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2025 , Vol. 23 >Issue 4: 760 - 773

DOI: https://doi.org/10.13248/j.cnki.wetlandsci.20240227

湿地生物与环境

土地利用结构与景观格局对霍林河水质及浮游生物群落结构的影响

  • 王文欣 , 1, 2 ,
  • 王天亮 3 ,
  • 赵章国 4 ,
  • 姚艳玲 5 ,
  • 王慧博 2 ,
  • 高忠斯 2 ,
  • 赵晨 2 ,
  • 王乐 2 ,
  • 赵光影 , 1, * ,
  • 霍堂斌 , 2, *
展开
赵光影，教授；E-mail:
霍堂斌，研究员。E-mail:

王文欣（2000—），女，黑龙江省佳木斯人，硕士研究生，从事自然地理学研究。E-mail:

收稿日期: 2024-08-16

  修回日期: 2024-09-25

  网络出版日期: 2026-03-12

版权

版权所有©《湿地科学》编辑部2025
王文欣, 王天亮, 赵章国, 等. 土地利用结构与景观格局对霍林河水质及浮游生物群落结构的影响[J]. 湿地科学, 2025, 23(4): 760-773 [Wang W X, Wang T L, Zhao Z G, et al. Effects of land use structure and landscape pattern on water quality and plankton community structure in the Huolin River. Wetland Science, 2025, 23(4): 760-773
收起

Effects of land use structure and landscape pattern on water quality and plankton community structure in the Huolin River

  • Wang Wenxin , 1, 2 ,
  • Wang Tianliang 3 ,
  • Zhao Zhangguo 4 ,
  • Yao Yanling 5 ,
  • Wang Huibo 2 ,
  • Gao Zhongsi 2 ,
  • Zhao Chen 2 ,
  • Wang Le 2 ,
  • Zhao Guangying , 1, * ,
  • Huo Tangbin , 2, *
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Received date: 2024-08-16

  Revised date: 2024-09-25

  Online published: 2026-03-12

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Copyright ©2025 Wetland Science. All rights reserved.
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摘要

为了解不同土地利用结构和景观格局影响下霍林河流域水质状况及浮游生物群落特征，于2023年10月在霍林河流域20个监测断面采集水样，测定了8项水质指标，并探究了该流域浮游生物群落特征及其与土地利用结构和景观格局之间的关系。调查期间，共鉴定出浮游动物4类88种和浮游植物6门98种，其中轮虫占浮游动物类群的绝对优势，硅藻和绿藻是浮游植物的主要组成类群。土地利用结构和景观格局对水质具有显著影响，其中草地、林地能够过滤和截留水体中的污染物，二者较高的最大斑块指数(LPI)指示较高的水质净化功能；建设用地和耕地对河流水质产生了负面影响。土地利用结构和景观格局通过影响水体理化指标，间接影响浮游生物群落特征。霍林河流域浮游动物优势物种丰度的主要环境影响因子包括缓冲区内草地、耕地面积占比、LPI指数、香农多样性指数及水体氨氮含量、高锰酸盐指数；浮游植物优势物种丰度的主要环境影响因子包括耕地面积占比、硝态氮、氨氮、碱度和溶解氧浓度。以上结果可为霍林河流域土地利用的合理布局及景观格局的优化提供科学依据，为河流水生态保护与恢复提供数据支撑。

本文引用格式

王文欣 , 王天亮 , 赵章国 , 姚艳玲 , 王慧博 , 高忠斯 , 赵晨 , 王乐 , 赵光影 , 霍堂斌 . 土地利用结构与景观格局对霍林河水质及浮游生物群落结构的影响[J]. 湿地科学, 2025 , 23(4) : 760 -773 . DOI: 10.13248/j.cnki.wetlandsci.20240227

Abstract

To understand the water quality status and plankton community characteristics in the Huolin River Basin under the influence of different land-use structures and landscape patterns, water samples were collected from 20 monitoring sections in October 2023. Eight water quality parameters were measured, and plankton community characteristics were investigated. During the survey, 88 zooplankton species (4 categories) and 98 phytoplankton species (6 phyla) were identified. Rotifers dominated the zooplankton community, while Bacillariophyta and Chlorophyta constituted the primary phytoplankton groups. Land-use structures and landscape patterns significantly influenced water quality. Specifically, grassland and woodland effectively filtered and intercepted pollutants, with higher Largest Patch Index (LPI) values enhancing their water purification capacity. Conversely, construction land and cultivated land exerted negative effects on river water quality. These land-use structures and landscape configurations indirectly shaped plankton community characteristics by altering physicochemical water parameters. Key environmental factors affecting dominant zooplankton species abundance included: the proportion of grassland and cultivated land in the buffer zone, LPI, Shannon’s Diversity Index, as well as ammonia nitrogen and permanganate index in water. For dominant phytoplankton species, critical factors were the proportion of cultivated land, nitrate nitrogen, ammonia nitrogen, alkalinity, and dissolved oxygen. These findings provide a scientific basis for rational land-use planning and landscape pattern optimization in the Huolin River Basin, and offered essential data support for riverine ecological conservation and restoration.

生态文明建设提升了民众环保意识和对水环境质量的要求，但水体富营养化问题仍是制约生态环境质量提升的主要因素[1]。农用地与建设用地的增加改变了土地利用结构，自然景观格局与水文过程也随之发生变化，农业废水、不达标的生活污水和工业废水大量排放，导致河流氮、磷含量增加、水质恶化[2]。土地利用结构直观体现了人类对土地的利用强度[3]，土地利用变化又通过影响地表径流和水文循环等自然过程改变生态环境[4]。近年来，相对容易发现的生活污水和工业废水所造成的点源污染已基本得到控制[5]，决定水体质量的关键问题逐渐转移到对非点源污染的管控上[6]。扩散源污染物在降水的冲刷下通过地表径流进入水体，导致水体非点源污染，景观格局对该过程中污染物的迁移和转化有着关键影响[7]。土地利用结构、景观格局及二者的交互作用共同影响水体水质，探讨二者与水质之间的关系，对于土地利用的合理布局及水环境的保护具有重要意义。
浮游生物是水生态系统的重要组成部分，在生态系统物质循环和能量流动过程中发挥着重要作用[8]。浮游植物是水生态系统中的初级生产者，浮游动物作为初级消费者在水生生态系统食物网中起着联通上下的枢纽作用[9]。浮游动物可以对浮游植物的丰度进行调控，也是鱼类的重要食物来源[10]，可将初级生产者产生的能量通过自身向下一级消费者传递[11]。土地利用结构的变化可通过影响环境因子而间接影响水生态系统中的浮游生物[12]。目前，国内外对浮游生物的研究主要聚焦在利用浮游生物评价水体质量并探究其与水体理化因子之间的关系方面[9-12]，且大多数研究主要针对湖泊生态系统[9–10]。浮游生物具有细胞结构简单、个体微小、迁移能力弱和生命周期短等特点，对水环境变化响应灵敏[13]。相比于理化因子评价水质的瞬时性和片面性，浮游生物群落特征可以更加全面有效地反映水环境的长期状态[14]，因此，浮游生物群落结构特征常被作为评价水环境质量的重要生物指标[15-16]。流域土地利用结构与景观格局是影响河流水质的重要驱动因素，深入研究其对浮游生物群落的影响，对于河流生态的修复与保护具有重要意义。
霍林河发源于内蒙古自治区通辽市扎鲁特旗的德鲁特勒罕山北麓，是嫩江的一级支流。霍林河流域范围内共有大、中型水库3座，对霍林河起到拦截作用，且霍林河流经部分生境脆弱区，由上游至下游水量递减[17]。霍林河流域降水量年内分布不均，降水主要集中在夏季的6—8月，丰水期降水量占全年总降水量的70%~80%[18]。霍林河在进入吉林省通榆县后开始漫散，漫散后没有明显河道，形成大面积湿地，只有在大水年份发生较大洪水时才注入嫩江[19]。秋季降水量开始减少，霍林河进入平水期，大量河道显露，部分河道开始出现断流现象，形成水−陆生态系统，环境对浮游生物的影响变得更为复杂。因此，本研究选取霍林河流域作为研究区域，在秋季平水期开展采样与监测，并综合运用地理信息技术、相关分析和冗余分析等方法，定量探讨霍林河流域土地利用结构和景观格局对河流水质及浮游生物群落结构的影响，旨在筛选出对霍林河流域水环境影响最为显著的土地利用类型和景观指数，从而为霍林河流域土地利用的合理布局及景观格局的优化提供科学依据、为维护流域水生态健康提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况与采样点布设

霍林河流经内蒙古的通辽市、科尔沁右翼中旗和吉林省的白城市、通榆县，注入查干湖，最后汇入嫩江。霍林河源头海拔1 439 m，干流全长约590 km，流域总面积36 623 km2[20]。
霍林河位于中国干旱−半干旱地区，流域因构造运动形成了沙丘与洼地交错相间排列的微地貌格局，从而发育了面积广阔的沼泽和湖泊，具有调节气候和地表径流、抵御风沙、维护生物多样性等重要意义[21]。本研究在霍林河干流及主要支流共布设了20个采样点(图1)。
1 Schematic diagram of sampling points distribution in the Huolin River Basin

霍林河流域采样点分布示意

1.2 土地利用数据和景观指数

霍林河流域土地利用数据来源于国家基础地理信息中心的全球30 m地表覆盖产品(http://www.globallandcover.com/)，该数据经裁剪、重分类后得到霍林河流域2020年的土地利用数据。参照《生态环境状况评价技术规范》(HJ 192-2015)中的土地利用分类方法，将研究区域划分为耕地、林地、草地、湿地、水域、建设用地和未利用地7种类型。结合流域特征，利用ArcGIS 10.8软件，以采样点为圆心，1 000 m为半径，对采样点1 000 m点缓冲区的土地利用类型占比数据进行提取。
基于国内外已有研究结果[22-23]，斑块密度(PD)、斑块个数(NP)、斑块结合度(COHESION)、平均最近邻体距离(ENN_MN)、最大斑块指数(LPI)和香农多样性指数(SHDI)对河流水质影响较显著。其中PD和NP是表征景观破碎化程度的指标，PD体现了景观的密集程度；SHDI是表征景观丰富程度的指数；SHDI反映了景观的异质性；COHESION和ENN_MN指数分别表征景观聚集度和景观物理连接度；LPI指数表征景观优势度。通过Fragstats 4.2软件计算1 000 m点缓冲区内上述景观格局指数。

1.3 样品采集与测定

于2023年10月17日至22日在各采样点进行浮游生物和河水样品的采集。在每个采样点水面以下0.5 m深度处，利用有机玻璃采水器采集1 L水样，向每份浮游植物样品中加入15 mL鲁哥氏液进行固定，将样品运回实验室，进行浮游植物定量分析。每份样品浓缩至30 mL，用于浮游植物的鉴定与计数[24]。取0.1 mL浓缩样品置于浮游植物计数框中，在10×40倍光学显微镜下，随机选择100个视野[25]，根据《北京密云水库浮游生物图鉴》[26]、《中国淡水藻类系统、分类及生态》[27]等，鉴别浮游植物物种并进行浮游植物细胞计数。
依据《内陆水域渔业自然资源调查手册》[28]中的相关方法，进行浮游动物定量样品采集与固定。参照《中国淡水生物图谱》[29]、《中国淡水轮虫志》[30]等进行浮游动物种类鉴定；采用体积换算法计算浮游动(植)物丰度和生物量。
利用便携式多参数水质分析仪(YSI Pro Plus)现场测定水温(WT)、水体pH、电导率(EC)和溶解氧(DO)质量浓度。在实验室中，根据《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)[31]中的相关方法，测定水样总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮(NH3+-N)、硝态氮(NO3−-N)、亚硝态氮(NO2−-N)、高锰酸盐指数(CODMn)、正磷酸盐(SRP)、碱度(JG)等指标。

1.4 浮游生物群落多样性指数选择

利用优势度指数确定浮游动物群落和浮游植物群落的优势种[10]。当某物种的优势度指数≥0.02时，则该物种为优势种。
采用Shannon-Wiener多样性指数、Pielou均匀度指数和Margalef丰富度指数，分析浮游生物群落的多样性，并评价水体的水质状况[32–33]。

1.5 数据分析

应用ArcGIS 10.8软件绘制霍林河流域采样点分布图。运用Excel 2021软件进行浮游生物定性、定量数据的统计及多样性指数的计算。使用Origin 2021软件进行基础图表制作及对浮游生物与环境因子之间的关系进行Spearman相关分析。运用Canoco 5.0软件，对土地利用结构及景观格局与水质指标、浮游生物优势种丰度与环境因子的关系进行分析，对物种数据进行去趋势对应分析(DCA)，检验物种丰度呈单峰还是线性分布。如果排序轴最大梯度长度小于3，则选用冗余分析(RDA)；如果排序轴最大梯度长度大于4，则选用典范对应分析(CCA)；如果排序轴最大梯度长度值介于3~4之间，则两种方法均可[22]。

2 结果与分析

2.1 水质指标评价结果

霍林河流域各监测断面水质指标变化范围及评价结果如表1所示，总磷、氨氮和高锰酸盐指数显示各断面水质介于Ⅱ~Ⅴ类水体之间，总氮显示水质介于Ⅳ~Ⅴ类水体之间，各断面溶解氧浓度均处于Ⅰ类水范围内。
1 Variation range and evaluation result of water quality index in the Huolin River Basin

霍林河流域水质指标变化范围及评价结果

水质指标 变化范围 评价结果
注：−表示《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中未做规定的项目。
总磷质量浓度/(mg/L) 0.06~0.40 Ⅱ~Ⅴ类
总氮质量浓度/(mg/L) 1.17~6.25 Ⅳ~Ⅴ类
氨氮质量浓度/(mg/L) 0.32~3.32 Ⅱ~Ⅴ类
硝态氮质量浓度/(mg/L) 0.19~1.96 −
亚硝态氮质量浓度/(mg/L) 0.00~0.05 −
正磷酸盐质量浓度/(mg/L) 0.02~0.08 −
高锰酸盐指数 2.53~24.42 Ⅱ~Ⅴ类
水温/℃ 3.00~8.40 −
pH 7.42~9.54 −
溶解氧质量浓度/(mg/L) 6.60~12.40 Ⅰ类
电导率/(us/cm) 44.50~1 179.00 −

2.2 土地利用结构/景观格局变化特征

在所有采样点1 000 m点缓冲区内，耕地面积平均占比最大，为40.41%；草地面积平均占比为37.40%，仅次于耕地；建设用地、水域、湿地、林地和未利用地的平均面积占比分别为9.06%、8.88%、3.22%、0.53%和0.50%。从上游到下游，耕地、水域、湿地在缓冲区内的面积占比呈上升趋势，草地面积占比呈下降趋势(图2)，SHDI指数整体呈上升趋势，NP、PD、LPI、COHESION指数整体呈下降趋势(图3)。霍林河上游地区处于科尔沁草原腹地，人为干扰较少，景观以草地、水域等斑块类型为主。下游地区位于松嫩平原，土地利用类型以耕地为主，人为活动对景观的干扰逐渐加剧，自然景观的分布被人为景观破坏，景观多样性增加、优势度下降。
2 Proportion of land use types in the 1 000 m buffer zones of the sampling points in the Huolin River Basin

霍林河流域采样点1 000 m点缓冲区土地利用类型面积占比

3 Landscape indices of different sampling points in the Huolin River Basin

霍林河流域不同采样点景观指数

2.3 土地利用结构/景观格局与水体理化因子的关系

对霍林河流域不同采样点水体理化因子与其1 000 m点缓冲区内土地利用面积占比及景观指数数据进行DCA分析，结果表明排序轴最大梯度长度小于3，因此进行RDA分析。RDA分析结果表明，水域(p=0.002，F=5.8)、未利用地(p=0.026，F=2.2)、LPI指数(p=0.048，F=1.9)是显著影响霍林河流域水质状况的环境因子，第1、第2排序轴的解释率分别为31.26%、14.86%(图4)。草地、林地面积占比及LPI、NP、PD、COHESIO指数与大多数水质指标呈负相关关系，水域、湿地、耕地面积占比及ENN_MN、SHDI指数与大多数水质指标呈正相关关系。
4 Redundancy analysis ordination of land use structure, landscape pattern index and water quality indicators in the Huolin River Basin

霍林河流域土地利用结构、景观格局指数与水质指标的冗余分析排序

2.4 浮游动物群落特征

2.4.1 浮游动物群落物种组成及优势种

在霍林河各个采样点，共鉴定出浮游动物4类88种，其中轮虫40种，占总种类数的45.45%；原生动物23种，占比为26.14%；桡足类13种，占比为14.77%；枝角类12种，占比为13.64%。
在88种浮游动物中，共有7种优势种，包括3种原生动物、3种轮虫和1种枝角类(表2)。以原生动物和轮虫为主，长额象鼻溞(Bosmina longirostris)的优势度指数(0.090)最大，其他优势种的优势度指数相对较小。
2 Dominant species and dominance index of zooplankton in the Huolin River

霍林河浮游动物优势种及优势度指数

优势种 优势度指数
陀螺侠盗虫Strobilidium velox 0.047
似铃壳虫Tintinnopsis sp. 0.040
球形砂壳虫Difflugia limnetica 0.080
针簇多肢轮虫Polyarthra trigla 0.046
螺形龟甲轮虫Keratella quadrata 0.072
暗小异尾轮虫Trichocerca pusilla 0.045
长额象鼻溞Bosmina longirostris 0.090

2.4.2 浮游动物群落丰度和生物量

霍林河流域浮游动物丰度整体呈上游低、下游高的趋势，浮游动物丰度及生物量最高值均出现在流域下游(表3)。采样点17浮游动物群落丰度(5 190.60 ind./L)最大，采样点19的(721.25 ind./L)最小，各采样点原生动物的丰度都明显偏大；采样点20浮游动物群落的生物量(11.57 mg/L)最大，采样点12的(0.04 mg/L)最小。
3 Abundance and biomass of zooplankton in the Huolin River

霍林河浮游动物丰度和生物量

采样点序号丰度/(ind./L)生物量/(mg/L)
11 110.250.61
24 052.250.75
32 160.750.33
42 942.651.31
52 040.450.52
63 420.150.20
71 290.600.59
81 830.250.53
9990.250.06
102 550.450.35
111 590.100.51
12930.100.04
131 620.150.18
142 430.050.07
152 190.300.53
163 483.700.67
175 190.600.89
183 245.301.41
19721.250.14
202 663.9011.57

2.4.3 浮游动物群落多样性

由表4可知，霍林河各采样点浮游动物群落的Shannon-Wiener多样性指数在3.97~0.37之间，Pielou均匀度指数在0.97~0.08之间，Margalef丰富度指数在4.32~1.7之间。采样点10浮游动物群落的Shannon-Wiener多样性指数(3.97)最大，采样点20的(0.37)最小；采样点6浮游动物群落的Pielou均匀度指数(0.97)最大，采样点20的(0.08)最小；采样点18浮游动物群落的Margalef丰富度指数数值(4.32)最大，采样点20的(1.70)最小。浮游动物群落的Shannon-Wiener多样性指数、Pielou均匀度指数指示水体呈清洁−重度污染状态，Margalef丰富度指数指示水体呈清洁−中度污染状态。
4 Zooplankton diversity index and aquatic ecological assessment results in the Huolin River

霍林河浮游动物多样性指数及其水生态评价结果

采样点序号 Shannon-Wiener多样性指数 评价结果 Pielou均匀度指数 评价结果 Margalef丰富度指数 评价结果
1 3.66 清洁 0.96 清洁 3.41 清洁
2 3.82 清洁 0.90 清洁 3.63 清洁
3 3.39 清洁 0.85 清洁 2.97 轻度污染
4 3.94 清洁 0.87 清洁 4.01 清洁
5 3.08 清洁 0.81 清洁 2.80 轻度污染
6 3.77 清洁 0.97 清洁 3.58 清洁
7 2.13 轻度污染 0.67 轻度污染 1.96 中度污染
8 2.95 清洁 0.93 清洁 2.52 轻度污染
9 3.00 清洁 0.95 清洁 2.67 轻度污染
10 3.97 清洁 0.95 清洁 3.81 清洁
11 3.00 清洁 0.95 清洁 2.67 轻度污染
12 2.00 中度污染 0.86 清洁 2.00 轻度污染
13 3.60 清洁 0.88 清洁 3.07 清洁
14 2.73 轻度污染 0.91 清洁 2.21 轻度污染
15 3.37 清洁 0.94 清洁 3.35 清洁
16 3.81 清洁 0.83 清洁 3.93 清洁
17 3.84 清洁 0.94 清洁 3.76 清洁
18 3.73 清洁 0.78 轻度污染 4.32 清洁
19 3.17 清洁 0.88 清洁 2.55 轻度污染
20 0.37 重度污染 0.08 重度污染 1.70 中度污染

2.4.4 土地利用结构/景观格局、水体理化因子与浮游动物群落的关系

林地面积占比与硝态氮浓度显著正相关(p<0.05)，与高锰酸盐指数显著负相关(p<0.05)。草地面积占比与总氮、氨氮、亚硝态氮浓度和高锰酸盐指数显著负相关(p<0.05)，与溶解氧浓度显著正相关(p<0.05)。水域面积占比与硝态氮和溶解氧显著负相关(p<0.05)，与氨氮、高锰酸盐指数显著正相关(p<0.05)。建设用地面积占比与亚硝态氮显著正相关(p<0.05)(图5)。LPI指数与总氮和pH显著负相关(p<0.05)，SHDI指数与pH显著正相关(p<0.05)。草地面积占比与COHESION指数和LPI指数显著正相关(p<0.05)，与SHDI指数显著负相关(p<0.05)。由此可知景观格局与土地利用结构之间存在相互作用和影响。
5 Correlation of land use structure/landscape pattern index with water quality index and zooplankton abundance, biomass and diversity index in the Huolin River Basin

霍林河流域土地利用结构/景观格局指数与水质指标、浮游动物丰度、生物量、多样性指数的相关性

p<0.05、p<0.01和p<0.001水平上显著相关；土地利用变量均为面积占比。]]>

建设用地面积占比与浮游动物Margalef丰富度指数呈显著负相关(p<0.05)。未利用地面积占比与浮游动物丰度、生物量、Shannon-Wiener多样性指数和Margalef丰富度指数呈显著正相关(p<0.05)。草地面积占比与浮游动物Pielou均匀度指数呈显著正相关(p<0.05)。
氨氮与浮游动物Pielou均匀度指数呈负相关(p<0.05)。硝态氮与浮游动物丰度呈负相关(p<0.05)。WT和DO与浮游动物生物量呈负相关(p<0.05)。

2.4.5 浮游动物优势物种丰度与环境因子的CCA分析

由于DCA分析排序轴最大梯度长度大于3.0，因此采用CCA分析对浮游动物优势种丰度与环境因子之间的关系进行分析。CCA分析结果显示，第1、第2排序轴的解释率分别为35.5%、23.2%(图6)，其中影响浮游动物优势物种丰度的主要环境因子包括草地、耕地面积占比、氨氮、高锰酸盐指数、LPI指数和SHDI指数。
6 Canonical correlation analysis (CCA) ordination of zooplankton abundance and environmental factors in the Huolin River Basin

霍林河流域浮游动物丰度与环境因子的典范对应分析(CCA)排序

2.5 浮游植物群落特征

2.5.1 浮游植物群落物种组成及优势物种

在霍林河各个采样点共鉴定出浮游植物98种，隶属于6门。其中硅藻门37种，占总种类数的37.8%；绿藻门36种，占总种类数的36.7%；裸藻门11种，占总种类数的11.2%；蓝藻门9种，占总种类数的9.2%；金藻门4种，占总种类数的4.1%；隐藻门1种，占总种类数的1.0%。硅藻门、绿藻门和裸藻门物种占优势。
由表5可知，在霍林河采集到的98种浮游植物中，优势度指数大于0.02的优势物种共有10种，包括硅藻门5种、绿藻门4种和蓝藻门1种。其中硅藻门优势种数量最多，普通等片藻(Diatoma vulgare)的优势度指数(0.075)最大，其他优势种的优势度指数都较小。
5 Dominant species and dominance index of phytoplankton community in the Huolin River

霍林河浮游植物群落优势物种及优势度指数

门优势物种名称优势度指数
硅藻门梅尼小环藻Cyclotella meneghiniana0.042
短线脆杆藻Fragilaria breuisriata0.033
简单舟形藻Navicula simples0.047
普通等片藻Diatoma vulgare0.075
绒毛平板藻Tabellaria flocculosa0.029
绿藻门卵形衣藻Chamydomonas ovalis0.047
德巴衣藻Chlamydomonas debaryana0.023
球衣藻Chlamydomonas globosa0.030
蛋白核小球藻Chlorella pyrenoidosa0.059
蓝藻门美丽隐球藻Aphanocapsa elachista0.021

2.5.2 浮游植物群落丰度和生物量

霍林河各采样点浮游植物群落细胞总丰度在17.06×106~0.38×106 cells/L之间，采样点19浮游植物群落细胞总丰度最大，采样点17最小(表6)。采样点19浮游植物群落总生物量(12.44 mg/L)最大，采样点17(0.53 mg/L)最小。霍林河流域浮游植物丰度及生物量最高值均出现在下游的查干湖(19号采样点)，除19号采样点外，浮游植物丰度及生物量从上游到下游呈下降趋势。
6 Abundance and biomass of phytoplankton in the Huolin River

霍林河浮游植物丰度和生物量

采样点序号丰度/(106 cells/L)生物量/(mg/L)
17.912.01
23.372.22
32.061.24
42.081.25
51.761.92
61.642.60
71.241.47
80.981.74
91.822.62
106.722.72
111.161.08
120.860.63
134.310.60
140.720.79
150.820.87
161.561.10
170.380.53
182.401.51
1917.0612.44
2011.368.40

2.5.3 浮游植物群落多样性

霍林河各采样点浮游植物群落的Shannon-Wiener多样性指数在4.39~2.71之间，Pielou均匀度指数在0.93~0.52之间，Margalef丰富度指数在5.07~2.65之间(表7)。采样点11水体中浮游植物群落的Shannon-Wiener多样性指数(4.39)最大，采样点10的(2.71)最小；采样点15浮游植物群落Pielou均匀度指数(0.93)最大，采样点10的(0.52)最小；采样点20水体中浮游植物群落的Margalef丰富度指数(5.07)最大，采样点9的(2.65)最小。浮游植物群落的Shannon-Wiener多样性指数、Pielou均匀度指数和Margalef丰富度指数均指示水体呈清洁−轻度污染状态。
7 Phytoplankton diversity index and aquatic ecological assessment results in the Huolin River

霍林河浮游植物多样性指数及其水生态评价结果

采样点序号 Shannon-Wiener多样性指数 评价结果 Pielou均匀度指数 评价结果 Margalef丰富度指数 评价结果
1 4.19 清洁 0.84 清洁 4.54 清洁
2 3.97 清洁 0.79 轻度污染 4.12 清洁
3 3.46 清洁 0.75 轻度污染 3.17 清洁
4 4.25 清洁 0.90 清洁 4.15 清洁
5 4.07 清洁 0.87 清洁 3.69 清洁
6 3.51 清洁 0.77 轻度污染 3.32 清洁
7 4.09 清洁 0.87 清洁 3.81 清洁
8 3.11 清洁 0.72 轻度污染 3.00 清洁
9 3.22 清洁 0.74 轻度污染 2.65 轻度污染
10 2.71 轻度污染 0.52 轻度污染 3.91 清洁
11 4.39 清洁 0.92 清洁 4.09 清洁
12 3.62 清洁 0.91 清洁 2.72 轻度污染
13 3.92 清洁 0.84 清洁 3.68 清洁
14 3.77 清洁 0.92 清洁 2.82 轻度污染
15 4.07 清洁 0.93 清洁 3.33 清洁
16 4.09 清洁 0.88 清洁 3.64 清洁
17 3.38 清洁 0.86 清洁 2.80 轻度污染
18 4.37 清洁 0.88 清洁 4.43 清洁
19 3.65 清洁 0.74 轻度污染 3.75 清洁
20 4.36 清洁 0.81 清洁 5.07 清洁

2.5.4 土地利用结构/景观格局与浮游植物群落和水体理化因子的关系

耕地面积占比与浮游植物丰度、生物量、Margalef丰富度指数均呈显著负相关(p<0.05)，林地面积占比与浮游植物生物量呈显著正相关(p<0.05)(图7)。
7 Correlation of land use structure/landscape pattern index with water quality index and phytoplankton abundance, biomass and diversity index in the Huolin River Basin

霍林河流域土地利用结构/景观格局指数与水质指标和浮游植物丰度、生物量、多样性指数的相关性

p<0.05、p<0.01和p<0.001水平上显著相关；土地利用变量均为面积占比。]]>

硝态氮与浮游植物生物量呈正相关(p<0.05)、与Pielou均匀度指数呈负相关(p<0.05)。WT与浮游植物Margalef丰富度指数呈显著正相关(p<0.05)。

2.5.5 浮游植物优势物种丰度与环境因子的RDA分析

对浮游植物优势物种丰度与环境因子之间进行DCA分析，排序轴最大梯度长度小于3.0，因此采用RDA分析。RDA分析结果显示，第1、第2排序轴的解释率分别为37.39%、15.75%(图8)，硝态氮、氨氮、碱度、耕地面积占比和溶解氧对浮游植物优势物种丰度影响较为显著。
8 Redundancy analysis ordination of phytoplankton abundance and environmental factors in the Huolin River

霍林河浮游植物丰度与环境因子的冗余分析排序

3 讨　论

3.1 土地利用结构/景观格局对水质的影响

河流水质与相应缓冲区内水文条件、景观格局、土地利用方式等息息相关。径流是河流水量的主要补充方式，景观格局与土地利用结构共同作用于河流产流、汇流过程，并通过此过程对河流水质产生重要影响[34–35]。景观格局对水质的影响主要集中在汇流过程中，而不同土地利用类型下植被覆盖率和土壤特征的不同会直接导致径流水质的不同[36]。流域内景观类型越丰富，对水质的影响越复杂，草地、林地等“汇”景观在径流过程中可以过滤水体中的营养盐、重金属等污染物；建设用地、耕地等“源”景观因下垫面差异，会导致污染物在径流过程中的富集[37]。当流域内景观格局主要由优势度和连通性较好的耕地等“源”景观斑块构成时，会导致分散的污染物汇聚，并为其扩散与输出提供条件，同时也可能造成“汇”景观过滤和截留污染物及涵养水源的能力下降[35-38]。
本研究土地利用类型中草地、林地、水域对氨氮、硝态氮、亚硝态氮、高锰酸盐指数等水质指标具有显著影响(图5)。草地、林地通过过滤、截留污染物，作为污染物的“汇”景观对水质起净化作用，与高锰酸盐指数均呈显著负相关(图5)。水域面积在各缓冲区内的平均占比较小，可能受周围耕地及建设用地的影响，汇集了附近点源及非点源污染物，与氨氮、高锰酸盐指数呈显著正相关[39]。霍林河流域下游地区地处松嫩平原，作为中国重要商品粮生产地区之一，耕地面积占比非常大(图2)，这可能是导致下游监测断面总氮、高锰酸盐指数等水质指标较上游地区明显增加的主要原因。
本研究选取的景观指数中，LPI和SHDI指数与水质指标的相关性较为显著，NP、PD、COHESIO和ENN_MN指数与水质指标的相关性不显著(图5)。SHDI指数越高，表明汇流过程中流经的景观类型越丰富，耕地、建设用地等对污染物有富集作用的“源”景观类型对水质的影响可能增加。LPI指数越大表征缓冲区内景观优势度越高，可能导致草地等可以净化水体的“汇”景观类型呈集中分布，得以有效过滤和截留水体中的污染物。有研究发现[40]，PD指数在1 000 m河段缓冲区影响较为显著，NP、COHESIO和ENN_MN指数在子流域尺度上与水质指标的相关性较强。本研究中，NP、PD、COHESIO和ENN_MN指数与水质指标相关性不显著，可能是因缓冲区划分不同所导致的[6]，故关于霍林河流域景观格局对水质的影响应在不同空间尺度下开展深入研究。综上所述，霍林河流域景观格局与土地利用方式共同作用于水质变化，而在图4中未能解释水质变化的部分原因可能是景观斑块的交汇区域受附近多种土地利用类型的影响，或是不同缓冲区内土壤特征的差异，造成同一土地利用类型的产流过程不同，导致难以分析二者对水质变化的贡献。

3.2 霍林河流域浮游生物群落特征

在对河流水体浮游动物类群的调查和研究中，在嫩江下游发现轮虫21种、原生动物9种、桡足类4种[41]；在乌苏里江下游河段发现原生动物32种、轮虫22种、枝角类11种、桡足类4种[42]；在湘江干流发现轮虫45种、枝角类17种、桡足类5种、原生动物13种[43]。本研究发现，霍林河浮游动物群落物种组成主要以小型原生动物和轮虫为主，大型桡足类和枝角类浮游动物所占比例较小，与上述河流浮游动物群落物种组成的研究结果一致。
浮游植物群落易受水环境变化影响，秋季在霍林河流域发现浮游植物6门98种，群落组成表现为硅藻−绿藻型，其中以喜流水的硅藻占比最大。许秀梅等[44]在多布库尔国家级自然保护区鉴定出浮游植物66种，其中硅藻门39种、绿藻门18种。殷燕等[45]发现松阴溪的松阳段水系浮游植物群落种类组成以绿藻、硅藻占比较大，分别为43.2%、29.5%。在芜湖市的花津河监测到硅藻门浮游植物64种、绿藻门浮游植物42种，分别占总物种数的50%、32.81%[46]。本研究调查结果与中国大多数河流的浮游植物种类组成类似，都是以硅藻门和绿藻门为主[47-48]。
浮游动物丰度除湖区内采样点外整体呈现为上游低下游高，浮游植物丰度则呈现相反的特点，可能是由于浮游植物是浮游动物的主要食物来源，并且浮游动物的繁殖与生长速率相对浮游植物来说较慢；流域下游水温较上游高，温度的升高在一定程度上提高了浮游动物的繁殖能力[49]，因此浮游动物丰度峰值在流域下游地区出现，同时浮游动物捕食所产生的下行效应又成为浮游植物丰度降低的原因之一。霍林河在汇入查干湖后，有机质丰富、水体流速减慢，导致浮游植物大量繁殖，浮游动物捕食效率提高，浮游动植物丰度、生物量均显著增加。
物种多样性是指在一定区域内群落的物种组成、丰度和生物量等能衡量生物资源丰富程度及群落稳定程度的一系列客观指标。一般情况下，物种多样性越高，其群落稳定性越强，所反映的水体质量越好。霍林河流域浮游植物Shannon-Wiener多样性指数、Pielou均匀度指数和Margalef丰富度指数均显示水体呈清洁−轻度污染状态；浮游动物Shannon-Wiener多样性指数、Pielou均匀度指数指示清洁−重度污染状态，Margalef丰富度指数指示清洁−中度污染状态，但不同多样性指数对同一监测断面的评价结果有所不同。大多数水质指标显示霍林河流域整体属于Ⅳ类水体；而以总磷进行单因素评价，大多监测断面为Ⅲ类水体；以溶解氧进行评价，则整体处于Ⅰ类水体(表1)。由上述结果可以看出，应用不同的水质评价方法及指标进行水体质量评价往往会产生不同甚至相反的评价结果。研究表明，河流生态系统因具有流域面积广、地理跨度大、流经地区人文和自然环境复杂等特点，浮游生物并不适宜作为评价水体质量的单一指标[50]。目前中国对浮游生物与水环境因子关系的研究主要集中于水库和湖泊，对河流进行生态健康评价的方法及生物参数的选取也是建立在湖泊生态健康评价之上的[51]。湖泊与河流在流域范围、水量补充方式和地理环境等方面存在差异，导致河流水体中的物种与环境之间的联系更为复杂，同样的生态学评价方法对河流水体的评价效果不如在湖泊水体中有效。为了更好地量化不同水生态环境下生境与浮游生物之间的关系，2002年Reynolds等[52]提出了浮游植物功能群分类系统，并被诸多学者应用到了对河流水生态健康的评价中。综上所述，在对霍林河流域进行水质评价的过程中，需要综合考虑浮游生物丰度、生物量和完整性指数等指标的评价结果。

3.3 土地利用结构/景观格局及理化因子对浮游生物的影响

水体的形态特征、动力学特性、理化因子、鱼类及其他水生生物的捕食和竞争关系直接作用于浮游生物群落，同时土地利用及景观格局也是影响浮游动植物群落特征的重要因子。在本研究中，草地、建设用地和未利用地面积对浮游动物数量、生物量及多样性指数影响显著，氨氮、硝态氮、碱度、水温和溶解氧与浮游动物群落结构关系密切(图5)。建设用地作为人类活动对自然环境扰动最剧烈的土地利用类型，生活污水及工业废水的排放易导致流域水环境受到点源污染的影响，与总氮、氨氮、硝态氮、亚硝态氮等水质指标呈现正相关，与浮游动物丰度、生物量、多样性指数呈负相关。草地、未利用地与总氮、硝态氮、亚硝态氮等水质指标呈现负相关，与浮游动物丰度、生物量、多样性指数均呈显著正相关。
本研究发现，氨氮和硝态氮与浮游动物群落结构呈负相关关系，可能是因为研究区部分采样点氨氮浓度较高，会对浮游动物产生毒害作用，限制其繁殖和生长，这与沈玉莹等[49]对鄱阳湖浮游动物的研究结果一致。水温是影响浮游动物丰度、生物量的重要环境因子，在适宜的温度范围内，随着水温的上升，浮游动物的生长繁殖加快，丰度、生物量增大。溶解氧与浮游动物丰度、生物量及多样性指数呈负相关，这可能是因为水体中营养盐含量较高、溶解氧含量低，促进了浮游植物生长繁殖，从而间接导致浮游动物增加。在不同的土地利用类型中人类对自然的干扰程度不同，下垫面及流经景观格局的差异又会导致径流过程中富集的污染物不同，进而影响水体理化因子，同时间接影响浮游生物群落。SHDI指数及建设用地与耕地面积占比增加导致总氮、氨氮等水质指标含量的增加，间接导致浮游动物生物量及多样性指数减少。LPI指数及草地面积占比的增加使得景观对水质的净化作用增强，水体中氨氮含量减少，浮游动物群落多样性上升。
本研究环境因子中草地、耕地、氨氮、高锰酸盐指数、LPI指数、SHDI指数对浮游动物优势物种丰度影响显著(图6)。LPI指数越高，景观破碎化程度越低，受人为干扰越小，其与大多数水质指标呈负相关关系；SHDI指数的增加表示景观的破碎化程度增强，受人为干扰越大，多数情况下水质较差。针簇多肢轮虫、陀螺侠盗虫、球形砂壳虫、似铃壳虫丰度与草地面积占比、LPI指数呈正相关(图6)，说明这些物种可能适宜在水质条件较好的情况下生活。长额象鼻溞丰度与氨氮、高锰酸盐指数、pH等水质指标显著正相关，表明其在营养盐含量高、温暖的碱性水体中可能会更好地生长繁殖。
水温、硝态氮与浮游植物丰度、生物量呈正相关关系，硝态氮与多样性指数呈负相关关系(图7)，硝态氮、氨氮、碱度、耕地面积占比和溶解氧对浮游植物优势物种丰度影响较为显著(图8)。水温上升可能导致水体中溶解氧含量下降，同时浮游植物细胞的分裂、光合作用和呼吸作用速率直接受水温的影响[12]，从而影响浮游植物丰度和生物量。硝态氮与蓝藻门和硅藻门除梅尼小环藻之外其余优势物种丰度均呈正相关，与绿藻门优势物种丰富度均呈负相关(图8)。硝态氮含量的增加表明水体营养程度增加，导致硅藻及蓝藻的大量繁殖及其余藻类丰度下降，这可能是浮游植物丰度和生物量增加、多样性下降的主要原因。浮游植物更容易吸收溶解状态下的营养盐[53]，且氨氮能为水体提供充足的氮源，因此氨氮含量与绿藻门及蓝藻门优势物种丰度呈正相关。耕地作为“源”景观类型可以输出污染物，其面积占比与水体质量呈负相关关系，进而与硅藻门和蓝藻门优势物种丰度成正比。

4 结　论

2023年10月，在霍林河共鉴定出浮游动物4类88种、浮游植物6门98种，其中轮虫占浮游动物类群的绝对优势，硅藻和绿藻是浮游植物的主要组成类群。
霍林河流域水质生物学评价结果与理化评价结果具有差异，应综合考虑浮游生物丰度、生物量、完整性指数等评价方法对水质进行评价。
土地利用类型中草地、林地、建设用地、耕地面积占比及景观指数中LPI和SHDI指数与水体质量相关性较为显著。土地利用结构、景观格局和水体理化因子作为环境因素可以解释大部分浮游生物优势物种的变化。霍林河流域浮游动物优势物种丰度的主要环境影响因子包括缓冲区内草地和耕地面积占比、LPI指数、SHDI指数及水体中氨氮浓度、高锰酸盐指数；浮游植物优势物种丰度的主要环境影响因子包括耕地面积占比、硝态氮、氨氮浓度、碱度和溶解氧浓度。

参考文献

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