石臼湖浮游植物特性指数与水体营养等级响应关系研究

宋 杨，胡晓东，程增辉，陈 涟，陆宝宏，徐季雄

(1.河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098；2.江苏省水利科学研究院，江苏 南京 210017；3.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222；4.上海市青浦区夏阳水务管理所，上海 201700)

湖泊营养状态的评价，是通过与湖泊营养状态有关的一系列指标及指标间的相互关系，对湖泊的营养状态做出准确的判断[1-2]。而评价水体营养程度的方法主要有营养状态指数法、综合营养状态指数法、生物评价法、营养度指数法、参数法、数学分析法和评分法等[3]。目前，广泛流行的方法是营养状态指数法(EI)[4]、综合营养状态指数法(Trophic State Index，TSI)[5-7]。有学者认为针对化学指标，很难完全反映水体污染和富营养化程度，应涉猎水生生物评价[8]；主张通过对浮游植物、浮游动物、底栖生物、鱼类种类和数量变化的测定和分析，更为准确地判定水体的污染和富营养化状况[9-11]。

浮游植物存在个体小、细胞结构简单、生命周期短，对水生态环境变化极为敏感等特征，因此浮游植物比其他水生生物类群更能及时反映水域生态环境状况[12-14]，其群落多样性指数和丰度等指标可为定量评价湖泊营养等级提供理论依据[15-17]。多样性指数也存在差异性，有资料显示其分辨能力由强到弱依次为：香农-威纳指数、皮洛均匀度指数、玛格列夫指数[18]，因此在实际应用中要综合多种指数，并结合其他生物和理化指标评价水体营养等级，使得结果更加可靠[19-20]。

本文选择石臼湖为研究对象，通过定期定点采样分析各不同水域水体理化特征和浮游植物特性指数，利用回归分析等方法探寻水体营养等级对浮游植物特性指数的响应关系，验证所获得的响应关系模型的可行性；并通过两组数据研究浮游植物特性指数对评价水体营养状态的重要性，以实现运用石臼湖浮游植物特性指数评价水体营养等级的目的，解决采用单一浮游植物特性指数评价水体营养等级的差异性问题。

1 基本资料及分析方法

1.1 研究区域概况

石臼湖又名北湖，位于南京市域西南部，长江右岸、水阳江入江尾闾，历史上曾为古丹阳湖的一部分，是长江下游唯一的直接通江湖泊。石臼湖湖区分属南京市溧水区、高淳区和安徽省马鞍山市当涂县，其主要出入湖河道有新桥河、天生桥河、石固河、中流河、博望河、姑溪河等。石臼湖属于构造型淡水湖泊，湖盆呈不规则四边形，东西向最长约22 km，南北向最宽约14 km，湖泊面积214.7 km2，正常蓄水位5.04 m，相应库容3.4亿m3。石臼湖主要功能为防洪调蓄、水资源供给、维护生态、渔业养殖、旅游等。其地理位置、水系结构及本文采样点布设如图1所示。

图1 石臼湖水系结构与采样点分布

1.2 样品采集、处理及鉴定方法

基于石臼湖的水系结构、水文情势、湖盆形态、水质状况、污染源分布及区域气象特征等因素，分三区布设12个采样点。河口区(sjh-3、sjh- 6、sjh-7、sjh- 8和sjh-9)；岸边区(sjh-1、sjh-2、sjh-10、sjh-11和sjh-12)；湖心区(sjh- 4和sjh-5)。各采样点位分布见图1。分别于2017年3月至2018年4月，每两月采样一次，各采样点采集3份平行样。水样和浮游植物样品同步采集，其中水样采集采用5 L采水器取水面下0.5 m处水样，立即注入事先加入2 mL 3+1的硫酸溶液至500 mL玻璃瓶中，加入固定液置于0～4 ℃冷藏箱中避光保存；浮游植物采集是用25号浮游生物网在水中作横“8”字形划动20次，采集时做上、下移动，滤去水后装入500 mL瓶，立即用5 mL鲁哥试剂加以固定。

样品测试分为野外现场监测和室内实验分析两个部分。

野外测试：采用Secchi-disk测定透明度(SD)，采用多参数水质监测仪(YSI6600)测定水温(WT)、pH值(pH)、溶解氧(DO)、电导率(EC)、总溶解固体(TDS)、浊度(TUB)、叶绿素(Chl-a)等参数。

室内测试：①水体理化指标：采用相关水质国标测定方案，分析各水样的总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮总量(NH3-N)和高锰酸盐指数(CODMn)；②浮游植物特性指数：依据DB32—T—3202—2017《湖泊水生态监测规范》将带回实验室的浮游植物样品于低温(4℃)避光条件下静置、沉淀48 h后，吸掉上清液，直至沉淀液约为20 mL，转入50 mL样本瓶，用上层清液冲洗沉淀分液漏斗3次，定容至50 mL。用显微镜观测、计数并鉴别其种类，分别计算各种浮游植物的丰度(A)。

2 数据处理及分析

2.1 综合营养状态指数评价

参照SL 395—2007《地表水资源质量评价技术规程》[4]，依据Chl-a、TN、TP、CODMn和SD的测定成果，运用综合营养状态指数法(EI指数)对石臼湖2018年水体营养状态进行分级评价，综合营养状态指数计算公式为

(1)

式中，EI为营养状态指数；En为评价项目赋分值；N为评价项目个数。

EI指数将营养状态分为5级：贫营养为EI≤20，中营养为20≤EI≤50，轻度富营养为50≤EI≤60，中度富营养为60≤EI≤80，重度富营养为80≤EI≤100。

2.2 浮游植物多样性指数

本文采用香农-威纳指数(Shannon-Weiner index，SWI)、皮洛均匀度指数(Pielou evenness index，PIE)、玛格列夫指数(Margalef richness index，MRI)、辛普森多样性指数(Simpson diversity index，SDI)进行多样性分析[16，21](见表1)。

表1 多样性指数计算方法

2.3 逐步回归分析

本文中引用此方法主要是为了研究两种自变量分别对因变量(营养等级指数)的逐步回归的响应度差异，两种自变量：一是浮游植物特性指数和温度；二是浮游植物特性指数和11项水体理化指标。

逐步回归作为一种线性回归模型自变量选择方法，其基本思想是将偏回归平方和经验显著的变量逐一引入；并且每引入一个新变量，对已经引入的变量逐个检验，将检验后不显著的变量剔除，达到保证所得自变量中每一个变量都是显著的；反复此过程，直到不能再引入新变量为止，此时可以达到回归模型中所有变量对因变量都是显著的。

3 结果与分析

3.1 石臼湖水体营养等级年内时空变化趋势

根据上述营养状态指数评价方法，通过计算得出石臼湖2017年～2018年湖泊水体营养等级的变化情况(见表2)。

表2 石臼湖水体2017年～2018年营养状态指数平均变化趋势

结果表明，石臼湖整体营养状态较为稳定，为轻度富营养，并随着时间变化呈现出上、下轻微波动。

为了研究石臼湖不同区域内的营养等级变化规律，对河口区、岸边区和湖心区的采样点位分别计算出相应的营养等级，并将成果整理如图2所示。

从图2可以看出，3个湖区的营养等级均呈现出较为一致的变化。这说明石臼湖各区的营养状态虽然存在微小差异，但符合整体的变化规律。

图2 石臼湖不同区域内营养等级变化情况

3.2 浮游植物特性指数与水体营养等级的响应关系

3.2.1 浮游植物特性指数和水体理化指标

水体营养等级指数是由TP、TN、CODMn、Chl-a和SD计算得出的。因此，本研究选择浮游植物特性指数(SWI、PIE、MRI、SDI、A)和水体理化参数(WT、pH、NH3-N、TUB、SD、EC)共11项作为自变量，将营养等级作为因变量进行逐步回归分析(见表3)。

表3 考虑浮游植物特性指数和水体理化逐步回归结果

经过逐步因子筛选，11项自变量最终余下WT、NH3-N、TUB、SD、A一共5项显著相关的响应因子，R2值为0.86，说明最终建立的综合指标所反应营养等级具有86.7%准确性(见图3)。而且模型通过F检验(F=129.187，p=0<0.05)，说明模型有效。以浮游植物特性指数和水体理化指标为自变量构建的营养等级公式为

EI=61.755-0.271×WT+4.421×NH3-N+0.029×TUB-11.438×SD+0.114×A

(2)

另外，针对模型的多重共线性进行检验发现，模型中VIF值全部均小于5，意味着不存在着共线性问题；并且D-W值在1.5～2.5，说明模型不存在自相关性，样本数据之间并没有关联，模型较好。具体分析表明：WT的回归系数值为-0.271(t=-5.030，p=0<0.01)，意味着WT在一定范围内会对营养等级产生显著的负向影响关系；NH3-N的回归系数值为4.421(t=5.499，p=0<0.01)，意味着NH3-N会对营养等级产生显著的正向影响关系；TUB的回归系数值为0.029(t=2.639，p=0.009<0.01)，意味着TUB会对营养等级产生显著的正向影响关系；SD的回归系数值为-11.438(t=-10.802，p=0<0.01)，意味着SD会对营养等级产生显著的负向影响关系；A的回归系数值为0.114(t=7.543，p=0<0.01)，意味着A会对营养等级产生显著的正向影响关系。

总结分析可知：NH3-N、TUB、A会对营养等级产生显著的正向影响关系，而WT、SD会对营养等级产生显著的负向影响关系。

通过查证相关文献资料[22-24]，对这一结果也具有支撑依据。温度在一定范围内会对酶活性产生正向影响，进而会影响浮游植物的生长速度和群落演替，导致水体营养等级的升高；透明度与浊度是反向影响作用的因子。透明度高，浊度低，浮游植物对光照强度的利用率增大，更适宜浮游植物的生长，也会使营养等级升高；否则，反之。

3.2.2 浮游植物特性指数为自变量、温度为季节控制因子

为了单独研究浮游植物特性指数对营养等级的影响程度，故单独以浮游植物特性指数(SWI、PIE、MRI、SDI、A)和季节控制变量WT，共6项作为自变量，而将营养等级作为因变量进行逐步回归分析，结果见表4。

经过逐步回归分析，6项自变量最终余下WT、MRI、A一共4项在模型中，R2值为0.642，意味着WT、MRI、A可以解释营养等级的64.2%变化原因(见图4)。而且模型通过F检验(F=72.961，p=0<0.05)，说明模型有效。仅以浮游植物特性指数为自变量的营养等级为

图4 4项营养等级模拟值与实测值对比

EI=73.080-0.815×WT-1.842×MRI+0.116×A

(3)

WT的回归系数值为-0.815(t=-13.524，p=0<0.01)，意味着WT在一定范围内会对营养等级产生显著的负向影响关系；MRI的回归系数值为-1.842(t=-3.361，p=0<0.01)，意味着MRI会对营养等级产生显著的负向影响关系；A的回归系数值为0.116(t=0.383，p=0.702>0.05)，意味着A并不会对营养等级产生影响关系。

总结分析可知：A会对营养等级产生显著的正向影响关系；另外，WT、MRI会对营养等级产生显著的负向影响关系。

4 结 论

依据SL 395—2007《地表水资源质量评价技术规程》评价出2017年～2018年石臼湖营养状态为轻度富营养，且随时间因素呈现轻微地上、下波动。本研究将石臼湖分为河口区、岸边区和湖心区，分别研究营养等级的变化情况，并与全湖平均进行对比，发现各湖区的营养状态存在微小差异，但与全湖的变化规律一致。

结合逐步回归分析，对比浮游植物特性指数和水体理化指标为自变量和浮游植物特性指数为自变量且温度为季节控制因子这两种情况下的逐步回归结果，得出浮游植物特性指数在水体营养等级的响应中占有主导地位，特别是浮游植物的丰度和香农-威纳指数。

基于本研究笔者认为，未来可以考虑加入污染生物指数(BIP)、Gleason丰富度指数等继续分析，在补充浮游植物等评价营养等级指标体系上会有很大帮助。