济南地区夏季浮游植物群落结构与环境因子的关系

商书芹，郭伟，朱中竹，王博涵，贾丽，刘鹏

（1.济南市水文局，山东 济南 250014；2.大连海洋大学水产与生命学院，辽宁省水生生物学重点实验室，辽宁 大连 116023；）

济南地区夏季浮游植物群落结构与环境因子的关系

商书芹1，郭伟1，朱中竹1，王博涵2，贾丽1，刘鹏1

（1.济南市水文局，山东 济南 250014；2.大连海洋大学水产与生命学院，辽宁省水生生物学重点实验室，辽宁 大连 116023；）

2014年和2015年夏季（8月）在济南市区及周边县城选择具有代表性的24个采样点，野外调查济南地区夏季浮游植物群落结构特征。结果表明：共鉴定出浮游植物6门113种，其中2014年6门89种，密度以蓝藻门为主，平均密度为2.17×106cells/L；2015年游植物共6门85种，密度以蓝藻门为主，平均密度为2.83×106cells/L。2014年浮游植物香农威纳指数平均值为2.49，均匀度指数平均值为0.57，2015年浮游植物香农威纳指数平均值为2.37，均匀度指数平均值为0.60。典范对应分析结果显示：pH和电导率分别是2014和2015年影响浮游植物群落的主要环境因子。综合分析认为，济南地区水体呈中度污染。

济南；浮游植物；环境因子

浮游植物是河流生态系统中重要的初级生产者[1,2]，对维持河流生态系统的平衡起着十分重要的作用。浮游植物对河流生态系统的能量流动和物质循环起着同样重要的作用[3,4]。浮游植物群落结构与环境因子之间有着十分密切的联系，浮游植物的种类、密度、生物量及多样性指数等群落结构特征是评价水体质量的重要标准[5,6]。浮游植物对环境变化十分敏感，在水体环境监测中起着同样重要的作用[7,8]。近年来，人们广泛应用浮游植物群落结构评价不同河流生态系统的生态状况[9,10]。

近年来，人类活动对济南地区生态环境的影响十分明显，有关济南地区水生生物群落的调查研究已有报道，而对济南地区浮游植物群落结构及其与水环境的关系研究较少。因此，本研究分析了2014年与2015年夏季济南地区浮游植物的空间分布特征及其与水环境因子之间的关系，应用浮游植物群落多样性指数评价水质状况，以期为济南地区河流生态环境的保护与治理提供一定参考。

1 材料与方法

1.1 采样点设置及样品采集与处理

济南是山东省省会，也是全国首个水生态文明建设试点城市，以泉水闻名于世，是全省政治、经济、文化、科技、教育和金融中心，素有“泉城”之美誉。济南地形可分为三带：北部临黄带，中部山前平原带，南部丘陵山区带。境内主要山峰有长城岭、跑马岭、梯子山、黑牛寨等。山地丘陵3 000多km2，平原5 000km2。最高海拔1 108.4m，最低海拔5m，南北高差1 100多m。济南位处山东省中心地带，在鲁中南、低山丘陵与鲁西北冲积平原之间为一平缓的单斜构造，高差达500多m，地势呈现南高北低，利于地表水和地下水向城区汇集。

济南南部山区多为农业用地，水流缓慢，部分地区有泥沙淤积，中部多为城镇河道，水流速度慢，底质多为砂石底，北部支流短，水流速较快，泥沙较少。2014年和2015年夏季（8月）对济南地区进行采样调查。根据济南地区地理特征、水质状况及污染源分布状况，在济南市区及周边县城选择具有代表性的24个采样点位（图1和表1）。在各采样点距水面1/2水深处取水样2L，加10mL鲁哥试液固定，实验室静置48h，浓缩至100mL，取0.1mL于浮游植物计数框内，在400倍显微镜（OLYMPUS）下进行浮游植物物种鉴定和计数[11]，物种鉴定参照相关文献[12-14]。采取现场测定和实验室测定相结合的方式测定水体理化指标。

图1 济南采样点位分布图Fig.1 The sampling sites in Jinan Region

表1 济南地区采样点位分布Tab.1 The sampling sites in Jinan Region

1.2 水体理化性质的测定

测定各采样点位水体的pH、浑浊度（SS）、水温（T）、电导率（Cond）、溶解氧（DO）含量；各点位采集2L水样，低温保存，48h内送回实验室根据标准方法测定钙离子（Ca2+）、硬度（TD）、氨氮（NH3-N）、氯离子（Cl-）、碱度（ALK）、总氮（TN）、和高锰酸钾指数（CODMn）[15]。

1.3 数据分析和处理

计算香农威纳指数（H'）、均匀度指数（J）来研究浮游植物多样性。

式中：S为浮游植物的种类数；N为浮游植物的总密度，ni为第i种的密度，fi为第i种出现的频率。

采用独立样本t检验分析2014年及2015年夏季环境因子的相关性以及与浮游植物群落之间的相关性。各采样点位筛选出的水环境因子和浮游植物群落数据在Canoco4.5软件上进行典范对应分析（Canonical correspondence analysis，CCA）。

应用浮游植物密度进行CCA分析时，先进行除趋势对应分析（Detrended correspondence analysis，DCA），得出物种的单峰响应值（梯度SD），SD＞2，即可进行CCA分析，否则采用冗余度分析（Redundancy analysis，RDA），并对数据进行999次蒙特卡洛置换检验（Monte Carlopermutation test），以判定显著影响浮游植物群落空间分布特征的环境因子。在进行CCA分析前，除pH外，所有水体环境数据和浮游植物密度数据均进行对数转换［log（x+1）］[16]。

应用箱体图判别两年中浮游植物群落物种数、密度、生物量、香农维纳指数、均匀度指数的差异性，在SPSS16.0上进行数据相关性分析。Origin7.5上完成箱型图分析，应用Biodiversity Profession 2.0计算香农维纳指数和均匀度指数，在Canoco4.5上进行PCA和CCA分析，济南采样点位图在ArcMap 9.3上完成。

2 结果及分析

2.1 浮游植物群落结构组成

2014 年和2015年夏季在济南地区水体中共鉴定出浮游植物6门113种，其中2014年6门89种，硅藻门种类最多，为42种，其次为绿藻门和蓝藻门，分别为26种与12种；2015年6门85种，硅藻门种类最多，为39种，其次为绿藻门和蓝藻门，分别为24种和14种（图2）。2014年蓝藻门密度较高，占浮游植物总密度的85.82%，其次为绿藻门和硅藻门，分别占浮游植物总密度的8.28%和4.88%；2015年蓝藻门密度最高，占浮游植物总密度的69.95%，其次为绿藻门和硅藻门，分别占浮游植物总密度的17.70%和11.59%。两年中，裸藻门、隐藻门和甲藻门密度均相对较少（表2）。

图2 不同年份浮游植物物种数量比较Fig.2 The number of phytoplankton in different years

表2 不同年份浮游植物密度所占比例Tab.2 Density percentage of phytoplankton in different years

2.2 浮游植物群落结构特征及多样性分析

2014 年鉴定出的浮游植物物种数平均值为21种，高于2015年的15种，2014年J3点物种数最高，为40种，2015年物种数最高点位同样是J3点，为24种。2014年浮游植物平均密度为2.17×106cells/L，低于2015年平均密度2.83×106cells/L。2014年浮游植物密度最高点位于J22营字闸，其他采样点密度相对较少，2015年密度最高点位于J10钓鱼台水库，中南部地区多数采样点密度高于其他点位；2014年浮游植物生物量平均值为16.67mg/L，低于2015年的46.36mg/L，2014年生物量最高点位位于J22营字闸，2015年生物量最高点位位于J4卧虎山水库，且中南部地区生物量较高于其他地区；2014年浮游植物香农威纳指数平均值为2.49，高于2015年香农威纳指数平均值为2.37；2014年浮游植物均匀度指数平均值为0.57，低于2015年浮游植物均匀度指数平均值为0.60（图3）。

2014 年和2015年夏季济南地区浮游植物群落结构特征的相关性分析表明：2014年和2015年浮游植物物种数无相关性（P＞0.05）；浮游植物密度和生物量亦无相关性（P＞0.05）；浮游植物香农维纳指数及均匀度指数无相关性（P＞0.05），说明2014年与2015年夏季浮游植物群落结构存在时间差异性（图3）。

2.3 浮游植物群落结构特征与环境因子关系

2014 年与2015年济南地区夏季采样点水体理化因子无显著差异性（P＜0.05）。夏季水温较高，均在24℃以上，水体呈弱碱性，pH7.95～8.19。2014年SS、ALK、DO、TN含量高于2015年，T、pH、Cond、Ca2+、和TP均低于2015年（表3）。

图3 不同年份浮游植物群落结构特征Fig.3 Community structure of phytoplankton in Jinan River Basins in summer in 2014 and 2015

图4 济南地区2014年和2015年浮游植物群落结构特征的比较分析Fig.4 Comparison of community structure of phytoplankton in Jinan River Basins in summer in 2014 and 2015

表3 济南地区2014年和2015年水环境因子比较（平均值±标准差）Tab.3 Comparison of different years environment factors between 2014 and 2015（Mean±SD）

对济南地区2014年和2015年夏季水文环境因子进行主成分分析（PCA），2014年筛选出两主轴变化分数大于0.7的5个环境因子为SS、pH、Ca2+、TD和Cond；2015年筛选出两主轴变化分数大于0.7的5个环境因子为Cond、TP、SS、TN和TD（图5）。

浮游植物密度和环境因子DCA分析结果显示呈单峰模型，选择浮游植物丰度和环境因子分析结果（图6）做CCA分析。2014年，pH是主要影响浮游植物群落结构的环境因子，对第二轴有显著影响，与浮游植物群落结构呈正相关性（P＜0.05），Cond和Ca2+分别与第一轴和第二轴呈负相关性（P＜0.05）；2015年Cond和TD是主要影响浮游植物群落结构的环境因子，Cond对第一轴有显著影响，Cond和TD对浮游植物群落结构呈正相关性（P＜0.05）。

图5 济南地区不同年份水文环境因子主成分分析（PCA）Fig.5 Principal component analysis of hydrological environmental factors in Jinan Region indifferent years

图6 济南地区不同年份浮游植物群落典范对应性分析（CCA）Fig.6 Canonical correspondence analysis between phytoplankton and hydrological environmental factors in Jinan River Basin in different years

3 讨论

本次调查中，2014年及2015年夏季在济南地区共鉴定出6门113种浮游植物，硅藻门占绝对优势，其次为绿藻门和蓝藻门；从各物种密度来看，2014年和2015年的主要物种为蓝藻门，密度分别占浮游植物总密度的85.82%和69.59%，其次为绿藻门和硅藻门，蓝藻门种类相比硅藻门较少，但是密度较高，这可能是夏季水温升高，蓝藻水华爆发所致[17]。夏季营养、水温、光照等条件充足，适合浮游植物生长繁殖。

研究表明，浮游植物多样性指数是判断群落重要性的基础[18-20]，在一定程度上可以鉴定水质状况。2014年与2015年夏季济南地区水中浮游植物香农威纳指数平均为2.49和2.37，且两年中大多数采样点位香农威纳指数均在1～3之间。2014年香农威纳指数值在0～1之间有2个采样点、1～3之间有13个采样点，＞3有9个采样点。2015年中香农威纳指数值在0～1之间有1个采样点，1～3之间有21个采样点，＞3有3个采样点。香农威纳指数（H'）值[9,1 8-2 0]在0～1为重度污染，1～3为中度污染，＞3为轻度或无污染。综合分析认为：2014年与2015年夏季济南地区水体呈中度污染。

在本研究中，浮游植物群落与测定的环境因子的相关性分析显示，透明度和电导率对这两年的浮游植物群落结构都有影响。2014年浮游植物群落主要受pH和钙离子的影响。水体酸碱度变化对浮游植物生活和分布起到一定作用[21]。2014年水体pH略低于2015年，偏碱性，很多喜欢微碱性水体的藻属都受到pH变化的影响。2015年浮游植物群落结构主要受到电导率和总硬度影响，电导率可以反映出水体中离子的浓度含量，即可以反映出水体的营养状况，很多藻属都与电导率相关性较大，电导率对藻类分布起到一定影响。水体硬度的改变使水体中酸碱度发生变化，对浮游植物群落分布起到一定作用。

济南以泉水闻名于世，然而，由于降水量的减少及泉域地下水无限制的开采，导致地下水的采补失衡，地下水位不断下降，泉群喷涌量逐渐减少，最终导致断流。泉群断流不但造成泉水景观严重萎缩，使泉城特色大打折扣，护城河及大明湖无新鲜水补充，水体污染严重，湖体及水体自然景观功能严重下降，而且还造成泉水文化的缺失，破坏了泉城历史文化的继承和系统性。泉水是济南的灵魂和灵气，河流水系是城市的重要基础设施和生态环境的控制性要素，改善河流水系生态环境健康，维持水生态系统良性循环，是维持济南灵魂和灵气的根本所在，也是济南市长期可持续发展的基础。

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Relationship Between Phytoplankton Community Structure and Environmental Factors in Jinan River Region in Summer

SHANG Shu-qin1,GUO Wei1,ZHU Zhong-zhu1,WANG Bo-han2,JIA Li1,LIU Peng1
（1.Jinan Hydrographic Office,.Jinan 25001，China；2.Liaoning Provincial Key Laboratory for Hydrobiology, College of Fisheries and Life Science,Dalian Ocean University,Dalian 116023,China）

The community structure and e spatial and temporal distribution of phytoplankton were surveyed 24 sampling sites in Jinan River Region in August of 2014 and 2015 to show the relationship between the community structure of phytoplankton and the associated environmental factors,based on Shannon-Weiner index,Pielou index of phytoplankton and Canonical correspondence analysis．Eighty-nine phytoplankton species were found in 2014 and 85 phytoplankton species in 2015，with averagephytoplankton density of 2.17×106～2.83×106cells/L,Shannon-Wiener index of 2.49～2.37 and Pielou index of 0.57～0.60 during the 2014 and 2015.Canonical correspondence analysis revealed that phytoplankton community structure was heavily determined by pH in 2014.On the contrary,electronic conductivity was the main environmental factors limitation of phytoplankton community structure in 2015.In conclusion,the water in Jinan River was found to be moderately polluted.

Jinan River Region;phytoplankton;environmental factors

S932.7

A

2016-07-01

山东省水利厅、山东省财政厅“水生态文明试点科技支撑计划”（SSTWMZCJH-SD02）；济南市水生态时空变异驱动机制及自动监测模式项目.

商书芹（1978-），女，博士研究生，从事水环境监测研究，E-mail:shangshuqin80@mail.sdu.edu.cn

1005-3832（2017）01-0046-06