西藏尼木玛曲流域浮游植物群落结构特征及水质评价

Phytoplankton Community Structure and Water Quality Assessment in the Nimumaqu River Basin, Xizang

摘要

作为水体初级生产力的主要贡献者，浮游植物对水质变化高度敏感，其群落结构可作为水环境健康状况的重要指示因子。为了解西藏尼木玛曲流域浮游植物群落结构及其水质状况，2023年8月对该流域不同海拔梯度（5 200 ~ 4 210 m和4 210 ~ 3 800 m）的浮游植物群落进行了调查。研究结果表明，尼木玛曲浮游植物共有3门20科28属，其中硅藻门（Bacillariophyta）为绝对优势类群（96.55%），其次为蓝藻门（Cyanophyta）（2.43%）和绿藻门（Chlorophyta）（1.02%），整体呈现“硅藻—蓝藻—绿藻型”的群落结构。高海拔区域（5 200 ~ 4 210 m）浮游植物细胞密度较高，物种丰富度较高，优势属主要为针杆藻（Synedra）等片藻（Diatoma）和桥弯藻（Cymbella）；低海拔区域（4 210 ~ 3 800 m）细胞密度较低，蓝藻和绿藻比例升高，主要优势属为针杆藻、脆杆藻（Fragilaria）和舟形藻（Navicula）。水质评价结果显示，尼木玛曲流域下游水质状况相对较差，可能受农业、畜牧业导致的外源营养物质输入影响。本研究揭示了尼木玛曲流域浮游植物群落结构特征及其对水质的指示作用，为高寒地区溪流水生态保护提供了基础数据。

Abstract

To understand the phytoplankton community structure and water quality in the Xizang Nimumaqu River Basin, we conducted a survey in August 2023. The results showed that the phytoplankton community comprised 28 genera from 20 families and three phyla. Bacillariophyta dominated the community (96.55%), followed by Cyanophyta (2.43%) and Chlorophyta (1.02%), forming a "Bacillariophyta—Cyanophyta— Chlorophyta" structure. In the high-altitude region (5 200 ~ 4 210 m), we observed higher phytoplankton cell density and species richness, with Synedra, Diatoma, and Cymbella as the dominant genera. In the low-altitude region (4 210 ~ 3 800 m), cell density decreased, while the proportions of cyanobacteria and green algae increased, with Synedra, Fragilaria, and Navicula as the dominant genera. The authors' water quality assessment indicates that the downstream region of the Nimumaqu River Basin exhibit relatively lower water quality, potentially influenced by external nutrient inputs from agricultural and livestock activities. This study highlights the altitudinal variations in the phytoplankton community and their implications for water quality, providing fundamental data for stream ecosystem conservation in alpine regions.

Graphical abstract

关键词

尼木玛曲 / 浮游植物 / 群落结构 / 水质评价

Key words

The Nimumaqu River / Phytoplankton / Community structure / Water quality assessment

青藏高原，是中国最大、世界上海拔最高的高原，平均海拔超4 000 m，被誉为“世界屋脊”和“地球第三极”^[1]。青藏高原拥有丰富的水资源，是亚洲最大的几条河流发源地，被称为“亚洲水塔”^[2]。西藏自治区地处青藏高原西南部，拥有丰富的冰川、湖泊、河流、生物资源，在调节全球气候方面发挥着重要作用，具有重要的生态战略地位，但其独特的高原生态系统十分脆弱，并且存在局部生态环境恶化的风险^[3]。《青藏高原生态文明建设状况》白皮书指出：“青藏高原生态文明建设，对推动高原可持续发展、促进中国和全球生态环境保护有着十分重要的影响”。由此可见，维护青藏高原的生态健康具有重要意义，加强生态监测对该地区的环境保护和可持续发展至关重要。

浮游植物在水环境监测和生物保护中具有重要指示作用。早在1908年，Kolkwitz等人就将浮游植物用于水生态状况研究^[4]。浮游植物作为水中的初级生产者，是浮游动物等水体生物的主要食物来源，在水体食物链中占有非常重要的地位^[5]。它们分布广泛，适应力强，对水体环境变化响应敏感，可以作为水质监测的指示生物，为潜在的水质恶化提供预警，同时也避免了对水体环境造成二次污染^[6,7]。张轶等（2025）对呼伦湖的浮游植物群落特征及其对水环境变化的响应进行了研究，基于浮游植物生物多样性指数和综合营养状态指数（TLI）的评估，认为呼伦湖水体处于轻度富营养状态，并受到中度污染^[8]。Burdis等（2025）对密西西比河上游天然河流湖泊浮游植物群落及其环境驱动因素进行了3年监测，发现营养物质供应波动可能导致群落组成发生明显变化，进一步强调了浮游植物群落对于水质变化的敏感性^[9]。

尼木玛曲是雅鲁藏布江的重要一级支流之一，是拉萨市尼木县的主要河流，尼木县农业用地主要集中在尼木玛曲下游。作为典型的高原河流，尼木玛曲的水源主要依赖冰川融水和降水补给，流速较快，生态系统脆弱，易受气候变化和人类活动的干扰。目前，针对尼木玛曲水生态的研究较为匮乏，尤其是其水体健康状况尚不明确。本研究以尼木玛曲流域为研究对象，旨在通过调查浮游藻类的群落结构和多样性，利用生物指数法，评估流域水体的生态健康状况。研究结果将为尼木玛曲流域的水生态研究提供基础数据，并为区域水环境的监测和保护提供参考依据。

1 研究方法

1.1 研究区概况

尼木玛曲发源于西藏自治区拉萨市尼木县北部的穷姆岗峰，自北向南贯穿尼木县，流入雅鲁藏布江，全长88 km，流域面积2 340 km²，平均海拔在4 000 m以上^[10]。地处高原温带半干旱季风气候区，四季分明，夏季雨水集中，辐射强，年日照时数近3 000 h。

1.2 样品采集

2023年8月，在尼木玛曲流域选取10个代表性点位，对浮游植物样品进行采集（图1，表1）。使用5 L采水器和特制浮游生物网（孔径20 μm）过滤10 ~ 40 L溪水，并将滤液收集在50 mL离心管中，加入1%鲁哥氏液固定，遮光保存。样品带回实验室后，使用10 × 40倍显微镜（Nikon Eclipse E200）与0.1 mL浮游生物计数框对浮游植物样品进行鉴定计数。将样品充分摇匀，移取0.1 mL样品到0.1 mL计数框中，盖上盖玻片，静置片刻，无气泡方可观察样品。浮游植物鉴定参照《中国西藏硅藻》^[11]《中国常见淡水浮游藻类图谱》^[12]《中国内陆水域常见藻类图谱》^[13]进行。

1.3 数据处理与分析

样品中浮游植物细胞密度，按照以下公式计算^[14]：

N=\frac{A}{A_c}\times \frac{n}{V}\times \frac{V_{\mathrm{1}}}{V_{\mathrm{0}}}\times \mathrm{1}\mathrm{000}(1)

式中：N 样品中浮游植物细胞密度，cells/L；A计数框面积，mm²；Ac计数面积，mm²；n浮游植物细胞显微镜计数量，cells；V计数框容积，mL；V₀ 稀释或浓缩前的取样体积，mL；V₁ 稀释或浓缩后的体积，mL；1 000 体积换算系数，mL/L。

样品优势度指数，按照以下公式计算^[15]：

Y=\frac{{n^{\text{'}}}_i}{N^{\text{'}{f^{\text{'}}}_i}}(2)

式中：Y样品优势度值；n′_i 样品中第i种的个体数；N′样品中物种的总个体数；f′_i 第i种在样品中出现的频率。

样品Shanno- Wiener多样性指数，按照以下公式计算^[16]：

H=-{\sum }_{i=\mathrm{1}}^S{p}_i\mathrm{l}\mathrm{n}{p}_i(3)

式中：H样品Shanno- Wiener多样性指数；S总物种数；p_i 第i种占总数的比例。

样品Margalef丰富度指数，按照以下公式计算^[17]： D=\frac{S-\mathrm{1}}{\mathrm{l}\mathrm{n}n}(4)

式中：D样品Margalef丰富度指数；S样品中的物种数目；n样品中物种总个体数。

样品Pielou均匀度指数，按照以下公式计算^[16]：

J=\frac{H}{\mathrm{l}\mathrm{n}S}(5)

式中：J样品Pielou均匀度指数；H样品Shanno-Wiener多样性指数；S样品中物种总数。

根据细胞密度随海拔变化的突变点分析，将样点分为5 200 ~ 4 210 m和4 210 ~ 3 800 m两组。使用ArcGIS 10.7绘制样点分布图。使用Graphpad Prism 9.5对浮游植物细胞密度进行绘图。其他数据整理计算及表格绘制均在Excel进行。根据生物多样性指数评价标准对水质状况进行评估（表2）^[18-21]。

2 结果分析

2.1 浮游植物群落组成

尼木玛曲流域共检测出浮游植物3门20科28属，其中硅藻门（Bacillariophyta）12科18属，蓝藻门（Cyanophyta）3科5属，绿藻门（Chlorophyta）5科5属。浮游植物群落结构为硅藻—蓝藻—绿藻型。硅藻门是主要优势门，其次是蓝藻门、绿藻门，分别占细胞密度的96.55%、2.43%、1.02%。5 200 ~ 4 210 m的细胞密度范围为5.41 × 10³ ~ 1.02 × 10⁴ cells/L，平均值为7.59 × 10³ cells/L，细胞密度大，丰度较高，硅藻门占比97.96 %，蓝藻门占比1.60 %，绿藻门占比0.44%。4 210 ~ 3 800 m的细胞密度范围为2.06 × 10³ ~ 4.07 × 10³ cells/L，平均值为2.97 × 10³ cells/L，细胞密度低，丰度较低，硅藻门占比92.93 %，蓝藻门占比4.55 %，绿藻门占比2.52 %。5 200 m ~ 4 210 m物种丰富度范围为11 ~ 17，平均值为13，丰富度较高，4 210 m ~ 3 800 m的物种丰富度范围为7 ~ 15，平均值为11.2，丰富度略低（见图2）。

2.2 浮游植物优势属

尼木玛曲流域浮游植物共鉴定出12种优势属，其11种属于硅藻门，1种属于蓝藻门。海拔5 200 ~ 4 210 m内，针杆藻等片藻、桥弯藻为绝对优势属（Y > 0.1），蛾眉藻、舟形藻、脆杆藻、异极藻、菱形藻、直链藻、曲壳藻为主要优势属（Y > 0.01）。海拔4 210 ~ 3 800 m内，针杆藻、脆杆藻、舟形藻为绝对优势属（Y > 0.1），等片藻、桥弯藻、蛾眉藻、异极藻、卵形藻、颤藻为主要优势属（Y > 0.01）（表3）。

2.3 浮游植物多样性及水质评价

尼木玛曲流域Shannon-Wiener指数范围为1.73 ~ 2.35，平均值为2.04，根据评价标准，尼木玛曲7个样点为轻度污染，占比70%，3个样点为中度污染，占比30%；Margalef指数范围为1.78 ~ 3.52，平均值为2.64，根据评价标准，尼木玛曲2个样点为轻度污染，占比20%，8个样点为中度污染，占比80%；Pielou指数范围为0.73 ~ 0.91，平均值为0.83，根据评价标准，尼木玛曲7个样点为水质清洁，占比70%，3个样点为轻度污染，占比30%（表4）。

3 讨论

3.1 尼木玛曲流域浮游植物群落结构特征

尼木玛曲流域浮游植物种类组成以硅藻门为主，占总细胞密度的96.55%，蓝绿藻相对较少。硅藻门高度占优势可能与高原水体生态环境特征密切相关。采样点多为溪流环境，而高原溪流通常具有低温、高流速、低营养盐、高紫外线辐射的特点^[22]，这些条件会限制大部分浮游植物的生长，而硅藻门更适应低温、高流速的环境，所以占据了大部分生态位^[23]。在海拔5 200 ~ 4 210 m范围内，硅藻占比较多，蓝绿藻占比较少，出现频率低。在海拔4 210 ~ 3 800 m范围内，硅藻仍占主要优势，但蓝绿藻占比增加，出现频率也增多。这可能是高海拔地区水温低，更利于硅藻生长，而低海拔温度较高，水环境更稳定，更符合蓝绿藻的生长条件^[24,25]。其次，高原地区的强紫外线对浮游植物细胞具有抑制作用，尤其是蓝藻和绿藻，而硅藻具有硅质细胞壁，对紫外线耐受性较强，因此在高海拔地区仍能保持较高的细胞密度和丰富度^[26,27]。另外，从营养水平来看，高海拔地区通常接近水体源头，汇入支流少，营养盐输入较少，水体偏贫营养，适合对营养需求低的藻类生长（如硅藻）^[28,29]，而低海拔营养水平通常较高，促进蓝藻和绿藻生长^[30]。浮游植物细胞密度在海拔5 200 ~ 4 210 m范围内较高，在海拔4 210 ~ 3 800 m范围内较低，可能因为高海拔地区水体径流量小，水体透明度较高，光透射能力较强，有利于光合作用的进行，从而促进藻类的生长，使其细胞密度较高，而低海拔地区水体径流量大，泥沙汇入量较大，受人类活动影响较多，导致水体较浑浊，不利于藻类光合作用，从而细胞密度较低。另外，低海拔地区蓝藻和绿藻比例增加，产生竞争作用，可能抑制了某些敏感种生长，同时水体环境条件较高海拔地区更稳定，环境容量大，水中消费者的数量和种类增多，对浮游植物的物种丰富度和细胞密度产生一定的抑制作用，导致整体细胞密度和物种丰富度较低^[31-33]。

3.2 海拔梯度对浮游植物优势属的影响

研究表明，在尼木玛曲流域海拔5 200 ~ 4 210 m内，针杆藻等片藻、桥弯藻占主要优势地位，海拔4 210 ~ 3 800 m内，针杆藻、脆杆藻、舟形藻占据优势地位。针杆藻在两个海拔梯度为绝对优势属（Y > 0.1），说明该属对高原水体环境适应性强^[34]。等片藻和桥弯藻在5 200 ~ 4 210 m地区为绝对优势属（Y > 0.1），在4 210 ~ 3 800 m地区优势度降低（Y > 0.01），可能代表高海拔地区水质较清洁。等片藻常见于清洁、低营养水体，对污染敏感，其在低海拔区域优势度降低可能预示该区域水质受到一定影响^[35]。舟形藻和脆杆藻在4 210 ~ 3 800 m地区优势度上升成为绝对优势属（Y > 0.1），可能与水体营养水平上升有关，舟形藻在营养较丰富的水体生长能力更强^[36]，同时可能预示着4 210 ~ 3 800 m地区水质存在富营养化的趋势。4 210 ~ 3 800 m地区蓝藻门的颤藻成为主要优势属（Y > 0.01），表明蓝藻更适合在低海拔地区生长，颤藻作为耐污种^[37]，通常出现在相对温暖、营养水平较高的水域，其出现在低海拔区域需进一步关注是否与水体富营养化相关^[38]。

3.3 不同海拔浮游植物多样性变化及水质评价

本研究基于Shannon-Wiener指数（H）、Margalef指数（D）和Pielou均匀度指数（J）对尼木玛曲浮游植物多样性及水质状况进行了评估^[18-21]。结果表明，尼木玛曲流域水质状况整体处于轻度至中度污染水平，不同海拔区域的浮游植物多样性存在差异。海拔5 200 ~ 4 210 m地区H高、D高，表明该区域浮游植物种类丰富，水质较清洁。J低表明优势属数量占比大，稀有种较多，分析原因为水体条件对藻类种群的筛选作用明显，使得部分优势属（种）占据主导地位，从而降低了均匀度^[22,23]。海拔4 210 ~ 3 800 m地区H低、D低，表明该区域浮游植物种类较少，多样性较低，水质状况相对较差。J高表明种群分布较均匀，分析原因为低海拔通常水温较高，可能有更多外源营养输入（颤藻占据优势），导致藻类群落结构趋于均匀，均匀度上升^[38]。从水质评价结果来看，海拔5 200 ~ 4 210 m地区水质较优，可能与高海拔地区人类活动较少，外源污染物输入低，且水体流动性强有关。而4 210 ~ 3 800 m地区人类活动频繁，水体可能受农业、畜牧业等外源污染物输入影响^[39]，且水体滞留时间长，营养水平较高^[40]。

目前，本研究采用的水质评价标准主要基于内地水体的环境基准。然而，青藏高原独特的高寒生态环境、水文特征及生物群落组成可能与内地水体存在差异，现有评价标准的适用性仍需进一步验证和优化。因此，基于青藏高原水体特征制定更具针对性的水质评价体系，将有助于提高水质评估的准确性和生态适应性，为区域水生态环境保护提供更加科学的依据。此外，本研究基于已有研究探讨了藻类群落结构的影响因素，但相关结论存在一定局限性，未来研究可进一步结合水质监测数据，深入分析尼木玛曲流域浮游植物与环境因子的关系，并对不同季节浮游植物群落结构进行长期监测，进一步揭示浮游植物群落变化的驱动机制。

4 结论

本研究对尼木玛曲流域浮游植物群落结构及水质状况进行了调查与分析，通过对10个样点的浮游植物群落数据进行研究，探讨了不同海拔梯度（5 200 ~ 4 210 m和4 210 ~ 3 800 m）下的浮游植物组成、优势属分布、多样性特征及其对水质的指示作用，得出以下主要结论：

(1) 尼木玛曲流域浮游植物以硅藻门为主，属于“硅藻—蓝藻—绿藻型”结构。海拔5 200 ~ 4 210 m区域细胞密度较高，物种丰富度较高，硅藻占比达97.96 %，优势属主要为针杆藻等片藻和桥弯藻。海拔4 210 ~ 3 800 m区域细胞密度较低，物种丰富度较低，硅藻占比92.93%，蓝绿藻占比增加，优势属以针杆藻、脆杆藻、舟形藻为主。

(2) 通过生物多样性指数对水质评估发现，尼木玛曲流域海拔5 200 ~ 4 210 m区域的水质较优，海拔4 210 ~ 3 800 m区域水质状况相对较差，可能与农业、放牧活动导致的外源营养输入有关，建议进一步调查确认污染源，加强水体保护，防止水体富营养化。

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基金资助

西藏自治区自然科学基金项目(XZ202301ZR0014G)

国家自然科学基金面上项目(42371170)

西藏自治区科技计划基地与人才计划项目(XZ202501JD0019)