星海湖浮游植物群落結構及與水環境因子的關系

鄭燦，段杰仁，石偉，鮑廣強，邱小琮

（1.寧夏大學土木與水利工程學院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏固原市第七中學，寧夏 固原 756002；3.銀川市水產技術推廣服務中心，寧夏 銀川 750001；4.安徽建工集團投資管理有限公司，安徽 合肥 230031；5.寧夏大學生命科學學院，寧夏 銀川 750021）

浮游植物位于水生態系統生物鏈的低端，是湖泊生態系統最重要的基礎部分，其組成和種類的變化直接影響整個水生態系統的穩定。水體環境的變化對浮游植物種類及數量有著至關重要的影響，浮游植物的變化也可推測水質的狀況[1-4]。

星海湖位于東經105°58'～106°59'，北緯38°22'～39°23'，地處寧夏回族自治區石嘴山市，總面積48.08km2，其中湖泊面積14.7km2，平均水深1.2m，是極具價值的湖泊濕地。作為我國首批濕地保護項目之一，星海湖在承擔著防洪調洪、蓄水補水兩項基本功能的同時，集生態改善、水產養殖、濕地保護、旅游休閑等功能為一體[5]。在石嘴山市和大武口區“十三五”規劃中，水產、水禽、水生種植、水上旅游等“四水產業”已被列入規劃[6]。星海湖濕地植物主要有水生植物、耐鹽堿植物[5]，匯集了湖泊、沼澤等多種類型的復雜生態系統，具有防洪、灌溉、補充地下水、維持區域水量平衡等功能[7]。目前，星海湖的生態環境較為惡劣，污染源主要為灌溉渠（二農渠）的補水口；生產、生活和娛樂產生污染和大氣降塵、大氣降水、煤矸石堆淋溶產生的污水以及水土流失等[8,9]。目前，僅對星海湖的水質、富營養化程度、水環境、水生生物等進行了分析研究，關于星海湖水生植物與水環境因子間的關系還未進行深入研究。影響浮游植物生存與發展的主要因素是水體中的環境因子[10]。

為了深入研究分析星海湖浮游植物變化的主要原因及其變化規律，減小其富營養化的速度，本研究于2017 年測定了星海湖浮游植物指標及其相關水質指標，運用相關分析、逐步回歸分析、通徑分析和灰關聯法，分析了星海湖浮游植物與水環境因子之間的相關關系，并找出影響浮游植物變化的最主要的水環境因子，以期為星海湖富營養化治理與防護提供基本的數據依據。

1 材料與方法

1.1 采樣時間和采樣點

星海湖呈長窄分布，周邊污染源分布較均勻，其水深變化幅度較小；根據星海湖以上特性，綜合其水力特征和利用現狀，在星海湖設置4 個采樣點（圖1），分別為S1、S2、S3、S4，于春（2017 年4 月）、夏（2017 年7 月）、秋（2017 年10 月）、冬（2017 年1月）[10]測定星海湖水體中的浮游植物、葉綠素a 含量以及相關水質指標。

1.2 浮游植物數據的收集

根據標準，浮游植物的定性標本與定量標本于晴天上午采集。定量標本取湖水表層的水體，存放于采水器（1L），定用1.5%魯哥氏液現場固，靜置48h濃縮至50mL，最后加入2mL 甲醛進行保存[11,12]。定性標本用25#浮游生物網采集，5%的甲醛現場固定[12]。定性標本一般只用于分析與鑒定，一般鑒定到種，對于少數難以確定的種類至少鑒定到屬。定量標本使用0.1mL 的計數框于顯微鏡下計數浮游生物，確定水體中浮游植物密度及生物量[13]。

表1 水質指標測定方法和標準Tab.1 Method and standard for determination of water quality indicators

1.3 水質指標測定

按照《水質采樣方案設計技術規定（HJ 495-2009）》、《水質采樣技術指導（HJ 494-2009）》和《水質樣品的保存和管理技術規定（HJ 493-2009）》中的標準采集水樣，依照《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）中的方法測定水質指標[9]（表1）。

1.4 數據分析

1.4.1 相關分析

計算水環境因子與浮游植物指標之間的相關系數，并進行分析討論。

1.4.2 逐步回歸分析與通徑分析

以浮游植物指標作為逐步回歸分析的因變量，以水環境因子為自變量，運用逐步回歸分析對自變量進行篩選，最終建立回歸方程[15,16]。在創建回歸方程模型的過程中，求出通徑系數，進行通徑分析[ 11,17 ]。

1.4.3 灰關聯分析

各水質指標的類型和量綱都不同，灰關聯分析前對水質數據進行前期處理—無量綱化處理，本文用極差變換法把數據歸一化到0-1 之間[18,19]。

灰關聯分析就是以浮游植物指標為母序列，以水環境因子為子序列，計算浮游植物指標與水環境因子的關聯度，根據關聯度確定水環境因子對浮游植物的作用[20,21]。

1.4.4 數據處理

數據采用DPS 統計軟件處理[22-24]。

2 結果與分析

2.1 浮游植物種類組成與變化分析

由圖2 可知：總體上，星海湖綠藻門的種類占比較大；綠藻門、硅藻門和藍藻門比其他門的占比要大，變化幅度較大。硅藻門逐步增加，而綠藻門和藍藻門的種類數總體上有略微下降，其他則變化幅度較平穩。

表2 不同季節星海湖中各種藻類所占的比重Tab.2 The proportion of various species algae in Xinghai Lake in different seasons

如表2 所示，四季中，綠藻門占絕對優勢。總體上，綠藻門、硅藻門和藍藻門比其他門占比較大。綠藻門所占比重隨季節變化逐漸降低，但下降程度不大，硅藻門先降低再升高，冬季達最大值，夏季藍藻門達最大值。其他門所占比重都不大，變化也較平穩，僅夏、秋兩季金藻急劇減少。

表3 不同季節星海湖中浮游植物的均勻度指數、多樣性指數和豐富度指數Tab.3 Uniformity index,diversity index and richness index of phytoplankton in Xinghai Lake in different seasons

表4 星海湖水環境因子與浮游植物指標的相關系數矩陣Tab.4 Correlation efficients between phytoplankton and water environmental factors in Xinghai Lake

星海湖采樣點的浮游植物密度和生物量變化分別如圖3 和圖4 所示，由于湖區面積不大，各采樣點的浮游植物密度和生物量隨季節變化一致，幾乎同步。總體上，由于夏季溫度及各方面的影響因素較為適合浮游植物生長，因此在夏季浮游植物密度和生物量達到最大值。

由表3 可知，春、夏、秋、冬四個季節星海湖浮游植物的均勻度指數在0.731～0.597 之間，平均值為0.657，春季＞冬季＞秋季＞夏季；Shannon-Wiener多樣性指數在3.199～2.309 之間，平均值為0.657，冬季＞春季＞夏季＞秋季；Margalef 豐富度指數在3.129～2.562 之間，平均值為2.848，春季＞冬季＞秋季＞夏季。由此可以看出，均勻度在0.5～0.8 之間，Shannon-Wiener 多樣性指數基本介于1～3，Margalef豐富度指數也基本處于1～3 之間。因此，可以判定星海湖為中污染型。

表5 星海湖浮游植物指標與水環境因子的逐步回歸方程Tab.5 Stepwise regression equation for phytoplankton and water environmental factors in Xinghai Lake

2.2 浮游植物與水環境因子的相關分析

水環境因子與浮游植物指標之間的相關系數與皮爾遜相關性分析結果見表4。浮游植物密度、葉綠素a 與水溫、CODMn、CODCr、NH3-N、TN、TP 之間呈極顯著正相關；浮游植物生物量與水溫、CODMn、CODCr、NH3-N、TN、TP、BOD5之間呈極顯著正相關。

2.3 浮游植物與水環境因子的逐步回歸分析

浮游植物生物量的回歸方程入選的因子有TN和BOD5，葉綠素a 的回歸方程入選的因子有WT、pH、CODMn、NH3-N 和TN，浮游植物密度的回歸方程入選的因子有pH、SD、DO、CODCr、TN 和BOD5（表5）。

2.4 浮游植物與水環境因子的通徑分析

通徑分析計算出通徑系數，可以分析出各水環境因子對浮游植物指標的影響。如表6 所示，對浮游植物密度的直接作用由大至小排序為：TN、DO、CODCr、pH、SD、BOD5；對其間接作用大小排序為：DO、SD、BOD5、pH、CODCr、TN。對葉綠素a 的直接作用大小排序為：TP、TN、CODMn、WT、pH，且pH、SD、DO 為負向作用；對其間接作用大小排序為：CODMn、WT、TN，且pH、NH3-N 間接作用系數太小，因此對其進行剔除，不考慮其間接作用。對浮游植物生物量的直接作用大小排序為：TP、BOD5，對其間接作用大小排序為：BOD5、TP。

表6 星海湖浮游植物與水環境因子的通徑系數Tab.6 Path efficients between phytoplankton and water environmental factors in Xinghai Lake

2.5 浮游植物與水環境因子的灰關聯分析

灰關聯分析中，關聯度越高，表明浮游植物受水環境因子的影響程度越高，以此來判定其主要影響因子。由表7 可知，影響浮游植物密度的水環境因子主要有TN、WT、NH3-N、總磷和CODMn等；影響浮游植物生物量的水環境因子主要有TN、TP 和WT 等；影響葉綠素a 的水環境因子主要有NH3-N和TN 等。

3 討論

星海湖中綠藻門占主要部分，夏季的溫度與其他因素都比較適合浮游植物生長，因此，夏季大部分浮游植物的種類數、密度和生物量都逐漸增加。藍藻和綠藻的種類數和所占比重總體上呈下降狀態，減少了對硅藻等影響，釋放了大量的空間和營養物質，致使硅藻的種類數和所占的比重總體上升。星海湖綠藻、硅藻和藍藻所占比重較大，為綠-硅-藍藻污染。均勻度指數、多樣性指數和豐富度指數分析判斷，星海湖水體基本上為中污染型。

相關分析表明，星海湖中浮游植物指標與大多數水環境因子之間呈極顯著的正相關。其中水溫與浮游植物指標之間呈極顯著正相關，是影響浮游植物的重要理化因子。水溫的變化影響水體物理化學和生物的活動，也影響水體水層的交換、營養物的循環和分布[25，26]。CODMn、CODCr、NH3-N、TN、TP 也與浮游植物指標之間呈極顯著正相關，相關系數在0.6051～0.9926 之間。BOD5僅與浮游植物生物量間呈極顯著正相關，與其他浮游植物指標之間的相關關系不明顯。

葉綠素a 與水溫呈明顯的線性回歸關系，說明水溫對葉綠素a 影響較大。星海湖水體中葉綠素a、浮游植物密度與pH 有線性回歸關系，說明pH 對水體中的浮游植物密度與葉綠素a 有顯著關系。透明度與浮游植物關系密切，不僅能反映水體中懸浮物的數量，還能粗略估計水體中浮游植物的量。一般在相同的條件下，浮游植物越多，水體透明度越低[27]。多種因素都影響透明度，僅憑與透明度的線性回歸關系不能確定二者間的關系。氮、磷營養元素影響浮游植物的生長，僅在合適濃度范圍內氮、磷對浮游植物的生長有促進作用；超過或低于合適濃度范圍，都會對浮游植物產生一定的消極影響[28-30]。星海湖浮游植物密度、生物量與葉綠素a 和TN 之間都有顯著的線性回歸關系。總體上，浮游植物生物量與TN、BOD5之間有顯著的線性回歸關系，表明TN、BOD5對浮游植物生物量影響較大。葉綠素a 與WT、pH、CODMn、NH3-N 和TN 之間有顯著的線性回歸關系，說明對葉綠素a 影響較大的水環境因子是WT、pH、CODMn、NH3-N、TN。浮游植物密度與pH、SD、DO、CODCr、TN、BOD5之間有顯著的線性回歸關系，表明pH、SD、DO、CODCr、TN、BOD5對浮游植物密度影響較大。

通徑分析表明，影響浮游植物密度的主要水環境因子為TN、DO、CODCr、pH 等；影響葉綠素a 的主要水環境因子為NH3-N、TN、CODMn、WT 等；影響浮游植物數量的主要水環境因子為TN、BOD5。其中，TN 與浮游植物密度、生物量的直接通徑系數分別高達0.87、0.7430；NH3-N 與葉綠素a 的直接通徑系數高達0.9458。

灰關聯分析表明，影響浮游植物密度與生物量的最主要水環境因子是TN，與其關聯度分別高達0.74381 和0.6518；影響葉綠素a 的最主要水環境因子是NH3-N，與其關聯度高達0.67789。

綜合分析，逐步回歸分析、通徑分析和灰關聯分析結果有很好的一致性，表明星海湖的浮游植物與水環境因子之間的關系較為穩定密切。三者彼此印證表明，主導星海湖水體浮游植物的水環境因子為TN、NH3-N，因此，控制水體中的氮營養鹽對治理與防治星海湖富營養化至關重要作用。

為有效保護星海湖，需要盡可能控制人為活動對其環境的影響和破壞，嚴格控制生產、生活活動產生的廢水排放；也可以采取濕地護岸工程，保證濕地-陸地-水體三者之間的物質循環；加強對星海湖生物的保護，恢復其原有的植被體系，嚴格控制其他外來物種的進入，維持其生態系統的穩定。