东平湖与大汶河浮游植物群落结构季节变化及水质评价

段萍萍，陈明帅，宋宁宁，王鑫，张艳

（1.青岛农业大学资源与环境学院，山东 青岛 266109;2.青岛大学环境科学与工程学院，山东 青岛 266071；3.青岛农业大学海洋科学与工程学院，山东 青岛 266109）

浮游植物是水体中营浮游生活的微小植物和水域生态系统的初级生产者，其种类组成、群落结构和数量等变化是反映生态系统功能的重要指标[1,2]。浮游植物个体小、生活周期短、繁殖快，易受水温、营养盐、溶解氧和pH 等环境因子的影响，环境变化时其密度、生物量与多样性也会发生变动[3]。不同的气候区浮游植物群落组成不同，可在短时间内对环境变化做出响应，其变化结果反映了环境的综合变化[4]，尤其是其种类和数量变化与水体的营养状态密切相关[5]。以浮游植物群落结构的变化作为重要指标来评价水体质量[6,7]在水体生物学监测及评价中有重要作用[8]。

东平湖（35°30′～36°20′N，116°34′～117°2l′E）位于山东省泰安市东平县西部，东连大汶河，西近京杭运河，北通黄河，是山东省第二大淡水湖泊和南水北调东线工程上最北的调蓄湖泊，其水质优劣直接影响受水地区的用水安全。大汶河是黄河下游在山东境内最大的支流，流经东平湖注入黄河，也是东平湖的唯一汇入河流，流域面积占东平湖总流域面积的94.1%，其水质直接影响到东平湖湖区水质。近十几年来，有较多研究围绕东平湖与大汶河水质展开[9-11]，亦有一些东平湖浮游植物的研究报道[12,13]，但调查时间距今已久，尚无有关大汶河浮游植物的研究报道[14,15]。本研究通过对东平湖与大汶河2019 年4 个季节10 个样点的野外调查，探讨了浮游植物群落结构季节变化及其与环境因子的关系，评估了东平湖与大汶河的浮游植物多样性及水质基本情况，为东平湖流域水环境保护和南水北调输水水质安全提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 采样时间及样点布设

为准确、客观地反映东平湖水域浮游植物的特征，根据东平湖与大汶河的地域分布，在东平湖入湖口区、湖心区、出湖口区、近岸带区选取了4 个采样点（DPH01、DPH05、DPH07、和DPH09），在大汶河干流选取了6 个采样点（DWH01、DWH04、DWH06、DWH09、DWH10、DWH12）（图1），于2019 年3 月、6 月、9 月和12 月进行4 个季节的野外采样。

图1 东平湖与大汶河浮游植物采样站位图Fig.1 Phytoplankton sampling sites in the waters of Dongping Lake and Dawen River

1.2 环境因子的测定

样品采集的同时现场测定并记录各个采样点的经纬度、气温、水温、溶解氧和水深等指标，pH、总磷、氟离子、总氮、氨氮、COD 指标等回实验室测定（表1）。测定方法参照《湖泊生态调查观测与分析》[16]。

表1 主要理化指标及测定方法Tab.1 Water quality indicators and measurement methods

1.3 浮游植物的采集与处理

用采水器在每个采样点采集1 L 水样，采集2次，加入鲁哥氏液固定，带回实验室，静置沉淀48 h，浓缩定容至50 mL。

将浓缩后的样品充分摇匀后用移液器吸取0.1 mL,注入浮游植物计数框内，用目镜视野法在400～600 倍显微镜下计数。每个样品至少计数2 片，每片计数50～100 个视野。同一个样品，两次结果与平均值之差不大于±5%，即视为有效结果，取其平均值。浮游植物生物量（湿重）通过体积换算法间接获得。浮游植物物种鉴定主要参照《中国淡水藻类——系统、分类及生态》[17]。

1.4 浮游植物群落特征指数研究方法

采用Shannon-Wiener 指数（H），Pielou 均匀度指数（J）及Margalef 物种丰度指数（D）分析浮游植物群落的物种多样性指数，采用优势度指数分析优势种，计算公式如下：

式中，Pi为群落中某种浮游植物的个体数占浮游植物总个体数的比例；N 为全部物种的总个体数，Ni为群落中第i 种的个数；Y 为优势度指数，fi为第i 种在所有样点出现的频率。

1.5 浮游植物群落特征指数评价标准

Shannon-Wiener 指数（H），Pielou 均匀度指数（J）及Margalef 物种丰度指数（D）三种指数的评价标准如表2。

表2 Shannon -Wiener 指数、Pielou 指数和Margalef 指数的评价标准Tab.2 Evaluation criteria for the Shannon-Wiener,Pielou and Margalef indices

1.6 数据分析方法

使用Excel 进行数据计算与处理，利用统计分析软件SPSS 26.0 进行浮游植物群落指标与环境因子彼此间的Pearson 相关性研究，并利用Canono5.0软件进行除趋势对应分析（DCA）和冗余分析（RDA），其中绘图采用软件Origin 2018。

2 结果与分析

2.1 东平湖与大汶河水体理化因子状况分析

2019 年4 个时期东平湖与大汶河研究区域水体水质指标数据见表3。参照地表水环境质量标准（GB3838-2002）[18]Ⅲ类水质对比发现，除了3 月份的总氮含量超标，其余指标平均值均未超出Ⅲ类水的水质标准。总磷、COD、总氮、氨氮的标准差较大，表明这4 项指标空间分布变异性较大。pH 最低值出现在6 月为7.89，最高值出现在12 月为8.46，说明调查区域内水体水质整体呈弱碱性。

表3 2019 年东平湖与大汶河研究区域水质理化参数Tab.3 Water quality physical and chemical parameters in Dongping Lake and Dawen River in 2019

2.2 浮游植物种类组成与优势种

本次东平湖与大汶河浮游植物调查的样品中共检出8 门123 种，包括蓝藻门、绿藻门、硅藻门、隐藻门、裸藻门、金藻门、甲藻门和黄藻门。其中绿藻门的种类最多，有47 种，占总种类数的38.21%；其次是硅藻门38 种，占30.89%；蓝藻门有20 种，占16.26%；其余金藻门、甲藻门、裸藻门和黄藻门四者比例都较小，共占总种类数的13.01%；隐藻门最少，只有2 种，占1.63%。东平湖和大汶河浮游植物种类组成中以绿藻门为主，其次为硅藻，两者占总种类数的比例高达69.10%。

优势种的判定采用优势度评价法，其中优势度值（Y）大于0.02 的物种为优势种。由表4 可见，2019 年东平湖与大汶河浮游植物优势种共有22种，优势度值变化范围为0.020～0.477。优势种以绿藻门种类最多，为8 种，是优势相对明显的门类，其次为硅藻和蓝藻门种类，分别为7 种和5 种，而裸藻门和黄藻门较少，均为1 种。浮游植物优势种的季节变化主要表现在：3 月优势种主要是绿藻门、硅藻门和黄藻门种类，其中小球藻Chlorella vulgaris的优势度最高；6 月小球藻的优势度明显降于3 月，硅藻门的优势种类数减少，蓝藻门的优势种出现；9月蓝藻门的优势种类数和优势度持续增加，绿藻门小球藻的优势度继续下降；12 月绿藻门和硅藻门优势种的优势度较9 月明显增加，蓝藻门优势种类湖区内为优势度减少，大汶河种类数目减少。总体来看，东平湖与大汶河的浮游植物优势种类组成的季节变化大体一致，春季和冬季的优势种以绿藻和硅藻为主，夏季与秋季的优势种以绿藻和蓝藻为主。

表4 2019 年东平湖与大汶河浮游植物优势种Tab.4 Phytoplankton dominant species in Dongping Lake and Dawen River in 2019

2.3 浮游植物细胞丰度

调查期间，东平湖与大汶河研究区域绿藻类群的相对丰度为42.04%，为最优势门类，蓝藻与硅藻类群相对丰度分别为34.01%和18.47%，而金藻、黄藻类群的相对细胞丰度为2.11%与1.61%，甲藻、隐藻和裸藻类群所占比例较低，分别为0.71%、0.47%和0.58%。以上结果表明，绿藻类群为东平湖浮游植物细胞丰度的主体，其次为蓝藻和硅藻类群。

各采样点浮游植物的细胞丰度总范围为1.634×106～5.652×106cells·L-1，平均为4.284×106cells·L-1。由图2 看出，东平湖DPH01 采样点的总细胞丰度最高，为5.652×106cells·L-1，大汶河DWH06采样点的总细胞丰度最低，为1.634×106cells·L-1。东平湖湖区内四个采样点（DPH01、DPH05、DPH07和DPH09）的总细胞丰度平均值为4.540×106cells·L-1，大汶河六个采样点（DWH01、DWH04、DWH06、DWH09、DWH10 和DWH12）的总细胞丰度的平均值则为4.113×106cells·L-1，东平湖浮游植物的平均总细胞丰度略高于大汶河，可能由于东平湖采样点附近的村庄将生活污水排入湖泊，导致湖泊营养富集，使得东平湖采样点处的浮游植物平均密度较高。

图2 东平湖与大汶河不同采样点浮游植物细胞丰度及各类群丰度占比Fig.2 Cell abundance and taxa ratios of phytoplankton in different sampling sites in Dongping Lake and Dawen River

不同门类的浮游植物丰度比具有鲜明的季节变化。调查期间，三个主要门类表现为：绿藻门的细胞丰度占比均比其他门类高，其中3 月达最高，为58.89%，9 月最低，为33.78%；硅藻门在12 月占比最高，为29.94%；蓝藻门则在9 月占比最高，为39.62%（表5）。东平湖水温具有明显的季节性，秋季的平均水温最高，湖水温度及其他水质状况适宜蓝藻类群的繁殖，细胞丰度占比在一年之中达到最高；硅藻适宜生长的环境温度较低，因此在低温环境中更具竞争优势。

表5 东平湖与大汶河不同季节浮游植物细胞丰度比/（%）Tab.5 Cell abundance ratios of different phytoplankton phyla in Dongping Lake and Dawen River in different seasons

综上所述，调查期间东平湖与大汶河浮游植物的季节演替模式为：春季是绿藻-硅藻型，夏秋是绿藻-蓝藻-硅藻型，冬季是绿藻-硅藻-蓝藻型。浮游植物细胞丰度的季节变化与优势种组成的变化特点相一致。

2.4 浮游植物生物量分析

调查期间，采样点浮游植物总生物量范围为8.54～48.35 mg·L-1，平均为23.67 mg·L-1。不同采样点浮游植物各类群生物量（图3）显示，大汶河DWH10 采样点总生物量最低，为8.54 mg·L-1，大汶河DWH06 采样点最高，为48.35 mg·L-1。采样点生物量以硅藻、蓝藻和绿藻类群为主，其中硅藻类群所占比例在各采样点平均为35.92%，硅藻类群的丰度较绿藻和蓝藻小，但生物量却为主体，主要是硅藻类群的体积和平均湿重较大；蓝藻类群所占比例在各采样点平均值为32.70%；而绿藻类群在各采样点占生物量比例平均值为15.51%。其余金藻、裸藻、甲藻、隐藻和黄藻类群的生物量所占比例较低，分别为7.03%、3.77%、2.79%、1.24%和1.05%。

图3 东平湖与大汶河不同采样点浮游植物生物量及各类群生物量占比Fig.3 Biomass and taxa ratios of phytoplankton in different sampling sites in Dongping Lake and Dawen River

金藻类群在10 个采样点的生物量占比较低，但在东平湖湖区内采样点DPH01 的生物量占比较高，为38.02%，结合图2 中金藻类群细胞丰度占比仅为6.10%。由此可看出，在采样点DPH01 的金藻类群虽然丰度低，但是平均湿重较高。

2.5 浮游植物物种多样性指数及水质生物学评价

各采样点间三种多样性指数存在差异（图4）。其中，物种丰富度指数D 值的计算结果范围在1.313～4.932，均值为3.189，参照丰富度指数水质评价标准，可判定研究区域水体水质介于清洁型与中度污染之间；多样性指数H 值范围在0.893～2.794之间，均值为2.093，参照多样性指数水质评价标准，可判定研究区域水体水质为β-中污型；而均匀度指数J 值范围在0.388～0.863 之间，均值为0.734，参照均匀度指数评价标准，判定结果为研究区域水体水质介于清洁-寡污型与β-中污型之间。以上三种指数均在东平湖DPH01 采样点波动范围较大，在DPH09 采样点波动范围较小，较稳定。综上Margalef物种丰度指数（D）、Shannon-Wiener 指数（H）及Pielou 均匀度指数（J）三种多样性指数对东平湖与大汶河水质的判定结果有所差异。

图4 东平湖与大汶河浮游植物各采样点三种多样性指数Fig.4 Three diversity indices of phytoplankton at each sampling site in Dongping Lake and Dawen River

2.6 浮游植物与环境因子的关系

除趋势对应分析（DCA）结果显示（图5），2019年3 月东平湖的各采样点基本聚为一组，同样2019年6 月、9 月、12 月的各采样点都分别聚为一组。运用DCA 分析检验其第一轴的梯度长为2.9，因此选择冗余分析（RDA）分析进行约束性排序。

图5 基于物种丰度的DCA 排序图（如：3DWH01 表示3 月份的采样点DWH01）Fig.5 DCA ordination plots based on species abundance（e.g.3DWH01 represents the March sampling site DWH01）

通过蒙特卡罗检验（Monte Carlopermutation test）排除贡献小的因子，最后得出总氮（TN）、总磷（TP）和氟离子（F-）为显著影响东平湖浮游植物分布的环境因子（P＜0.05）（图6）。其中，TN 与浮游植物群落结构的相关性最强（r=0.85）。图6 中为了方便观察，将没有通过蒙特卡罗检验的化学需氧量（COD）和氨氮也放入RDA 分析中进行RDA 排序。

图6 采样点-环境相互关系RDA 排序图（如：3DWH01 表示3 月份的采样点DWH01）Fig.6 RDA ranking diagram of sampling site -environment interrelationship（e.g.3DWH01 represents the March sampling site DWH01）

筛选的各环境因子对RDA 各轴的贡献存在显著差异（P＜0.05）（表6），其中，TN、TP 与第一轴呈显著正相关（r=0.85，r=0.71），而F-与第一轴则呈显著负相关（r=-0.64）。2019 年12 月的所有样点和9月的个别样点的浮游植物群落结构主要与F-有较强的相关性，3 月和6 月的个别样点的浮游植物群落结构主要与TP 有较强的相关性以及与TN 有一定的相关性（图6）。RDA 分析结果表明，与浮游植物群落结构相关性较强的环境因子在各采样点不同，且各采样点在RDA 第一轴和第二轴分化较好。

表6 RDA 分析结果Tab.6 RDA analysis

3 讨论

3.1 浮游植物群落结构特征分析

不同水域生态系统浮游植物的群体分布特征随地域和水体类型而异[19,20]，不同时期的浮游植物种类组成也有所不同。本调查结果显示，在东平湖与大汶河研究区域内浮游植物群落组成中绿藻类群的物种数量占优势，硅藻和蓝藻类群其次，绿藻和硅藻类群共占物种数量的69.10%。研究区域2019 年四个时期的优势种共有23 种，其中绿藻门种类最多，为8 种，其次硅藻类群物种为7 种。在2013 年南水北调运行初期，东平湖浮游植物种类以绿藻门为主，其次为裸藻门和硅藻门[13]，对比2017年东平湖浮游植物种类组成，绿藻门依旧占据优势，而硅藻门却成为数量最多的门类[21]。在更早的1994 年东平湖浮游植物种类组成依然是绿藻门最多，硅藻门和蓝藻门其次[22]。而在本研究中，绿藻和硅藻类群种类占优，蓝藻种类也有所增加。总体来看，东平湖浮游植物种类组成在2017 年以后以绿藻和硅藻种类为主，这不仅反映在物种组成结构上，也反映在各类群之间构成结构的空间特征上，这与国内外湖泊浮游植物的群落构成模式大体吻合[23-25]。

在自然水体中，浮游植物的群落组成结构具有空间和时间差异性。东平湖与大汶河研究区域的浮游植物种类与细胞丰度的样点特异性（空间差异性）较为明显，绿藻、硅藻和蓝藻类群是广布种，在东平湖与大汶河研究区域的10 个采样点的出现频率都较高；甲藻、隐藻类群虽然出现频率较低，但在东平湖湖区内的所有采样点都出现过，而只在大汶河的个别样点出现过，说明东平湖和大汶河的水环境存在一定的差异；其中黄藻和金藻类群仅出现在个别月份或个别样点，这些样点水体透明度值较高，这符合黄藻和金藻类群适宜光照强、水体环境清洁的生态规律特征[26]。水域生态系统中浮游植物的生长发育及其群落的分布受水环境温度的重要影响[27,28]，而东平湖与大汶河浮游植物的物种种类和细胞丰度也存在一定季节差异性。与蓝藻和绿藻相比，硅藻生长的适宜温度更低[29]，在温度较低的春季和冬季，硅藻更具竞争优势，硅藻类群的细胞丰度较高；蓝藻类群对水体波动具有较强的适应性，可以快速从水体中吸收有助于自身生长发育的养分使细胞丰度达到较高的值，典型蓝藻的温度适应范围比绿藻更宽，对高温的耐受力也更强[30,31]，蓝藻能在40 ℃的较高水温下生长，在6 月、9 月蓝藻类群的细胞丰度都较高，尤其是在温度最高的夏末秋初[32,33]；绿藻与蓝藻虽都喜好高温[34]，但绿藻适宜生长的温度较蓝藻要低，细胞丰度在4 个时期均占比最高，成为东平湖细胞丰度的主体。

本研究中，以绿藻类群为主体，细胞丰度占比为42.04%，蓝藻和硅藻类群其次，其丰度占比分别占34.01%和18.47%。浮游植物生物量主体以硅藻和蓝藻类群为主，采样点平均生物量分别为35.92%、32.70%，其中硅藻类群的细胞体积和平均湿重大、则生物量大，硅藻适宜在有机质含量高的水体中生长。

3.2 浮游植物群落与环境因子的关系

大量研究表明，处在不同水体中的浮游植物群落结构表现出不同的特征，演替规律是大部分环境因子在时间和空间上彼此影响的结果，而且浮游植物功能群的演替与浮游植物的生长策略密切相关，可以进一步探索浮游植物演替过程中与环境因子之间的内在关系[35,36]。不同环境因子与浮游植物多样性指标之间的相关性有所不同[37]。

本研究中，DCA 分析结果将东平湖的采样点分成明显的四个组。按照采样的四个月每个月的采样点分别聚集在一起，表明浮游植物群落在相同时间下各个采样点的适应性相似（图5）。而RDA 分析结果表明，各月各采样点的浮游植物群落与不同的环境因子有相关性。氮磷是影响浮游植物群落结构的关键因子。氮磷浓度的增加使绿藻类群占优势[38,39]，促进绿藻类群的生长。3 月和6 月个别样点的浮游植物群落结构与TP 有较强的相关性以及与TN 有一定的相关性，且在3 月、6 月绿藻类群的细胞丰度较其他门类的浮游植物要高更多；而9 月和12 月浮游植物与氟离子有很强的正相关性（图6）。9 月绿藻、蓝藻类群细胞丰度较高（表6）。是否表明氟离子在一定浓度范围内会对绿藻和蓝藻类群的生长繁殖起促进作用[40]，有待进一步探讨研究。

3.3 浮游植物群落多样性与水质评价

在运用不同多样性指数评价浮游植物群落结构与解释群落结构差异原因的研究中，生物多样性作为衡量一个区域生物资源丰富程度的客观指标而被广泛应用。本研究用Margalef 物种丰富度指数（D）、Shannon-Wiener 物种多样性指数（H）和Pielou均匀度指数（J）三个指标，均可以较好地反映东平湖浮游植物群落的物种复杂程度、分散程度及种间个体分布均匀程度。本研究结果表明，东平湖浮游植物的物种丰富度指数（D）和物种多样性指数（H）结果较高，均值分别为3.189、2.093，说明东平湖浮游植物群落的物种丰富度较高，群落结构相对复杂。而浮游植物的均匀度指数（J）值较低，均值为0.734，则说明了浮游植物个体及种间分布的均匀程度较低。三种指标的对比可以看出，东平湖与大汶河浮游植物的群落结构相对稳定，不易受到外界环境条件改变和内部种群演变的干扰。

浮游植物对水体环境变化较敏感，其群落结构特征具有一定的空间和时间变化性[41]，而不同的多样性指数用来作为判定湖泊营养化程度的水质指标，结果会有所差异[42,43]。本研究选用的三种物种指标分析东平湖与大汶河水质情况，其结果亦有所差异。Marglef 丰富度指数评价结果为研究区域水体水质介于清洁型与中度污染之间；Shannon-Wiener 物种多样性指数评价结果为β-中污型；Pielou 均匀度指数评价结果为水质介于清洁-寡污型与β-中污型之间。

水体、地域环境、采样方法、鉴定过程等各因素会影响多样性指数评价，不同指标的评价结果有差异是正常的。通常需要综合多种评价方法得出最终结果。东平湖与大汶河水体理化指标显示，溶解氧与氨氮浓度分别为6.22～12.94 mg·L-1、0.042～0.300 mg·L-1，均属Ⅰ～Ⅱ类水水质标准；总磷浓度为0.004～0.041 mg·L-1，介于Ⅰ～Ⅲ类之间；氟离子浓度为0.026～0.703 mg·L-1，属Ⅰ类标准；COD 浓度为12.39～22.83 mg·L-1，介于Ⅰ～Ⅳ类标准；总氮浓度为0.254～1.642 mg·L-1，介于Ⅱ～Ⅴ类标准，其中3 月总氮浓度平均值最高，为1.192 mg·L-1，属Ⅳ类标准。浮游植物密度将水体划分为贫营养型（＜106个·L-1）与富营养型（＞106个·L-1）[44]。以此标准看，东平湖的平均值为4.540×106cells·L-1，大汶河的平均值为4.113×106cells·L-1，均属于富营养型水体。但相比前人2017 对年东平湖的TN 和TP 浓度研究成果，2019 年东平湖的氮磷及COD 浓度下降趋势明显，说明东平湖的水环境逐步得到改善。从优势物种组成来看，一般而言，硅藻型的浮游植物群落结构类型可以作为典型指标来判定污染程度较轻的水体，而蓝-绿藻型则可以用来指示典型的较高营养化水体。本研究表明，东平湖与大汶河浮游植物优势种以绿藻类群为主，其中作为中污染指示种的小球藻在调查的4 个时期均为优势种，尤其是3 月优势度最高，东平湖高达0.477，大汶河为0.302，说明东平湖与大汶河水质营养化程度较高。综合以上结果，2019 年东平湖与大汶河研究区水体处于中营养到富营养水平。