雁鳴湖濕地浮游植物結構及其對水質特征的響應

趙奇，毛文

河南工業大學，河南 鄭州 450001

浮游植物作為淡水生態系統中的初級生產者，是生態系統中物質循環和能量流動的基礎，其群落結構會引起生態系統中食物網結構的改變（張莉等，2019；文紅星等，2017；宋倫等，2016），從而影響水生生態系統的功能、結構和信息傳遞（孫軍等，2016；邱陽凌等，2018；劉媛等，2017）。由于浮游植物對環境因子的響應十分敏感，其種類組成、數量分布、群落結構等是評價水環境質量的重要指示作用，成為用來評價江河、湖泊、水庫等水質變化的敏感指標，在水體的監測和評價中起極為重要的應用意義（鐘愛文等，2017；許秀梅等，2017）。浮游植物的群落結構與生活的水質狀況密切相關，利用浮游植物來評價和監測水質的研究也在逐步開展（趙秀俠等，2017；劉璐等，2017）。近年來，對河流水質指標研究得比較多，但關于浮游植物群落結構及水質的季節變化較少。

雁鳴湖水域是河南省黃河沿岸濕地重要的組成部分，對于區域氣候調節、生物多樣性保護、涵養水源等有重要意義（金磊等，2017）。雁鳴湖也是重要的漁業基地和水利區，發揮著調節氣候、保護生物多樣性、發展生態經濟、維護生態平衡、水土保持等重要功能（劉明典等，2017）。在全球氣候變化和人類活動影響下雁鳴湖水環境發生了嚴重的改變，已面臨農業面源污染、有機污染、生活垃圾污染等嚴峻的生態環境問題（宋慶洋等，2019；李晶等，2017；嚴廣寒等，2018）。有鑒于此，本文連續5年較系統地調查和分析了不同季節雁鳴湖浮游植物群落組成及水質狀況特征，運用灰關聯分析與生物多樣性指數相結合的方法，分析浮游植物的多樣性和季節變動，評價雁鳴湖水質狀況，為水生態環境的保護和水生態基準的建立、水生資源恢復提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

雁鳴湖地處鄭州市區，屬于中緯度地帶，半干旱半濕潤大陸性季風氣候區。1957—2006年年平均氣溫14.4 ℃；年平均降水量614.2 mm，降水量年內分布不均，7—9月降水量占全年降水量的60%—70%。研究區土壤以潮土、風沙土為主，西北部耕作區主要為潮土；湖面北側主要為魚塘；趙口總干渠南側防護林區為沙崗地，主要為風沙土。

1.2 采樣方法

2014—2018連續5年不同季節（春季2月、夏季5月、秋季8月、冬季11月）定期（月中）、定點（每個區15個采樣點，圖1）采集樣品，現場測定水溫、透明度，pH和采用多參數水質監測儀（HI 9828）測定，定性、定量采集樣品測定浮游植物多樣性及水質狀況。浮游植物（定性測量樣品）以國際標準的25號浮游生物網在水面表層呈“∞”字形緩慢來回拖取3—5 min撈取浮游植物樣品，濃縮生物網中的水到100 mL后1—2 mL魯哥試液固定，帶回實驗室以備鏡檢，另取表層水樣1 L，搖勻后帶回實驗室用于測定水質狀況；浮游植物（定量測量樣品）使用有機玻璃采水器在表層采取水樣1 L，10—15 mL魯哥試劑固定，帶回實驗室后經24 h沉淀濃縮至30 mL，加入4%甲醛溶液保存以備鏡檢（張莉等，2019；文紅星等，2017）。

圖1 研究區圖Fig.1 The study area

1.3 樣品測定

1.3.1 浮游植物的鑒定

將定量樣品搖勻后，在顯微鏡（400倍）下進行觀測，采用特定的浮游生物計數框（Palmer Counting Cell）計數，選取20—40個視野，每個樣本重復計數3次，有效統計數值。計算結果為藻類細胞密度，即單位體積內藻類細胞個體數表示，對于比較難判斷的藻類，則任選20個個體在高倍鏡下觀察，測出細胞數取均值，依據《中國淡水藻類志》鑒定藻類組成。

選用Margalef豐富度指數、Shannon-Wiener多樣性指數、Simpson優勢度指數和Pielou均勻度指數分析浮游植物多樣性：

Margalef豐富度指數（S）：

Shannon-Wiener多樣性指數（H）：

Simpson優勢度指數（D）：

Pielou均勻度指數（JP）：

式中，N為浮游植物總數；ni為第i種的浮游植物個體數量。

1.3.2 水質樣品測定

水質測定項目包括TN、TP、BOD5、CODCr；TN采用過硫酸鉀-紫外分光光度法；TP采用鉬銻抗分光光度法；BOD5采用稀釋接種法；CODCr采用重鉻酸鉀氧化法（劉璐等，2017）。

1.4 灰關聯分析方法

水質監測實測值及歸一化數值：為求得關聯度，最終對雁鳴湖的水質進行評價，需先將水質監測實測值和與之比較的《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）相應的指標值按照方法進行歸一化處理，雁鳴湖春、夏、秋季水質監測實測均值及歸一化數值結果見表1、2，關聯度及水質評價：根據公式對上述歸一化數據進一步計算得雁鳴湖各采樣點水質與《地表水環境質量標準》Ⅰ—Ⅴ類水質等級關聯度見表3。

1.4.1 水質標準的選擇

在灰關聯分析中采用《地表水環境質量標準》作為評價標準（劉璐等，2017）。

1.4.2 參考數列、比較數列的確定

設《標準》為比較數列，選擇相應的雁鳴湖實測值為參考數列。分別用X0={X0(k)|k=1, 2, …,n}表示參考數列，Xi={Xi(k)|k=1, 2,…,n}(i=1, 2,…,m)表示比較數列。

1.4.3 歸一化處理

水質標準的量級、單位都不盡相同，因此對參考和比較數列進行歸一化處理。方法：將Ⅰ級水體水質標準濃度設為1，m級水體水質標準濃度設為0。經過線性變換計算，1—m級之間的水質標準在0—1之間。處理后的比較數列、參考數列分別用X0′和Xi′表示。

表1 雁鳴湖水質理化指標及其歸一值Table 1 Physical and chemical indexes and normalized values of Yanming Lake water quality

表2 《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）歸一化數值Table 2 Normalized value of Surface Water Environmental Quality Standard (GB 3838—2002)

表3 雁鳴湖各采樣點關聯度與水質等級Table 3 Correlation degree and water quality grade of each sampling point in Yanming Lake

關聯系數的求解：用X0′和Xi′數列中的數據，求解這兩數列間的灰關聯系數。公式如下（劉媛等，2017）：

其中，(k)i是第k項指標X0′和Xi′的絕對差；min(i)min(k)Δi(k)與max(i)max(k)Δi(k)分別是各項指標絕對差中最小和最大值，Δi表示分辨系數，取0.5。

關聯度的求解方法：

式中，γi代表關聯度；k代表第k項指標；n表示數列中k的總數。

1.4.5 關聯度的排序

關聯度的大小反映了實測數據與《標準》的相似程度，關聯度越大，此水域接近于該級的水質標準，判定此水域為該級水質。

2 結果與分析

2.1 雁鳴湖水質季節性差異

由表1可知，雁鳴湖水質季節性變化較為明顯，水溫變化范圍在5.11—8.13 ℃之間，歸一化指數在0.722—0.887之間；pH實測值變化范圍在7.15—7.62之間，歸一化指數在0.828—0.913之間；水溫、pH、BOD5和CODCr、TN和TP呈一致的變化規律，在夏季和秋季最高，春季和冬季較低，基本表現為夏季＞秋季＞春季＞冬季，局部有所波動，透明度呈“V”字形變化規律，在春季最高，夏季最低，基本表現為春季＞冬季＞秋季＞夏季。應用灰關聯分析評價雁鳴湖水質類別（表3），呈現不同季節水質與《標準》中的Ⅰ類水質的關聯度最大，分別為0.712、0.823、0.856、0.768，因此，判定不同季節水質為Ⅰ類水質。

2.2 雁鳴湖浮游植物群落結構

在雁鳴湖采樣水體中，共檢出浮游植物7門231種（表4），其中浮游植物種類在夏季和秋季達到較高，春季和冬季較低，不同季節均以綠藻門（Chlorophyta）和硅藻門（Bacillariophyta）為主，分別占38.10%和24.24%；甲藻門（Euglenophyta）18種，所占比例為7.79%；金藻門（Euglenophyta）15種，所占比例為6.49%；藍藻門（Cyanophyta）29種，所占比例為12.55%；隱藻門（Euglenophyta）20種，所占比例為8.66%，裸藻門（Euglenophyta）5種，所占比例為2.16%。

根據以上初步的配合比（02號）中水膠比和砂率按《水工混凝土試驗規程》（SL352-2006）規定進行調整，水膠比增減0.05、砂率相應增減1%，得出01和03號調整后的配合比進行試配，如表6共3個配合比進行試配，表7為3組配合比試配后得出各項混凝土性能指標。

表4 雁鳴湖浮游植物群落結構Table 4 Phytoplankton community structure in Yanming Lake

2.3 雁鳴湖浮游植物多樣性的影響

不同植物多樣性指數顯示（圖2），雁鳴湖浮游植物Shannon-Wiener多樣性指數（H）、Pielou均勻度指數（JP）、Margalef種類豐富度指數（S）在夏季和秋季較高，春季和冬季較低，隨季節呈先增加后降低趨勢，而浮游密度（D）在秋季達到最低。其中浮游植物密度變化范圍在0.67×106—1.98×106cells·L-1之間，夏季和冬季差異不顯著（P＞0.05）；多樣性指數變化范圍在0.95—1.79之間，春季和冬季差異不顯著（P＞0.05），夏季和秋季差異不顯著（P＞0.05）；均勻度指數變化范圍在5.45—9.51之間，不同季節差異均顯著（P＜0.05）；豐富度指數變化范圍在0.55—0.89之間，春季和秋季差異不顯著（P＞0.05）。

由表5可知，多樣性指數春、夏、秋、冬季均值分別為1.65、0.95、0.79、1.79，根據生物多樣性指數的評價標準，雁鳴湖秋季和夏季屬于α-中污型，春季和冬季屬于β-中污型；均勻度指數春、夏、秋、冬季均值分別為0.66、0.89、0.73，0.55，根據生物多樣性指數的評價標準，雁鳴湖春季、秋季和冬季屬于清潔-寡污型，夏季屬于清潔型；豐富度指數春、夏、秋、冬季均值分別為6.23、9.51、7.67、5.45，根據豐富度指數的評價標準，雁鳴湖屬于清潔型。

圖2 雁鳴湖浮游植物多樣性的影響Fig.2 Influence of phytoplankton diversity in Yanming Lake

表5 Shannon-Wiener指數，Margalef指數和Pielou指數的評價標準Table 5 Evaluation criterion about Shannon-Wiener, Margalef and Pielou index

2.4 雁鳴湖浮游植物群落指標與水體理化因子的關系

由表6可知，雁鳴湖春季浮游植物多樣性與透明度呈顯著負相關（P＜0.05），與CODCr濃度呈極顯著正相關（P＜0.01），與BOD5濃度和TN濃度呈顯著的正相關關系（P＜0.05）；夏季浮游植物多樣性與透明度呈極顯著負相關（P＜0.01），與TN濃度、TP濃度、BOD5濃度和CODCr濃度呈極顯著正相關（P＜0.01），與水溫呈顯著的正相關關系（P＜0.05）；秋季浮游植物多樣性與透明度呈極顯著負相關（P＜0.01），與TN濃度、TP濃度、BOD5濃度和CODCr濃度呈極顯著正相關（P＜0.01），與水溫呈顯著的正相關關系（P＜0.05）；冬季浮游植物多樣性與透明度呈極顯著負相關（P＜0.01），與TN濃度、BOD5濃度和CODCr濃度呈顯著正相關（P＜0.05）。

2.5 浮游植物多樣性與環境因子的RDA冗余分析

由表7可知，前2個排序軸特征值分別為0.615和0.232，第一排序軸可反映不同生境下環境因子的梯度變化特征，浮游植物多樣性與環境因子2個排序軸的相關性均為1.000，前2個排序軸特征值占總特征值的95.12%，蒙特卡羅檢驗分析環境因子對植物的影響達到顯著性（第一軸P=0.001，F=8.56；第二軸P=0.001，F=6.11），能夠很好地解釋環境因子對植物的影響。RDA排序圖（圖3）顯示雁鳴湖浮游植物多樣性與水質狀況均呈顯著正相關關系（P＜0.01），沿RDA第1排序軸，雁鳴湖浮游植物多樣性與水質狀況的季節變化規律相一致，而雁鳴湖浮游植物多樣性影響最大的是水BOD5和CODCr濃度。

表6 雁鳴湖浮游植物多樣性與水質指標的關系Table 6 Relationship between phytoplankton diversity and water quality indexes in Yanming Lake

表7 RDA排序結果Table 7 Results from ordination

3 討論

圖3 雁鳴湖浮游植物多樣性與環境因子的RDA排序圖Fig.3 RDA sequence diagram of phytoplankton diversity and environmental factors in Yanming Lake

本研究中，雁鳴湖共檢出浮游植物7門251種，對照區共檢出浮游植物7門166種，主要種類為綠藻門，可以初步推斷雁鳴湖藻類植物的群落組成主要為綠藻類型；浮游植物種類在夏季和秋季達到較高，春季和冬季較低。總體而言，Shannon-Wiener多樣性指數（H）、Pielou均勻度指數（JP）、Margalef種類豐富度指數（S）隨季節呈先增加后降低趨勢，在春季和冬季溫度較低時，雁鳴湖的浮游植物種類比較少，但仍然是綠藻門和硅藻門浮游植物占主導，與前人的研究結果相一致（Eva，2001；Katsiapi et al.，2011；Webber et al.，2005）。夏季和秋季，水溫較高，在加上水質中TN和TP濃度較高，導致浮游植物種類數豐富。本研究中浮游植物在夏季密度最大，秋季最低，參照評價水質的標準，浮游植物細胞密度≤5×105cells·L-1，水體為極貧營養水體，≤1.0×106cells·L-1為貧營養，1.0×106—9.0×106cells·L-1為貧中營養。由此可見，雁鳴湖秋季水質最差，為極貧營養水體，夏季和冬季達到貧中營養水平。浮游植物多樣性指數是判斷水庫營養狀況最常用的檢測指標，H＞3為輕或無污染，3—2為β-中度污染（輕中污染），2—1為α-中度污染（重中污染），0—1為重度污染，也即H指數值越大，水質越好，即藻類的種類多樣性指數越高，其群落結構越復雜（Chen et al.，2009；Gharib et al.，2011；Ciudice et al.，2010）。根據生物多樣性閾值的分級評價標準，夏季和秋季浮游植物種間個體數分布較為均勻，但種類豐富程度較低，水體受到一定污染，同時，夏季和秋季浮游植物種間個體數分布欠均，種類豐富程度偏低，這與當地生活污水的排入有關。另外，夏季溫度較高，雨量較為豐沛，上游、支流為雁鳴湖輸入了較多的營養物質，適合于浮游植物的生長（Danaher et al.，2010；Dondajewska et al.，2019）。從多樣性的季節變化來看，春季和冬季生物多樣性升高、種類的豐富程度加大、群落中優勢成分的集中程度降低，水體趨向健康（張莉等，2018；喻龍等，2017）。另一方面，夏季和秋季浮游動物對浮游植物較高的攝食壓力也影響了浮游植物的分布、數量秋季，雁鳴湖水溫回降，雖然浮游植物的多樣性仍然豐富，種類的豐富程度較高，但水體的健康程度急劇下降。

冗余分析（RDA）作為一種直接梯度分析方法，不僅維持了良好的景觀，而且環境各因子對浮游植物也表現出明顯的反饋作用。冗余分析顯示，沿RDA第1排序軸，雁鳴湖浮游植物多樣性與水質狀況的季節變化規律相一致，而雁鳴湖浮游植物多樣性影響最大的是BOD5和CODCr濃度，與Pearson相關分析的結果基本一致。水質的研究結果顯示水溫、pH、TN、TP、BOD5和CODCr濃度呈一致的變化規律，在夏季和秋季最高，春季和冬季較低，基本表現為夏季＞秋季＞春季＞冬季，局部有所波動，透明度呈“V”字形變化規律，在春季最高，夏季最低，基本表現為春季＞冬季＞秋季＞夏季。從季節的變化規律來看，春季和冬季污染較小，隨著水溫的增加，各種水生生物和淡水藻類瘋狂生長，加上旅游開發后人類對雁鳴湖的污染，大部分水域出現水體富營養化，在夏季污染程度達到最大，導致水質中TN、TP、BOD5和CODCr濃度也達到最大，春季和冬季淡水藻類和水生生物數目急劇降低，水質狀況有所好轉（Akomeah et al.，2010）。淡水水體中N、P長期以來被認為是與浮游植物生長密切相關，其中P被廣泛認為是淡水浮游植物演替的影響因素，但在雁鳴湖TP并非影響浮游植物群落分布的主要驅動力。

4 結論

（1）雁鳴湖共檢出浮游植物7門231種，其中浮游植物種類在夏季和秋季達到較高，春季和冬季較低，雁鳴湖浮游植物Shannon-Wiener多樣性指數（H）、Pielou均勻度指數（JP）、Margalef種類豐富度指數（S）在夏季和秋季較高，春季和冬季較低，隨季節呈先增加后降低趨勢，而浮游密度（D）在秋季達到最低。

（2）雁鳴湖秋季和夏季屬于α-中污型，春季和冬季屬于β-中污型；從均勻度指數來看，雁鳴湖春季、秋季和冬季屬于清潔-寡污型，夏季屬于清潔型；根據豐富度指數的評價標準，雁鳴湖屬于清潔型。應用灰關聯分析評價雁鳴湖水質類別，不同季節水質為Ⅰ類水質。

（3）相關性分析顯示雁鳴湖浮游植物群落多樣性與BOD5和CODCr濃度呈顯著或極顯著正相關，與pH呈顯著負相關，由此表明雁鳴湖更多受氮等營養元素干擾，并且污染物面積相對寬闊，需注意控制加強面源污染，合理規劃農業土地利用，盡量減少化肥施用量等，有利于控制營養元素流入漢庫，對于浮游植被的恢復有重要意義。

（4）浮游植物多樣性對水溫、TN濃度和NH4+-N濃度反應較為敏感，在某種程度上反映了其指示作用，能夠表征雁鳴湖浮游植物的敏感性，但不同季節植物多樣性與環境因子之間的內在聯系還需要深入研究。