星海湖浮游植物群落结构及与水环境因子的关系

郑灿，段杰仁，石伟，鲍广强，邱小琮

（1.宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏 银川 750021；2.宁夏固原市第七中学，宁夏 固原 756002；3.银川市水产技术推广服务中心，宁夏 银川 750001；4.安徽建工集团投资管理有限公司，安徽 合肥 230031；5.宁夏大学生命科学学院，宁夏 银川 750021）

浮游植物位于水生态系统生物链的低端，是湖泊生态系统最重要的基础部分，其组成和种类的变化直接影响整个水生态系统的稳定。水体环境的变化对浮游植物种类及数量有着至关重要的影响，浮游植物的变化也可推测水质的状况[1-4]。

星海湖位于东经105°58'～106°59'，北纬38°22'～39°23'，地处宁夏回族自治区石嘴山市，总面积48.08km2，其中湖泊面积14.7km2，平均水深1.2m，是极具价值的湖泊湿地。作为我国首批湿地保护项目之一，星海湖在承担着防洪调洪、蓄水补水两项基本功能的同时，集生态改善、水产养殖、湿地保护、旅游休闲等功能为一体[5]。在石嘴山市和大武口区“十三五”规划中，水产、水禽、水生种植、水上旅游等“四水产业”已被列入规划[6]。星海湖湿地植物主要有水生植物、耐盐碱植物[5]，汇集了湖泊、沼泽等多种类型的复杂生态系统，具有防洪、灌溉、补充地下水、维持区域水量平衡等功能[7]。目前，星海湖的生态环境较为恶劣，污染源主要为灌溉渠（二农渠）的补水口；生产、生活和娱乐产生污染和大气降尘、大气降水、煤矸石堆淋溶产生的污水以及水土流失等[8,9]。目前，仅对星海湖的水质、富营养化程度、水环境、水生生物等进行了分析研究，关于星海湖水生植物与水环境因子间的关系还未进行深入研究。影响浮游植物生存与发展的主要因素是水体中的环境因子[10]。

为了深入研究分析星海湖浮游植物变化的主要原因及其变化规律，减小其富营养化的速度，本研究于2017 年测定了星海湖浮游植物指标及其相关水质指标，运用相关分析、逐步回归分析、通径分析和灰关联法，分析了星海湖浮游植物与水环境因子之间的相关关系，并找出影响浮游植物变化的最主要的水环境因子，以期为星海湖富营养化治理与防护提供基本的数据依据。

1 材料与方法

1.1 采样时间和采样点

星海湖呈长窄分布，周边污染源分布较均匀，其水深变化幅度较小；根据星海湖以上特性，综合其水力特征和利用现状，在星海湖设置4 个采样点（图1），分别为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]测定星海湖水体中的浮游植物、叶绿素a 含量以及相关水质指标。

1.2 浮游植物数据的收集

根据标准，浮游植物的定性标本与定量标本于晴天上午采集。定量标本取湖水表层的水体，存放于采水器（1L），定用1.5%鲁哥氏液现场固，静置48h浓缩至50mL，最后加入2mL 甲醛进行保存[11,12]。定性标本用25#浮游生物网采集，5%的甲醛现场固定[12]。定性标本一般只用于分析与鉴定，一般鉴定到种，对于少数难以确定的种类至少鉴定到属。定量标本使用0.1mL 的计数框于显微镜下计数浮游生物，确定水体中浮游植物密度及生物量[13]。

表1 水质指标测定方法和标准Tab.1 Method and standard for determination of water quality indicators

1.3 水质指标测定

按照《水质采样方案设计技术规定（HJ 495-2009）》、《水质采样技术指导（HJ 494-2009）》和《水质样品的保存和管理技术规定（HJ 493-2009）》中的标准采集水样，依照《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中的方法测定水质指标[9]（表1）。

1.4 数据分析

1.4.1 相关分析

计算水环境因子与浮游植物指标之间的相关系数，并进行分析讨论。

1.4.2 逐步回归分析与通径分析

以浮游植物指标作为逐步回归分析的因变量，以水环境因子为自变量，运用逐步回归分析对自变量进行筛选，最终建立回归方程[15,16]。在创建回归方程模型的过程中，求出通径系数，进行通径分析[ 11,17 ]。

1.4.3 灰关联分析

各水质指标的类型和量纲都不同，灰关联分析前对水质数据进行前期处理—无量纲化处理，本文用极差变换法把数据归一化到0-1 之间[18,19]。

灰关联分析就是以浮游植物指标为母序列，以水环境因子为子序列，计算浮游植物指标与水环境因子的关联度，根据关联度确定水环境因子对浮游植物的作用[20,21]。

1.4.4 数据处理

数据采用DPS 统计软件处理[22-24]。

2 结果与分析

2.1 浮游植物种类组成与变化分析

由图2 可知：总体上，星海湖绿藻门的种类占比较大；绿藻门、硅藻门和蓝藻门比其他门的占比要大，变化幅度较大。硅藻门逐步增加，而绿藻门和蓝藻门的种类数总体上有略微下降，其他则变化幅度较平稳。

表2 不同季节星海湖中各种藻类所占的比重Tab.2 The proportion of various species algae in Xinghai Lake in different seasons

如表2 所示，四季中，绿藻门占绝对优势。总体上，绿藻门、硅藻门和蓝藻门比其他门占比较大。绿藻门所占比重随季节变化逐渐降低，但下降程度不大，硅藻门先降低再升高，冬季达最大值，夏季蓝藻门达最大值。其他门所占比重都不大，变化也较平稳，仅夏、秋两季金藻急剧减少。

表3 不同季节星海湖中浮游植物的均匀度指数、多样性指数和丰富度指数Tab.3 Uniformity index,diversity index and richness index of phytoplankton in Xinghai Lake in different seasons

表4 星海湖水环境因子与浮游植物指标的相关系数矩阵Tab.4 Correlation efficients between phytoplankton and water environmental factors in Xinghai Lake

星海湖采样点的浮游植物密度和生物量变化分别如图3 和图4 所示，由于湖区面积不大，各采样点的浮游植物密度和生物量随季节变化一致，几乎同步。总体上，由于夏季温度及各方面的影响因素较为适合浮游植物生长，因此在夏季浮游植物密度和生物量达到最大值。

由表3 可知，春、夏、秋、冬四个季节星海湖浮游植物的均匀度指数在0.731～0.597 之间，平均值为0.657，春季＞冬季＞秋季＞夏季；Shannon-Wiener多样性指数在3.199～2.309 之间，平均值为0.657，冬季＞春季＞夏季＞秋季；Margalef 丰富度指数在3.129～2.562 之间，平均值为2.848，春季＞冬季＞秋季＞夏季。由此可以看出，均匀度在0.5～0.8 之间，Shannon-Wiener 多样性指数基本介于1～3，Margalef丰富度指数也基本处于1～3 之间。因此，可以判定星海湖为中污染型。

表5 星海湖浮游植物指标与水环境因子的逐步回归方程Tab.5 Stepwise regression equation for phytoplankton and water environmental factors in Xinghai Lake

2.2 浮游植物与水环境因子的相关分析

水环境因子与浮游植物指标之间的相关系数与皮尔逊相关性分析结果见表4。浮游植物密度、叶绿素a 与水温、CODMn、CODCr、NH3-N、TN、TP 之间呈极显著正相关；浮游植物生物量与水温、CODMn、CODCr、NH3-N、TN、TP、BOD5之间呈极显著正相关。

2.3 浮游植物与水环境因子的逐步回归分析

浮游植物生物量的回归方程入选的因子有TN和BOD5，叶绿素a 的回归方程入选的因子有WT、pH、CODMn、NH3-N 和TN，浮游植物密度的回归方程入选的因子有pH、SD、DO、CODCr、TN 和BOD5（表5）。

2.4 浮游植物与水环境因子的通径分析

通径分析计算出通径系数，可以分析出各水环境因子对浮游植物指标的影响。如表6 所示，对浮游植物密度的直接作用由大至小排序为：TN、DO、CODCr、pH、SD、BOD5；对其间接作用大小排序为：DO、SD、BOD5、pH、CODCr、TN。对叶绿素a 的直接作用大小排序为：TP、TN、CODMn、WT、pH，且pH、SD、DO 为负向作用；对其间接作用大小排序为：CODMn、WT、TN，且pH、NH3-N 间接作用系数太小，因此对其进行剔除，不考虑其间接作用。对浮游植物生物量的直接作用大小排序为：TP、BOD5，对其间接作用大小排序为：BOD5、TP。

表6 星海湖浮游植物与水环境因子的通径系数Tab.6 Path efficients between phytoplankton and water environmental factors in Xinghai Lake

2.5 浮游植物与水环境因子的灰关联分析

灰关联分析中，关联度越高，表明浮游植物受水环境因子的影响程度越高，以此来判定其主要影响因子。由表7 可知，影响浮游植物密度的水环境因子主要有TN、WT、NH3-N、总磷和CODMn等；影响浮游植物生物量的水环境因子主要有TN、TP 和WT 等；影响叶绿素a 的水环境因子主要有NH3-N和TN 等。

3 讨论

星海湖中绿藻门占主要部分，夏季的温度与其他因素都比较适合浮游植物生长，因此，夏季大部分浮游植物的种类数、密度和生物量都逐渐增加。蓝藻和绿藻的种类数和所占比重总体上呈下降状态，减少了对硅藻等影响，释放了大量的空间和营养物质，致使硅藻的种类数和所占的比重总体上升。星海湖绿藻、硅藻和蓝藻所占比重较大，为绿-硅-蓝藻污染。均匀度指数、多样性指数和丰富度指数分析判断，星海湖水体基本上为中污染型。

相关分析表明，星海湖中浮游植物指标与大多数水环境因子之间呈极显著的正相关。其中水温与浮游植物指标之间呈极显著正相关，是影响浮游植物的重要理化因子。水温的变化影响水体物理化学和生物的活动，也影响水体水层的交换、营养物的循环和分布[25，26]。CODMn、CODCr、NH3-N、TN、TP 也与浮游植物指标之间呈极显著正相关，相关系数在0.6051～0.9926 之间。BOD5仅与浮游植物生物量间呈极显著正相关，与其他浮游植物指标之间的相关关系不明显。

叶绿素a 与水温呈明显的线性回归关系，说明水温对叶绿素a 影响较大。星海湖水体中叶绿素a、浮游植物密度与pH 有线性回归关系，说明pH 对水体中的浮游植物密度与叶绿素a 有显著关系。透明度与浮游植物关系密切，不仅能反映水体中悬浮物的数量，还能粗略估计水体中浮游植物的量。一般在相同的条件下，浮游植物越多，水体透明度越低[27]。多种因素都影响透明度，仅凭与透明度的线性回归关系不能确定二者间的关系。氮、磷营养元素影响浮游植物的生长，仅在合适浓度范围内氮、磷对浮游植物的生长有促进作用；超过或低于合适浓度范围，都会对浮游植物产生一定的消极影响[28-30]。星海湖浮游植物密度、生物量与叶绿素a 和TN 之间都有显著的线性回归关系。总体上，浮游植物生物量与TN、BOD5之间有显著的线性回归关系，表明TN、BOD5对浮游植物生物量影响较大。叶绿素a 与WT、pH、CODMn、NH3-N 和TN 之间有显著的线性回归关系，说明对叶绿素a 影响较大的水环境因子是WT、pH、CODMn、NH3-N、TN。浮游植物密度与pH、SD、DO、CODCr、TN、BOD5之间有显著的线性回归关系，表明pH、SD、DO、CODCr、TN、BOD5对浮游植物密度影响较大。

通径分析表明，影响浮游植物密度的主要水环境因子为TN、DO、CODCr、pH 等；影响叶绿素a 的主要水环境因子为NH3-N、TN、CODMn、WT 等；影响浮游植物数量的主要水环境因子为TN、BOD5。其中，TN 与浮游植物密度、生物量的直接通径系数分别高达0.87、0.7430；NH3-N 与叶绿素a 的直接通径系数高达0.9458。

灰关联分析表明，影响浮游植物密度与生物量的最主要水环境因子是TN，与其关联度分别高达0.74381 和0.6518；影响叶绿素a 的最主要水环境因子是NH3-N，与其关联度高达0.67789。

综合分析，逐步回归分析、通径分析和灰关联分析结果有很好的一致性，表明星海湖的浮游植物与水环境因子之间的关系较为稳定密切。三者彼此印证表明，主导星海湖水体浮游植物的水环境因子为TN、NH3-N，因此，控制水体中的氮营养盐对治理与防治星海湖富营养化至关重要作用。

为有效保护星海湖，需要尽可能控制人为活动对其环境的影响和破坏，严格控制生产、生活活动产生的废水排放；也可以采取湿地护岸工程，保证湿地-陆地-水体三者之间的物质循环；加强对星海湖生物的保护，恢复其原有的植被体系，严格控制其他外来物种的进入，维持其生态系统的稳定。