《Protist》：Impact of environmental factors on the distribution characteristics of phytoplankton functional groups in Beijing
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秦琳琳|徐晗|朱婷|张一轩|崔娜|刘月鹏|梁文彦中国北京林业大学环境科学与工程学院水污染源控制与生态修复工程研究中心，北京市水污染源控制技术重点实验室，北京100083摘要快速的城市化进程显著影响了城市水生生态系统，主要体现在浮游植物群落的变化上。然而，驱动大城市中浮游植物功能群
秦琳琳|徐晗|朱婷|张一轩|崔娜|刘月鹏|梁文彦
中国北京林业大学环境科学与工程学院水污染源控制与生态修复工程研究中心，北京市水污染源控制技术重点实验室，北京100083
摘要
快速的城市化进程显著影响了城市水生生态系统，主要体现在浮游植物群落的变化上。然而，驱动大城市中浮游植物功能群（FGs）时空动态的机制仍较为有限。本研究以北京市朝阳区为研究地点，调查了夏季和秋季17个监测点处的物理化学参数、浮游植物密度及功能群的空间时间分布。共鉴定出116种浮游植物，属于7个门和57个属。浮游植物密度在秋季达到峰值（4.7×10^7个细胞/L），而夏季为3.5×10^7个细胞/L，这主要是由于硅藻门（Bacillariophyta）的占优势（58.5–61.9%）。Synedra属和Microcystis属是多年生优势种（优势度：0.4–0.9）。营养盐梯度主导了功能群的更替：化学需氧量（COD）和总磷（TP）在夏季达到峰值（分别为34.7 mg/L和0.5 mg/L），而在秋季由于温度变化影响了氮循环过程，无机氮（TN：3.4 mg/L，NH4+-N：1.4 mg/L）含量增加。冗余分析和偏最小二乘路径模型表明，NH4+-N是功能群动态的主要驱动因素（β = 0.6，p < 0.01），水温通过影响营养盐循环间接调节浮游植物群落。本研究提出了一个基于功能群的框架，以指导快速发展城市中的水资源管理和生态韧性建设。
引言
全球城市化对水生生态系统造成了前所未有的威胁，从局部到全球范围都导致了生物多样性的丧失（Snyder和Young，2020）。城市化对水生生态系统的累积环境影响体现在本地生物上，尤其是通过改变水体的物理和化学性质以及增加污染负荷（Zhao等人，2024）。浮游植物作为水生生态系统健康的关键指标，因其在食物网动态中的重要作用及其对环境的极高敏感性而受到重视（Duo等人，2021）。以往关于水生生物多样性和生态系统评估的研究主要集中在天然湖泊和河流上（Ding等人，2021；Zhang等人，2021b）。关键营养盐通过满足浮游植物的代谢需求直接影响其功能群动态，而非生物环境参数则通过调节生物地球化学循环和营养盐的可利用性产生间接影响（?kaloud等人，2025）。然而，针对处于高度城市化压力下的城市水体（尤其是依赖再生水作为主要补给来源的中国北方城市）的研究仍较为有限。因此，利用浮游植物作为生物指示剂来评估和保护城市水生生态系统至关重要，尤其是在生态压力最大的高度城市化区域。
与天然水体相比，城市水体相对静止，具有水深较浅、自我调节能力较弱、水域面积小且容易积累污染物的特点（Wu等人，2022）。这些特征使得城市水体对环境变化和污染更加敏感。这些生态系统面临更多人为干扰和环境压力，包括市政排放物如污水和雨水径流（Matej-Lukowicz等人，2023）。此外，城市水体通常还具有多种社会功能，如娱乐和文化活动（Jiang等人，2024）。因此，城市水生生态系统的保护和管理需求与天然水体有显著差异。在干旱和半干旱地区，城市水资源常常依赖污水处理厂排放的再生水进行补充（Schwabe等人，2020）。重新利用再生水可以减少对自然水资源的依赖，促进水资源的可持续利用。然而，再生水中含有某些营养物质（氮和磷）、重金属及其他有毒成分，可能对接收水体的生态造成负面影响（Xiong等人，2024）。因此，在依赖再生水补给的城市中进行水生态和生物多样性评估对于城市水生生态系统的可持续发展至关重要。
最近的研究根据浮游植物的共同形态、生理和生存特征将其分类为不同的功能群（FGs）。这种方法旨在克服传统方法的局限性，因为传统方法无法全面捕捉浮游植物群落的生态功能和响应。功能群适用于各种水体，包括湖泊、水库和河流（Wu等人，2024）。此外，功能群能有效反映栖息地的生态特征，并为评估城市水生生态系统提供更丰富、更准确的补充信息（Yan等人，2023）。值得注意的是，环境因素（如水温和营养盐可用性）可以调节功能群的变化（Huang等人，2022）。对于依赖再生水的缺水城市而言，关键营养盐对功能群的定量驱动作用尚不明确，且通过营养盐循环调节水温的间接作用以及基于功能群的评估框架对于季节性营养盐变化的研究还不够完善。
北京是一个高度城市化的特大城市，水资源短缺。其水体主要依靠再生水和地表径流补给。这导致营养物质持续富集以及关键环境因素的季节性变化。气候影响和水质因素相互作用，改变了水生生物地球化学过程和营养盐的可用性，进一步影响了这些城市水体中浮游植物功能群的时空分布和更替。
因此，本研究选择北京市的一个区域作为研究地点，系统地研究了水质参数和浮游植物群落的变化及其时空分布和动态。计算了浮游植物的多样性指数，如Margalef丰富度指数（d）、Shannon-Weiner指数（H'）、Simpson多样性指数（D）和Pielou均匀度指数（J）。水质指数（WQI）被用来定量评估水质状况，提供了水生系统生态健康的综合视角。通过冗余分析（RDA）确定了影响浮游植物功能群变化的关键环境因素，偏最小二乘路径模型（PLSPM）则量化阐明了环境变量与浮游植物群落结构之间的直接和间接因果关系。本研究为城市水生生物多样性的保护和可持续水生态治理提供了基于证据的策略。
章节摘录
研究区域
朝阳区（北纬39°49′-40°5′，东经116°21′-116°38′）位于北京市的中南部，是该市城市化程度高、生态压力大的核心区域。该区域面积为470.9平方公里，年平均降水量为581毫米，其中75%的降雨发生在夏季的6月至8月。作为北京市排水系统的下游端，朝阳区河流和湖泊众多，总河长
环境因素的时空变化
为了描述朝阳区水体的环境状况，分析了关键物理化学参数的时空变化。这些参数在不同季节之间存在显著差异（图2）。具体而言，夏季的COD和TP平均浓度分别为34.7 mg/L和0.4 mg/L，显著高于秋季的15.7 mg/L和0.1 mg/L（p < 0.05）。夏季的高海拔可能是导致这种差异的原因
结论
本研究阐明了北京市朝阳区浮游植物密度、功能群及其环境驱动因素的时空变化。季节性变化显著影响了营养盐动态，夏季由于地表径流增加，COD和TP浓度较高；而秋季则由于氮循环过程受温度影响，溶解无机氮（TN）和NH4+-N含量显著增加。从空间上看，不同区域的梯度也有所不同
作者贡献声明
秦琳琳：概念构思、方法论设计、初稿撰写。徐晗：资源获取、软件使用。朱婷：软件使用、资源提供。张一轩：数据整理、撰写、审稿与编辑、数据可视化。崔娜：数据整理、撰写、审稿与编辑、数据可视化。刘月鹏：撰写、审稿与编辑、数据可视化。梁文彦：指导。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了北京市朝阳区生态环境局的支持。同时，我们也感谢编辑和审稿人对本文提出的建设性建议和意见。
