊和3 700 多条沟壕组成［3］。2002 年11 月，白洋淀成为省级湿地自然保护区。由于白洋淀上游陆续修建了6 座大中型水库，入淀水量逐渐减少，1960 年代到1990 年代期间多次干淀［4］。2017 年随引黄入冀建成通水，改善了白洋淀的生态环境，对保持湿地生态系统的良性循环具有重要意义。白洋淀主要存在水源保障不足、水体污染严重、湿地功能退化等问题［5，6］。为控制淀内和淀边居民生活对白洋淀的污染，政府采取了一系列防治措施，也收到了一定的效果。

浮游植物是水域生态系统中最重要的初级生产者，是水中溶解氧的主要供应者，是水域生态系统中食物网的启动者，在水域生态系统的能量流动、物质循环和信息传递中起着至关重要的作用［7，8］。浮游植物的个体、种群及群落对周围环境的变化十分敏感，浮游植物的种类分布、数量特征及优势种的生态耐性，也反映出水环境的污染程度［9-11］。浮游植物的种类以及种群分布、数量等特征可用以监测水质。

1 材料与方法

1.1 采样时间与地点

根据湿地功能区域的不同以及周围居民的聚集情况，在白洋淀湿地共布设5 个采样点位。采样位点的分布见图1。

图1 白洋淀湿地浮游植物监测样点分布

1.2 样品采集与处理

用采水器采集1 L 水样于样品瓶中，加入15 mL 0.5% 的鲁哥氏试剂现场固定，贴上标签，标明地点、日期、采样点号，充分静置24 h 后浓缩至50 mL，在在10×40 倍显微镜下进行浮游植物种类鉴定和计数［12］。计数结果换算为原来所采的水样中浮游植物数量时，用下式计算。

式中：N为浮游植物数量，计量单位为cell/mL；A为计数框面积，计量单位为mm2；Ac 为计数面积，计量单位为mm2；Vs为1 L 水样沉淀浓缩后的体积，计量单位为mL；Va为计数框的容量，计量单位为mL；n为计数所得的浮游植物数目，计量单位为cell。

1.3 数据分析

1.3.1 浮游植物群落结构 应用Microsoft Office Excel 2007 软件对白洋淀5 个采样点不同月份浮游植物的鉴定结果进行统计，并根据各采样点浮游植物的种类组成、不同月份浮游植物种类组成变化及浮游植物生物量变化等结果绘制相应的图表。

1.3.2 生物多样性分析

1）应用统计软件Primer 对5 个采样点浮游植物的鉴定结果进行生物多样性分析。采用Shannon-Wiener 多样性指数（H′）、Pielou 均匀度指数（J）和Margalef 丰富度指数（D）来描述浮游植物群落结构和多样性特征。

Shannon-Wiener 多样性指数：

式中：S为浮游植物种类的总数目；Pi为第i种个体数占总个体数的比例；N为所有个体的总数［13］。

2）生物多样性指数评价标准。生物多样性指数对水质评价标准［14］见表1。

表1 生物多样性指数评价标准

1.3.3 聚类和MDS 分析 应用统计软件Primer 对白洋淀湿地5 个采样点不同月份浮游植物的鉴定统计结果进行聚类分析和MDS 分析。

2 结果与分析

2.1 浮游植物的种类组成

白洋淀湿地6 次采样共发现浮游植物7 门74种，各门占比如图2 所示。

图2 白洋淀湿地浮游植物各门占比

白洋淀湿地共鉴定出硅藻门27 种，占总数的37%；绿藻门26 种，占总数的35%；蓝藻门8 种，占总数的11%；裸藻门4 种，占总数的5%；甲藻门4 种，占总数的5%；隐藻门3 种，占总数的4 %；金藻门2 种，占总数的3%。从种类数目上看，硅藻占优势，其次是绿藻、蓝藻、裸藻、甲藻和隐藻，金藻种类少。

鉴定出白洋淀湿地存在的浮游植物见表2。

表2 白洋淀湿地鉴定出的浮游植物

续表

2.2 浮游植物种类组成的变化情况

白洋淀湿地2018 年不同月份浮游植物种类变化见图3。

图3 白洋淀湿地浮游植物各门物种数所占比

1 月鉴定出浮游植物30 种，其中种类最多的为硅藻，共16 种，占1 月总数的53.33%；3 月鉴定出24种，绿藻种类最多，共9 种，占3 月总数的37.50%；5月鉴定出30 种，绿藻种类最多，共14 种，占5 月总数的46.67%；7 月鉴定出27 种，绿藻种类最多，共12种，占7 月总数的44.44%；9 月鉴定出31 种，绿藻种类最多，共13 种，占9 月总数的41.94%；11 月鉴定出23种，硅藻种类最多，共9种，占11月总数的39.13%。从门类上看，白洋淀湿地硅藻和绿藻占优势，蓝藻和裸藻次之，隐藻、甲藻和金藻种类较少。

2.3 浮游植物丰度的变化情况

白洋淀湿地2018 年不同月份浮游植物丰度的变化见图4。

图4 白洋淀湿地各月浮游植物丰度

从图4 可以看出，7 月泥李庄的浮游植物丰度最高，为1.01×108ind/L；1 月圈头的丰度最低，为8.60×105ind/L。从采样点来看，泥李庄的浮游植物丰度最高，为2.86×108ind/L；王家寨最低，为2.04×108ind/L。从浮游植物门类来看，蓝藻的丰度最高，为9.54×108ind/L，甲藻最低，为8.41×105ind/L。

白洋淀湿地2018 年5 个采样点各月浮游植物的平均密度均大于1×106ind/L，据湖泊富营养化评价标准［15］可知，整体属于富营养水平。

2.4 生物多样性分析

白洋淀湿地2018年不同月份浮游植物Shannon-Wiener 多样性指数、Pielou 均匀度指数和Margalef 丰富度指数的结果见图5。

图5 白洋淀湿地2018 年各月浮游植物多样性指数

从图5可以看出，白洋淀湿地2018 年各月Shan⁃non-Wiener 多样性指数的范围在1.18~2.81，平均值为1.98，1 月数值最大，11 月最小；Pielou 均匀度指数的范围在0.26~0.57，平均0.41，同Shannon-Wiener多样性指数基本一致：1 月数值最大，11 月最小；Margalef丰富度指数的范围在2.79~5.50，平均3.91。

白洋淀湿地2018 年各月浮游植物多样性指数评价如表3 所示。

表3 白洋淀湿地2018 年各月浮游植物多样性指数评价

根据生物多样性指数评价标准，Shannon-Wiener多样性指数的评价结果为，白洋淀湿地2018 年水质1、3、5、7 月为轻度污染，9、11 月为中度污染；Pielou均匀度指数的评价结果为，1 月水质为轻度污染，3、5、7 月为中度污染，9、11 月为重度污染；Margalef 丰富度指数的评价结果为，除11 月水质为轻度污染外，其余各月均为清洁。

2.5 聚类及MDS 分析

白洋淀2018 年各监测断面的聚类分析见图6，MDS 分析见图7。

图6 白洋淀浮游植物群落结构聚类分析

图7 白洋淀浮游植物群落结构MDS 分析

从图6 可见，聚类分析显示白洋淀水体中浮游植物群落结构的相似程度较高。从图7 可见，MDS分析将白洋淀5 个监测断面分为2 个类群：端村自成一类，其余4 个样点（王家寨、泥李庄、光淀张庄和圈头）为一类。

3 讨论

白洋淀湿地2018 年共鉴定出浮游植物7 门74种，从种类数目上看，硅藻最多，为27 种，其次是绿藻26 种、蓝藻8 种、裸藻4 种、甲藻4 种和隐藻3 种，金藻种类最少，为2 种。杨薇等［16］对近60 年来白洋淀湿地的浮游植物群落演变趋势进行了分析，研究发现，1958—2018 年白洋淀浮游植物群落物种结构组成发生较大变化，其中硅藻门物种数由1958 年33种缩至2011 年12 种，后又恢复至2018 年22 种；其丰度在2011 年降至最低，但在2018 年有明显提高，蓝藻门和绿藻门则表现出相反的趋势。调查的结果与其较为一致，在一定程度上体现了雄安新区建设以来，上游补水力度增大和污染源控制等多重生态修复措施成效显著。白洋淀湿地在水温较低时（1月和11 月）以硅藻门浮游植物占主导（39.13%~57.89%），在温度较高时（3、5、7 和9 月）以绿藻门（37.50%~46.67%）浮游植物最多，基本呈现冬季硅藻型，春、夏和秋季呈绿藻型季节分布。一般认为，硅藻型的浮游植物群落是水质污染轻水体的典型特征，而绿藻型则意味着水质富营养化程度较高［17］，据此可以判断，白洋淀湿地冬季的水质较好，而夏、秋季水体的富营养化程度较高。

从表3 的水质评价结果可以看出，Shannon-Wiener 多样性指数和Pielou 均匀度指数的水质评价结果较为一致；而Margalef 丰富度指数与前两者差距较大。王珊等［18］对东江干流浮游植物多样性分析研究发现，各采样点Shannon-Weiner 指数在2 上下浮动，而Margalef 指数在3 上下浮动。通过生物多样性指数评价标准评价，Shannon-Weiner 指数显示东江干流水体水质介于中度污染和轻度污染之间，物种丰富度较低，个体分布比较均匀；而Margalef 指数显示东江干流水体的水质介于轻度污染和清洁之间，物种种类丰富，个体分布均匀。杨敏等［19］利用生物多样性指数对嘉陵江浮游植物调查发现，Shannon-Wiener 指数的变化范围为2.06~3.50，而Margalef 指数的变化范围为0.86~1.90。通过生物多样性指数评价标准评价，Shannon-Weiner 指数显示嘉陵江水体水质介于轻度污染和清洁之间，物种种类丰富，个体分布均匀；而Margalef 指数显示嘉陵江水体的水质介于重度污染和中度污染之间，物种丰富度低，个体分布不均匀。刘存等［20］运用生物多样性指数评价衡水湖浮游植物，Shannon-Wiener 指数处于1.22~3.36，而Margalef指数的范围为0.85~1.85。Shannon-Weiner 指数显示衡水湖水质介于中度污染到清洁之间，物种丰富度较高，个体分布比较均匀；而Margalef指数显示衡水湖水体水质介于重度污染和中度污染之间，物种丰富度低，个体分布不均匀。Shannon-Weiner 多样性指数，包含着种数和各种间个体分配均匀性两个成分，各种之间，个体分配越均匀，H′就越大。如果每一个体都属于不同的种，多样性指数就大；如果每一个体都属于同一种，则其多样性指数就小。而Margalef 丰富度指数仅考虑群落的物种数量和总体密度，忽略个体数在各种种间分配状况［20］。调查中，发现各采样点中浮游植物种数虽多，但个体密度分布不均，Shannon-Weiner 指数较Margalef指数小。

浮游植物是水体生态系统重要的组成成分，通过对浮游植物的多样性分析，能客观地反映水环境状况［21，22］。通过本次调查研究和对各湿地的多样性分析，结果显示2018 年白洋淀湿地Shannon-Wiener指数平均为1.98，Pielou 指数平均为0.41，Margalef 指数平均为3.91。沈会涛等［23］2008 年调查白洋淀浮游植物的多样性时发现，Shannon-Wiener 指数范围在3.43~4.33，Pielou 指数范围在0.62~0.81，Margalef指数范围在2.89~9.56，表明该湿地浮游植物种类丰富，水体水质清洁；通过前人的研究可以看出，白洋淀湿地浮游植物的多样性降低，水质状况恶化。这与当地经济的高速发展有着密切的关系，大量生活、工业污水以及污染物的排入，导致水体水质恶化，进而致使生物种类和数量减少。同时，各地旅游业的大力发展也是导致水体水质恶化的主要原因之一。

白洋淀湿地的5 个监测断面中，端村自成一类，而其余4 个采样点泥李庄、圈头、光淀张庄和王家寨为一类。端村位于白洋淀西堤，位于淀区内的开放水面，不受府河污水排放的影响，上游河水经端村汇入白洋淀，水体水质较为良好，为浮游植物的生长繁殖提供了适宜的生活环境；泥李庄、圈头、光淀张庄和王家寨位于白洋淀中部，是白洋淀地区人口较为密集的村庄，旅游业和水产养殖业发达，人为干扰强度较大，生活污染多，水体水质污染严重，影响了该地区内浮游植物的群落结构和种类数量。李晓春等［2］通过浮游植物的平均密度评价白洋淀湿地水质，泥李庄等样点水体的营养程度均比端村的高；刘存歧等［24］在对白洋淀浮游植物的生物多样性分析时发现，泥李庄等样点多样性指数的数值均比端村的小。