冯佳，裴海光，王飞，杨静，张蕾，谢树莲*

（1.山西大学 生命科学学院，山西 太原 030006；2.山西大学 体育学院，山西 太原 030006；3.太原师范学院 管理系，山西 晋中 030619）

0 引言

浮游生物（包括浮游植物和浮游动物）是水生态系统重要组成部分，是物质循环和能量流动的关键枢纽［1-2］，是水域生态系统中的初级生产者，为其他生物提供饵料和必需的能量［3-5］。水域水质与浮游植物的丰富程度及群落组成有着密不可分的关系［6］。浮游动物是中上层水域中鱼类和其他水生动物的重要饵料、水生态系统中的次级生产者，在食物网起着承上启下的作用［1，7］。因对水环境变化敏感，许多种类的浮游生物可作为水污染指示生物。在不同水域中，导致浮游生物群落结构发生变化的因素也不尽相同［8］。

太原汾河景区全长31 km，自北向南穿太原城而过。汾河河漫滩和沼泽面积256.4 km2，两侧湿地缓冲区近50 m，湿地面积约占全省湿地总面积的1/6。作为典型的城市河流景区，为城市的泄洪排涝、提供水资源、维护城市生物多样性、调节小气候、补充太原市地下水、吸纳城市污水、旅游等方面起到了重要作用。为了系统的了解太原汾河景区浮游生物的群落结构组成及影响因素，本研究于2019年对太原汾河景区进行生物与环境的综合调查，运用多元统计分析方法探讨浮游生物群落的分布特征及影响其季节分布的关键性环境因子，对水环境质量做出科学评价。以期为太原汾河景区提供宝贵的基础科研资料，并为其水体富营养化的生态修复提供科学合理的建议。

1 研究区域及研究方法

1.1 采样点的设置

于2019年1月、4月、7月、10月对太原汾河景区的浮游生物群落结构进行调查。按照全面性、代表性原则，从上游至下游共设置6个取样点，分别为胜利桥北（S1），胜利桥-漪汾桥（S2），漪汾桥-迎泽桥（S3），迎泽桥-长风桥（S4），长风桥-南中环桥（S5），南中环桥-祥云桥（S6）（图1）。

图1 太原汾河景区采样点分布Fig.1 Distribution of sampling points in Taiyuan Fenhe Scenic Area

1.2 样品的采集与处理

浮游植物定性样品使用25#浮游生物网采集，定量样品使用1 L采水器采集，采集后加入鲁戈试剂固定；避光静置48 h浓缩至50 mL进行样品的鉴定与计数。浮游动物定性样品使用13#浮游生物网采集，采集后用质量分数4%的甲醛溶液固定，沉淀浓缩后在显微镜下进行样品的鉴定［9-11］。

1.3 宏基因组测序流程

1.3.1 基因组DNA的提取及处理

将水样中的浮游生物进行富集，提取基因组DNA（QMEGA，E.Z.A.NTM Mag-Bind DNA Kit），进行琼脂糖电泳检测。对基因组DNA精确定量（Life，Qubit 2.0 DNA），以确定PCR反应所加入的DNA量。对18S rDNA基因的V4区域以及16S rDNA基因的V3-V4区域进行了扩增，用Vazyme VAHTSTM DNA Clean Beads对DNA进行纯化、定量，根据测得的DNA浓度，将所有样品按照1∶1的比例进行混合，混合后充分震荡均匀，用于后续的样品建库与测序。

1.3.2 测序数据分析

测序得到的数据，进行拼接、过滤，得到有效数据。基于有效数据进行OTUs（Operational Taxonomic Units）聚类分析，根据OTUs聚类结果，得到对应的物种信息和物种的丰度分布情况，同时对物种多样性指数（Shannon-wiener）计算分析，计算公式如下：

其中，ni为第i个OTU包含的序列数，N为所有个体数目，此处为序列总数。

1.4 理化因子及叶绿素a的测量

水温（WT）和pH的测定使用便携式水质分析仪HORIBA-U52（日本）；硝酸盐（NO3-N）、亚硝酸盐（NO2-N）、磷酸盐（PO43-P）、叶绿素-a（Chl-a）等指数的测定方法参照国家地表水环境质量标准［12-13］。

1.5 数据处理与统计分析

LEfse（Linear discriminant analysis Effect Size）是用于发现不同生物条件或环境下的两组及以上样本中最能解释组间差异的基因或功能特征，以及这些特征对组间差异的影响程度。LEfse适用于多层次的生物学标识和特征的发现和解释［14-15］。其操作流程在网址 http：//huttenhower.sph.harvard.edu/galaxy/root/index上进行。首先利用Kruskal-Wallis检测组间丰度显著差异的特征，并使用 LDA（Linear discriminant analysis）判别分析这些差异特征对组间区别的影响大小。LDA阈值的设置：less_strict设为2或more_strict设为4。本文将LDA的阈值默认设置为2，只有LDA的绝对值大于2才会在图中显示出来，考虑具有统计学意义。典型相关性分析（CCA）可以更直观地反映物种和环境因子间的关系。本研究选取优势种的丰度数据做响应变量，进行去趋势分析（DCA），DCA分析结果显示，排序轴中最大的长度梯度为3.8，单峰模型和线性模型均合适，本研究用CCA（CANOCO 5.0软件）来解释浮游生物群落与环境因子的关系，找出影响浮游生物群落的主要环境因子［16-17］。用SPSS 21.0软件对数据进行单因素方差分析、逐步回归统计分析及Duncan多重比较；采用Origin 2018软件作图。

2 结果与分析

2.1 浮游植物群落结构及季节分布特征

经鉴定，太原汾河景区共有浮游植物8门224属，其中绿藻137属，蓝藻35属，硅藻32属，黄藻13属，金藻3属，甲藻2属，裸藻1属，隐藻1属。春季浮游植物8门163个属，绿藻和硅藻的属类最多，绿藻120属占浮游植物总属数的73.6%、硅藻25属占总属数的15.3%、其他门类的浮游植物占总属数的11.1%。春季浮游植物的平均丰度为23.97×106cells·L-1（图 2），变化范围在 8.39×106cells·L-1～38.76×106cells·L-1间；绿藻门和硅藻门丰度最高，分别占据总丰度的37.9%和29.15%；优势种有链带藻属（Desmodesmus）、小球藻属（Chlorella）、小环藻属（Cyclotella）、盘星藻属（Pediastrum）等。夏季浮游植物8门176属，属类组成主要以绿藻、蓝藻和硅藻为主，其中绿藻106属占总属数的60.2%、蓝藻34属占总属数19.3%、硅藻24属占总属数的13.6%、其他门类的浮游植物占总属数的6.9%。夏季太原汾河景区的平均丰度为20.87×106cells·L-1，变化范围在7.08×106cells·L-1～36.60×106cells·L-1间；蓝藻门和绿藻门丰度最高，分别占总丰度的69.6%和21.8%，优势种有多芒藻属（Golenkinia）、空球藻属（Eudorina）、链带藻属、假鱼腥藻属（Pseudanabaena）等。秋季浮游植物7门133属，属类组成以绿藻、硅藻和蓝藻为主，其中绿藻占总属数的72.2%、硅藻占总属数13.5%、蓝藻占总属数的9.8%、其他门类的浮游植物占总属数的4.5%。秋季太原汾河景区的平均丰度为46.51×106cells·L-1，变化范围在25.66×106cells·L-1～70.74×106cells·L-1间；蓝藻门、绿藻门和硅藻门丰度最高，分别占据总丰度的48.4%、41.8%及25.9%，优势种有假鱼腥藻属、栅藻属（Scenedesmus）、多突藻属（Polyedriopsis）、盘星藻属、小环藻属等。冬季浮游植物4门40属，属类组成以绿藻、硅藻为主，其中绿藻占总属数的75%、硅藻占总属数12.5%、其他门类的浮游植物属数占总属数的12.5%。冬季太原汾河景区的平均丰度为5.04×106cells·L-1，变化范围在1.38×106cells·L-1～10.04×106cells·L-1间；蓝藻门、绿藻门丰度最高，分别占据总丰度的31.5%、61.8%，优势种有集胞藻属（Synechocystis）、单壳缝藻属（Monoraphidium）等。

图2 太原汾河景区不同季节浮游植物丰度变化特征Fig.2 Variation characteristics of phytoplankton abundance in different seasons in Taiyuan Fenhe Scenic Area，2019

2.2 浮游动物群落结构及季节分布特征

太原汾河景区浮游动物共4门70属，主要以轮虫为主，线形动物次之，桡足类和原生动物最少，其中轮虫29属、线形动物21属、桡足类11属、原生动物10属。通过对OTUs代表序列进行物种注释，各门相对丰度柱形累加图如图3。春季浮游动物41属，其中原生动物6属，轮虫18属，线形动物13属，桡足类4属。轮虫和线形动物作为优势种群，其平均相对丰度为43.91%和48.74%；优势种有疣毛轮虫属（Synchaeta）、旋轮虫属（Philodina）、拱唇线虫属（Labronema）。夏季浮游动物55属，其中原生动物5属，轮虫27属，线形动物13属，桡足类10属。原生动物和轮虫作为优势种群，其平均相对丰度为29.11%和44.11%；优势种有隐孢子虫属（Cryptosporidium）、须足轮虫属（Euchlanis）、晓柱轮虫属（Eothinia）。秋季浮游动物39属，其中原生动物3属，轮虫22属，线形动物7属，桡足类7属。轮虫作为优势种群，平均相对丰度达到91.12%，优势种有疣毛轮虫属、大猪吻轮虫属（Dicranophorus）、胶鞘轮虫（Collotheca）、龟甲轮虫属（Keratella）、臂尾轮虫属（Brachionus）。冬季浮游动物17属，其中原生动物3属，轮虫6属，线形动物5属，桡足类3属。轮虫依然为优势类群，平均相对丰度为67.41%。优势种有臂尾轮虫属、长三肢轮虫属（Filinia）。

图3 太原汾河景区不同季节浮游动物的相对丰度变化特征Fig.3 Variation characteristics of relative abundance of zooplankton in different seasons in Taiyuan Fenhe Scenic Area，2019

2.3 线性判别分析

根据线性判别分析，太原汾河景区各季节LDA score＞2、具有显著性差异的物种。春季太原汾河景区在S1、S2、S4、S5采样点均识别出显著性差异物种：浮游植物有梅尼小环藻（Cyclotellameneghiniana）、Discostella、麦可藻属（Mychonastes）、横裂甲藻（Dinophyceae）；浮游动物有线虫属（Nematoda）、疣毛轮虫属、双并鞭虫（Bicosoecida）（图4）。夏季只在S5、S6采样点识别出有显著性差异的物种：有圆小桩藻属（Pseudoschroederia）、原壳小球藻（Auxenochlorella）、多芒藻属（图5）。秋季在S1、S2、S3、S5、S6采样点均识别出有显著性差异物种：浮游植物有麦可藻属、小环藻属、索囊藻属（Choricystis）、多甲藻（Peridiniales）、Symbiodinium、新链藻属（Neodesmus）、多突藻属、多芒藻属；浮游动物有中华哲水蚤属（Sinocalanus）、疣毛轮虫属、大猪吻轮虫属、异尾轮虫属（Trichocerca）、龟甲轮虫属、臂尾轮虫属（图6）。冬季在S1、S2、S3、S5、S6采样点均识别出有显著性差异物种：浮游植物有棕鞭藻（Ochromonadaceae）、螺旋纤维藻（Trebouxiophyceae）、单壳缝藻属、Parietochloris；浮游动物有未培养的纤毛虫（unculturedciliate）、臂尾轮虫属、三肢轮虫属、拟铃虫属（Tintinnopsis）（图7）。

图4 太原汾河景区春季浮游生物LEfse分析（a.环形树状图；b.柱状图）Fig.4 LEfse analysis of Taiyuan Fenhe Scenic Area in spring，2019（a.Circular tree；b.Histogram）

图5 太原汾河景区夏季浮游生物LEfse分析（a.环形树状图；b.柱状图）Fig.5 LEfse analysis of Taiyuan Fenhe Scenic Area in in summer，2019（a.Circular tree；b.Histogram）

图6 太原汾河景区秋季浮游生物LEfse分析（a.环形树状图；b.柱状图）Fig.6 LEfse analysis of Taiyuan Fenhe Scenic Area in autumn（a.Circular tree；b.Histogram），2019

图7 太原汾河景区冬季浮游生物LEfse分析（a.环形树状图；b.柱状图）Fig.7 LEfse analysis of Taiyuan Fenhe Scenic Area in winter（a.Circular tree；b.Histogram），2019

2.4 浮游生物多样性指数

Shannon-wiener指数是用来估算样品中生物多样性的指数之一，值越大，说明群落多样性越高。统计显示（图8），春季浮游植物Shannon-wiener指数为2.92，区域间的变化范围在2.69～3.09；夏季为 2.77，变化范围在 2.59～2.97；秋季为 2.76，变化范围在 2.49～2.95；冬季为 2.19，变化范围在1.92～2.63（每个季节样本数为18）；春季浮游植物的群落多样性要显著高于其他三季（P＜0.05）。春季浮游动物Shannon-wiener指数为1.48，区域间的变化范围在1.10～2.04；夏季为1.54，变化范围在 1.43～1.74；秋季为 1.70，变范围在1.49～2.05；冬季为1.40，变化范围在1.10～2.12；秋季浮游动物的群落多样性显著高于其他三季（P＜0.05）。

图8 浮游生物多样性指数（a.浮游植物；b.浮游动物）Fig.8 Plankton diversity index（a.phytoplankton；b.zooplankton）

2.5 水体理化因子与Chl-a的季节特征

太原汾河景区的水体理化因子如表1（每个季节样本数为18），ANOVA方差分析表明除硝酸盐含量季节之间差异不显著（P＞0.05），其余理化因子均具有季节性显著差异（P＜0.01）。Duncan多重比较表明冬季pH要显著高于春季与秋季（P＜0.01），夏季pH显著高于秋季（P＜0.05），呈冬季＞夏季＞春季＞秋季；水温在季节间呈夏季＞秋季＞春季＞冬季，所有季节间差异明显（P＜0.05）；对于水体营养盐，硝酸盐呈夏季＞冬季＞春季＞秋季，但仅夏季与冬季硝酸盐含量显著高于秋季（P＜0.05）；亚硝酸盐呈夏季＞秋季＞春季＞冬季，夏季亚硝酸盐含量显著高于春季、秋季与冬季；水体含氮量在春季、夏季和冬季超过地表水IV类限值。磷酸盐呈夏季＞春季＞秋季＞冬季，其中春季、夏季磷酸盐含量显著高于秋季和冬季（P＜0.05）；夏季的水体含磷量超过湖泊、水库的IV类限值，其他三季超过湖泊、水库的Ш类限值。叶绿素a含量呈秋季＞夏季＞春季＞冬季，其中夏季和秋季的叶绿素a含量显著高于其他两季（P＜0.01）。

表1 太原汾河景区环境因子和Chl-a的分布特征Table 1 Distribution characteristics of environmental factors and Chl-a in Taiyuan Fenhe ScenicArea

2.6 太原汾河景区浮游生物群落驱动因子分析

2.6.1 浮游生物群落与环境因子的逐步回归分析

根据逐步回归模型，确立了太原汾河景区浮游生物与环境因子的逐步回归方程，结果见表2。蓝藻与WT之间存在显著正相关关系（P＜0.05）。硅藻与pH和NO2-N之间存在显著负相关关系（P＜0.05）。原生动物与pH之间存在显著正相关关系（P＜0.05），与NO2-N之间存在极显著正相关关系（P＜0.01）。桡足类与WT之间存在显著负相关关系（P＜0.05）。

表2 浮游生物与环境因子的逐步回归方程Table 2 Stepwise multiple regression between plankton and environmental factors

2.6.2 浮游生物群落与环境因子的典范对应分析

根据宏基因组测序，选取四季中丰度较高的浮游生物作为优势种［18］。将优势种和环境因子进行排序分析（表3）。排序结果显示，前两个排序轴的特征值分别为0.897 9和0.238 9，物种-环境相关系数分别为0.990 2和0.774 9，物种变异累积百分比分别为39.59%和50.12%，物种-环境变异累积百分数分别为68.01%和86.10%（表4）。前两轴物种-环境相关系数均较高，表明浮游生物群落结构与环境因子关系密切。通过蒙特卡洛置换检验对环境因子是否具有显著性进行了筛选，结果表明P＜0.01的环境因子包括WT，P＜0.05的环境因子包括PO43-P，这两个变量对浮游生物的影响较为重要。

表3 浮游生物优势种在CCA排序图中的物种及编号Table 3 Nomenclature and numbers of dominant species of plankton in CCA

表4 浮游生物与环境因子的CCA分析结果Table 4 CCAresults for plankton and environmental factors

链带藻属、小球藻属、索囊藻属、多突藻属、芒球藻属（Radiococcus）、集胞藻属、小环藻属、微拟球藻（Nannochloropsis）等集中在轴二下方，受PO43-P含量的影响更大（图9a）。疣毛轮虫属，胶鞘轮虫与水体中Chl-a含量正相关，喜欢分布在假鱼腥藻属，弓形藻属（Schroederia），四角藻属（Tetrastrum），盘星藻属较多的水域，同时也表明这些藻类对Chl-a的贡献相对较大。大多数优势生物分布在轴一左侧，它们均与WT呈正相关，可能是WT的升高有利于浮游动物的大量繁殖［1，19］。臂尾轮虫属，杆线虫属（Rhabdolaimus），中华哲水蚤，真单宫属线虫（Eumonhystera）等浮游动物与水体pH呈正相关，与WT呈负相关，它们受水体环境影响较大。

CCA分析结果显示（图9b），每个季节的6个采样点分布相对较为集中，秋季样点与Chl-a的相关性较好，表明秋季样点Chl-a含量较高，冬季采样点与Chl-a呈负相关。亚硝酸盐与磷酸盐主要分布在春季与夏季采样点附近，这些样点尤其受磷酸盐含量的影响更大。冬季采样点与pH呈正相关。

图9 浮游生物、采样点及环境因子的CCA排序图Fig.9 CCA ordination of plankton，sampling sites，and environmental factors

3 分析与讨论

3.1 浮游生物群落的时空分布

太原汾河景区全年共鉴定出浮游植物224属，种类组成以绿藻、硅藻、蓝藻为主，在春季和冬季，绿藻和硅藻门占绝对优势；在夏季和秋季，绿藻、蓝藻和硅藻门均占优势，其中硅藻在春季和冬季的占比要高一些，蓝藻在夏季的占比要高一些，是因为蓝藻喜欢生活在温暖的水体中，而硅藻为冷水性物种［20-21］。全年检测出浮游动物70属，种类组成主要以轮虫为主，线形动物次之，桡足类和原生动物最少。太原汾河景区浮游动物相对丰度主要受轮虫影响，与许多受污染河流中浮游动物的群落特征相似［22-23］。受季节温度变化影响，浮游生物丰度变化明显［24-25］，各季节具有显著性差异的物种也不相同。空间上，太原汾河景区有机物及氮磷含量较大，当光照、温度等条件适宜时，充足的食物来源为浮游动物的繁殖提供了条件［26］，浮游植物的数量随之波动，对浮游动物，会产生较大的影响［6］。各季节的线性判别分析显示，显著性差异物种随季节变化而有所不同，秋季识别出有显著性差异的物种最多，夏季识别出有显著性差异的物种最少。

3.2 水质状况评价

水体理化性质可以直接反映太原汾河景区的水质状况，目前采用的富营养化指标是水体含氮量大于0.3 mg·L-1，含磷量大于0.02 mg·L-1，CHI-a含量（藻类生长量的标志）大于10 mg·m-3。在浮游植物生长茂盛的夏季和秋季，其CHI-a含量均远超10 mg·m-3。由理化指标结果可知，调查期间太原汾河景区水质状况较差，全年营养盐含量均较高，表明太原汾河景区水质受到一定程度的污染。

浮游植物的群落结构也可以反映水体的营养化程度。一般认为，蓝藻作为优势类群指示水体呈富营养化状态，绿藻指示水体呈中营养化状态，硅藻指示水体呈贫营养化状态［27］。在太原汾河景区的春季和冬季，绿藻和硅藻为优势类群，在夏季和秋季，绿藻和蓝藻为优势类群，表明太原汾河景区水体处于中富营养化状态。浮游植物优势类群中的假鱼腥藻属、微囊藻属均为耐污种类，同时浮游动物全年以轮虫为主，优势种臂尾轮虫属也为耐污种类，表明太原汾河景区的水体受到了一定程度的污染［6］。浮游植物Shannonwiener指数是判断湖泊营养状况最常用的指标，指数处于0～1，表示水质严重污染，1～2为A-中污染，2～3为B-中污染，＞3为轻度污染或清洁区域［3，28］，各季节浮游植物Shannon-wiener指数在2～3之间，水质处于中污染状态。综合环境因子、浮游生物群落结构组成、多样性指数评价，认为太原汾河景区属于中污染富营养型水体。

3.3 浮游生物群落对环境因子的响应

浮游生物群落结构受多种环境因子影响，在不同的湖泊水体中，影响群落结构的环境因子也存在差异［6］。王华［29］等对滇池研究显示，影响浮游植物季节演替的主要驱动因子为电导率、总氮、总磷。周然［30］等对渤海湾研究显示，硝酸盐、磷酸盐和水温等是影响春夏季浮游植物最明显的环境因子。杜明勇［31］等对太湖流域的研究显示，影响浮游植物群落变化的主要环境因子为NO3-N、TP和TN，影响浮游动物群落变化的主要环境因子为NO3-N、TN和WT。

本文研究显示，浮游植物群落分布主要与WT、PO43-P、NO3-N有关，大多数藻类植物均与水温呈正相关，且绿藻门的链带藻属、小球藻属、索囊藻属、多突藻属，蓝藻门的微囊藻属，以及硅藻门的小环藻属均与营养盐呈正相关，该结果与相关研究结果相似［32-34］。姜会超［35］等对莱州湾浮游动物群落结构研究发现，水温和盐度是影响浮游动物群落的主要因子。金竹静［36］等对新宝象河的研究表明，影响浮游植物和浮游动物的环境因子主要是水温、悬浮颗粒物等。本研究表明，影响浮游动物分布的主要环境因子是pH、NO3-N、Chl-a。浮游动物与Chl-a为显著相关，而Chl-a含量在一定程度上能反映浮游动物饵料来源情况，说明浮游植物生物量可以影响浮游动物群落结构［37］。通过建立Chl-a与环境因子之间的模型，发现在春季、秋季和冬季，环境因子和Chla之间均具有显著相关性，其中pH和PO43-P在四个季节均对Chl-a浓度产生较大影响。研究认为水体中营养盐浓度的升高会引起浮游植物密度的增加（即Chl-a含量的升高），pH会影响浮游植物的群落结构及分布［38］，进而影响浮游动物的生长及分布［39］。

4 结论

太原汾河景区共检测出浮游植物224属，以绿藻、硅藻、蓝藻为主；浮游动物70属，以轮虫为主。LEfse分析识别到不同季节、不同区域间具有显著性差异的物种有所不同。全年营养盐含量均较高，水质状况较差，属于中污染富营养型水体。浮游生物群落的分布在不同季节受环境因子 WT、PO43-P、NO3-N、pH、NO2-N、Chl-a、DOC的影响也不同。逐步回归方程结果表明：硅藻、原生动物均与pH、NO2-N之间具有显著相关关系，而蓝藻、桡足类与WT之间存在显著相关关系。CCA结果显示WT和PO43-P与浮游生物群落关系最为密切。