雁鸣湖湿地浮游植物结构及其对水质特征的响应

赵奇，毛文

河南工业大学，河南 郑州 450001

浮游植物作为淡水生态系统中的初级生产者，是生态系统中物质循环和能量流动的基础，其群落结构会引起生态系统中食物网结构的改变（张莉等，2019；文红星等，2017；宋伦等，2016），从而影响水生生态系统的功能、结构和信息传递（孙军等，2016；邱阳凌等，2018；刘媛等，2017）。由于浮游植物对环境因子的响应十分敏感，其种类组成、数量分布、群落结构等是评价水环境质量的重要指示作用，成为用来评价江河、湖泊、水库等水质变化的敏感指标，在水体的监测和评价中起极为重要的应用意义（钟爱文等，2017；许秀梅等，2017）。浮游植物的群落结构与生活的水质状况密切相关，利用浮游植物来评价和监测水质的研究也在逐步开展（赵秀侠等，2017；刘璐等，2017）。近年来，对河流水质指标研究得比较多，但关于浮游植物群落结构及水质的季节变化较少。

雁鸣湖水域是河南省黄河沿岸湿地重要的组成部分，对于区域气候调节、生物多样性保护、涵养水源等有重要意义（金磊等，2017）。雁鸣湖也是重要的渔业基地和水利区，发挥着调节气候、保护生物多样性、发展生态经济、维护生态平衡、水土保持等重要功能（刘明典等，2017）。在全球气候变化和人类活动影响下雁鸣湖水环境发生了严重的改变，已面临农业面源污染、有机污染、生活垃圾污染等严峻的生态环境问题（宋庆洋等，2019；李晶等，2017；严广寒等，2018）。有鉴于此，本文连续5年较系统地调查和分析了不同季节雁鸣湖浮游植物群落组成及水质状况特征，运用灰关联分析与生物多样性指数相结合的方法，分析浮游植物的多样性和季节变动，评价雁鸣湖水质状况，为水生态环境的保护和水生态基准的建立、水生资源恢复提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

雁鸣湖地处郑州市区，属于中纬度地带，半干旱半湿润大陆性季风气候区。1957—2006年年平均气温14.4 ℃；年平均降水量614.2 mm，降水量年内分布不均，7—9月降水量占全年降水量的60%—70%。研究区土壤以潮土、风沙土为主，西北部耕作区主要为潮土；湖面北侧主要为鱼塘；赵口总干渠南侧防护林区为沙岗地，主要为风沙土。

1.2 采样方法

2014—2018连续5年不同季节（春季2月、夏季5月、秋季8月、冬季11月）定期（月中）、定点（每个区15个采样点，图1）采集样品，现场测定水温、透明度，pH和采用多参数水质监测仪（HI 9828）测定，定性、定量采集样品测定浮游植物多样性及水质状况。浮游植物（定性测量样品）以国际标准的25号浮游生物网在水面表层呈“∞”字形缓慢来回拖取3—5 min捞取浮游植物样品，浓缩生物网中的水到100 mL后1—2 mL鲁哥试液固定，带回实验室以备镜检，另取表层水样1 L，摇匀后带回实验室用于测定水质状况；浮游植物（定量测量样品）使用有机玻璃采水器在表层采取水样1 L，10—15 mL鲁哥试剂固定，带回实验室后经24 h沉淀浓缩至30 mL，加入4%甲醛溶液保存以备镜检（张莉等，2019；文红星等，2017）。

图1 研究区图Fig.1 The study area

1.3 样品测定

1.3.1 浮游植物的鉴定

将定量样品摇匀后，在显微镜（400倍）下进行观测，采用特定的浮游生物计数框（Palmer Counting Cell）计数，选取20—40个视野，每个样本重复计数3次，有效统计数值。计算结果为藻类细胞密度，即单位体积内藻类细胞个体数表示，对于比较难判断的藻类，则任选20个个体在高倍镜下观察，测出细胞数取均值，依据《中国淡水藻类志》鉴定藻类组成。

选用Margalef丰富度指数、Shannon-Wiener多样性指数、Simpson优势度指数和Pielou均匀度指数分析浮游植物多样性：

Margalef丰富度指数（S）：

Shannon-Wiener多样性指数（H）：

Simpson优势度指数（D）：

Pielou均匀度指数（JP）：

式中，N为浮游植物总数；ni为第i种的浮游植物个体数量。

1.3.2 水质样品测定

水质测定项目包括TN、TP、BOD5、CODCr；TN采用过硫酸钾-紫外分光光度法；TP采用钼锑抗分光光度法；BOD5采用稀释接种法；CODCr采用重铬酸钾氧化法（刘璐等，2017）。

1.4 灰关联分析方法

水质监测实测值及归一化数值：为求得关联度，最终对雁鸣湖的水质进行评价，需先将水质监测实测值和与之比较的《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）相应的指标值按照方法进行归一化处理，雁鸣湖春、夏、秋季水质监测实测均值及归一化数值结果见表1、2，关联度及水质评价：根据公式对上述归一化数据进一步计算得雁鸣湖各采样点水质与《地表水环境质量标准》Ⅰ—Ⅴ类水质等级关联度见表3。

1.4.1 水质标准的选择

在灰关联分析中采用《地表水环境质量标准》作为评价标准（刘璐等，2017）。

1.4.2 参考数列、比较数列的确定

设《标准》为比较数列，选择相应的雁鸣湖实测值为参考数列。分别用X0={X0(k)|k=1, 2, …,n}表示参考数列，Xi={Xi(k)|k=1, 2,…,n}(i=1, 2,…,m)表示比较数列。

1.4.3 归一化处理

水质标准的量级、单位都不尽相同，因此对参考和比较数列进行归一化处理。方法：将Ⅰ级水体水质标准浓度设为1，m级水体水质标准浓度设为0。经过线性变换计算，1—m级之间的水质标准在0—1之间。处理后的比较数列、参考数列分别用X0′和Xi′表示。

表1 雁鸣湖水质理化指标及其归一值Table 1 Physical and chemical indexes and normalized values of Yanming Lake water quality

表2 《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）归一化数值Table 2 Normalized value of Surface Water Environmental Quality Standard (GB 3838—2002)

表3 雁鸣湖各采样点关联度与水质等级Table 3 Correlation degree and water quality grade of each sampling point in Yanming Lake

关联系数的求解：用X0′和Xi′数列中的数据，求解这两数列间的灰关联系数。公式如下（刘媛等，2017）：

其中，(k)i是第k项指标X0′和Xi′的绝对差；min(i)min(k)Δi(k)与max(i)max(k)Δi(k)分别是各项指标绝对差中最小和最大值，Δi表示分辨系数，取0.5。

关联度的求解方法：

式中，γi代表关联度；k代表第k项指标；n表示数列中k的总数。

1.4.5 关联度的排序

关联度的大小反映了实测数据与《标准》的相似程度，关联度越大，此水域接近于该级的水质标准，判定此水域为该级水质。

2 结果与分析

2.1 雁鸣湖水质季节性差异

由表1可知，雁鸣湖水质季节性变化较为明显，水温变化范围在5.11—8.13 ℃之间，归一化指数在0.722—0.887之间；pH实测值变化范围在7.15—7.62之间，归一化指数在0.828—0.913之间；水温、pH、BOD5和CODCr、TN和TP呈一致的变化规律，在夏季和秋季最高，春季和冬季较低，基本表现为夏季＞秋季＞春季＞冬季，局部有所波动，透明度呈“V”字形变化规律，在春季最高，夏季最低，基本表现为春季＞冬季＞秋季＞夏季。应用灰关联分析评价雁鸣湖水质类别（表3），呈现不同季节水质与《标准》中的Ⅰ类水质的关联度最大，分别为0.712、0.823、0.856、0.768，因此，判定不同季节水质为Ⅰ类水质。

2.2 雁鸣湖浮游植物群落结构

在雁鸣湖采样水体中，共检出浮游植物7门231种（表4），其中浮游植物种类在夏季和秋季达到较高，春季和冬季较低，不同季节均以绿藻门（Chlorophyta）和硅藻门（Bacillariophyta）为主，分别占38.10%和24.24%；甲藻门（Euglenophyta）18种，所占比例为7.79%；金藻门（Euglenophyta）15种，所占比例为6.49%；蓝藻门（Cyanophyta）29种，所占比例为12.55%；隐藻门（Euglenophyta）20种，所占比例为8.66%，裸藻门（Euglenophyta）5种，所占比例为2.16%。

根据以上初步的配合比（02号）中水胶比和砂率按《水工混凝土试验规程》（SL352-2006）规定进行调整，水胶比增减0.05、砂率相应增减1%，得出01和03号调整后的配合比进行试配，如表6共3个配合比进行试配，表7为3组配合比试配后得出各项混凝土性能指标。

表4 雁鸣湖浮游植物群落结构Table 4 Phytoplankton community structure in Yanming Lake

2.3 雁鸣湖浮游植物多样性的影响

不同植物多样性指数显示（图2），雁鸣湖浮游植物Shannon-Wiener多样性指数（H）、Pielou均匀度指数（JP）、Margalef种类丰富度指数（S）在夏季和秋季较高，春季和冬季较低，随季节呈先增加后降低趋势，而浮游密度（D）在秋季达到最低。其中浮游植物密度变化范围在0.67×106—1.98×106cells·L-1之间，夏季和冬季差异不显著（P＞0.05）；多样性指数变化范围在0.95—1.79之间，春季和冬季差异不显著（P＞0.05），夏季和秋季差异不显著（P＞0.05）；均匀度指数变化范围在5.45—9.51之间，不同季节差异均显著（P＜0.05）；丰富度指数变化范围在0.55—0.89之间，春季和秋季差异不显著（P＞0.05）。

由表5可知，多样性指数春、夏、秋、冬季均值分别为1.65、0.95、0.79、1.79，根据生物多样性指数的评价标准，雁鸣湖秋季和夏季属于α-中污型，春季和冬季属于β-中污型；均匀度指数春、夏、秋、冬季均值分别为0.66、0.89、0.73，0.55，根据生物多样性指数的评价标准，雁鸣湖春季、秋季和冬季属于清洁-寡污型，夏季属于清洁型；丰富度指数春、夏、秋、冬季均值分别为6.23、9.51、7.67、5.45，根据丰富度指数的评价标准，雁鸣湖属于清洁型。

图2 雁鸣湖浮游植物多样性的影响Fig.2 Influence of phytoplankton diversity in Yanming Lake

表5 Shannon-Wiener指数，Margalef指数和Pielou指数的评价标准Table 5 Evaluation criterion about Shannon-Wiener, Margalef and Pielou index

2.4 雁鸣湖浮游植物群落指标与水体理化因子的关系

由表6可知，雁鸣湖春季浮游植物多样性与透明度呈显著负相关（P＜0.05），与CODCr浓度呈极显著正相关（P＜0.01），与BOD5浓度和TN浓度呈显著的正相关关系（P＜0.05）；夏季浮游植物多样性与透明度呈极显著负相关（P＜0.01），与TN浓度、TP浓度、BOD5浓度和CODCr浓度呈极显著正相关（P＜0.01），与水温呈显著的正相关关系（P＜0.05）；秋季浮游植物多样性与透明度呈极显著负相关（P＜0.01），与TN浓度、TP浓度、BOD5浓度和CODCr浓度呈极显著正相关（P＜0.01），与水温呈显著的正相关关系（P＜0.05）；冬季浮游植物多样性与透明度呈极显著负相关（P＜0.01），与TN浓度、BOD5浓度和CODCr浓度呈显著正相关（P＜0.05）。

2.5 浮游植物多样性与环境因子的RDA冗余分析

由表7可知，前2个排序轴特征值分别为0.615和0.232，第一排序轴可反映不同生境下环境因子的梯度变化特征，浮游植物多样性与环境因子2个排序轴的相关性均为1.000，前2个排序轴特征值占总特征值的95.12%，蒙特卡罗检验分析环境因子对植物的影响达到显著性（第一轴P=0.001，F=8.56；第二轴P=0.001，F=6.11），能够很好地解释环境因子对植物的影响。RDA排序图（图3）显示雁鸣湖浮游植物多样性与水质状况均呈显著正相关关系（P＜0.01），沿RDA第1排序轴，雁鸣湖浮游植物多样性与水质状况的季节变化规律相一致，而雁鸣湖浮游植物多样性影响最大的是水BOD5和CODCr浓度。

表6 雁鸣湖浮游植物多样性与水质指标的关系Table 6 Relationship between phytoplankton diversity and water quality indexes in Yanming Lake

表7 RDA排序结果Table 7 Results from ordination

3 讨论

图3 雁鸣湖浮游植物多样性与环境因子的RDA排序图Fig.3 RDA sequence diagram of phytoplankton diversity and environmental factors in Yanming Lake

本研究中，雁鸣湖共检出浮游植物7门251种，对照区共检出浮游植物7门166种，主要种类为绿藻门，可以初步推断雁鸣湖藻类植物的群落组成主要为绿藻类型；浮游植物种类在夏季和秋季达到较高，春季和冬季较低。总体而言，Shannon-Wiener多样性指数（H）、Pielou均匀度指数（JP）、Margalef种类丰富度指数（S）随季节呈先增加后降低趋势，在春季和冬季温度较低时，雁鸣湖的浮游植物种类比较少，但仍然是绿藻门和硅藻门浮游植物占主导，与前人的研究结果相一致（Eva，2001；Katsiapi et al.，2011；Webber et al.，2005）。夏季和秋季，水温较高，在加上水质中TN和TP浓度较高，导致浮游植物种类数丰富。本研究中浮游植物在夏季密度最大，秋季最低，参照评价水质的标准，浮游植物细胞密度≤5×105cells·L-1，水体为极贫营养水体，≤1.0×106cells·L-1为贫营养，1.0×106—9.0×106cells·L-1为贫中营养。由此可见，雁鸣湖秋季水质最差，为极贫营养水体，夏季和冬季达到贫中营养水平。浮游植物多样性指数是判断水库营养状况最常用的检测指标，H＞3为轻或无污染，3—2为β-中度污染（轻中污染），2—1为α-中度污染（重中污染），0—1为重度污染，也即H指数值越大，水质越好，即藻类的种类多样性指数越高，其群落结构越复杂（Chen et al.，2009；Gharib et al.，2011；Ciudice et al.，2010）。根据生物多样性阈值的分级评价标准，夏季和秋季浮游植物种间个体数分布较为均匀，但种类丰富程度较低，水体受到一定污染，同时，夏季和秋季浮游植物种间个体数分布欠均，种类丰富程度偏低，这与当地生活污水的排入有关。另外，夏季温度较高，雨量较为丰沛，上游、支流为雁鸣湖输入了较多的营养物质，适合于浮游植物的生长（Danaher et al.，2010；Dondajewska et al.，2019）。从多样性的季节变化来看，春季和冬季生物多样性升高、种类的丰富程度加大、群落中优势成分的集中程度降低，水体趋向健康（张莉等，2018；喻龙等，2017）。另一方面，夏季和秋季浮游动物对浮游植物较高的摄食压力也影响了浮游植物的分布、数量秋季，雁鸣湖水温回降，虽然浮游植物的多样性仍然丰富，种类的丰富程度较高，但水体的健康程度急剧下降。

冗余分析（RDA）作为一种直接梯度分析方法，不仅维持了良好的景观，而且环境各因子对浮游植物也表现出明显的反馈作用。冗余分析显示，沿RDA第1排序轴，雁鸣湖浮游植物多样性与水质状况的季节变化规律相一致，而雁鸣湖浮游植物多样性影响最大的是BOD5和CODCr浓度，与Pearson相关分析的结果基本一致。水质的研究结果显示水温、pH、TN、TP、BOD5和CODCr浓度呈一致的变化规律，在夏季和秋季最高，春季和冬季较低，基本表现为夏季＞秋季＞春季＞冬季，局部有所波动，透明度呈“V”字形变化规律，在春季最高，夏季最低，基本表现为春季＞冬季＞秋季＞夏季。从季节的变化规律来看，春季和冬季污染较小，随着水温的增加，各种水生生物和淡水藻类疯狂生长，加上旅游开发后人类对雁鸣湖的污染，大部分水域出现水体富营养化，在夏季污染程度达到最大，导致水质中TN、TP、BOD5和CODCr浓度也达到最大，春季和冬季淡水藻类和水生生物数目急剧降低，水质状况有所好转（Akomeah et al.，2010）。淡水水体中N、P长期以来被认为是与浮游植物生长密切相关，其中P被广泛认为是淡水浮游植物演替的影响因素，但在雁鸣湖TP并非影响浮游植物群落分布的主要驱动力。

4 结论

（1）雁鸣湖共检出浮游植物7门231种，其中浮游植物种类在夏季和秋季达到较高，春季和冬季较低，雁鸣湖浮游植物Shannon-Wiener多样性指数（H）、Pielou均匀度指数（JP）、Margalef种类丰富度指数（S）在夏季和秋季较高，春季和冬季较低，随季节呈先增加后降低趋势，而浮游密度（D）在秋季达到最低。

（2）雁鸣湖秋季和夏季属于α-中污型，春季和冬季属于β-中污型；从均匀度指数来看，雁鸣湖春季、秋季和冬季属于清洁-寡污型，夏季属于清洁型；根据丰富度指数的评价标准，雁鸣湖属于清洁型。应用灰关联分析评价雁鸣湖水质类别，不同季节水质为Ⅰ类水质。

（3）相关性分析显示雁鸣湖浮游植物群落多样性与BOD5和CODCr浓度呈显著或极显著正相关，与pH呈显著负相关，由此表明雁鸣湖更多受氮等营养元素干扰，并且污染物面积相对宽阔，需注意控制加强面源污染，合理规划农业土地利用，尽量减少化肥施用量等，有利于控制营养元素流入汉库，对于浮游植被的恢复有重要意义。

（4）浮游植物多样性对水温、TN浓度和NH4+-N浓度反应较为敏感，在某种程度上反映了其指示作用，能够表征雁鸣湖浮游植物的敏感性，但不同季节植物多样性与环境因子之间的内在联系还需要深入研究。