刘 帅，赵燕楚，黄艳凤，张邓壮，石雅峰

（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）

浮游植物是淡水生态系统中重要的初级生产者，在淡水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［1-3］。浮游植物的种类和生长组成、数量的分布以及生物量等都是影响浮游植物群落结构的重要因素［4，5］，也是决定和评价水体生长和富营养化程度的关键测量指标，其生长种类和生长组成及分布的变化都对环境的变化有明确的指示意义［6-8］。同时环境条件的改变直接或间接地影响到浮游植物的群落组成，由于存在地域和水利类型差异，不同水体的浮游植物种类具有不同的特征，作为水体中的初级生产者，浮游植物的群落结构及其动态与环境因子和营养状态密切相关［9，10］。

忻州市位于山西省，北倚内长城，与大同市、朔州市、内蒙古自治区为界，西临黄河，与陕西省、内蒙古自治区相望，东傍太行山，与河北省接壤，南抵石岭关，与太原市、阳泉市、吕梁市毗邻。忻州市介于东经110°53′3″—113°58′0″、北纬38°6′5″—39°40′0″，南北长约170 km，东西宽约245 km，总面积2.515 万km2，占山西省总面积的1/6，面积居山西省第一位［11］。忻州市河流大多属汾河水系，主要有黄河、汾河及滹沱河（海河支流）等。黄河自老牛湾进入晋陕大峡谷，流经忻州180 km；汾河源自管涔山，河道宽度300～770 m，平均360 m，终年不冻；滹沱河发源于五台山，在市境全长260 km［12］。

近年来，随着社会经济的发展，忻州市管辖内的水资源环境日益恶劣［13］。对于其管辖内重点河流和水库的浮游植物未见系统研究。本研究通过对忻州市境内的12 个水库和14 个重点河流进行生物采样调查，并对其生物多样性进行评价，可为忻州市水生态状况提供基础数据，也可为河流和水库的环境演变分析以及生态修复提供必要的参考数据。

1 研究方法

1.1 采样时间与地点

结合忻州市河流水文特征和生境状况，在汾河、岚漪河、偏关河、朱家川河、黄河、县川河、滹沱河、牧马河、清水河、桑干河共10 条主要河流上布设点位。点位布设以国控断面为主，上下游河段点位作为补充，共22 个监测点（图1、表1）。

表1 调查点信息

图1 忻州市采样点分布

1.1.1 河流点位布设 参考国家生态监测办法在忻州市行政区域内共布设14 个采样点位。以调查点位为中心，以上下游各500 m（调查河段总长1 km）范围为采样调查区域。

1.1.2 水库点位布设 结合水库面积大小、水文特征及水环境质量状况，以孤山、下茹越、观上、神山、米家寨、双乳山和唐家湾7 座中型水库及静乐汾河国家湿地公园为重点开展水生态环境调查，共设置8 个监测点。

1.2 浮游植物样品采集及处理

浮游植物定量样本采集用1 L 样品瓶采集，然后立即加入15 mL 鲁哥氏液固定，定性样本采用25号浮游生物网（200 目）采集，加福尔马林固定［14］，采样方法严格按照《水和废水监测分析方法》［15］（第四版，增补版）执行。在实验室采用ZEISS Scope A1 型显微镜对样品进行镜检，种类鉴定参照《中国淡水藻类——系统、分类及生态》［16］，定量样本需要在分液漏斗中静置24 h，体积最终浓缩到30 mL，计数并计算藻细胞密度。

1.3 分析方法

1.3.1 空间分布特征分析方法 应用统计软件Primer 6 对河流和水库的采样点浮游植物的鉴定结果进行聚类分析。将相似程度较高的采样点位进行归类，分析其空间分布特征。

1.3.2 优势种分析 优势度反映水域中生物密度分布，通过计算不同物种在各点位的频率，将优势度大于或等于0.02 的物种定为优势种［17］，计算公式如下。

式中，Y为优势度；fi为物种i出现的频率；ni为物种i的个体数；N为所有物种的个体数总和。

1.3.3 生物多样性分析 浮游植物多样性指数通过BioDiversity Pro 统计软件进行分析，采用Shannon-Winner 多样性指数（H′）、Margalef 丰富度指数（D）和Pielou 均匀度指数（J）对忻州市的河流和水库点位多样性进行评价［18-20］，计算公式如下。

式中，S为样品中浮游植物的物种总数。

通常，生物多样性指数的高低代表着群落结构的稳定性强弱［21］，浮游植物多样性指数对水质评价类型的标准［22］见表2。

表2 生物多样性指数评价污染类型标准

2 结果与分析

2.1 浮游植物群落结构状况

忻州市内河流共检测到浮游植物8 门111 种（表3），其中，硅藻门（Bacillariophyta）65 种，占总数的58.56%；绿藻门（Chlorophyta）22 种，占总数的19.82%；蓝藻门（Cynophyta）10 种，占总数的9.01%；裸藻门（Euglenophyta）7 种，占总数的6.31%；金藻门（Chrysophyta）2 种，占总数的1.80%；甲藻门（Dinophyta）2 种，占总数的1.80%；隐藻门（Cryptophyta）2 种，占总数的1.80%；黄藻门（Xanthopyta）1 种，占总数的0.90%。河流浮游植物各类群及其占比如图2 所示。水库共检测到浮游植物8 门125 种，其中，硅藻门60 种，占总数的48.00%；绿藻门36 种，占总数的28.80%；蓝藻门10 种，占总数的8.00%；裸藻门9 种，占总数的7.20%；甲藻门4 种，占总数的3.20%；金藻门3 种，占总数的2.40%；隐藻门2 种，占总数的1.60%；黄藻门1 种，占总数的0.80%。水库浮游植物各类群及其占比如图3 所示。

表3 忻州市游植物种类组成统计

图2 河流浮游植物的种类组成

图3 水库浮游植物的种类组成

2.2 浮游植物生物量和细胞密度

忻州市内河流和水库各监测点浮游植物分布存在差异（图4、图5 和图6）。河流中，各点位浮游植物种类数为11～37 种（图4），以S12（陈家营）种类最多，S2（禹庙）最少；浮游植物的平均密度为3.299×106cells/L，S2（禹庙）密度最低，为0.009×106cells/L，S6（梵王寺）密度最高，为13.110×106cells/L（图6）。水库中，各点位浮游植物种类数为23～41 种，以S18（观上水库）种类最多，S17（神山水库）最少（图5）；浮游植物的平均密度为6.526×106cells/L，S19（米家寨水库）密度最低，为0.205×106cells/L，S17（神山水库）密度最高，为17.310×106cells/L（图6）。总体上看，水库采样点的藻细胞密度高于河流采样点，反映水库富营养化较高，需要警惕。河流采样点中从浮游植物平均细胞密度组成来看，蓝藻门细胞密度最大，为25.125×106cells/L，占比最高，其次为硅藻门和隐藻门，细胞密度分别为13.959×106、4.020×106cells/L，其他门类细胞密度均较小，其中裸藻门密度最小，仅为0.270×106cells/L。水库采样点中蓝藻门细胞密度最高，为34.515×106cells/L，之后依次为硅藻门、隐藻门、绿藻门、金藻门、甲藻门、裸藻门，细胞密度分别为19.465×106、8.382×106、8.193×106、1.740×106、0.638×106、0.270×106cells/L。

图4 河流浮游植物各监测点物种数

图5 水库浮游植物各监测点物种数

图6 忻州市浮游植物各监测点密度和生物量

2.3 优势种分析

河流浮游植物优势类群为蓝藻门的类颤藻鱼腥藻（Anabaena oscillarioides）、假鱼腥藻（Pseudanabaenasp.）和弯形小尖头藻（Raphidiopsis sinensia），隐藻门的卵形隐藻（Cryptomonas ovata），硅藻门的普通等片藻原变种（Diatoma vulgarevar.vulgure）和舟形藻（Navicula capitatoradiata），优势度分别为0.052、0.129、0.020、0.048、0.041、0.071（表4）。水库浮游植物优势种为蓝藻门的类颤藻鱼腥藻、假鱼腥藻，隐藻门的尖尾蓝隐藻（Chroomonas acuta）、卵形隐藻、硅藻门的尖针杆藻（Synedra acus）、舟形藻，优势度分别为0.143、0.056、0.031、0.057、0.091、0.040（表4）。

表4 忻州市不同地点浮游植物优势种及优势度

2.4 浮游植物多样性分析及评价

浮游植物多样性指数是常用的水质评价指标，水体受污染后，浮游植物群落往往出现种类减少，但某些抗性强的种类大量增长的倾向，导致多样性指数下降，因此多样性指数可反映水体的污染情况。本研究河流和水库浮游植物多样性指数特征见图7。

图7 不同采样点浮游植物的多样性指数

在河流点位中，Shannon-Winner 多样性指数范围在1.287～3.396，平均值为2.438，最高值位于雷家坪，最小值位于禹庙。Pielou 均匀度指数范围在0.424～0.906，平均值为0.716，最高值位于碛塄，最低值位于梵王寺。Margalef 丰富度指数范围在0.882～3.551，平均值为2.412，最高值位于雷家坪，最低值位于S2 禹庙。

在水库点位中，Shannon-Winner 多样性指数范围在1.772～3.475，平均值为2.754，最高值位于双乳山水库，最小值位于唐家湾水库。Pielou 均匀度指数范围在0.494～0.833，平均值为0.687，最高值位于双乳山水库，最低值位于唐家湾水库。Margalef 丰富度指数范围在2.213～4.466，平均值为3.113，最高值位于静乐汾河川国家湿地公园，最低值位于唐家湾水库。Pielou 均匀度指数变化幅度小，表明浮游植物除个别采样点外分布较均匀，Shannon-Winner多样性指数与Margalef 丰富度变化趋势较一致，且变化幅度较大。双乳山水库、静乐汾河川国家湿地公园区域浮游植物物种相对丰富，具有较高的生物多样性。

采用Shannon-Winner 多样性指数、Margalef 丰富度指数评价各样点水质发现，花园子、雷家坪、双乳山水库、静乐汾河川国家湿地公园样点评价结果均为清洁型；河西村、碛塄、南庄、陈家营、坪上桥、下茹越水库、神山水库、米家寨水库样点评价结果均为轻度污染型；川胡屯、梵王寺样点评价结果均为中度污染型。唐家湾水库样点采用Shannon-Winner 多样性指数评价结果为中度污染型，采用Margalef 丰富度指数评价结果为轻度污染型；关河口、孤山水库样点采用Shannon-Winner 多样性指数评价结果均为清洁型，采用Margalef 丰富度指数评价结果为轻度污染型；观上水库样点采用Shannon-Winner 多样性指数评价结果为轻度污染型，采用Margalef 丰富度指数评价结果为清洁型；禹庙样点采用Shannon-Winner 多样性指数评价结果为中度污染型，采用Margalef 丰富度指数评价结果为重度污染型。通过多样性指数对忻州污染类型的评价可知，多数样点浮游植物多样性指数评价结果一致，部分样点评价结果存在差异。总体上看，水库样点水体质量优于河流，且川胡屯和禹庙点位处于中重度污染型，需要重点监测。

2.5 浮游植物群落结构MDS 分析

通过对忻州市浮游植物群落结构相似性进行MDS 分析，对比不同聚类数下的分组情况。忻州市河流浮游植物群落可划分为4 组（图8），组1 群落为S3（花园子）、S5（雷家坪），以硅藻门膨胀桥弯藻（Cymbella tumida）为主要类群；组2 群落为S1（关河口）、S6（梵王寺）、S7（川胡屯）、S8（河西村）、S10（代县桥）、S11（定襄桥）、S12（陈家营）、S13（坪上桥）、S14（南庄），以蓝藻门假鱼腥藻为主要类群；组3 为S2（禹庙），以硅藻门尖针杆藻为主要类群；组4 为S4（碛塄）、S9（下茹越），以蓝藻门类颤藻鱼腥藻为主要类群。水库浮游植物群落可划分为2 组（图9），组1群落为S22（静乐汾河川国家湿地公园），以硅藻门纤细等片藻（Diatoma tenue）为主要类群；组2为S15（孤山水库）、S16（下茹越水库）、S17（神山水库）、S18（观上水库）、S19（米家寨水库）、S20（双乳山水库）、S21（唐家湾水库），以蓝藻门类颤藻鱼腥藻为主要类群。

图8 河流浮游植物群落结构MDS 分析

图9 水库浮游植物群落结构MDS 分析

3 讨论

浮游植物是重要的水环境指示生物，不同优势类群可以反映采样点水体的营养程度，例如中营养型水体中硅藻为优势类群，富营养型水体常以绿藻为优势类群［23，24］。本研究对忻州市水体浮游植物采集和鉴定，发现硅藻门、绿藻门、蓝藻门、裸藻门、金藻门、甲藻门、隐藻门、黄藻门8 个门类。其中，硅藻门种类最多，其次是绿藻门和蓝藻门，利用Shannon-Wiener 多样性指数和Margalef 丰富度指数评价忻州市水系水质，结果显示该水系为轻度污染，与水体常规理化指标评价结果较一致。周绪申等［25］对同流域的白洋淀水系的浮游植物类群进行调查，在白洋淀水域中发现6 个门类；赵露等［26］对永定河上游流域浮游植物的调查中鉴定出浮游植物8 门226种，其中绿藻门、硅藻门、蓝藻门均为种类最多的3个门类，与本次调查优势类群的结果一致，说明浮游植物群落结构和物种多样性分析评价忻州市水系水质具有可行性。陈佳林等［27］对忻州市滹沱河下游的大清河水系调查中发现5 门58 种浮游植物，其中绿藻门种类最多，其次是硅藻门和蓝藻门，评价结果存在差异的原因一方面可能是水体富营养程度有所加强，也有可能是浮游植物群落存在季节差异。

有研究表明，应用浮游植物指数多样性指数评价水质时应至少选用2 种以上的指数进行评价，以确保评价结果的可信度，并且浮游植物物种多样性越高代表水质越好［28］。本研究选择3 种多样性指数进行分析，结果表明，以Margalef 丰富度指数和Shannon-Weiner 多样性指数进行评价的结果基本一致，介于清洁与中度污染之间，但是部分点位评价结果存在差异，究其原因是Margalef 丰富度指数忽略各种间的个体数分配状况，仅分析群落的总密度和物种数量［29］，而Shannon-Weiner 多样性指数考虑的是种数和种间个体分配均匀度。本调查中发现，各采样点浮游植物个体密度分布存在不均匀，部分位点Shannon-Weiner 多样性指数低于Margalef 丰富度指数，与刘存等［30］的研究结果一致。本研究通过浮游植物多样性反映水体污染状况，结果具有较高的可信性，为忻州市水质监测与水生态环境保护政策的制定提供了重要的参考。

4 小结

1）2020 年10 月对忻州市水体浮游植物进行了分析，共发现河流中浮游植物8 门111 种，物种多样性较高；水库中浮游植物8 门125 种；河流和水库样点硅藻门细胞密度较大，所占比例最高，其次是绿藻门和蓝藻门。浮游细胞密度和生物量空间分布不均，从细胞密度和生物优势度评价，水库样品点位总体物种多样性高于河流点位。

2）河流Shannon-Winner 多样性指数范围在1.287～3.396，而水库Shannon-Winner 多样性指数范围在1.772～3.475，水库样点多样性指数较高，而河流多样性指数较低，表明忻州市水库样点污染程度较轻。结合Margalef 指数评价忻州市水体污染状况，结果表明河流和水库样点以轻度污染型和中度污染型水体为主，但是禹庙样点评价为重度污染型，污染较为严重，相关部门需要重点关注该点位的污水排放，加强环境监管力度，改善该水系群落结构，恢复生态平衡。

3）基于浮游植物群落结构的相似特征，河流采样点可划分为4 个类型区域，组1 群落以硅藻门膨胀桥弯藻为代表物种；组2 以蓝藻门假鱼腥藻为代表物种；组3 以硅藻门尖针杆藻为代表物种；组4 以蓝藻门类颤藻鱼腥藻为代表物种。河流出现明显的不同优势种的组间群落，组1 和组4 采样点位于人工修复河流段，组2 采样点集中在山区和远离城镇的郊区，组3 采样点位于矿区的下游。水库浮游植物群落可划分为2 组，以硅藻门纤细等片藻为主要类群的组1；以蓝藻门类颤藻鱼腥藻为主要类群的组2。水库出现2 组不同的优势种群，源于采集的水库样品取自汾河和滹沱河不同的河系。